СОДЕРЖАНИЕ
Введение..............................................................5
Глава 1. Тонкопленочные структуры как основа холодных катодов газовых лазеров...............................................................15
1.1. Холодные катоды в газовых лазерах............................... 15
1.2. Конструкционные особенности холодных катодов моноблочных Не-Ие лазерных датчиков.....................................................24
1.3. Особенности структуры и физических свойств поверхности холодного катода................................................................28
1.3.1. Проводимость оксидной пленки холодных катодов в газовом разряде....................................................................30
1.3.2. Дефектообразование в оксидных пленках на поверхности холодных катодов.................................................................. 35
1.4. Физические причины разрушения холодных катодов в аномальном тлеющем разряде.......................................................... 37
1.4.1. Катодное распыление............................................37
1.4.2. Роль объемных дефектов в процессах разрушения оксидных пленок в тлеющем разряде...................................................... 39
1.5. Анализ методов получения тонкопленочных структур для холодных катодов и методов их диагностики..........................................45
1.5.1. Физико-технологические основы получения пленочных холодных катодов моноблочных Не-Ые лазерных датчиков...............................45
1.5.2. Применение пленок нитридов металлов для создания холодных катодов....................................................................50
1.5.3. Исследование дефектности металлических пленок методом электронно-флуктуационной диагностики.............................................52
1.6. Физические свойства тонкопленочных структур на основе оксидов алюминия и бериллия.........................................................68
1.7. Свойства материалов, использованных для создания эффективных эмиттеров - тонкопленочных холодных катодов..................................74
Выводы к главе 1 и постановка цели и задач исследований............... 81
Глава 2. Моделирование процессов инжекции и эмиссии носителей заряда в структурах металл-оксид металла........................................83
2.1. Построение энергетических диаграмм тонкопленочных структур А1-А120з иВе-ВеО................................................................84
2.2. Формирование инжекционных токов, ограниченных пространственным зарядом, в диэлектрическом слое тонкопленочных структур А1—А120з и Ве-ВеО....................................................................92
2.3. Формирование инжекционных токов по механизму Пула-Френкеля в диэлектрическом слое тонкопленочных структур А1-А120з и Ве-ВеО 104
2.4. Формирование туннельных токов в тонкопленочных структурах А1-А1203 и
Ве-ВеО................................................................111
Выводы к главе 2......................................................121
Глава 3. Моделирование физических процессов в структурах металл-оксид металла, инициируемых ионно-электронной бомбардировкой..................123
3.1. Распыление поверхности оксида металла в структурах А1-А120з и Ве-ВеО под действием ионно-электронной бомбардировки..........................124
3.2. Модификация поверхности и объема оксида металла в структурах А1-А120з и Ве-ВеО под действием ионно-электронной бомбардировки.................128
3.3. Формирование вторичных ионно-электронной и электронной эмиссий с
поверхности оксида металла в структурах А1-А120з и Ве-ВеО..............134
Выводы к главе 3.......................................................137
Глава 4. Получение и исследование тонкопленочных холодных катодов на основе структур А1-А1203 и Ве-ВеО........................................139
4.1. Контроль дефектности металлических пленок на основе измерения электронных 11/ шумов......................................................140
4.2. Определение толщины оксидных пленок...............................148
4.3. Макетирование тонкопленочных холодных катодов на основе структур А1-
А1203 и Ве-ВеО........................................................ 149
Выводы к главе 4.......................................................160
Заключение............................................................ 161
Список литературы......................................................164
ВВЕДЕНИЕ
5
В различных областях науки, техники, промышленности широко востребованы устройства электронной техники - вакуумные СВЧ-приборы, фотоэлектронные умножители и газоразрядные лазеры, важнейшим элементом которых является эмиггер электронов - холодный катод [1-3]. В последние годы газоразрядные, в частности, гелий-неоновые лазеры интенсивно используются для создания лазерных систем с большим функциональным спектром применения (хранение информации, средства навигации и локации, печатающие и сканирующие устройства и т.п.).
Одно из важнейших требований, предъявляемым к катодам газовых лазеров - способность сохранять рабочие параметры при соприкосновении его эми-тируюших поверхностей с газовой средой. Этому способствуют защитные свойства тонкой окисной эмиссионной пленки [4]. Особенно широко используются в этом плане тонкие пленки АЬОз и ВеО.
