一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及場(chǎng)發(fā)射晶體管，特別是一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管。
【【背景技術(shù)】】
[0002]在過(guò)去的幾十年中，固態(tài)電子器件在很多應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)逐漸代替了真空電子器件，比如，真空管早已完全被固態(tài)晶體管取代。這是由于固態(tài)電子器件具有制造成本低、低功耗、壽命長(zhǎng)及更利于集成的特點(diǎn)。
[0003]然而，真空電子器件工作在真空環(huán)境中，電子在傳輸過(guò)程中不會(huì)受到晶格散射，同時(shí)電子的傳輸速率可以達(dá)到光速，遠(yuǎn)大于電子在固態(tài)器件中的傳輸速率。因此，真空電子器件仍然在一些特定領(lǐng)域中有著不可替代的地位。
[0004]近年來(lái)，一些研究人員成功將真空電子器件和固態(tài)電子器件的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，制造出了具有真空導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管。這種具有真空導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制備工藝，且能很好的集成。但是，這種器件的陰極和陽(yáng)極間納米級(jí)裂縫的制備工藝比較復(fù)雜，且不能得到穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間的場(chǎng)發(fā)射。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明的目的是提出一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，可在如高溫和電磁輻射等復(fù)雜環(huán)境中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或調(diào)制，具有制備方法簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，包括從上至下依次垂直疊加的陰極、柵極和陽(yáng)極及在三層電極中間的兩層陽(yáng)極介質(zhì)層，三層電極及陽(yáng)極介質(zhì)層中間位置垂直蝕刻有圓柱形真空導(dǎo)電溝道，硅基底充當(dāng)陽(yáng)極，其他電極及中間陽(yáng)極介質(zhì)層通過(guò)在硅基底上依次制作多層薄膜形成，通過(guò)控制各層薄膜厚度精確控制真空導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度。
[0008]進(jìn)一步，所述圓柱形真空導(dǎo)電溝道為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形或底部半徑大于頂部半徑的圓柱形。
[0009]進(jìn)一步，多層薄膜通過(guò)化學(xué)氣相沉積、磁控濺射局電子束蒸發(fā)工藝制備而成。
[0010]進(jìn)一步，各層薄膜總的厚度相加和電子在大氣環(huán)境中的平均自由程相近或更小。
[0011]進(jìn)一步，采用具有功函數(shù)較低的材料或者具有高場(chǎng)增強(qiáng)因子表面特性的材料作為陰極。
[0012]進(jìn)一步，陰極采用Al、Mg、石墨稀、金剛石或者碳納米管制成。
[0013]本發(fā)明提出的垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，由三層電極和兩層介質(zhì)層構(gòu)成;本發(fā)明的結(jié)構(gòu)納米級(jí)裂縫的寬度及真空導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度可以通過(guò)控制各層薄膜的厚度來(lái)精確控制，制備方法簡(jiǎn)單，圓柱形的真空導(dǎo)電溝道使陰極發(fā)射面上所有位置具有完全對(duì)稱(chēng)的加速電場(chǎng)，從而將有效避免器件工作在強(qiáng)電場(chǎng)下時(shí)，由于局部電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致的器件失效的問(wèn)題，可復(fù)雜環(huán)境中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或調(diào)制，工作穩(wěn)定。
[0014]進(jìn)一步，多層薄膜可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積、磁控濺射和電子束蒸發(fā)等工藝制備，其中陽(yáng)極可以由硅基底充當(dāng)；圓柱形真空導(dǎo)電溝道可以通過(guò)等離子體刻蝕、聚焦離子束刻蝕或濕法刻蝕得到，以不同的制備工藝得到的真空溝道具有不同的形狀；陰極可采用Al、Mg、石墨烯、金剛石等具有低功函數(shù)的材料或者采用碳納米管等具有大的場(chǎng)增強(qiáng)因子的材料制備;各層薄膜總的厚度相加起來(lái)要和電子在大氣環(huán)境中的平均自由程相近或更小。陰極的電子發(fā)射面為圓環(huán)狀，當(dāng)各電極上施加電壓時(shí)，電子發(fā)射面上理論上具有完全相同的切向電場(chǎng)分布，當(dāng)電壓較高時(shí)，此特性將有效減小因?yàn)榫植侩妶?chǎng)過(guò)大引起的器件失效。
