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 автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния. Изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния в плазме микроволнового газового разряда осаждением из паров углеродосодержащих веществ, например этанола, с использованием явлений самоорганизации и структурирования субмонослойных углеродных покрытий в наноостровковые образования. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения, тем самым, рабочих напряжений осуществляют формирование эмиссионных центров в виде интегральных столбчатых наноструктур высотой до нескольких десятков нанометров, которые получают высокоанизотропным травлением кремниевых пластин с использованием полученных углеродных островковых нанообразований в качестве масочного покрытия. Для повышения плотности и стабильности автоэмиссионного тока матрица многоострийного автоэмиссионного катода на поверхности монокристаллического кремния подвергается плазменной обработке для удаления естественного оксидного покрытия в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе. Технический результат - повышение плотности и стабильности автоэмиссионных токов.

 

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 - CFm, 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.

Способ повышения плотности и стабильности тока матрицы многоострийного автоэмиссионного катода в виде столбчатых наноструктур на поверхности пластин монокристаллического кремния, полученных осаждением наноалмазографитовой пленки толщиной от 1 до 1,5 нм на поверхность пластин монокристаллического кремния, которые подвергают высокотемпературному отжигу с последующим высокоанизотропным травлением на определенную глубину, которая зависит от температуры пластины в процессе осаждения углеродной пленки, отличающийся тем, что матрица многоострийного автоэмиссионного катода подвергается плазмохимической обработке для удаления естественного оксидного покрытия в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточного узла (КСУ), предназначенного для использования в электронных приборах с автоэлектронной эмиссией.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу модификации эмиссионной поверхности электродов для приборов с автоэлектронной эмиссией. Способ включает размещение в общем вакуумированном корпусе 1 анодного электрода 3.1 и катодного электрода 3.2, имеющего рабочую поверхность, материал которой обладает автоэмиссионными свойствами.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции катодно-сеточных узлов с автоэмиссионным катодом из углеродного материала для вакуумных электронных приборов (в том числе к СВЧ приборам) с микросекундным временем готовности.

Изобретение относится к приборам вакуумной электроники для СВЧ-приборов, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и прочее, а также к способу изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров.

Изобретение относится к приборам вакуумной электроники для СВЧ-приборов, плоских дисплеев, портативных источников рентгеновского излучения и прочее, а также к способу изготовления катода на основе массива автоэмиссионных эмиттеров.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для выделения пучков электронов из плазмы рабочей среды, создания электрических генераторов на основе энергии электронных пучков, электрореактивных двигателей, электронно-лучевых и ионно-лучевых приборов.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в газоразрядных устройствах с самонакаливаемым полым катодом. Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы включает формирование трубчатого изделия из смеси порошков, содержащей нитрид титана, 10 вес.% титана, не более 2 вес.% пластификатора поливинилбутираля, импульсным или статическим прессованием, экструзией, шликерным литьем или альтернативным способом, отжиг трубчатого изделия в вакуумной печи в потоке азота при давлении 1 Па при температуре 500°С в течение 1 ч для термического разложения пластификатора и удаления продуктов разложения из объема трубчатого изделия, установку трубчатого изделия в качестве катодного электрода в электроразрядную систему, содержащую анодный электрод, постоянную прокачку азота через трубчатое изделие, приложение между анодом и трубчатым изделием напряжения и зажигание тлеющего разряда между трубчатым изделием и анодом, ток которого постепенно увеличивают по мере прекращения дугообразования, что обеспечивает удаление поверхностных загрязнений и рост температуры трубчатого изделия, переход разряда в термоэмиссионный дуговой режим и нагрев катода до температуры 2000°С.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к катодно-сеточным узлам для вакуумных электронных устройств, в том числе приборов СВЧ диапазона с наносекундным временем готовности, в которых используются автоэмиссионные катоды.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточного узла (КСУ), предназначенного для использования в электронных приборах с автоэлектронной эмиссией.

