Емісійні властивості кремнієвих та вуглецевих нанокомпозитних плівок

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМЕНІ В.Є. Лашкарьова

УДК: 533.36, 535.37, 537.533

АВТОРЕФЕРАТ

на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ЕМІСІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ КРЕМНІЄВИХ ТА ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОКОМПОЗИТНИХ ПЛІВОК

01.04.07 - фізика твердого тіла

СЕМЕНЕНКО МИКОЛА ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Київ-2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України

Науковий керівник:

доктор фіз.-мат. наук, Євтух Анатолій Антонович Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор,

Ільченко Василь Васильович

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,

зав.кафедри фізичної електроніки

кандидат фіз.-мат.наук,

Гоменюк Юрій Вікторович

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України,

старший науковий співробітник

Захист дисертації відбудеться 20 червня 2008 р. о 16.15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (03028, м. Київ, проспект Науки, 41).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (03028, м. Київ, проспект Науки, 45).

Автореферат розіслано 16 травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

емісія кремній катод пористий

Актуальність теми. Тенденція зменшення геометричних розмірів електронних пристроїв від мікронних до нанометрових зумовлена необхідністю збільшення їх ємності, швидкодії та функціональних можливостей. Поряд із мініатюризацією різноманітних пристроїв підвищуються вимоги до стабільності їх роботи, до роботи при критичних умовах експлуатації та при руйнуючій дії певних факторів (перегрів, радіаційний вплив).

Існує велике різноманіття наноструктур, таких як квантові точки, нанодроти, нанотрубки та ін., які в даний час інтенсивно досліджуються. Серед основних факторів, що стримують їх широке застосування в приладах наноелектроніки, є складність технології їх отримання з однорідними та відтворюваними параметрами.

Перспективним для практичного застосування є створення та дослідження нанорозмірних структур на основі кремнію - основного матеріалу сучасної мікро- і наноелектроніки. Перевагами вакуумних мікро- та наноелектронних приладів є те, що транспорт електронів при їх роботі проходить у вакуумі, що підвищує швидкодію приладів та дає змогу функціонувати в умовах критичних температур та іонізуючої радіації. Іншими перспективними матеріалами для наноелектроніки є вуглецеві (алмазні та алмазоподібні) плівки, які безумовно будуть відігравати суттєву роль в електронних приладах.

В переважній більшості в основу роботи вакуумних мікро- та нано-пристроїв покладено явище електронної польової емісії. З основних, існуючих на сьогоднішній час електронних пристроїв, активно використовуються польові емісійні дисплеї, емісійні датчики тиску, емісійні датчики зображення, вакуумні емісійні діоди, тріоди, рентгенівські трубки, електронні гармати, емісійні радіочастотні фільтри. Для покращення параметрів емісійних пристроїв необхідними є: відпрацьована технологія виготовлення мікро- та нано-пристроїв, розроблення способів захисту цих пристроїв від руйнуючих факторів, використання нових перспективних матеріалів. Все це обумовлює актуальність проблеми, яка вирішується в даній дисертації, а саме встановлення основних закономірностей електронної польової емісії з кремнієвих та вуглецевих нанокомпозитних плівок, як основи для виготовлення приладів вакуумної мікро- та наноелектроніки з поліпшеними характеристиками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, закріплених його Статутом і виконувалась у відповідності до тем:

Спільний українсько-російський проект «Електронно-емісійні властивості алмазоподібних та інших діелектричних плівок, їх застосування для цілей вакуумної наноелектроніки» за договором М/250-2004 від 27 вересня 2004 № 655, держ. реєстр. №0104U009572.

Тема № 41: «Фізика напівпровідникових наноструктур»; шифр 0102U001678.

Бюджетна тема № ІІІ-5-06: «Фотоелектричні, люмінесцентні, емісійні та поверхневі властивості нанорозмірних напівпровідникових структур», 2006-2010.

Спільний українсько-німецький проект М/113-2005: «Наноструктуровані польові емісійні катоди для генерації ВЧ потужності» від 30.03. 2005 №188, держ. реєстр. №0105U008938.

Мета даної роботи - встановлення особливостей фізичних процесів електронної польової емісії у вакуум із кремнієвих та вуглецевих нанокомпозитних напівпровідникових структур на Si та GaAs, дослідження фізичних механізмів явища локальної передпробійної формовки напівпровідникових і діелектричних плівок електричним полем, і розробка методу передпробійної формовки електричним полем цих плівок для покращення емісійних параметрів катодів, вкритих плівками.

Реалізація поставленої мети передбачає розв'язання таких наукових завдань:

Дослідження особливостей процесу електронної польової емісії з пористого кремнію та оптимізація режимів вирощування пористого кремнію з метою отримання високоефективних емісійних катодів.

Вибір методики формування емісійних катодів на основі кремнію. Основним критерієм вибору є простота та відносно дешева технологія. Оптимізація вибраної технології отримання емісійних катодів.

Розробка методики визначення основних емісійних параметрів при дослідженні електронної польової емісії.

