Анотація до роботи:

Голота В.І. Автоемісійні мікрокатоди з елементами керування на структурах «кремній-на-ізоляторі». – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – твердотільна електроніка. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2009.

У дисертації представлені результати дослідження кремнієвих автоемісійних мікрокатодів з елементами керування на структурах «кремній-на-ізоляторі» для застосування у цифровій електронній літографії. Доповнено рівняння Фаулера-Нордгейма з метою розрахунку автоемісії напівпровідників. Удосконалено методи розрахунку електронної оптики мікрокатода, спосіб і схему керування мікрокатодом. Обґрунтовано умови застосування компактних моделей МОН-транзисторів. Розроблено спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур і показано приклади їх застосування. Розроблено і верифіковано топологію схеми керування, інтегрованої з мікрокатодом, та наведено приклад її тиражування в матрицю. Показано розрахункові та експериментальні характеристики тестових структур.

1. В роботі показано, що кремнієві автоемісійні мікрокатоди, монолітно інтегровані з послідовно включеними високовольтними КНІ МОН-транзисторами для стабілізації автоемісії, електронною оптикою, яка екстрагує, фокусує і формує колінеарні електронні пучки для експонування фоторезисту, елементами на КНІ-структурах схем керування, комірками пам’яті та імпульсно-амплітудними модуляторами, які забезпечують введення інформації з частотою 5 МГц в двійковому коді і перетворення її в аналогову форму для керування автоемісією мікрокатодів з врахуванням переміщення 100 мм пластини з фоторезистом, мають характеристики і параметри, які дозволяють використовувати їх як фотошаблони у цифровій електронній літографії.

2. Доповнено рівняння Фаулера-Нордгейма, що дозволяє розраховувати двозонну автоемісію напівпровідників, апроксимаціями функцій , які входять в рівняння і містять еліптичні інтеграли, та уточненими роботою виходу і параметром функцій , в яких враховано діелектричну проникність, зонну структуру та вплив зовнішнього електричного поля. Встановлено, що для кремнієвого мікрокатода (висотою 0,6 мкм, радіусом верхівки 5 нм та легованого фосфором P: 3,510¹⁸ см^-3), в інтервалі напруженостей електричного поля (2,25,1)10⁷ В/см автоемісійні струми в межах 3 нА3 мкА співпадають з експериментальними, а емісія із зони провідності є основною. Вияснено, що при зменшенні концентрації донорів до см^-3 кремнієвий мікрокатод, за рахунок тепла Джоуля, розігріється до власної температури плавлення.

3. Дістали подальший розвиток методи розрахунку потенціалів та напруженості поля вакуумного проміжку мікрокатода. Отримана апроксимація рівняння Лапласа на сітці із змінним кроком для 5-точкової розрахункової схеми методу скінчених різниць та застосована інтерполяція Лапласа, дозволяють з високою точністю розрахувати потенціали, а на їх основі градієнти та напруженість поля, як у вузлових точках вакуумного проміжку, так і у невузлових точках елементів з нанометровими розмірами (верхівка мікрокатода, краї електродів).

4. Досліджено вплив мікронерівностей поверхні верхівки мікрокатоду, з використанням геометричної моделі сферичних фракталів, на автоемісійний струм. Встановлено, що при зменшенні розмірів мікронерівностей поверхні, які моделювались півсферами з радіусами 0,4 нм та 0,04 нм, струми автоемісії зростають в ~20 і ~300 разів відповідно. Показано, що залежність автоемісійного струму від часу має високо- і низькочастотні складові. Високочастотні складові залежать від кількості і розмірів мікронерівностей і є несучими, а низькочастотні – залежать від часу розпорошення мікронерівностей і є модулюючими.

5. Встановлено, що просторовий заряд викривляє розбіжні траєкторії автоемісійних електронів, тому для усунення їх викривлення і покращення колінеарності збільшено потенціал фокусуючого електроду. Показано, що область верхівки мікрокатода найбільше піддається дії заряджених іонів, що спричиняє їх адсорбцію. Вияснено, що керувати процесами адсорбції-десорбції на поверхні мікрокатоду можна зміною полярності потенціалів на катоді і екстракційному електроді. Встановлено, що автоемісійні пучки електронів з енергією 200 еВ можуть експонувати фоторезисти з товщиною не більше 100 нм та хімічними підсилювачами чутливості в діапазоні 0,640 мкКл/см².

6. Вияснено, що автоемісійний струм кремнієвого мікрокатода стабілізується при послідовному електричному з’єднанні з КНІ МОН-транзистором, а його лінійне регулювання в робочому інтервалі 3 нА3 мкА забезпечує 8-бітовий імпульсно-амплітудний модулятор з комірками пам’яті статичного типу. Показано, що модулятор перетворює інформацію про величину автоемісійного струму з 8-ми комірок пам’яті у двійковому коді в аналогову форму і має лінійну передаточну характеристику. Підтверджено часовими діаграмами зміни стану сигналів, що схема вводу/виводу даних з буферами на три стани і двокаскадний формувач забезпечують записування і зчитування інформації з комірок пам’яті.

7. Досліджено, на прикладі моделі EKV, що стандартні компактні моделі МОН-транзисторів можна застосовувати для моделювання КНІ МОН-транзисторів при умові заземлення контактів витоку і підканальної області. Показано, що розрахункові і експериментальні статичні характеристики КНІ МОН-транзисторів із заземленим витоком та контактом до підканальної області при напругах стоку до 5 В і напругах затвору до 2 В практично співпадають.

8. Показано, що розроблений спосіб виготовлення локальних тривимірних КНІ-структур не пошкоджує поверхневий приладний шар монокристалічного кремнію, дозволяє формувати КНІ-плівки різної товщини і розміщувати їх у потрібних місцях, використовує як об’ємний кремній, так і КНІ-структури для монолітної інтеграції різнотипних елементів цифрових і аналогових схем. Отримано оцінку швидкості переключення ключових елементів на бар’єрах Шотткі, сформованих на локальних тривимірних КНІ-структурах, порядку одиниць пікосекунд. Встановлено, що тривимірні контакти мають меншу площу і опір на 25 % і 66,4 % порівняно з планарними.

9. Підтверджено, на прикладі матриці розміром 3-на-2, що розроблену топологію схеми керування, інтегрованої з мікрокатодом, можна тиражувати і на більші розміри при створенні матриць керованих автоемісійних мікрокатодів для цифрової електронної літографії.