Електронний емітер та пристрій з автоелектронною емісією

1. Электронный эмиттер, отличающийся тем, что он образован слоем материала, имеющего предварительно определенную структуру с элект рически активным дефектом в структуре в точке эмиссии 2. Электронный эмиттер по п 1, отличающийся тем, что слой материала содержит алмаз или алмазоподобный углерод со структурой алмазной связи. 3. Электронный эмиттер по п. 2, отличающийся тем, что структура алмазной связи имеет множест во дефектов, обычно периодически расположен ных в слое. 4. Электронный эмиттер по п.1 или 2, или 3, отли чающийся тем. что слой материала имеет гидрогенизируемую поверхность, содержащую точку эмиссии. 5. Электронный эмиттер по любому из предыду щих пунктов, отличающийся тем, что электричес ки активный дефект является удлиненным и расположен к поверхности слоя материала под углом в диапазоне приблизительно от 45° до 90°. 6. Устройство с автоэлектронной эмиссией, содер жащее опорную подложку, отличающееся тем, что подложка имеет слой материала, содержащий алмаз или алмазоподобный углерод, образован ный на его поверхности, причем слой материала имеет структуру алмазной связи с электрически активным дефектом, определяющим электронный эмиттер. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электрически активным дефектом служит графитоподобное изменение в структуре алмазной свя зи. 8. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что слой материала имеет множество дефектов, обычно периодически расположенных в слое. 9. Устройство по п. 6 или 7, или 8, отличающееся тем, что слой материала имеет поверхность, со держащую электронный эмиттер с гидрогенизируемой поверхностью. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что электрически активный дефект находится в слое материала с промежутком от гидрогенизированной поверхности и помещается к гидрогенизированной поверхности под углом приблизительно от 45° до 90°. СМ о О CM Настоящее изобретение относится к улучшенным электронным эмиттерам, а конкретнее, к электронным эмиттерам с улучшенными токовыми характеристиками в таких устройства, как приборы с автоэпектронной эмиссией. Известно, что алмаз имеет отрицательное электронное сродство. Известно также, что алмазы испускают электроны вследствие этого отрицательного электронного сродства и на самом деле излучают в гораздо более слабых полях, чем другие обычные электронные эмиттеры, такие как молибденовые или вольфрамовые. В настоящее время это не является функцией, поддающейся управлению. Ток эмиттера часто гораздо ниже предсказываемого и некоторые образцы, которые по-видимому удовлетворяют всем критериям для эмиссии, часто не излучают вовсе. Вследствие большой ширины запрещенной энергетической зоны (5,5 эВ) между валентной зоной и зоной проводимости число носителей в алмазном полупроводнике при комнатных температурах обязательно низкое. Известные в настоящее время примеси имеют очень высокие энергии ионизации в алмазе (порядка 1 эВ) и, следовательно, мало добавляют для проводимости при температурах ниже +250°С. Так, даже если эффективная работа выхода алмаза положительна и считается находящейся где-то между 0,2 эВ и 0,7 эВ (даже если его электронное сродство отрицательно), его ток насыщения низок. Повышение тока насыщения - это главная проблема, которую надо решать. Задача настоящего изобретения состоит в придании электронному эмиттеру улучшенных то 27407 ковых характеристик, а именно, в придании улучшенных токовых характеристик алмазному электронному эмиттеру или эмиттеру из алмазоподобного углерода, а также в том, чтобы получить алмазные электронные эмиттеры или эмиттеры из алмазоподобного углерода с улучшенным током насыщения. Кроме того, задача настоящего изобретения состоит в создании приборов с автоэлектронной эмиссией, алмазные или алмазоподобные эмиттеры которых имеют улучшенные токовые характеристики. Упомянутые выше проблемы решаются в электронном эмиттере, образованном слоем материала, содержащим алмаз или алмаэоподобный углерод, 'со структурой алмазной связи с электрически активным дефектом в точке эмиссии. Упомянутые выше проблемы решаются в приборе с автоэлектронной эмиссией, содержащем