CC BY
119
Рындин Евгений Адальбертович
Южный научный центр Российской академии наук, г. Ростов-на-Дону.
E-mail: [email protected].
344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41.
Тел.: 88634311584.
Ведущий научный сотрудник; д.т.н.; доцент.
Konoplev Boris Georgievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371767.
College of Electronics and Electronic Equipment Engineering; Dean; Dr. of Eng. Sc.; Professor.
Denisenko Mark Anatolievich
E-mail: [email protected].
The Department of Electronic Apparatus Design; Postgraduate Student.
Ryndin Eugeny Adalbertovich
Southern Scientific Center of Russian Academy of Sciences, Rostov-on-Don.
E-mail: [email protected].
41, Chekhov Street, Rostov-on-Don, 344006, Russia.
Phone: +78634311584.
Senior Researcher; Dr. of Eng. Sc.; Associate Professor.
УДК 621.385.002
A.M. Светличный, О.Б. Спиридонов, Е.Ю. Волков, Л.Г. Линец,
..
ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК АВТОЭМИССИОННЫХ НАНОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ И КАРБИДА КРЕМНИЯ
Проведена оценка характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе карбида кремния и кремния. Определены зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля. Построены вольт-амперные характеристики катодов на основе SiC и Si. Также получено оценочное значение предельной плотности тока автоэлектронной эмиссии, при которой катод обладает тепловой ус.
. ,
кремния обладают характеристиками, позволяющими использовать их в современных .
Карбид кремния; автоэлектронная эмиссия; наноструктуры; кремний.
A.M. Svetlichnyi, O.B. Spiridonov, E.Y. Volkov, L.G. Linets, M.N. Grigoriev
THE EVALUATION OF THE CHARACTERISTICS OF FIELD EMISSION NANOSTRUCTURES BASED ON SI AND SIC
The evaluation of the characteristics of field emission nanostructures based on silicon carbide (SiC) and silicon (Si) was carried out. The dependence of the field emission current density from the electric field was determined. Current-voltage characteristics of SiC and Si cathodes were plotted. Also the estimation of the limiting field emission current density necessary for cathode thermostability was provided. The interrelation of the limiting current density on the design
of the cathode was investigated. Analysis showed that the nanostructures of silicon carbide is suitable for use in nanoelectronic devices due to its advanced characteristics
SiC; field emission; nanostructures Si.
Одной из актуальнейших задач современной микро- и наноэлектроники является разработка стабильных автоэмиссионных структур, на основе которых возможно создание целого ряда перспективных приборов микро- и наноэлектроники: автоэмиссионные дисплеи, устройства СВЧ, микро- и наносенсоры, электроннолучевые приборы, сверхбыстрые компьютеры нового поколения и другие. Автоэмиссионные структуры обладают следующим рядом преимуществ: отсутствие ; , ; высокая радиационная стойкость; низкий уровень шума; высокое быстродействие; экспоненциально высокая крутизна вольт-амперных характеристик (ВАХ) [1].
На стабильность работы автоэмиссионных структур влияют различные процессы, происходящие на поверхности катода. Основные из них: ионная бомбарди-; ; миграция и другие. Перечисленные процессы, в зависимости от режимов работы
, :
; ; выхода электронов; разогрев катода и как следствие его разрушение [1].
Применение карбида кремния для создания автоэмиссионных структур позволяет преодолеть негативное влияние некоторых из приведенных выше эффектов. Что объясняется электрофизическими свойствами карбида кремния. Также одним из преимуществ карбида кремния является возможность создания на его поверхности пленок графена методом термического разложения (термодеструкция) [2, 3].
Целью настоящей работы является оценка характеристик автоэмиссионных наноструктур на основе кремния и карбида кремния. Конструкция автоэмиссион-ного катода, для которого будет проводиться оценка, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция автоэмиссионного катода: 1 - Т1, 2 - БС или Б1, к - высота острия, в - полуугол раствора конуса
Плотность автоэмиссионного тока находиться согласно уравнению Фаулера-Нордгейма, которое имеет следующий вид [4]:
Т . Е2 , В■/ ■ м
у = а —.ехр<--------------—), (1)
где и = 1 - (С-Е/ср2), Е - напряженность электрического поля, ср - работа выхода электронов (для Б1С равна 4,6 эВ, а для - 4,75 эВ), I - плотность тока автоэлек-тронной эмиссии.
