Development of field emission devices fabricated by HI-PS technique. / Desenvolvimento de dispositivos de emissão por efeito de campo elétrico fabricados pela técnica HI-PS.

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2008

RESUMO

Um novo processo de fabricação de dispositivos de emissão de campo (FE) em silício (Si) é apresentado nesta tese, baseado na potencialidade de utilização da técnica de microusinagem denominada HI-PS (Hydrogen Ion Porous Silicon), que trata da combinação entre processos de implantação de hidrogênio e silício poroso. Por meio do procedimento proposto, foram obtidos dispositivos com 2500 emissores (micropontas de Si) integrados e não integrados ao anodo e contidos em uma área de 2,8 x 2,8 mm² (3,2.10POT.4pontas/cm²). As micropontas de Si fabricadas apresentaram altura de 10 µm, com diâmetro do ápice em torno de 150 nm. A separação entre os emissores (50 µm), na configuração não integrada dos dispositivos, foi limitada pela resolução da máscara litográfica utilizada. Foram propostas etapas de otimização estrutural das micropontas após sua formação, e aplicadas tanto na configuração do sistema anodo-catodo integrado como não integrado. Como resultado destas etapas, constatou-se a redução do ápice das microestruturas para dimensões inferiores a 100 nm. Os dispositivos FE integrados foram obtidos com uma distância de separação entre o anodo e o catodo de aproximadamente 12 µm, distância definida pelas dimensões da máscara litográfica, porém não limitada pelo processo aplicado. Destacam-se, entre as vantagens da utilização da técnica HI-PS em relação às tecnologias usuais de manufatura dos dispositivos FE, a baixa complexidade do processo proposto e a utilização de apenas uma etapa litográfica para obtenção do sistema anodo-catodo integrado e auto alinhado. Para efetuar as caracterizações dos dispositivos, foram implementados uma câmara de vácuo específica, que permite alterar a distância entre as estruturas do anodo e do catodo não integradas, sem a necessidade de se retirar a amostra da câmara, e três sistemas para ensaios elétricos, sendo um destes sistemas desenvolvido especificamente para caracterização elétrica de dispositivos FE. As caracterizações elétricas foram efetuadas por meio de curvas I-V, I-t e V-d, sendo esta última utilizada para extrair o campo elétrico macroscópico E, que foi utilizado como parâmetro de comparação entre amostras submetidas a diferentes processos de otimização estrutural e de recobrimento superficial dos emissores por Al. Todas as amostras caracterizadas apresentaram variação de corrente exponencial com o potencial aplicado, de acordo com o esperado pela teoria proposta por Fowler-Nordheim (F-N). Dispositivos com otimização estrutural ou deposição de Al apresentaram melhores características de emissão (menor valor de E), de acordo com o aprimoramento do modelo de F-N sugerido na literatura para superfícies otimizadas. Constatou-se, pelos gráficos de F-N, o comportamento diferenciado dos emissores de Si tipo p em comparação com outros materiais, estabelecendo uma relação entre as variações da inclinação da curva traçada às distintas fontes de elétrons do Si. Frente aos resultados obtidos, conclui-se que a técnica Hi-PS é altamente promissora para fabricação de emissores microusinados em Si para aplicações em dispositivos FE.

ASSUNTO(S)

microelectromechanical systems porous silicon silício fe devices hydrogen implantation si microtips fabricação (microeletrônica)

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