CN109860002B - 一种太赫兹真空三极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种太赫兹真空三极管及其制造方法。其中，所述太赫兹真空三极管包括阳极、真空通道层和光阴极，所述真空通道层包括第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，在真空通道层设置真空通道，真空通道贯穿第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，所述门控制极设置在所述第一绝缘材料层和所述第二绝缘材料层之间，所述光阴极和所述阳极设置在所述真空通道的两端，所述门控制极和所述阳极之间设置所述第一绝缘材料层，所述门控制极和所述光阴极之间设置所述第二绝缘材料层，所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成密封腔。本发明实施例提供的太赫兹真空三极管及其制造方法，延长了太赫兹真空三极管的使用寿命。

Description

一种太赫兹真空三极管及其制造方法

技术领域

本发明实施例涉及光电子技术领域，具体涉及一种太赫兹真空三极管及其制造方法。

背景技术

2014年，美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)针对真空纳米三极管开展了大量研究工作，提出了平面绝缘层隔离栅结构的空气通道晶体管并进行物理验证，制作出的真空场效应管(VFET)和金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。通过VFET栅极电压和阳极电压的关系以及MOSFEF的漏极电流和栅极电压漏极电压的关系的比较可以看出，其工作特性与半导体晶体管具有很好的一致性。虽然场发射三极管技术取得了一定的进步，但是场发射三极管的工艺复杂，难以大规模的集成制造；此外，场发射三极管在工作时需要较高的电场，容易在阴极和阳极之间出现打火现象，从而导致三极管损坏，影响三极管的使用寿命。

因此，如何提出一种太赫兹真空三极管，能够延长三极管的使用寿命成为业界亟待解决的重要课题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种太赫兹真空三极管及其制造方法。

一方面，本发明实施例提出一种太赫兹真空三极管，包括阳极、真空通道层和光阴极，其中：

所述真空通道层包括第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，在所述真空通道层设置真空通道，所述真空通道贯穿所述第一绝缘材料层、所述门控制极和所述第二绝缘材料层，所述门控制极设置在所述第一绝缘材料层和所述第二绝缘材料层之间，所述光阴极和所述阳极设置在所述真空通道的两端，所述门控制极和所述阳极之间设置所述第一绝缘材料层，所述门控制极和所述光阴极之间设置所述第二绝缘材料层，所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成密封腔。

其中，所述光阴极和所述阳极平行设置。

其中，所述真空通道呈圆台形，且所述光阴极与所述真空通道的接触面积小于所述阳极与所述真空通道的接触面积。

另一方面，本发明实施例提供一种上述任一实施例所述的太赫兹真空三极管的制造方法，包括：

在衬底上形成阳极；

在所述阳极上沉积第一绝缘材料层；

在所述第一绝缘材料层上沉积门控制极；

在所述门控制极上沉积第二绝缘材料层；

在所述第二绝缘材料层、所述门控制极和所述第一绝缘材料层刻蚀出真空通道，形成真空通道层；

在透光基底材料层上形成光阴极；

将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接。

其中，所述衬底的厚度为0.5～5毫米。

其中，所述第一绝缘材料层的厚度为1.5～3微米。

其中，所述门控制极的厚度为0.2～1微米。

其中，所述第二绝缘材料层的厚度为3～7微米。

其中，所述门控制极采用氮化钛或者石墨烯。

本发明实施例提供的太赫兹真空三极管及其制造方法，包括光阴极、真空通道层和阳极，真空通道层包括第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，在真空通道层设置真空通道，真空通道贯穿第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，门控制极设置在第一绝缘材料层和第二绝缘材料层之间，光阴极和阳极设置在真空通道的两端，门控制极和阳极之间设置第一绝缘材料层，门控制极和光阴极之间设置第二绝缘材料层，光阴极、真空通道层和阳极之间形成密封腔，由于在使用时外加电场较小，能够减少粒子回轰，延长了太赫兹真空三极管的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的太赫兹真空三极管的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的太赫兹真空三极管的制造方法的流程示意图；