Коэффициенты А, В и С являются приближенными и представляют собой комбинации атомных постоянных. Данные коэффициенты соответственно равны: 1,610-6 А-эВ-В"2; 7-109эВ-3/2-В-м-1; 1,410-9 эВ2-м-В-1 [4].
Связь между приложенной разностью потенциалов и электрическим полем вблизи вершины острия определяется известным выражением
Е = в-и, (2)
где и - разность потенциалов, |3 - коэффициент усиления поля или, как его часто , - , геометрических параметров автоэмиссионной структуры.
Знание точной формы эмитирующей части острия является необходимым для правильного определения величины поля у поверхности эмиттера и величины , .
Определение поля в действительных условиях является непростой задачей. Обычно пользуются аппроксимациями, заменяющими истинную форму острия какой-либо правильной формой, позволяющей найти распределение поля из теории потенциала [5].
В настоящее время наиболее распространенными являются следующие виды :
1. , -
, .
2. ,
представлены в виде двух конфокальных параболоидов вращения.
3. ,
одной из эквипотенциальных поверхностей электрического поля, которое создано заряженным ортогональным конусом со сферой на вершине.
4. ,
в виде системы коаксиальных цилиндров.
Также существуют различные аппроксимации для эмиттеров в виде лезвия , .
Оптимальной по точности и трудоемкости является параболическая аппрок-. ( . 2) конфокальных параболоидов вращения коэффициент усиления поля равен [5]
« 2
в = , , , (3)
г ■ 1п(2Я/г) ’
где г - радиус острийного эмиттера, И - расстояние от вершины острийного эмиттера до анода.
Параметры г и И выбирались в соответствии с конструктивными размерами катода г (5 нм) и И (500 нм). Разность потенциалов изменялась в диапазоне от 1 до 100 В. Согласно этой оценке, лотность автоэмиссионного тока составила величину ~107 А/см2, при напряженности электрического поля порядка 107 В/см (дня г = 5 нм, И = 500 нм). Результаты оценки плотности тока для кремния и карбида кремния приведены на рис. 3.
Величина тока автоэлектронной эмиссии рассчитывается согласно следующему выражению:
I = Мэ, (4)
где 5 - площадь эмитирующей поверхности.
1,(107А/еж2) ^
1
К, ірбид
кр і
* * *
/ І / У
02468 Е,(107В/см)
Рис. 3. График зависимости плотности тока автоэлектронной эмиссии от напряженности электрического поля
Так как эмитирует электроны в основном лишь вершина катодного острия, то эмитирующую поверхность можно представить как полусферу, а площадь найти из следующего выражения:
51 = 2-п-Г2, (5)
г - .
Для подтверждения данного утверждения было проведено моделирование , - . -ние проводилось в САПР Е1сШ 5.8, результаты моделирования приведены на
. 4, , .
Параметры, использованные при моделировании, приведены в табл. 1.
1
Параметры моделирования
№ Наименование Значение
1 Количество узлов сетки 255
2 Высота катода 3 мкм
3 Межэлектродное расстояние 0,5 мкм
4 Потенциал на границе катода -50 В
5 Потенциал на границе анода 50 В
6 Потенциал на границе камеры 0 В
7 Диэлектрическая проницаемость катода (81С) 6,7
8 Диэлектрическая проницаемость камеры (вакуум) 1
9 Шаг эквипотенциальных кривых 5 В
б
Рис. 4. Результаты моделирования электростатического поля (а), зависимость напряженности поля от расстояния до вершины острия (б)
Из результатов моделирования видно, что лишь у вершины острия напряженность поля достигает значения, необходимого для появления автоэлектронной эмиссии. Эмитирующую поверхность можно представить как боковую поверхность конуса, длина образующей этого конуса приблизительно равна 10 нм.
