Abstract_15 молодёжная школа

где kT – тепловая энергия, q – элементарный заряд. При комнатной температуре измеренная величина времени жизни τ для исследованных структур лежит в пределах 0.2…0.3 мкс. Эти параметры позволили сформулировать требования к длительностям импульсов токовой накачки диода.

Измеренные вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики ДДРВдиодов соответствуют классическим характеристикам 4H-SiC p-n-перехода. В области малых токов прямой ветви ВАХ коэффициент неидеальности равен 2. Диоды открываются при напряжении 2.6…2.7 В.

На рис. 2 представлена схема генератора наносекундных импульсов с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым размыкающим ключом. В первоначальном состоянии конденсатор С1 заряжен до напряжения источника питания Vcc. Когда происходит замыкание ключа, заряд, накопленный в конденсаторе С1, частично разряжается и происходит накачка диода D1 прямым током. На второй стадии ключ размыкается и в цепи происходит перезарядка с периодом колебаний, определяемым индуктивностью L2 и паразитной емкостью транзисторного ключа Cstray. При этом катушка индуктивности L2 накапливает протекающий заряд и при достижении максимального тока разряда диода D1 происходит восстановление его обратного сопротивления, и энергия, накопленная в L2, переходит в нагрузку, на которой формируется импульс напряжения. Амплитудные и временные параметры выходного импульса на нагрузке определяются контуром накачки и характеристиками используемого диода.

Рис. 2. Схема генератора с 4H-SiC ДДРВ в качестве размыкающего ключа Измерения характеристик переключения проводились на специализированном стенде. Выходные импульсы на нагрузке 50 Ом регистрировались цифро-

вым стробоскопическим осциллографом Tektronix DSA8300 с полосой пропускания 20 ГГц. Для ослабления сигнала до нужного уровня перед его подачей на

10

осциллограф использовался высоковольтный СВЧ-аттенюатор с коэффициентом передачи -86 дБ.

Рис. 3. Осциллограмма напряжения на нагрузке 50 Ом: по оси абсцисс 1 нс/дел, по оси ординат 200 В/дел

В качестве иллюстрации, на рис. 3 приведена экспериментальная осциллограмма выходного импульса генератора СКИ, полученная при настройках, обеспечивающих амплитуду импульса на ~ 400 В меньшую, чем напряжение пробоя структуры. Из рис. 3 видно, что полная амплитуда выходного импульса составляет 1650 В. Длительность переднего фронта составляет 700 пс при перепаде напряжения 1100 В, а скорость переключения ДДРВ составила ~ 1.5 В/пс.

Таким образом, экспериментальное исследование карбидо-кремниевого дрейфового диода с резким восстановлением, разработанного и созданного на основе многослойной эпитаксиальной структуры, показало возможность получения высоковольтных импульсов напряжения наносекундной длительности на стандартной нагрузке 50 Ом. Миниатюрный генератор может использоваться в системах импульсного питания источников рентгеновского и микроволнового излучений. Дальнейшее улучшение параметров генератора импульсов заключается в увеличении максимальной амплитуды сигнала на нагрузке путем последовательной коммутации отдельных ДДРВ в модули и оптимизации структуры генератора с целью сокращения времени их переключения.

Микро- и наноразмерные вакуумные автоэмиссионные диодные SiC-структуры для гига-терагерцового диапазона частот

Автоэмиссионные вакуумные микроэлектронные приборы (АВМП), основанные на микро- и наноструктурированных катодах с полевой эмиссией, по реалистическим оценкам могут конкурировать с приборами твердотельной элек-

11

троники по таким характеристикам, как линейные размеры, рабочие напряжения(≤ 20 В), плотности тока (до 104 А/см2) и предельные мощности, а по частотным свойствам (100 ГГц – 1000 ГГц) и устойчивости к воздействию потоков частиц высоких энергий и электромагнитного излучения – значительно превосходить их.

