一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場發(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)電溝道的場發(fā)射晶體管。
【【背景技術(shù)】】
[0002]在過去的幾十年中，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、壽命長及更利于集成的特點。
[0003]然而，真空電子器件工作在真空環(huán)境中，電子在傳輸過程中不會受到晶格散射，同時電子的傳輸速率可以達到光速，遠大于電子在固態(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，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)點結(jié)合起來，制造出了具有真空導(dǎo)電溝道的場發(fā)射晶體管。這種具有真空導(dǎo)電溝道的場發(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極間納米級裂縫的制備工藝比較復(fù)雜，且不能得到穩(wěn)定長時間的場發(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)境中對信號進行放大或調(diào)制，具有制備方法簡單，工作穩(wěn)定的優(yōu)點。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0007]—種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場發(fā)射晶體管，包括從上至下依次垂直疊加的陰極、柵極和陽極及在三層電極中間的兩層陽極介質(zhì)層，三層電極及陽極介質(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)陽極，其他電極及中間陽極介質(zhì)層通過在硅基底上依次制作多層薄膜形成，通過控制各層薄膜厚度精確控制真空導(dǎo)電溝道的長度。
[0008]進一步，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]進一步，多層薄膜通過化學(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]進一步，采用具有功函數(shù)較低的材料或者具有高場增強因子表面特性的材料作為陰極。
[0012]進一步，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)納米級裂縫的寬度及真空導(dǎo)電溝道的長度可以通過控制各層薄膜的厚度來精確控制，制備方法簡單，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稱的加速電場，從而將有效避免器件工作在強電場下時，由于局部電場過強而導(dǎo)致的器件失效的問題，可復(fù)雜環(huán)境中對信號進行放大或調(diào)制，工作穩(wěn)定。
[0014]進一步，多層薄膜可以通過化學(xué)氣相沉積、磁控濺射和電子束蒸發(fā)等工藝制備，其中陽極可以由硅基底充當(dāng)；圓柱形真空導(dǎo)電溝道可以通過等離子體刻蝕、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增強因子的材料制備;各層薄膜總的厚度相加起來要和電子在大氣環(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，電子發(fā)射面上理論上具有完全相同的切向電場分布，當(dāng)電壓較高時，此特性將有效減小因為局部電場過大引起的器件失效。
[0015]進一步，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。
【【附圖說明】】
[0016]圖1是垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場發(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)明實施例之二；
[0020]圖中:陽極100、柵極210、陰極150、陽極介質(zhì)層140、柵介質(zhì)層120;
【【具體實施方式】】
[0021]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但不限于這些實施例。
[0022]圖1示出了垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場發(fā)射晶體管結(jié)構(gòu)，其中包含了陽極100、柵極210、陰極150以及在三層電極中間的兩層陽極介質(zhì)層140和柵介質(zhì)層120。各層電極和介質(zhì)通過標(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，通過控制各層薄膜厚度精確控制真空導(dǎo)電溝道的長度。
[0023]多層薄膜可以通過化學(xué)氣相沉積、磁控濺射和電子束蒸發(fā)等工藝制備，其中陽極可以由硅基底充當(dāng)；圓柱形真空導(dǎo)電溝道可以通過等離子體刻蝕、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增強因子的材料制備;各層薄膜總的厚度相加起來要和電子在大氣環(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，電子發(fā)射面上理論上具有完全相同的切向電場分布，當(dāng)電壓較高時，此特性將有效減小因為局部電場過大引起的器件失效。
[0024]圖2示出了垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場發(fā)射晶體管的工作原理示意圖，在陽極100和柵極210上分別加上正偏壓時，在陰極150電子發(fā)射表面形成加速電場。由于柵極的屏蔽效應(yīng)和薄膜邊緣場增強效應(yīng)，在發(fā)射面處的加速電場強度遠大于陰極150和柵介質(zhì)層120遠離真空溝道的界面處的電場的強度，電子在強加速電場的作用下，隧穿真空能級并從陰極表面發(fā)射出去，被陽極收集形成溝道電流。柵極偏壓可以有效控制陰極發(fā)射面處的電場強度，從而有效調(diào)制溝道電流。由于總的溝道長度小于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)明實施例之一。采用標(biāo)準(zhǔn)的薄膜生長工藝依次在硅基底上生長出陽極介質(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)射面上的加速電場的分布完全對稱，器件不容易出現(xiàn)由發(fā)射面上的不均勻分布電場而產(chǎn)生的局部強電場所導(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)明實施例之二。采用標(biāo)準(zhǔn)的薄膜生長工藝依次在硅基底上生長出陽極介質(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，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。這種結(jié)構(gòu)可能會減小溝道電子在傳輸過程中與溝道側(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:
[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發(fā)射晶體管，真空導(dǎo)電溝道長度可以通過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的陰陽極距離。
[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，減少因為局部電壓過大導(dǎo)致的器件失效。
【主權(quán)項】
1.一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形導(dǎo)電溝道的場發(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)和陽極(100)及在三層電極中間的兩層陽極介質(zhì)層(140)，三層電極及陽極介質(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)陽極(100)，其他電極及中間陽極介質(zhì)層通過在硅基底上依次制作多層薄膜形成，通過控制各層薄膜厚度精確控制真空導(dǎo)電溝道的長度。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)電溝道的場發(fā)射晶體管，其特征在于:多層薄膜通過化學(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增強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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道的場發(fā)射晶體管，垂直結(jié)構(gòu)圓柱形真空溝道場發(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，溝道的長度通過控制各層電極及介質(zhì)層的厚度來精確控制；當(dāng)溝道長度與電子在大氣中的平均自由程相近時，器件在大氣環(huán)境工作過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稱的加速電場，從而將有效避免器件工作在強電場下時，由于局部電場過強而導(dǎo)致的器件失效的問題，可復(fù)雜環(huán)境中對信號進行放大或調(diào)制，工作穩(wěn)定。
【IPC分類】H01L29/10, H01L29/76, H01L29/772
【公開號】CN105529356
【申請?zhí)枴緾N201610102073
【發(fā)明人】吳勝利, 沈志華, 王曉, 張勁濤
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2016年2月24日