Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

электронов, которые двигаются в направлениях, не перпендикулярных плоскости пленки. Кроме того, происходит постепенное уменьшение числа электронов с большой энергией за счет их сильного рассеяния. По этим причинам наблюдается рост экспериментальной средней дли-* ны свободного пробега электронов в металле, которая определяется по наклону зависимости эмиссионного тока от толщины металличе­ ской пленки. Наконец, следует указать, что при очень больших энер­ гиях горячих электронов (порядка 8 эВ и выше) начинается интен­ сивное рассеяние на плазменных колебаниях электронного газа, ко­ торое уменьшает среднюю длину свободного пробега до величин

порядка 10 А [23].

ЗА. Ненакаливаемые катоды на основе МДМ-структур

Материалы, применяемые для создания МДМ-струк- тур, и технология их изготовления. Особенностью рас­ сматриваемых катодов является наличие трех располо­ женных одна на другой пленок: базовой металлической, диэлектрической и верхней металлической. При этом свойства материалов, выбранных для изготовления като­ да, будут оказывать существенное влияние на свойства системы в делом.

На основе теоретического рассмотрения туннельных эмиссионных структур можно сформулировать лишь общие принципы подбора соответствующих материалов электродов.

К материалу нижней (базовой) металлической плен­ ки, предъявляются наименее жесткие требования: она должна быть достаточно совершенной по структуре и должна иметь высокую электропроводность. Иногда в выборе материала играет роль тот факт, что диэлектри­ ческая пленка получается окислением нижней металли­ ческой пленки. Именно поэтому в качестве материала нижней пленки чаще всего используется алюминий, бе­ риллий, тантал и ниобий. Возможно также использова­ ние в качестве базового электрода не напыленной плен­ ки, а сплошного металла.

При выборе материала диэлектрической пленки нуж­ но учитывать следующие требования:

материал диэлектрической пленки должен быть по­ добран таким образом, чтобы высота барьера между ме­ таллом подложки и диэлектриком была больше, чем внешняя работа выхода верхней тонкой пленки металла. С этой точки зрения в качестве диэлектрика должно быть выбрано вещество с большой шириной запрещенной зоны

[24]; диэлектрическая пленка должна обладать высоким удельным сопротивлением, выдерживать без пробоя элек­ трические поля порядка 107 В/см; диэлектрические плен­ ки должны быть сплошными и иметь достаточно совер­ шенную структуру, что нелегко обеспечить для очень тонких пленок. Оптимальным вариантом является полу­ чение тонких монокристаллических пленок.

К настоящему времени исследовались системы с ди­ электрическими слоями из А120 3, Ta20 5, Nb20 5, Zr02, BeO, BN, Si3N4, Ti02, SiO, Si02, Cu20, а также некоторые ще­ лочно-галоидные, органические соединения и окислы не­ которых редкоземельных элементов. В табл. 3.1 приве­ дены свойства некоторых диэлектриков, наиболее перспективных для применения в рассматриваемых ка­ тодах.

При выборе материала верхнего металлического по­ крытия одним из основных критериев является длина свободного пробега электронов в данном материале, так как она определяет эффективность эмиттера. Кроме того, желательно, чтобы внешняя работа выхода метал­ ла пленки была невысокой. Стремление соразмерить толщину верхней металлической пленки с длиной сво­ бодного пробега электрона в данном металле приводит к тому, что толщины верхних пленок выбираются в пре­

делах 25 ... 400 А.

В экспериментальных работах чаще других использу­

82

ются в качестве материала для верхней пленки золото, алюминий, серебро, платина.

Схематическое изображение экспериментального ка­ тода на основе МДМ-структуры представлено на рис. 3.7. Технологический цикл изготовления катода на­ чинается с подготовки ди­

таллической пленки диэлектрик подвергается тщатель­ ной очистке: обезжириванию, прогреву или очистке в раз­ ряде остаточных газов.

