CN109449069A - 一种基极调制的真空沟道纳米三极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基极调制的真空沟道纳米三极管及其制备方法，该纳米三极管包括发射极、集电极、基极、绝缘衬底以及电场产生装置；集电极与发射极间的电子输运距离保持在纳米尺度，因其小于/接近电子与气体分子碰撞的平均自由程，使得器件工作驱动电压小于分子的第一离子化势；所述电场产生装置在集电极和发射极之间以及基极上产生均匀可调的电场，用于电子发射和电场调控。该结构拟结合真空电子器件和半导体固态器件各自的优点，制备真空纳米沟道将电子器件的尺寸压缩到纳米尺度的范围内，以期实现获得低工作电压，高电流密度，并可在非严格真空气氛下工作的真空三极管器件。在新型纳米材料制备技术、纳米加工技术和大规模集成电路工艺高集成化中有极强的应用潜力。

Description

一种基极调制的真空沟道纳米三极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基极调制的真空沟道纳米三极管及其制备方法，属于真空纳米电子器件领域。

背景技术

目前真空电子器件的工艺仍然采用传统的机械加工和真空封接工艺，器件还是分立形式，功耗也相对较大，基于该型器件的系统设计与维护保障的难度也比较大。冷阴极、新型纳米场致发射材料和纳米加工技术的发展促进了真空微/纳电子器件的发展，使真空电子器件的集成化具备了一定的可行性，但是早期由于设计思想和加工工艺的限制，实际上是在增加成本的情况下反而降低了器件的性能优势与可靠性。

真空微/纳电子器件的发展瓶颈不在于器件理论的落后，也不是应用需求的稀缺，更不是固态器件的现实竞争挤压，而是在于如何保证电子器件优异性能(快速响应)的同时又能提高集成度和降低功耗。而与现有半导体工艺真正兼容，只有达到这些要求才能真正地具备两者优势。

发明内容

基于纳米间隙的真空沟道纳米三极管器件既保留了真空器件大功率、快速响应和高频率等优点，又可以实现微型化和集成化的特点，本发明提供一种基极调制的真空沟道纳米三极管及其制备方法。本发明拟结合未来电子信息领域对于高速电子器件的要求，结合真空电子器件和半导体固态器件各自的优点，制备纳米间隙将真空电子器件的尺寸压缩到纳米尺度的范围内，以期实现获得低工作电压，高电流密度，并可在非严格真空气氛下工作的真空三极管器件。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基极调制的真空沟道纳米三极管，包括发射极、集电极、基极、电场产生装置和绝缘衬底；所述发射极、集电极设置在所述绝缘衬底的上表面，所述基极设置在所述绝缘衬底的上表面或下表面，所述发射极、集电极的尖端之间的间距保持在纳米尺度，形成纳米沟道；所述电场产生装置在发射极和集电极、基极之间产生均匀可调的电场，用于电子发射和电场调控。

作为本发明的进一步技术方案，所述发射极、集电极、基极的制备材料为金属/半导体材质。

作为本发明的进一步技术方案，所述发射极、集电极的尖端之间的间距小于/接近电子与气体分子碰撞的平均自由程。

作为本发明的进一步技术方案，所述发射极、集电极的尖端之间的间距为10～100nm。

作为本发明的进一步技术方案，所述氧化物绝缘衬底的厚度为100～1000nm。

作为本发明的进一步技术方案，所述绝缘衬底为氧化物绝缘衬底。

另一方面，本发明还提供一种如上任一所述一种基极调制的真空沟道纳米三极管的制备方法，具体为：

若所述基极设置在所述绝缘衬底的上表面，则该制备方法为：首先，在绝缘衬底的上表面制备发射极和集电极，发射极和集电极的尖端之间的间距保持在纳米尺寸，形成纳米沟道；然后，在绝缘衬底的上表面、纳米沟道的邻近处制备基极，形成侧部基极；最后，通过金属引线将发射极、集电极、基极与电场产生装置连接；

若所述基极设置在所述绝缘衬底的下表面，则该制备方法为：首先，在所选基底的表面制备基极，形成底部基极；然后，在底部基极的上表面制备绝缘层，作为绝缘衬底；再后，在绝缘衬底的上表面制备发射极和集电极，发射极和集电极的尖端之间的间距保持在纳米尺寸，形成纳米沟道；最后，通过金属引线将发射极、集电极、基极与电场产生装置连接。

