RU2590897C1 - Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making - Google Patents
Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making Download PDFInfo
- Publication number
- RU2590897C1 RU2590897C1 RU2015112385/07A RU2015112385A RU2590897C1 RU 2590897 C1 RU2590897 C1 RU 2590897C1 RU 2015112385/07 A RU2015112385/07 A RU 2015112385/07A RU 2015112385 A RU2015112385 A RU 2015112385A RU 2590897 C1 RU2590897 C1 RU 2590897C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- carbon nanotubes
- support
- current
- cathode assembly
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 85
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 78
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 238000000137 annealing Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 85
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 6
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 4
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N ferrocene Chemical compound [Fe+2].C=1C=C[CH-]C=1.C=1C=C[CH-]C=1 KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к приборам твердотельной и вакуумной электроники, в частности к автоэмиссионным элементам на основе углеродных нанотрубок, используемых в качестве катодов: к диодам, к триодам и к устройствам на их основе.The invention relates to devices for solid-state and vacuum electronics, in particular to field emission elements based on carbon nanotubes used as cathodes: to diodes, to triodes, and to devices based on them.
В последние годы большой интерес вызывают исследования, связанные с необычными физико-химическими свойствами углеродных нанотрубок (УНТ), благодаря которым УНТ являются привлекательным объектом не только фундаментальной науки, но и прикладного их использования.In recent years, studies related to the unusual physicochemical properties of carbon nanotubes (CNTs), due to which CNTs are an attractive object not only for fundamental science, but also for their applied use, have been of great interest.
Так, результаты исследования эмиссионных характеристик УНТ составляют основу разработок, направленных на создание электронных приборов с холодными катодами с использованием УНТ, которые отличаются от традиционных аналогов пониженными напряжениями питания и потреблением мощности, малыми массой и поперечными размерами [1].Thus, the results of studying the emission characteristics of CNTs form the basis of developments aimed at creating electronic devices with cold cathodes using CNTs, which differ from their traditional counterparts in reduced supply voltages and power consumption, small mass and transverse dimensions [1].
Известно, что холодный катод, используемый в качестве источника электронной эмиссии в электронном приборе, должен удовлетворять таким основным требованиям, как высокая стабильность тока, высокая яркость источника, высокая поверхностная однородность эмиссионных характеристик эмиттера и малый разброс энергии эмиттируемых электронов. Катоды на основе УНТ хорошо удовлетворяют сформулированным требованиям и в отношении указанных параметров не уступают наиболее распространенным коммерческим источникам холодной эмиссии.It is known that the cold cathode used as an electron emission source in an electronic device must satisfy such basic requirements as high current stability, high brightness of the source, high surface uniformity of the emitter emission characteristics, and small dispersion of the energy of emitted electrons. CNT-based cathodes well satisfy the formulated requirements and, in relation to these parameters, are not inferior to the most common commercial sources of cold emission.
Таким образом, разработка эмиттеров на основе УНТ ведет к созданию нового широкого класса электронных приборов, отличающихся аномально малыми поперечными размерами и низким напряжением питания.Thus, the development of CNT-based emitters leads to the creation of a new wide class of electronic devices characterized by abnormally small transverse dimensions and low supply voltage.
Аналогом предлагаемого способа изготовления автоэмиссионного элемента является способ получения холодно-эмиссионных пленочных катодов в виде подложки с нанесенной на нее углеродной пленкой, позволяющей получать высокую плотность эмиссионных токов 0,15-0,5 А/см2 [2]. Осаждение углеродной пленки проводится при температуре 700-1100°C. Углеродная пленка представляет собой структуру, состоящую из углеродных микро- и наноребер или микро- и нанонитей, ориентированных перпендикулярно поверхности подложки, с характерным размером от 0,05 до 1 мкм. Особенности технологии формирования эмиссионных катодов на основе углеродных материалов (такие, как высокая температура осаждения, недопустимость осаждения других слоев на сформированную эмиссионную поверхность) затрудняют создание интегрированных эмиссионных элементов (диодов и триодов), что требует разработки новых структур полевых эмиссионных элементов и технологии их получения.An analogue of the proposed method for manufacturing a field emission element is a method for producing cold-emission film cathodes in the form of a substrate with a carbon film deposited on it, which makes it possible to obtain a high density of emission currents of 0.15-0.5 A / cm 2 [2]. The carbon film is deposited at a temperature of 700-1100 ° C. A carbon film is a structure consisting of carbon micro- and nanowires or micro- and nanowires oriented perpendicular to the surface of the substrate, with a characteristic size of 0.05 to 1 μm. Features of the technology for the formation of emission cathodes based on carbon materials (such as a high deposition temperature, the inadmissibility of the deposition of other layers on the formed emission surface) make it difficult to create integrated emission elements (diodes and triodes), which requires the development of new structures of field emission elements and the technology for their preparation.