图3a是本发明一实施例提供的阳极制造示意图；

图3b是本发明一实施例提供的第一绝缘材料层制造示意图；

图3c是本发明一实施例提供的门控制极制造示意图；

图3d是本发明一实施例提供的第二绝缘材料层制造示意图；

图3e是本发明一实施例提供的真空通道制造示意图；

图3f是本发明一实施例提供的光阴极制造示意图；

图3g是本发明一实施例提供的真空通道层与光阴极的拼接示意图；

附图标记说明：

1-阳极； 2-第一绝缘材料层；

3-门控制极； 4-第二绝缘材料层；

5-真空通道层； 6-光阴极；

7-真空通道； 31-衬底；

32-阳极； 33-第一绝缘材料层；

34-门控制极； 35-第二绝缘材料层；

36-真空通道层； 37-透光基底材料层；

38-光阴极； 39-真空通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

太赫兹频谱资源的探索研究及太赫兹科学技术的发展与应用，一直受制于太赫兹源与探测器的性能。真空电子学一直是提供高功率源的重要技术途径。真空微电子器件，可以在微纳米尺度下使电子在真空中实现弹道传输，电子输运不存在半导体载流子在介质中的传输过程中的晶格散射和功率损耗，完全利用了真空电子学的优势，可实现大功率输出。从而使器件的工作频率提升，信息处理速度也得到极大地提高。

图1为本发明一实施例提供的太赫兹真空三极管的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的太赫兹真空三极管，包括阳极1、真空通道层5和光阴极6，其中：

真空通道层5包括第一绝缘材料层2、门控制极3和第二绝缘材料层4，在真空通道层5设置真空通道7，真空通道7贯穿第一绝缘材料层2、门控制极3和第二绝缘材料层4，门控制极3设置在第一绝缘材料层2和第二绝缘材料层4之间，光阴极6和阳极1设置在真空通道5的两端，门控制极3和阳极1之间设置第一绝缘材料层2，门控制极3和光阴极6之间设置第二绝缘材料层4，光阴极6、真空通道层5和阳极1之间形成密封腔7。

具体地，阳极1采用电导率较高的金属，例如铝。第一绝缘材料层2的厚度为1.5～3微米。门控制极3可以采用氮化钛或者石墨烯，门控制极3的厚度为200～1000纳米。第二绝缘材料层4的厚度为3～7微米。光阴极6的厚度为100纳米左右，光阴极6可以采用金属光阴极、负电子亲和势光阴极或者正电子亲和势光阴极。真空通道层5的外形可以呈圆柱形，真空通道7的可以呈圆台形、圆柱形、长方体形、正方体形和棱台形。所述密封腔的内部为真空。其中，光阴极6的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定；所述阳极的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

阳极1作为所述太赫兹真空三极管的集电极、光阴极6作为所述太赫兹真空三极管的发射极，门控制极3作为所述太赫兹真空三极管的基极。所述太赫兹真空三极管在工作时，在门控制极3和光阴极6之间加载太赫兹信号，在连续激光器或者长脉冲激光器的照射下，所述太赫兹真空三极管的光阴极6发射电子束团，在门控制极3的太赫兹信号的控制下，电子束团通过真空通道7分别传输到门控制极3和阳极1，从而实现了门控制极3的小电流信号控制阳极1的大电流信号的物理过程。本发明实例提供的太赫兹真空三极管，可以在太赫兹频段实现对微弱信号的放大功能。

本发明实施例提供的太赫兹真空三极管，包括光阴极、真空通道层和阳极，真空通道层包括第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，在真空通道层设置真空通道，真空通道贯穿第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，门控制极设置在第一绝缘材料层和第二绝缘材料层之间，光阴极和阳极设置在真空通道的两端，门控制极和阳极之间设置第一绝缘材料层，门控制极和光阴极之间设置第二绝缘材料层，光阴极、真空通道层和阳极之间形成密封腔，由于在使用时外加电场较小，能够减少粒子回轰，延长了太赫兹真空三极管的使用寿命。

