Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0219

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0219
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Разработка конструкций и технологии изготовления трехмерных интегральных структур, повышающих эффективность холодной эмиссии в устройствах микровакуумной техники
Докладчик
Родионов Денис Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: Выявление трехмерных конструктивных и физико-технологических факторов влияющих на эффективность холодной эмиссии, разработка конструкций и технологии изготовления трехмерных интегральных структур с повышенной эффективностью холодной эмиссии.
Задачи проекта:
1. Разработка технологии и исследование материалов и конструкций катодно-сеточного узла (КСУ) для изготовления элементов с повышенной эффективностью холодной эмиссии
2. Разработка методик экспериментальных исследований конструкций приборов с холодной эмиссией электронов и разработка трехмерной модели КСУ.
3. Экспериментальные исследования конструктивных особенностей приборов с холодной эмиссией электронов и разработка инженерной модели элемента КСУ.
4. Разработка конструкции прибора с повышенной эффективностью холодной эмиссии и верификация инженерной модели КСУ
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследований и разработки трехмерных интегральных структур, основанных на холодной эмиссии катода, обусловлена возможностью создания целого ряда электронных приборов (СВЧ переключатели, триодные элементы, ЛБВ, усилители, логические элементы и др.), обладающих уникальными свойствами.
Так, например, при разработках сверхскоростных устройств на основе элементов холодной эмиссии для широкополосных систем предпочтительнее использовать ключевые элементы, работа которых основана на эмиссионных эффектах. Существует ряд задач, при решении которых к системам предъявляются, одновременно, жесткие требования и по широкополосности и по быстродействию. В указанных условиях, субтерагерцовая высокоточная локация может быть выполнена посредством реализации ключевой электронной компонентной базы (ЭКБ), работа которой основана на использовании эмиссионных эффектов. Ключевым элементом вакуумных автоэмиссионных RF переключателей является автокатод, или в общем случае катодно-сеточный узел (КСУ).
Следует заметить, что в силу использования в современных клистронах и широкополосных усилителях (ЛБВ) термокатодов, работа этих устройств является энергозатратной, масса и габариты чрезмерно велики, им свойственны значительная инерционность и низкая добротность. Это резко ограничивает области возможных использований ЭКБ вакуумной силовой электроники в технических системах. Поэтому, актуальной является разработка для активных приборов вакуумной силовой электроники компактных автоэмиссионных катодно-сеточных узлов с плотностью тока большей 10 A/см2 при выходной мощности от сотни ватт до киловатта.
Описание исследования

Ток автоэлектронной эмиссии в первом приближении определяется соотношением Фаулера - Норгейма. Причем его величина очень сильно  зависит от электрического поля и работы выхода электронов. Таким образом для увеличения эмиссии необходимо снижать работу выхода электронов из катода и увеличивать величину электрического поля за счет выбора оптимальных размеров конструкции и минимизации расстояния катод анод.

Конструктивные методы основаны на геометрических размерах элементов микровакуумного прибора. Автоэлектронная эмиссия чувствительна к изменению геометрии катода с нанесенными на его поверхность углеродными нанотрубками. Чрезвычайно важно обеспечить одинаковость высот излучающих трубок и приемлемое аспектное соотношение. Кроме того существенную роль играет использование слоев металлизации и диэлектрика, имеющие определенные толщины, которые ограничены технологическими возможностями изготовления. Важно также понимание что лучше использовать пучки или сплошной массив  вертикально расположенных УНТ.

К технологическим методам можно отнести способы формирования слоев, обеспечивающих конструкцию микровакуумного прибора (целесообразно совмещение технологии создания КСУ с технологией изготовления КМОП микросхем с заданной  технологической нормой).

Чрезвычайно важным моментом является методы моделирования микровакуумных приборов на основе устройств с автоэлектронной эмиссией, обеспечивающие получение адекватных вальт-амперных характеристик. В настоящее время не существует точной модели описывающей перенос носителей в микровакуумном приборе. Как следует из анализа литературы по эмиссии электронов на основе углеродосодержащих материалов, экспериментальные и теоретические результаты сильно отличаются. В связи с этим  существенную роль играет создание адекватной модели КСУ.

Существенное внимание уделяется методам синтеза углеродных нанотрубок. В настоящее время существует несколько методов получения УНТ к которым относятся: электродуговой метод (испарения графитового стержня в электрической дуге), нанесение неориентированных УНТ из раствора, получение нанотрубок низкотемпературным методом каталитического пиролиза углеводородов. Каталитические добавки используются  в качестве центров роста. Последний метод имеет перспективу использования, так как он совместим с методами нанесения слоев в интегральной технологии, что целесообразно использовать при формировании микровакуумной конструкции прибора.

Для получения сильноточных автокатодов на их основе необходимо, чтобы пороговые условия автоэмиссии одновременно реализовывались в окрестности подавляющего числа автоэмиттирующих центров эмиссионной среды. Снижение дисперсии высот возможно при использовании групповых микро- (и нано-) электронных технологий формирования массивов нанообъектов с большим аспектным отношением.

В качестве исходного материала для острий автоэмиттирующей среды используются материалы с высоким значением модуля упругости и предела «текучести», что связано со значительным механическим воздействием на эмитирующие центры в условиях значительных (~ 100 В/см) электрических полей.

Например, в массивах углеродных нанотрубок существует оптимальное расстояние между ними, при которых наблюдается максимальная плотность тока. Близко расположенные нанотрубки экранируют электрическое поле на остриях.

Снижение работы выхода является перспективным методом повышения эффективности полевой эмиссии. В связи с этим выбор материала автокатода, а также легирование автоэмиттеров – один из способов снизить работу выхода.

