真空微电子场致发射技术研究(3)
计算机模拟场致发射的特性是研究真空微电子器件的重要方法，它可以提前预计器件性能，节约经费和资源，然而国内的模拟计算局限于锥型阴极器件，对楔型阴极器件的模拟较少，本次实验我们主要对楔型阴极器件进行计算机模拟。我们一般使用模拟电荷法、边界元法、有限差分法等数学方法计算器件的电场分布情况，通过Fowler Nordheim公式来算出阳极电流。然后求解电子运动方程来计算电子轨迹，并计算计算增益、发射频率上限、跨导等。使用计算机模拟器件的结构，通过改变结构尺寸参数来测试对器件各项性能的影响，这样有助于我们更深层次地了解器件的工作原理。
我国研究VMD时间上较为滞后，但是发展迅速，国内有近30个高校科研单位对VMD进行学术理论科研，经过二十几年的努力在学术、制作、应用多个方面均获得了巨大的收获，成果显著。在学术上，研究了Si场致发射阵列的存储效应、对实际应用的FowlerNordheim公式进行更改使其更加完善等。在制作工艺上，科研单位研制出了20nm的发射阴极，区域堆积密度大于1.5×108／cm2，一个阴极尖端最高发射电流 0.14 µA，功率最高50W，使用寿命更有8 年之久。
1.4 研究方向
VMD作为一门潜力巨大的新兴学科，发展速度突飞猛进，研究成果也是硕果累累但是有一些问题亟待解决：阴极发射的稳定性、器件的结构尺寸对发射的具体影响、噪声、离子轰和高功率运用时热损耗等问题。
真空微电子的结构含义之一就是基于微型三极管或四极管以及它们的集成电路，从而成为更快的操作器件。然而器件各项尺寸对性能影响很大：（1）如果缩小真空微电子三极管尺寸，可以提高使用频率，减小阴栅极电容（2）减小阴栅极距离可以提高跨导，可同时会增加阴栅电容（3）真空微电子三极管主要使用在高频段，需要挺高增益。因此，需要根据实际应用情况来对器件各项参数权衡利弊进行不同的设计，当然可以先使用计算机模拟和结构参数的电压电流特性，选出最适合的结构参数以节约时间和精力。
因为楔型场发射阴极具有较小的栅极电容，较大的发射面积，单位长度较大的跨导，所以楔型阴极工作在高频时有巨大优势。我们此次没有对锥型发射阴极真空微电子器件的性能模拟，而是模拟了楔型阴极的特性，通过模拟算出各项性能参数：阳极电流、增益等，分析真空微电子三极管结构尺寸对阳极电流的影响。这里我们使用控制变量的方法，分别通过改变阴极尖端曲率、栅孔半径、栅极与衬底间距、栅极电压和阳极电压等，来观察阳极电流的变化情况，找出影响阳极电流的因素，并提出提高阳极电流的合理方案。就场致发射显示而言，分辨率是最重要的性能参数，而电子从阴极打到阳极时，会出现散焦现象，即会在阳极出现区域性圆形电子斑，这会大大影响显示器的分辨率。我们可以通过计算机模拟追踪电子轨迹，便于研究结构尺寸与分辨率的关系，并提出合理的提高分辨率的方案。
本文深入研究了真空微电子场致发射的基本原理，相关的基本公式和场致发射的具体实现方法。并构建了真空微电子三极管的结构模型和数学模型，简要的介绍了有限元法分析电场。提出了器件内电势分布，阴极尖端场强，发射电流，电子运动轨迹和阴极有效发射面积等相关原理和公式。通过求解Laplace方程来求解空间各点电势，再根据空间电势分布通过线性方程来求解电场分布。经过分析牛顿运动方程，来得到器件内的电子运动轨迹方程。我们使用微元法的思文将阴极表面分成无数个面积元，每个小的面积元乘以通过它的电流发射密度，就可以求出通过这个面积元的电流，然后再将通过每个通过面积元的电流叠加就可以求出总发射电流的大小。然而发射电流是由阳极电流和栅极电流一起组成，还需要求出阴极有效发射面积求出阳极电流。本文根据计算机模拟电子运动轨迹来求出有效发射面积，再根据阴极有效发射面积和发射电流密度的积来计算阳极电流。最后我们通过计算机模拟器件结构尺寸的改变对阳极电流的影响，分别改变阴极尖端曲率、栅孔半径、栅极与衬底间距、栅极电压和阳极电压等，观察阳极电流的变化情况。