книги из ГПНТБ / Ненакаливаемые катоды

ся планарные тонкопленочные диоды и триоды с тон­ копленочным термоэмиссионным оксидным катодом. Керн катода выполнен в виде полоски из пленки воль­ фрама. Токоприемными и управляющими электродами тоже являются полоски из пленки, но уже титановой, которые могут выполнять и функции газопоглотителя. Система из множества таких активных и пассивных элементов и внутрисхемных соединений формируется на сапфировой подложке известными методами напыления и фотолитографии. Ожидаемая плотность интеграции для ВИС характеризуется плотностью размещения активных элементов на подложке диаметром 2,54 см (до 20 • 103) . Вся схема помещается в специальный корпус и вакуумируется. Для приведения схемы в рабочее состояние под­ ложку нагревают до температуры, при которой начина­ ется эмиссия катода. Этот тип интегральных схем предназначен для работы в исключительно тяжелых усло­

в 108 раз большую дозу нейтронов и в 103 раз большую дозу гамма-лучей, чем радиационно-стойкие полупровод­ никовые схемы), сильные электромагнитные возмущения. Ожидается, что ВИС будут намного дешевле полупро­ водниковых интегральных схем (ЙС). Процесс произ­ водства их можно полностью автоматизировать, а брак при их производстве будет значительно меньше, чем при производстве полупроводниковых ИС. Размер подложки для них может быть выбран значительно большим, чем для полупроводниковых ИС. Возможные области приме­ нения новых интегральных схем весьма разнообразны. Однако основным рынком сбыта ВИС, по мнению фир­ мы Electron Emission Systems в США, на которой пред­ полагалось в 1970 г. освоить их производство, считается рынок радиационно-стойких приборов.

Анализируя особенности ВИС, нетрудно показать, что использование в них вместо термокатодов эффективных пленочных иенакаливаемых катодов привело бы к более широкому их применению при условии, что стоимость ВИС пои этом останется меньше стоимости полупровод­ никовых ИС, а составляющие ВИС (активные микро­ элементы с ненакаливаемым катодом) будут иметь со­ ответствующие современным требованиям эксплуатаци­ онные характеристики. В этой связи представляют

40

интерес работы, проводимые в течение ряда последних лет в Стенфордском исследовательском институте США 137—39]. В нем ведутся исследования по созданию цело­ го комплекса электронных вакуумных микроэлементов с различными функциями для использования в вычисли­ тельных машинах. Методы их изготовления базируются на применении технологии изготовления пленок в сверх­ высоком вакууме. Она включает применение тугоплав­ ких металлов с поликристаллической структурой к ди­ электриков в основном из окиси молибдена и алюминия.

Для обработки этих материалов используются методы вакуумной литографии с экспонированием (засветкой) электронным лучом и травление поверхностей молеку­ лярным лучом. На обрабатываемую поверхность нано сится фоторезист, засвечиваемый электронным лучом по заданной конфигурации. Затем подложка нагревается,

врезультате чего незасвеченный фоторезист испаряется

инеобходимая структура получается травлением свобод­ ной от фоторезиста поверхности пленок молекулярным лучом. Для осуществления такой технологии разработа­ но специальное оборудование: вакуумная установка, со­

здающая сверхвысокий вакуум (10~12 мм рт. ст. за 1 ч),

о

электронно-оптическая система с разрешением 100 А для экспонирования чувствительных к электронному лучу резистов; радиочастотный масс-спектрометр для управ­ ления процессами нанесения и травления (а также ча­ стичного контроля процесса по составу газовой атмос­ феры) и эмиссионный микроскоп для контроля конфигу­ рации и размеров создаваемых структур. Общая раз­

решающая способность созданного технологического обо-

о

рудования составляет приблизительно 100 А.

Учитывая необходимость применения в разрабаты­ ваемых электронных элементах диэлектрических пленок, было проведено тщательное изучение особенностей их работы в условиях электронной бомбардировки (при плотности тока луча до 10е А/см2) и сильных электриче­ ских полей. Авторы исследования [37] пришли к выводу, что наличие диэлектрика в микроприборах с автоэлектронной эмиссией не создает серьезных трудностей, свя­ занных со стабильностью и воспроизводимостью.