Отсюда найдем площадь эмитирующей поверхности, она равна площади боковой поверхности конуса:
^э2 = о1,
(6)
где го - радиус основания конуса, I - длина образующей.
Используя выражения (5) и (6), найдём площадь эмитирующей поверхности:
л-9 1 г\ 1 г\-9 л гп 1 г\-18 2
= 157-10 , м ,
2 (7)
БЭ2 = ят0-1 = 3,14-5-10-10-10 3Э1 = 2-я-г2 =2-3,14-(5-10-9)2=157-10-18
м
Получены одинаковые значения площадей эмитирующих поверхностей.
Зная площадь эмитирующей поверхности, найдем значение тока автоэлектронной эмиссии и построим ВАХ. Полученное значение тока автоэлектронной 10-5 .
На рис. 5 представлена ВАХ катодного острия на основе кремния и карбида кремния, при расчете ВАХ использовались следующие значения: разность потенциалов - от 0 до 100 В, межэлектродное расстояние - 500 нм, радиус острия - 5 нм.
а
►
Карбид кремния
Кремний \ І І \ / * *
/ і / і / У У
О 20 40 60 SO 100
Рис. 5. ВАХ катодного острия на основе карбида кремния и кремния
Проведена оценка предельной плотности тока автоэлектронной эмиссии, при которой автоэмиссионный катод обладает тепловой устойчивостью. Определение предельной плотности тока необходимо в связи с тем, что ток, протекающий через тело катода, разогревает его, вследствие чего происходит переход от автоэлектронной эмиссии к термоавтоэлектронной. Это приводит к увеличению плотности , , , -водит к его разрушению. Критерий отсутствия тепловой неустойчивости для катода конической геометрии [6]:
Т sin в Га
J ■ r <-- ------• -, (8)
1-(r/R) у р
где в - полуугол раствора конуса, X - коэффициент теплопроводности (для SiC находится в пределах 300 - 370 Вт/м-К), р - удельное сопротивление (для SiC 1000 Ом-м).
Согласно этому критерию, плотность эмиссионного тока для катодного острия не должна превышать величину порядка 1011 А/см2. На рис. 6 представлен график зависимости плотности автоэмиссионного тока от радиуса вершины острия для разных углов раствора конуса.
Из рис. 6 видно, что чем больше полуугол раствора конуса, тем выше предельная плотность тока автоэлектронной эмиссии и, следовательно, выше тепловая устойчивость катода.
На рис. 7 представлена зависимость напряженности электрического поля от межэлектродного расстояния для катодов с различными радиусами вершины .
Из рис. 7 видно, что чем больше межэлектродное расстояние, тем ниже напряженности эклектического поля, а также чем меньше радиус вершины катодного острия, тем выше напряженность. Следовательно, для понижения рабочих напряжений и увеличения напряженности электрического поля необходимо уменьшать межэлектродное расстояние до десятков нанометров, а радиус вершины острия катода до единиц нанометров.
], ГА/см3
' \ 01=40
\ е2= 35° 03= 30° У
64= 25° 65=20°
- ►-
Рис. 6. Зависимость плотности автоэ.миссионного тока от радиуса вершины острия для разных углов раствора конуса
Е,(107Б/см)
\
ГІ _ / - 5 им
ГІ / = 10 нм
гЗ = 15 нм -
ч, = 20 нм
Н. им
Рис. 7. Зависимость напряженности электрического поля от межэлектродного
расстояния
В работе проведена оценка значения плотности автоэмиссионного тока, величины автоэмиссионного тока при разности потенциалов 100 В. Из рассчитанных вольт-амперных характеристик видно, что ток автоэлектронной эмиссии, при разности потенциалов 100 В, для эмитирующего острия на основе карбида кремния выше, чем ток для острия на основе кремния. Также из полученных ВАХ видно, что наиболее эффективными являются эмитирующие острия радиусом 5 нм при межэлектродном расстоянии в десятки нанометров. Получено оценочное значение , -
.
