автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния

На правах рукописи //

ВОЛКОВ Евгений Юрьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОЭМИССИОННЫХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ГРАФЕНА НА КАРБИДЕ

КРЕМНИЯ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог-2013

005532423

Работа выполнена на кафедре технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры факультета электроники и приборостроения Южного федерального университета

Научный руководитель: A.M. Светличный, кандидат технических

наук, доцент ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» ( г. Таганрог), доцент.

Официальные оппоненты:

Г.Г. Червяков, доктор технических наук, профессор ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» (г. Таганрог), зав. каф. РТЭ;

Ведущая организация:

И.И. Пивоваров, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Таганрогский научно-исследовательский институт связи (г. Таганрог), начальник НТЦ.

Научно-производственное предприятие космического приборостроения «Квант» (г. Ростов-на-Дону).

Защита состоится «¿¿>» 2013 г. в ч. мин. на заседании

диссертационного совета Д212.208.23 в Южном федеральном университете по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « /j>

2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, >yv7

доктор технических наук, профессор4^

И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы

Для создания современных приборов большой интерес представляют источники электронов на основе автоэлектронной эмиссии из микро- и наноструктур. Такие структуры имеют широкий спектр применения: полевые эмиссионные дисплеи, устройства СВЧ, микро- и наносенсоры, компьютеры нового поколения, единичные автоэмиссионные катоды в электронно-зондовых системах и др.

Автоэмиссионные катоды работают при высокой напряженности электрического поля (порядка 107 В/см). Для достижения такой высокой напряженности поля им придают форму острий или лезвий, что позволяет получать локальное усиление электрического поля. Современные технологии лучевой литографии позволяют формировать структуры субмикронных размеров. Это послужило основой нового этапа развития автоэмиссионных приборов.

Приборы, на основе автоэлектронной эмиссии по сравнению с термо- и фотоэмиссионными обладают рядом преимуществ: не требуют дополнительных затрат энергии (нагрев, облучение), позволяют получать высокую плотность тока эмиссии, вольт-амперные характеристики таких приборов имеют экспоненциально высокую крутизну, стабильны в широком диапазоне рабочих температур, безынерционны, устойчивы к радиации, имеют низкий уровень шума и высокое быстродействие. В процессе эксплуатации таких приборов' на поверхности автоэмиссионных катодов протекают различные процессы, которые оказывают негативное влияние на стабильность работы: ионная бомбардировка катода, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, поверхностная миграция атомов и другие. Перечисленные процессы, в зависимости от режимов работы автоэмиссионных приборов, приводят к катодному распылению, изменению геометрии эмитирующей поверхности, разогреву катода током эмиссии с последующим его разрушением, изменению работы выхода электронов. Все перечисленные эффекты снижают стабильность работы эмиссионных приборов.

В настоящее время ведутся исследования, направленные на повышение стабильности работы автоэмиссионных приборов. Так в работах Лучинина В.В. предложено использовать карбид кремния для создания эмиссионных структур методом фокусированных ионных пучков. Здесь использование карбида кремния обусловлено его устойчивостью к внешним воздействиям, что проявляется в высоких значениях теплопроводности, температуры плавления, химической, радиационной и лучевой стойкости. Одним из недостатков эмиссионных структур на основе карбида кремния является высокая работа выхода электронов. Такие приборы имеют высокие рабочие напряжения. Для снижения рабочих напряжений необходимо на эмитирующую поверхность наносить тонкие пленки материалов, обладающих низкой работой выхода, а также проводить дальнейшее уменьшение размеров таких структур. Использование пленок графена является перспективным для этих целей, благодаря тому, что они обладают низкой работой выхода электронов, имеют высокую адгезионную прочность к карбиду кремния и стабильность, могут быть получены на всей поверхности подложки путем термического разложение карбида кремния в вакууме.

В настоящее время процесс получения пленок графена на карбиде кремния еще не достаточно изучен. Не изучено также влияние конструкции наноразмерных автоэмиссионных катодов с пленками графена на поверхности карбида кремния на эмиссию электронов. Решение этих вопросов является актуальной задачей современной микро- и наноэлектроники.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является, разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния исследований микроэлектронных автоэмиссионных приборов на основе углеродных материалов.

2. Провести математическое моделирование распределения электрического поля в межэлектродном зазоре и эмиссионных характеристик различных конструкций автоэмиссионных катодов.

3. Исследовать возможность получения максимальных напряженностей электрического поля при минимальных рабочих напряжениях в различных конструкциях автоэмиссионных катодов.

4. Экспериментально исследовать влияние технологических режимов на морфологию поверхности и спектры комбинационного рассеяния света пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.

5. Разработать конструкцию автоэмиссионных катодов и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния с использованием метода фокусированных ионных пучков.

Научная новизна работы

1. Установлены закономерности влияния конструкции наноразмерных автоэмиссионных катодов различной формы (острие, лезвие и планарного типа) на коэффициент усиления электрического поля, величину напряженности электрического поля и эмиссионных характеристики.

2. Установлена неоднородность поля вдоль эмитирующей поверхности в планарных эмиссионных структурах и в структурах в форме лезвия, предложены конструкции эмиссионных структур, в которых ее можно избежать.

3. Согласно экспериментальным исследованиям автоэмиссионных характеристик наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния установлено, что при расстояниях между анодом и катодом 1-5 нм, эмиссия электронов возможна на воздухе.

Практическая значимость

1. Экспериментально определены режимы получения пленок графена на ! карбиде кремния (полуизолирующий и п-типа) методом термического разложения в вакууме при давлении 10"3 Па. Температура предварительного отжига 900 °С, температура окончательного отжига 1300 °С.

2. Разработаны конструкции и технологии изготовления эмиссионных ячеек на основе пленок графена на карбиде кремния. На основании результатов моделирования установлено, что планарные автоэмиссионные катоды в форме диска и кольца обладают высокой однородностью электрического поля вдоль всей эмитирующей поверхности.

3. Показана возможность применения метода фокусированных ионных пучков (диаметр пучка 12 - 20 нм) для формирования наноразмерных автоэмиссионных структур с пленками графена на карбиде кремния.

4. Показана перспективность применения пленок графена на карбиде кремния (полуизолирующий и п-типа) в приборах эмиссионной электроники.

Положения, выносимые на защиту

1. Особенности эмиссии электронов при переходе от микроэлекгронных к наноразмерным структурам, заключающиеся в уменьшении требований к степени вакуума в эмиссионных приборах и уменьшении влияния объемного заряда на эмиссионные характеристики.

2. Технологические режимы получения пленок графена на поверхности карбида кремния при использовании метода термического разложения в вакууме при давлении 10"3 Па.

3. Закономерности изменения напряженности электрического поля в межэлекгродном зазоре наноразмерных" автоэмиссионных структур различных конструкций.

4. Конструкции и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных ячеек на основе пленок графена на карбиде кремния, работающих при напряженностях поля на 1-2 порядка меньших по сравнению с обычными приборами вакуумной эмиссионной электроники.

