Nanocrystalline Silicon based Metal-oxide-semiconductor Cathodes

Nanocrystalline Silicon based

Metal‑oxide‑semiconductor Cathodes

著者 SHIMAWAKI Hidetaka

著者別名 嶋脇 秀隆

journal or

publication title

The bulletin of Reseach Institute for

Interdisciplinary Science, Hachinohe Institute of Technology

volume 7

page range 1‑4

URL http://id.nii.ac.jp/1078/00002326/

Creative Commons : 表示 ‑ 非営利 ‑ 改変禁止

Hi det aka  S

Abs t r act  

Metal‑oxide‑semiconductor(MOS)cathodes with an array structure have been fabricated based on nanocrystal- line silicon covered with a thin oxide film  prepared by a pulsed laser ablation technique and their emission properties have been investigated. The electron emission occurred at  the gate voltage higher than the work function of the Au gate,and the emission efficiency reached about 2% at the   gate voltage of 25 V. Although the current decreased slightly,it was relatively stable. We also observed the emi  ssion image on the phosphor screen and the emission divergence was estimated to be less than 3°.  

Key  words:nanocrystalline silicon,electron emission,MOS,tunneling cathode  

1. I nt roduct i on

A  met al ‑oxi de‑s emi conduct or(MOS)cat hode  i s  a pr omi s i ng  candi dat e  as a  f   i ne  el ect r on  s our ce  f or appl i cat i ons  of  vacuum  nanoel   ect r oni c  devi ces , becaus e  t he  cat hode  oper at es  at  l ow  ext r act i on vol t - age,and  pr oduces  uni f or m  and  hi ghl y  di r ect i onal emi s s i on. Fur t her mor e,t he    cat hode  i s  i ns ens i t i ve  t o envi r onment . However ,t   he  devi ce  i s  l i mi t ed  i n  emi s - s i on  cur r ent  by  i t s  l ow  ef f i ci ency  of  l es s  t han  1% due t o t he  s t r ong phonon‑el ect   r on s cat t er i ng i n bot h t he oxi de l ayer  and t he gat e el   ect r ode dur i ng t r avel i ng t hr ough  t he  conduct i on  band    of  t he  oxi de  and  t he  gat e el ect r ode. I n f act ,a cons   i der abl e i ncr eas e i n emi s - s i on  cur r ent  has  been  meas ur ed  and  a  l ar ge  number  of el ect r ons have been det ect   ed at  t he ener gi es l ower t han  t he  or i gi nal  wor k f unct   i on  of  t he  gat e  el ect r ode by ces i at i on

. Lower i ng t   he wor k  f unct i on of  t he gat e el ect r ode i s  a pr act i   cal  way f or  i mpr ovi ng t he emi s s i on  cur r ent , i . e. , t   he  emi s s i on  ef f i ci ency.

Recent l y,t he  modi f i ed MOS cat hodes  have  r epor t ed hi gh  emi s s i on  ef f i ci enci es  over    10%,wher e  t he  oxi de l ayer  i s  r epl aced  wi t h  s emi   ‑i ns ul at i ng  l ayer s  s uch as non‑doped  Si ,Si Ox  f i l ms ,or    nanocr ys t al l i ne  Si  cons i s - t i ng  of  oxi di zed  por ous  Si  and  pol y‑Si

. Al t hough t he  mechani s m  i s  not  s t i l l  under   s t ood,t he  us e  of  f i l ms cont ai ni ng  nanocr ys t al l i ne  s   t r uct ur es  t aki ng  t he  pl ace of  t he  oxi de  l ayer  i s  a  pr omi   s i ng  way  t o  i mpr ove  t he per f or mance  on  t he  MOS cat   hode.

