CN102856362A - 绝缘栅控横向场发射晶体管及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种绝缘栅控横向场发射晶体管及其驱动方法，包括：第一栅介质层，具有相对的第一表面和第二表面；第一栅电极，位于所述第一栅介质层的第一表面上；收集极和发射极，位于所述第一栅介质层的第二表面上、所述第一栅电极的两侧，所述收集极和发射极彼此绝缘且二者之间具有空隙。本发明在场效应晶体管中通过发射极到收集极的场发射电流来实现导电，同时用第一栅电极来控制发射极至收集极的横向场发射的电流开关，摆脱了常规MOS场效应晶体管中沟道区域的晶格结构对载流子输运的限制，能够满足工艺发展的需要，而且具有更快的响应速度。

Description

绝缘栅控横向场发射晶体管及其驱动方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种绝缘栅控横向场发射晶体管及其驱动方法。

背景技术

随着半导体技术的发展和器件特征尺寸(CD，Critical Dimension)的不断减小，常规的MOS场效应晶体管所面对的挑战也越来越严峻。对于常规的MOS场效应晶体管，载流子在沟道中的运动方式主要包括漂移、扩散和散射。为了提高载流子迁移率，当前一大主流技术是应变硅技术，主要是对MOS晶体管的沟道区域引入应力，如张应力或压应力，从而改变沟道区域的晶格结构，改善载流子输运效率。

但是，随着器件尺寸的进一步减小，MOS场效应晶体管的沟道长度变得非常的小，载流子在短距离的沟道晶格中的弹射运动越来越显著，使得应变硅技术也将遭遇到瓶颈，无论是载流子的迁移率还是电流密度都将受到显著的影响。

因此，需要一种新的半导体器件结构以满足工艺发展的需要。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种绝缘栅控横向场发射晶体管及其驱动方法，以满足半导体工艺发展的需要。

为解决上述问题，本发明提供了一种绝缘栅控横向场发射晶体管，包括：

第一栅介质层，具有相对的第一表面和第二表面；

第一栅电极，位于所述第一栅介质层的第一表面上；

收集极和发射极，位于所述第一栅介质层的第二表面上、所述第一栅电极的两侧，所述收集极和发射极彼此绝缘且二者之间具有空隙。

可选地，所述发射极和收集极之间的间距为0.1nm至100nm。

可选地，所述第一栅介质层的厚度为0.1nm至50nm。

可选地，所述第一栅介质层的材料为SiO₂、SiON、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、HfSiO、HfAlO、HfSiON、HfAlSiO、HfTaSiO其中之一或它们的任意组合。

可选地，所述绝缘栅控横向场发射晶体管还包括第二栅介质层和第二栅电极，所述收集极和发射极位于所述第一栅介质层和第二栅介质层之间，所述第二栅电极位于所述第二栅介质层的相对于所述收集极和发射极的另一侧上并位于所述收集极和发射极之间。

可选地，所述第二栅介质层的厚度为0.1nm至50nm。

可选地，所述第二介质层的材料为SiO₂、SiON、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、HfSiO、HfAlO、HfSiON、HfAlSiO、HfTaSiO或其组合。

可选地，所述第一栅电极嵌于半导体衬底内。

可选地，所述收集极和发射极嵌于半导体衬底内。

可选地，所述收集极和发射极的材料为金属、半导体材料或导电的纳米材料。

可选地，所述收集极和发射极的材料为钼(Mo)、金(Au)、镍(Ni)、铂(Pt)、氧化铟锡(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)、碳纳米管(CNT)或石墨烯(Graphene)。

