Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОТНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ТОКА МАТРИЦЫ МНОГООСТРИЙНОГО АВТОЭМИССИОННОГО КАТОДА

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе многоострийных автоэмиссионных катодов, изготовленных на пластинах монокристаллического кремния.

Известны многоострийные автоэмиссионные катоды, в котором матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [А.св. СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.].

При изготовлении матрицы все нити ткани ориентируют под острым углом к направлению эмиссии электронов, а рабочую поверхность, которая является эмиттером электронов и состоит из множества нитей, образующих волокна, полируют.

Однако при эксплуатации таких автокатодов в техническом вакууме происходит разрушение связующего вещества под действием ионной бомбардировки. Это приводит к расслоению материала и существенно ограничивает плотности автоэмиссионных токов и срок службы катода.

Известны также регулярные многоострийные матрицы автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода, изготовленные термохимическим способом [Патент RU 1738013, МКИ Н J 1/30, 1993]. Плотность упаковки таких матричных стеклоуглеродных эмиттерных структур достигает 10⁶ см^-2. Острия в матрице имеют форму усеченного конуса высотой до 15-20 мкм. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля вершины острий специально заострялись в кислородной плазме. После заострения их радиус составлял 0,3-0,5 мкм.

Однако стеклоуглеродные матрицы многоострийных катодов не обеспечивают высокой плотности упаковки эмитирующих центров. Это снижает плотности токов с эмиттеров, а приложение высоких электрических полей для усиления процесса автоэлектронной эмиссии приводит к возрастанию тепловыделения ионной бомбардировкой и, как следствие, к деградации многоострийных катодов. Кроме того, многоэтапность и сложность технологии ограничивает ее применение и конкурентоспособность.

Известны также матрицы многоострийных автоэмиссионных катодов, состоящих из однослойных углеродных нанотрубок [Bonard J.-М., Salvetat J.-Р., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett., 1998, 73, p. 918]. Поверхностная плотность случайно ориентированных одностенных нанотрубок составляла 10⁸ см^-2. Коэффициент увеличения электрического поля на вершине трубки изменяется в диапазоне от 2500 до 10000 при среднем значении 3600, что примерно втрое выше соответствующего значения для многослойных нанотрубок.

Однако эмиссионные характеристики таких структур нестабильны - за десять часов непрерывной работы плотность тока эмиссии (при постоянном приложенном напряжении) снижается примерно на порядок. Это, по-видимому, связано с разрушением нанотрубок под действием быстрых электронов. Кроме того, технология изготовления таких нанотрубных эмиттеров является многостадийной, сложной и затратной.

Наиболее близкими по технической сущности и техническому результату к предложенному являются многоострийные автоэмиссионные катоды на монокристаллическом кремнии [Патент RU 2484548, МПК H01J 1/30, 2011]. В таких автокатодах для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения рабочих напряжений при получении повышенных значений токов автоэмиссии осуществляется формирование на кристаллическом кремнии эмиссионных центров в виде интегральных столбчатых наноструктур высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14) 10⁹ см^-2.

Целью изобретения является повышение плотности и стабильности токов многоострийных автоэмиссионных катодов, изготовленных на монокристаллическом кремнии.

Поставленная цель достигается тем, что матрицу многоострийного автоэмиссионного катода в виде столбчатых наноструктур (эмиссионных центров) высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14) 10⁹ см^-2, изготовленных на пластинах монокристаллического кремния электронного типа проводимости, подвергают плазмохимической обработке в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе.

Вначале столбчатые наноструктуры на поверхности пластин монокристаллического кремния получают осаждением наноалмазографитовой пленки толщиной от 1 до 1,5 нм на поверхность пластин монокристаллического кремния, которые подвергают высокотемпературному отжигу с последующим высокоанизатропным травлением на определенную глубину, которая зависит от температуры пластины в процессе осаждения углеродной пленки.

Как известно, естественный оксид кремния на кремнии является хорошим диэлектриком. Он препятствует проникновению внешнего электрического поля в полупроводник, с одной стороны, и выходу носителей из подложки, с другой. Величина барьера зависит от толщины диэлектрика. Начиная с 4 нм, величина этого барьера определяется свойствами объемного диоксида кремния. При больших толщинах вероятность туннелирования электронов исчезающе мала. Таким образом, ввиду низкой концентрации собственных свободных электронов и большой величины потенциального барьера автоэмиссия из кремния с оксидным покрытием может осуществляться только благодаря двухступенчатому туннелированию электронов из зоны проводимости кремния в диоксид кремния, а затем в вакуум. Результатом этого являются низкие плотности максимальных автоэмиссионных токов из кремниевых пластин с естественным оксидным покрытием, которые, как правило, не превышают 100-150 мкА/см².

При плазмохимическом травлении в среде хладона-14 с отрицательным смещением наиболее вероятным является процесс, при котором ускоренный электрическим смещением положительный углеродосодержащий ион вида где n=0…4, при ударе о поверхность диссоциирует на атомы углерода и фтора (ионно-индуцированная или ударная диссоциация молекулярного иона)

На начальных стадиях травления пластин кремния с естественным оксидным покрытием атомы углерода способствуют восстановлению SiO₂ с образованием летучих соединений окислов углерода. После удаления оксидного покрытия ненасыщенные связи поверхностных атомов кремния пассивируются в результате взаимодействия как с атомами углерода с образованием Si - CF_m, где m=0…3, ковалентных связей с энергией 4,55 эВ, так и атомами фтора с образованием Si-F комплексов с энергией связи, равной 5,6 эВ согласно реакции:

где R - кристаллическая решетка кремния.

Эти взаимодействия связаны с туннельным обменом электронами между поверхностными атомами кремния и адсорбированными ионами, когда их волновые функции перекрываются. Благодаря этим процессам осуществляются нейтрализация поступающих ионов и травление поверхности кремния. Оставшиеся после окончания процесса плазмохимического травления монослои Si-С соединений и одиночные Si-F комплексы пассивируют поверхность кремния и препятствуют, тем самым, образованию диэлектрического потенциального барьера в виде оксидов кремния различного стехиометрического состава. Результатом этого является увеличение более чем на порядок максимального автоэмиссионного тока по сравнению с автоэмиссией из кремниевых эмиттеров с естественным оксидным покрытием, которые не подвергались плазмохимическому травлению в среде хладона-14.

Многоострийные автоэмиссионные катодные матрицы на пластинах монокристаллического кремния в виде столбчатых эмиссионных центров после плазмохимической обработки в среде хладона-14 при отрицательном смещении при автоэмиссионных испытаниях показали хорошие характеристики. Увеличение плотности максимального эмиссионного тока по сравнению с необработанными в плазме катодными матрицами составило более одного порядка (с 0,15 до 3,7 мА/см²). Высокая стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе позволяет прогнозировать срок службы полученной катодной матрицы на уровне не менее 10000 часов.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №767858, МКИ H01J 1/30, 1978 г.

2. Патент RU 1738013, МКИ Н J 1/30, 1993 г.

3. Bonard J.-М., Salvetat J.-P., Stockli Т., Heer W.A., Forro L. and Chatelain A. Appl. Phys. Lett, 1998 г., 73, p. 918.

4. Патент RU 2484548, МПК H01J 1/30, 2011 г.