I n a pr evi ous  paper

,we  have  r epor t ed t he  emi s - s i on  char act er i s t i cs  of  MOS cat hodes  bas ed  on  nano- cr ys t al l i ne  Si(nc‑Si ) pr epar ed  by  a  pul s ed  l as er  

abl at i on (PLA)t echni que. Thi s t echni que has t he advant age of  f abr i cat i ng nanocr   ys t al l i ne Si  cover ed wi t h  a  t hi n  oxi de  l ayer  i n  cont   r as t  t o  ot her  f abr i cat i on met hods . I t  was  demons t   r at ed el ect r on emi s s i on at t he  gat e  vol t age  as  l ow  as    t he  wor k f unct i on of  t he gat e  met al  and  t he  hi gh  emi   s s i on  ef f i ci ency  of  4% by r educi ng t he  t hi cknes s  of  t   he  Au gat e  met al . How- ever ,t he  ener gy  of emi t t ed  el ect r ons  was  wi del y di s t r i but ed  and  s howed  s   t r ong  dependence  on  t he appl i ed  gat e  vol t age. A  l   ot  of  nanohol es  i n t he  t hi n Au f i l m  wer e  obs er ved,s ugges   t i ng emi s s i on i ncl udes el ect r ons t unnel ed  t hr ough  t   hi n  met al  and  di r ect l y emi t t ed  f r om  nanot i ps  al i gned    under  nanohol es  obs er - ved  i n  met al .

I n  t hi s  wor k,we  i nves t i gat e  t he  emi s s i on  char act er - i s t i cs  of  an nc‑Si  MOS  cat hode ar r ay f or  emi s s i on wi t h  a  nar r ow  s pr ead  of  el   ect r on  ener gy.

2. Experi ment s

Fi gur es  1(a)and(b)s how a  s chemat i c  s t r uct ur e  of an nc‑Si  pl anar  cat hode  and i   t s  f abr i cat i on pr oces s , r es pect i vel y. The  devi ce i s  a t hi n f i l m  di ode s t r uc- t ur e,whi ch  cons i s t s  of  nanocr ys t al l i ne  s i l i con(nc‑Si ) par t i cl es cover ed  wi t h  an  oxi de f i l m  on  an  n‑t ype s i l i con  s ubs t r at e  as  an  el ect   r on  s our ce  and  a  t hi n  t op met al  el ect r ode  as  an  ext r   act i on  gat e. The  emi s s i on ar ea of  t he  devi ce  i s  s et  an ar   r ay pat t er n of  50μm‑

di amet r i c ci r cl es  i n an ar ea of  500μm  i n di amet er . The  nc‑Si  l ayer was depos i t ed  by  a  pul s ed  l as er abl at i on t echni que  us i ng a Si    di s c  t ar get ,whi ch was i r r adi at ed wi t h t he  f our t h har   moni c(λ＝266  nm)of Nd:YAG  l as er (Spect r on,SL856) l   i ght  wi t h  an ener gy  of  about  80  mJ/cm ,a    pul s e  wi dt h  of  13  ns  and a r epet i t i on r at e  of  10  Hz. To cr   eat e  t he t unnel i ng

異分野融合科学研究所/大学院工学研究科電子電気・情報工 学専攻・准教授

bar r i er  i n t he  i nt er f ace  bet ween nc‑Si  par t i cl es ,s ur - f aces  of  nc‑Si  par t i cl es  wer e  oxi di zed by an oxygen

r adi cal  beam  expos ur e  dur i ng depos i t i on,whi ch was gener at ed by r adi o f r equency di   s char ge  wi t h t he  RF power  r ange  of  250  t o  350  W  at    t he  pr es s ur e  of  5×10 Pa. The s ubs t r at e t emper at ur e was kept  at  450° C dur i ng depos i t i on. Al t hough we coul   d not  es t i mat e t he t hi cknes s of  t he t hi n  oxi   de l ayer cover i ng  t he s ur f ace of nc‑Si ,t he oxi   de l ayer wi l l  pl ay  as t he t unnel i ng  bar r i er  i n  t he  i nt   er f ace  bet ween  nc‑Si  par t i - cl es . Af t er  r api d t her mal  oxi dat i on at  700° C  f or 1 hour  was  adopt ed  f or  f or mi   ng  a  t hi n  oxi de  l ayer  near t he  t op  s ur f ace,a  t hi n  Au  l   ayer  f or  t he  gat e  el ect r ode was  f or med by s put t er  depos   i t i on. Fi nal l y,Al  el ec- t r odes  wer e  evapor at ed on a par t  of  t he  Au f i l m  t o r educe t he r es i s t ance and  t   he backs i de of  t he s ub- s t r at e  t o  f or m  an  ohmi c  cont act .

