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真空微电子器件中离子轰击的研究

高迎宾  
【摘要】:真空微电子器件相对于半导体器件来说,有着更高的工作频率和输出功率,正常工作温度范围也相对较大。近年来,利用碳纳米管,采取快速简易的制备方法(如丝网印刷、CVD等)来装配冷发射阴极得到越来越多的关注和重视。 场发射阵列发射性能下降是实验研究中普遍遇到的一个问题,目前针对此问题的解释主要有阴极氧化、离子溅射、离子注入等。残余气体与电子碰撞电离产生的正离子在电极系统的作用下,很容易到达阴极,造成阴极溅射,导致发射体表面的破损、气体解吸附、甚至放电,破坏真空度,影响发射电流的稳定性,减少器件的工作寿命。本文结合各种文献和数据建立了Ar气在真空中的电子碰撞电离模型。 金属材料遭受离子轰击会有溅射等各种物理现象,可以使用LSS理论、分子动力学模拟、Sigmund模型等多种理论研究和模拟。本文利用Sigmund模型发展了一种类似的方法用来模拟场发射三极管中离子轰击的情况。 根据对normal-gate CNT场发射三极管模型的数值模拟可以得到有关normal-gate CNT场发射三极管中离子轰击现象的一些特性:在栅极孔较小的情况下,距离阴极越远的位置产生的离子越难回轰到阴极,因此总体上对阴极的损伤越小;离子轰击对阴极中心区域的影响比较严重,对阴极外部的影响较小,模型阴极受损情况内部大约是外部的三倍;距离阴极越远的位置产生的离子对阴极的损伤不主要集中在中心区域,而是弥散性的;发射电流密度成环形分布的情况下阴极受离子轰击的影响比均匀分布情况小。 在normal-gate CNT场发射三极管模型中加入附加电极构造离子陷阱后,捕获了大部分在距离阴极较近的位置产生的正离子,从而到达改善离子轰击问题的目的。本文设计的加入附加电极的方法大约能将离子轰击对阴极的损伤减少一半。 通过场致发射真空二极管实验分析了残余气体对阴极发射特性的影响。实验结果表明真空二极管在经过发射开始阶段的波动后逐渐稳定,总体上来说发射电流呈现出剧增-跌落-稳定的过程。通过具体的分析本文认为真空二极管的发射不稳定和退化是因为离子轰击对器件发射性能的破坏。


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