В ходе исследований были изготовлены триоды ми­ кронных размеров с автоэлектронным катодом (рис. 1.25) (см. гл. 6 и 7). Триоды имели слоистую структуру

41

С пленочной герметизацией. Эти приборы обладали боль­ шим коэффициентом усиления по мощности. Коэффи­ циент усиления по напряжению находился в пределах от 0,5 до нескольких сот в зависимости от формы при­ бора. Оптимальные рабочие напряжения составляют около 50 В. При этом минимальное напряжение равно

42

роловые шарики диаметром 1 мкм каждый. После этого сверху напылялся слой окиси алюминия, который по­ крывал всю поверхность, за исключением занятой шари­ ками. После удаления шариков поверхность молибдено­ вой пленки протравливалась в смеси серной и азотной кислот, так что в местах, свободных от окиси алюминия, образовывались отверстия, достигающие промежуточного слоя окиси алюминия. Диаметр этих отверстий составлял примерно 1 мкм. Затем с помощью вытравливания в ортофосфорной кислоте в слое окиси алюминия обра­ зовывались полости. Од­ новременно при этом уда­ лялся также слой окиси алюминия, напыленный сверху. Затем подложка подвергалась термообра­ ботке в вакууме при тем­ пературе 1000 °С. Для из­ готовления заготовки ис­ пользовалась технология фотолитографии с элек­ тронной засветкой рези­ ста. В этом случае полу­ чалась упорядоченная си­ стема полостей с расстоя­ нием между центрами двух отверстий примерно

2,5 мкм.

43

показано i[381, что в результате такого процесса на по­ верхности катодной пленки образуются микровыступы, которые могут быть использованы как микроэлектрон­ ные автокатоды.

Сущность втооого способа формирования микроавто­ катодов состоит [38, 39] в напылении молибдена в затя­ гивающееся, в результате косого напыления окиси алю­ миния, отверстие полости. Схема использованного тех­ нологического процесса приведена на рис. 1.27. На поверхность молибденовой пленки, вращающейся с по­ стоянной скоростью, наносится косым напылением слой окиси алюминия, затягивающий входное отверстие поло­ сти (рис. 1.27) до нужного размера. После этого начи­ нают напылять молибден из второго источника по на­ правлению нормали к поверхности заготовки при про­

\ ';Л м Ь Я Ь //У 7?7777^1ПРМПЛШп Напыленная сверху плен­

Исследование свойств микроавтокатодов, полученных по этому способу, прово­ дилось в вакууме при давлении 10~9 мм рт. ст. (рис. 1.28). Вольт-амперная характеристика тока катода имела наклон, величина которого соответствовала решению уравнения Фаулера — Нордгейма. При длительности испытания в одну неделю были получены токи б мкА при максимальном напряжении катодная пленка — сетка 100 В. При этом никаких признаков ухудшения парамет­ ров катода замечено не было. Кратковременно катод эмиттировал ток 100 мкА при напряжении катодная пленка — сетка 200 В. Однако при этом не представля­ лось возможности определить, отбиралась ли эмиссия с одного эмиттера или работало несколько эмиттеров па­ раллельно.

44

Эксперименты по герметизации полости проводились по методу, предусматривающему затягивание входного отверстия в полости путем косого напыления молибде­ на подобно тому, как это описано выше для затягивания этого отверстия слоем окиси алюминия. Герметизация полости проводилась в вакууме при давлении 10-8 мм рт. ст., а в качестве источника напыления ис­ пользовались порошки окиси алюминия и молибдена, спеченные в одну таблетку.

По мнению авторов [37—39], микроминиатюрные эле­ менты с автоэлектронной эмиссией могут составить но­ вый класс активных элементов, которые, будучи изго­ товлены полностью из тугоплавких материалов с ис­ пользованием технологии изготовления тонких пленок, обладают уникальным сочетанием необходимых свойств: малым размером, большей механической прочностью, низкой чувствительностью к изменениям температуры и различным излучениям, высокой степенью стабильности и надежности. Специальные схемы применения могут при этом обеспечить низкую потребляемую мощность и высокие операционные скорости [37].

Проведенными работами также показана возмож­ ность создания на базе разработанной технологии цело­ го ряда других пленочных активных микроэлементов: генератора света с пленочным люминофором, приемника „тучистой энергии и новых пленочных многослойных эле­ ментов памяти.

Отметим, однако, что технологический комплекс про­ изводства описанных вакуумных микроэлементов и ИС на их основе достаточно сложен для освоения в массо­ вом производстве. Есть основания считать, что вакуум­ ные микроэлементы на основе катодов из пленок SnCK или металлических диспергированных пленок будут ппоше в изготовлении. Главной задачей в этом случае бучет являться получение приемлемых эксплуатационных параметров микроэлементов с учетом особенностей эмис­ сии пленок, описанных в § 1.2 и 1.3.