Типичный материал базовой пленки — алюминий — наносится на диэлектрик, как правило, напылением в ва­ кууме. Для получения более прочного сцепления с под­ ложкой иногда наносят пленку алюминия на предвари­ тельно напыленную пленку хрома. Хром может исполь­

никеля изготавливались пиролизом биэтилбензолхрома (никеля) в вакууме 10~2 мм рт. ст. Тантал или ниобий, применяемые обычно в системах с окислами этих же ме­ таллов, наносятся катодным распылением.

Наиболее широко распространенный способ получе­ ния базовой металлической пленки — вакуумное терми­ ческое напыление. Толщина нижней металлической плен­

ки независимо от материала составляет обычно 2000 ...

о

... 3000 А. Технологические приемы получения диэлек­ трических слоев более разнообразны.

Если в качестве диэлектрика используется окисел ба­ зового металла (композиции: А1 — А120з, Та — Та20 5 , Be — ВеО и др.), то проводится окисление этого металла.

Наиболее детально исследованы условия получения пленки окисла на алюминии. Окисление алюминия может

быть проведено несколькими способами. При выдержке свеженапыленной пленки алюминия иа воздухе происхо­ дит медленное окисление. Топкий слой окиси алюминия образуется достаточно быстро, а в дальнейшем скорость

получения окиснои пленки является то, что после вы­ держки образца в окисляющей атмосфере всегда необхо­ дима очистка поверхности окисла.

В работе '[25] анализируется зависимость высоты контактного барьера на границе А1 — А120 3 от техноло­ гического режима изготовления окиси. Величина барьера на границе с нижним электродом для термически выра­ щенных слоев А120 3 составляет 1,6 эВ. Для слоев окиси алюминия, полученных окислением в кислородной плаз­ ме, этот барьер составляет тоже 1,6 эВ, а барьер, обра­ зуемый окисью алюминия с верхней пленкой, равен 2,0 ... 2,4 эВ. Для пленок, полученных испарением алю­ миния в потоке кислорода, разницы между верхним и нижним барьером не обнаруживается.

Широко распространенным методом образования ди­ электрических слоев является электролитическое окисле­ ние в различных электролитах (анодирование). Для по­ лучения пленок окиси алюминия анодирование прово­ дится в 3%-ном растворе лимонной кислоты, pH которой

доведен до 5,5 добавлением гидроокиси аммония. Напря-

о

жение на ванне поддерживается из расчета 1 В на 13 А толщины пленки окиси. Время ориентировочно составля­

84

ет около 2 ч в установившемся режиме. Этот метод по­ зволяет хорошо контролировать толщину слоя, а также изменять толщину окисной пленки в широких пределах. Равномерность толщины диэлектрической пленки по се­ чению имеет важное значение, поскольку неоднородность по толщине может привести к значительному изменению характеристик туннельного тока.

При выборе материалов для проведения электролити­ ческого окисления следует иметь в виду возможность загрязнения слоя окиси некоторым количеством примеси. Подобно окиси алюминия, анодированием можно изгото­ вить слой окиси тантала, но из систем с пленкой окиси тантала не удалось наблюдать эмиссию в вакуум [26]. Известны также химические способы получения пленок окиси. Так, в работе [27] сообщается о получении ди­ электрических пленок А120 з и Si02 методом термического

гретую до 900 °С алюминиевую пленку и сопровождалось реакцией в газовой фазе между ВС13 и МН3 при давле­ нии 2 • 10-4 мм рт. ст.

быть получены катодным распылением в высокочастот­

кремния, то слой нитрида кремния может быть получен бомбардировкой поверхности кремния ионами азота (среда — разреженный азот), либо прокаливанием крем­ ния в среде чистого азота при температуре 1300°С.

Наиболее перспективным методом получения как пле­ нок нитрида бора, так и иных слоев диэлектрика являет­ ся метод нанесения в вакууме. Это может быть либо тер­ мическое испарение в вакууме, которое чаще всего используется для получения пленок моноокиси кремния, либо электронно-лучевое или катодное распыление более тугоплавких соединений (например, Si02, А120 3 и др.).

По условиям работы диэлектрическая пленка в тун­ нельных системах находится в предпробойном состоянии.

85