Изобретение относится к ускорителю электронов на основе сегнетоэлектрического плазменного (СЭП) катода. В предложенном ускорителе накопитель энергии совместно с формирователем импульса выполнен в виде формирующей линии, состоящей из n+1, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, трансформатор включен между формирующей линией и диодом и состоит из n, где n - натуральное число отрезков однородных линий с волновым сопротивлением ρ, соединенных на входе параллельно, а на выходе последовательно, между формирующей линией и трансформатором включен управляющий разрядник, отдельный кабель с волновым сопротивлением ρ соединяет формирующую линию с катодом.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для создания автоэмиссионных электронных приборов (с «холодной эмиссией электронов) для изготовления зондов и кантилеверов сканирующих зондовых микроскопов и оперативных запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации, поверхностно-развитых электродов электрохимических ячеек источников тока, а также для использования в технологиях изготовления кремниевых солнечных элементов нового поколения для повышения эффективности антиотражающей поверхности фотопреобразователей.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу изготовления катодно-сеточного узла (КСУ), предназначенного для использования в электронных приборах с холодной эмиссией.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу модификации эмиссионной поверхности электродов для приборов с автоэлектронной эмиссией. Способ включает размещение в общем вакуумированном корпусе 1 анодного электрода 3.1 и катодного электрода 3.2, имеющего рабочую поверхность, материал которой обладает автоэмиссионными свойствами.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторичноэмиссионных катодов для мощных приборов СВЧ-электроники.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторичноэмиссионных катодов для мощных приборов СВЧ-электроники, в частности ламп бегущей волны, магнетронов и т.п.

Изобретение относится к технике радиосвязи, радиолокации и радиоэлектронной борьбы и может быть использовано в авиационной и космической технике. Способ снижения радиолокационной заметности летательных аппаратов, оборудованных газотурбинными двигателями, заключается в том, что перед элементами двигателей, вносящими большой вклад в мощность отраженного излучения, создают плазменное образование, поглощающее зондирующее излучение радиолокационной станции.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к вакуумным электронным устройствам, в том числе к вакуумным устройствам СВЧ-диапазона, использующим в качестве источников тока автоэмиссионные катоды. Технический результат- повышение эмиссионной способности катода, надежности работы катодно-сеточного узла электронного устройства и улучшение качества электронного потока путем уменьшения угла эмиссии с вершины автоэмиттера. Катодно-сеточный узел содержит автоэмиссионный катод в форме иглы с большим аспектным отношением геометрических размеров и управляющую сетку из токопроводящего материала с отверстиями. Управляющая сетка отделена от катода вакуумным зазором. При этом поверхность сетки и поверхности, образующие отверстия сетки, покрыты пленкой из диэлектрического материала. При подаче на управляющую сетку положительного относительно катода напряжения, соответствующей началу автоэлектронной эмиссии с катода, электроны с боковой поверхности вблизи вершины острия оседают на участки сетки, покрытые пленкой из диэлектрического материала, и сообщают ей отрицательный заряд. Отрицательный заряд пленки уменьшает напряженность электрического поля на боковой поверхности автоэмиссионного катода и ограничивает эмиссию с тех участков, с которых электроны попадали на сетку. В результате угол эмиссии с вершины острия уменьшается до значений, когда весь ток катода без потерь проходит в отверстие в сетке. По мере стекания заряда с пленки диэлектрика ее потенциал повышается, что приводит к восстановлению эмиссии с боковой поверхности автоэмиттера и оседанию электронов на участки сетки, покрытые пленкой диэлектрика. Отрицательный заряд пленки вновь возрастет, что приводит к ограничению эмиссии с боковой поверхности острия, и т.д. Данный процесс динамический, саморегулируемый и устанавливается при отсутствии токоперехвата на сетку. 2 ил.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния. Изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния в плазме микроволнового газового разряда осаждением из паров углеродосодержащих веществ, например этанола, с использованием явлений самоорганизации и структурирования субмонослойных углеродных покрытий в наноостровковые образования. Для увеличения коэффициента усиления электрического поля и уменьшения, тем самым, рабочих напряжений осуществляют формирование эмиссионных центров в виде интегральных столбчатых наноструктур высотой до нескольких десятков нанометров, которые получают высокоанизотропным травлением кремниевых пластин с использованием полученных углеродных островковых нанообразований в качестве масочного покрытия. Для повышения плотности и стабильности автоэмиссионного тока матрица многоострийного автоэмиссионного катода на поверхности монокристаллического кремния подвергается плазменной обработке для удаления естественного оксидного покрытия в среде хладона-14 при отрицательном смещении на подложкодержателе. Технический результат - повышение плотности и стабильности автоэмиссионных токов.

Наверх