Дослідження особливостей електронної польової емісії у вакуум з нанокомпозитних SiO_x(Si) та алмазоподібних вуглецевих плівок.

Розробка методу формування провідних наноканалів - внутрішніх емітерів в діелектричній (напівпровідниковій) матриці.

Об'єктом дослідження є нанокомпозитні плівки на основі кремнію та вуглецю на плоских та вістрійних поверхнях напівпровідникових структур.

Предметом дослідження є особливості тунельного проходження носіїв заряду під час процесу польової емісії електронів у вакуум.

Основні методи дослідження: виміри вольт-амперних характеристик при електронній польовій емісії; виміри вольт-амперних характеристик МДН структур з нанокомпозитними плівками; атомно-силова мікроскопія; фотолюмінесцентна спектроскопія.

Допоміжні: багатокутова еліпсометрія; скануюча електронна мікроскопія, мас-спектроскопії вторинних іонів, малокутове рентгенівське розсіювання.

Наукова новизна роботи полягає в отриманні та узагальненні таких результатів:

Встановлено, що покриття кремнієвих емітерів алмазоподібними вуглецевими плівками або нанокомпозитними плівками SiO_x(Si) та SiO₂(Si) приводить до суттєвого покращення ефективності та стабільності електронної польової емісії.

Розроблена технологія виготовлення por-Si з характеристиками структури c-Si-por-Si, оптимальними для використання в якості польових емісійних катодів; виготовлення шарів por-Si без застосування зовнішнього джерела напруги дає змогу отримувати емісійні катоди з високою селективністю розмірів кремнієвих нанониток.

Запропонована фізична модель процесів переносу електронів при проходженні через нанокомпозитні плівки SiO_x(Si) і SiO₂(Si) та емісії у вакуум, яка включає процеси тунелювання через діелектричні шари між нанокристалами та процес тунелювання у вакуум.

Отримано ефект покращення емісійних властивостей алмазоподібних вуглецевих плівок та діелектричних плівок SiO_x та SiO₂ з нановключеннями кремнію в декілька разів після проведення передпробійної формовки. Запропонована фізична модель даного ефекту, що співвідносить його з формуванням провідних наноканалів у діелектричній (напівпровідниковій) матриці, які є «внутрішніми» емісійними вістрями.

Практичне значення одержаних результатів. Серед основних результатів, які мають важливе прикладне значення, слід відзначити такі:

c-Si з шаром por-Si, виготовленим без прикладання зовнішнього джерела напруги, може використовуватись як основний матеріал для створення польових емісійних катодів; для покращення стабільності електронної польової емісії пропонується використовувати захисне покриття шару пористого кремнію тонкою алмазоподібною вуглецевою плівкою.

Встановлено покращення параметрів кремнієвих катодів та збільшення часу їх роботи при покритті алмазоподібними вуглецевими плівками або нанокомпозитними плівками SiO_x та SiO₂;

Розроблена методика формування провідних каналів («внутрішніх» катодів) у діелектричній (напівпровідниковій) матриці.

Показана можливість використання нанокомпозитних SiO₂(Si) та алмазоподібних вуглецевих плівок із провідними каналами як ефективних та стабільних емісійних катодів.

Особистий внесок автора. В роботі узагальнено результати досліджень, виконаних автором самостійно та в співавторстві [1-10].

Семененко М.О. у [2, 5, 6, 7, 8, 10] відтворив оригінальну методику отримання пористого кремнію без застосування зовнішнього джерела напруги; підготував зразки та провів виміри параметрів електронної польової емісії у вакуум.

Семененко М.О. у [4] самостійно виконав експерименти по локальному пробою напівпровідникових та діелектричних плівок під час процесу польової емісії та при вимірах контактних ВАХ; проводив розрахунки параметрів польової емісії.

Семененко М.О. у [4, 5, 7, 8] проводив виміри параметрів емісійних катодів, вкритих алмазоподібними вуглецевими плівками і досліджував вплив покриття на стабільність та тривалість роботи емісійних катодів.

Апробація роботи. Основні результати, які викладені в дисертації, доповідались і обговорювались на вітчизняних і міжнародних конференціях, симпозіумах, семінарах: «Фізика і технологія тонких плівок» МКФТТП-ІХ, 19-24 травня 2003 року. Івано-Франківськ, Україна. П'ята міжнародна науково-практична конференція «Современные информационные и электронные технологии СИЭТ-2004», 17-21 травня 2004 року, Одеса, Україна. «European Material Research Society Spring Meeting 2005», May 24-28, 2004-2005, Strasbourg, France. V Міжнародна Школа-Конференція «Актуальні проблеми фізики напівпровідників», 27-30 червня 2005, Дрогобич, Україна. 18th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC-2005), 10-14 July 2005, St.Catherine's College, Oxford, United Kingdom. ІI науково-технічна конференція з міжнародною участю «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології». 17-19 травня 2005 р., м. Кременчук, Україна. ХІ Міжнародна конференція МКФТТПН-ХІ «Фізика і технологія тонких плівок та наносистем». 7-12 травня 2007 року, Івано-Франківськ, Україна. А також на наукових семінарах Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 23 наукових праць, з них 12 у провідних наукових журналах і збірниках наукових праць, 11 у матеріалах та тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаної літератури (127 позиції). Повний обсяг роботи - 148 сторінок, з них 125 сторінок основного тексту, що містить 69 рисунків та 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі висвітлено проблематику, напрямки та об'єкти дослідження, обґрунтовано актуальність та наукову новизну роботи, сформульовано мету, завдання і методи дослідження, окреслено практичну цінність одержаних результатів та форми їх апробації.