Также известно устройство и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий, что позволяет получить большие плотности тока [3]. Для получения больших плотностей автоэмиссионных токов полевой катод должен быть изготовлен из материала с достаточно высокой электронной проводимостью, которая в поликристаллических алмазных пленках обуславливается различными структурными дефектами, формирующими системы дополнительных уровней в запрещенной зоне алмаза. Эмиссионные свойства алмазных пленок значительно улучшаются с увеличением их дефектности вплоть до формирования аморфного материала, существенным признаком которого остается алмазный тип гибридизации связей валентных электронов атома углерода. Однако, во-первых, контролировать и управлять процессом получения алмазоподобных пленок с вышеуказанными параметрами довольно-таки затруднительно, а следовательно, получаются приборы с невоспроизводимыми эмиссионными характеристиками, и, во-вторых, наиболее предпочтительной формой эмиттеров являются микро- и наноострия или структуры в виде лезвий в отличие от предлагаемой планарной структуры эмиттеров на основе наноалмазных покрытий.Also known is a device and method for manufacturing integrated field emission elements with emitters based on nanodiamond coatings, which allows to obtain high current densities [3]. To obtain high field emission current densities, the field cathode must be made of a material with a sufficiently high electronic conductivity, which in polycrystalline diamond films is caused by various structural defects that form systems of additional levels in the band gap of diamond. The emission properties of diamond films are significantly improved with an increase in their imperfection up to the formation of an amorphous material, a significant feature of which remains the diamond type of hybridization of valence electron bonds of a carbon atom. However, firstly, it is quite difficult to control and control the process of obtaining diamond-like films with the above parameters, and therefore, devices with irreproducible emission characteristics are obtained, and secondly, the most preferred form of emitters are micro and nano points or structures in the form blades in contrast to the proposed planar structure of emitters based on nanodiamond coatings.
Прототипом устройства автоэмиссионного элемента, наиболее близким к заявляемому техническому решению, является устройство и способ изготовления полевых эмиссионных элементов с углеродными нанотрубками, используемыми в качестве катодов, предложенное в патенте РФ №2391738 [4]. Автоэмиссионный элемент включает подложку, катодную структуру, состоящую из одного или нескольких слоев электропроводящего материала и расположенную на внешней поверхности упомянутой подложки, опорную структуру, состоящую из одного диэлектрического слоя или нескольких диэлектрических и электропроводящих слоев, расположенную на верхней поверхности упомянутой катодной структуры и содержащую сквозные отверстия, внутри которых формируются эмиссионные катоды в виде углеродных нанотрубок высотой 0,9-1,2 мкм, расположенных на внешней поверхности катодной структуры перпендикулярно данной поверхности, анодный слой из электропроводящего материала, расположенный на внешней поверхности упомянутой опорной структуры и содержащий технологические отверстия, совмещенные с упомянутыми отверстиями в опорной структуре. Однако эмиссионные характеристики таких структур нестабильны - при постоянном приложенном напряжении плотность тока эмиссии постепенно снижается, что, возможно, связано с высокими сорбционными свойствами УНТ и разрушением эмитирующих нанотрубок под действием высокой плотности электрического тока и неоднородностью этой плотности для отдельно взятой УНТ, связанной с разновысотностью нанотрубок, составляющих массив.The prototype device of the field emission element closest to the claimed technical solution is a device and method for manufacturing field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes, proposed in RF patent No. 2391738 [4]. The field emission element includes a substrate, a cathode structure consisting of one or more layers of electrically conductive material and located on the outer surface of said substrate, a support structure consisting of one dielectric layer or several dielectric and electrically conductive layers, located on the upper surface of said cathode structure and containing through holes inside which emission cathodes are formed in the form of carbon nanotubes 0.9-1.2 microns high, located on an outer surface the surface of the cathode structure perpendicular to this surface, an anode layer of electrically conductive material located on the outer surface of said support structure and containing process holes aligned with said holes in the support structure. However, the emission characteristics of such structures are unstable - at a constant applied voltage, the emission current density gradually decreases, which is probably due to the high sorption properties of CNTs and the destruction of emitting nanotubes under the influence of a high electric current density and the heterogeneity of this density for a single CNT, related to the different heights of nanotubes making up the array.