可选地，所述发射极靠近所述收集极一端的形状为针尖形或多个并联的针尖形。

可选地，所述收集极靠近所述发射极一端的形状为针尖形、多个并联的针尖形、长方形或凹槽形。

可选地，所述空隙中填充有空气或者为真空。

本发明还提供了上述任一种绝缘栅控横向场发射晶体管的驱动方法，包括：

在所述发射极和收集极之间施加驱动电压，以产生所述发射极和收集极之间的场发射电流；

在所述第一栅电极或第二栅电极上施加栅极电压，改变所述发射极与收集极之间的等效电场，以调节所述场发射电流的开关。

与现有技术相比，本发明的实施例有如下优点：

本发明实施例提供了一种绝缘栅控横向场发射晶体管，包括第一栅介质层、第一栅电极、收集极和发射极，其中第一栅电极位于第一栅介质层的第一表面上，收集极和发射极位于第一栅介质层的第二表面上、第一栅电极的两侧，收集极和发射极彼此绝缘且二者之间具有空隙。在其驱动方法中，在收集极和发射极之间施加驱动电压，使得发射极向收集极发射电子，产生场发射电流，并在第一栅电极上施加栅极电压，控制发射极到收集极的电子发射方向，以调节场发射电流的开关或者大小，从而实现类似于常规MOS场效应晶体管的功能。本实施例利用第一栅电极来控制发射极至收集极的横向场发射，摆脱了常规MOS场效应晶体管中沟道区域的晶格结构对载流子输运的限制，能够满足工艺发展的需要，而且具有更快的响应速度。

进一步的，本实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管还包括第二栅介质层和第二栅电极，所述收集极和发射极位于第一栅介质层和第二栅介质层之间，第一栅电极和第二栅电极共同控制横向的场发射，从而提高了器件的可控性。

此外，所述发射极靠近收集极一端的形状可以是针尖形或多个并联的针尖形，有利于提高发射极至收集极的电流密度。

附图说明

图1是本发明第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的剖面结构示意图；

图2是本发明本发明第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的一种俯视示意图；

图3是本发明第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的电流密度-栅极电压曲线图；

图4是本发明第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的电流密度-发射极电压曲线图；

图5是本发明第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的另一种俯视示意图；

图6是本发明第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的再一种俯视示意图；

图7是本发明第二实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的剖面结构示意图；

图8是本发明第三实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的剖面结构示意图。

具体实施方式

现有技术中常规的MOS场效应晶体管的性能受到载流子在沟道区域的晶格中的输运特性的限制，难以满足工艺不断发展的需求。

本发明实施例提供了一种绝缘栅控横向场发射晶体管，包括第一栅介质层、第一栅电极、收集极和发射极，其中第一栅电极位于第一栅介质层的第一表面上，收集极和发射极位于第一栅介质层的第二表面上、第一栅电极的两侧，收集极和发射极彼此绝缘且二者之间具有空隙。在对其进行驱动时，在收集极和发射极之间施加驱动电压，使得发射极向收集极发射电子，产生场发射电流，并在第一栅电极上施加栅极电压，控制发射极到收集极的电子发射方向，以调节场发射电流的开关或大小，从而实现类似于常规MOS场效应晶体管的功能。本实施例利用第一栅电极来控制发射极至收集极的横向场发射，摆脱了常规MOS场效应晶体管中沟道区域的晶格结构对载流子输运的限制，能够满足工艺发展的需要，而且具有更快的响应速度。

进一步的，本实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管还包括第二栅介质层和第二栅电极，所述收集极和发射极位于第一栅介质层和第二栅介质层之间，第一栅电极和第二栅电极共同控制横向的场发射，从而提高了器件的可控性。

此外，所述发射极靠近收集极一端的形状可以是针尖形或多个并联的针尖形，有利于提高发射极至收集极的电流密度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图1示出了本发明第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的剖面结构示意图，图2示出了第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的俯视图，其中，图1具体是图2沿AA′方向的剖面结构图，下面结合图1和图2进行详细说明。

第一实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管包括：第一栅介质层11，具有相对的第一表面和第二表面；第一栅电极12，位于所述第一栅介质层11的第一表面上；收集极13和发射极14，位于所述第一栅介质层11的第二表面上、所述第一栅电极12的两侧，所述收集极13和发射极14彼此绝缘且二者之间具有空隙。在本实施例中，第一栅电极12嵌于半导体衬底10内，第一栅介质层11位于半导体衬底10上，即第一栅介质层11的第一表面与半导体衬底10的表面相接。

具体的，所述半导体衬底10可以是硅衬底、锗硅衬底、III-V族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构，或本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底，本实施例中为硅衬底。所述第一栅介质层11的材料可以是常规绝缘材料、高K介电常数材料或低K介电常数材料，例如SiO₂、SiON、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、HfSiO、HfAlO、HfSiON、HfAlSiO、HfTaSiO等或它们任意组合的混合物、或它们任意组合的多层结构，本实施例中为氧化硅。所述第一栅电极12的材料为多晶硅、掺杂的多晶硅、或金属等导电材料。所述收集极13和发射极14的材料可以是金属，如Mo、Au、Ni、Pt等；也可以是半导体材料，如ITO、IZO、Si、Ge、SiGe等；还可以是导电的纳米材料，如CNT、Graphene等。

所述发射极14和收集极13之间的间距(即二者之间的空隙的宽度)L为0.1nm至100nm，所述第一栅介质层11的厚度T为0.1nm至50nm，其中L和T的具体数值可以根据器件尺寸和所需要的器件参数来进行调节。

在本实施例中，如图2所示，收集极13靠近发射极14的一端的形状为针尖形，发射极14靠近收集极13的一端的形状也为针尖形，有利于增大二者之间的横向场强，提高电流密度。

此外，参考图5，在其他具体实施例中，收集极13靠近发射极14的一端的形状可以是长方形；参考图6，收集极13靠近发射极14的一端的形状可以是多个并联的针尖形，发射极14靠近收集极13的一端的形状可以是多个并联的针尖形，以进一步提高横向场强，增大电流密度。当然，在另外的具体实施例中，所述发射极14和收集极13的形状还可以是其他形状，如凹槽形等。

仍然参考图1，在对其进行驱动时，可以在发射极14和收集极13之间施加驱动电压，本实施例中具体为发射极14接电源正极VD，收集极13接电源地GND，使得发射极14至收集极13产生横向电场，产生横向的场发射电流；之后，通过在第一栅电极12上施加栅极电压，本实施例中具体为栅电压VG，使得发射极14和收集极13之间的横向电场的方向产生偏移，即使得发射极14发出的电子的运动轨迹发生改变，从而能够通过调节栅电压VG来调节发射极14至收集极13之间的电流大小或开关，实现常规MOS场效应晶体管的功能。

具体的，用EM来表示发射极14和收集极13之间的空间电场，Ex表示空间电场的横向分量，Ey表示空间电场的纵向分量，则近似的，Ex＝VD/L，Ey＝VG/T 。根据Fowler-Nordheim遂穿电流公式：

$J=\frac{1.54\×{10}^{-6}{E}^2}{\mathrm{\φ}}\·\exp [-6.83{10}^7\frac{{\mathrm{\φ}}^{3/2}}{E}]\mathrm{\ν}(3.795\×{10}^{-4}\frac{E^{1/2}}{\mathrm{\φ}})]$

其中，E＝λE_M，为场发射有效电场；λ为电场增强因子，与发射极14和收集极13的材料形状等有关；J为场发射电流密度；Ф为发射极14的逸出功函数；ν为常数系数，一般可以取值为1，可以对发射极14和收集极13之间的电流密度进行仿真计算。假定发射极14和收集极13之间的间距L为10nm，第一栅介质层11的厚度T为2nm，逸出功函数为2.0eV，电场增强因子为10，仿真结果如图3和图4所示，其亚阈值斜率SS＝Δlog(I_D)/ΔVG，小于60mV/dec，其中ID是发射极14与收集极13之间的场发射电流。此外，发射极14和收集极13之间可以是真空(＜1x10^-5Pa)，也可以填充有空气，即为低压或者常压状态，此外，还可以填充有其他适合场发射的导电材料。当发射极14和收集极13是真空状态时，电子的运动速度大于1e7cm/s，远远大于电子在半导体材料晶格中的移动速度(其最大为1e7cm/s，并受到晶格、杂质、缺陷等多种因素的散射影响)，因此，本实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管与常规的MOS场效应晶体管相比，具有更快的响应速度。

需要说明的是，图3和图4的曲线是针对图1和图2所示的绝缘栅控横向场发射晶体管结构仿真计算得到的。

图7示出了第二实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管的剖面结构示意图，包括：第一栅介质层21，具有相对的第一表面和第二表面；第一栅电极22，位于所述第一栅介质层21的第一表面上；收集极23和发射极24，位于所述第一栅介质层21的第二表面上、所述第一栅电极22的两侧，所述收集极23和发射极24彼此绝缘且二者之间具有空隙。与图1所示的第一实施例不同，第二实施例中，收集极23和发射极24是嵌于半导体衬底20中的，第一栅介质层21覆盖半导体衬底20、收集极23、发射极24并横跨在收集极23和发射极24之间的空隙上，第一栅电极22位于第一栅介质层21上。