опорную подложку со слоем материала, содержащим алмаз или алмазоподобный углерод, сформированный на ее поверхности, причем алмаз или алмазоподобный углерод имеет структуру алмазной связи с электрически активным дефектом, определяющим электронный эмиттер. На чертежах фиг. 1 иллюстрирует структуру решетки алмазоподобного углерода; фиг. 2 иллюстрирует структуру упаковки углерода в алмазоподобном материале; фиг. 3 иллюстрирует структуру решетки алмазоподобного углерода с дислокацией первого типа, образующей электрически активный дефект; фиг. 4 иллюстрирует структуру решетки алмазоподобного углерода с дислокацией второго типа, образующей электрически активный дефект; фиг. 5 - это схематическое представление винтового дефекта в алмазной связи; фиг 6 - это сильно увеличенное представление сечения слоя алмазоподобного углерода с электрически активным дефектом; фиг. 7 и 8 - это графики, иллюстрирующие свойства электронной эмиссии существовавшего раньше прибора с автоэлектронной эмиссией и устройства по фиг. 6 соответственно; фиг. 9 - это графики для сравнения электронной эмиссии устройства, подобного устройству по фиг. 6 с дефектом на поверхности слоя, с существовавшим раньше прибором с автоэлектронной эмиссией при изменении радиуса эмиттера; фиг. 10 иллюстрирует структуру решетки гидрогенизированной поверхности алмазоподобного углерода, а фиг. 11 - это представление поперечного сечения прибора с автоэлектронной эмиссией, использующего гидрогенизированный слой алмазоподобного углерода с электрически активными дефектами. Описание предпочтительного варианта изобретения. На фиг. 1 иллюстрируется пример тетраэдрально связанных атомов в структуре решетки 10 алмазоподобного углерода. В контексте настоящего изобретения следует понимать, что "алмазоподобный углерод" определяется как углерод, в котором связь образуется углеродными атомами, в большинстве случаев связанными в хорошо известную алмазную связь, называемую как распространенность тетраэдральных связей Sp3, и содержит алмаз, а также любой другой материал, содержащий алмазную связь. Кроме того, в нас тоящем изобретении следует понимать, что "графитоподобный углерод" определяется как кристаллический углерод, в котором структура решет*ки образуется углеродными атомами, в большинстве случаев связанными в хорошо известную графитную связь, называемую как распространенность тетраэдральных связей и содержит графит, а также любой другой материал, содержащий графитную связь. Структура пространственной решетки углерода в случае алмаза является гранецентрированной кубической (fee). Примитивным базисом для этой решетки являются два одинаковых углеродных атома в (0, 0, 0) и (1/4, 1/4, 1/4), связанных с каждой точкой решетки. Это дает тетраэдральную связь и каждый углеродный атом имеет четыре самых близких соседа и двенадцать следующих по близости соседей, с восемью углеродным атомами в единичном кубе. Эта структура является результатом ковалентной связи. В этой ковалентной структуре между конкретными атомами имеется определенная связь с совместно используемыми электронами, большую часть своего времени находящимися в области между двумя совместно использующими их атомами (то есть, вероятностная волна имеет наибольшую плотность между атомами). Это создает связь, состоящую из концентрации отрицательного заряда, и, следовательно, соседствующие связи отталкивают друг друга. Когда атом, подобный углеродному, имеет несколько связей (4 у алмаза), связи находятся под равными углами друг к другу, и у алмаза этот угол составляет 109° Ковалентная связь является направленной связью и очень сильна. Энергия связи атома углерода в алмазе составляет 7,3 эВ в отношении отдельных нейтральных атомов. Структура алмазоподобной решетки 10, иллюстрируемая на фиг. 1, очень интересна, потому что плоскость (III) в этой структуре совпадает с базисной плоскостью гексагональной плотноупакованной структуры (hep). На фиг. 2, если обеспечивается слой (III) (атомы обозначаются А) и сверху помещается второй подобный слой (атомы обозначаются В), структура не отличается от гексагональной плотноупакованной (hep). Когда на структуру помещается третий слой (атомы обозначаются С), должно приниматься решение между гексагональной плотноупакованной структурой (hep) и гранецентрированной кубической структурой. Если третий слой помещается на структуру в том же самом месте, что и первый слой, то есть, атомы С находятся прямо над атомами А, но смещены в направлении Z, структура является гексагональной плотноупакованной (hep) или графитной.