Задачей данного изобретения является повышение тока эмиссии и временной стабильности этой величины, уменьшение рабочих напряжений в приборах вакуумной микроэлектроники на основе углеродных нанотрубок и продление их срока службы за счет параллельного расположения углеродных нанотрубок относительно поверхности полупроводниковой подложки, нанесения на поверхность УНТ слоя оксида гафния, снижающего работу выхода электронов с поверхности УНТ и защищающего поверхность эмитирующих УНТ от воздействия внешних факторов (например, химически активных атомов и молекул адсорбирующихся газов), одинаковых геометрических параметров массива УНТ по всей площади катода, малой величины контактного сопротивления нанотрубка - подложка.The objective of the invention is to increase the emission current and temporal stability of this value, reduce the operating voltage in vacuum microelectronics devices based on carbon nanotubes and extend their service life by parallel arrangement of carbon nanotubes relative to the surface of the semiconductor substrate, applying a layer of hafnium oxide on the surface of CNTs, which reduces the work the escape of electrons from the surface of CNTs and protecting the surface of emitting CNTs from external factors (e.g., chemical and active atoms and molecules of the adsorbed gas), identical geometric parameters CNT array over the entire area of the cathode, small contact resistance value nanotube - substrate.
Поставленная задача решается за счет создания автоэмиссионного элемента с катодами на основе углеродных нанотрубок, содержащего полупроводниковую подложку, на поверхности которой сформирован изолирующий слой, катодный узел, расположенный над изолирующим слоем, состоящий из токоведущего, контактного слоев и углеродных нанотрубок, расположенных на поверхности контактного слоя, опорно-фокусирующую систему (ОФС), состоящую из первого диэлектрического, затворного электропроводящего и второго диэлектрического слоев, расположенную на верхней поверхности катодного узла и содержащую сквозную полость, анодный токоведущий слой, расположенный на внешней поверхности второго диэлектрического слоя ОФС, в котором сформированы сквозные технологические отверстия.The problem is solved by creating a field emission element with cathodes based on carbon nanotubes, containing a semiconductor substrate, on the surface of which an insulating layer is formed, a cathode assembly located above the insulating layer, consisting of a current-carrying, contact layer and carbon nanotubes located on the surface of the contact layer, reference focusing system (OFS), consisting of the first dielectric, gate conductive and second dielectric layers, located on the hney surface of the cathode assembly and having a through cavity, the anode current-carrying layer positioned on the outer surface of the second dielectric layer OFS, which are formed through-holes technology.
Способ изготовления автоэмиссионного элемента с катодами на основе углеродных нанотрубок включает формирование на полупроводниковой подложке изолирующего слоя, формирование катодного узла, расположенного над изолирующим слоем, состоящего из токоведущего, контактного слоев и углеродных нанотрубок, расположенных на поверхности контактного слоя, формирование ОФС, состоящей из первого диэлектрического слоя, расположенного на токоведущем слое катодного узла, затворного электропроводящего слоя, расположенного на поверхности первого диэлектрического слоя и второго диэлектрического слоя, расположенного на поверхности затворного электропроводящего слоя, содержащей и гравировки этих слоев для создания в них сквозной полости, формирование жертвенного слоя в области сквозной полости ОФС, формирование анодного токоведущего слоя, формирование технологических сквозных отверстий в анодном токоведущем слое, удаление жертвенного слоя через сквозные технологические отверстия в анодном токоведущем слое.A method of manufacturing a field emission element with cathodes based on carbon nanotubes includes forming an insulating layer on a semiconductor substrate, forming a cathode assembly located above the insulating layer, consisting of a current-carrying, contact layer and carbon nanotubes located on the surface of the contact layer, forming an OFS consisting of a first dielectric a layer located on the current-carrying layer of the cathode assembly, a gate electrically conductive layer located on the surface of the first an electric layer and a second dielectric layer located on the surface of the gate electrically conductive layer containing and engraving these layers to create a through cavity therein, forming a sacrificial layer in the region of the through OFS cavity, forming an anode current-carrying layer, forming technological through holes in the anode current-carrying layer, removing the sacrificial layer through the through technological holes in the anode current-carrying layer.
