Warstwy węglowe jako stymulatory zimnej emisji z półprzewodnikowych podłoży

GRANT KBN 3 T11B 050 26

04/05/2004 - 03/05/2007

Celem projektu było zbadanie wybranych właściwości fizykochemicznych i parametrów charakteryzujących zimną emisję elektronów z materiałów w postaci warstw naniesionych na podłoża półprzewodnikowe. Badania zostały ukierunkowane na poszukiwanie najbardziej optymalnego rozwiązania dotyczącego wytworzenia struktury i materiału charakteryzującego się znacznym prądem emisji przy niewielkim natężeniu pola elektrycznego oraz układów o znacznej gęstości powierzchniowej ostrzy emisyjnych. Wytworzono matryce ostrzy na podłożach krzemowych i opracowano technologię nanoszenia cienkich warstw diamentopodobnych pokrywających odpowiednio ostrza. W wyniku korelacji właściwości wytwarzanych materiałów i rezultatów badań emisji elektronów przeprowadzono optymalizację procesu nanoszenia różnych warstw węglowych (diamentowych, diamentopodobnych, nanorurek węglowych) i warstw GaN na podłoża półprzewodnikowe. W efekcie wytworzono warstwy charakteryzujące się bardzo dobrą adhezją do podłoża, odpowiednią proporcją fazy diamentowej i grafitopodobnej, określoną zawartością domieszki azotowej i warstw DLC o powierzchni terminowanej wodorem. Wszystkie te cechy okazały się istotne dla wytworzenia heterostruktury o możliwościach aplikacyjnych. Obiecujące wyniki dla emisji elektronowej uzyskano pokrywając krzem warstwą azotku galu wskazując na możliwości otrzymania heterostruktury do zastosowań w elektronice próżniowej. Spośród wielu badanych w projekcie układów, uwzględniając cechy fizyczne wytworzonych heterostruktur, a w szczególności efektywność zimnej emisji, wybrano układ DLC (powierzchnia terminowana wodorem)/n-Si, o cechach pożądanych do skonstruowania elementu świecącego w wyniku emisji elektronów. Zbudowano trójelektrodowy element i uzyskano świecenie przy niewielkich napięciach na elektrodach. Optymalizację wyżej wymienionych procesów CVD umożliwiło przeprowadzenie szeroko zakrojonej charakteryzacji badanych materiałów przy użyciu różnych technik badawczych, np.: SEM, AFM, spektroskopia elektronów Augera, spektroskopia Ramana, spektroskopia EPR, spektrometria SIMS, EBDS, DRIFT, pomiary stałoprądowe i zmiennoprądowe, pomiary potencjału powierzchniowego. Wykorzystując zmodernizowaną metodę pomiaru prądu tunelowego przy użyciu mikroskopu AFM określono miejsca emisji elektronów, co przyczyniło się do wyjaśnienia mechanizmu emisji elektronów w warstwach diamentowych. Przeprowadzone badania zakończyły się wytworzeniem struktury emitującej strumienie elektronów i opracowaniem technologii wytwarzania zimnych emiterów. Wyniki badań stanowią źródło informacji co do aplikacji warstw diamentowych, diamentopodobnych i nanorurek węglowych oraz warstw GaN w mikroelektronice próżniowej i innych dziedzinach techniki operujących strumieniami elektronów. Wyniki badań zostały opublikowane w 24 publikacjach, prezentowane na kilku konferencjach oraz na międzynarodowych wystawach. Realizacja zadań objętych projektem stanowi podstawę dwóch rozpraw doktorskich.


Współpraca międzynarodowa: Litwa, The University of Vilnius, Vilniaus Universiteto Leidykla, Faculty of Physics, Department of Solid State Electronics, LT-2040 Vilnius