[0015]進(jìn)一步，采用不同的制作工藝得到形狀及表面特性不同的真空溝道，產(chǎn)生不同的特性。
【【附圖說(shuō)明】】
[0016]圖1是垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管的工作原理示意圖；
[0018]圖3是由干法刻蝕得到的圓柱形真空溝道結(jié)構(gòu)示意圖，為本發(fā)明實(shí)施例之一；
[0019]圖4是由濕法刻蝕得到的圓柱形真空溝道結(jié)構(gòu)示意圖，為本發(fā)明實(shí)施例之二；
[0020]圖中:陽(yáng)極100、柵極210、陰極150、陽(yáng)極介質(zhì)層140、柵介質(zhì)層120;
【【具體實(shí)施方式】】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不限于這些實(shí)施例。
[0022]圖1示出了垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管結(jié)構(gòu)，其中包含了陽(yáng)極100、柵極210、陰極150以及在三層電極中間的兩層陽(yáng)極介質(zhì)層140和柵介質(zhì)層120。各層電極和介質(zhì)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的薄膜制備技術(shù)制作，最后在各層中間位置刻蝕出圓柱形真空導(dǎo)電溝道，通過(guò)控制各層薄膜厚度精確控制真空導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度。
[0023]多層薄膜可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積、磁控濺射和電子束蒸發(fā)等工藝制備，其中陽(yáng)極可以由硅基底充當(dāng)；圓柱形真空導(dǎo)電溝道可以通過(guò)等離子體刻蝕、聚焦離子束刻蝕或濕法刻蝕得到，以不同的制備工藝得到的真空溝道具有不同的形狀；陰極可采用Al、Mg、石墨烯、金剛石等具有低功函數(shù)的材料或者采用碳納米管等具有大的場(chǎng)增強(qiáng)因子的材料制備;各層薄膜總的厚度相加起來(lái)要和電子在大氣環(huán)境中的平均自由程相近或更小。陰極的電子發(fā)射面為圓環(huán)狀，當(dāng)各電極上施加電壓時(shí)，電子發(fā)射面上理論上具有完全相同的切向電場(chǎng)分布，當(dāng)電壓較高時(shí)，此特性將有效減小因?yàn)榫植侩妶?chǎng)過(guò)大引起的器件失效。
[0024]圖2示出了垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管的工作原理示意圖，在陽(yáng)極100和柵極210上分別加上正偏壓時(shí)，在陰極150電子發(fā)射表面形成加速電場(chǎng)。由于柵極的屏蔽效應(yīng)和薄膜邊緣場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，在發(fā)射面處的加速電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于陰極150和柵介質(zhì)層120遠(yuǎn)離真空溝道的界面處的電場(chǎng)的強(qiáng)度，電子在強(qiáng)加速電場(chǎng)的作用下，隧穿真空能級(jí)并從陰極表面發(fā)射出去，被陽(yáng)極收集形成溝道電流。柵極偏壓可以有效控制陰極發(fā)射面處的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而有效調(diào)制溝道電流。由于總的溝道長(zhǎng)度小于100nm(與電子在大氣中的平均自由程相近)，溝道中傳輸?shù)碾娮优c大氣分子的散射可以忽略，該器件可以直接在大氣環(huán)境中工作。
[0025]圖3示出了由干法刻蝕得到的圓柱形真空溝道結(jié)構(gòu)示意圖，為本發(fā)明實(shí)施例之一。采用標(biāo)準(zhǔn)的薄膜生長(zhǎng)工藝依次在硅基底上生長(zhǎng)出陽(yáng)極介質(zhì)層140、柵極210、柵介質(zhì)層120和陰極150，然后結(jié)合光刻工藝在生長(zhǎng)好的各層薄膜中央以干法刻蝕制備出特定尺寸的圓柱形真空溝道。圓柱形的真空導(dǎo)電溝道使器件具有圓環(huán)狀的陰極發(fā)射面，發(fā)射面上的加速電場(chǎng)的分布完全對(duì)稱(chēng)，器件不容易出現(xiàn)由發(fā)射面上的不均勻分布電場(chǎng)而產(chǎn)生的局部強(qiáng)電場(chǎng)所導(dǎo)致的失效。
[0026]圖4示出了由濕法刻蝕得到的圓柱形真空溝道結(jié)構(gòu)示意圖，為本發(fā)明實(shí)施例之二。采用標(biāo)準(zhǔn)的薄膜生長(zhǎng)工藝依次在硅基底上生長(zhǎng)出陽(yáng)極介質(zhì)層140、柵極210、柵介質(zhì)層120和陰極150，然后結(jié)合光刻工藝在生長(zhǎng)好的各層薄膜中央以濕法刻蝕制備出特定尺寸的圓柱形真空溝道。不同于干法刻蝕，濕法刻蝕具有各向同性的特點(diǎn)，以濕法刻蝕為基礎(chǔ)制備的圓柱形真空溝道不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，具有底部半徑大于頂部的特點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)減小溝道電子在傳輸過(guò)程中與溝道側(cè)壁碰撞的概率，從而減小介質(zhì)層中的電流提高器件性能及增加器件的穩(wěn)定性。