5. Результаты исследований эмиссионных характеристик наноструктур при межэлектродиых расстояниях 1, 3 и 5 нм, на основании которых была определена работа выхода электронов из пленок графена на карбиде кремния.

Реализация результатов работы

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ (НИР) кафедры ТМиНА и НОЦ «Нанотехнологии» в 2009-2012 гг.: НИР № 301.38.06.52 «Разработка и исследование физических и технологических принципов создания микро- и наноприборов и систем для мониторинга окружающей среды», НИР № 301.38.06.51 «Разработка принципов построения и основ теории технологических процессов создания упорядоченных массивов наноструктур для квантовых и молекулярных наноэлектронных и наномеханических систем».

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «Центр лазерных технологий» (г. Таганрог), ООО «АВИАОК Интернейшенел» (г. Таганрог), а также в учебный процесс на кафедре ТМиНА ФЭП ФГАОУ ВПО ЮФУ.

Апробация работы

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции и

молодежной школе-семинаре «Нанотехнологии-2010» (Геленджик, 19-24 сентября 2010 г.); III Международной научно-технической конференции микро- и нанотехнологии в электронике (Нальчик, 11—16 октября 2010 г.); П Международной научной конференции «Нанострукгурные материалы-2010»: Беларусь-Россия-Украина (НАНО-2010) (Киев, 19-22 октября 2010 г.); VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 11-25 апреля 2011 г.); V Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-5) (Ужгород, 9 -15 октября 2011 г.); 14-ой научной молодежной школе Физика и технология микро - и наносистем (Санкт-Петербург, 24-25 ноября 2011 г.); 5-ой Международной научно-технической конференции «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (SEMST-5) (Украина, Одесса, 4-8 июня 2012 г.). Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии - ?012» ТТИ ЮФУ (Таганрог, 25-29 июня 2012 г);

За участие в конкурсе «Инновационных разработок ТТИ ЮФУ» работа отмечена дипломом первой степени в номинации «Инновационная идея». За участие в конкурсе «Молодой инноватор города Таганрога-2012» работа отмечена дипломом второй степени в номинации «Инновационная идея».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 5 статей, 4 из которых опубликованы в журналах, входящих в Перечень ВАК.

' Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Объем работы составляет 145 страниц, включая 106 рисунков, 5 таблиц, и 111 наименований списка использованной литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая значимость работы, отражены сведения о ее апробации и структуре.

В первой главе представлен обзор, посвященный теоретическим основам автоэлеюронной эмиссии из различных материалов, включая углеродные наноматериалы. Приведены основные методы получения углеродных наноматериалов и графена. Рассмотрены основные конструкции автоэмиссионных катодов и их аппроксимации, позволяющие рассчитать напряженность электрического поля у поверхности катода. Описаны преимущества и недостатки автоэмиссионных катодов, как единичных, так и их матриц. Проанализированы основные методы изготовления автоэмиссионных катодов и их матриц, применяемых в современных приборах микро- и наноэлекгроники. Определены цели и задачи исследования. "

Во второй главе представлены результаты моделирования распределения электрического поля в межэлектродном зазоре автоэмиссионных структур. Выявлены закономерности, связывающие геометрические параметры катода с напряженностью электрического поля. В результате анализа выявленных закономерностей определены

конструкции автоэмиссионных приборов, состоящие из единичных катодов и матриц.

Одним из необходимых факторов для появления автоэлектронной эмиссии является наличие сильного внешнего электрического поля. Определение напряженности электрического поля для автоэмиссионных катодов различных конструкций является сложной задачей. Для нахождения напряженности электрического поля зачастую используют аналитические методы включающие коэффициент локального усиления поля р. Для некоторых стандартных геометрий катода этот коэффициент рассчитывают по известным формулам. Однако этот метод определения поля имеет погрешности, связанные с отличием реальной геометрии автоэмиссионных катодов от стандартных аппроксимаций. Кроме того применение данного метода не позволяет определить площадь эмитирующей поверхности катода, знание которой необходимо рчя расчета эмиссионных структур и сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.

Анализ показывает, что известные аналитические методы расчета электрического поля не позволяют точно описать распределение электрического поля в планарных, имеющих форму лезвия и матричных эмиссионных структурах, т.к. они не учитывают влияния эффекта экранирования и аспектного отношения.

Поэтому для нахождения распределения электрического поля в межэлектродном зазоре наноразмерных эмиссионных структур были выбраны численные методы.

Известно, что электростатическое поле в вакууме при наличии объемных зарядов описывается уравнением Пуассона (1):

А и=-р/е0 , (1)

гаер — плотность объемного заряда, с0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, Л - дифференциальный оператор Лапласа.

Проведен анализ влияния объемного заряда на автоэлектронную эмиссию и распределение поля в наноразмерном межэлектродном зазоре, из которого следует, что, для наноразмерных автоэмиссионных структур объемный заряд можно не учитывать, а потенциальное поле будет описываться уравнением Лапласа:

А£/ = 0 . (2)

Особенностью эмиссии в наноразмерных структурах является то, что длина межэлектродного промежутка меньше длины свободного пробега электронов при атмосферном давлении и выражение (2), описывающее распределение электрического поля в вакуумном промежутке будет справедливо и для воздушного промежутка. Если длина свободного пробега частиц при атмосферном давлении ~105 Па составляет порядка 60-70 им, то при межэлектродном расстоянии меньшем этой длины, степень вакуума не будет существенно сказываться на эмиссии электронов. Следовательно, степень вакуума в межэлектродном промежутке эмиссионных наноструктур не будет столь критична.

Решение уравнения Лапласа с заданными граничными условиями позволяет найти потенциал (У как функцию координат, следовательно, и составляющие напряженности поля. В большинстве случаев решение дифференциальных уравнений в частных производных возможно только с использованием численных итерационных методов. Суть данных методов состоит в дискретизации дифференциальных уравнений, то есть представлении всех или части производных в

виде приближенных выражений (конечных разностей или конечных элементов), что позволяет преобразовать дифференциальные уравнения в системы алгебраических уравнений. Для этого рассматриваемая область покрывается координатной сеткой, а все переменные заменяются сеточными функциями.

В связи с тем, что область анализа имеет достаточно сложную геометрию с весьма малыми размерами (от 5 нм), а напряженность поля вблизи области эмиссии (вершина катода) быстро изменяется, для снижения погрешности решения сетка конечных элементов сильно сгущалась в окрестности вершины катода. Плотность сетки выбиралась таким образом, что с дальнейшим ее увеличением численное решение практически не изменялось, значения наибольшего числа итераций и относительной толерантности, определяющей сходимость и устойчивость решения, задавались равными 50 и 1О"4, соответственно.

Для определения конструкции автоэмиссионнчх катодов было проведено их моделирование. Изменяя геометрические параметры катодов: радиус закругления вершины катода, величину межэлектродного расстояния, аспектное отношение катода, плотность автоэмиссионных катодов в матрице и др., были найдены значения, при которых напряженность поля максимальна (при разности потенциалов V = 4 В). На рисунке 1 представлен автоэмиссионный катод в форме острия, где: г - радиус закругления вершины острия катода; Я — межэлектродное расстояние; И — высота катода; а - полуугол раствора конуса, образующего острие; Ь - диаметр основания; Ь - расстояние между вершинами катодов.