Слои такой структуры могут описываться как структура АВАВАВАВ. Если третий слой помещается в возможном месте второго, со сдвигом от атомов А и В в направлениях X, Y и Z (см. фиг.2), структура становится гранецентрироаанной кубической (fee) или алмазной. Слои на фиг. 2 могут описываться как структура АВСАВСАВС. В обеих структурах (графитной и алмазной по фиг.2) число ближайших соседей равно четырем. Если бы энергия связи зависела только от связей с ближайшими соседями, между гранецентрированной кубической структурой (hep) алмаза и гексагональной плотноупакованной ст 27407 руктурой графита не было бы никакой разницы. Однако атомы в слое графита отстоят на 1,4 А и связаны сильными ковалентными связями, но между слоями разделение составляет 3,3 А и имеются только слабые "ван-дер-ваальсовы" силы. Ковалентиые связи для графита являются пленарными, то есть связи лежат в плоскости, разделенные 90°. Электрические свойства алмаза и графита очень различны Алмаз, типа lib с естественной добавкой бора, имеет удельное сопротивление 104 ом - см, до более, чем 1014 ом - см для подлинного алмаза. Графит действует как металлический проводник с удельной проводимостью 1375 х 10'6 ом-см. Разница в величине составляет по меньшей мере 7 порядков и целых 20 порядков для подлинных свойств Графит - это полуметалл приблизительно с 5 х 1018 носителей на см3. Электрическая проводимость графита гораздо больше в направлениях, параллельных гексагональным плоскостям, и ниже в перпендикулярном направлении (ось с). Различные ориентации ковалентных связей с их сопутствующими различными энергетическими уровнями действуют как эффективные пути электрической проводимости. Таким образом, для очень маленьких различий в кристаллической структуре между графитом и алмазом имеются очень большие различия электрических свойств. Есть несколько типов кристаллических дефектов, которые могут встречаться в алмазе и которые будут придавать полезные свойства настоящего изобретения. Первый дефект - это винтовая дислокация, два воплощения которой иллюстрируются на фиг. 3 и 4. Кроме того, имеются 60-градусные дислокации, которые могут легко образовывать растянутые цепочки, и много других дислокаций и вариантов В алмазной решетке имеются три плоскости скольжения, плоскости (001), (110) и (111). Плоскость (111) является самой важной плоскостью скольжения и в самом деле кажется, что это единственная плоскость скольжения, которая встречается при любых обстоятельствах, за исключением самых причудливых. Из рассмотрения решетки ясно, что самое короткое расстояние перехода мэжду любыми двумя углеродными атомами в алмазной решетке расположено вдоль направления , (конкретно, , то есть вдоль половины диагонали грани куба). Дислокации с векторами Бюргерса в направлении являются самыми устойчивыми (самая низкая свободная энергия). Любое произвольное направление в этой решетке может рассматриваться как сумма последовательных направлений , а у простых дислокаций эти самые направления будут их осями. Тремя типами простых дислокаций, имеющих и их векторы Бюргерса, и оси вдоль , являются винтовая дислокация. 60-градусная дислокация (с ее вектором Бюргерса по 60° к оси дислокации) и дислокация краевого типа с плоскостью скольжения (100). Все эти дислокации полезны в качестве электрически активных дефектов. На конкретном примере фиг. 5 иллюстрируется схематическое представление винтового дефекта в алмазной решетке. Винтовой дефект обычно является результатом сдвига, который происходит во время процесса роста или отложения алмазного материала. Эта дислокация, подобно другим, создает поле упругих деформаций в окружающем кристалле. В этом объяснении, если тонкое кольцо 20 центрировано вокруг винтовой дислокации, с радиусом г, толщиной и единичной длиной, где винтовая дислокация - силой b вдоль оси, вызывая сдвиг кольца 20 на величину Ь, средний сдвиг составляет Ь/2, а касательное напряжение равно Gb где G = модуль сдвига. Следует заметить, что напряжение убывает как 1/г, а следовательно деформацией является длинный диапазон Энергия деформации кольца 20 на единичную длину составляет G2 Gb dr — * 2 n r d r = ----2G 4лг Энергия деформации алмазного кристалла на единичную длину дислокации составляет где Ro и R - это нижний и верхний пределы. Ro - это нижний предел для этого интегрирования, то есть, уровень, ниже которого не действует закон Гука и материал ведет себя как совокупность атомов. Значение для Ro не имеет решающего значения, потому что энергия является логарифмической функцией от него. Верхний предел R - это граница кристалла или точка, в которой другие дислокации ликвидируют поле напряжений Следует отметить, что так как энергия поля деформации, созданных дислокаций, есть функция квадрата вектора Бюргерса Ь, кристалл минимизирует свою свободную энергию делением кратных дислокаций на единичные дислокации. Когда две дислокации с вектором Бюргерса bi и Ьг объединяются в одну дислокацию с вектором Бюргерса Ьз, возрастание свободной энергии составляет ДЕ=ДЕеІ в предположении, что изменение необратимости TAS. не велико. Это разумное допущение в поле упругих деформаций, где нет никакой переорганизации решетки. ДЕеІ пропорционально (Ьз2-Ьг2-Ьі2) Когда ДЕеІ положительно, дислокация будет неустойчивой и дислокации 1 и 2 будут притягивать друг друга. Вследствие квадратичного члена величины вектора Бюргерса в энергии упругой деформации кратные дислокации в узле редки (например, ЕЬэ > (Eb2 + Ebi». Некоторые типичные значения, которые могут вноситься в уравнение для энергии деформации, таковы: G = 108 фунтов на квадратный дюйм (6,9 х е 10 кПа) (очень занижено); Ь = 2,5А ; Ro= 1b; и R = 1 uM (микрон) Максимальный радиус деформации R выбирается произвольно как 1 uM (микрон). Действительный максимальный радиус может доходить до границ кристалла. В реальности диапазон поля 27407 деформаций от кристаллического дефекта обычно находится в пределах расстояния до другого дефекта, который ликвидирует поле деформаций своим собственным полем деформаций. Энергия поля деформаций является сравнительно интенсивной и для R, и для Ro. Энергия меняется как логарифм отношения максимального радиуса/юля и минимального радиуса поля (до тех пор, пока материал не станет вести себя как совокупность атомов). Этот пример, использующий приведенные выше числа, служит разумным расчетом величины энергии, которая будет использоваться для оценки возможного поведения решетки. При использовании приведенных выше чисел энергия деформации становится равной 17,8 эВ/А или 44,4 эВ на длину связи. Ясно, что это достаточная энергия для разрушения ковалентной связи алмазной решетки и для того, чтобы дать возможность локальной реконфигурации. Возможно разрушить и заново образовать и одиночные, и даже двойные связи. Путем реконфигурации связей в ковалентные связи, остающиеся в плоскости, образуется монослой графитоподобного материала вместе с его электрическими свойствами. Эта тонкая пленка с графитной структурой тогда придает свои свойства структуре алмаза и образуется электрически активный дефект. На примере" фиг. 8 иллюстрируется слой 30 алмазоподобного материала, имеющего электрически активный дефект 32. Обычно дефект 32 в слое 30 работает подобно электронному эмиттеру, сформированному из острого кончика (радиусом 10 ангстрем) металлического проводника с тонким (10 ангстрем) алмазным покрытием. Улучшение этой структуры по сравнению с приборами с автоэлектронной эмиссией существовавшего ранее типа видно из фиг 7-9, фиг. 7 и 8 - это графики, иллюстрирующие свойства электронной эмиссии существовавшего раньше прибора с автоэлектронной эмиссией, такого, как кончик, обычно называемый эмиттером Спиндта, и устройство по фиг. 6 соответственно; фип. 7 - это график испускаемого тока 1 относительно напряжения или потенциала поля, приложенного к кончику. На фиг. 7 используется типичный применяемый раньше кончик с радиусом 200 А и работой выхода материала 4,5 эВ. На графике с фиг. 8 можно видеть, что