ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΙΚΡΟΔΟΜΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΜΕ LASER ΓΙΑ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΔΕΣΠΟΤΕΛΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΥΠΕΥΘΥΝΗ: Κα ΖΕΡΓΙΩΤΗ Ι.

Πυρίτιο Si-14 (Silicon) Κύριο στοιχείο ημιαγώγιμων διατάξεων Υπόστρωμα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα: Computer Chips, Transistors LCDs, Ηλιακές κυψέλες Παραμένει ημιαγωγός σε υψηλότερες θερμοκρασίες από το Ge

Διατάξεις Εκπομπής Ηλεκτρονίων Βασισμένες στην ανάπτυξη μικροδομών πάνω στην επιφάνεια Πυριτίου (υπόστρωμα) Έχουν εφαρμοστεί επιτυχώς ως πηγές εκπομπής ηλεκτρονίων ευρείας επιφάνειας Παραγωγή δομών υψηλής ποιότητας βάσει της διαδικασίας Spindt

Εφαρμογή  Ψυχρές κάθοδοι εκπομπής ηλεκτρονίων σε ολοκληρωμένα κυκλώματα  Επίπεδες διατάξεις απεικόνισης (LCDs)  Μικροκυματικοί ενισχυτές

Διαδικασία Spindt  Υπόστρωμα Si  Επίστρωση SiO 2 πάχους 1,5μm  Εναπόθεση Μο πάχους 0,4μm (e-beam evaporation)  Σχηματισμός κοιλοτήτων διαμέτρου 0,4-2μm (photolithography)  Χρήση διαλύματος HF στο SiO 2

Διαδικασία Spindt  Τοποθέτηση του υποστρώματος σε θάλαμο κενού  Περιστροφή ως προς άξονα κάθετο στην επιφάνεια του  Επίστρωση με λεπτό στρώμα Al  Προσαρμογή της διαμέτρου της κοιλότητας ανά επιθυμητή κατεύθυνση

Διαδικασία Spindt  Τοποθέτηση στρώσης Μο (e-beam evaporation)  Μείωση του μεγέθους της κοιλότητας με αύξηση του πάχους της επίστρωσης  Σχηματισμός αιχμηρού κώνου εντός της κοιλότητας  Έλεγχος ύψους, γωνίας, ακτίνας του κώνου Επιλογή πάχους SiO 2, αρχικής διατομής, απόστασης υποστρώματος-πηγής επίστρωσης Επιλογή πάχους SiO 2, αρχικής διατομής, απόστασης υποστρώματος-πηγής επίστρωσης

Διαδικασία Spindt  Ολοκλήρωση διαδικασίας με αφαίρεση της στρώσης Al και ως συνέπεια και της ανώτερης στρώσης Mo

Εφαρμογή

Spindt Υψηλό Κόστος Βιομηχανικής Παραγωγής Υψηλό Κόστος Βιομηχανικής Παραγωγής Έλεγχο ιδιοτήτων εκπομπής κατά μήκος Έλεγχο ιδιοτήτων εκπομπής κατά μήκος μεγάλων επιφανειών μεγάλων επιφανειών Εναπόθεση επιστρώσεων Εναπόθεση επιστρώσεων Συνθήκες εξαιρετικά απόλυτου κενού Συνθήκες εξαιρετικά απόλυτου κενού Συνθήκες εξαιρετικά υψηλής καθαριότητας Συνθήκες εξαιρετικά υψηλής καθαριότητας

Electron Beam Evaporator

Cleanroom

Ανάγκη για ανάπτυξη νέων πηγών εκπομπής ηλεκτρονίων Χαμηλό κόστος παραγωγής Χαμηλό κόστος παραγωγής Απλούστερη διαδικασία παραγωγής Απλούστερη διαδικασία παραγωγής Έλεγχος των ιδιοτήτων Έλεγχος των ιδιοτήτων

Πρωτότυπη Προσέγγιση Χρήση παλμικού Laser υπό την παρουσία αντιδραστικού αερίου για την επεξεργασία της επιφάνειας του Si Παρατηρήθηκε ο σχηματισμός:  Ομοιόμορφων  Αιχμηρών  Περιοδικών Μικροδομών  Κωνικών

FIG. 1. Scanning electron micrographs of laser-microstructured Si surface formed in SF6 [a,c,e] with fs laser pulses, and [b,d,f] with ns laser pulses. In [a,d] the sample is viewed at 45° to the normal; in [e,f] the sample is snapped in half and viewed edge-on.

