Файл: Ненакаливаемые катоды..pdf

Ч а с т ь п е р в а я

Низковольтные маломощные ненакаливаемые катоды

Г л а в а 1

Ненакаливаемые катоды на основе тонких пленок

1.1. Введение

Тонкие пленки полупроводников и металлов по це­ лому ряду свойств являются перспективными для со­ здания на их основе ненакаливаемых катодов.

К настоящему времени разработано много методов получения тонких пленок, таких, как термическое рас­ пыление материалов в вакууме, катодное (в том числе реактивное), плазменное, электронно-лучевое распыле­ ние, эпитаксиальное наращивание вакуумным, газо­ транспортным и жидкостным методами, химические ме­ тоды (гидролиз, пиролиз), электролитические методы и т. д. Для каждого из перечисленных методов разрабо­ тана и выпускается достаточно совершенная и удобная аппаратура, оснащенная в ряде случаев автоматически­ ми устройствами, обеспечивающими контроль параме­ тров пленок в процессе их получения и, следовательно, их воспроизводимость.

Фундаментально исследуются механизмы роста пле­ нок, причем имеется реальная возможность получения в ближайшем будущем пленок с управляемой структу­ рой, в том числе пленок совершенной структуры в ши­ роком интервале толщин.

В связи с развитием микроэлектроники темп иссле­ дований тонких пленок непрерывно нарастает. Для раз­ работки ненакаливаемых катодов на основе тонких пленок не требуется создание специальной технологи­ ческой базы, а может быть использована существующая база.

Существенное достоинство катодов на основе тонких пленок состоит в возможности микроминиатюризации

9

элементов, созданных на основе таких катодов, что важ­ но для устройств вакуумной микроэлектроники, а также для некоторых типов электронных приборов, таких, как электронно-лучевые приборы, масс-спектрометры, циф­ ровые показывающие приборы и др.

Главная задача исследований и разработки ненакаливаемых катодов на основе тонких пленок состоит в изыскании наиболее эффективных физических явле­ ний, обеспечивающих либо получение электронов доста­ точно высоких энергий, что необходимо для падбарьерной эмиссии в вакуум, либо оптимальных условий тун­ нелирования электронов в вакуум.

К настоящему времени есть все основания считать, что катоды на основе тонких пленок найдут широкое практическое применение. Отметим, что наиболее серьез­ ные исследования катодов этого типа выполнены в на­ шей стране.

1.2. Электронная эмиссия из диспергированных металлических пленок

Структура диспергированных пленок. Осажденные в вакууме на поверхность диэлектрической подложки очень тонкие металли­ ческие пленки являются диспергированными, т. е. состоят из от­ дельных трехмерных островков с линейными размерами до несколь­

пленок (ДМП) непосредственно проявляется взаимодействие между атомами пара металла над подложкой, двумерного пара на поверх­ ности подложки и атомами поверхности подложки. В связи с этим структура пленки зависит от многих технологических факторов. К ним относятся, помимо свойств металла и подложки, состояние поверхности и температура подложки, плотность пара над подлож­

[2, 3]. Атомы металла при соударении с поверхностью подложки теряют часть своей энергии и мигрируют по поверхности, образуя двумерный пар. Если считать, что поверхность подложки характе­ ризуется некоторым потенциальным рельефом [4], то часть атомов будет задержана в потенциальных ямах, а столкновение атомов приведет к образованию зародышей. Последние будут расти за счет присоединения нозых атомов, что повлечет за собой образование островков. Количество островков на единице площади подложки

10

В момент прекращения процесса формирования пленки, ее структура оказывается, как правило, неравновесной, и лишь в ре­ зультате постепенных необратимых изменений, темп которых зави­

свойств, так и при исследовании их структуры, поскольку в процессе °тих исследований может произойти перестройка структуры пленки.

Некоторое представление о структуре пленки можно получить, если известна ее весовая толщина и условия, при которых напылена пленка. Для количественного описания пленки необходимо опреде­ лить концентрацию островков на поверхности подложки, их форму, распределение по размерам и кристаллическую структуру. Хотя количественное определение структуры пленки представляет значи­ тельные трудности, современное состояние методов электронной микроскопии и электронной дифракции позволяет решать эту за­ дачу {5].

Структура диспергированной пленки во многом зависит от индивидуальных особенностей металла й подложки. Например,

друга сравнительно большими промежутками. При использовании пленок хрома и алюминия на тех же стадиях покрытия образуются островки, расположенные очень густо [1]. Электронно-микроскопи­ ческие исследования показывают, что в диспергированных пленках многих металлов при отжиге происходит укрупнение островков. При этом чем выше температура отжига, тем больше становится размер островков. Напыление пленок на подогретую подложку приводит к образованию более крупных островков. У полученных таким способом пленок поликристаллическая островковая структура

интерес с точки зрения получения источников электронов, то на начальных стадиях роста образуются очень малые островки, расположенные сравнительно густо (концентрация островков около

толщинах 20—50 А размеры островков и расстояния между ними примерно равны толщине пленки. Форма островков при таких по­ крытиях близка к сферической, а распределение островков по раз­ мерам описывается кривой с довольно узким максимумом.

'Представляет интерес влияние электрического поля на форми­ рование пленки. Напыление диспергированных пленок золота при полях £ = 1 0 3 В/см приводит к определенной деформации и ориен­

Электропроводность диспергированных пленок. Независимо от результатов опыта можно ожидать, что столь необычная система, какой является диспергированная пленка, должна обладать и спе­ цифическими физическими свойствами. Действительно, исследование оптических свойств ДМП показало, что в спектре поглощения света наблюдается так называемая «аномальная» полоса поглощения

11

света, положение максимума и ширина которой зависят от струк­ туры пленки (7]. При изучении фотоэлектронной эмиссии из ДМП была обнаружена зависимость работы выхода электронов и кван­ тового выхода фотоэффекта от структуры пленки [8].

В течение нескольких десятилетий в различных лабораториях ведется исследование электропроводности ДМП. Оказалось, что ДМП проводят электрический ток, причем плотность тока может

[9, 14]. Температурный коэффициент сопротивления очень тонких пленок отрицателен, и поскольку зависимость In / от 1/Г в некото­ ром интервале температур Т оказывается линейной, многие авторы

что при некоторой толщине, соответствующей образованию сплош­ ной пленки, температурный коэффициент сопротивления меняет знак. Ток проводимости может существенно меняться при адсорбции чужеродных атомов или молекул. Обычно при внесении пленки в атмосферу кислорода ее сопротивление заметно возрастает ПО].

вероятность перехода электрона, которая зависит от кинетической

и их размеров необходима дальнейшая конкретизация модели, т. е. необходимы сведения о возможных состояниях электронов в остров­ ках, заполнения их электронами и механизме переноса зарядов межлу островками.

В зависимости от структуры пленки и свойств подложки может преобладать тот или иной механизм проводимости, однако в даль­ нейшем мы будем интересоваться лишь пленками, напыленными на аморфную диэлектрическую подложку, структура которых позволяет получить эмиссию электронов. Мысленно можно представить сле­ дующие возможные случаи. Спектр электронов в островке может быть либо квазинепрерывным [9. 12—14], либо дискретным [15], в зависимости от значений kT и ft/т (т — время релаксации), харак­ теризующих расстояние между соседними уровнями. Заполнение уровней электронами при наличии тока описывается функцией

12