Comprehensive analysis of field-electron emission properties of nanosized silicon blade-type and needle-type field emitters

Abstract

The reproducibility of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology makes it very promising for creating commercially available vacuum emission micro/nanoelectronic devices. However, there are a number of challenges that occur with CMOS, including current hysteresis, transition to the generation of self-sustained plasma, and thermal melting of the cathode. These issues affect the process of field-electron emission and lead to instability and subsequent degradation of field-emission cathodes. More detailed study is needed in order to address these negative effects. In this study, an array of nanoscale silicon needle-type cathodes and a single blade-type cathode were placed in vacuum to characterize their field-emission properties. The hysteresis nature of the field-emission current and the smooth transition from field emission to the generation of self-sustained plasma in the interelectrode space were simultaneously observed. Based on these experimental results, the authors propose the possible origins and mechanisms underlying these two phenomena. It was theoretically found that at field-emission currents corresponding to the observed melting point of the silicon nanocathodes, the melting point of silicon is not reached, which indicates the need to take into account additional effects of field emission, such as sputtering of the anode material. The results are useful for developing field-emission nanodevices based on silicon CMOS technology.

FTIR Analysis of Oxidized Tungsten and Tungsten Diboride Nanolayers

“…Advances in micro and nanotechnology are inspiring a renaissance in vacuum electronics. Field emission devices are used in micro and nanoscale vacuum electronic circuits [1,2], such as low noise amplifiers with low sensitivity to external noise, which is important for operation in harsh environments such as elevated temperatures or space applications. Tungsten (W) and tungsten diboride (WB2) can be used for the fabrication of field emission layers due to the low work function and high thermal stability of these materials [3].…”

Исследование Динамики Разогрева Анодных Узлов В Безмасочном Нанолитографе На Основе Массива Микрофокусных Рентгеновских Трубок

“…Ранее в работах [18][19][20] нами была предложена концепция рентгеновского нанолитографа на основе массива микрофокусных рентгеновских трубок (МРТ). Технологически такой массив МРТ состоит из матрицы анодных узлов с прострельной мишенью, а также матрицы автоэмиссионных катодных узлов и матрицы отверстий управляющего (сеточного) электрода, самосовмещенных между собой и образующих матрицу автоэмиссионных катодно-сеточных узлов (АКУ).…”

Анализ Эмиссии Электронов С Одиночного Кремниевого Катода В Квазивакуумную (Воздушную) Среду Методом Атомно-Силовой Микроскопии

“…Подобная проблема возникает и в технологии создания автоэмиссионных катодов Спиндта на основе тугоплавких металлов (Au, W, Mo), где травление металлических слоев является сложной технологической процедурой и не позволяет достичь близких значений радиусов их вершин [16]. В работе [17] были показаны исключительные преимущества традиционной кремниевой технологии для создания воспроизводимых автоэмиссионных структурразброс размеров катодов внутри массива оказывается минимальным, а значения плотности тока могут превышать 100 A/cm 2 при напряжении менее 75 V. Достаточно высокая воспроизводимость технологического процесса создания массива кремниевых катодов острийного типа позволяет формировать структуры, обладающие строгой периодичностью, что особенно важно для реализации устройств, требующих генерации направленных электронных пучков высокой плотности -в частности, системы микрофокусных рентгеновских источников. Технологический процесс создания массива кремниевых катодов острийного типа для указанного применения был описан нами ранее в [13,17].…”

“…В работе [17] были показаны исключительные преимущества традиционной кремниевой технологии для создания воспроизводимых автоэмиссионных структурразброс размеров катодов внутри массива оказывается минимальным, а значения плотности тока могут превышать 100 A/cm 2 при напряжении менее 75 V. Достаточно высокая воспроизводимость технологического процесса создания массива кремниевых катодов острийного типа позволяет формировать структуры, обладающие строгой периодичностью, что особенно важно для реализации устройств, требующих генерации направленных электронных пучков высокой плотности -в частности, системы микрофокусных рентгеновских источников. Технологический процесс создания массива кремниевых катодов острийного типа для указанного применения был описан нами ранее в [13,17]. Предварительное исследование образцов методикой РЭМ (растровой электронной микроскопии) позволило сделать вывод о том, что полученные катоды обладают наноразмерным (порядка 10 nm) радиусом скругления вершины и высотой около 350 nm.…”