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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2008.tde-01102008-103027
Documento
Autor
Nome completo
Michel Oliveira da Silva Dantas
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2008
Orientador
Banca examinadora
Galeazzo, Elisabete (Presidente)
Alves, Marco Antonio Robert
Capocchi, José Deodoro Trani
Degasperi, Francisco Tadeu
Mansano, Ronaldo Domingues
Título em português
Desenvolvimento de dispositivos de emissão por efeito de campo elétrico fabricados pela técnica HI-PS.
Palavras-chave em português
Fabricação (microeletrônica)
Silício
Resumo em português
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 (3,2.10'POT.4' pontas/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.
Título em inglês
Development of field emission devices fabricated by HI-PS technique.
Palavras-chave em inglês
FE devices
Hydrogen implantation
Microelectromechanical systems
Porous silicon
Si microtips
Resumo em inglês
This thesis presents a new silicon (Si) field emission devices (FE) fabrication process based on the potential of the HI-PS (Hydrogen Ion Porous Silicon) micromachining technique, which is a combination of hydrogen implantation and porous silicon. Devices with 2500 emitters (Si microtips), integrated and non-integrated to the anode, enclosed in an area of 2.8 x 2.8 mm² (3.2 x 10'POT.4' tips/cm²), were obtained from the proposed technique. The fabricated Si microtips show 10 µm in height, with apex diameter of about 150 nm. The separation distance between emitters (50 µm), considering the non-integrated devices design, was limited by the resolution of the lithographic mask applied. Microtips structural improvement process steps were proposed and applied in both anode-cathode design (integrated and non-integrated). As a result, a reduction in tip apex diameter to dimensions lower than 100 nm was verified. The integrated FE devices were obtained with an anode-cathode separation of about 12 µm, which distance was defined by lithographic mask dimensions, but not limited by the process applied. The outstanding advantages of the HI-PS technique in comparison with usual technologies for FE devices fabrication are the low complexity of the process proposed and the use of a single lithographic step to obtain a selfaligned and integrated anode-cathode system. A dedicated vacuum chamber, which allows the changing of the separation distance between non-integrated anodecathode structures without the need of removing the sample out the chamber, and three systems for electrical test, being one of them developed specifically for FE devices electrical characterization, were implemented. The electrical characterizations were performed by means of I-V, I-t and V-d curves, being the last one used to extract the macroscopic electrical field E, which was applied as comparison parameter between samples obtained from distinct structural improvement process and samples with emitters surface coated with Al. All samples characterized showed exponential-like behavior of current with the potential applied, as expected from theory proposed by Fowler-Nordheim (F-N). Devices with structural improvement or Al coating showed better emission characteristics (lower E value), according with the modified F-N model suggested in the literature for optimized surfaces. From the F-N plots, the distinct behavior of p type Si emitters was verified in comparison with different materials, establishing a relationship between the slope variations of the curve obtained and the electrons source of the Si. Based on the results obtained, the HI-PS technique is very promising to fabricate Si micromachined emitters for use in FE devices.
 
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Data de Publicação
2008-10-08
 
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