эмиттер по фиг. 6 работает подобно эмиттерному кончику, имеющему радиус 10 А и функцию выхода материала 0,2 эВ. Кроме того, электронная эмиссия по существу больше для эмиттера по фиг. 6 при по существу меньшем приложенном напряжении или потенциале поля. Поскольку структура по фиг. 6 выглядит как эмиттер с заостренным кончиком, существует также альтернативная структура. Когда электрически активный дефект 32 помещается так, что свободные электроны в дефекте 32 видят свободное пространство без алмазного слоя (то есть, на поверхности слоя 30), дефект 32 выглядит как простой автоэлектронный эмиттер. Фиг. 9 - это график, сравнивающий электронную эмиссию поверхностного дефекта, описанного выше (кривая 36), с применявшимся раньше прибором с автоэлектронной эмиссией (кривая 35). Кривые 35 и 36 изображают электронную эмиссию для свободно стоящего стержня в электрическом поле как функцию радиу са кончика, где для кривой 35 используется молибденовый стержень с функцией выхода 4,5 эВ, а для кривой 36 используется описанный выше поверхностный дефект с функцией выхода 0,5 эВ. При меньших диаметрах преимущество более низкой функции выхода поверхностного дефекта медленно теряется к острому кончику. Если стоящий стержень достаточно острый, его функция выхода становится все менее важной. Низкая функция выхода все еще желательна, но она становится менее обязательной для улучшенной эмиссии по мере уменьшения диаметра эмиттера. Так как описанный выше дефект (то есть, на поверхности алмаза) выглядит острее, чем кончик фактически любого автоэлектронного эмиттера, применявшегося раньше, у него есть существенное преимущество и в функции выхода, и в радиусе. Ясно, что понижение туннельного перехода проводящего элемента сильно повышает испускаемый ток Очевидно, что это изменение функции выхода является важным эффектом, который связывает поведение дефекта с поверхностью алмаза. Другими словами, если поверхность алмаза загрязняется или реконфигурируется в неалмазную структуру (за исключением описанного выше примера), выигрыш может утрачиваться. Для гарантии, что алмазный слой имеет структуру алмазной связи даже на поверхности, на открытых для воздействия поверхностях выполняется процесс, известный как гидрогенизация. На фиг. 10 этот процесс иллюстрируется с помощью упрощенной алмазной связи. Здесь можно видеть, что углеродные атомы 40 и 41, которые не гидрогенизированы, были реконфигурированы в устойчивую низкоэнергетическую структуру, которая не является выступающей частью внутренней структуры и следовательно не имеет свойств внутренней структуры. Между атомами 40 и 41 образовалась двойная связь, которая сильнее окружающих одиночных связей и, тем самым, подтягивает углеродные атомы 40 и 41 чуть ближе друг к другу. Образованная углеродными атомами 40 и 41 низкоэнергетическая структура оказывается плохим электронным эмиттером и нежелательна в устройствах, которые требуют этого свойства от алмаза. Углеродные атомы 42, 43 и 44 были гидрогенизированы, то есть одиночной связью прикреплялся, соответственно, атом водорода 45, 46 и 47. Тем самым структура решетки, образованная атомами 42, 43 и 44 выглядит той же самой на поверхности и, следовательно, выглядит как выступающая часть внутренней структуры. Так как структура решетки углеродных атомов 42, 43 и 44 является выступающей частью внутренней структуры, она имеет свойства внутренней структуры и следовательно является хорошим электронным эмиттером. Фиг. 11 иллюстр 4рует представление поперечного сечения устройства с автоэлектронной эмиссией 50, использующей гидрогенизированный слой 52 алмазоподобного углерода с электрически активными дефектами 53, 54 и 55. Гидрогенизация слоя 52 иллюстрируется слоем 56 на его поверхности. Электрически гктивные дефекты 53, 54 и 55 обычно выглядят периодически разнесенными 27407 и по существу перпендикулярными поверхностями, хотя следует понимать, что могут иметь место некоторые угловые изменения и некоторые различия в промежутках. Например, есть уверенность, что для наилучших результатов удлиненные дефекты должны располагаться под углом к поверхности алмазоподобного углеродного слоя. Кроме того, есть уверенность, что