Сочетание высоких температуры плавления, теплопроводности и диэлектрических параметров, характерные для оксидов алюминия и бериллия, по-прежнему оставляет их оптимальными материалами, несмотря на все перспективы использования нитрида алюминия [5, 6].
В то же время необходимо отметить, что подобные пленки не только выполняют конструктивную «защитную» функцию, а зачастую являются активными элементами электронных структур. В качестве примера можно привести тонкопленочные гетероструктуры А120з—81 [7], многослойные наноструктуры
6
Та205-А120з [8] и 8гТЮз-СеОг-А12Оз [9], металлические одноэлектронные транзисторы на А1(КЬ}-А120з-А1(ЫЬ) [10, 11], оптические элементы на основе ВеО для лазерных систем средней ИК-области спектра [12], детекторы СВЧ-излучения на основе ВеО для термостимулированных экзоэмиссионных дозиметров [13, 14]. Особый интерес представляют обладающие уникальными физическими свойствами неуглеродные нанотрубки - предсказанные на основе ВеО [15] и синтезированные на базе А120з [16].
Несомненно, что в случае эмитирующей структуры металл - оксид металла также необходимо рассматривать диэлектрическую пленку оксида как важнейший функциональный элемент, формирующий эмиссионные свойства.
Во-первых, при переходе к тонким пленкам в структуре металл-диэлектрик формируются новые закономерности, которые не проявляются в массивных образцах: в диэлектрике возникают управляемые инжекционные и эмиссионные токи [17-19].
Во-вторых, приложение внешнего электрического поля соответствующей полярности (способствующего инжекции электронов из металла в диэлектрик) к тонкому диэлектрическому слою приводит к многочисленным физическим эффектам, обусловленным «сильным электрическим полем» [17-19].
Однако исследования в этих направлениях тонкопленочных эмитирующих структур металл - оксид металла как основы холодных катодов до настоящего времени, за редким исключением, не проводились, что сводит выбор оптимальных составов и материалов к эмпирическому поиску.
7
Целью настоящей работы явилось комплексное исследование механизмов формирования инжекционно-эмиссионных токов в тонкопленочных структурах металл - оксид металла А1-А1203 и Ве-ВеО и физико-технических свойств макетов холодных катодов на их основе.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
1. Провести анализ возможностей применения тонкопленочных структур металл - оксид металла в качестве основы холодных катодов газоразрядных устройств.
2. Провести компьютерное моделирование процессов инжекции и эмиссии носителей заряда в тонкопленочных структурах А1-А120з и Ве-ВеО;
3. Провести компьютерное моделирование процессов модификации поверхности и объема тонкопленочных структур А1-А120з и Ве-ВеО под действием ионно-электронной бомбардировки;
4. Провести экспериментальное исследование физических характеристик тонкопленочных структур А1-А120з и Ве-ВеО при их использовании в качестве холодных катодов Не-Ые лазеров, работающих в режиме аномального тлеющего разряда.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые проведены комплексные исследования механизмов формирования инжекционно-эмиссионных токов в тонкопленочных структурах А1-А120з и Ве-ВеО, процессов модификации их поверхности и объема под действием ионно-элек-тронной бомбардировки. Предложены зонные диаграммы изученных структур для ани-
8
он-дефектного диэлектрика и в условиях сильных электрических полей. Изучены инжекдионные токи ТОПЗ, Пула-Френкеля, Фаулера-Нордгейма в зависимости от приложенного электрического поля, толщины диэлектрического слоя, глубины залегания и концентрации ловушек носителей заряда. Исследованы физические процессы, инициируемые ионно-электронной бомбардировкой: селективное распыление поверхности оксида металла, дефектообразование, ионное и электронное внедрения в объем диэлектрического слоя.
Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные автором аналитические и экспериментальные исследования могут быть использованы для научно-обоснованного создания высокоэффективных холодных катодов на основе наноструктур, содержащих в качестве важнейшего функционального элемента диэлектрическую пленку. Предложены физические механизмы управления процессами инжекции и эмиссии электронов в исследованных структурах. Разработана методика электронно-флуктуационной диагностики дефектности тонких металлических пленок. Результаты экспериментального исследования макетов холодных катодов на основе структур А1-А120з и Ве-ВеО показали, что их долговечность выше, чем у известных аналогов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Наличие анионных дефектов в диэлектрике приводит к существенному понижению потенциальных барьеров на границе металл-диэлектрик в структурах А1-А120з и Ве-ВеО и усилению процессов инжекции электронов через нее.
9
2. Наличие глубоких центров - ловушек носителей заряда в диэлектрическом слое структур А1-А120з и Ве-ВеО приводит к возникновению пространственного заряда и формированию инжекционных токов, ограниченных им (ТОПЗ).
3. В результате малой толщины диэлектрического слоя (не более 50 нм) инжекция электронов в структурах А1—А120з и Ве-ВеО обеспечивается активационным механизмом Пула-Френкеля и туннельным механизмом Фаулера-Нордгейма. Изменение толщины диэлектрического слоя и его дефектности (типа и концентрации ловушек) позволяет варьировать их вклады в результирующие инжекционно-эмиссионные токи.
4. В условиях ионно-электронной бомбардировки поверхности структур А1-А120з и Ве-ВеО глубина внедрения ионов Не сравнима с толщиной слоя, что приводит к легированию диэлектрического слоя структуры и изменению его электрофизических характеристик.
5. Макеты цилиндрических холодных катодов, созданных на основе исследованных тонкопленочных структур А1-А120з и Ве-ВеО, обладают долговечностью выше 3-104 ч, что превышает соответствующую характеристику известных аналогов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на 16 научных конференциях, в том числе на всероссийских конференциях «Математика в современном мире» (Калуга, 2001, 2004), Международной конференции по материаловедению и физике конденсированного состояния (Кишинев, Молдова, 2001), всероссийских конференциях «Прогрессивные тех-
10
нологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении» (Москва, Калуга, 2001, 2004, 2005, 2006), международных конференциях по физике электронных материалов (Калуга, 2002, 2005), Международной конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2003), Международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и бизнесе» (Тирасполь, Молдова, 2003), XVI Международном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, Украина, 2006), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем» (Москва, 2006), и др. Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в Калужском государственном педагогическом университете имени К.Э.Циолковского. По материалам диссертации опубликовано 23 работы.
Личный вклад автора. Автору принадлежит конкретизация решаемых задач, определение методов и подходов к их решению, обработка и обобщение полученных результатов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Коржавый А.П., Никифоров Д.К. Математическое моделирование шума в твердом теле со структурными дефектами // Математика и механика в современном мире: Материалы Всеросс. конф - Калуга, 2001. - С. 190-201.
2. Бондаренко Г.Г., Дерюгина Е.О., Коржавый А.П., Никифоров Д.К., Яранцев
Н.В. Некоторые проблемы создания многослойных структур, эксплуатируемых в условиях воздействия ионной бомбардировки // Межфазная релак-
11
сация в полиматериалах: Материалы Межд. научно-техн. конф. - Москва, 2001.-С.244-246.
3. Дерюгина Е.О., Коржавый А.П., Никифоров Д.К. Экологически чистые технологии создания холодных источников электронов // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Труды Все-росс. научно-техн. конф. - Москва, 2001. - C.2S3-286.
4. Mosina E.V., Nikiforov D.K., Chistyakov G. A. Features of Multilayered Structure Properties Observed in Glow Discharge // Physics of Electronic Materials: Intern. Conf. Proceeds. - Kaluga, Russia, 2002. - P.372-373.
5. Никифоров Д.К., Коржавый А.П. Физические основы электро-
флуктуационной диагностики дефектности металлических пленок
//Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: Материалы межд. научно-практ. конф. - Москва, 2003. - С. 321-322.
6. Дерюгина Е.О., Никифоров Д.К., Чистяков Г.А. Некоторые электрофизические параметры холодных сэндвич-катодов отпаянных лазеров
//Фундаментальные проблемы радиолектронного приборостроения: Материалы межд. научно-практ. конф.-Москва,2003.-С.212-215.
