In dieser Arbeit wird ein kostengünstiger Herstellungsprozess für Feldemitterarrays (FEAs) entwickelt, welche beispielsweise als Elektronenquellen in einem evakuierten Package mit für Elektronen transmittiver Membran radioaktive Ionisationsquellen ersetzen können. Die Herstellung der Emitterspitzen des Arrays mit einer Fläche von 4mm x 4mm erfolgt durch Strukturierung von quadratischen Säulen mittels Wafersäge und eine anschließende nasschemische anisotrope Ätzung. Durch verschiedene Ätzraten der Silizium-Kristallfacetten sowie verschieden breite Säulen entstehen drei Sorten von pyramidenförmigen FEAs mit je 3600 (SFEAs), 1296 (M-FEAs) bzw. 256 (L-FEAs) Emitterspitzen. Die Aspektverhältnisse ergeben sich zu (2,4±0,7) ·10³ (S-FEAs), (4,4±2,0) ·10³ (M-FEAs) und (10±6) ·10³ (L-FEAs). Zusätzlich wird ein angepasstes und durch Mikrostrukturen mechanisch justiertes Extraktionsgitter entwickelt. Um die Emission aus p-dotierten Emittern besser zu verstehen, werden Einzelemitter in 3D- und 2D-Modellen in Comsol Multiphysics® simuliert. Bei Voruntersuchungen dafür zeigt das Modell eines einzelnen n-dotierten Emitters im Rahmen der Messgenauigkeit eine gute Übereinstimmung mit elektrischen Messdaten. Entsprechend wurde die Kennlinie eines p-dotierten Einzelemitters durch ein Modell nachgebildet. Unter Berücksichtigung der Oberflächengeneration von 3 · 10⁶ cm/s in der in Stromsättigung auftretenden Raumladungszone sowie einer durch die hohe Stromdichte erhöhten Emittertemperatur von 70 °C wird eine Übereinstimmung des Sättigungsstroms zwischen Experiment und Simulation erzielt. Der Einfluss der Oberflächengenerationsrate auf die Stromsättigung wird zusätzlich experimentell durch Reinigung in Flusssäure mit anschließend unterschiedlicher Lagerung und Temperaturvariation während der Messung bestätigt. Außerdem wird gezeigt, dass die Stromsättigung durch ein Zusammenspiel aus dem Spannungsabfall über der Raumladungszone und einer effektiven Emissionsgeometrieänderung durch das in die Spitze eindringende Feld resultiert. Experimentelle Strom-Spannungs-Kennlinienvergleiche der verschiedenen FEA-Typen zu einem Maximalstrom von 10 μA zeigen eine steigende Streuung der elektrischen Eigenschaften mit abnehmender Spitzenanzahl. Für einen Emissionsstrom von 10 μA zeigt sich ein im Mittel nötiges Feld von (7,0±0,7)V/μm für S-FEAs, (12±5)V/μm für M-FEAs und eine starke Degradation für L-FEAs, sodass der Maximalstrom nicht reproduzierbar erreicht werden kann. Degradationsmessungen nach einem Konstantstrombetrieb bei 10 μA für 10 h zeigen eine höhere Degradation für M-FEAs verglichen mit S-FEAs und für n-dotierte verglichen mit p-dotierten FEAs. Die maximale Betriebszeit bei 10 μA beträgt gemittelt für je drei p-dotierte S-FEAs (82 ± 19) h. Für systematische Messungen und Vergleiche auch von stark unterschiedlichen FEAs wird eine stromabhängige Messmethode mit emissionsstromgeregelter Kennlinienmessung und Konstantstrommessung mit sequenziell steigendem Strom entwickelt. Bei Emissionsströmen unter 1 μA sorgen bei den untersuchten FEAs vor allem Adsorbate für eine Vergrößerung der nötigen Betriebsspannung, bei höheren Emissionsströmen führt die steigende Temperatur zu einer Reduktion des Adsorbateinflusses. Steigt der Emissionsstrom weiter, führt die analog steigende Temperatur zu thermischen Ausfällen einzelner Emitterspitzen. Diese Beobachtungen wurden durch Druck- und Temperaturvariation während des Messens, unterschiedliche Vorbelastung der FEAs sowie Einzelemittermessungen experimentell bestätigt. Mit zunehmendem Emissionsstrom ist außerdem eine Verringerung der Spannungsfluktuation zu beobachten, was zur Schlussfolgerung führt, dass die Zahl der aktiven Emitter zunimmt. Zusätzlich zeigen die Messungen, dass eine Verringerung des Druckes sowie eine Erhöhung des spezifischen Widerstands die Degradation von n-dotierten FEAs reduziert und höhere Maximalströme möglich werden.     «

In dieser Arbeit wird ein kostengünstiger Herstellungsprozess für Feldemitterarrays (FEAs) entwickelt, welche beispielsweise als Elektronenquellen in einem evakuierten Package mit für Elektronen transmittiver Membran radioaktive Ionisationsquellen ersetzen können. Die Herstellung der Emitterspitzen des Arrays mit einer Fläche von 4mm x 4mm erfolgt durch Strukturierung von quadratischen Säulen mittels Wafersäge und eine anschließende nasschemische anisotrope Ätzung. Durch verschiedene Ätzraten de...     »