Рисунок 1 - а) общий вид автоэмиссионного катода в форме острия; б) общий вид

Моделирование автоэмиссионных сгруктур в форме острия проводилось в цилиндрической системе координат, т.к. катод с такой геометрией обладает вращательной симметрией. Были заданы граничные условия первого рода (условия Дирихле) и свойства материалов, из которых изготовлены катоды. Область анализа покрывалась сеткой конечных элементов.

Результаты моделирования представлены на рисунке 2 в виде картины распределения напряженности поля и эквипотенциальных линий. На основании результатов моделирования были выявлены зависимости напряженности поля от радиуса закругления, высоты, угла раствора конуса, образующего катод и межэлектродного расстояния (значения геометрических параметров приведены в таблице 1).

а)

б)

части матрицы катодов

Таблица 1 — Параметры моделирования автоэмиссионного катода в форме острия

Зависимость напряженности поля Геометрический параметр катода

от: г, нм Я, нм Ь, мкм а, град. Ь, нм

радиуса закругления 5-30 10 (100) 3 10 —

межэлекгродного расстояния 10 5-50 3 10 _

высоты 10 10 0,05-3 10 —

полуугла раствора конуса 10 10 3 0-30 -

расстояния между катодами 10 10-50 0,05-3 10 . 50-500

Рисунок 2 - Распределение поля при г = 10 нм: а) її = 3 мкм; б) Ь = 50 нм

Анализ выявленных зависимостей показал, что напряженность поля сильно зависит от межэлектродного расстояния и радиуса закругления вершины катода, и слабо зависит от его аспектного отношения.

Известно, что для увеличения тока эмиссии используют матрицы катодов, при этом необходимо учитывать эффект экранирования поля, который приводит к тому, что увеличение числа катодов в массиве сопровождается снижением тока с отдельного взятого катода. Отсюда следует, что задача нахождения допустимой плотности автоэмиссионных катодов в массиве является важной и требует детального изучения. Отдельной задачей является выявления закономерностей связывающих эффект экранирования с наноразмерным межэлектродным расстоянием. На рисунке 3 представлены результаты моделирования, показывающие возникновение эффекта экранирования поля для матрицы, состоящей из трех автоэмиссионных катодов (значения геометрических параметров приведены в таблице 1).

Из рисунка видно, что для обеспечения условий отсутствия эффекта экранирования, достаточно того, чтобы межэлектродное расстояние было меньше расстояния между катодами в пять раз, т.е. при г = 10 нм, Ь = 50 нм.

Установлено, что при Ь = 50 нм матрица размерами 1 см2 должна состоять из 4-1010 автоэмиссионных катодов. Таким образом, можно сделать вывод, что применение наноразмерных эмиссионных структур позволит повысить степень интеграции приборов на три порядка по сравнению с существующими эмиссионными приборами (107 катодов на см2).

т

Рисунок 3 - Распределение шля при: а) Ь = 50 нм, г = 10 нм, II = 10 нм, Ь = 50 нм; б) Ь = 50 нм, г = 10 нм, Я = 50 нм, Ь = 50 нм

Были рассмотрены структуры с автоэмиссионными катодами в форме лезвия двух видов, с поперечным сечением в форме прямоугольника (рисунок 4, а) и параболы (рисунок 4, б). Для таких катодов, не обладающих вращательной симметрией, моделирование электростатических полей проводилось в трехмерной декартовой системе координат.

А-А

О

к 1 и

а) б)

Рисунок 4 - Общий вид автоэмиссионных катодов в форме лезвия

На основании результатов моделирования (рисунок 5) были выявлены зависимости напряженности поля от радиуса закругления, толщины лезвия и межэлектродного расстояния (значения геометрических параметров приведены в таблице 2).

Анализ результатов моделирования и выявленных зависимостей показал, что на краях лезвия напряженность поля сильно возрастает (на 25 %), что может негативно сказаться на стабильности работы катода. Для снижения напряженности поля на краях лезвия необходимо увеличивать радиус закругления и уменьшать толщину лезвия.

11 Таблица 2 - Параметры моделирования автоэмиссионного катода в форме лезвия

Зависимость напряженности поля от: Геометрический параметр катода

Гг . нм Я, нм V/

радиуса закругления 10-30 20 -

межэлектродного расстояния 10 10-50 10

толщины лезвия - 10 10-50

Рисунок 5 - Распределение электрического поля при г - 10 нм, Р. - 20 нм

Предложена конструкция планарной эмиссионной структуры с катодом в форме диска (рисунок 6), которая, согласно результатам моделирования (рисунок 7), позволяет избавиться от недостатков катодов в форме лезвия, т.к. она обеспечивает однородность электрического поля вдоль всей эмитирующей поверхности.

Рисунок 6

- Общий вид планарного автоэмиссионного катода в форме диска

а) б)

Рисунок 7-а) зависимость напряженности поля от межэлектродного расстояния; распределения поля для структур" с катодом в форме диска при Я = 20 нм

б)

Из рисунка 7, а) видно, что результаты численного и аналитического решений достаточно хорошо коррелируют, следовательно, для вычисления напряженности шля в таких структурах можно использовать аналитический метод, что значительно упрощает процесс определения эмиссионных характеристик.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования, включающие: отработку режимов отжига карбида кремния в вакууме, необходимого для получения пленок графена; исследования морфологии поверхности и спектров комбинационного рассеяния света полученных пленок, подтверждающие присутствие графена; оценку эмиссионных свойств графена на плоских подложках; изготовление карбидокремниевых катодов заданной геометрии методом фокусированных ионных пучков; отжиг изготовленных катодов в вакууме с соблюдением предварительно отработанных режимов; исследование эмиссионных свойств полученных структур и обработку результатов измерений. Определены эмиссионные свойства графена.

В качестве подложки были использованы образцы карбида кремния политипа 6Н, легированные азотом с концентрацией примеси NA = 5-Ю18 см"3 и полуизолирующий 6H-SiC с удельным сопротивлением > 106 Ом-см. Все образцы подвергались предварительной очистке от загрязнений по стандартной методике.

С целью удаления с поверхности подложки оксида кремния образец отжигался в течение 2 часов при температуре 900 °С в вакууме. Затем образцы отжигались по 20 минут при температуре 1250, 1300, 1350 и 1400 °С в вакууме. Отжиг проводился в вакуумной установке ВУ-2М при остаточном давлении 10'3 Па.

Для подтверждения наличия пленок графена на поверхности карбида кремния, после высокотемпературного отжига в вакууме, были исследованы спектры оптического пропускания структур графен/карбид кремния в области 400-800 нм и морфология поверхности получаемых пленок.