在上述各实施例的基础上，进一步地，光阴极6和阳极1平行设置。

在上述各实施例的基础上，进一步地，真空通道7呈圆台形，且光阴极6与真空通道7的接触面积小于阳极1与真空通道7的接触面积，可以减少由光阴极6激发产生的电子打到真空通道壁上，减少能量的损失。

图2为本发明一实施例提供的太赫兹真空三极管的制造方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供一种上述任一实施例所述的太赫兹真空三极管的制造方法，包括：

S201、在衬底上形成阳极；

具体地，在制造太赫兹真空三极管时，可以利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在衬底上制作出阳极，所述阳极可以采用铝等电导率较高的金属。其中，所述衬底可以采用硅衬底或者耐高温衬底，所述衬底的厚度为0.5～5毫米；所述阳极的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

S202、在所述阳极上沉积第一绝缘材料层；

具体地，在所述衬底上制作出所述阳极之后，利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在所述阳极上沉积第一绝缘材料层，所述第一绝缘材料层的厚度为1.5～3微米。

S203、在所述第一绝缘材料层上沉积门控制极；

具体地，在获得所述第一绝缘材料层之后，利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在所述第一绝缘材料层上沉积门控制极，所述门控制极的厚度为0.2～1微米，所述门控制极可以采用氮化钛、石墨烯等较薄的高导电率的材料。

S204、在所述门控制极上沉积第二绝缘材料层；

具体地，在获得所述门控制极之后，利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在所述门控制极上沉积第二绝缘材料层，所述第二绝缘材料层的厚度为3～7微米。

S205、在所述第二绝缘材料层、所述门控制极和所述第一绝缘材料层刻蚀出真空通道，形成真空通道层；

具体地，在获得所述第二绝缘材料层之后，可以采用干法刻蚀的方式，对所述第二绝缘材料层、所述门控制极和所述第一绝缘材料层进行刻蚀，获得真空通道，刻蚀出所述真空通道的所述第一绝缘材料层、所述门控制极和所述第二绝缘材料层成为真空通道层。所述真空通道的形状可以是圆柱形、圆台形、长方体形或者棱台形，所述真空通道的长度与所述第二绝缘材料层的厚度、所述门控制极的厚度和所述第一绝缘材料层的厚度之和相等，即所述真空通道贯穿所述第二绝缘材料层、所述门控制极和所述第一绝缘材料层。所述真空通道层的外形可以呈圆柱形等外形。

S206、在透光基底材料层上形成光阴极；

具体地，所述光阴极的厚度为100纳米左右，非常薄，需要有一个支撑所述光阴极的基底，在光阴极制作台的真空腔室中，在透光基底材料层上沉积形成所述光阴极。其中，所述透光基底材料层可以采用蓝宝石等透光材料；所述透光基底材料层的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

S207、将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接。

具体地，在制作完所述光阴极之后，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接，使所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成真空的密封腔，制造出所述太赫兹真空三极管。其中，所述第二绝缘层与所述光阴极相接触。

本发明实施例提供的太赫兹真空三极管的制造方法，在衬底上形成阳极，在阳极上沉积第一绝缘材料层，在第一绝缘材料层上沉积门控制极，在门控制极上沉积第二绝缘材料层，在第二绝缘材料层、门控制极和第一绝缘材料层刻蚀出真空通道，形成真空通道层，在透光基底材料层上形成光阴极，将真空通道与光阴极进行拼接，完成太赫兹真空三极管的制造，制造出的太赫兹真空三极管在使用时外加电场较小，能够减少粒子回轰，延长了太赫兹真空三极管的使用寿命。此外，本发明实施例提供的太赫兹真空三极管的制造方法，工艺流程简单，容易实现，与半导体加工工艺兼容度较高，有利于实现大规模的集成制造。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述衬底的厚度为0.5～5毫米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述第一绝缘材料层的厚度为1.5～3微米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述门控制极的厚度为200～1000纳米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述第二绝缘材料层的厚度为3～7微米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，其特征在于，所述门控制极采用氮化钛或者石墨烯。