Наиболее сложной задачей, требующей решения для реализации потенциально высоких возможностей приборов этой групппы, является создание автоэмиссионных катодов из материалов, обладающих достаточной технологичностью, химической инертностью к остаточным газовым средам в рабочем объеме прибора, термической стабильностью, высокими теплопроводностью и удельной электрической проводимостью. Из широкой группы исследуемых ма-

да и карбид кремния. Ниже представлены результаты наших исследований по созданию структур АВМП на основе двух различных нелитографических технологий – фокусированного ионного пучка и реактивного ионно-плазменного травления.

Формирование автоэмиссионных SiC-структур методом фокусированного ионного пучка и их и основные характеристики

На рисунке 4 приведен технологический маршрут изготовления автоэмиссионных диодных/триодных структур ионно-лучевым травлением (на базе ком-

плекса Helios Nanolab).

Для расчета оптимальных с точки зрения эмиссионных характеристик геометрических параметров на базе программы Comsol MultiPhysics, ver.1 была создана физическая модель автоэмиссионного острийного катода. Основной целью было получение значений параметров, обеспечивающих наибольшую напряженность электрического поля в области вершины острийного эмиттера. Модель диодной структуры имела три варьируемых параметра: DSiC (расстояние между ячейками), Dcell (ширина ячейки), HSiO2 (толщина диэлектрика). В качестве оптимальных геометрических параметров были выбраны следующие: DSiC=2.5мкм (расстояние между ячейками), Dcell=3.5мкм (ширина ячейки), HSiO2=1мкм (толщина диэлектрика).

Для измерения электрических характеристик изготовленных структур использовался микрозонд Kleindiek, интегрированный в вакуумную камеру комплекса Helios Nanolab. Система имеет высокую точность позиционирования зондов (4 нм) при диаметре зонда до 100 нм, что позволяет осуществлять их контак-

12

тирование к элементам практически любой минимальной топологической нормы.

Подготовка поверхности (отмывка в H2O2:H2SO4)

Газофазное осаждение диоксида кремния

Осаждение пленки никеля методом магнетронного распыления

Ионно-лучевое травление острий

Корпусирование с формированием анода (для триодной структуры)

Рис. 4. Технологический маршрут изготовления вакуумных автоэмиссионных SiC диодов

Рис. 5. Одиночное острие, сформированное на структуре «карбид кремния–диоксид кремния-металл». Радиус кривизны – менее 50 нм

13

Рис. 6. Внешний вид созданной карбидокремниевой 3D-структуры: а) матрица автоэмиссионных диодов;

б) общий вид матрицы 24х24 с 576 элементами Измерения характеристик осуществлялись на единичном острие, изображе-

ние которого приведено на рис. 5. Внешний вид матрицы микроострий приведен на рис. 6. Микрозонд, представляющий собой вольфрамовую иглу с радиусом кривизны 0.1мкм, приближался на расстояние 0.5 - 1мкм к острийному эмиттеру. На эмиттер подавалось напряжение в интервале от 0 до 80 вольт относительно заземленного образца, параллельно измерялся ток эмиссии с острия. Схема измерений и РЭМ-изображение подведенного зонда представлены на рис. 7.

Рис.7. Измерение ВАХ:

а) подведение микрозонда к сфомированному острию; б) схема измерений Получение вольт-амперных характеристик одиночного острийного катода производилось до теплового или иного разрушения острия. В процессе эксперимента были получены вольт-амперные характеристики (ВАХ) автоэмиссионных

14

структур, которые отличались между собой геометрическими параметрами, а именно размерами и формой отдельных составных частей.

Анализ ВАХ изготовленных экспериментальных карбидокремниевых структур показал, что варьирование технологических условий изготовления и геометрических параметров структур позволяет получить значительное изменение автоэмиссионных характеристик. Уменьшение радиуса закругления автоэмиссионного острия и уменьшение расстояния между катодом и анодом приводит к увеличению крутизны ВАХ и к сдвигу начала эффективной эмиссии в сторону меньших напряжений (рис. 8).