Совокупностью отличительных признаков изобретения является то, что контактный слой катодного узла расположен в сквозной полости первого диэлектрического слоя ОФС на планарной и боковой поверхностях, геометрические параметры УНТ ограничены внутренними размерами полости первого диэлектрического слоя, углеродные нанотрубки расположены параллельно поверхности полупроводниковой подложки, на поверхность углеродных нанотрубок нанесен слой оксида гафния, снижающий работу выхода электронов и защищающий поверхность эмитирующих УНТ от воздействия внешних факторов, в качестве углеродных нанотрубок используют одностенные и/или многостенные УНТ, после нанесения первого диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы создают в нем сквозную полость до токоведущего слоя катодного узла, затем на поверхностях токоведущего слоя катодного узла и первого диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы формируют контактный слой катодного узла, на поверхность контактного слоя наносят углеродные нанотрубки, с помощью химико-механической планаризации (ХМП) упаковывают УНТ с верхней поверхности контактного слоя в сквозную полость первого диэлектрического слоя ОФС и удаляют контактный слой с горизонтальной поверхности первого диэлектрического слоя ОФС, после упаковки УНТ в сквозную полость первого диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы наносят на поверхность углеродных нанотрубок слой оксида гафния, снижающий работу выхода электронов и защищающий поверхность эмитирующих УНТ от воздействия внешних факторов, на заключительном этапе изготовления прибора отжигают сформированную структуру.The combination of distinctive features of the invention is that the contact layer of the cathode assembly is located in the through cavity of the first dielectric layer of the OFS on the planar and lateral surfaces, the geometrical parameters of CNTs are limited by the internal dimensions of the cavity of the first dielectric layer, carbon nanotubes are parallel to the surface of the semiconductor substrate, and carbon nanotubes are deposited on the surface of carbon nanotubes hafnium oxide layer, which reduces the electron work function and protects the surface of emitting CNTs from water external factors, single-walled and / or multi-walled CNTs are used as carbon nanotubes, after applying the first dielectric layer of the support-focusing system, a through cavity is created in it to the current-conducting layer of the cathode assembly, then on the surfaces of the current-conducting layer of the cathode assembly and the first dielectric layer of the support-focusing the systems form the contact layer of the cathode assembly, carbon nanotubes are deposited on the surface of the contact layer, and CNTs are packed with chemical mechanical planarization (CMP) the upper surface of the contact layer into the through cavity of the first dielectric layer of the OFS and remove the contact layer from the horizontal surface of the first dielectric layer of the OFS; after packing the CNTs in the through cavity of the first dielectric layer of the support-focusing system, a layer of hafnium oxide is deposited onto the surface of the carbon nanotubes, which reduces the electron work function and protecting the surface of emitting CNTs from the influence of external factors, at the final stage of manufacturing the device annealed the formed structure.
При нанесении на поверхность углеродных нанотрубок некоторых материалов, например калия, цезия, оксида галлия, уменьшается работа выхода электронов с поверхности УНТ и тем самым увеличивается ток электронной эмиссии углеродных нанотрубок при одинаковой величине приложенного электрического поля.When some materials, for example, potassium, cesium, gallium oxide, are deposited onto the surface of carbon nanotubes, the work function of electrons from the surface of CNTs decreases and, thereby, the electron emission current of carbon nanotubes increases with the same applied electric field.
