Способ повышения плотности тока и деградационной стойкости автоэмиссионных катодов на кремниевых пластинах

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных углеродных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния. Изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния дырочного типа проводимости в плазме микроволнового газового разряда осаждением из паров углеродосодержащих веществ, например этанола, углеродных покрытий на кремниевые столбчатые наноструктуры высотой до нескольких десятков нанометров. Для повышения плотностей автоэмиссионных токов используют эмиссионные слои с низкой поперечной электропроводностью. Технический результат - повышение стабильности и эффективности автоэмиссии. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии из композитных наноалмазографитовых структур.

Уровень техники

Известны многоострийные автоэмиссионные катоды, в которых матрица образована слоями плетеной ткани, пропитанной высокотемпературным связующим веществом, например пироуглеродом [1].

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 [2]. 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 эмиттирующих 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 [3]. 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.

Наиболее близким по технической сущности и техническому результату к предложенному являются многоострийные автоэмиссионные катоды на монокристаллическом кремнии [4]. 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 наноалмазографитовых островков на интегральных столбчатых наноструктурах высотой до нескольких десятков нанометров и с поверхностной плотностью до (5-14)109 см-2.

Недостатком многоострийных автоэмиссионных катодов на монокристаллическом кремнии является недостаточно высокие стабильность и плотности автоэмиссионных токов.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является создание такой матрицы автоэмиссионных катодов, которая при упрощенной технологии изготовления, совместимой с технологией производства кремниевых интегральных схем, обеспечивала бы высокие плотность и стабильность автоэмиссионного токоотбора при более продолжительном ресурсе работы.

Поставленная цель достигается тем, что многоострийную катодную матрицу в виде островковых автоэмиссионных углеродных покрытий на кремниевых столбчатых наноструктурах высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14)109 см-2 изготавливают на подложке монокристаллического кремния дырочного типа проводимости. Повышение плотностей и стабильности автоэмиссионных токов в такой катодной матрице достигается при увеличении сопротивления поперечному транспорту носителей заряда через эмиссионный слой.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - структура автоэмиссионного элемента:

1 - анод;

2 - автоэмиссионное углеродное покрытие;

3 - полупроводник p-типа.

Фиг. 2 - график зависимости плотности автоэмиссионного тока от проводимости поверхностного слоя при напряженности поля 20 В/мкм.

Осуществление изобретения

При автоэлектронной эмиссии из планарной структуры, изготовленной на пластине кремния дырочного типа проводимости, реализуется «обратное включение» диодной структуры на границе полупроводник-алмазографитовый слой, при котором ток неосновных носителей (электронов) проходит поперек структуры к положительному аноду (1) (Фиг. 1).

Как известно [5], при обратном включении приконтактный слой полупроводника обедняется основными носителями, и поперечный ток через структуру полупроводник (3) - металл (проводящий эмиссионный слой (3)) стремится к величине тока насыщения, который зависит от величины потенциала ϕs на его поверхности. Потенциал ϕs на поверхности полупроводника определяется разностью потенциалов на аноде (Va) и падением потенциала в эмиссионном слое (ϕs=Va-Vc). При флуктуации тока автоэмиссии Iа изменяется величина падения потенциала в эмиссионном слое, так как Vc=Ia⋅Rc, где Rc - поперечное сопротивление эмиссионного слоя. Результатом этого является изменение величины ϕs и тока, проходящего через полупроводник. При обратном включении зависимость тока насыщения от потенциала ϕs является очень слабой, а сопротивление очень большим. Это не позволяет флуктуациям тока переводить процесс эмиссии в режим аномального разряда и, тем самым, способствует повышению стабильности автоэмиссионного тока и долговечности автокатода за счет устранения явлений, связанных с «выгоранием» эмиссионных центров автокатода в результате токовых флуктуаций.

При увеличении поперечного сопротивления планарной эмиссионной структуры, изготовленной на полупроводнике p-типа, увеличивается в ней падение потенциала и, таким образом, уменьшается величина положительного потенциала ϕк на поверхности полупроводника. За счет уменьшения толщины и сопротивления запирающего слоя в полупроводнике это способствует повышению автоэмиссионного тока из планарной структуры, изготовленной на подложке кремния р-типа (Фиг. 2).

Автоэмиссионные катоды были изготовлены в виде островковых покрытий композиционной наноалмазографитовой пленки, сформированной на поверхности монокристаллических кремниевых пластин p-типа в плазме микроволнового газового разряда паров этанола в диапазоне давлений от 0,05 до 0,08 Па и температуре подложки от 200 до 350°С. Изготовленные углеродные многоострийные автоэмиссионные катодные матрицы с различными поверхностной плотностью и аспектным отношением столбчатых эмиссионных центров при испытаниях показали хорошие характеристики, а именно высокую стабильность эмиссии при амплитуде флуктуации тока менее 3,5% на начальном этапе, что позволяет прогнозировать срок службы катода на уровне не менее 10000 часов, а также высокие плотности тока. Так, при уменьшении электропроводности эмиссионного слоя от 1,35⋅10-4 См до 2⋅10-5 См за счет увеличения толщины углеродного слоя с 1,0 нм до 10 нм и более плотности эмиссионных токов с катодных матриц на подложках кремния p-типа при напряженности поля 20 В/мкм увеличивались от 3 до 19 мА/см2 (Фиг. 2).

Литература

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

2. Патент RU 1738013, МКИ Н01J 1/30, 1993.

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

4. Патент RU 2484548, МПК H01J 1/30, H01J 9/02, 2011.

5. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: 1977, с. 672.

Способ повышения плотности тока, стабильности и деградационной стойкости многоострийных автоэмиссионных катодов в виде композиционной наноалмазографитовой пленки на столбчатых наноструктурах монокристаллического кремния высотой до нескольких десятков нанометров и поверхностной плотностью до (5-14) 109 см-2, отличающийся тем, что многоострийные автоэмиссионные катоды изготавливают на пластинах монокристаллического кремния дырочного типа проводимости при толщине наноалмазографитовой пленки не менее 10 нм с поперечной электропроводностью, которую для повышения плотности автоэмиссионного тока необходимо уменьшать.



 

Похожие патенты:

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, 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 области радио- и электротехники и может быть использовано в приборостроении, в том числе для коммутации электрических цепей в условиях воздействия высоких температур.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электронным приборам на основе автоэмиссионных катодов, таким как светоизлучающие элементы, дисплеи, высоковольтные разрядные устройства, коммутирующие устройства, СВЧ-приборы.

Изобретение относится к авиаприборостроению и предназначено для разработки и изготовления прецизионных высоковакуумных приборов. .

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.

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 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 области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных углеродных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния. Изготовление матрицы многоострийного автоэмиссионного катода осуществляют на пластинах монокристаллического кремния дырочного типа проводимости в плазме микроволнового газового разряда осаждением из паров углеродосодержащих веществ, например этанола, углеродных покрытий на кремниевые столбчатые наноструктуры высотой до нескольких десятков нанометров. Для повышения плотностей автоэмиссионных токов используют эмиссионные слои с низкой поперечной электропроводностью. Технический результат - повышение стабильности и эффективности автоэмиссии. 2 ил.

Наверх