作为本发明的进一步技术方案，发射极和集电极的制备材料为石墨烯。

作为本发明的进一步技术方案，在绝缘衬底的上表面制备发射极和集电极具体为：首先，通过化学气相沉积法在铜箔表面制得石墨烯薄膜；然后，通过湿法转移的方式将石墨烯薄膜转移到绝缘衬底的上表面；再后，利用电子束光刻的工艺在石墨烯薄膜表面形成图形化掩膜，采用聚焦离子束刻蚀的工艺在石墨烯薄膜上刻蚀出纳米沟道，形成石墨烯发射极和集电极。

作为本发明的进一步技术方案，利用热蒸发工艺在绝缘衬底的上表面的纳米沟道临近处沉积金电极作为基极，或利用磁控溅射在重掺杂硅片的表面制备铝薄膜电极作为基极。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明提供的基极电场调制的真空沟道纳米三极管及其制备方法，当改变电场产生装置产生的电压差时，由于电极之间的距离非常短，在很小的工作电压下将形成极大的电场，从而同时实现低工作电压，高电流密度；当发射极和收集极之间的距离小于电子的平均自由程时，电子可进行弹道传输，器件真空封装的要求就不再那么严格，而且场发射开启电压也被降低到小于空气分子的电离化势；工艺难度大大降低，且大部分工艺与大规模集成电路工艺接近或类似，这为该型器件的集成化奠定了基础；

2)场致发射电子器件结构的平面微型化是实现传统真空电子器件与现行半导体工艺相结合，并弥补半导体固态电子器件不足的一个可行性途径，这里提出的纳米间隙电极之间的距离小于大气下的平均电子自由程，电子可进行弹道传输，因此可以实现器件的高频化与小型化；

3)本发明具有无需严格真空封装的优势，结合新型纳米材料制备技术、纳米加工技术和大规模集成电路工艺可以实现高集成化，最终满足轻便、低功耗的工作要求。

附图说明

图1为本发明中纳米间隙的制备过程。

图2为本发明中的一种侧部基极结构俯视示意图。

图3为本发明中的一种侧部基极结构立体示意图。

图4为本发明中的一种底部基极结构俯视示意图。

图5为本发明中的一种底部基极结构立体示意图。

图2、3、4、5中：1为发射极，2为集电极，3为基极，4为电场产生装置，5为绝缘衬底。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明一种基极调制的真空沟道纳米三极管，包括发射极1、集电极2、基极3、电场产生装置4和绝缘衬底5；所述发射极1、集电极2设置在所述绝缘衬底5的上表面，所述基极3设置在所述绝缘衬底5的上表面或下表面，所述发射极1、集电极2的尖端之间的间距保持在纳米尺度，形成纳米沟道；所述电场产生装置4在发射极1和集电极2、基极3之间产生均匀可调的电场，用于电子发射和电场调控。

本发明提出的基极调制的真空沟道纳米三极管，包括制备在绝缘衬底5上表面的发射极1和集电极2，两电极的尖端间距保持在纳米尺度(一般为10～100nm)，形成纳米沟道，图1展示了一种利用电子束光刻技术制备发射极和集电极电极的流程。基极3用于调节发射电场，基极3可以制备在绝缘衬底5上表面作为侧部基极，也可以制备在绝缘衬底5下表面作为底部基极。可以使用薄膜工艺在纳米沟道邻近制备侧部基极结构，也可以用氧化硅片等其它形式制备底部基极结构。本发明中，可以利用热蒸发等薄膜工艺在绝缘衬底5上制备侧部基极；也可以先制备基极电极，然后在其上方利用电子束蒸发、等离子增强化学气相沉积或磁控溅射等方法制备绝缘层，最后在绝缘层上制备发射极和集电极以形成底部基极结构。

本发明的纳米三极管在工作时，通过电场产生装置4在发射极和集电极间施加电压，形成电子发射，由于沟道的间隔在保持在纳米尺度，需要的驱动电压较低。通过施加在基极上的电压对电子的发射电场进行调制，控制所收集的电流大小。

下面结合实例图介绍具体的实施例。

实施例1：

图2和图3展示了一种采用石墨烯作为发射材料的侧部基极调制真空沟道纳米三极管结构，选用氧化硅片作为绝缘衬底5，将通过化学气相沉积法制得在铜箔表面的石墨烯薄膜通过湿法转移的方式转移到氧化硅片表面，再利用电子束光刻的工艺在石墨烯表面形成图形化掩膜，采用聚焦离子束刻蚀的工艺在石墨烯薄膜上刻蚀出间距为100nm的沟道，形成石墨烯发射极1和集电极2；利用热蒸发工艺在纳米沟道临近处沉积金电极作为基极3(侧部基极)；发射极1、集电极2和基极3通过金属引线与外部的直流偏置电源(即电场产生装置4)相连接(可参考共射极电路)。