Известно, что при постоянном приложенном напряжении плотность тока эмиссии УНТ постепенно снижается, что, в том числе, связано с высокими сорбционными свойствами УНТ. Для того чтобы исключить данный отрицательный момент, поверхность углеродных нанотрубок пассивируют с помощью нанесения защитного слоя.It is known that, at a constant applied voltage, the current density of CNT emissions gradually decreases, which, inter alia, is associated with high sorption properties of CNTs. In order to eliminate this negative moment, the surface of carbon nanotubes is passivated by applying a protective layer.
Выравнивание геометрических параметров углеродных нанотрубок способствует минимизации или исключению разброса электрических параметров работы отдельных УНТ в составе массива, что приводит к стабильной работе прибора на основе углеродосодержащих холодных катодов, равномерности тока и, в конечном счете, к увеличению срока его эксплуатации.Alignment of the geometric parameters of carbon nanotubes minimizes or eliminates the variation in the electrical parameters of individual CNTs in the array, which leads to stable operation of the device based on carbon-containing cold cathodes, current uniformity, and, ultimately, to increase its service life.
Известно, что при определенных ориентациях нанотрубок относительно направления электрического поля вклад эмиссии с боковой поверхности в полный ток электронной эмиссии может оказаться определяющим, так как площадь боковой поверхности УНТ, естественно, заметно превышает площадь поверхности головки [1, 5].It is known that for certain orientations of nanotubes relative to the direction of the electric field, the contribution of emission from the side surface to the total electron emission current can be decisive, since the area of the side surface of CNTs naturally exceeds the head surface area [1, 5].
Высокие эмиссионные характеристики УНТ определяются, с одной стороны, их уникальной структурой, а с другой, - их хорошей электронной проводимостью. При анализе механизмов проводимости с учетом большого объема количественных экспериментальных данных по этому вопросу следует различать проводимость индивидуальных нанотрубок (однослойных и многослойных) и проводимость материала, составленного из таких трубок как элементов.The high emission characteristics of CNTs are determined, on the one hand, by their unique structure, and on the other, by their good electronic conductivity. When analyzing the conduction mechanisms taking into account a large amount of quantitative experimental data on this issue, one should distinguish between the conductivity of individual nanotubes (single-walled and multi-walled) and the conductivity of a material composed of such tubes as elements.
Поскольку эмиссионные токи УНТ ограничиваются большой величиной контактного сопротивления нанотрубка - подложка, то на заключительном этапе изготовления холодных катодов на основе массива углеродных нанотрубок вводится процесс высокотемпературного отжига при Τ=450°C в инертной среде, что улучшает электрический контакт указанной выше системы за счет взаимодиффузии углерода и материала контактного слоя и позволяет работать при более низких рабочих напряжениях.Since the emission currents of CNTs are limited by the large contact resistance of the nanotube - substrate, at the final stage of manufacturing cold cathodes based on an array of carbon nanotubes, the process of high-temperature annealing at при = 450 ° C in an inert medium is introduced, which improves the electrical contact of the above system due to the interdiffusion of carbon and the material of the contact layer and allows you to work at lower operating voltages.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.
На фиг. 1 представлена многослойная структура, состоящая из: 1 - полупроводниковая подложка, 2 - изолирующий слой, 3 - токоведущий слой катодного узла, 4 - первый диэлектрический слой ОФС;In FIG. 1 shows a multilayer structure consisting of: 1 - a semiconductor substrate, 2 - an insulating layer, 3 - a current-conducting layer of the cathode assembly, 4 - the first dielectric layer of the OFS;
На фиг. 2 представлена структура после формирования отверстий в первом диэлектрическом слое ОФС и нанесения контактного слоя 5 на поверхности токоведущего слоя катодного узла и первого диэлектрического слоя опорно-фокусирующей системы;In FIG. 2 shows the structure after forming holes in the first dielectric layer of the OFS and applying the
На фиг. 3 представлена структура после формирования массива углеродных нанотрубок 6 в полости ОФС, формирования контактного слоя и нанесения слоя оксида гафния 7, который снижает работу выхода электронов с поверхности УНТ и защищает поверхность эмитирующих УНТ от воздействия внешних факторов;In FIG. Figure 3 shows the structure after the formation of an array of
На фиг. 4 представлена структура после осаждения затворного электропроводящего слоя 8, второго диэлектрического слоя 9 ОФС и формирования отверстий во втором диэлектрическом слое 9 и в затворном электропроводящем слое 8 ОФС;In FIG. 4 shows the structure after deposition of the gate
На фиг. 5 представлена структура после формирования планаризующего жертвенного слоя 10 и анодного токоведущего слоя 11;In FIG. 5 shows the structure after the formation of the planarizing
На фиг. 6 представлена структура автоэмиссионного элемента с катодами на основе углеродных нанотрубок после удаления планаризующего жертвенного слоя.In FIG. Figure 6 shows the structure of a field emission element with cathodes based on carbon nanotubes after removal of the planarizing sacrificial layer.