We  meas ur ed t he  emi s s i on char act er i s t i cs  and t he ener gy  di s t r i but i on  of  emi t   t ed  el ect r ons  by  t he  exper i - ment al s et up  us i ng  a  Far aday  cup  anal yzer  wi t h doubl e‑mes hes and  a  col l   ect or i l l us t r at ed  i n  Fi g.2.

I n  t he  exper i ment s ,we  def i ned  t he  gat e  cur r ent meas ur ed  at  t he  gat e  el ect r   ode  as  a  di ode  cur r ent ,and t he  anode  cur r ent  meas ur   ed at  t he  f i r s t  mes h as  an emi s s i on  cur r ent . We  al   s o  obs er ved  t he  emi s s i on i mage  on  a  phos phor  s cr een.  

3. Res ul t s   and   di s cus s i on

Fi gur e  3  s hows  t ypi cal  di ode  and  emi s s i on  cur r ent s of  t he  cat hode  ar r ay,and emi   s s i on ef f i ci ency,whi ch ar e  def i ned  as  t he  r at i o  of  t   he  emi s s i on  cur r ent  t o  t he t ot al  cur r ent . El ect r on  emi   s s i on  occur s  at  near l y  6  V,

Fig.1  Schematics of nc‑Si MOS cathode array(a),and its fabrication process(b). 

Fig.2  Measurement setup of emission characteristics.

whi ch  i s  as  l ow  as  t he  wor k f unct i on  of  t he  Au  gat e el ect r ode  and  t he  emi s s i on    cur r ent  r i s es  r api dl y  wi t h i ncr eas i ng  gat e vol t age. Cur   r ent  s at ur at i on,whi ch was obs er ved  pr evi ous l y

  ,does not  occur at hi gh f i el ds . The  emi s s i on  ef f i ci   ency  r eaches  about  2% at t he  gat e  vol t age  of  25  V. The    t i me  dependence  of  t he emi s s i on  cur r ent  f or  a  cons   t ant  gat e  vol t age  i s  s hown i n  Fi g.4  at  t he  pr es s ur e  of    5×10 Pa. Al t hough  t he cur r ent  decr eas es  s l i ght l y,i   t  i s  r el at i vel y  s t abl e.

We  have  meas ur ed  t he  ener gy  di s t r i but i on  of  emi t - t ed  el ect r ons  f r om  t he  cat hode  ar r ay  us i ng  a  Far aday cup  anal yzer wi t h  doubl e‑mes   hes and  a  col l ect or . Fi gur e  5 s hows t he ener gy  s pect r a  of  emi t t ed  el ec- t r ons  f r om  t he  cat hode  ar r ay  at  s ever al  gat e  vol t ages , whi ch  ar e  nor mal i zed  by  each  t ot al  emi s s i on  cur r ent . The  zer o  ener gy  i n  t he  abs ci s s a  i ndi cat es  t he  vacuum l evel  of  t he  Au  gat e  el ect   r ode. FWHM  of  t he  s pec- t r um  becomes  br oader  and maxi mum  ener gy moves t o hi gher  val ue  wi t h i ncr eas   i ng gat e  vol t age. How- ever ,t he  change  i s  not  s i gni f i cant  compar ed  wi t h  t hat f or  t he  cat hode  wi t hout  t he    ar r ayed  s t r uct ur e  r epor t -

ed pr evi ous l y

and t he  t hr es hol d ener gy of  emi t t ed el ect r ons  r emai ns  al mos t  t   he  s ame  at  near  t he  wor k f unct i on  of  t he  gat e  met al ,i   n  cont r as t  t o  t he  pr evi ous r es ul t s

. Thi s  i ndi cat es  t   hat  t he  ener gy  di s t r i but i on of  t he  emi t t ed el ect r ons  does    not  i ncr eas e  even wi t h i ncr eas i ng  gat e vol t age,becaus   e t he f i el d  emi s s i on component  t hr ough  nanohol   es  i n  t he  met al  gat e decr eas es  due  t o  t he  ar r ayed    s t r uct ur e.

