Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 1, стр. 96-100

ВВЕДЕНИЕ

Проблема обеспечения надежности и долговременной стабильности автоэмиссионных структур с высокой плотностью тока имеет первостепенную значимость при создании новых поколений современных приборов вакуумной электроники [1, 2] – генераторов и усилителей СВЧ с рабочим диапазоном частот вплоть до терагерцового. Туннельный характер транспорта электронов из материала полевых эмиттеров в вакуум делает их привлекательными также для развития широкополосных вакуумных фотосенсоров [3] с возможностью динамической настройки спектральной чувствительности. Баллистический перенос электронов в промежутке “катод–анод” с экстремальной напряженностью электрического поля, а также малое время реакции на оптический сигнал являются залогом высокого быстродействия таких приборов. Другими важными потребительскими свойствами приборов являются низкий уровень модулирующих потенциалов и способность функционирования в условиях технического вакуума (при давлении на уровне 10^–5 Па). На практике это позволяет существенно уменьшить массу источников питания, снизить стоимость приборов вакуумной электроники и фотоники. Противоречивость перечисленных требований затрудняет задачу их одновременного удовлетворения.

Из анализа классического уравнения Фаулера–Нордгейма следует, что повышение напряженности поля приводит к экспоненциальному росту плотности тока полевой эмиссии (ПЭ). Неоднородность поверхности эмиттера (в виде острий катодов Спиндта, лезвий, массивов нанотрубок и др. [1–6]) вызывает локализацию зон интенсивной ПЭ. В этих зонах происходит локальное тепловыделение за счет джоулевого нагрева и/или эффекта Ноттингема.

Известны различные схемы построения элементарных ячеек для массивов с ПЭ, среди которых можно выделить некоторые многообещающие – со средней плотностью тока J ПЭ не ниже десятков миллиампер на 1 см². Структура с гейт-электродом представляет собой эмиттер [4] в виде острия из молибдена высотой 0.8…1.8 мкм и гейт-электродом диаметром 0.8 мкм, поперечные размеры ячейки составляют 4 мкм, разность потенциалов между гейтом и эмиттером U_g = 300 В, ПЭ-ток с острия достигает 1 мА. В данной конструкции используется свойство ограничения тока ПЭ собственным сопротивлением острия, которое дополнительно растет с нагревом. Эта идея с ограничителем тока получила развитие в конструкции, описанной в [5], в которой столбчатая структура из кремния (далее – Si-структура) с высоким аспектным отношением (200 нм диаметром и 10 мкм высотой) внедрена в диэлектрическую матрицу, апертура гейта имеет диаметр 350 нм, поперечные размеры ячейки уменьшены до 1 мкм, разность потенциалов между гейтом и эмиттером 80 В, ток единичного Si-острия нанопровода достигает 1 мкм. В работе [6] предложена конструкция ячейки, в которой массив углеродных нанотрубок (CNT) связан с отдельной колонной кристаллического кремния (Si), которая действует как нелинейное балластное электрическое сопротивление. Поперечные размеры ячейки составили 15 мкм, рабочее напряжение 20 В, ток кластера CNT на колонне – 5.6 мкА. Аналогичное решение, но с формированием пирамидального наноалмазного острия на вершине балластного 140-килоомного сопротивления в виде Si-стержня, предложено в [7]. В [8] описывается технология выращивания наноразмерного кремниевого сопротивления на вершине собственно эмиттирующего острия большего размера, обеспечивается устойчивая работа эмиттера с плотностью тока ПЭ 24.9 мА/см² и напряжением 94 В. Существенным ограничивающим фактором таких структур является нелинейное возрастание уровня выделяющейся тепловой мощности в балластных сопротивлениях вместе с ростом плотности тока ПЭ.

В некоторых конструкциях [9, 10] для упрощения вместо индивидуального гейт-электрода для отдельного кластера используется единый “вытягивающий” электрод с потенциалом U. Это позволяет использовать острия с увеличенным характерным размером (масштаб может достигать нескольких десятков микрометров). Одновременно растет и U – до уровня нескольких единиц и даже десятков киловольт (например, в конструкции [9] U достигает 6 кВ, а в углеродной структуре “хвоеобразного” типа [10] U = 55 кВ. Структура [10] обеспечивает стабильную работу эмиттера в течение 1080 ч при плотности тока ПЭ 102 мА/см², но в режиме постоянной откачки для создания высокой степени вакуума. Следует отметить как положительное тот факт, что требования к разбросу размеров острий в конструкциях такого типа в некоторой степени ослабляются, становятся менее строгими.

1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В работах [11, 12] описана планарная структура с гейт-электродом (рис. 1). К основным особенностям структуры следует отнести следующие:

Рис. 1.