Перший розділ - «Методи отримання та електронна польова емісія з нанорозмірних структур на основі кремнію та вуглецю. (Огляд)» - присвячено аналізу літературних джерел. Розглянуто методику виготовлення пористого кремнію та проведено аналіз фізичних особливостей вирощених шарів пористого кремнію, як простих і дешевих емісійних польових катодів. Описано фізичні та хімічні методи напорошення аморфних кремнієвих і вуглецевих покриттів, як альтернативні до методики отримання пористого кремнію і методики досліджень їх структури.

У другому розділі - «Методи визначення параметрів електронної польової емісії» - розглянуто процес тунелювання електронів крізь бар'єр із напівпровідника у вакуум в рамках теорії Фаулера-Нордгейма.

Було показано, як проводяться розрахунки емісійних параметрів, а саме: роботи виходу, коефіцієнта підсилення електричного поля та ефективної площі емісії. Зазвичай, визначення роботи виходу електронів із емісійних катодів при електронній польовій емісії проводиться після визначення геометричних розмірів катодів і, відповідно, коефіцієнта підсилення електричного поля. Так як форма вістря при вимірах може змінюватися, а при вимірах багатовістрійних катодів визначити коефіцієнт підсилення електричного поля дуже складно тому й визначення роботи виходу електронів проводиться з похибкою більшою за 30%. Для зменшення похибки і спрощення визначення емісійних параметрів досліджуваних структур запропоновано оригінальний метод розрахунку параметрів ВАХ емісійних катодів, який включає: 1) знаходження апроксимованої ефективної площі емісії у вузьких інтервалах роботи виходу; 2) заміну складної експоненційної функції поліномом 2-го порядку в рівнянні Фаулера-Нордгейма (Ф-Н). Нами були зроблені оцінки, як залежить зміна ефективної площі емісії катода відомої геометрії при зміні роботи виходу електронів із катода в вакуум. Був отриманий вираз для розрахунку значення ефективної площі емісії: [см²], де - нахил кривої та - точка перетину кривої з віссю ординат у координатах Ф-Н (ln(I/U²)f(1/U)). Для вістер на основі кремнію з роботами виходу, значення яких вкладаються в інтервал 4-5 еВ, була визначена функція за виразом і дорівнювала значенню 2071,14.

Для розрахунку роботи виходу далі проводиться заміна складної експоненційної функції, яка є складовою рівняння Ф-Н, поліномом 2-го порядку відповідно до рис. 1. Кінцевий вираз для розрахунку роботи виходу буде таким:

де А=1,5410^-6; В=6,8710⁷ - константи.

Даний метод дозволяє значно спростити методику визначення емісійних параметрів польових катодів і проводити розрахунки роботи виходу електронів із поверхні зі складною геометрією.

Для підтвердження отриманих результатів, визначених запропонованим методом розрахунку, емісійні параметри польових катодів визначалися методом порівняння. Даний метод базується на визначенні роботи виходу тонких плівок, напорошених на поверхню катода відомої геометрії. Визначають нахили емісійних ВАХ катода до покриття плівкою та порівнюють з нахилами емісійних ВАХ катода з покриттям, вважаючи, що геометрія катода після покриття плівкою суттєво не змінюється, отримують значення роботи виходу плівки. Спостерігається добре узгодження результатів, отриманих двома методами.

Запропонована оригінальна не руйнуюча методика визначення часової стабільності електронної польової емісії з ВАХ, що базується на визначенні коротко часової нестабільності емісійного струму. Очевидно, що емісійні катоди, які проявляють низьку стабільність емісії при тривалих вимірах залежностей струму від часу (I=f(t)), мають також і більший розкид значень на емісійних ВАХ. Методика вимірів емісійних ВАХ та подальше визначення параметрів емісійних катодів потребують отримання ВАХ для максимально можливого діапазону емісійного струму (від 4 до 10 порядків). Деякі зразки руйнуються вже під час початку емісії, тому запропонована методика знижує вимоги до робочого устаткування й не руйнує досліджувані зразки. Спостерігається добре узгодження результатів, отриманих з I=f(t) та I=f(U) залежностей.