Κωνικές Μικροδομές Προσέλκυσαν το ενδιαφέρον αρχικά:  Απέδειξαν μια διαδικασία για αυτό-οργανωμένη μετατροπή της επιφάνειας του Si  Κατέδειξαν μια σχέση αλληλεπίδρασης μεταξύ βραχέων παλμών Laser- Ημιαγώγιμης επιφάνειας

Πρώτα Θετικά Στοιχεία Απλή διαδικασία παραγωγής ενός βήματος! Απλή διαδικασία παραγωγής ενός βήματος! Κάτω από συνθήκες μειωμένης ατμοσφαιρικής πίεσης μόνο! Κάτω από συνθήκες μειωμένης ατμοσφαιρικής πίεσης μόνο! Χωρίς απαίτηση ύπαρξης εγκαταστάσεων καθαριότητας (Cleanroom)! Χωρίς απαίτηση ύπαρξης εγκαταστάσεων καθαριότητας (Cleanroom)! Χωρίς απαιτήσεις εξοπλισμού δημιουργίας κενού! Χωρίς απαιτήσεις εξοπλισμού δημιουργίας κενού!

Μελέτη i.Επιφανειακής Μορφολογίας ii.Ιδιοτήτων Εκπομπής Πεδίου

Πειραματική Διαδικασία  Μονοκρυσταλλικό Si n-type (phosphorous doped) 2x2 mm 2  Υπεριώδης δέσμη παλμικού Laser KrF  Μήκους κύματος λ=248nm  Παρουσία αερίου SF 6 υπό χαμηλή πίεση  Διάρκεια παλμών : i) 15 ns ii) 5 ps ii) 5 ps iii) 0.5 ps iii) 0.5 ps  Χρήση υδατικού διαλύματος HF 10%  Μορφολογικός χαρακτηρισμός με χρήση SEM

Δοκιμή ως : Ψυχρές κάθοδοι εκπομπής ηλεκτρονίων Κάτω από συνθήκες κενού (<10 -5 Torr) Κάτω από συνθήκες κενού (<10 -5 Torr) Σε επίπεδο σύστημα διόδου Σε επίπεδο σύστημα διόδου Απόσταση Μικροδομών Si – Ανόδου: Απόσταση Μικροδομών Si – Ανόδου: d=150±10 μm για διάρκεια παλμών 0.5 ps, 5 ps d=150±10 μm για διάρκεια παλμών 0.5 ps, 5 ps d=300±10 μm για διάρκεια παλμών 15 ns d=300±10 μm για διάρκεια παλμών 15 ns

Δοκιμή ως : Ψυχρές κάθοδοι εκπομπής ηλεκτρονίων Εφαρμογή Δυναμικού για εκπομπή των e - από Εφαρμογή Δυναμικού για εκπομπή των e - από την επιφάνεια των Μικροδομών την επιφάνεια των Μικροδομών Μέτρηση της έντασης του ρεύματος Μέτρηση της έντασης του ρεύματος

Εικόνες SEM FIG. 1. SEM view 45° of Si spikes formed on Si 100 using a (a) ns laser source 2.1 J /cm2, 3000 Hz, 500 Torr SF6, (b) a ps laser source 980 mJ/cm2, 1000 Hz, 500 Torr SF6 and (c) a sub-ps laser source 525 mJ/cm2, 750 Hz, 500 Torr SF6. The insets are higher magnifications of the obtained structures.

Αποτελέσματα Μετρήσεων Διάρκεια παλμού (248nm) Ακτίνα δομών (nm) Ύψοςδομών (μm) Μέση περιοδικότητα Δομών (μm) ΠυκνότηταΔομών δομές/cm 2 Κατώφλιεκπομπήςπεδίου (V/μm) 15 ns 670± ± 5 11 ± 4 4.3x ps 470± ± ± x ps 530±200 8 ± ± x

Συμπέρασμα  Κατάλληλος συνδυασμός μήκους κύματος και διάρκειας παλμού μπορεί να οδηγήσει σε ένα χαμηλότερο κατώφλι εκπομπής πεδίου  Το χαμηλό κατώφλι εκπομπής οφείλεται στη σημαντικά εντοπισμένη αύξηση του πεδίου εξαιτίας της γεωμετρίας των μικροδομών