Планарная структура с Мо лезвием, покрытым пленкой АПУ: 1 – пленка АПУ; 2 – молибденовое лезвие; 3 – молибденовый гейт-электрод; электроды 2 и 3 электрически изолированы друг от друга слоем SiO₂.

– формирование композитного лезвийного эмиттера в виде относительно массивного и высокотеплопроводного основания из молибдена толщиной 300…400 нм, на котором методом PECVD высажена пленка гидрогенизированного АПУ (см. рис. 1, позиции 2 и 1) толщиной 20 нм;

– изготовление гейт-электрода 3 так, чтобы плоскость его поверхности была расположена на расстоянии 600…700 нм от плоскости поверхности пленки АП и обеспечивала низковольтность управляющего напряжения прибора (на уровне 150…250 В);

– сформированное распределение электростатического поля в межэлектродном пространстве планарной структуры обеспечивает защиту лезвия эмиттера от ионной бомбардировки [11], в отличие от типовых структур типа катода Спиндта с соосным острию эмиттера гейт-электродом.

Проведенные в [13] исследования показали существование фоточувствительности предложенной планарной структуры по отношению к облучению потоками фотонов с низкой энергией, существенно ниже энергии, соответствующей красной границе классического фотоэффекта для используемых материалов. Развитие теории туннельного фотоэффекта применительно к исследуемым структурам [14] позволило обосновать характер зависимости величины фототока от напряженности электростатического поля на эмитирующей поверхности, длины волны излучения и его интенсивности. Найденные закономерности являются ключевыми с точки зрения принципиальной возможности разработки широкополосных фотосенсоров с динамической настройкой спектральной чувствительности путем варьирования рабочего напряжения прибора.

Вместе с тем остается недостаточно изученной и понятной роль диэлектрической пленки в обеспечении экспериментально наблюдаемой стабилизации ПЭ [15] исследуемой планарной структуры с покрытым пленкой АПУ лезвием эмиттера. Цель данной работы – оценка возможных различий параметров локализации электростатического поля в наноструктуре без пленки АПУ и с пленкой, которые определяют интенсивность как тока ПЭ, так и фототока.

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для решения поставленной задачи исследования влияния пленки АПУ на условия туннелирования носителей заряда было рассчитано изменение поля потенциалов в планарной структуре после нанесения диэлектрического покрытия. С этой целью была построена конечно-элементная модель двух вариантов исполнения планарной наноструктуры – с диэлектрической пленкой АПУ толщиной 20 нм и без нее. При проведении расчета в качестве граничных условий использованы значения потенциалов на металлических поверхностях – лезвийном эмиттере, гейте и аноде. Было также учтено, что пленка АПУ является диэлектриком. Результаты распределения поля потенциалов в структуре с диэлектрической пленкой АПУ представлены на рис. 2а в окрестности вершины лезвия (эта зона выделена пунктирной рамкой на рис. 1) в виде тоновой топограммы и линий эквипотенциалей. Видна область сгущения эквипотенциалей вокруг острия Mo-лезвия (зона локализации поля) с пересечением диэлектрической пленки.

Рис. 2.

Результаты моделирования электростатического поля в планарной структуре с пленкой АПУ: а – топограмма распределения потенциалов (шаг между эквипотенциалями 1 В); б – распределение нормальной компоненты E_y вектора напряженности поля на поверхности пленки АПУ.

С учетом полученного распределения поля потенциалов транспорт электронов может быть описан следующим образом. Сгущение изолиний потенциала в области сопряжения острия Mo-лезвия с пленкой АПУ (повышение напряженности поля) способствует инжекции электронов из молибдена в диэлектрическую пленку, при этом концентрация в нем электронов остается на много порядков ниже, чем в металле. Это приводит к ограничению электропереноса через диэлектрик, который возможен при повышении напряженности поля, например по механизму Пула–Френкеля [16]. На интенсивность же ПЭ с поверхности диэлектрической пленки в вакуум определяющую роль наряду с уровнем напряженности поля играют особые свойства АПУ.

Изначально пленки АПУ привлекли внимание неожиданно высоким уровнем фотоотклика при облучении потоками фотонов с низкой энергией и низким порогом начала ПЭ, которые не соответствовали ни работе выхода алмаза, ни работе выхода графита, и отсутствовали явные причины существования высокого форм-фактора. Механизм этого эффекта оказался связан с присутствием и взаимодействием электронных структур нанокластеров алмаза (Sp³-фаза) и тонких граничных оболочек графита (Sp²-фаза). Исследование, построение гипотез и обоснование механизма инжекции электронов из графита в гранулы алмаза, обладающего отрицательным электронным сродством, с последующей туннелированием в вакуум было дано в [17]. Было показано, что гидрогенизация и допирование нанокристаллического алмаза ионами натрия, золота, платины и др. дополнительно снижает работу выхода электронов [18]. Суммарное снижение работы выхода может достигать 2…2.5 эВ. Поэтому в условиях достаточного транспорта электронов сквозь пленку наноразмерной толщины полевая эмиссия с ее поверхности может происходить при сравнительно малой величине компоненты вектора напряженности поля, нормальной к поверхности. Найденное распределение |E_y| (рис. 2б) имеет плавный максимум. Ширина зоны по уровню |E_y| не ниже 90% от максимума, в которой эмитируется основной ток ПЭ, составляет 30 нм.