Таким образом, с точки зрения формирования массива острий, обеспечивающий заданный ток прибора, целесообразно иметь набор ячеек, содержащих пучки. Выбор такого направления реализации связан с одной стороны с экранировкой электрического поля соседними остриями, с другой стороны наличием дисперсии высот. Для обеспечения требуемого тока ячейки необходимо объединять в матрицы.

Для снижения порогового напряжения эмиссии необходимо минимизировать расстояние анод-катод. В связи с этим существенное значение приобретает выбор высот пучков, а также использование оптимальных высот слоев металлов и диэлектриков, участвующих в формировании микроконструкции элемента.

Из-за высокой сорбционной способности нанотрубок на их поверхности (даже в условиях вакуумированных приборов) скапливается молекулы остаточных газов и паров воды. В связи с этим, важно значение имеет термотренинг автокатода, с одновременной откачкой при формировании вакуумированной конструкции прибора.

Результаты исследования

Основные результаты исследований по первому этапу состоят в следующем:

 

1.         Выбрана и разработана трехмерная геометрическая модель КСУ, содержащая электроды анода, сетки, изолирующие области и катод структуры в виде набора острий, позволяющая рассчитать электрические характеристики КСУ различных конструкций.

2.         Острия в модели имитируют углегодные нанотрубки в виде цилиндров с полусферической вершиной. Острия расположены равномерно по всей площади КСУ.

3.         Обоснован метод разбиения модели на ячейки сетки с учетом измельчения сетки вблизи вершин острий.

4.         Разработаны модели КСУ, содержание дополнительные диэлектричсекие спейсеры, изолирующие управляющий электрод КСУ от потока эммитированных электронов.

5.         Разработаны модели КСУ, позволяющие учесть влияние количества УНТ на характеристики прибора

6.         Исследование физико-технологических факторов, влияющих на эффективность холодной эмиссии, выявило, что для увеличения плотности автоэмиссионного тока необходимо добиться следующих результатов:

- получить максимально большие величины полей при вершинах автоэмиттеров (разработав и реализовав наилучшую геометрию);

- получить минимальную работу выхода из материала;

- постараться обеспечить надлежащий уровень вакуума в камере (чтобы уменьшить вероятность деградации эмиттеров);

- минимизировать дисперсию аспектных отношений.

7.         Предварительные физико-технологические исследования углеродосодержащих материалов показали, что алмаз и углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве автоэмиттеров. Углеродосодержащие материалы обладают следующими уникальными свойствами:

- высокая электрическая и механическая прочность;

- высокая теплопроводность;

- высокая радиационная стойкость.

8.         Теоретические оценки геометрических параметров структур из углерода показали:

- необходимо разработать такие эмиттеры, у которых достигается наибольшее отношение длины к радиусу закругления вершины, это вызовет наибольшее обострение поля у вершины;

- не стоит располагать эмитирующие элементы слишком близко друг относительно друга, т.к. обострение поля у их вершин будет падать.

9.         Проведено исследования влияния конструкции триодной структуры с эмиттером на основе УНТ на величину максимального поля на вершинах УНТ, а также на траектории движения эмитированных электронов.

10.       Расчеты для триодной структуры с вытягивающей сеткой и одним анодом показали, что максимальное поле наблюдается на внешних УНТ. На УНТ в центре – поле наименьшее. Расчет траекторий показал, что весь поток эмитированных частиц идет на анод.

11.       Проведено исследование влияния диэлектрического спейсера на максимальное поле на вершинах УНТ в триодных структурах. .

12.       Проведен расчет токов в триодной структуре с вытягивающей сеткой и одним анодом. Расчет показал, что токи эмиссии на уровне десятка микроампер достигаются в расчете при коэффициенте усиления поля β=2 и работе выхода из УНТ Фm=4.5 эВ

13.       Установлено, что для формирования тонких каталитических пленок возможно использование метода либо электронно-лучевого напыления, либо магнетронного напыления с содержанием кислорода в объеме камеры.

14.       Определены оптимальные материалы каталитической пары для синтеза углеродсодержащих материалов.

15.       Разработана методика формирования каталитических слоев для синтеза углеродсодержащих материалов.

 

 

 

Практическая значимость исследования
Физические особенности нано-электроники основанной на автоэмисссионных приборах позволяют получить следующие лучшие характеристики по сравнению с другой полупроводниковой элементной базой: повышенная мощность выходного сигнала за счет высокого пробивного напряжения активного элемента, относительно низкие проходные потери, высокая радиационная и температурная стойкость, высокое быстродействие, определяемое инерционностью электронного пучка и паразитными емкостями электродов, которые могут быть минимизированы с помощью методов интегральной технологии.
Для приборов с холодной эмиссией характерна высокая радиационная и температурная стойкость, обусловленная транспортом тока (электронов) в вакууме ( доза> 107 рад (S), T>150C).
Перспектива использования в вакуумной силовой электроники компактных автоэмиссионных КСУ с плотностью тока большей 10 A/см2.
На основе приборов с холодной эмиссией целесообразно разрабатывать СВЧ устройства и устройства силовой электроники. Например, результаты работы могут быть использованы при коммутации сигналов в гигагерцовом диапазоне, необходимой при переключении источника сигналов между несколькими передатчиками и/или приемниками, для подключения блоков фазовращателей, многоэлементных антенных систем и в других ситуациях. Основные технические требования, предъявляемые к переключателям, – это обеспечение требуемых значений допустимой мощности, скорости переключения, коэффициента стоячей волны, потерь в открытом состоянии, импеданса цепи и просачиваемого входного сигнала в разомкнутом состоянии.