конуса (острия), согласно этой зависимости, из двух катодов одинаковой высоты катод с меньшим основанием будет менее устойчивым. Оценка показывает, что автоэмиссионные структуры на основе карбида кремния обладают характеристи-, .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шешин ЕЛ. Структура поверхности и автоэмиссиониые свойства углеродных материалов. - М.: Изд-воМФТИ, 2001. - С. 5-7.
2. Лебедев А А., Котоусова КС. Формирование наноуглеродных пленок на поверхности SiC методом сублимации в вакууме // Физика твердого тела. - 2009. - Т. 51. - Вып. 4.
- C. 783-786. "
3. Конакова Р.В., Охрименко О.Б., Светличный А.М., Волков ЕМ. Оценка возможности
// -ренции «Наноструктурные материалы - 2010». - Киев, 2010. - С. 249.
4. Спроул Р. Современная физика / Пер. с англ.; Под ред. В.И. Когана. - 2-е изд., перераб.
- М.: Наука: Гл. ред. физ-мат. лит., 1974. - С. 441-442.
5. Елинсон МЛ., Васильев Г.Ф. Автоэлектроиная эмиссия. - М.: Физматлит, 1958. - С. 75-86.
6. . ., . . -умных разрядах // Успехи физических наук. - 1983. - Т. 139. - Вып. 2. - С. 266-272.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор ГА. Мустафаев.
Светличный Александр Михайлович
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; доцент; профессор.
Спиридонов Олег Борисович
E-mail: [email protected].
Тел. 88634312018.
Кафедра безопасности информационных технологий; доцент.
Линец Людмила Геннадьевна E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Волков Евгений Юрьевич
E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант.
Григорьев Михаил Николаевич
E-mail: [email protected].
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; аспирант. SvetlichnyiAlexandrMikhailovich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Professor.
Spiridonov Oleg Borisovich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634312018.
The Department of Security in Data Processing Technologies; Associate Professor.
Linets Lyudmila Gennad’evna
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
VolkovEvgeniyYurievich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
Grigoriev Mikhail Nikolaevich
E-mail: [email protected].
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecrtronics; Postgraduate Student.
УДК 539.216.2
В.И. Шевяков
ЛОКАЛЬНОЕ ЗОНДОВОЕ ОКИСЛЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
Цель работы связана с анализом основных проблем, возникающих при реализации локального зондового окисления полупроводниковых подложек и сверхтонких металлических пленок. Основная задача - теоретический анализ кинетики локального зондового окисле -, , . -сти кинетики локального зондового окисления сверхтонких пленок металлов V, Nb, Ta, Ti, TiN, W. Установлено, что кинетику процесса определяют такие свойства окисляемого , , -ной пленки и ее толщина, соотношение удельных плотностей металла и оксида, электрохимическая константа процесса окисления.
Атомно-силовая микроскопия; локальное зондовое окисление; производительность .
V.I. Shevyakov
LOCAL PROBE OXIDATION AND IT’S MAIN PROBLEMS
The main purpose of this work involves problem analysis encountered during local probe oxidation of semiconductor wafers and ultra-thin metal films. Main goal of presented work is theoretical analysis of local probe oxidation kinetics, to identify factors that determine its performance. Distinctive kinetics features were studied for local probe oxidation of ultrathin V, Nb, Ta, Ti, TiN, W films. It was shown that kinetics of process are determined properties of material. They were specific resistance, presence of natural oxide film, correlations of specific density of metal and oxide, electrochemical constant of oxidation process. Vanadium was chosen as the best metal that provide maximum productivity of anodic oxidation.
Atomic force microscopy; local probe oxidation; productivity of method.
.
, .
доступными в условиях лабораторных исследований. Среди них можно выделить метод, основанный на использовании атомно-силовой микроскопии (ACM). Это метод локального зондового окисления проводящих материалов (полупроводнико-
), -кальной модификации проводящих свойств поверхности и для изготовления ряда активных элементов наноэлектроники [1-2].