Спектры микро-КРС образцов до и после формирования на их поверхности пленки графена были получены при комнатной температуре в геометрии обратного рассеяния с использованием спектрометра Т64000 фирмы Horiba Jobin Yvon, с конфокальным микроскопом (ЮОх объектив, диафрагма 0,90) и охлаждаемым ПЗС детектором. Возбуждение спектров КРС осуществлялось Ar-Кг-лазером (Х^ = 488,0 нм). В КРС исследованиях лазерный луч фокусировался в пучок диаметром менее 1 мкм. Точность определения частотного положения фононных линий составляла 0,15 см-1.

Спектры КРС графена на проводящих и полуизолирующих подложках 6H-SiC представлены на рисунке 8, а) (где: 1 - предварительный отжиг при 900 °С; 2 - отжиг при 1250 °С, 20 мин; 3 - отжиг при 1300 °С, 20мин; 4 - отжиг при 1350 °С, 20 мин; 5 - отжиг при 1400 °С, 5мин.) и 8, б) (где: 1 - предварительный отжиг при 900 °С; 2 -отжиг при 1250 °С, 20мин; 3 - отжиг при 1350 °С, 20мин) соответственно. Как видно из рисунка 9, после отжига при температуре свыше 1200 °С в спектрах КРС появляются линии G и 2D, характерные для высокоориентированного графита (графена). Кроме того, во всех спектрах наблюдается наличие линии D, что указывает на дефектность структур. Для пленок графена с высокой степенью совершенства частотное положение графитовой G и графеновой (2D) фононных полос составляет -1583 см"1 и -2720 см"1, соответственно. Линия D на частоте ~1352 см-1 возникает в образцах с большим количеством структурных дефектов.

а) б)

Рисунок 8 - Спектры КРС графена на: а) про вода щей подножке БЮ; б) полуизолирующей подложке 8¡С

В более дефектных пленках графена частотное положение графитовой О и графеновой (2Э) полос смещено в высокочастотную сторону и соответствующие частотные положения равны -1588 см"1 и -2730 см"1, соответственно. Отношение интенсивностей линий Б и в (1е/1о) характеризует степень структурного совершенства пленки графена.

Была проведена оценка размеров кластеров графена по соотношению интенсивностей полос Б и в. Согласно, 1п/1а = С/Ьа , где Ьа — размер кластера графена, а С - эмпирически определенный коэффициент. В случае >^хс = 488,0 нм, С -4,4 нм. В таблице 3 представлены результаты исследований.

Таблица 3 - Характеристики слоев графена на подложках SiC, оцененные по спектрам КРС____________

Температура отжига, °С Графен на подложке из проводящего 6H-SiC

УІо La, НМ Who А со, см ' а, ГІІа

1250 0,43 10,23 3,25 6,6 0,88

1300 0,42 10,48 1,15 3,1 0,41

1350 0,21 20.95 1,88 3,1 0,41

1400 0,77 5,7 1.4 4,9 0.65

Температура отжига, °С Г рафен на подложке из полуизолирующего 6H-SiC

Ыа La, НМ Who Асо, см~' а, ГПа

1250 .0,23 19,13 1,66 3,7 0,49

1350 0,36 12,22 1,2 3,7 0,49

При помощи высоковакуумного (10"7 Па) модуля СЗМ (Нанофаб НТК-9) были проведены исследования морфологии поверхности полученных пленок. Для АСМ исследования применялся «Полуконтактный» метод (прерывисто-контактный), т.к. при использовании этого метода давление кантилевера на поверхность образца существенно меньше по сравнению с контактными методами. На рисунке 9 представлены полученные АСМ-изображения.

Также с его помощью были измерены В АХ (рисунок 10) системы зонд-образец. Прикладываемое напряжение к системе: от -0,8 до +0,8 В.

"¡) б) Рисунок 9 - АСМ изображения подложек после отжига: а) 1250 °С; б) Т - 1300 °С

:.....1 J..... Зутст «* повАйти *

/ :

................Г

•го- ...... 1 Л - • J

1 J" А -...../ -

•<

>,8 -0,« -0,4 кг о 0 0 7 0,4 0,6 0

«(V)

Рисунок 10 - Вольт-амперная характеристика системы зонд-образец (БР6)

Межэлектродное расстояние определялось согласно измеренной гоко-высотной зависимости (рисунок 11, а). Максимальный измеряемый туннельный ток 50 нА (технические ограничения зондового микроскопа).

Проводились эксперименты в пяти точках 5Р0.5, БР1, БР2, БР4, 8Р6, согласно

Рисунок 11 - а) зависимость тока от расстояния; б) зависимость тока от расстояния в полулогарифмическом масштабе

Согласно известной методике (НТ-МДТ) по данным экспериментальной кривой зависимости тока от расстояния зонд образец, можно оценить высоту потенциального барьера (средняя работа выхода - полусумма работ выхода из зонда и подложки) фср. Согласно уравнению Симмонса, описывающему зависимость туннельного тока от

напряжения, при малых напряжениях справедливо следующее выражение-

^ _ (3)

_R

где г_ е-у/2т_ _ 2-fS-yflm , Sc - площадь туннельного контакта, m - масса

электрона, е - заряд электрона, R - расстояние между зондом и подложкой, ¡3 -некоторый коэффициент, связанный с R,h¡- постоянная Планка.

■ Прологарифмировав и продифференцировав по R предстваленное выше выражение (3) при R » 1/A¡получим:

Тогда из выражения (4) наклон кривой в полулогарифмическом масштабе (рисунок 11,6) будет равен:

где а - угол наклона тока высотной зависимости.

Отсюда: ¿=-3,79-Ю9, асрср = 0,14 эВ.

Полученное значение средней эффективной работы выхода свидетельствует о том, что потенциальный барьер практически полностью снят внешним полем (напряженность поля порядка 109 В/м). Однако в случае традиционно применяемых материалов (металлы и полупроводники) такого внешнего поля не достаточно для полного снятия потенциального барьера, при напряженности 109 В/м только начинается автоэлектронная эмиссия. Отсюда можно сделать предположение, что для графена потенциальный барьер изначально ниже, чем для металлов и полупроводников.

Для определения работы выхода можно воспользоваться экспериментальной ВАХ (рисунок 10) построенной в координатах Фаулера-Нордгейма, но для этого необходимо знать геометрию автоэмиссионного катода (чтобы найти плотность тока нужно знать площадь эмитирующей поверхности), поэтому были подготовлены эмиссионные структуры с заранее заданными геометрическими параметрами.

В виду того, что карбид кремния является достаточно стойким к химическому травлению (травиться в расплавах солей и щелочей при температурах 500 - 1000 °С), для формирования катодов, была применена технология травления карбида кремния с использованием фокусированных ионных пучков.

Травление производилось с помощью комплекса Nova NanoLab 600 при следующих режимах ионно-лучевого воздействия: ускоряющее напряжение пучка - 30 кэВ, ток ионного пучка при первоначальном травлении - 3 нА, ток ионного пучка при доводке острия - 30 пА, время воздействия пучка в каждой точке - 1 мкс, перекрытие

пучка при пошаговом экспонировании - 50 % ох диаметра пучка, время грубого травления катодной структуры - 32 мин., время доводки - 3,5 мин., тип ионов - Ga+.