Совпадение экспериментальных кривых с общей формой зависимости Фау- лера-Нордгейма позволило сделать вывод об автоэмиссионном характере протекающего тока. Для получения фактического значения плотности тока автоэмиссии и площади эмитирующей поверхности катода экспериментальные данные представляются в более удобной для обработки форме. На рис. 9 представлен

график зависимости от в той области значений напряженности поля,

которая характерна для типичного автоэмиссионного процесса.

В проведѐнных экспериментах прямолинейным являлся только участок при больших значениях эмиссионного тока, при малых напряжениях наблюдается отклонение от линейной зависимости. В соответствии с зависимостью Фаулера-

Нордгейма из величины наклона прямой и ее точки пересечения с осью

можно определить неизмеряемые непосредственно на опыте величины формфактора и площади эмитирующей поверхности катода.

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики SiC одноострийных автоэмиссионных структур

15

Рис. 9. Вольт-амперные характеристики одиночных острий в координатах Фаулера-Нордгейма

Для ряда практических применений использование матриц острийных катодов позволяет получить принципиальные преимущества по сравнению с одиночными катодами. Полный ток эмиссии структуры, а соответственно и мощность, управляемая прибором, пропорциональна количеству элементов, составляющих систему. Повышается надѐжность за счѐт многократного дублирования работы элементов. Происходит усреднение рабочих параметров и устраняется влияние возможного разброса параметров при производстве. Оценка плотности тока может быть проведена исходя из следующих условий. Одна ячейка с катодом и стенками занимает площадь ~ 25 мкм2, на 1 cм2 можно разместить 4·106 катодов. При этом ток одного острия лежит в диапазоне 0.2…0.25 мкА. Основным ограничивающим фактором при таких плотностях становится отвод тепла.

Формирование автоэмиссионных SiC-структур методом реактивного ионно-плазменного травления

Создание упорядоченной матрицы пирамидальных, конических или нитевидных микро- (нано-) эмиттеров предполагает использование шаблона, т.е. любого литографического процесса с последующими операциями роста, управляемого нанесения металла (как в технологии Спиндта), химического травления пластины кремния для создания «обратной» пирамидальной матрицы с последующим процессом заращивания материалом эмиттера (например, толстой алмазной пленкой).

Перспективным представляется процесс формирования многоэмиттерной поверхности холодного катода без использования высокоразрешающих литографических процессов или электронных шаблонов, как в описанной выше технологии фокусированного ионного пучка. При этом, важнейшими условиями,

16

которые должны быть реализованы в процессе формирования отдельных острий являются, во-первых, требуемые для обеспечения эффективной автоэмиссии геометрические параметры острия и, во-вторых – отсутствие областей с высоким сопротивлением в местах сопряжения оснований острий и тела катода. В связи с этим, нами предложена и практически реализована технологическая схема создания активной поверхности катодов для вакуумных микроприборов электроники (диодов, триодов) с применением методов, обеспечивающих выполнение отмеченных выше условий. В качестве ключевого в этой схеме предлагается метод реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ) политипов SiC. Ниже представлены результаты исследований, которые обеспечили возможность создания достаточно эффективных многоэмиттерных катодов для быстродействующих малогабаритных вакуумных диодов и триодов.

Детальный микроскопический анализ поверхности, выполненный растровой электронной микроскопией, позволяет выявить детали формообразования микроострий на поверхности гексагональных политипов SiC.

Ниже, в качестве примеров различной реализации процессов формирования микроострий, приведены изображения поверхности пластин SiC после проведения различных типов обработки (рис. 10 – 13). Изображения получены на растровом электронном микроскопе Quanta Inspect или на FIB-станции HeliosNanolab. Из анализа изображений установлено, что плотность микроострий в зависимости от технологии формирования изменяется в диапазоне 2·106 см-2 - 5·107 см-2.

Рис. 10. РЭМ-изображение массива микроострий на поверхности образца 6H-SiC. Форма острий – пирамидальная.

Средняя плотность острий по образцу - 7×106 см-2.

17