У третьому розділі - «Електронна польова емісія з нанорозмірних структур на основі пористого кремнію» - розглянуто метод отримання шарів пористого кремнію електрохімічною анодизацією кремнію без прикладання зовнішньої напруги (внутрішнє джерело струму або гальванічна анодизація); досліджено фотолюмінесцентні (ФЛ) та емісійні властивості шарів пористого кремнію, вирощених при різних густинах струму анодизації та співвідношення компонентів електроліту. Проведено дослідження по підвищенню стабільності електронної польової емісії з катодів, на основі пористого кремнію, за рахунок покриття алмазоподібними вуглецевими (АПВ) плівками.

Шари пористого кремнію вирощувалися при густинах струму анодизації від 1мА/cм² до 5мА/cм². Контактна різниця потенціалів створювалася між двома електродами Si і Pt, які були занурені в електроліт. Вихідне співвідношення компонентів було: HF(48%):C₂H₅OH(96,5%)=1:1 з додаванням до розчину окисника H₂O₂. Керування густиною струму проводилося реостатом, який був уведений в зовнішнє електричне коло. Регулювати густину струму анодизації можна й змінюючи концентрацію H₂O₂ у розчині. Додавання окисника до розчину електроліту збільшує електродний потенціал кремнію відносно електроліту, що сприяє екстракції дірок із кремнію на йони окисника, завдяки чому відбувається більш однорідне травлення поверхні. Шорсткість плівок пористого кремнію при збільшенні концентрації H₂O₂ від 0,97М до 2,5М зменшується майже в два рази (від 3,17нм до 1,82нм). При цьому розміри крупних пор однакові, але їх поверхнева концентрації зменшується.

Встановлено, що при однаковому часі росту шарів пористого кремнію емісійні властивості отриманих структур покращуються зі зменшенням густини струму травлення до значень 1 мА/см². Це пояснюється тим, що при малих густинах струму анодизації пористість поверхні нижча і на поверхню виходять більш крупніші нанокристаліти, які мають добрий електричний контакт з підкладкою.

Зі спектрів ФЛ була визначена протилежна закономірність, а саме зі зменшенням густини струму анодизації інтенсивність випромінювання спадає.

Запропонована модель для розрахунку оптичних параметрів плівок пористого кремнію з еліпсометричних вимірів. В рамках моделі було підтверджено, що зі збільшенням часу травлення одночасно з травленням об'ємного кремнію вглиб проходить розтравлювання поверхні вже сформованих нанокристалітів пористого кремнію.

На емісійних ВАХ шарів пористого кремнію, отриманих при густині струму 1 мА/см² спостерігалися піки, природу яких пояснено в рамках моделі резонансного тунелювання. Запропонована модель енергетичної зонної структури кремнієвої нитки пористого кремнію та розраховані розміри окремих нанокристалітів, з яких складається нитка. Результати, отримані з емісійних ВАХ, узгоджуються з АСМ зображеннями, а саме: розміри нанокристалітів становлять 1,5-2,8нм. Були також визначені емісійні параметри катодів на основі пористого кремнію: робота виходу електронів =3,5еВ; ефективна площа емісії =2*10^-15 см².

Встановлено, що обробка зразків пористого кремнію у водневій плазмі з наступним напорошенням тонкої АПВ плівки значно покращує як емісійні, так і ФЛ властивості кремнієвих нанорозмірних структур.

При цьому емісійні ВАХ зразків зміщуються в область менших електричних полів, струм емісії зростає приблизно в 10 разів за рахунок зменшення роботи виходу електронів у вакуум на 1,5-2еВ.

Було показано, що стабільність роботи емісійних катодів, вкритих АПВ плівками суттєво покращується з 30% до 13%. Покращення стабільності електронної польової емісії при збільшенні товщини покриття не залежить від морфології поверхні, бо, як було вияснено з АСМ профілів поверхонь, шорсткість поверхні при зміні товщини від 8нм до 100нм практично не змінюється (від 0,3нм до 0,2нм). Для емісійного катода на основі пористого кремнію, вкритого АПВ плівкою товщиною 60нм робота виходу була визначена рівною 2,5еВ, тобто покриття плівкою зменшило роботу виходу емітуючої структури на 1,55еВ. Розрахунки стабільності емісійного струму, були проведені за допомогою двох методик, а саме визначення флуктуації з залежностей I(t) та з залежностей I(U) і показали відмінність між відповідними значеннями, що не перевищувала 5%.

У четвертому розділі - «Електронна польова емісія з нанокомпозитних плівок SіO_x(Si) на Si та GaAs» - описано методику отримання кремнієвих нанокомпозитних плівок шляхом напорошення термічним випаровуванням із кремнієвого порошку в вакуумі та з паро-газової фази методом PE CVD; наведено результати досліджень морфології поверхні нестехіометричного окису кремнію та нанокомпозитних плівок окису кремнію з нанокристалами кремнію; описано процеси електронного транспорту при вимірах, як звичайних ВАХ МДН структур так і емісійних; за даними ВАХ були розраховані розміри кристалітів і відстань між ними.