Fi gur e  6  s hows  t he  emi s s i on  i mage  obs er ved  on  t he phos phor  s cr een. The  s cr   een was  l ocat ed at  40  mm above  t he  cat hode  ar r ay and bi   as ed at  t he  accel er a- t i on  vol t age  of 5  kV. The  emi s s i on  di ver gence  i s es t i mat ed  t o  be  about  3° . Thi   s  val ue  i s  s mal l er  t han t hat  of  t he cat hode wi t hout    t he ar r ayed  s t r uct ur e, s ugges t i ng  t hat  uni f or mi t y  of  t he  f i el d  i n  t he  emi s s i on

array.  

Fig.4  Time dependence of the emission current of an nc

‑Si MOS cathode array.

Fig.5  Energy spectra of emitted electrons from  an nc‑Si MOS cathode array at var  ious gate voltage.

Fig.6  Emission  image  from  the  nc‑Si MOS  cathode array.  

ar ea  i s  i mpr oved  f or  t he  ar r ayed  cat hode.

4. Concl us i on

We f abr i cat ed nanocr ys t al l i ne s i l i con bas ed MOS cat hode  ar r ays  wi t h t hi n gat   e  met al s ,and exami ned t hei r  emi s s i on  char act er i s t   i cs  and  ener gy  di s t r i but i ons t o  i mpr ove  t he  per f or mance    of  t he  MOS cat hode  and under s t and t he emi s s i on mechani   s m  of  nanocr ys t al - l i ne  bas ed  cat hodes . The  emi s s i on  ef f i ci ency  was i mpr oved  by  r educi ng  t he  t   hi cknes s  of  t he  gat e  met al . The  us e  of  f i l ms  cont ai ni ng  nanocr ys t al l i ne  s t r uct ur es t aki ng  t he  pl ace  of  t he  oxi   de  l ayer  i s  a  pr omi s i ng  way t o  i mpr ove  t he  per f or mance    on  t he  MOS cat hode.

Acknowl edgement s

A  par t  of  t hi s  wor k was  car r i es  out  i n  t he  Labor a- t or y  f or  Nanoel ect r oni cs  and  Spi nt r oni cs  of  t he Res ear ch I ns t i t ut e  of  El ect   r i cal  Communi cat i on,To- hoku Uni ver s i t y. Thi s  wor k  was  s uppor t ed i n par t  

by  a  Gr and‑i n‑Ai d  f or  Sci ent i f i c  Res ear ch  f r om  Japan Soci et y  f or  t he  Pr omot i on  of    Sci ence  i n  Japan  and  t he nat i onwi de cooper at i ve r es   ear ch pr oj ect s  or gani zi ng by  RI CE,Tohoku  Uni ver s   i t y.

Ref erences

［1］ H.Mimura,Y.Neo,H.Shimawaki,Y.Abe,K.Ta- hara,and  K.Yokoo,Appl.Phys.Lett.88,123514 (2006).

［2］ K.Yokoo,G.Koshita,S.Hanzawa,Y.Abe,and  Y.

Neo,J.Vac.Sci.Technol.B14,2096(1996).

［3］ X.Sheng,H.Koyama,and  N.Koshida,J.Vac.Sci. Technol.B16,793(1998).

［4］ N.Negishi,T.Chuman,S.Iwasaki,T.Yoshikawa,H.

Ito,and K.Ogasawara,Jpn.J.Appl.Phys.,Part 2,36, L939(1997).

［5］ A.Govyadinov, T.Novet, D.Pidwerbecki, S.

Ramamoorthi,J.Smith,J.Chen,C.Otis,D.Neiman, and P.Benning,J.Vac.Sci.Technol.B23,853(2005).

［6］ H.Shimawaki,Y.Neo,H.Mimura,K.Murakami,F.

Wakaya,and M.Takai,J.Vac.Sci.Technol.B26,864 (2008).

［7］ H.Shimawaki,Y.Neo,and H.Mimura,J.Vac.Sci. Technol.B24,971(2006).

八戸工業大学異分野融合研究所紀要 第 7巻