CN110310873A - 一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备方法，所述纳米间隙真空晶体管，包括发射极、收集极、栅极以及氧化物绝缘层；所述纳米间隙，指代收集极与发射极、栅极与发射极之间的距离保持在亚100nm尺度。本发明将真空器件的尺度压缩至亚100纳米尺度，器件加工工艺要求与传统的半导体工艺相近，改进了传统电真空器件需要复杂的机械加工和装配。更为重要的是，为未来实现小型化和集成化的真空元器件、集成电路以及真空电子系统提供可能。

Description

一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备方法，属于新型微纳结构和真空纳米电子器件领域。
背景技术
真空电子器件具有高功率、频带宽和高频等技术优势，被广泛应用于通信、雷达、导航和成像等技术领域。但受限于机械加工复杂等原因，传统的真空电子系统往往体积庞大臃肿，难以实现小型化、轻量化和集成化。而纳米科技的发展，不论是先进加工工艺还是新型纳米材料的出现，为突破传统真空电子器件的瓶颈提供了可能。近年来，纳米间隙结构的出现为真空纳米电子器件注入了新的活力。
纳米间隙是由真空的电子输运沟道，间隙平均尺度小于电子在介质或真空中的平均自由程，缺省真空封装条件下，电子在纳米间隙内部不受到散射等因素的干扰。基于扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管，将兼顾传统冷阴极真空器件的宽频带、高工作频率、快速响应与固态器件的集成化为一体，减小器件的尺寸及功耗，实现对真空电子技术的革新。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管，包括背栅极、发射极、收集极、扩展栅极和氧化物绝缘衬底。所述氧化物绝缘衬底上设置由金属或者半导体沉积制备得到的发射极、扩展栅极、氧化物绝缘衬底和收集极；所述发射极和收集极间距在亚100纳米尺度，所述发射极和收集极、背栅极及扩展栅极之间施加均匀可调的电压，用于电子发射和电场调控。
作为本发明的进一步技术方案，所述发射极和收集极之间的真空沟道小于100纳米，扩展栅极厚度小于50纳米，氧化物绝缘衬底和的厚度小于20纳米，氧化物绝缘衬底的厚度小于100纳米。
作为本发明的进一步技术方案，所述的背栅极、发射极和扩展栅极具体材料为硅、碳化硅等半导体或钨、金等金属材料，可以通过薄膜沉积等工艺制备得到。
作为本发明的进一步技术方案，所述的收集极具体材料为硅、碳化硅等半导体或钨、金等金属材料，可以通过薄膜沉积等工艺制备得到；也可以为石墨烯等二维材料，可以通过湿法转移等工艺制备得到。
作为本发明的进一步技术方案，所述的氧化物绝缘衬底具体材料为二氧化硅，所述的氧化物绝缘衬底和具体材料为三氧化二铝或氧化铪等高k值材料。
作为本发明的进一步技术方案，所述的发射极形貌为锥形或圆弧形，以提高发射极表面的场增强因子。
本发明还公开了一种栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管的制备方法，该方法针对所述收集极为金属或半导体材料，其具体步骤为：
（a）首先，依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗硅片，用氮气吹干其表面；
（b）在抛光面上用磁控溅射沉积背栅极的第一氧化物绝缘层，材料为二氧化硅；
（c）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀制备半导体或金属薄膜作为发射极（2），以及光刻标记mark用于后续的光刻对准；
（d）旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法在样品表面曝光预先设定的图形区域；在异丙醇和甲基异丁基酮的混合溶液显影后，利用氧等离子体刻蚀制备得到锥形或圆弧形的发射极形貌；
（e）再次旋涂光刻胶，利用电子束对准工艺，在发射极边缘进行相应的曝光以及显影、清洗工艺；
（f）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀依次沉积第二氧化物绝缘层，扩展栅极，第三氧化物绝缘层以及收集极；
（g）最后将制备得到的样品放在丙酮中剥离并分别在异丙醇和去离子水中超声清洗，工艺制备结束利用扫描电子显微镜观察评估。
本发明还公开了另一种栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管的制备方法，该方法针对所述收集极为石墨烯等二维材料，其具体步骤为：
（A）首先，依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗硅片，用氮气吹干其表面；
（B）在抛光面上用磁控溅射沉积背栅极的第一氧化物绝缘层，材料为二氧化硅；
（C）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀制备半导体或金属薄膜作为发射极（2），以及光刻标记mark用于后续的光刻对准；
（D）旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法在样品表面曝光预先设定的图形区域；在异丙醇和甲基异丁基酮的混合溶液显影后，利用氧等离子体刻蚀制备得到锥形或圆弧形的发射极形貌；
（E）再次旋涂光刻胶，利用电子束对准工艺，在发射极边缘进行相应的曝光以及显影、清洗工艺；