实施例2：

图4和图5展示了一种采用石墨烯作为发射材料的底部基极调制真空沟道纳米三极管结构，选用重掺杂硅片(或本征硅)作为基底，利用磁控溅射在其表面制备铝薄膜基极3(底部基极)；在底部基极电极上表面利用原子层沉积工艺制备三氧化二铝绝缘层，作为绝缘衬底5；将通过化学气相沉积法制得在铜箔表面的石墨烯薄膜通过湿法转移的方式转移到绝缘衬底5上表面，再利用电子束光刻的工艺在石墨烯表面形成图形化掩膜，采用聚焦离子束刻蚀的工艺在石墨烯薄膜上刻蚀出间距为100nm的沟道，形成石墨烯发射极1和集电极2；发射极1、集电极2和基极3通过金属引线与外部的直流偏置电源相连接。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基极调制的真空沟道纳米三极管，其特征在于，包括发射极(1)、集电极(2)、基极(3)、电场产生装置(4)和绝缘衬底(5)；所述发射极(1)、集电极(2)设置在所述绝缘衬底(5)的上表面，所述基极(3)设置在所述绝缘衬底(5)的上表面或下表面，所述发射极(1)、集电极(2)的尖端之间的间距保持在纳米尺度，形成纳米沟道；所述电场产生装置(4)在发射极(1)和集电极(2)、基极(3)之间产生均匀可调的电场，用于电子发射和电场调控。

2.根据权利要求1所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管，其特征在于，所述发射极(1)、集电极(2)、基极(3)的制备材料为金属/半导体材质。

3.根据权利要求1所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管，其特征在于，所述发射极(1)、集电极(2)的尖端之间的间距小于/接近电子与气体分子碰撞的平均自由程。

4.根据权利要求3所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管，其特征在于，所述发射极(1)、集电极(2)的尖端之间的间距为10～100nm。

5.根据权利要求1所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管，其特征在于，所述氧化物绝缘衬底(5)的厚度为100～1000nm。

6.根据权利要求1所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管，其特征在于，所述绝缘衬底(5)为氧化物绝缘衬底。

7.如权利要求1至6中任一所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管的制备方法，其特征在于，具体为：

若所述基极(3)设置在所述绝缘衬底(5)的上表面，则该制备方法为：首先，在绝缘衬底(5)的上表面制备发射极(1)和集电极(2)，发射极(1)和集电极(2)的尖端之间的间距保持在纳米尺寸，形成纳米沟道；然后，在绝缘衬底(5)的上表面、纳米沟道的邻近处制备基极(3)，形成侧部基极；最后，通过金属引线将发射极(1)、集电极(2)、基极(3)与电场产生装置(4)连接；

若所述基极(3)设置在所述绝缘衬底(5)的下表面，则该制备方法为：首先，在所选基底的表面制备基极(3)，形成底部基极；然后，在底部基极的上表面制备绝缘层，作为绝缘衬底(5)；再后，在绝缘衬底(5)的上表面制备发射极(1)和集电极(2)，发射极(1)和集电极(2)的尖端之间的间距保持在纳米尺寸，形成纳米沟道；最后，通过金属引线将发射极(1)、集电极(2)、基极(3)与电场产生装置(4)连接。

8.根据权利要求7所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管的制备方法，其特征在于，发射极(1)和集电极(2)的制备材料为石墨烯。

9.根据权利要求8所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管的制备方法，其特征在于，在绝缘衬底(5)的上表面制备发射极(1)和集电极(2)具体为：首先，通过化学气相沉积法在铜箔表面制得石墨烯薄膜；然后，通过湿法转移的方式将石墨烯薄膜转移到绝缘衬底(5)的上表面；再后，利用电子束光刻的工艺在石墨烯薄膜表面形成图形化掩膜，采用聚焦离子束刻蚀的工艺在石墨烯薄膜上刻蚀出纳米沟道，形成石墨烯发射极(1)和集电极(2)。

10.根据权利要求7所述的一种基极调制的真空沟道纳米三极管的制备方法，其特征在于，利用热蒸发工艺在绝缘衬底(5)的上表面的纳米沟道临近处沉积金电极作为基极(3)，或利用磁控溅射在重掺杂硅片的表面制备铝薄膜电极作为基极(3)。