При помощи растрового электронного микроскопа входящего в состав комплекса Nova NanoLab 600 были получены изображения изготовленных структур. На рисунке 12 представлены РЭМ-изображения изготовленных эмиссионных структур в различных масштабах.

На поверхности изготовленных структур были получены пленки графена с помощью метода термического разложения (согласно отработанным режимам отжига) карбида кремния в вакууме.

При помощи сканирующей зондовой нанолаборатории Ntegra Vita были измерены ВАХ системы эмиссионная структура-зонд. Измерения ВАХ проводились в диапазоне напряжений от -10 до +10 В (рисунок 13, а), где положительная ветвь показывает ток эмиссии из исследуемого образца, а отрицательная - из зонда туннельного микроскопа. Из ВАХ видно, что при равных напряжениях ток эмиссии из образца больше тока эмиссии из зонда, что можно объяснить меньшей работой выхода электронов из материала образца (графена).

Рисунок 12 - РЭМ-изображения полученных структур, масштабный отрезок равен: а) 5 мкм; б) 50 нм

а) б)

Рисунок 13-а) Вольт-амперные характеристики системы катод-зонд; б) при различных межэлектродных расстояниях

Измерения ВАХ проводились при фиксированных значениях межэлектродного расстояния - 1,3 и 5 нм. Расстояние между зондом и катодом определялось при помощи измеренной токо-высотной характеристики. На рисунке 13, б) представлены ВАХ катода с радиусом закругления вершины г = 40 нм при различных значения межэлектродного расстояния.

Для нахождения площади эмитирующей поверхности, необходимой для вычисления плотности тока, проводилось моделирование распределения электрического поля в межэлектродном зазоре. Согласно результатам моделирования возникают три случая, от которых зависит, каким образом определяется площадь эмитирующей поверхности: 1) площадь эмитирующей поверхности меньше площади поверхности полусферы, образующей вершину катода; 2) площадь эмитирующей поверхности равна площади поверхности полусферы образующей вершину катода; 3) площадь эмитирующей поверхности больше площади поверхности полусферы образующей вершину катода.

Рассчитав площадь эмитирующей поверхности и плотность тока, построим ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма и аппроксимирующую прямую проходящую через интересующую нас область (рисунок 14).

Зная наклон аппроксимирующей прямой и напряженность поля у поверхности автоэмиссионного катода можно определить работу выхода электрона из острия. Согласно уравнению Фаулера-Нордгейма наклон прямой выражается формулой:

й?1п(У/£2)

tg(a) = •

d()/E)

где а - угол наклона прямой; В - коэффициент из уравнения Фаулера-Нордгейма.

(6)

1 I

■ ■ • і і

і ..........,.1......і

0,00Н-ню о

ш

а) б) в)

Рисунок 14 - Экспериментальные вольт-амперные характеристики в координатах Фаулера-Нордгейма с аппроксимирующей прямой: а) її = 1 нм; б) Я = 3 нм; в) Я = 5 нм

Зная угловой коэффициент при различных межэлектродных расстояниях и радиусах закругления вершин катодов можно определить работу выхода электронов с помощью выражения (6). Проведя необходимые расчеты, была определена работа выхода, результаты расчетов представлены в таблице 4.

Подставив значения работ выхода в уравнение Фаулера-Норгейма, получим теоретические вольт-амперные характеристики для автоэмиссиоиных катодов с различными радиусами закругления вершины (рисунок 15) при И. = 5 нм.

Таблица 4 - Значения работы выхода электрона при различных межэлектродных

г, нм Я, нм <р. эВ г, нм И, нм Ф, эВ

20 1 0,632 35 1 0,676

3 0,674 3 0,702

5 1,153 5 1,214

25 1 0,640 40 1 0,694

3 0,691 3 0,713

5 1,198 5 1,246

30 1 0,653 30 5 1,202

3 0,698

Вольт-амперные характеристики, полученные с помощью уравнения Фаулера-Нордгейма, достаточно хорошо коррелируют с характеристиками, полученныки в результате экспериментальных исследований.

.......і

I-(=20пгц-

!--г» ЗС> г !»

'—г = ас пт

І........г*35гап;:

[-----г»#оші

•ит

а)

Рисунок 15 - Вольт-амперные характеристики системы катод-зонд при различных радиусах закругления вершины катода: а) теоретические; б) экспериментальные

Из литературных источников известно, что ток эмиссии из графена достаточно стабилен в зависимости от времени. Для подтверждения этого, были проведены исследования стабильности тока эмиссии изготовленных карбидокремниевых катодов с пленками графена на их поверхности (рисунок 16).

{(гп'ш)

а)

1(тт} б)

Рисунок 16 - Зависимость тока эмиссии от времени: а) при г = 30 нм; б) при г = 35 нм

Как видно из графиков зависимости тока от времени (рисунок 16) ток эмиссии практически не изменяется с течением времени. Это говорит о стабильности эмиссионных характеристик полученных структур.

В четвертой главе разработаны конструкции и технологические маршруты изготовления пяти различных наноразмерных автозмиссионных ячеек. Проанализированы преимущества и недостатки предложенных конструкций. Разработаны технологические режимы маршрутов изготовления эмиссионных ячеек. Предложенные эмиссионные ячейки, являются наноразмерными, что позволяет значительно увеличить напряженность электрического поля в межэлектродном зазоре, ток эмиссии, удельную мощность, снизить рабочие напряжения, повысить степень интеграции эмиссионных приборов и стабильность параметров. Для создания наноразмерных эмиссионных структур с пленками графена на поверхности карбида кремния применяется метод фокусированных ионных пучков.

На рисунке 17 представлен один из разработанных технологических маршрутов изготовления эмиссионной ячейки в форме диска, где: а) подготовка подложки 81С; б) отжиг 81С, формирование пленок графена; в) травление БЮ, формирование структуры; г) нанесение пленки металла, формирование омического контакта; д) осаждение слоя диэлектрика; е) нанесение пленки металла с последующей фотолитографией; ж) травление металла и диэлектрика, формирование структуры ячейки. Заключительные операции не показаны.

1- контакт к карбиду кремния;, 2- катод; 3- анод Рисунок 17 - Маршрут изготовления эмиссионной ячейки

На рисунке 18, а) представлена топология эмиссионной ячейки. Проведена оценка характеристик пленарной автоэмиссионной ячейки с катодом в форме диска, результаты которой показаны на рисунке 18, б).

а) б)

1- катод (эмитирующая поверхность графена); 2- анод (анодная шина) Рисунок 18 - а) топология эмиссионной ячейки планарной геометрии; б) вольт-амперные характеристики ячейки

Разработанные технологические маршруты являются наиболее перспективными, т.к. позволяют формировать не только единичные эмиссионные ячейки, но и матрицы автоэмиссионных катодов.

В заключении сформулированы основные результаты:

1. Установлено, что в эмиссионных наноструктурах с катодами в форме острия и лезвия при межэлектродном расстоянии много меньшем высоты катода, напряженность электрического поля не зависит от высоты, сильно зависит от радиуса закругления вершины катода и межэлектродного расстояния.