1.7.Заключение

Кнастоящему времени созданы некоторые типы ненакаливаемых катодов на основе тонких пленок. Это прежде всего относится к катодам на основе дисперги­ рованных металлических пленок и пленок двуокиси оло­

45

ва. Разработаны также пленочные ненакаливаемые като­ ды на основе автоэлектронной эмиссии из металлов, однако здесь предстоит преодолеть еще ряд конструктив­ ных и технологических трудностей.

Уже сейчас можно ставить вопрос о создании не­ которых классов электронных приборов, например на основе катодов из пленок БпОг. Это такие электронные приборы, для функционирования которых несущественна величина шума, а также разброс эмиттированных элек­ тронов по энергиям. Сюда можно отнести некоторые ти­ пы масс-спектрометрических приборов (например, оме­ гатронов), электронно-лучевых приборов, приборов для цифровой регистрации результатов измерений. Указан­ ные приборы будут иметь целый ряд преимуществ по сравнению с такими же приборами на термокатодах — практически мгновенную готовность к действию, отсутст­ вие нежелательных газоотделений с катода, отсутствие паразитной засветки от термокатода и т. Д. В системах вакуумной микроэлектроники они прежде всего найдут применение в цифровых схемах.

Что касается линейных схем, то здесь необходимо улучшение рабочих параметров пленочных катодов. Нельзя считать, что к настоящему времени исчерпаны все потенциальные возможности тонких пленок с точки

Ненакаливаемые катоды на основе эмиссии горячих электронов из полупроводников

2.1. Введение

Большой интерес при создании ненакаливаемых като­ дов представляют явления разогрева электронного газа в полупроводниках сильным внутренним электрическим полем, поскольку при этом растет число электронов с энергиями, достаточными для преодоления потенциаль­ ного барьера полупроводник — вакуум.

В настоящей главе изложены в доступной форме тео­ ретические основы и результаты экспериментальных ис­ следований катодов этого типа.

46

Электронный газ, который нс находится в термодинамическом равновесии с решеткой, обычно называют газом горячих электронов. Строго говоря, горячим следовало бы называть электронный газ только в том случае, когда его температура равна некоторой эффек­ тивной температуре (выше температуры решетки), т. е. когда функ­ ция распределения электронов по энергиям соответствует распре­ делению Максвелла (или распределению Ферми при вырождении)

стемпературой, отличной от температуры решетки.

Вусловиях разогрева вид функции распределения зависит от величины приложенного поля, концентрации электронов, действую­ щих механизмов рассеяния -и формы энергетической зоны. В част­

ности, функция распределения может весьма существенно отли­ чаться от функции распределения Максвелла. Тем не менее термин «горячие электроны» применяется в том случае, когда нет термоди­ намического равновесия между электронной и фононной подсисте­ мами, независимо от вида функции распределения.

Разогрев электронов током легко наблюдать в таких полупро­ водниках, как германий, кремний, антимонид индия и др. Наруше­ ние термодинамического равновесия между электронной и фонон­ ной системами приводит к появлению качественно новых эффектов, не имеющих места в слабых электрических полях. Поэтому иссле­ дование горячих электронов в настоящее время ведется широким

суть дела, не вдаваясь в детали, важные для количественной оцен­ ки, рассмотрим простейший случай. Допустим, что электронный газ при наличии тока имеет определенную температуру. Последняя должна определяться из уравнения баланса мощностей, которое означает, что в стационарном режиме получаемая электронами от поля мощность (джоулева мощность) равна мощности, передавае­ мой электронами решетке. Мощность, получаемая электронами от поля, приходящаяся на единицу объема, равна WE=j E, где j — плотность тока; Е — напряженность электрического поля. Мощность, отдаваемая решетке, зависит от конкретных механизмов потерь энергии электронами. Однако при сравнительно слабом разогреве, без конкретизации механизмов потерь, мощность, отдаваемую элек­

Из (2.1) видно, что при данной вводимой мощности, приходя­ щейся на один электрон, разогрев больше в тех материалах, у ко­ торых меньше частота соударений. Последняя пропорциональна константе связи электронов с фононами. Уменьшение константы связи приводит к увеличению подвижности. Поэтому неудивительно, что для полупроводников, в которых легко наблюдать разогрев электронного газа (Ge, Si, InSb, Те), обычно характерны высокие значения подвижностей носителей тока. Из (2.1), кроме того, видно, что с ростом концентрации электронов п для разогрева на один градус всего электронного газа нужно увеличить (пропорцио-

48