关于半导体衬底20、第一栅介质层21、第一栅电极22、收集极23和发射极24的材料、尺寸，以及发射极24、收集极23的形状请参照第一实施例，这里不再赘述。

图8示出了第三实施例的绝缘栅控横向场发射晶体管剖面结构示意图，包括：第一栅介质层31，具有相对的第一表面和第二表面；第一栅电极32，位于所述第一栅介质层31的第一表面上；收集极33和发射极34，位于所述第一栅介质层31的第二表面上、所述第一栅电极32的两侧，所述收集极33和发射极34彼此绝缘且二者之间具有空隙；第二栅介质层35，所述收集极33和发射极34位于所述第一栅介质层31和第二栅介质层35之间；第二栅电极36，位于所述第二栅介质层35的相对于所述收集极33和发射极34的另一侧上并位于所述收集极33和发射极34之间。其中，第二栅电极36、第二栅介质层35、收集极33和发射极34嵌于半导体衬底30中，第一栅介质层31覆盖半导体衬底30、收集极33、发射极34并横跨收集极33和发射极34之间的空隙，第一栅电极32位于第一栅介质层31上。

第一栅介质层31和第二栅介质层35的厚度为0.1nm至50nm，发射极34和收集极33之间的间距为0.1nm至100nm。第一栅介质层31和第二栅介质层35的材料可以是常规绝缘材料、高K介电常数材料或低K介电常数材料，例如SiO₂、SiON、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、HfSiO、HfAlO、HfSiON、HfAlSiO、HfTaSiO等或它们任意组合的混合物、或它们任意组合的多层结构。

所述半导体衬底30、发射极34和收集极33的材料以及发射极34和收集极33的形状请参照第一实施例的描述，这里不再赘述。

在对本实施例中的绝缘栅控横向场发射晶体管进行驱动时，可以在发射极34和收集极33之间施加驱动电压，本实施例中收集极33连接电源地GND，发射极34连接电源正极VD，从而在二者之间激发产生出场发射电流；之后在第一栅电极32上施加栅极电压，本实施例中第一栅电极32连接栅极正电压+VG，第二栅电极36连接栅极负电压-VG，使用第一栅电极32和第二栅电极36来共同控制发射极34至收集极33之间的横向发射电场，以调节场发射电流的大小或开关，增强了器件的可控性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (15)

1.一种绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，包括：

第一栅介质层，具有相对的第一表面和第二表面；

第一栅电极，位于所述第一栅介质层的第一表面上；

收集极和发射极，位于所述第一栅介质层的第二表面上、所述第一栅电极的两侧，所述收集极和发射极彼此绝缘且二者之间具有空隙。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述发射极和收集极之间的间距为0.1nm至100nm。

3.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述第一栅介质层的厚度为0.1nm至50nm。

4.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述第一栅介质层的材料为SiO₂、SiON、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、HfSiO、HfAlO、HfSiON、HfAlSiO、HfTaSiO其中之一或它们的任意组合。

5.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，还包括第二栅介质层和第二栅电极，所述收集极和发射极位于所述第一栅介质层和第二栅介质层之间，所述第二栅电极位于所述第二栅介质层的相对于所述收集极和发射极的另一侧上并位于所述收集极和发射极之间。

6.根据权利要求5所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述第二栅介质层的厚度为0.1nm至50nm。

7.根据权利要求5所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述第二栅介质层的材料为SiO₂、SiON、Si₃N₄、ZrO₂、HfO₂、Al₂O₃、HfSiO、HfAlO、HfSiON、HfAlSiO、HfTaSiO其中之一或它们的任意组合。

8.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述第一栅电极嵌于半导体衬底内。

9.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述收集极和发射极嵌于半导体衬底内。

10.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述收集极和发射极的材料为金属、半导体材料或导电的纳米材料。

11.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述收集极和发射极的材料为钼、金、镍、铂、氧化铟锡、铟锌氧化物、硅、锗、硅锗、碳纳米管或石墨烯。

12.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述发射极靠近所述收集极一端的形状为针尖形或多个并联的针尖形。

13.根据权利要求12所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述收集极靠近所述发射极一端的形状为针尖形、多个并联的针尖形、长方形或凹槽形。

14.根据权利要求1所述的绝缘栅控横向场发射晶体管，其特征在于，所述空隙中填充有空气或者为真空。

15.权利要求1至14中任一种绝缘栅控横向场发射晶体管的驱动方法，其特征在于，包括：

在所述发射极和收集极之间施加驱动电压，以产生所述发射极和收集极之间的场发射电流；

在所述第一栅电极或第二栅电极上施加栅极电压，改变所述发射极与收集极之间的等效电场，以调节所述场发射电流的开关。

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