2. Установлено, что для обеспечения однородности электрического поля у поверхности автоэмиссионного катода и повышения стабильности его параметров предпочтительны катоды в форме острия, планарные катоды в форме диска и кольца Для создания мощных приборов микро- и наноэлектроники наиболее перспективны автоэмиссионные катоды в форме диска и кольца.

3. Обнаружена повышенная напряженность электрического поля у края катода в форме лезвия, которая может влиять на стабильность работы автоэмиссионных структур. У катодов в форме лезвия с поперечным сечением в виде прямоугольника повышенная напряженность у края наблюдается как в продольном, так и в поперечном направлении. Для уменьшения воздействия этого эффекта необходимо увеличить радиус закругления вершины лезвия.

4. Определены режимы отжига 6Н-81С в вакууме (10 Па) при получении пленок графена на его поверхности. Показано, что графеновые пленки образуются на поверхности БКЗ при температурах отжига свыше 1200 °С. Исследованы эмиссионные характеристики полученных пленок графена на подложках БЮ. Показано, что для правильной оценки эмиссионных свойств графена, таких как коэффициент усиления поля и работа выхода электронов, необходимо знать точную геометрию катода.

5. Исследованы спектры комбинационного рассеяния света и морфология поверхности полученных пленок графена на карбиде кремния. Установлено, что в спектрах КРС при температурах отжига в вакууме ниже 1200 °С на поверхности

карбида кремния преобладает графитовая фаза с максимальной интенсивностью фононной полосы на частоте 1583 см"1. При отжиге в вакууме при температурах выше 1200 °С преобладает графеновая фаза с максимальной интенсивностью фононной полосы на частоте 2720 см"1.

6. Показано, что с помощью метода фокусированных ионных пучков, можно изготовить карбидокремниевые автоэмиссионные катоды в форме острия с радиусами закругления вершины в диапазоне 15-60 нм. Измерены, при межэлектродном расстоянии 1, 3 и 5 нм, эмиссионные характеристики структур после формирования на их поверхности пленок графена. По наклону ВАХ в координатах Фаулера-Нордгейма была определена работа выхода электронов из графена на карбиде кремния. Экспериментально установлена высокая стабильность эмиссии электронов из полученных структур.

7. Разработаны конструкции и технологические маршруты изготовления пяти эмиссионных ячеек на основе пленок графена на карбиде кремния. Применение изолирующего карбида кремния значительно упрощает технологический процесс изготовления эмиссионных ячеек и матриц.

В приложении представлены акты внедрения результатов работы на предприятиях и в учебном процессе.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Работы, опубликованные в перечне периодических научных изданий, рекомендованных ВАК:

1. Светличный A.M., Спиридонов О.Б., Волков Е.Ю., Линец Л.Г., Григорьев М.Н. Оценка характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе кремния и карбида кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. №4 С. 27-3 5. ,

2. Конакова Р.В., Коломыс А.Ф., Охрименко О.Б., Стрельчук В.В., Волков Е.Ю., Григорьев М.Н., Светличный A.M., Спиридонов О.Б. Сравнительные характеристики спектров комбинационного рассеяния света пленок графена на проводящих и полуизолирующих подложках 6H-SiC // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. Вып. 6. С. 802-804.

3. Волков Е.Ю., Лисоченко В.Н., Конакова Р.В., Охрименко О.Б., Светличный

A.M. Влияние лазерной обработки на свойства пленок аморфного кремния // Известия высших учебных заведений. Физика. 2011. № 1/2. С. 143-146.

4. Светличный A.M., Спиридонов О.Б., Линец Л.Г., Коломийцев A.C., Смирнов

B.А., Волков Е.Ю. Исследование структуры слоев пористого карбида кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. №4. С. 102-109.

Публикации в других изданиях:

5. Охрименко О.Б., Конакова Р.В., Светличный A.M., Спиридонов О.Б., Волков Е.Ю. Оценка автоэмиссионных свойств наноструктур на основе карбида кремния и графена// Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. 2012. Т.10, №2. С.335-343.

6. Конакова Р. В. Охрименко О. Б., Светличный А. М., Волков Е. Ю. Оценка возможности изготовления автоэмиссионных наноструктур на основе графена // Наноструктурные материалы-2010: Беларусь-Россия-Украина (НАНО-2010): Тезисы II Междунар. науч. конф. (Киев, 19-22 окт. 2010 г.) / редкол.: А. П. Шпак [и др.]. -Киев, 2010. С. 249.

7. Волков Е.Ю., Сербу Н.И. Полевая электронная эмиссия углеродных пленок на SIC // материалы Международная научно-техническая конференция.

«Нанотехнологии - 2012» (Таганрог, 25-29 июня 2012 г). Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. 2012. С. 44-45.

8. Волков Е.Ю., Григорьев М.Н., Сербу Н.И. Получение пленок мультиграфена на карбиде кремния и исследование его эмиссионных характеристик // Физика и технология микро- и наносистем: тезисы докладов 14-ой научной молодежной школы (Санкт-Петербург, 24-25 ноября 2011 г.). Санкт-Петербург, 2011. С. 49.

9. Волков ЕЛО. Автоэлектронная эмиссия структуры на основе кремния и карбида кремния // материалы VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 11-25 апреля 2011 г.). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. С. 165-166.

10. Охрименко О.Б., Беляев А.Е., Коломыс Ф.Ф., Конакова Р.В., Литвин О.С., Светличный A.M., Стрельчук В.В., Волков Е.Ю. Спектры комбинационного рассеяния света пленок графена на подложках 6H-SiC // материалы V Украинской научной конференции физики полупроводников (УНКФН) (Ужгород, 9-15 октября 2011 г.). Ужгород, 2011. С. 303.

11. Возможность применения лазерных и некогерентных источников излучения при изготовлении солнечных элементов, автоэмиссионных наноструктур и газочувствительных сенсоров / A.M. Светличный, В.В. Кушнир, Е.Ю. Волков, Л.Г. Линец // материалы III Международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике» (Нальчик, 11-16 октября 2010 г.). Нальчик: Каб.-Балк. Ун-т., 2010. С. 266-270.

12. Волков Е.Ю., Григорьев М.Н. Исследование газочувствительных свойств графена на карбиде кремния // Физика и технология микро- и наносистем. Карбид кремния и родственные материалы: тезисы докладов 15-ой научной молодежной школы (Санкт-Петербург, 8-9 октября 2012 г.). Санкт-Петербург, 2012. С. 40.

13. Светличный A.M., Конакова Р.В., Спиридонов О.Б., Охрименко О. Б., Волков Е.Ю., Григорьев М.Н. Газочувствительный сенсор на основе графена на карбиде кремния // материалы 5-ой международной научно-технической конференции «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (SEMST-5) (Украина, Одесса, 4-8 июня 2012 г.). Одесса, 2012. С. 225.

