Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

Этим объясняются особые требования к качеству пленки, так как при малых толщинах пленки самые незначитель­ ные структурные изменения существенно влияют на туннельные характеристики системы в целом.

Для получения воспроизводимых характеристик эмит­ теров необходимо постоянство структуры диэлектричес­ кого слоя, высокая чистота исходных веществ.

В настоящее время существует достаточно много ме­ тодов, позволяющих определять электрофизические пара­ метры диэлектрических слоев. Для оценки структурных свойств диэлектрических слоев можно использовать рент­ геноструктурный микроанализ, электронографию, изуче­ ние поверхности при помощи электронного микроскопа, дифракцию медленных электронов. Электрофизические параметры структуры оцениваются по вольт-емкостным характеристикам.

Для получения «верхних» пленок используются мето­ ды вакуумного напыления. Как правило, основным пара­ метром, подвергающимся контролю, является толщина пленки. Однако следует иметь в виду, что структура верхней пленки и условия ее напыления могут также оказывать существенное влияние на электрическую проч­ ность диэлектрической пленки. Так, в работе [29] получе­ но уменьшение электрической прочности диэлектрика на структуре А1 — SiO — А1 при увеличении скорости напы­ ления верхнего электрода. В работе предполагают, что металл внедряется в пленку диэлектрика, образуя микро­ острия, и что пробой тонкопленочного конденсатора свя­ зан с плавлением диэлектрика электронным током эмиссии с остриев.

Известную трудность представляет изготовление кон­ такта к тонкой металлической пленке. Как правило, этот контакт выполняется в виде металлической пленки с вы­ сокой электропроводностью. При выборе конструктивно­ го оформления контактной пленки нужно учесть, что она должна обеспечить достаточный теплоотвод от тонкой рабочей пленки.

Эмиссионные свойства катодов МДМ-типа. Рассмот­ рим вначале зависимость туннельного тока от напряже­ ния через пленочную систему МДМ-типа.

Практически на всех исследованных системах при малых токах наблюдается линейное увеличение туннель­ ного тока с увеличением напряжения на слое. При до­ статочно высоких напряжениях зависимость переходит

86

п Экспоненциальную с последующим замедлением робтй тока. Туннельный ток для очень тонких диэлектрических слоев отличается стабильностью, плотность его может достигать величины около 10 А/см2 i[30]. С учетом целого ряда допущений для малых толщин пленок диэлектрика результаты эксперимента подтверждаются теорией. Для «сэндвичей» с одинаковыми нижней и верхней пленками, как правило, наблюдаются симметричные вольт-ампер- ные характеристики туннельного тока. Однако возможны и несимметричные вольт-амперные характеристики даже для систем с одинаковыми электродами. Причина несимметрии в этом случае может заключаться в образо­ вании между металлом и диэлектриком промежуточного слоя с высокой электронной проводимостью [31]. Для систем с разными металлами несимметрия может быть связана с разной высотой и формой барьеров с разных сторон диэлектрической пленки.

В некоторых работах (например, [32—33]) при изуче­ нии сквозных токов отмечается, что при первых измере­ ниях токи невелики, однако при увеличении напряжения они возрастают. Этот процесс формовки необратим.

Авторы многих работ [32— 36] указывают, что вольт-ам­ перные характеристики тун­ нельных токов имеют область отрицательного сопротивления. В этом случае характеристики имеют N-образный вид. Падаю­ щая ветвь характеристики обычно простирается до нача­ ла заметной эмиссии в вакуум. Отметим, что вольт-амперные характеристики с областью от­ рицательного сопротивления обычно наблюдаются для «сэндвичевых» структур с пленкой диэлектрика толщиной

от 500 А и выше [37, 50].

87

линии в широкой области значений напряжений и токов, что согласуется с теорией. Однако теоретическая плотность тока для системы Аи — BN — Аи [17] на 3 ... 4 порядка выше, чем полученная экспериментально. Ве­ роятной причиной этого может быть то, что пленка зо­ лота, служащая нижним электродом, агломерирована и нарушила структуру и толщину напыляемой на ее ди­ электрической пленки В14. Небольшое отличие в ходе прямых и обратных характеристик на рис. 3.9 объясняет­ ся разной степенью агломерации нижней и верхней пле­ нок золота.

Вольт-амперные характеристики эмиссионного тока из МДМ-структур обычно имеют экспоненциальный вид. В работе [33] отмечается наличие области насыщения. Этот же вид характеристик наблюдался и авторами не­

подчиняется закону Ричардсона с работой выхода, рав­ ной 3,8 эВ, что соответствует работе выхода серебра.

Эмиссия в вакуум из структур МДМ-типа, как пра­ вило, наблюдается только тогда, когда на верхней метал­ лической пленке потенциал положителен. Напряжения на структуре, при которых начинается эмиссия в вакуум, тем больше, чем больше толщина диэлектрической пленки.