Виявлена ефективна електронна польова емісія з кремнієвих вістер та GaAs клинів, вкритих плівками SiO_x, отриманими PE CVD методом та методом термічного випаровування порошку кремнію у вакуумі. Нанесення плівок SiO_x на поверхню польових катодів покращує емісійні параметри катодів та дає максимум ефективності при товщинах плівки 40-50нм.

Визначено напруженість макроскопічного порогового поля початку електронної польової емісії отриманих плівок, яка становила: для SiO_x(x=1,2) - 110⁵В/см; для SiO_x(x=0,3) - 310⁵В/см. Це дозволяє розглядати такі покриття перспективними для посилення електронної польової емісії з катодів.

Для покращення емісійних параметрів проводилося також часткове підтравлювання плівок SiO_x та SiO₂(Si). Для тонких плівок SiO_x режим відпалу та травлення є більш критичним, ніж для більш товстих SiO_x плівок. Для тонкого покриття при проведенні повільного підтравлювання (швидкість травлення 3нм/с в розчині амонію фториду) видаляється все покриття. В результаті травлення залишаються чисті вістря з нанокристалітами на поверхні, що призводить до додаткового підсилення електричного поля. Для більш товстих плівок товщиною 50-100 нм явище електронної польової емісії починає проявлятися лише після часткового підтравлювання плівки. У випадку товщини плівки 100нм після відпалу емісія зникає. Це пояснюється тим, що товстий діелектричний шар SiO₂ майже не проникливий для електронів.

Розраховано, що для термічно відпалених плівок SiO_x (зі значенням індексу стехіометрії до відпалу х=0,3) розміри кремнієвих нанокристалітів, занурених у діелектричну матрицю SiO₂, становлять d=2-3нм, а діелектричний прошарок між НК дорівнює 1,2нм. Ці результати узгоджуються з АСМ зображеннями.

Ефект зменшення порогового поля емісії з кремнієвих катодів і GaAs клинів, вкритих SiO_x плівками після відпалу та часткового підтравлювання плівки SiO₂ пояснюється в рамках моделі поділу енергетичного бар'єра за рахунок зменшення роботи виходу електронів у вакуум.

Енергетична зонна діаграма для термічно обробленої структури подібна до енергетичної діаграми для вихідних структур. Але висота бар'єра на інтерфейсі (Si-нанокристал)-SiO₂ вища по відношенню до висоти бар'єра на інтерфейсі (Si-нанокристал)-SiO_х.

Значення висоти бар'єра при (Si-нанокристал)-SiO₂ інтерфейсі є великим (3,15еВ) і тому електрони мають малу ймовірність тунелювати у вакуум при прикладених напругах. Після травлення структур у розчині HF:H₂O (або у водному розчині амонію фториду) зовнішній шар SiO₂ частково або повністю видаляється і на поверхню виходять кремнієві нано-включення. В цьому випадку емісія електронів відбувається лише через бар'єр на межі Si-нанокристал/вакуум.

У п'ятому розділі - «Електронна польова емісія з провідних каналів в діелектричній (напівпровідниковій) матриці» - виявлено ефект покращення параметрів емісії після прикладання високих значень електричної напруги; запропоновано оригінальну методику формування внутрішніх вістер у діелектричних та напівпровідникових плівках формувальними електродами. Зроблені оцінки за яким механізмом проходить процес формування внутрішніх вістер. Були проведені виміри емісійних ВАХ польових катодів, вкритих плівками до та після передпробійної формовки. Запропонована модель утворення внутрішніх вістер при перед пробійній формовці.

Із емісійних ВАХ польових катодів на основі кремнію та GaAs, вкритих АПВ плівками були визначені розміри сформованих провідних каналів у АПВ плівках після перед пробійної формовки. Середнє значення діаметру провідних графітових каналів у плівці, становить 5-9нм. У випадку наявності алмазоподібної фази на поверхні каналу середній діаметр каналу становить 25нм. Визначено величини ефективних робіт виходу до та після утворення провідних каналів у плівках, які становили відповідно ₁*=1.1Ч10^-1 еВ до пробою та ₂*=4.1Ч10^-2 еВ після пробою.

Методикою рентгенівської спектроскопії були досліджені аморфні плівки SiO₂(Si) на поверхні с-Si. Були отримані дифрактограми аморфної плівки SiO₂(Si) на поверхні с-Si до та після передпробійної формовки формувальними електродами. Після формовки на дифрактограмі з'явилися піки, які відповідають кристалографічним площинам (220), (400), (331) монокристалічного кремнію.

За результатами отриманих дифрактограм були проведені розрахунки сталої ґратки включень кремнію, яка становила 0,575-0,578нм. Невідповідність сталих ґраток Si-нанокристалів і об'ємного кремнію пояснюється напруженим станом нанокристалів через наявність SiO_x чи SiO₂ оточення.