14. Светличный A.M., Волков Е.Ю., Линец Л.Г. Оценка характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе карбида кремния // Труды международной научно-технической конференции и молодежной школы-семинара «Нанотехнологии -2010» (Россия, Дивноморское, 19-24 сентября 2010 г.). Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. Ч. 2. С. 80-82.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [1,5,6,11,14] - результаты теоретического анализа характеристик автоэмиссионных структур; [2,3,4,7,8,10,12,13] - подготовка образцов и анализ результатов эксперимента.

ЛР №020565 от 23 июня 1997 г. Подписано к печати

Печать офсетная. Бумага офсетная.

Усл. п. л. - 1,4. Уч.- изд. л. - 1,3.

Заказ № Тираж 100 экз.

Издательство ЮФУ ГСП 17 А, Таганрог, Некрасовский, 44

Типография ЮФУ ГСП 17А, Таганрог, Некрасовский, 44

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

042013591¿3

Волков Евгений Юрьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОЭМИССИОННЫХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК

ГРАФЕНА НА КАРБИДЕ КРЕМНИЯ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент А.М.Светличный

Таганрог - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОЭЛЕКТРОИНМХ АВТОЭМИССИОННЫХ ПРИБОРОВ..........................................................................................................11

1.1 Антоэлсктропнан эмиссии металлов...................................................................................................11

1.2 Аптоэлсктроииая эмиссии полупроводником....................................................................................15

1.3 Амгоэлектронная эмиссии углеродных материалов.........................................................................19

1.3.1 Углеродные папо,материалы..........................................................................................................23

1.3.2 Автоэлектроннаи эмиссии углеродных нанотрубок..................................................................23

1.3.3 Графем и его получение...................................................................................................................27

1.3.4 Аптоэлсктроииая эмиссия пленок графема.................................................................................28

1.4 Автоэмнсснонные катоды......................................................................................................................31

1.4.1 Влияние геометрии катодом на амтоэмнсснонные характеристики...........................................33

1.4.2 Матричные и мпогокатодные системы.......................................................................................36

1.4.3 Технологии изготовлении единичных автоэмнссионных катодов и их матриц..................37

1.5 Применение автоэмнсснонных катодом в современных приборах микро- и наноэлектропнкн

...........................................................................................................................................................................38

Выводы н ностаномка задач............................................................................................................................38

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ЗАЗОРЕ....................................................................................................................40

2.1 Математическое описание поли м антоэмнсснонных структурах.................................................41

2.2 Расчет электростатических нолей........................................................................................................44

2.2.1 Метод конечных элементов............................................................................................................45

2.3 Моделирование антоэмнсснонных структур с катодами в форме острия...................................47

2.3.1 Моделирование матриц с автоэмнсснонными катодами в форме острия...............................58

2.4 Моделирование автоэмнссионных структур с катодами в форме лезвия....................................61

2.5 Моделирование нланарных эмиссионных структур........................................................................71

2.6 Выводы......................................................................................................................................................75

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ......77

3.1 Получение пленок графена на подложках карбида кремнии.........................................................77

3.2 Исследование морфологии и спектральных характеристик пленок графена на карбиде кремния...........................................................................................................................................................81

3.2.1 Исследование спектральных характеристик пленок графена на БіС....................................81

3.2.2 Исследование .морфологии поверхности пленок графена на БіС............................................84

3.3 Исследование антоэмнсснонных характеристик пленок графена на подложках карбида кремнии...........................................................................................................................................................86

3.4 Изготовление карбпдокремннемых антоэмнсснонных катодов в форме острия с помощью метода фокусированных ионных пучков.................................................................................................90

3.5 Исследование авгоэмнсспоииых характеристик полученных наноструктур.............................95

і

3.6 Исследование стабильности эмиссионных структур на основе пленок графсна на карбиде кремния.........................................................................................................................................................106

3.7 Выводы....................................................................................................................................................107

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭМИССИОННЫХ НАНОСТРУКТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ

.............................................................................................................................................................................109

4.1 Разработка технологии изготовления пленарных эмиссионных ячеек на основе пленок графепа на карбиде кремния......................................................................................................................................109

4.2 Разработка технологии изготовления планарных эмиссионных ячеек с катодами в форме диска и кольца на основе пленок графена на карбиде кремния........................................................115

4.3 Разработка технологии изготовления эмиссионных ячеек с катодом в форме острия на основе пленок графена на карбиде кремния..........................................................................................121

4.4 Разработка технологии изготовления эмиссионной ячейки с катодом в форме плапарного острия на основе пленок графена на карбиде кремния.......................................................................126

4.5 Матрицы автоэмиссионных катодов на основе пленок графена на SiC....................................129

4.6 Выводы....................................................................................................................................................132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................................................133

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................................................................142

Список сокращений

ACM - атомно-силовой микроскоп

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ФИП - фокусированные ионные пучки

СВЧ - сверхвысокочастотные

РЭМ - растровый электронный микроскоп

УНТ - углеродная нанотрубка

MIO - метод конечных элементов

МКР - методом конечных разностей

СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений

БТО - быстрая термическая обработка

ИК - инфракрасное излучение

КРС - комбинационное рассеяние света

ПЗС - прибор с зарядовой связью

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационном рабо і ы

Для создания современных приборов большой интерес представляют источники элекіронов на основе автоэлектронпой эмиссии из микро- и наноструктур. Такие структурі,і имеют широкий спектр применения: нолевые эмиссионные дисплеи, устройства СВЧ, микро- и наносенсоры. компьютеры нового поколения, единичные автоэмиссионные катоды в электронно-зопдовых системах и др.

Автоэмиссионные катоды работают при высокой напряженности электрического поля (порядка 107 В/см). Для достижения такой высокой напряженности поля им придают форму острий или лезвий, что позволяет получать локальное усиление электрического поля. Современные технологии лучевой литографии позволяют формировать структуры субмикропиых размеров. Эю послужило основой нового этапа развития автоэмиссионных приборов.

Приборы на основе автоэлектроппой эмиссии по сравнению с термо- и фотоэмиссионными обладают рядом преимуществ: не требуют дополнительных затрат энергии (нагрев, облучение), позволяют получать высокую плотность і ока эмиссии, вольт-амперные характеристики таких приборов имеют экспоненциально высокую крутизну, стабильны в широком диапазоне рабочих температур, безынерционны, устойчивы к радиации, имеют низкий уровень шума и высокое быстродействие. В процессе эксплуатации таких приборов на поверхности авгоэмиссиоипых катодов протекают различные процессы, которые оказывают негативное влияние на стабильность рабоїьг. ионная бомбардировка катода, адсорбция и десорбция молекул остаточных газов, поверхностная миграция атомов и другие. Перечисленные процессы, в зависимости от режимов работы автоэмиссионпых приборов, приводят к каїодному распылению, изменению геометрии эмитирующей поверхности, разогрев)' катода током эмиссии с послед) ющим его разрушением, изменению работы выхода электронов. Все перечисленные эффекты снижают стабильность работы эмиссионных приборов.

