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Bei der Feldemission (kalte Emission) können Elektronen durch ein starkes elektrisches Feld eine glatte und leitende Oberfläche verlassen. Die Elektronen tunneln dabei durch eine Potentialbarriere, deren Breite durch ein äußeres elektrisches Feld verkleinert wird. Durch das Hinzufügen einer integrierten Gate-Elektrode um eine Siliziumspitze kann die notwendige Einsatzspannung für Feldemission deutlich gesenkt werden. Zwischen Si-Kathode und Gate-Elektrode befindet sich dabei eine Isolationsschicht, die höchste Anforderungen bezüglich der elektrischen Durchbruchsfestigkeit erfüllen muss. Mit einer Kombination aus Trocken- (Schichtdicke 50 nm) und Feuchtoxid (Schichtdicke 950 nm) konnte eine Isolationsschicht entwickelt werden, die im integrierten Aufbau eine minimale Durchbruchsfeldstärke von 3,2 MV/cm aufweist. Für die Realisierung von Siliziumkathoden mit integrierter Gate-Elektrode wurde ein bereits bestehender Herstellungsprozess um zusätzliche Prozessschritte erweitert. Die Übertragung der lateralen Position der Spitze erfolgt durch Strukturierung des Umkehrlacks AZ5214 und einer RIE-Ätzung der zuvor hergestellten SiO2-Schicht. Nach dem Entfernen der Lackschicht wird die vertikale Struktur der Siliziumspitzen durch einen RIE-Ätzprozess mit den Prozessgasen SF6 und O)2 realisiert. Aus einer thermischen Oxidation bei 940 °C resultiert anschließend die Isolationsschicht zwischen Si-Kathode und Gate-Elektrode . Gleichzeitig wird diese Anschärfeoxidation auch zur Realisierung der endgültigen Spitzengeometrie verwendet. Durch die lithographische Strukturierung des Photolacks AZ5214 kann dabei die Fläche der aufgedampften Gate-Elektrode festgelegt werden. Die Gate-Elektrode wird in einem selbstjustierenden Prozessschritt exakt konzentrisch um die Si-Spitze aufgedampft. Der gerichtete Aufdampfprozess bewirkt eine Abschattung, so dass das Oxidplättchen nicht komplett von Metall ummantelt wird. Die Opferschicht aus Photolack wird mit den nicht benötigten Metallflächen in einem Lift-off-Prozess entfernt.
Spitzen- und Kantenemitter aus Silizium mit einem hohen Aspektverhältnis für Ionisationsgassensoren
(2014)
Durch die Optimierung von reaktivem Ionenätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma ist die Herstellung von verschiedenen Siliziumkathoden mit hoher Anisotropie und hohem Aspektverhältnis für Feldemissionsanwendungen möglich. Simulationen mit COMSOL Multiphysics untermauern das Potential von solchen Spitzen- und Kantenfeldemittern. Die Ergebnisse der Simulation zeigen einen zwei- bis sechsfach höheren Feldüberhöhungsfaktor der tiefgeätzten Strukturen im Vergleich zu identischen Emittern ohne zusätzliche Tiefenätzung. Feldemissionsmessungen bestätigen die Simulationsergebnisse. Der modifizierte Herstellungsprozess der Feldemitter ermöglicht somit einen zuverlässigen Betrieb von Feldemissionselektronenquellen bei kleineren makroskopischen Feldstärken. Außerdem weisen die Messungen des Emissionsstroms im Sättigungsbereich eine weitgehende Unabhängigkeit vom elektrischen Feld auf. Lokale Feldemissionsmessungen ergeben dadurch eine deutliche Stromstabilisierung, welche über große Feldstärkenbereiche konstant bleibt. Die Nutzung der HAR-Emitter (high aspect ratio) ist damit eine gute Voraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb der Emissionskathoden bei kleinen Feldstärken für die Anwendung in Ionisationsgassensoren.