[0027]綜上所述，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0028]I)采用本發(fā)明提出的垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，真空導(dǎo)電溝道長(zhǎng)度可以通過(guò)控制各層薄膜厚度得到精確控制，可以很容易的得到納米級(jí)的陰陽(yáng)極距離。
[0029]2)采用本發(fā)明提出的垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，可以采用不同方法制備出不同的圓柱形真空導(dǎo)電溝道。
[0030]3)采用本發(fā)明提出的垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，圓環(huán)狀的陰極發(fā)射面可以增加器件的耐壓性，減少因?yàn)榫植侩妷哼^(guò)大導(dǎo)致的器件失效。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，其特征在于:包括從上至下依次垂直疊加的陰極(150)、柵極(210)和陽(yáng)極(100)及在三層電極中間的兩層陽(yáng)極介質(zhì)層(140)，三層電極及陽(yáng)極介質(zhì)層中間位置垂直蝕刻有圓柱形真空導(dǎo)電溝道，硅基底充當(dāng)陽(yáng)極(100)，其他電極及中間陽(yáng)極介質(zhì)層通過(guò)在硅基底上依次制作多層薄膜形成，通過(guò)控制各層薄膜厚度精確控制真空導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度。2.如權(quán)利要求1所述的具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，其特征在于:所述圓柱形真空導(dǎo)電溝道為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形或底部半徑大于頂部半徑的圓柱形。3.如權(quán)利要求1所述的具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，其特征在于:多層薄膜通過(guò)化學(xué)氣相沉積、磁控濺射局電子束蒸發(fā)工藝制備而成。4.如權(quán)利要求1、2或3所述的具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，其特征在于:各層薄膜總的厚度相加和電子在大氣環(huán)境中的平均自由程相近或更小。5.如權(quán)利要求1、2或3所述的具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，其特征在于:采用具有功函數(shù)較低的材料或者具有高場(chǎng)增強(qiáng)因子表面特性的材料作為陰極(150)。6.如權(quán)利要求1、2或3所述的具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，其特征在于:陰極(150)采用Al、Mg、石墨烯、金剛石或者碳納米管制成。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場(chǎng)發(fā)射晶體管，垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道場(chǎng)發(fā)射晶體管由三層電極和兩層介質(zhì)層構(gòu)成，在各層薄膜中央位置的真空溝道可以由刻蝕得到，溝道的長(zhǎng)度通過(guò)控制各層電極及介質(zhì)層的厚度來(lái)精確控制；當(dāng)溝道長(zhǎng)度與電子在大氣中的平均自由程相近時(shí)，器件在大氣環(huán)境工作過(guò)程中電子在溝道中與大氣分子的散射可以忽略，相當(dāng)于工作在真空環(huán)境中，圓柱形的真空導(dǎo)電溝道使陰極發(fā)射面上所有位置具有完全對(duì)稱(chēng)的加速電場(chǎng)，從而將有效避免器件工作在強(qiáng)電場(chǎng)下時(shí)，由于局部電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致的器件失效的問(wèn)題，可復(fù)雜環(huán)境中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大或調(diào)制，工作穩(wěn)定。
【IPC分類(lèi)】H01L29/10, H01L29/76, H01L29/772
【公開(kāi)號(hào)】CN105529356
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610102073
【發(fā)明人】吳勝利, 沈志華, 王曉, 張勁濤
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月27日
【申請(qǐng)日】2016年2月24日