ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Пороговое напряжение . 5.3. Некоторые особенности автоэмиссии пленочных структур на основе нанотрубок из "Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов " В цитируемом примере алмазоподобная пленка (рис. 5.1а) была получена методом газофазного осаждения в микроволновой плазме на подложке из кремния р-типа при температуре 850 °С. При этом использовалась газовая смесь 2% метана в водороде при давлении 15 мм рт. ст. В случае рис. 5.16 для такой же газовой смеси использовался метод газофазного осаждения с горячим катодом (давление 60 мм рт. ст.). Расстояние анод—катод в первом случае составляло 80 мкм, а во втором — 40 мкм. [c.198] Важным фактором стабилизации и улучшения автоэмиссионных свойств аморфных алмазоподобных пленок является процесс активизации [251]. Этот процесс заключается в увеличении автоэмиссионного тока после электрического пробоя в алмазоподобной пленке. Такой эффект можно наблюдать, например, при снятии вольт-амперной характеристики, как показано на рис. 5.2. Эти характеристики сняты для аморфных гидрогенизированных углеродных пленок, полученных в высокочастотном тлеющем разряде реактора с симметричными электродами в смеси СН4 (от 20 до 80%) и Аг. Общее давление изменялось в пределах 0,5—1 мм рт. ст. [c.198] После активации наблюдалось примерно 50% уменьшение порогового напряжения для всех исследованных образцов (под пороговым напряжением в данном случае подразумевается напряжение, при котором плотность тока достигает уровня 25 нА/см ). [c.198] Одно из распространенных объяснений явления активизации состоит в том, что при активизации происходит превращение некоторого количества sp -связанного углерода вдоль узких каналов в sp -свя-занный углерод. Этот углерод имеет лучшую электропроводимость, чем окружающая sp -матрица, что способствует увеличению локального электрического поля, и, как следствие, автоэмиссионного тока. [c.198] Как видно из рис. 5.26, после активирования на графике Фаулера—Нордгейма наблюдаются два участка с разным наклоном. Это говорит о том, что автоэмиссионный ток идет из различных типов состояний и хорошо описывается моделью аддитивных эмиссионных центров (то есть общий ток катода рассматривается как сумма токов из двух эмиттеров, которые имеют линейные графики Фаулера— Нордгейма). [c.199] Работа выхода электронов большинства образцов перед активацией, вычисленная для двух участков графика в предположении плоского эмиттера, дает 1—9 мэВ для участка с малым полем и 15— 35 мэВ для участка с большим полем. [c.199] Так как электронное сродство более сильно зависит от типа связи, чем от кристалличности, хр -связь в алмазоподобных пленках проявляет низкую эффективную работу выхода, сравнимую с низким или отрицательным электронным сродством алмаза. Кластеры с хр -связью имеют более высокую работу выхода электронов, аналогичную графиту, поэтому sp -фракция в неактивированных образцах дает вклад в низковольтную часть автоэмиссии. При более высоких полях автоэмиссия из хр -кластеров доминирует в силу их более высокой электропроводности и, таким образом, возможности обеспечивать больший ток. [c.200] При активировании формируется некоторое количество sp -свя-зей и проводящих каналов, на которых концентрируется электрическое поле в окружении изолирующей sp -матрицы. Получается некоторое усиление электрического поля. Так как фактор усиления поля изменяется в каждой точке катода в некотором диапазоне значений, то прямая линия графика Фаулера—Нордгейма заменяется более закругленной кривой. [c.200] Результаты активирования существенно зависят от технологии получения алмазоподобных пленок. В [254] проведено сравнение двух технологий в дуговом разряде постоянного тока (давление в камере 5-10 Па, ток 100 А, скорость роста пленки 30 нм/мин, толщина пленки от 40 до 400 нм) и в микроволновой плазме (рабочий газ аргон при давлении 0,1 Па, микроволновая мощность 300 Вт, смещение на мишени 1200 В, скорость роста пленки 6 нм/мин, толщина пленки от 80 до 300 нм). [c.200] Активирование производилось вакуумным дуговым разрядом. После активирования пороговое напряжение, соответствующее току 10 мА, было равно 170 В для микроволновой