Рассмотрим далее экспериментальные работы, посвя­ щенные изучению эмиссии из структур МДМ-структур, в которых толщины диэлектрических слоев таковы, что позволяют относить их к туннельным системам. Эмис­ сионные характеристики катодов на основе МДМ-струк­

стема исследовалась Мидом [2]. Максимальный ток эмис­ сии с эмиттера 00,1 мм составлял 10~7 А. В работе от­ мечалось несколько нежелательных эффектов: нестабиль­ ность эмиссионного тока, разрушение структуры при довольно низких токах через «сэндвич». Отметим также

плотности сквозного туннельного тока 2,3-10-1 А/см2. Из ранних работ, более или менее подробный обзор

которых можно найти в [30, 41], следует отметить работу

8 8

[40]. В этой работе описана система А1 — А120 3 — Pt, ко­ торая отличалась высокой стабильностью параметров. Плотность эмиссионного тока составляла 8 мА/см2 при напряжении на «сэндвиче» 9 В. Эмиссионный ток при этом равнялся 15 мкА. Отличительной особенностью опи­ сываемого катода является то, что верхняя металличес­

кая пленка представляла собой очень тонкую пленку

о

платины (около 25 А), на которую в виде сетки была нанесена толстая пленка палладия. Последняя, позволяя использовать более тонкий, чем обычно, верхний слой,

обеспечивала более равномерное распределение потен­ циала. Эмиссионные измерения проводились в отпаянных системах. На поверхность эмиттера напылялся цезий для снижения работы выхода Pt.

Типичный вид зависимости параметров катода А1 — А120 3 — Me, от напряжения на кем представлен на рис. 3.10, 3.11 [39].

Исследование зависимости сквозного и эмиссионного токов от напряжения на структуре для различных усло­ вий, проведенное в работе [45] для системы А1 — А120 3 — Аи, позволяет сделать следующие выводы.

1. Эмиссионный ток наблюдается при положительном смещении на верхней металлической пленке. При обрат­ ной полярности на катоде эмиссия не наблюдается, хотя характеристика сквозного тока l =f ( U) симметрична.

89

2. Для структур с различной толщиной изолирующего

о

слоя (75 ... 175 А) отдельные характеристики сквозного тока практически совпадают, если по оси абсцисс брать не величину напряжения, а величину электрического поля.

3. Зависимость сквозного тока от напряжения на «сэндвиче» в координатах Фаулера — Нордгейма дает прямые линии. Наклон этих прямых определяет высоту барьеров 1,5 и 2,5 эВ для систем А1 — А120 3 и А120 3—Аи соответственно.

4. Э миссия в вакуум составляет обычно малую часть сквозного тока. Эффективность эмиссии у~Ю _3.

В работе |38] изучалась эмиссия катодов для систем А1 — А120 3 — Аи и А1 — АЬ,Оз — Pt. Для катодов на осно­ ве первой структуры получен максимальный эмиссион­ ный ток 40 мкА с площади 1 мм2. Напряжение на «сэнд­ виче» при этом составляло 5 В. Катод с верхней пленкой Pt оказался значительно менее эффективным: макси­ мальный ток эмиссии с той же площади составлял 2 ...

... 3 мкА. Напряжение на «сэндвиче» было равно 6 В. В этой работе установлено, что при приложении к «сэнд­

Из появившихся в последнее время работ следует от­ метить работы [27, 39, 22, 44, 45]. Эмиссионные свойства структур, описанных в этих работах, сведены в табл. 3.2.

До настоящего времени наибольшие плотности эмис­ сионного тока в вакууме получены на системе Be — ВеО —■Аи [47]. В стационарном режиме /э= 1 А/см2 при токе около 0,5 мА. Общая величина туннельного тока, входящего в верхнюю металлическую пленку, составляла

100 мА. При толщине верхней пленки золота 150 ...

о

...200 А получено значение ■у = 5-10_3. В [47] не приво­ дятся данные о стабильности работы системы.

Представляют интерес попытки создать монокристаллический или текстурированный слой изолятора: А120 3, BN, ТЮ 2 [17]. По представлениям автора [17], можно воспроизводимо получать при помощи химического осаждения из паровой фазы текстурированные пленки нитрида бора. Ожидается, что в такой диэлектрической пленке удается снизить рассеяние энергии электронов. Достоинством пленок BN1 является также их тугоплав­ кость и большая ширина запрещенной зоны. Эмиесиоц-

90

Т а б л и ц а 3 . 2

Э м и с с и о н н ы е с в о й с т в а н е к о т о р ы х п л е н о ч н ы х к а т о д о в т и п а „ с э н д в и ч 11