Автоэмиссионный элемент с катодами на основе углеродных нанотрубок изготавливают следующим образом. На поверхности полупроводниковой подложки формируют изолирующий слой SiO2 толщиной 300-400 нм методом термического окисления кремния, осаждают магнетронным напылением токоведущий слой катодного узла из тугоплавкого металла толщиной 500-600 нм, формируют структуру проводников при проведении проекционной фотолитографии и реактивного ионного плазменного травления (РИПТ) токоведущего слоя катодного узла (0,5-0,6 мкм), наносят плазмохимическим осаждением первый диэлектрический слой ОФС из Si3N4 толщиной 0,8-1,2 мкм, формируют прямоугольные отверстия 0,1×2 мкм2 в первом диэлектрическом слое Si3N4 ОФС при проекционной фотолитографии и РИПТ пленки Si3N4 (0,8-1,2 мкм), осаждают магнетронным напылением контактный слой катодного узла из тугоплавкого металла толщиной 500-600 нм, наносят на поверхность структуры углеродные нанотрубки методом химического осаждения из газовой фазы в среде газообразного метана СН4 и летучего катализатора ферроцена при температуре порядка 900°C, с помощью ХМП упаковывают УНТ с верхней поверхности контактного слоя в полость первого диэлектрического слоя ОФС и удаляют контактный слой с верхней горизонтальной поверхности первого диэлектрического слоя ОФС, наносят атомно-слоевым осаждением слой HfO2 толщиной 2-3 нм на поверхность углеродных нанотрубок, осаждают магнетронным напылением затворный токоведущий слой ОФС из тугоплавкого металла толщиной 300-400 нм, наносят плазмохимическим осаждением второй диэлектрический слой ОФС из Si3N4 толщиной 1,0-1,1 мкм, формируют прямоугольные отверстия 0,2×3 мкм2 во втором диэлектрическом слое Si3N4 и в затворном токоведущем слое при проекционной фотолитографии и РИПТ структуры, состоящей из пленки Si3N4 (1,0-1,1 мкм) и тугоплавкого металла (300-400 нм), наносят плазмохимическим осаждением планаризирующий жертвенный слой SiO2 толщиной 1,5-1,7 мкм, формируют структуру планаризирующего жертвенного слоя SiO2 при проведении проекционной фотолитографии и реактивного ионного плазменного травления (РИПТ) пленки диоксида кремния толщиной 1,5-1,7 мкм, осаждают магнетронным напылением анодный токоведущий слой тугоплавкого металла толщиной 500-600 нм, формируют в анодном токоведущем слое структуру проводников при проекционной фотолитографии и РИПТ слоя тугоплавкого металла (500-600 нм), формируют боковые технологические сквозные отверстия в анодном токоведущем слое размером 1,5 мкм×1,5 мкм и вскрывают массив углеродных нанотрубок с помощью газофазного травления планаризующего жертвенного слоя SiO2, отжигают сформированную структуру при температуре 420-450°C, что снижает величину контактного сопротивления нанотрубка-подложка.A field emission element with cathodes based on carbon nanotubes is made as follows. A 300-400 nm thick SiO 2 insulating layer is formed on the surface of the semiconductor substrate by thermal oxidation of silicon, a current-conducting layer of a cathode assembly of refractory metal 500-600 nm thick is deposited by magnetron sputtering, and a conductor structure is formed during projection photolithography and reactive ion plasma etching (RIPT) the current-carrying layer of the cathode assembly (0.5-0.6 μm), deposited by plasma-chemical deposition, the first dielectric layer