Були дослідженні емісійні властивості плівки SiO_х з високим вмістом кремнію (х0,3) після відпалу, яка трансформувалася в SiO₂(Si). Показано, що покриття емісійних катодів АПВ та нанокомпозитними плівками SiO_x з наступним формуванням внутрішніх каналів, запропонованою методикою, призводить до суттєвого покращення емісійних параметрів катодів: зменшується напруженість порогового електричного поля (у 1,5-3 рази для АПВ плівок) за рахунок збільшення коефіцієнта підсилення поля; підвищується густина струму емісії (для АПВ плівок) за рахунок зменшення роботи виходу та суттєво покращується стабільність роботи емісійних катодів за рахунок згладжування морфології поверхні. Нанесення плівок SiO_x на поверхню вістер кремнієвих катодів покращує ефективність і стабільність емісії при товщинах плівки 40-50нм. При цьому порогова напруженість електричного поля зменшується з Е_th= (4,5-5)х10⁵В/см для чистих вістер до Е_th= (3-3,5)х10⁵В/см для вістер, вкритих плівкою SiO_x. Ефект покращення порогового поля пояснюється в рамках моделі поділу енергетичного бар'єра за рахунок зменшення роботи виходу.

Для пояснення формування провідних каналів в нанокомпозитній плівці SiO₂(Si) була запропонована модель, в рамках якої показано, що початковою причиною пробою є виділення енергії за рахунок захоплення електронів із зони провідності на пастки або з зони провідності в метал для структури c-Si/SiO₂(Si)SiO₂. Енергія, яка вивільнюється при захоплені електронів на пастки, чи при переході від діелектрика в метал, в 2-3 рази більша, ніж потрібно витратити на розрив зв'язків кристалічної ґратки SiO₂.

У Висновках підсумовано основні результати дослідження впливу умов отримання та модифікації кремнієвих і вуглецевих нанокомпозитних плівок на їх електронні польові емісійні властивості.

Встановлено, що при однаковому часі росту por-Si емісійні властивості отриманих структур покращуються зі зменшенням густини струму травлення. Розроблена модель, в рамках якої пояснюється, що при малих густинах струму анодизації пористість поверхні нижча і на поверхню виходять більш крупніші нанокристаліти. Встановлено, що додавання окисника збільшує електродний потенціал кремнію відносно електроліту, що сприяє екстракції дірок із кремнію на іони окисника і, тому, відбувається більш однорідне травлення поверхні. При цьому зменшується поверхнева концентрації крупних пор. Запропонована методика вирощування por-Si електрохімічним методом без зовнішнього джерела напруги для формування емісійних катодів.

Запропоновано оригінальний метод розрахунку параметрів ВАХ електронних емісійних катодів, який включає: 1) знаходження апроксимованої ефективної площі емісії у вузьких інтервалах роботи виходу; 2) заміну складної експоненційної функції поліномом 2-го порядку в рівнянні Фаулера-Нордгейма. Даний метод дозволяє значно спростити методику розрахунку параметрів ЕПЕ.

Встановлено, що обробка зразків por-Si у водневій плазмі з наступним нанесенням тонкої АПВ плівки значно покращує як емісійні, так і фотолюмінесцентні властивості. При цьому емісійні ВАХ зразків зміщуються в область менших електричних полів, струм емісії зростає порядку в 10 разів за рахунок зменшення роботи виходу на 1,5-2еВ, і суттєво покращується стабільність роботи ЕК, вкритих АПВ плівками, (з 30% до 13%) за рахунок згладжування морфології поверхні.

Виявлено ефект покращення ЕПЕ з кремнієвих вістер, вкритих плівками SiO_x, отриманими PE CVD методом та методом термічного випаровування порошку кремнію у вакуумі. Нанесення плівок SiO_x на поверхню вістер кремнієвих ЕК покращує ефективність і стабільність ЕПЕ при товщинах плівки 40-50нм. При цьому порогова напруженість електричного поля зменшується з Е_th= (4,5-5)х10⁵В/см для чистих вістер до Е_th= (3-3,5)х10⁵В/см для вістер, вкритих плівкою SiO_x. Ефект покращення порогового поля пояснюється в рамках моделі поділу енергетичного бар'єра за рахунок зменшення роботи виходу.

Виявлено ефект суттєвого покращення ЕПЕ в результаті передпробійної формовки нанокомпозитних плівок АПВ та SiO₂(Si). Встановлено, що даний ефект обумовлений формуванням провідних каналів (“внутрішніх» вістер) в нанокомпозитних плівках. Для пояснення формування провідних каналів була запропонована модель, у відповідності до якої початковою причиною пробою є вивільнення енергії за рахунок захоплення електронів із зони провідності на пастки або із зони провідності в метал. Показано, що енергія, яка вивільнюється при перед пробійній формовці плівок SiO₂(Si) у 2-3 рази більша ніж потрібно для розриву зв'язків SiO₂. Були визначені геометричні параметри сформованих провідних каналів у АПВ плівках. Оцінені середні значення діаметру сформованих графітових каналів у АПВ матриці становлять 5-9нм.

