Improvement of tunnel device by mechanical treatment

The Metal-Insulator-Semiconductor multilayer (MIS) are used for hot electron emission through tunnel e ect. The MIS device are used at the Department of Physics of the Technical University of Denmark like a pure electron emitter or for their applicability for Hot Electron Fentochemestry at Surfaces. The tunnel e ect is described theoretically by the Fowler-Nordheim tunneling. The Metal-Insulator- Semiconductor multilayer devices have ultralarge active areas of 1 cm2 and consist of an n-doped Si substrate, an ultrathin (55 Å) thermally grown SiO2 layer and a very thin metallic lm, that could be for instance a Ti layer of 5-7 Å with 70 Å Au or a thicker Pt lm of 200 Å depending on their applications. In this thesis the MIS have been studied in order to improve their electron emission through the creation of a very small holes on their surfaces, with locally reducing of the metallic thickness obtaining at the end some hot points with more emission current. A few test point measurements of voltage distribution have been done on spaced points of the surface of the devices using a stepper motor, and then the procedure has been automated and optimized covering almost the entire metallic area. So I have been demonstrated how the metal surface locally distributes the heat acquired by the passage of current through it caused by the application of a potential di erence applied to the edges of the metallic layer. I designed and manufactured a system to make the holes on the device composed from a step motor and a piezo-actuator. The holes on the surface has been done using a piezo-actuator, but before this I had to calibrate every single movemente of the step motor and this has been carried out with the use of an optical microscope and an AFM in order to predict which kind of piezoelectric actuator was necessary for the creation of the holes on the surface. The stretching of the piezoelectric actuator has been calibrated too, appling a signi cant number of voltages to the piezo-actuator and checking its stretching using the AFM and at the end I could plot its characteristic function, by relating the stretching of the piezo-actuator under an speci c applied voltage. Using the piezoelectric actuator in combination with the motor step it has been possible to dig lines of holes and afterwards, with the help of the AFM, their depth was measured demonstrating its variation on di erent applied voltage to the piezo-actuator; the goal of creating holes deep even less than 200 Å, the thickenss of the metal layer, was then achieved. The electrical characterization of the device through current-voltage curves con rmed that it properly worked even after the application of some holes on the metal surface, depth enough without reach the oxide layer and so don't break the entire device. The voltage-corrent curves supported the descrition of the Fowler- Nordheim tunneling through the wafers with and without holes. At the end the electron emission curves on my device with holes has not been made for lack of time but the principal features of it are mentioned to show that there is every reason to think that the device with holes could improve the electron emission.

Il dispositivo composto da multistrati di metallo-isolante-semiconduttore (MIS) è usato per l'emissione di elettroni caldi mediante e etto tunnel. I dispositivi MIS sono usati dal Dipartimento di Fisica dell'Università Tecnica della Danimarca come puri emettitori di elettroni o per la loro applicabilità nella Femtochimica Super - ciale tramite elettroni caldi. L'e etto tunnel è descritto teoricamente tramite il tunneling di Fowler-Nordheim. Il dispositivi a multistrato hanno un'area attiva larga di 1cm2e sono composti da un substrato di Si drogato n, da un sottilissimo strato di SiO2 (55 Å) cresciuto tramite trattamento termico e da un lm molto sottile di metallo, per esempio 5-7Ådi Ti/70Ådi Au oppure 200Ådi Pt a seconda dell'utilizzo. In questa tesi i dispositivi MIS sono stati studiati con l'obbiettivo di migliorarne l'emissione elettronica attraverso la creazione di piccoli buchi sulla super cie, con la conseguente riduzione locale dello spessore del lm metallico e ottenendo così dei punti caldi con maggiore corrente di emissione. Sono state fatte misure test di distribuzione di voltaggio su pochi punti dislocati della super cie del dispositivo usando un motor step; dopodichè il porcesso è stato automatizzato e ottimizzato ottenendo una quasi totale copertura della superi ce di metallo interessata alla misura. Si è così potuto dimostrare come la super cie di metallo distribuisce localmente il calore acquisito dal passaggio di corrente mediante una di erenza di potenziale applicata ai bordi del layer di metallo. Ho progettato e costruito il sistema utilizzato per la realizzazione di buchi sulla superifcie del dispositivo composto dal motor step e dall'attuatore piezoelettrico. I buchi sulla super cie sono stati fatti utilizzando l'attuatore piezoelettrico, ma prima di fare questo ho dovuto calibrare ogni singolo movimento del motor step utilizzando un microscopio ottico e un AFM con lo scopo di poter capire quale tipo di attuatore piezoelettrico sarebbe stato consono al nostro dispositivo per procedere alla formazione dei buchi sulla super cie. Si è tarato anche allungamento dell'attuatore piezoelettrico applicandogli una serie di di erenti tensioni elettriche e controllanodo ogni allungamento tramite un AFM, potendo così disegnarne la funzione caratteristica che mette in relazione l'allungamento dell'attutatore piezoelettrico con la tensione applicata. Con l'impiego del motor step aggiunto all'attuatore piezoelettrico si sono fatti i primi buchi misurando con l'AFM la loro profondità in dipendenza dal voltaggio applicato e garantendo in ne la possibilità di creare dei buchi con una profonditá minore di 20 nm, minore dello spessore del lm di metallo. La caratterizzazione elettrica del dispositivo tramite curve corrente-tensione ci ha permesso di dimostrare il suo funzionamento anche dopo l'applicazione di buchi sulla super cie del metallo, profondi abbastanza da non raggiungere il lm di ossido e da non rompere così l'intero dispositivo. Le curve corrente-tensione sui wafer hanno confermato l'e etto tunneling descritto teoricamente da Fowler- Nordheim prima e dopo la presenza dei buchi. In ne esperimenti di emissione di corrente sulla device con i buchi in super cie non sono state eseguite per mancanza di tempo, ma sono state menzionate le loro principali caratteristiche mostrando che in realtà ci sarebbero tutti i buoni presupposti per aspettarsi un incremento della corrente di emissione sui dispositivi MIS bucati in super cie.