of OFS of Si 3 N 4 with a thickness of 0.8-1.2 μm, rectangular holes are formed 0 , 1 × 2 μm 2 in the first dielectric layer of Si 3 N 4 OFS during projection photolithography and RIPT of a Si 3 N 4 film (0.8-1.2 μm), a contact layer of a refractory metal cathode assembly with a thickness of 500-600 is deposited by magnetron sputtering nm, is applied to the surface structure of the carbon nanotubes by chemical vapor deposition in a medium of gaseous methane CH 4, and a volatile catalyst ferrocene at a temperature of about 900 ° C, using CMP packaged CNT with the upper surface of the contact layer into the cavity of the first dielectric layer CFC and removed con Comp act layer with the upper horizontal surface of the first dielectric layer OFS is applied to an atomic layer deposition HfO 2 layer thickness of 2-3 nm on the surface of carbon nanotubes is deposited by magnetron sputtering gate current carrying layer of refractory metal FFS 300-400 nm thickness is applied by plasma deposition of a second dielectric FFS layer of Si 3 N 4 of thickness 1.0-1.1 micrometers are formed
Таким образом, предлагаемое решение конструкции автоэмиссионного элемента с катодами на основе углеродных нанотрубок и способа его изготовления по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ, связанных с повышением тока автоэмиссии и временной стабильности этой величины, уменьшением рабочих напряжений и продлением их срока службы. Указанные преимущества достигаются в конструкции автоэмиссионного элемента с катодами на основе углеродных нанотрубок за счет того, что углеродные нанотрубки расположены параллельно поверхности полупроводниковой подложки, на поверхность углеродных нанотрубок нанесен слой оксида гафния, снижающий работу выхода электронов с поверхности УНТ и защищающий поверхность эмитирующих УНТ от воздействия внешних факторов, улучшен электрический контакт нанотрубка-подложка с помощью отжига сформированной структуры.Thus, the proposed solution to the design of the field emission element with cathodes based on carbon nanotubes and the method of its manufacture in comparison with the prototype has a number of advantages associated with an increase in the field emission current and temporary stability of this value, a decrease in operating voltages and an increase in their service life. These advantages are achieved in the design of a field emission element with cathodes based on carbon nanotubes due to the fact that carbon nanotubes are parallel to the surface of the semiconductor substrate, a layer of hafnium oxide is deposited on the surface of carbon nanotubes, which reduces the work function of electrons from the surface of CNTs and protects the surface of emitting CNTs from external factors, the electrical contact of the nanotube-substrate is improved by annealing the formed structure.
Источники информацииInformation sources
1. А.В. Елецкий. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства. Успехи физических наук. Т. 172, №4. 2002, с. 401-438.1. A.V. Yeletsky. Carbon nanotubes and their emission properties. Advances in physical sciences. T. 172, No. 4. 2002, p. 401-438.
2. Патент РФ №2194328.2. RF patent No. 2194328.
3. Патент РФ №2455724.3. RF patent No. 2455724.
4. Патент РФ №2391738 - прототип.4. RF patent No. 2391738 - prototype.