лучше всего, если удлиненные дефекты образуют с поверхностью угол в диапазоне от 45° до 90°. Кроме того, устройство 50 содержит опорную подложку 57, имеющую проводящий слой 58, сформированный на ее поверхности. Проводящий слой 58 или слои обеспечивают средства электрической связи с дефектами 53, 54 и 55. Таким образом, электрический ток течет в проводящем слое 58 от источника (не показан) и испускается дефектами 53, 54 и 55 в свободное пространство выше слоя 56. Имеется много возможных видов дефектов решетки: вакансии, междоузлия, примеси, дислокации, с пористой и имеющей малоугловые границы субструктурой, на межзеренных границах и поверхностные. Вакансии в решетке действительно могут понижать свободную энергию кристалла и следовательно представляют равновесие. Дислокации, которые интереснее, не понижают свободную энергию кристалла, а наоборот, повышают ее. Следовательно, дислокации являются дефектами неравновесного типа и могут образовываться только в результате неравновесных условий во время роста кристалла. Имеется несколько типов нарушений, которые могут оказаться эффективными в создании дислокаций. Это: а) приложенное извне напряжение механического происхождения,б) напряжение, порожденное тепловыми условиями, в) местное напряжение концентрационных градиентов примесей, г) конденсация достаточного числа вакансий, д) местное напряжение, вызванное включением и е) ошибки в процессе роста. В алмазной связи приложенное извне механическое напряжение обычно может исключаться вследствие прочности материала. Напряжения, вызванные тепловыми условиями во время роста и "огибки" во время процесса роста - это две основные причины дислокаций в алмазном материале, которые используются для создания требуемых де фектов. "Ошибки" роста обычно вносятся путем множественного затравливания центров зародышеобразования кристаллическими зернами, которые растут и конфликтуют. Когда два центра зародышеобразования достаточно разделены или имеют различную ориентацию, растущие кристаллы в конечном счете соприкасаются и становятся различными зернами в поликристаллическом материале. Если ориентация двух затравок достаточно сходна, но не одинакова, растущие решетки пересекаются и соединяются, порождая получившуюся в результате винтовую дислокацию. Для того, чтобы сделать алмазный материал проводящим и n-типа, в прошлом'использовалась ионная имплантация. Эта ионная имплантация могла использоваться для создания дефектов, которые являются проводящими вследствие измененной структуры связей в кристаллической решетке. Хотя в настоящее время эта техника не создает длинных проводящих нитевидных дефектов, которые оказываются наилучшими для электронной эмиссии, следует понимать, что некоторые выгоды получить можно и без всяких исключений, предполагается, что они входят в объем этого изобретения. Следовательно, был раскрыт алмазоподобный углеродный электронный эмиттер, ^улучшенными токовыми характеристиками, включающими улучшенный ток насыщения. Улучшенные токовые характеристики реализуются посредством включения электрически активного дефекта, который локально увеличивает электронную эмиссию. Конкретно, дефект образуется из того же самого основного материала с другой структурой. Кроме того, раскрывается устройство с автоэлектронной эмиссией, содержащее алмазоподобный эмиттер, имеющий улучшенные токовые характеристики. Следует заметить, что хотя на протяжении всего этого раскрытия описывался углерод, подобным же образом, то есть, путем включения электрически активного дефекта, могут улучшаться электронные эмиттеры, включающие другие материалы, такие, как нитрид алюминия. Хотя описаны конкретные воплощения настоящего изобретения, специалисты будут иметь дело с дальнейшими модификациями и улучшениями. Фиг. 1 1 27407 X C Фиг. 2 (a) Фиг. 4 зг Фиг. 5 Фиг. в 27407 10і -0 10 f 1 / f ю о [[200 f і tо h о V І / / ( 100 100 0 Фиг. 7 V Фиг. 8 s 10 "^v. .... о? \ о ос ю 9 10 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ г 41 \ \ \ \ \ \ \ А 35 і 36 іов _ 4 10 Фиг. 10 Фиг. 9 к 1 А 1 1• 1 1 1 А 1 1 1 56 52 . Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 ( 03 1 22) 3- 7 2- 89 (0 31 2 2) 2-5 7- 03 I