Επίδραση αερίου

Συνεπώς Βελτιστοποίηση ιδιοτήτων εκπομπής πεδίου Βελτιστοποίηση ιδιοτήτων εκπομπής πεδίου από επεξεργασμένες με Laser καθόδους Si με κατάλληλη επιλογή συνδυασμού παραμέτρων:  Μήκους κύματος  Διάρκειας Παλμών  Αριθμού Παλμών  Ενέργειας Παλμών  Παρουσίας και Πίεσης Αερίου

“Black Silicon” Μπορεί να αποτελέσει μια αρκετά αποδοτική πηγή εκπομπής πεδίου Μπορεί να αποτελέσει μια αρκετά αποδοτική πηγή εκπομπής πεδίου Καθιστά ιδανικό για διατάξεις εκπομπής ηλεκτρονίων Καθιστά ιδανικό για διατάξεις εκπομπής ηλεκτρονίων

Επίσης Παρουσιάζει αρκετά αυξημένη οπτική απορρόφηση κοντά στο υπέρυθρο Παρουσιάζει αρκετά αυξημένη οπτική απορρόφηση κοντά στο υπέρυθρο Καθιστά ιδανικό για υπέρυθρους ανιχνευτές, ηλιακές κυψέλες και άλλες διατάξεις απορρόφησης υπέρυθρης ακτινοβολίας Καθιστά ιδανικό για υπέρυθρους ανιχνευτές, ηλιακές κυψέλες και άλλες διατάξεις απορρόφησης υπέρυθρης ακτινοβολίας

Καινοτομία

Βιβλιογραφία 1.V.Zorba,P.Tzanetakis,C.Fotakis,E.Spanakis, E.Stratakis,D.G.Papazoglou and I.Zergioti E.Stratakis,D.G.Papazoglou and I.Zergioti “Silicon electron emitters fabricated by UV laser pulses” 2006 “Silicon electron emitters fabricated by UV laser pulses” 2006 Applied Physics Letters Applied Physics Letters 2.Karabutov,Frolov,Loubnin,Simanik,Shafeev “Low threshold field electron emission of Si micro-tip arrays produced by laser ablation” 2003 “Low threshold field electron emission of Si micro-tip arrays produced by laser ablation” 2003 Applied Physics A (Material Science & Processing) Applied Physics A (Material Science & Processing) 3.Zorba,Alexandrou,Zergioti,Manousaki,Ducati,Neumeister,Fotakis, Amaratunga “Laser microstructuring of Si surfaces for low-threshold field-electron emission” 2004 “Laser microstructuring of Si surfaces for low-threshold field-electron emission” 2004 Thin Solid Films Thin Solid Films

Βιβλιογραφία 4. R.Younkin,J.E.Carey,E.Mazur,J.A.Levinson,C.M.Friend “Infrared absorption by conical silicon microstructures made in a variety of background gases using femtosecond-laser pulses” 2003 “Infrared absorption by conical silicon microstructures made in a variety of background gases using femtosecond-laser pulses” 2003 Journal of Applied Physics Journal of Applied Physics 5. C.Reinhardt,S.Passinger,V.Zorba,B.N.Chichkov,C.Fotakis “Replica molding of picosecond laser fabricated Si microstructures” “Replica molding of picosecond laser fabricated Si microstructures” Applied Physics A (Material Science & Processing) 2007 Applied Physics A (Material Science & Processing) C.H.Crouch,J.E.Carey,J.M.Warrender,M.J.Aziz,E.Mazur,F.Y.Genin “Comparison of structure and properties of femtosecond & nanosecond laser-structured silicon” 2004 “Comparison of structure and properties of femtosecond & nanosecond laser-structured silicon” 2004 Applied Physics Letters Applied Physics Letters

Βιβλιογραφία 7. Heinz H. Busta “Vacuum Microelectronics” 1992 “Vacuum Microelectronics” 1992 J. Micromech. Microeng. J. Micromech. Microeng. 8. A.A. Talin, K.A. Dean, J.E. Jaskie. “Field Emission Displays: A critical review” 2001 “Field Emission Displays: A critical review” 2001 Solid-State Electronics Solid-State Electronics