5. Zhigalov V. et al. Low-voltage field desorption in carbon nanotubes // The International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2014. - International Society for Optics and Photonics, 2014. - P. 94400C-94400C-7.5. Zhigalov V. et al. Low-voltage field desorption in carbon nanotubes // The International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2014 .-- International Society for Optics and Photonics, 2014 .-- P. 94400C-94400C-7.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015112385/07A RU2590897C1 (en) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015112385/07A RU2590897C1 (en) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2590897C1 true RU2590897C1 (en) | 2016-07-10 |
Family
ID=56372186
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015112385/07A RU2590897C1 (en) | 2015-04-07 | 2015-04-07 | Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2590897C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2692240C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-06-24 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for reducing thresholds of field-emission beginning, increasing field-emission current density and degradation resistance of high-current multi-tip field-emission cathodes |
| RU2718693C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-04-13 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Electron gun with field-emission cathode |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1047096B1 (en) * | 1999-04-21 | 2003-10-08 | Sony Corporation | Field emission type cathode, electron emission apparatus and electron emission apparatus manufacturing method |
| JP2007311364A (en) * | 2007-08-02 | 2007-11-29 | Jfe Engineering Kk | Electron emitting device, manufacturing method thereof, and apparatus equipped with the same |
| RU2391738C2 (en) * | 2008-02-11 | 2010-06-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Structure and method for manufacturing of field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes |
| RU2455724C1 (en) * | 2010-11-13 | 2012-07-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Structure and method of making integrated field-emission elements having nanodiamond coating-based emitters |
-
2015
- 2015-04-07 RU RU2015112385/07A patent/RU2590897C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1047096B1 (en) * | 1999-04-21 | 2003-10-08 | Sony Corporation | Field emission type cathode, electron emission apparatus and electron emission apparatus manufacturing method |
| JP2007311364A (en) * | 2007-08-02 | 2007-11-29 | Jfe Engineering Kk | Electron emitting device, manufacturing method thereof, and apparatus equipped with the same |
| RU2391738C2 (en) * | 2008-02-11 | 2010-06-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Structure and method for manufacturing of field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes |
| RU2455724C1 (en) * | 2010-11-13 | 2012-07-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Structure and method of making integrated field-emission elements having nanodiamond coating-based emitters |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2692240C1 (en) * | 2018-03-12 | 2019-06-24 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Method for reducing thresholds of field-emission beginning, increasing field-emission current density and degradation resistance of high-current multi-tip field-emission cathodes |
| RU2718693C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-04-13 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Electron gun with field-emission cathode |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4754995B2 (en) | Thermally conductive material and method for producing the same | |
| US9058954B2 (en) | Carbon nanotube field emission devices and methods of making same | |
| CN100405519C (en) | A kind of preparation method of field emission element | |
| CN106252179A (en) | A kind of micro electric component based on resistive material and array thereof and implementation method | |
| WO2009039338A1 (en) | Dense array of field emitters using vertical ballasting structures | |
| Kang et al. | Effect of sp 2 content and tip treatment on the field emission of micropatterned pyramidal diamond tips | |
| US20080074026A1 (en) | Field emission electron source and method of manufacturing the same | |
| RU2455724C1 (en) | Structure and method of making integrated field-emission elements having nanodiamond coating-based emitters | |
| RU2590897C1 (en) | Field-emission element with cathodes based on carbon nanotubes and method of its making | |
| RU2391738C2 (en) | Structure and method for manufacturing of field emission elements with carbon nanotubes used as cathodes | |
| Wang et al. | Single-walled carbon nanotube thermionic electron emitters with dense, efficient and reproducible electron emission | |
| RU2309480C2 (en) | Material and method for manufacturing multipoint field-emission cathode | |
| RU171829U1 (en) | AUTO EMISSION CATHODE | |
| Minh et al. | Selective growth of carbon nanotubes on Si microfabricated tips and application for electron field emitters | |
| JP2003529182A (en) | How to generate a uniform emission current | |
| RU2524353C2 (en) | Three-dimensionally structured semiconductor substrate for field-emission cathode, method for its obtaining, and field-emission cathode | |
| RU2579777C1 (en) | Device based on carbon-containing cold cathodes arranged on semiconductor substrate, and method of making same | |
| CN104992890B (en) | A kind of adjustable negative electrode of electron emitter work function and its array | |
| RU181863U1 (en) | AUTO EMISSION FILM DIODE | |
| Wisitsora-At et al. | High current diamond field emission diode | |
| JP4611228B2 (en) | Field electron emission device and manufacturing method thereof | |
| JP2019071260A (en) | Electron source, electron beam irradiation apparatus, and manufacturing method of electron source | |
| Pennisi et al. | Dovetail tip: a new approach for low-threshold vacuum nanoelectronics | |
| RU2813858C1 (en) | Method of increasing efficiency of multi-tip electron field emission cathodes | |
| JP4780546B2 (en) | Method for producing carbon nanotube and method for producing current control element |