В настоящее время ведутся исследования, направленные на повышение стабильности работы автоэмиссионных приборов. 'Гак в работах Лучинина В.В. предложено использовать карбид кремния для создания эмиссионных структур методом фокусированных ионных пучков. Здесь использование карбида кремния обусловлено его устойчивостью к внешним воздействиям, что проявляется в высоких значениях теплопроводности, температуры плавления, химической, радиационной и лучевой стойкости. Одним из недостатков эмиссионных структур па основе карбида кремния является высокая работа выхода электронов.

Такие приборы имеют высокие рабочие напряжения. Для снижения рабочих напряжений необходимо на эмитирующую поверхность наносить тонкие пленки материалов, обладающих низкой работой выхода, а также проводить дальнейшее уменьшение размеров таких структур. Использование пленок графена является перспективным для этих целей, благодаря тому, что они обладают низкой работой выхода электронов, имеют высокую адгезионную прочность к карбиду кремния и стабильность, могут быть получены на всей поверхности подложки путем термического разложение карбида кремния в вакууме.

В настоящее время процесс получения пленок графена на карбиде кремния еще недостаточно изучен. Не изучено также влияние конструкции наноразмерных автоэмиссиоппых катодов с пленками графена на поверхности карбида кремния на эмиссию электронов. Решение этих вопросов является актуальной задачей современной микро- и наноэлектроники,

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является, разработка технологических основ изготовления и исследование характеристик автоэмиссиоппых наноструктур на основе пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния исследований микроэлектронных автоэмиссиоппых приборов на основе углеродных материалов.

2. Провести математическое моделирование распределения электрического поля в межэлектродпом зазоре и эмиссионных характеристик различных конструкции автоэмиссионных катодов.

3. Исследовать возможность получения максимальных напряжен ностей электрического поля при минимальных рабочих напряжениях в различных конструкциях автоэм и сс и он и ых катодов.

4. Экспериментально исследовать влияние технологических режимов па морфологию поверхности и спектры комбинационного рассеяния света пленок графена, полученных методом термического разложения карбида кремния в вакууме.

5. Разработать конструкцию автоэмиссиоппых катодов и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния с использованием метода фокусированных ионных пучков.

Научная новизна работы

1. Установлены закономерности влияния конструкции наноразмерных автоэмиссионных катодов различной формы (острие, лезвие и планарного тина) на

коэффициент усиления электрического поля, величину напряженности электрического ноля и эмиссионных характеристики.

2. Установлена неоднородность поля вдоль эмитирующей поверхности в пленарных эмиссионных структурах и в структурах в форме лезвия, предложены конструкции эмиссионных структур, в которых ее можно избежать.

3. Согласно экспериментальным исследованиям автоэмиссионных характеристик наноструктур на основе пленок графена на карбиде кремния установлено, что при расстояниях между анодом и катодом 1-5 им, эмиссия электронов возможна на воздухе.

Практическая значимость

1. Экспериментально определены режимы получения пленок графена па карбиде кремния (полуизолирующип и п-пша) методом термического разложения в вакууме при давлении 10"3 Па. Температура предварительного отжига 900 °С, температура окончательного отжига 1300 °С.

2. Разработаны конструкции и технологии изготовления эмиссионных ячеек на основе пленок графена па карбиде кремния. На основании результатов моделирования установлено, что планарпые автоэмиссионные катоды в форме диска и кольца обладают высокой однородностью электрического поля вдоль всей эмитирующей поверхности.

3. Показана возможность применения метода фокусированных ионных пучков (диаметр пучка 12-20 им) для формирования наноразмерпых автоэмиссионных структур с пленками графена па карбиде кремния.

4. Показана перспективность применения пленок графена на карбиде кремния (полуизолирующий и п-типа) в приборах эмиссионной электроники.

Положения, выносимые на защиту

1. Особенности эмиссии электронов при переходе от микроэлектроппых к наноразмериым структурам, заключающиеся в уменьшении требований к степени вакуума в эмиссионных приборах и уменьшении влияния объемного заряда на эмиссионные характеристики.

2. Технологические режимы получения пленок графена на поверхности карбида кремния при использовании метода термического разложения в вакууме при давлении 10'3 Па.

3. Закономерности изменения напряженности электрического поля в межэлсктродпом зазоре наноразмерпых автоэмиссионных структур различных конструкций.

4. Конструкции и технологические маршруты изготовления автоэмиссионных ячеек на основе пленок графеиа па карбиде кремния, работающих при напряжснностях ноля на 1-2 порядка меньших rio сравнению с обычными приборами вакуумной эмиссионной электроники.

5. Результаты исследований эмиссионных характеристик наноструктур при межэлектродных расстояниях 1, 3 и 5 н.м, па основании которых была определена работа выхода электронов из пленок графеиа на карбиде кремния.

Реализация результатов работы

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ (НИР) кафедры ТМиНА и НОЦ «11аиотехнологии» в 2009-2012 гг.: НИР № 301.38.06.52 «Разработка и исследование физических и технологических принципов создания микро- и напоприборов и систем для мониторинга окружающей среды», НИР № 301.38.06.51 «Разработка принципов построения и основ теории технологических процессов создания упорядоченных массивов наноструктур для квантовых и молекулярных папоэлектронных и паномехаппческих систем».

Результаты диссертационной работы внедрены па предприятиях ООО «Центр лазерных технологий» (г. Таганрог) и ООО «АВИАОК Иптерпейшенел» (г. Таганрог), а также в учебный процесс па кафедре Технологии микро- и напоэлектроппой аппаратуры (ТМиНА) факультета Электроники и приборостроения (ФЭП) Южного федерального университета (ЮФУ).

Апробация работы

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных конференциях и семинарах:

- Международной научно-технической конференции и молодежной школе-семинаре «Панотехнолопш-2010» (Россия. Дивноморское. 19-24 сентября 2010 г.);

- III Международной научно-технической конференции микро- и нанотехнологии в электронике (Нальчик, 11-16 октября 2010 г.);

- И Международной научной конференции «Паноетруктурные материалы-2010»: Беларусь-Россия-Украипа (ПАПО-2010) (Киев. 19-22 октября 2010 г.);

- VII Кжсгодпой научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Росюв-па-Дону, 1 1-25 апреля 2011 г.);

- V Украинской научной конференции по физике полупроводников (УНКФП-5) (Ужгород, 9-15 октября 2011 г.);

- 14-ой научной молодежной школе Физика и технология микро - и наносистем (Санкт-Петербург, 24-25 ноября 201 1 г.);

- 5-ой Международной научно-технической конференции «Сенсорная электроника и микросистемные технологии» (ЙЕМ8Т-5) (Украина, Одесса, 4-8 июня 2012 г.).

- Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии - 2012» ТТИ ЮФУ (Таганрог, 25-29 июня 2012 г);

За участие в конкурсе «Инновационных разработок ТТИ ЮФУ» работа отмечена дипломом первой степени в номинации «Инновационная идея». За участие в конкурсе «Молодой шшоватор города Таганрога-2012» работа отмечена дипломом второй степени в номинации «Инновационная идея».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 5 статей. 4 из которых опубликованы в журналах, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Объем работы составляет 145 сфапиц. включая 106 рисунков. 5 таблиц, и 11! наименований списка использованной литературы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи, научная новиз