Результаты аналогичного расчета для структуры без пленки АПУ (рис. 3) позволяют выявить существенное перераспределение эквипотенциалей, которое приводит к изменению и распределения напряженности поля в зоне туннелирования электронов в вакуум с поверхности острия Mo-лезвия. Видно, что без пленки АПУ максимум |E_y| на Mo-основании возрастает, а ширина зоны локализации по уровню 90% от максимума уменьшается и становится менее 2 нм.

Рис. 3.

Результаты моделирования электростатического поля в планарной структуре без пленки АПУ: а – топограмма распределения потенциалов (шаг между эквипотенциалями 1 В); б – распределение нормальной компоненты E_y вектора напряженности поля на поверхности Мо-лезвия.

Такое изменение степени локализации означает, что один и тот же уровень тока ПЭ в структуре без пленки АПУ может быть достигнут лишь при условии повышения локальной плотности тока более чем в 15 раз по сравнению со структурой с пленкой АПУ. Однако при повышении плотности тока любая автоэмиссионная структура становится более критичной по отношению к флуктуациям управляющих потенциалов, ухудшается стабильность ПЭ катода, растет вероятность появления необратимых разрушающих процессов. Снижение плотности тока ПЭ также однозначно ведет к уменьшению локальной мощности тепловыделения в зоне туннелирования электронов в вакуум.

Столь существенное снижение требования по локальной плотности тока в структуре с пленкой АПУ, которое следует из анализа расчетных данных об уровне и характере распределения напряженности поля, полученных в двух вариантах исполнения, согласуется с результатами испытаний на долговечность структур. Экспериментальные исследования планарных структур показали, что нанесение пленки АПУ повышает долговечность в режиме длинных импульсов со скважностью 10 и средней плотностью тока ПЭ не ниже 30 мА/см² более чем в 50 раз – до 8700 ч. Эффект многократного увеличения ширины зоны с повышенной напряженностью поля при нанесении наноразмерной диэлектрической пленки АПУ может быть интерпретирован как формирование распределенной зоны локализации поля.

Применение покрытия пленкой АПУ также приводит к повышению фоточувствительности структуры, как следует из анализа данных на рис. 4. Видно, что почти во всем исследованном диапазоне изменения напряженности поля темновой ток молибденового сенсора превосходит темновой ток структуры с пленкой АПУ, а в области малого и среднего уровней напряженности поля отношение темновых токов достигает нескольких единиц. Облучение фотосенсоров когерентным источником света с длиной волны 532 нм (энергия фотонов ниже красной границы классического фотоэффекта для молибдена, алмаза и графита) приводит к появлению фототока в образцах обоих исполнений (с АПУ-пленкой и без нее), что является следствием туннелирования неравновесных фотоэлектронов в зоне локализации поля на границе поверхности эмиттера с вакуумом. Величина фототока определяется разностью результирующего и темнового токов. Из анализа данных рис. 4 видно, что фототок растет монотонно с повышением напряженности поля. Однако фоточувствительность образца с пленкой АПУ всегда оказывается выше фоточувствительности образца с молибденовым эмиттером, превышая ее до 5 раз в области напряженности поля 30 В/мкм.

Рис. 4.

Вольт-амперная характеристика фотосенсора с покрытием пленкой АПУ (1) и без пленки АПУ (2): сплошные кривые – темновые характеристики; пунктирные кривые – при облучении когерентным источником света с длиной волны 532 нм (даны в прямых координатах “напряженность поля–ток”, на вставке – в координатах Фаулера–Нордгейма).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенного моделирования дают теоретическое обоснование концепции формирования распределенной зоны локализации электростатического поля и мультипликативного эффекта от применения диэлектрической пленки АПУ.

Формирование распределенной зоны локализации электростатического поля обеспечивает повышенную среднюю плотность полевой эмиссии и туннельной фотоэмиссии:

− с пониженными уровнями удельной локальной плотности эмиссии и удельной мощности тепловыделения;

− повышенной стабильностью;

− с низковольтным управлением.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают справедливость сформулированных модельных концепций.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №16-19-10455).