технологии и 250 В для дугового разряда. При этом пленки, полученные в дуговом разряде, содержали очень малое количество водорода и не содержали азота. Пленки, полученные в микроволновой плазме, содержали небольшое количество азота (менее 5 ат. %) и изменяющееся ( 5 ат. %) количество водорода. Пленки, показывающие наилучшие автоэмиссионные характеристики, содержали 0,6 ат. % азота. Влияние содержания азота в пленках на автоэмиссионные характеристики требует дальнейшего изучения. Влияния толщины пленки (в указанных выше пределах) на автоэмиссионные характеристики не обнаружено. [c.200] Измерения твердости обеих типов пленок показали, что в них низкое содержание хр -фракции углерода. Однако величина электрического сопротивления у пленки, полученной в плазме, значительно ниже, чем у пленки, полученной в дуговом разряде (0,1 Ом см против 650 Ом см). [c.200] Одним из наиболее распространенных контрольных параметров автоэмиссии из углеродных пленочных структур является пороговое напряжение (или напряженность электрического поля). Эта величина достаточно произвольна для каждого эксперимента (экспериментатора). Она определяется как величина напряжения (напряженности электрического поля), при котором электрический ток (плотность тока) достигает определенного уровня. [c.201] Пороговое напряжение зависит от очень многих технологических причин. Прежде всего, рассмотрим влияние концентраций СН4 в Н2 и напряжения смещения [255] при микроволновом процессе осаждения. [c.201] Эти данные получены усреднением по крайней мере пяти измерений. Вертикальная линия в каждой точке показывает стандартное отклонение измерения. Как видно из рисунка, величина порогового поля резко спадает при низких концентрациях СН4 (с 1 до 5%), в то время как при концентрациях СН4 выше 5 % величина порогового поля остается постоянной на уровне примерно 2 В/мкм. [c.201] Уменьшение величины порогового автоэмиссионного поля связано с резким уменьшением концентрации хр -связей и слабым увеличением концентрации sp -связей в алмазной пленке. Следует заметить, что хотя определенное количество sp -связей требуется для проявления автоэмиссии из алмазной пленки, но этого совершенно недостаточно для появления автоэмиссии при низких пороговых полях. [c.202] Хорошо известно, что взаимодействие ионов с поверхностью растущей пленки приводит к увеличению числа дефектов кристаллической решетки, влияющих на микроструктуру поверхности, и, следовательно, на авто-эмиссионные свойства пленок [256]. Было установлено, что отрицательное смещение меняет ориентацию алмазоподобной пленки. Однако механизм, по которому напряжение смещения подложки в течение роста пленки влияет на автоэмиссию, еще не известен. Тем не менее, пленки с минимальной величиной порогового электрического поля имеют примерно такую же ровную поверхность, как и пленки с большей величиной порогового поля. Это предполагает, что наблюдаемые низкие значения порогового электрического поля не связаны с увеличением локального электрического поля. [c.202] Использование для получения углеродных пленочных структур вакуумного дугового разряда также проявляет как общие, так и специфические зависимости порогового электрического поля от технологических параметров [257]. [c.202] В очень широких пределах от гладкой поверхности (при р = = 10 мм рт. ст.) до структуры типа коралл (при р 1 мм рт, ст.). [c.204] наконец, огромное, если не решающее, влияние на величину порогового напряжения имеет материал подложки и технология ее подготовки. Так, например, величина порогового напряжения (при прочих равных условиях) изменяется от 85 В (для п—Si) до 205 В (для р—Si) [260]. Пока не обнаружено [260] прямой связи между работой выхода электронов металла и пороговым напряжением автоэмиссии нанесенной углеродной пленки. Пороговое напряжение уменьшается обратно пропорционально величине шероховатости поверхности (в определенных пределах), что вполне объяснимо с точки зрения фактора усиления электрического поля на микровыступах. [c.204] На величину порогового напряжения углеродной пленки влияет не только материал подложки, но и толщина самой пленки. Так, например, в [261] приведены такие данные. [c.204] Вернуться к основной статье