CMOS-integrierte Feldemissionsspitzen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Stabilisierung von Feldemissionsströmen zur Evaluierung f ür zukünftige Anwendungen. Im Mittelpunkt steht dabei die Integration von Siliziumspitzen in Feldeffekttransistoren, um die technologie- und umgebungsbedingten Schwankungen, denen der aus Spitzen emittierte Strom unterliegt, zu minimieren.Neben ausführlichen theoretischen Grundlagen zur Thematik der Feldemission und einer Dokumentation des Stands der Technikbereiten Prozess und elektrische Simulationen die praktische Realisierung vor. Die Simulationsergebnisse zeigen im Vergleich zwischen freitragenden und Ringextraktoren und f ür in der Praxis mögliche Spitzenkrümmungsradien von 10 bzw. 20 Nanometern mögliche elektrische Feldüberhöhungsfaktoren von mehr als 10.
Zur Evaluierung des Konzepts werden in verschiedenen nass- und trockenchemischen Ätztechniken aus Silizium hergestellte Feldemitter in ihren Emissionseigenschaften untersucht. Ebenso kommen durch einen Elektronenstrahl abgeschiedene (EBID) Emitter zum Einsatz. Zur Regelung der Emissionsströme werden dabei sowohl eine externe Verbindung von Hochqualitäts-MOSFETs mit Feldemittern, als auch deren monolithische Integration in einem Bauelement untersucht.
Dabei zeigt sich, dass bei Emissionsströmen von einigen Nanoampere unter Vakuumbedingungen bei 5 · 10−7 mbar Schwankungen in der gleichen Größenordnung zu beobachten sind. Bei Vorschaltung eines MOSFET reduziert sich das Schwankungsverhalten signifikant. Dabei lässt sich das Emissionsniveau unabhängig vom Extraktor durch das Gatepotential des Transistors einstellen.
Messungen über mehrere Minuten offenbaren eine fein abstimmbare Regelung des Emissionsstroms zwischen ca. 100 Picoampere und von den Emittern vorgegeben Strömen von ca. 10 Nanoampere. Speziell beachtet wurde dafür die Thematik potentieller Leckströme, die die Interpretation verfälschen können.
Problematisch zeigt sich die Lebensdauer der Anordnungen. Dabei bestätigen die Versuche frühere Veröffentlichungen, die versuchen die Ausfallmechanismen zu durchleuchten. Erreichbare Lebensdauern von Emitter-Extraktoranordnungen in dieser Arbeit reichen von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten.