CN108242466B - 场发射器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种场发射器件，包括叠层设置的衬底和缓冲层；缓冲层上设置有发射极层，发射极层包括依次叠层设置的第一半导体层和第二半导体层；缓冲层上还设置有使发射极层嵌入其中的离子注入层，离子注入层具有一缺口，以使发射极层的发射端面从缺口处暴露出，发射端面包括相互邻接的至少部分第一半导体层的端面以及至少部分第二半导体层的端面；离子注入层的缺口处设置有集电极层，集电极层的端面与发射端面相对并且两者之间具有沟道；发射极层上还依次叠层设置有栅介质层和栅极。该场发射器件是一种具有横向结构、且具有纳米空气沟道的场发射器件，该场发射器件通过栅极实现了场发射器件的开关控制。本发明还提供了上述场发射器件的制作方法。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体地讲，涉及一种场发射器件及其制作方法。
背景技术
场发射器件在真空微电子(包括超高速高频器件、场发射显示器和微波放大器等)方面有着广泛的应用，场发射阴极作为真空微电子器件的核心而倍受关注。要实现优异的场发射特性，主要通过降低场发射阴极的电子亲和势以及采用纳米结构提高场增强因子来实现。其中，半导体材料因其成熟的微纳加工制造技术，近年来成为场发射阴极材料研究的一个热点领域。
在半导体材料中，某些半导体材料具有低的电子亲和势或者负电子亲和势，如GaN的电子亲和势约2.7eV～3.3eV，极可能致使在异质结构中形成较低发射势垒，且半导体材料N型掺杂容易实现高的电子浓度，是理想的场发射阴极材料。
在场发射器件中，横向结构场发射器件可以通过微纳加工实现发射阴极-集电极之间距离的控制，且横向结构场发射器件比垂直结构场发射器件更容易集成。但是，由于横向结构场发射器件需要经过后续复杂工艺来实现，因此，如何实现横向结构场发射器件对未来器件的制备和应用都至关重要。在横向场发射器件的制作过程中，如何实现纳米级阴极与阳极间距以及通过栅极实现场发射器件的开关控制为成为器件制备的关键工艺。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种场发射器件及其制作方法，该场发射器件为一具有横向结构的场发射器件，具有更高的增强因子。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种场发射器件，包括衬底和设置在所述衬底上的缓冲层；所述缓冲层上设置有发射极层，所述发射极层包括依次叠层设置的第一半导体层和第二半导体层；所述缓冲层上还设置有离子注入层，所述发射极层嵌入所述离子注入层中，且所述离子注入层具有一缺口，以使所述发射极层的发射端面从所述缺口处暴露出，所述发射端面包括相互邻接的至少部分第一半导体层的端面以及至少部分第二半导体层的端面；所述离子注入层的缺口处设置有集电极层，所述集电极层的端面与所述发射端面相对并且两者之间具有沟道；所述发射极层上还依次叠层设置有栅介质层和栅极。
进一步地，所述第一半导体层和所述第二半导体层的连接界面处形成二维电子气结构。
进一步地，所述第一半导体层的材料为GaN，所述第二半导体层的材料为AlGaN；或所述第一半导体层的材料为GaAs，所述第二半导体层的材料为AlGaAs；或所述第一半导体层的材料为InAs，所述第二半导体层的材料为GaSb。
进一步地，所述集电极层的材料为金属电极材料。
进一步地，所述发射端面的角度为0°～180°。
进一步地，所述集电极层的顶面高于所述发射极层的顶面。
进一步地，所述沟道的宽度不超过100nm。
本发明的另一目的在于提供一种如上任一所述的场发射器件的制作方法，包括：在衬底上依次形成缓冲材料层、发射极材料层和栅介质材料层；其中，所述发射极材料层包括依次叠层设置的第一半导体材料层和第二半导体材料层；对所述缓冲材料层、发射极材料层、栅介质材料层进行离子注入，形成缓冲层、位于所述缓冲层上的离子注入层、以及依次叠层设置在所述缓冲层上的发射极层和栅介质层；所述离子注入层环绕在所述发射极层和栅介质层的四周；在所述栅介质层上制备栅极；去除部分所述离子注入层形成一缺口，以使所述发射极层的发射端面从所述缺口处暴露出，所述发射端面包括连续的第一区域和第二区域，所述第一区域位于所述第一半导体层的端面，所述第二区域位于所述第二半导体层的端面；制备介质膜层，使得所述介质膜层完全覆盖所述发射端面；在所述离子注入层的缺口处制备集电极层，所述集电极层的端面与所述发射端面相对；去除所述介质膜层，在所述发射极层与所述集电极层之间形成所述沟道。
进一步地，所述介质膜层的厚度不超过100nm。
进一步地，在去除部分所述离子注入层时，部分所述栅介质层和部分所述发射极层被一并去除，所述集电极层与所述第一半导体层相接触。
本发明提供了一种具有横向场发射、且间距纳米级空气沟道的场发射器件，该场发射器件中的发射端面能够呈0°～180°之间的任意角度。在该场发射器件中，一方面第一半导体层和第二半导体层的界面处所形成的二维电子气能够提高该场发射器件的增强因子，另一方面栅极可利用该二维电子气来控制器件的开关；同时，通过离子注入层的隔离作用实现了有源区的有效隔离，减少漏电流的产生。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例1的场发射器件的剖面结构示意图；
图2是图1中的场发射器件在去除集电极层后的局部结构示意图；
图3是图1中X区域的局部放大图；
图4是根据本发明的实施例1的场发射器件的SEM图片；
图5是根据本发明的实施例1的场发射器件在栅电压为0V时的I-V曲线；
图6是根据本发明的实施例1的场发射器件的转移特征曲线；
图7是根据本发明的实施例1的场发射器件的输出特性曲线；
图8-图14是根据本发明的实施例2的场发射器件的制作方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。
实施例1
图1是根据本实施例的场发射器件的结构示意图，图2是图1中的场发射器件在去除集电极层后的局部结构示意图，图3是图1中X区域的局部放大图。
参照图1-图3，根据本实施例的场发射器件包括：衬底1、依次叠层设置在衬底1上的缓冲层2、发射极层3、栅介质层4，设置在缓冲层2上并环绕在发射极层3、栅介质层4四周的离子注入层5；设置在发射极层3上的欧姆接触6；设置在栅介质层4上的栅极7；以及设置在离子注入层5上的集电极层8。
其中，离子注入层5在环绕发射极层3时具有一缺口51，该发射极层3的发射端面B从该缺口51处暴露出。
具体来讲，发射极层3包括依次叠层设置的第一半导体层31和第二半导体层32，而该发射端面B包括相互邻接的至少部分第一半导体层31的端面以及至少部分第二半导体层32的端面。也就是说，由缺口51处暴露出的发射端面B要包括相互邻接的第一区域(图中未示出)和第二区域(图中未示出)，其中第一区域位于第一半导体层31朝向缺口51处的端面上，而第二区域位于第二半导体层32朝向缺口51处的端面上。
相应地，集电极层8具有与发射端面B相对的端面，且在两个端面之间具有一沟道A；也就是说，在发射极层3与集电极层8之间即形成沟道A。
在本实施例中，该沟道A是一种空气沟道，且其间距不超过100nm。如此，该沟道A的间距即小于电子在空气中的平均自由程，从而使得该场发射器件在大气压下工作时电子的传输不受影响，保证器件的良好性能。
第一半导体层31和第二半导体层32的连接界面处形成二维电子气，该二维电子气的结构即可用作发射极层3的发射尖端，如此，即可将发射端面B的角度设置成0°～180°的任意角度，而无需设置为30°、60°等具有较小角度的尖锐的形状。同时，该二维电子气还保证了栅极7可利用其来控制该场发射器件的开关。
在本实施例中，为了简化制作工艺，该发射端面B的角度为180°，也就是说，该发射端面B呈一平面状。
与上述二维电子气相对应地，第一半导体层31的材料为GaN，第二半导体层32的材料为AlGaN；或第一半导体层31的材料为GaAs，第二半导体层32的材料为AlGaAs；或第一半导体31层的材料为InAs，第二半导体层32的材料为GaSb。
在本实施例中，第一半导体层31的材料为GaN，第二半导体层32的材料为AlGaN；如此，第一半导体层31和第二半导体层32即形成了GaN/AlGaN超晶格结构。GaN材料具有非常好的电子场发射性能，主要表现为禁带宽度大、电子亲和势低、化学和力学稳定性高以及不易产生溅射腐蚀等优点，因此其可以作为场发射器件的发射极层3的材料，以使场发射器件的发射极层3具有较长的发射寿命；并且GaN基超晶格结构具有极强的自发极化和压电极化现象；此外，GaN/AlGaN超晶格结构包含着具有不同价带的合金，从而改善了能带特性，价带边缘的周期性振荡也增加了载流子的数目。
具体地，集电极层8的材料为金属电极材料，如可以是叠层设置的Cr/Mo或Mo等。
为了保证场发射过程中集电极层8能够有效地收集由发射极层3发出的电子，集电极层8的高度要高于发射极层3的高度；也就是说，集电极层8的顶面要高于发射极层3的顶面。
具体地，在本实施例中，缓冲层2的材料为高阻GaN；栅介质层4的材料为硅氮化合物；欧姆接触6的材料为依次叠层设置的Ti/Al/Ni/Au；栅极7的材料为叠层设置的Cr/Au。
优选地，欧姆接触6和栅极7均延伸并覆盖部分离子注入层5。
本实施例的场发射器件可以广泛地应用于真空微电子领域，同时该场发射器件无需真空封装即可在大气压下工作。
对本实施例的场发射器件的性能进行了表征与测试。
对本实施例的场发射器件进行了透射电镜测试(简称SEM)，其测试结果如图4所示。从图4中可以看出，左侧为该场发射器件的发射极层3，而右侧为该场发射器件的集电极层8，发射极层3与集电极层8之间的宽度约为45nm；也就是说，在该场发射器件中，沟道A的间距为45nm，能够保证该场发射器件的正常使用。
图5为本实施例的场发射器件在栅电压Vg为0V时的I-V曲线。为了更清晰地表明集电极电流Ic的大小，在图5中，采用双纵坐标的方式来表示；左侧纵坐标为集电极电流Ic，右侧纵坐标为该集电极电流Ic的对数(以10为底)。从图5中可以看出，该场发射器件的开启电压约为2.6V。
图6为本实施例的场发射器件的转移特征曲线，从图6中可以看出，当栅电压Vg大于-13.15V的阈值电压时，集电极电流Ic明显增加，栅漏电Ig约为5pA。
图7为本实施例的场发射器件的输出特性曲线，从图7中可以看出，当栅电压Vg为-13V、集电极电压Vc为4V时，该场发射器件的跨导gm可根据式(1)算得约为400μS。
gm＝dIc/dVg (1)
由此可以看出，本实施例的场发射器件栅漏电较低，栅极7对作为收集极的集电极层8的电流控制作用良好，器件性能良好。
实施例2
本实施例公开了实施例1所述的场发射器件的制作方法。
具体参照图8-图14，根据本实施例的场发射器件的制作方法包括如下步骤：
S1、在衬底1上依次制备缓冲材料层2a、第一半导体材料层31a、第二半导体材料层32a和栅介质材料层4a；如图8。
在本实施例中，衬底1的材料可选自蓝宝石、GaN、SiC等材料；缓冲材料层2a的材料优选为高阻GaN。
第一半导体材料层31a和第二半导体层32a组成发射极材料层3a；第一半导体层31a和第二半导体层32a的界面处能够形成二维电子气结构311，该二维电子气结构311即可作为后续获得的发射极层的发射尖端，从而免于对发射极层的发射端面角度的要求。当然，第一半导体材料层31a和第二半导体材料层32a的材料并不限于本实施例中所述，如还可以是第一半导体材料层31a的材料为GaAs，对应第二半导体材料层32a的材料为AlGaAs；或第一层半导体材料层31a的材料为InAs，对应第二半导体材料层32a的材料为GaSb。
具体来讲，栅介质材料层4a的沉积方法、厚度和种类可根据工艺具体要求进行调整，本领域技术人员参照现有技术即可。在本实施例中，栅介质材料层4a的材料为硅氮化合物。
S2、对缓冲材料层2a、发射极材料层3a、栅介质材料层4a进行离子注入，形成缓冲层2、位于缓冲层2上的离子注入层5、以及依次叠层设置在缓冲层2上的发射极层3和栅介质层4，离子注入层5环绕在发射极层3和栅介质层4的四周；发射极层3包括依次叠层设置在缓冲层2上的第一半导体层31和第二半导体层32；如图9。
具体地，首先，采用光刻工艺图形化，并结合离子注入工艺对缓冲材料层2a、发射极材料层3a、栅介质材料层4a的四周进行离子注入，隔离形成有源区；然后，湿法去除离子注入时残留的光刻胶，形成了如图9所示的离子注入层5。
离子注入层5的设置可以保证位于其内部的有源区与外围材料的有效隔离，从而使后续制备的栅极能够良好地控制工作时的工作状态，减少漏电的不良现象。
S3、在第二半导体层32上制备欧姆接触5，在栅介质层4上制备栅极6；如图10和图11。
在本实施例中，欧姆接触5优选延伸并覆盖部分离子注入层5。
具体地，首先，采用干法刻蚀工艺去除部分栅介质层4，使得第二半导体层32部分外露；然后，依次进行Ti/Al/Ni/Au的沉积和剥离工艺，在第二半导体层32和离子注入层5上形成如图10中的欧姆接触5。
当然，欧姆接触5的材料可根据第二半导体层32的具体材料来确定，同时，欧姆接触5的具体制备工艺可根据其是否需进行退火而确定，此处不再赘述，本领域技术人员参照现有技术即可。
在本实施例中，栅极6也优选延伸并覆盖部分离子注入层5。
更为具体地，在栅介质层4及离子注入层5上进行栅金属Cr/Au的光刻、沉积和剥离，形成如图11中的栅极6。
S4、去除部分离子注入层5形成一缺口51，使得第一半导体层31、第二半导体层32和栅介质层4的端面由缺口51处外露；如图12。
如此，外露的第一半导体层31和第二半导体层32的端面即形成发射端面B；而栅介质层4的顶面、栅介质层4的侧端面、发射端面B以及离子注入层5的缺口51处即形成一“台阶状”的结构。
也就是说，发射端面B包括相互邻接的至少部分第一半导体层31朝向缺口51的端面以及至少部分第二半导体层32朝向缺口的端面。
考虑到工艺需求，一般难以恰好将上述区域处的离子注入层5完全去除，因此一般可通过光刻和刻蚀工艺将部分有源区及与该部分有源区相连接的部分离子注入层5一并去除，以使第一半导体层31、第二半导体层32和栅介质层4的端面一并露出。
鉴于上述二维电子气结构311的作用，此时发射端面B即对其角度可没有要求，为简化工艺，本实施例中该发射端面B的角度为180°，也就是说，呈一水平状。
S5、制备介质膜层9，使得介质膜层9完全覆盖发射端面B；如图13。
一般地，控制介质膜层9的厚度不超过100nm。
在本实施例中，采用原子层沉积工艺(简称ALD工艺)在离子注入层5的缺口51处以及栅介质层4的表面延伸沉积介质膜层9，使得该介质膜层9覆盖上述形成的台阶。
S6、在离子注入层5的缺口51处制备集电极层8；如图14。
如此，集电极层8的一个端面与发射端面B相对。在本实施例中，集电极层8与第一半导体层31的上表面部分接触，但其是否接触对最终获得的场发射器件的性能影响不大。
具体地，采用光刻、镀膜、剥离的工艺在去除了离子注入层5的区域制备集电极层8；集电极层8的材料为金属电极材料，如可以是Cr/Au等叠层金属电极材料，也可以是Mo等单层金属电极材料。
为了在场发射过程中集电极层8能够更为有效地收集由发射极层3的发射端面B发出的电子，在制备集电极层8时，保证集电极层8的顶面高度要高于发射极层3的顶面。
S7、去除介质膜层9，在发射极层3与集电极层8之间形成沟道A。
通过湿法腐蚀工艺去除位于发射极层3及集电极层8之间的介质膜层9，如此，即在发射极层3与集电极层8之间形成了沟道A，以作为空气沟道；即制作获得了如图1所示的场发射器件。
该形成的沟道A的间距即为上述介质膜层9的厚度，其小于电子在空气中的平均自由程，使得最终获得的场发射器件在大气压下工作时电子的传输不受影响，保证了器件性能。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (9)
1.一种场发射器件，包括衬底和设置在所述衬底上的缓冲层；其特征在于，所述缓冲层上设置有发射极层，所述发射极层包括依次叠层设置的第一半导体层和第二半导体层；所述缓冲层上还设置有离子注入层，所述发射极层嵌入所述离子注入层中，且所述离子注入层具有一缺口，以使所述发射极层的发射端面从所述缺口处暴露出，所述发射端面包括相互邻接的至少部分第一半导体层的端面和至少部分第二半导体层的端面；所述离子注入层的缺口处设置有集电极层，所述集电极层的端面与所述发射端面相对并且两者之间具有沟道；所述发射极层上还依次叠层设置有栅介质层和栅极；
其中，所述第一半导体层和所述第二半导体层的连接界面处形成二维电子气结构，所述二维电子气结构用于作为所述发射极层的发射尖端。
2.根据权利要求1所述的场发射器件，其特征在于，所述第一半导体层的材料为GaN，所述第二半导体层的材料为AlGaN；
或所述第一半导体层的材料为GaAs，所述第二半导体层的材料为AlGaAs；
或所述第一半导体层的材料为InAs，所述第二半导体层的材料为GaSb。
3.根据权利要求1所述的场发射器件，其特征在于，所述集电极层的材料为金属电极材料。
4.根据权利要求1-3任一所述的场发射器件，其特征在于，所述发射端面的角度为0°～180°。
5.根据权利要求1-3任一所述的场发射器件，其特征在于，所述集电极层的顶面高于所述发射极层的顶面。
6.根据权利要求1-3任一所述的场发射器件，其特征在于，所述沟道的宽度不超过100nm。
7.一种如权利要求1-6任一所述的场发射器件的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次形成缓冲材料层、发射极材料层和栅介质材料层；其中，所述发射极材料层包括依次叠层设置的第一半导体材料层和第二半导体材料层；
对所述缓冲材料层、发射极材料层、栅介质材料层进行离子注入，形成缓冲层、位于所述缓冲层上的离子注入层、以及依次叠层设置在所述缓冲层上的发射极层和栅介质层；所述离子注入层环绕在所述发射极层和栅介质层的四周；
在所述栅介质层上制备栅极；
去除部分所述离子注入层形成一缺口，以使所述发射极层的发射端面从所述缺口处暴露出，所述发射端面包括相互邻接的至少部分第一半导体层的端面以及至少部分第二半导体层的端面；
制备介质膜层，使得所述介质膜层完全覆盖所述发射端面；
在所述离子注入层的缺口处制备集电极层，所述集电极层的端面与所述发射端面相对；
去除所述介质膜层，在所述发射极层与所述集电极层之间形成所述沟道。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述介质膜层的厚度不超过100nm。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在去除部分所述离子注入层时，部分所述栅介质层和部分所述发射极层被一并去除，所述集电极层与所述第一半导体层相接触。
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