7. Никифоров Д.К., Коржавый А.П. Моделирование низкочастотных электронных шумов в металлах как стохастических процессов // Математика в современном мире: Материалы 2-й Росс, научно-практ. конф- Калуга, 2004. -С.212-217.
8. Никифоров Д.К., Коржавый А.П. Экологически безопасные тонкопленочные материалы для холодных катодов// Прогрессивные техно-логии,
12
конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы Всеросс. научно-техн. конф. - Калуга, 2004. - С. 216-217.
9. Nikiforov D.K., Korzhavyi А.Р. Features of Physical Properties of Al-based Hardening Surfaces in Glow Discharge of Inert Gases // Physics of Electronic Materials: 2nd Intern. Conf. Proceeds. - Kaluga, Russia, 2005. - P.216-219.
10. Дерюгина E.O, Никифоров Д.К., Чистяков Г.А. Физико-химические свойства материала холодного катода в обеспечении ресурса He-Ne лазерах // Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении: Материалы Всеросс. научно-техн. конф.-Москва, 2005. - С.88-91.
И.Никифоров Д.К., Коржавый А.П., Марин В.П., Чистяков Г.А. Новые технологии для повышения надежности элементов лазерных систем экологического мониторинга // Наукоемкие технологии. 2006. Т. 7, № 4-5. - С. 64-66.
12.Бондаренко Г.Г., Никифоров Д.К., Стрельченко С.С., Чистяков Г.А. Особенности разрушения тонкопленочных покрытий холодных катодов в газовом разряде // Радиационная физика твердого тела: Труды XVI Межд. совещ., Севастополь, Украина. - Москва: НИИПМТ, 2006. - С.327-330.
13.Никифоров Д.К., Коржавый А.П. Моделирование процессов инжекции и эмиссии электронов в эмитирующих наноструктурах Ве-ВеО // Электронный журнал «Исследовано в России», 092,2006 г, С.875-881. http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2006/092.pdf
14.Никифоров Д.К., Коржавый А.П. Физические процессы в эмитирующих наноструктурах металл - оксид металла // Вестник Калужского университета. 2006. №2. С.9-16.
13
Краткое содержание работы.
В главе 1 проведен литературный анализ использования тонкопленочных структур как основы холодных катодов газовых лазеров, для возбуждения которых применяется тлеющий газовый разряд. Показано, что долговременная стабильность параметров Не-№ лазеров обеспечивается использованием цилиндрических металлических катодов, на поверхности которых сформировано оксидное покрытие толщиной 10...30 нм. Анализ литературных данных показал, что оксиды алюминия и бериллия являются оптимальными материалами для этих целей за счет сочетания высоких температуры плавления, теплопроводности и диэлектрических параметров. Рассмотрены имеющие данные о процессах прохождения электрического тока через пленки А1203 и ВеО, отмечено, что в исследуемых оксидах металлов имеются собственные дефекты - глубоко-лежащие кислородные вакансии.
В главе 2 проведено компьютерное моделирование процессов монопо-лярной инжекции и эмиссии носителей заряда в структурах металл-оксид металла на основе системы компьютерной математики Марк 9. Построены энергетические диаграммы структур металл-оксид металла (А1-А120з и Ве-ВеО) для бездефектного и анион-дефектного диэлектрика в равновесном состоянии и в сильных электрических полях. Проведено компьютерное моделирование инжекционных ТОПЗ, токов Пула-Френкеля и Фаулера-Нордгейма в системе металл-диэлектрик-вакуум. Задача решалась для реального диэлектрика, содержащего свободные электроны и моноэнергетические ловушки. Определены диапазоны функционирования механизмов и возможности управления ими.
14
В главе 3 проведено компьютерное моделирование физических процессов в структурах металл-оксид металла, инициируемых ионно-электронной бомбардировкой, на основе системы компьютерной математики Маріє 9. Проведено компьютерное моделирование коэффициентов распыления поверхности диэлектрических слоев исследуемых структур в рамках модели Зигмунда, ионной имплантации в объем диэлектрика структуры металл-оксид металла (глубины проникновения и профиля распределения), дефектообразования. Оценены возможности модификации поверхности и объема структур под действием ионноэлектронной бомбардировки.