Запропоновано фізичний механізм покращення параметрів емісії польових катодів, вкритих алмазоподібними та SiO_x вихідними нанокомпозитними плівками та цими ж плівками зі сформованими провідними каналами. Відповідно до запропонованого механізму причиною зменшення напруженості макроскопічного порогового електричного поля (у 1,5-3 рази для алмазоподібних вуглецевих плівок) є збільшення коефіцієнта підсилення поля; причиною підвищення густини струму емісії (для алмазоподібних вуглецевих плівок) є зменшення роботи виходу електронів у вакуум; а причиною суттєвого покращення стабільності роботи емісійних катодів є згладжування морфології поверхні. Запропонована методика локальної прередпробійної формовки нанокомпозитних плівок формувальними електродами, які під'єднані до джерела високої напруги, з одночасним обмеженням протікання струму.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Semenenko M.O., Karpyna V.A., Lashkarev G.V., Lazorenko V.I., Khranovskyy V.D., Kopylova L.I., Okun I.Yu., Piryatinskyy Yu.P. Peculiarities of electron field emission from ZnO nanocrystals and nanostructured films // Superlattices and Microstructures. - 2007. - Vol. 42. - Р. 451-460.

А.А. Евтух, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, Н.А. Семененко. Механизм токопрохождения в электролюминесцентных структурах пористый кремний/монокристаллический кремний // Физика и техника полупроводников. - 2006. - Т.40, вып. 2. - С. 180-184.

Evtukh A.A., Litovchenko V.G., and Semenenko M.O. Electrical and emission properties of nanocomposite SiO_x(Si) and SiO₂(Si) films // J. Vac. Sci. Technol. B 24(2) Mar/Apr. - 2006. - Р. 945-949.

Evtukh A., Litovchenko V., Semenenko M., Yilmazoglu O., Mutamba K., Hartnagel H.L., Pavlidis D. Formation of conducting nanochannels in diamond-like carbon films // Semicond.Sci.Technol. - 2006. - Vol. 21. - P. 1326-1330.

Євтух А.А., Клюй М.І., Литовченко В.Г., Семененко М.О., Неселевська Л.В., Осовський В.Д. Емісійні властивості розвиненої кремнієвої поверхні покритої алмазоподібною плівкою // Нові технології, Науковий вісник КУЕІТУ. - 2006. - №2(12). - C. 11-14.

Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Klyui N.I., Semenenko M.O., Kaganovich E.B., Manoilov E.G. Electron field emission from porous silicon prepared at low anodisation currents // Int. J. Nanotechnology. - 2006. - Vol. 3, No. 1. - P. 282-299.

Евтух А.А., Клюй Н.И., Литовченко В.Г., Семененко Н.А., Неселевская Л.В. Улучшение эмиссионных свойств пористого кремния при покрытии тонкой алмазоподобной углеродной пленкой // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2005. - Вып. 40 - С. 81-88.

Evtukh A.A., Hartnagel H., Litovchenko V.G., Semenenko M.O., Yilmazoglu O. Enhancement of electron field emission stability by nitrogen-doped diamond-like carbon film coating // Semicond. Sci. Technol. - 2004. - Vol. 19. - P. 923-929.

Evtukh A.A., Litovchenko V.G., Semenenko M.O. Electrical and emission properties of nano-composite SiO_x and SiO₂(Si) films // Technical Digest of the 18th International Vacuum Nanoelectronics Conference, 10-14 July 2005. - Copyright and Reprint Permission, 2005. - P. 377.

Євтух А.А., Литовченко В.Г., Семененко М.О. Наноелектронна технологія виготовлення емітерів “пористий кремній/кремній» // Труды Пятой международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии СИЭТ-2004». - Одесса: Нептун-Технология, 2004. - C. 254.

АНОТАЦІЯ

Семененко М.О. Емісійні властивості кремнієвих та вуглецевих нанокомпозитних плівок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - Київ, 2008.

В дисертації представлено результати комплексного дослідження впливу умов отримання кремнієвих та вуглецевих нанокомпозитних плівок на їх електронні польові емісійні властивості. Вивчено плівки пористого кремнію, аморфні алмазоподібні вуглецеві плівки і плівки окису кремнію з різним індексом стехіометрії кисню. Як основні методи дослідження в роботі використані виміри вольт-амперних характеристик при електронній польовій емісії; виміри вольт-амперних характеристик МДН структур; атомно-силова мікроскопія; фотолюмінесцентна спектроскопія.

В дисертаційній роботі вперше була проаналізована методика формування шарів пористого кремнію гальванічною анодизацією для застосування, як польових емісійних катодів. Покриття пористого кремнію алмазоподібними вуглецевими плівками приводить до покращення електронної польової емісії.

Виявлено ефект покращення емісії з кремнієвих вістер, вкритих плівками SiO_x, отриманими PE CVD методом та методом термічного випаровування порошку кремнію у вакуумі. Ефект покращення порогового поля пояснюється в рамках моделі поділу енергетичного бар'єра.

