Физико-технологические принципы создания тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов

• Автор: Татаренко, Николай Иванович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 238 с. : ил.

Глава 1. Анализ современного состояния и тенденций
развития вакуумных автоэлектронных микроприборов
1.1. Существующие конструктивно-технологические
принципы создания автоэмиссионных катодов
1.2. Вакуумные автоэлектронные микроприборы
1.3. Автоэмиссионные наноструктуры
1.3.1. Автоэмиссионные матрицы из нанопроводов
1.3.2. Углеродно-нанотрубчатые автоэмиссионные матрицы
Цели и задачи исследования
Глава 2. Физико-технологические принципы создания
наноструктурных автоэмиссионных матриц на основе тонких пленок вентильных металлов
2.1. Физико-химические основы создания автоэмиссионных матриц
2.2. Микрогеометрия и стехиометрия оксидно-титановых матриц
наноэмиттеров
2.2.1. Методика проведения эксперимента
2.2.2. Результаты электронной микроскопии
2.2.3. Результаты оже-электронной спектроскопии
2.3. Вольт-амперные характеристики наноструктурных
автоэмиссионных матриц
Глава 3. Интегральная технология создания тонкоплёночных
наноструктурных автоэлектронных микроприборов
3.1. Технология изготовления автоэлектронных микротриодов
3.2. Базовые процессы анодного окисления тонкоплёночных структур вентильных металлов
3.2.1. Выбор оптимального режима процесса плотного
анодирования алюминия
3.2.2. Процессы локального сквозного анодного окисления тонкоплёночных структур вентильных металлов
3.3. Электрофизические характеристики изоляционных
компонентов автоэлектронных микроприборов
3.3.1. Оборудование и методика проведения испытаний
3.3.2. Методика изготовления тестовых структур и результаты
испытаний
3.4. Система межсоединений для наноструктурных
автоэлектронных микроприборов
3.4.1. Технология изготовления
3.4.2. Электрофизические характеристики
3.4.3. Устойчивость к электромиграции
Глава 4. Физические основы моделирования и расчёта характеристик
наноструктурных автоэлектронных микроприборов
4.1. Постановка задачи
4.2. Математическое описание основных физических процессов
4.3. Обсуждение полученных уравнений
4.4. Алгоритм анализа и расчета характеристик
автоэмиссионных структур и микроприборов
Глава 5. Характеристики тонкоплёночных наноструктурных
автоэлектронных микроприборов
5.1. Диодные структуры
5.2. Катодно-сеточные элементы
5.3. Триодные структуры
5.3.1. Вольт-амперные характеристики
5.3.2. Дифференциальные параметры
5.3.3. Требования к вакууму
5.3.4. Быстродействие
5.3.5. Степень интеграции
Заключение
Литература
Приложение

Актуальность темы. Одним из важных направлений современной электроники является вакуумная микро- и наноэлектроника. Главным преимуществом вакуумных автоэлектронных микроприборов (АЭМП) перед полупроводниковыми приборами является их высокая стойкость к воздействию температуры и радиации. Эта устойчивость обусловлена самой природой авто-электронной эмиссии, лежащей в основе работы данных приборов. Кроме этого, для АЭМП ожидается сверхвысокое быстродействие, поскольку баллистический перенос электронов от катода к аноду обеспечивается за очень короткое время пролёта - менее одной пикосекунды. Общей тенденцией развития вакуумной микроэлектроники, ставшей особенно заметной в последние годы, является постоянная разработка новейших конструкций и технологий изготовления все более низковольтных и миниатюрных автоэлектронных приборов. В традиционно изготавливаемых вакуумных автоэлектронных микроприборах, независимо от того, состоят ли их катоды из металлических или кремниевых острий, это обеспечивается за счет дальнейшего уменьшения радиусов эмиттирующих острий и диаметров отверстий в управляющем электроде. Оба эти фактора способствуют снижению значений минимально необходимого напряжения на управляющем электроде для обеспечения авто-электронной эмиссии. Анализ современного состояния вакуумных автоэлектронных микроприборов показал, что физико-технологические принципы их создания, использующие методы субмикронной литографии для изготовления конструктивно входящих в них автоэмиссионных матриц, достигли своего физического предела. Достигнутый минимальный уровень рабочих напряжений для этих приборов составляет ~ 40 - 50 В. Одним из наиболее перспективных путей создания автоэлектронных микроприборов с точки зрения повышения их надежности, снижения рабочих напряжений вплоть до значений, сравнимых с полупроводниковыми приборами, а также снижения их себестоимости является разработка нелитографических технологий формирования автоэмиссионных конструкций, базирующихся на физических процес-

пор к их открытым вершинам. После завершения процесса пиролиза образцы отжигались в течение 15 часов при 700 °С в потоке чистого N2, для того чтобы способствовать графитизации УНТ. Электронная микроскопия показала, что для самого короткого времени пиролиза нанотрубки не достигали поверхности АОА. В пиковый период пиролиза нанотрубки вырастают из пор, создавая случайное сплетение нанотрубок на поверхности АОА.
Автоэмиссионные характеристики определялись для образцов, подготовленных с различным временем пиролиза. Для измерения автоэмиссионно-го тока над поверхностью образца на высоте в диапазоне 25-360 мкм располагали, используя различные изолирующие промежутки, стандартную высокотрансмиссионную медную сетку. Над сеткой располагался анод, на который подавалось положительное напряжение в 2000 В. К сетке прикладывалось также положительное, относительно испытуемого образца, напряжение. Проведенные испытания показали, что минимальное напряжение, при котором начал наблюдаться ток автоэлектронной эмиссии (для зазора между сеткой и испытуемым образцом в 25 мкм), составило ~ 80 В. Токи автоэлектронной эмиссии в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен
мкА были получены от матриц с нанотрубками с площадью ~ 2 мм при напряжениях на сетке в диапазоне 80 - 90 В. Образцы, поверхности которых были покрыты случайными сплетениями нанотрубок, давали намного большие коэффициенты усиления поля (Р ~ 1600- 1900) и электрические поля с более низкими порогами (~ 3 В/мкм), чем те у которых нанотрубки не достигали поверхности АОА (Р ~ 300 и пороговые электрические поля ~ 40В/мкм).
В другой работе [150] углеродные нанотрубки были синтезированы в мембране из АОА со встроенными нанопроводами. В качестве исходной основы была использована алюминиевая фольга, на поверхности которой был сформирован пористый АОА. После чего был удален барьерный слой АОА посредством его растворения в 20 %-ном растворе серной кислоты. Затем мембрана АОА была отделена от алюминия. После чего одна сторона