下面以采用本发明实施例提供的太赫兹真空三极管的制造方法制造一个太赫兹真空三极管的过程为例，来详细说明本发明实施例提供的太赫兹真空三极管的制造方法的实现过程：

图3a是本发明一实施例提供的阳极制造示意图，如图3a所示，利用化学气相淀积工艺在1毫米厚的衬底31上制作出厚度为500纳米的阳极32，衬底31采用硅衬底，阳极32采用铝。

图3b是本发明一实施例提供的第一绝缘材料层制造示意图，如图3b所示，利用化学气相淀积工艺在阳极32上沉积第一绝缘材料层33，第一绝缘材料层33的厚度为2微米。

图3c是本发明一实施例提供的门控制极制造示意图，如图3c所示，利用化学气相淀积工艺在第一绝缘材料层33上沉积一层电极材料作为门控制极34，门控制极34采用石墨烯，门控制极34的厚度为500纳米。

图3d是本发明一实施例提供的第二绝缘材料层制造示意图，如图3d所示，利用化学气相淀积工艺在门控制极34上沉积第二绝缘材料层35，第二绝缘材料层35的厚度为5微米。

图3e是本发明一实施例提供的真空通道制造示意图，如图3e所示，采用干法刻蚀的方式对第二绝缘材料层35、门控制极34和第一绝缘材料层33进行刻蚀，获得真空通道39，刻蚀出真空通道39的第一绝缘材料层33、门控制极34和第二绝缘材料层35形成真空通道层36。真空通道39呈圆台形，真空通道39靠近阳极32的一侧的开口大于另一侧的开口，真空通道39的在第一绝缘材料层33的厚度方向上的长度为7.5微米，即真空通道39贯穿第二绝缘材料层35、门控制极34和第一绝缘材料层33。

图3f是本发明一实施例提供的光阴极制造示意图，如图3f所示，在光阴极制作台的真空腔室中，在1毫米厚的透光基底材料层37上沉积形成100纳米厚的光阴极38，光阴极38为金属光阴极，透光基底材料层37采用玻璃。

图3g是本发明一实施例提供的真空通道层与光阴极的拼接示意图，如图3g所示，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将真空通道层36与光阴极38进行拼接，使光阴极38、真空通道层36和阳极32之间形成真空的密封腔，从而完成所述太赫兹真空三极管的制造。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种太赫兹真空三极管，其特征在于，包括阳极、真空通道层和光阴极，其中：

所述真空通道层包括第一绝缘材料层、门控制极和第二绝缘材料层，在所述真空通道层设置真空通道，所述真空通道贯穿所述第一绝缘材料层、所述门控制极和所述第二绝缘材料层，所述门控制极设置在所述第一绝缘材料层和所述第二绝缘材料层之间，所述光阴极和所述阳极设置在所述真空通道的两端，所述门控制极和所述阳极之间设置所述第一绝缘材料层，所述门控制极和所述光阴极之间设置所述第二绝缘材料层，所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成密封腔；

其中，所述门控制极的小电流信号控制所述阳极的大电流信号；所述真空通道的长度大于或等于4.7微米，小于或等于11微米；

所述真空通道呈圆台形，且所述光阴极与所述真空通道的接触面积小于所述阳极与所述真空通道的接触面积。

2.根据权利要求1所述的三极管，其特征在于，所述光阴极和所述阳极平行设置。

3.一种如权利要求1至2任一项所述的太赫兹真空三极管的制造方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成阳极；

在所述阳极上沉积第一绝缘材料层；

在所述第一绝缘材料层上沉积门控制极；

在所述门控制极上沉积第二绝缘材料层；

在所述第二绝缘材料层、所述门控制极和所述第一绝缘材料层刻蚀出真空通道，形成真空通道层；

在透光基底材料层上形成光阴极；

将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接；

其中，所述真空通道的长度大于或等于4.7微米，小于或等于11微米。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述衬底的厚度为0 .5～5毫米。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一绝缘材料层的厚度为1 .5～3微米。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述门控制极的厚度为0 .2～1微米。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二绝缘材料层的厚度为3～7微米。

8.根据权利要求3至7任一项所述的方法，其特征在于，所述门控制极采用氮化钛或者石墨烯。

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