Встановлено суттєве зростання ефективності емісії з вістер, вкритих нанокомпозитними плівками після передпробійної формовки. Цей ефект обумовлений формуванням у плівках провідних наноканалів. Запропоновано фізичний механізм покращення емісійних параметрів катодів, вкритих алмазоподібними вуглецевими та SiO_x плівками зі сформованими провідними каналами, який пояснює зменшення напруженості порогового електричного поля за рахунок збільшення коефіцієнта підсилення поля; підвищення густини струму емісії за рахунок зменшення роботи виходу; покращення стабільності роботи емісійних катодів за рахунок згладжування морфології поверхні. Була запропонована методика передпробійної формовки плівок.

Ключові слова: пористий кремній, алмазоподібні вуглецеві плівки, аморфні плівки окису кремнію, електронна польова емісія в вакуум.

АННОТАЦИЯ

Семененко Н.А. Эмиссионные свойства кремниевых и углеродных нанокомпозитных пленок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины. - Киев, 2008.

В диссертации представлены результаты комплексного исследования влияния условий получения кремниевых и углеродных нанокомпозитных пленок на их электронные полевые эмиссионные свойства. Были изучены пленки пористого кремния, аморфные алмазоподобные углеродные пленки и пленки окиси кремния с различным индексом стехиометрии кислорода. В качестве основных методов в работе были применены измерения вольт-амперных характеристик при электронной полевой эмиссии; измерения вольт-амперных характеристик МДП структур; атомно-силовая микроскопия; фотолюминесцентная спектроскопия.

В диссертационной работе впервые была проанализирована методика формирования слоев пористого кремния гальваническим аннодированием для применения, в качестве полевых эмиссионных катодов. Было показано, что для улучшения параметров катодов, а именно уменьшения порогового поля эмиссии, увеличения плотности тока эмиссии существенными являются шероховатость поверхности и работа выхода электронов в вакуум. Шероховатость поверхности зависит от плотности тока анодирования и концентрации окислителя в растворе электролита. Окислитель увеличивает электродный потенциал кремния относительно электролита, что содействует дополнительной экстракции дырок с кремния на ионы окислителя и, по этому, происходит более однородное травление поверхности. Работа выхода электронов уменьшается за счет расширения запрещенной зоны при уменьшении размеров кристаллита. Покрытие пористого кремния алмазоподобными углеродными пленками приводит к улучшению электронной полевой эмиссии.

Выявлено эффект улучшения эмиссии с кремниевых остриев, покрытых пленками SiO_x, полученных PE CVD методом и методом термического испарения порошка кремния в вакуум. Эффект улучшения порогового поля объясняется в рамках модели раздела энергетического барьера.

Обнаружено существенный рост эффективности эмиссии с остриев, покрытых нанокомпозитными пленками после предпробойной формовки. Этот эффект обусловлен формированием в пленках проводящих наноканалов. Предложено физический механизм улучшения эмиссионных параметров катодов, покрытых алмазоподобними углеродными и SiO_x пленками со сформированными проводящими каналами, который объясняет уменьшение напряженности порогового электрического поля за счет увеличения коэффициента усиления поля; увеличение плотности тока эмиссии за счет уменьшения работы выхода; улучшения стабильности работы эмиссионных катодов за счет сглаживания морфологии поверхности. Была предложена методика предпробойного формирования пленок.

Ключевые слова: пористый кремний, алмазоподобные углеродные пленки, аморфные пленки окиси кремния, электронная полевая эмиссия в вакуум.

SUMMARY

Semenenko M.O. Emission properties of silicon and carbon based nano-composite films. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in specialty 01.04.07 - Solid State Physics. - V. Lashkarev Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine. - Кyiv, 2008.

The complex investigations of the effect of silicon and carbon-based nanocomposite films growth condition and modification on their electron field emission properties have been presented. The porous silicon, amorphous diamond-like carbon films and the films of the silicon oxide, with different value of the stoichiometry index have been researched. The methods of current-voltage measurement, photoluminescence and atomic-force spectroscopy have been used as main experimental techniques.

A new method for the formation of the porous silicon layers by galvanic anodization to be used as field emission cathodes was analyzed. Coating porous silicon by the diamond-like carbon films leads to improvement of the electron field emission.

The effect of emission enhancement of the silicon tips, coated by PE CVD and the method of the thermal vapor evaporation of the silicon powder in vacuum, were shown. The described effect was analyzed in the frame of the energetic barrier divide model.

The significant growth of the field emission efficiency out of the tips, coated by nanocomposite films, after pre-breakdown formation was revealed. This effect is caused by formation of the conductive nanochannels in the films. The physical mechanism of emission parameters improvement of the cathodes coated by diamond-like carbon and SiO_x films with the formed conductive nanochannels into the films was proposed. The considered model explains the decrease of threshold electric field due to the increasing field enhancement coefficient; the increase of current density due to the decreasing work function; the improvement of working stability due to smoothing surface roughness. The method for pre-breakdown formation of the films was proposed.

Keywords: porous silicon, diamond-like carbon films, amorphous silicon oxide films, electron field emission.

Размещено на Allbest.ru

...