В главе 4 рассмотрено вопросы получения и исследования физико-технических параметров тонкопленочных холодных катодов на основе структур А1-А120з и Ве-ВеО. Проведены эксперименты на секционных макетах разрядных трубок из стекла и моноблочных макетах газоразрядного лазерного датчика из плавленого кварца. Исследовано распределение разрядного тока по длине макета при различных формах дна катода, распределение катодного потенциала, напряжение зажигания. Показано, что результатом долговременной работы в условиях ионно-электронной бомбардировки является повышение однородности поверхности диэлектрика, а долговечность тонкопленочных холодных катодов на основе исследованных структур выше, чем у известных аналогов.
ГЛАВА 1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СТРУКТУРЫ КАК ОСНОВА ХОЛОДНЫХ КАТОДОВ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ
1.1. ХОЛОДНЫЕ КАТОДЫ В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ
В современной электронике широкое распространение получили газовые лазеры [20, 21]. Они работают в очень широком диапазоне длин волн - от вакуумного ультрафиолета до инфракрасной области спектра, а малая плотность и высокая однородность газообразной активной среды позволяют обеспечить высокую направленность и когерентность излучения [22].
Принципиальным отличием газового лазера от хорошо известной газоразрядной лампы, где оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газе, является наличие оптического резонатора - двух плоскопараллельных зеркал, расположенных на концах газоразрядной трубки. С физической точки зрения, оптический резонатор обеспечивает генерацию в газовом разряде монохроматического когерентного излучения.
Физический принцип работы лазера - обеспечение инверсии населенностей энергетических уровней атомов (молекул) активной среды лазера. В случае газов к образованию инверсии населенностей приводят следующие физические процессы:
- неупругие соударения атомов разного сорта;
- диссоциация молекул при соударениях в электрическом разряде;
- возбуждение атомов электронами, фотонами и пр.
16
Наиболее перспективным является создание инверсии населенностей в процессе электрического разряда (газоразрядные лазеры) [22]. В газоразрядных лазерах инверсия населенностей уровней создается за счет возбуждения атомов (молекул) газа при их соударениях со свободными быстрыми электронами, образующимися в электрическом разряде.
Давление газовой среды обычно выбирается в пределах 1...103 Па. Выбор диапазона обусловлен тем, что при меньших давлениях столкновения с атомами ускоренных электрическим полем электронов очень редки, а следовательно, ионизация и возбуждение атомов малоинтенсивны. При больших давлениях подобны столкновения имеют большую вероятность и электроны не успевают в процессе ускорения в электрическом поле приобрести энергию, необходимую для ионизации и возбуждения атомов - столкновения малоэффективны.
В процессе электрического разряда свободные электроны возбуждают атомы газа, введенного в рабочий объем в качестве примеси к атомам основного газа - носители избыточной энергии и вместе с тем доноры энергии возбуждения. Затем энергия возбуждения от атомов примеси передается основным атомам в результате неупругих столкновений между ними. В результате, верхние уровни полной энергии населяются электронами атомов рабочего газа, при этом электрон атома вспомогательного газа на верхнем уровне должен обладать достаточно большим временем жизни, чтобы атом мог накапливать достаточно большую совокупную энергию для последующей передачи ее в процессе неупругих столкновений.
17
С этой точки зрения, одной из наиболее эффективных является смесь газов Не и Ые, где рабочим газом является неон, а примесью - гелий, вводимый для создания инверсной населенности. Несмотря на небольшую мощность (1...50 мВт) и низкий коэффициент полезного действия (0,1...0,3 %), Не-Ые лазеры широко применяются вследствие хорошей направленности и монохроматичности лазерного луча [20].
Для возбуждения газовых лазеров применяется тлеющий газовый разряд [20, 23]. Он возникает после лавинного пробоя газа при условии низкого давления (несколько Тор). Напряжение зажигания определяется законом Пашена: в случае однородного поля оно зависит от сорта газа и от произведения давления газа р на расстояние между электродами (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Кривые Пашена для различных газов.
Главные четыре области разрядного пространства, характерные для тлеющего разряда [23,24]:
1 - катодное тёмное пространство;
- Київ+380960830922