（F）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀依次沉积第二氧化物绝缘层，扩展栅极和第三氧化物绝缘层；
（G）随后化学气相沉积法在铜箔表面制得石墨烯薄膜，再通过湿法转移的方式将石墨烯薄膜转移到氧化物绝缘层的上表面，形成石墨烯收集极；
（H）最后将制备得到的样品放在丙酮中剥离并分别在异丙醇和去离子水中清洗，工艺制备结束利用扫描电子显微镜观察评估。
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）本发明提供的扩展栅极结构，相较于传统的背栅极结构，可以有效增强整个发射极区域的表面电场强度，从而提高电子的发射效率以及电流密度、降低开启电压；
2）本发明利用原子层沉积制备氧化物绝缘层可以在减少绝缘层厚度的同时保证其绝缘性能，高k值的三氧化二铝或者氧化铪材料能够有效降低栅极漏电流，而50nm内的薄膜厚度则可以实现栅极的有效调控；
3）本发明中发射极与收集极之间的真空纳米沟道尺寸小于100纳米，由于电子在空气中的平均自由程为70~150纳米左右，因此电子在该垂直型器件内部能够以弹道输运或者隧穿的方式进行传输，突破了传统电真空器件需要严格封装的技术瓶颈，，拓宽了真空电子器件对真空度的要求和应用范围；
4）本发明将真空器件的尺度压缩至亚100纳米尺度，器件加工工艺要求与传统的半导体工艺相近，改进了传统电真空器件需要复杂的机械加工和装配。更为重要的是，为未来实现小型化和集成化的真空元器件、集成电路以及真空电子系统提供可能。
附图说明：
图1为本发明中垂直型真空纳米沟道晶体管的制备流程示意图。
图2为本发明中的一种扩展栅极结构截面示意图。
图3为本发明中的一种T型扩展栅极结构截面示意图。
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。
本发明一种扩展栅极结构的垂直型真空纳米沟道晶体管，包括背栅极1、发射极2、扩展栅极3、收集极4和氧化物绝缘衬底5、6和7；所述发射极2、扩展栅极3、收集极4以及层与层之间氧化物绝缘衬底5、6和7依次设置在背栅极1的上表面，所述发射极2、扩展栅极3及收集极4之间的间距保持在100纳米以内。
本发明提出的扩展栅极结构的垂直型真空纳米沟道晶体管，包括制备在背栅极1上表面的氧化物绝缘层5，制备在氧化物绝缘层5上表面的发射极2，制备在发射极2表面上的氧化物绝缘层6，制备在氧化物绝缘层6上表面的扩展栅极3，制备在扩展栅极3上表面的氧化物绝缘层7，以及制备在氧化物绝缘层7上表面的收集极4。图1展示了一种利用电子束光刻、原子力沉积和刻蚀等工艺手段制备器件的流程。可以在背栅极1和扩展栅极3表面施加偏置电压以调节发射电场。
本发明中，可以利用薄膜沉积制备半导体或金属材料作为收集极4，或者也可以将生长得到的石墨烯薄膜通过湿法转移，制备到氧化物绝缘层7的表面形成收集极4。
本发明的扩展栅极结构3，可以进一步利用电子束光刻曝光形成T型结构，增加栅极与发射极相对的面积，从而有效增加发射极表面的电场强度，提高器件发射电子能力和电流密度。
下面结合实例图介绍具体的实施例。
图1展示了本发明中垂直型真空纳米沟道晶体管的制备流程示意图。首先，依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗硅片，用氮气吹干其表面；在抛光面上用磁控溅射沉积背栅极的氧化物绝缘层5，材料为二氧化硅；利用化学气相沉积或者电子束蒸镀制备半导体或金属薄膜作为发射极2，以及光刻标记mark用于后续的光刻对准；旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法在样品表面曝光预先设定的图形区域；在异丙醇和甲基异丁基酮的混合溶液显影后，利用氧等离子体刻蚀制备得到锥形或圆弧形的发射极形貌；再次旋涂光刻胶，利用电子束对准工艺，在发射极边缘进行相应的曝光以及显影、清洗工艺；利用化学气相沉积或者电子束蒸镀依次沉积氧化物绝缘层6，扩展栅极3，氧化物绝缘层7以及收集极4；最后将制备得到的样品放在丙酮中剥离（lift-off工艺）并分别在异丙醇和去离子水中超声清洗，工艺制备结束利用扫描电子显微镜观察评估。
若收集极4为石墨烯等二维材料，则通过湿法转移的方式将石墨烯薄膜转移到氧化物绝缘层7的上表面，形成石墨烯收集极4；最后将制备得到的样品放在丙酮中剥离（lift-off工艺）并分别在异丙醇和去离子水中清洗，工艺制备结束利用扫描电子显微镜观察评估。
实施例1：
图2为本发明中的一种扩展栅极结构截面示意图，包括背栅极1、发射极2、扩展栅极3、收集极4和氧化物绝缘衬底5、6和7。所述氧化物衬底5设置于背栅极1与发射极2之间，所述氧化物衬底6设置于发射极2与扩展栅极3之间，所述氧化物衬底7设置于扩展栅极3与收集极4之间，皆用于隔绝电极间的漏电流；所述发射极2和收集极4之间的距离在亚100纳米尺度。
实施例2：
图3为本发明中的一种T型扩展栅极结构截面示意图，增加栅极与发射极相对的面积，从而有效增加发射极表面的电场强度，提高器件发射电子能力和电流密度。包括背栅极1、发射极2、T型扩展栅极3、收集极4和氧化物绝缘衬底5、6和7。所述氧化物衬底5设置于背栅极1与发射极2之间，所述氧化物衬底6设置于发射极2与T型扩展栅极3之间，所述氧化物衬底7设置于T型扩展栅极3与收集极4之间，皆用于隔绝电极间的漏电流；所述发射极2和收集极4之间的距离在亚100纳米尺度。

Claims (8)

1.一种扩展栅极结构的垂直型真空纳米沟道晶体管，其特征在于：包括背栅极（1）、发射极（2）、扩展栅极（3）、收集极（4）和第一氧化物绝缘衬底（5）、第二氧化物绝缘衬底（6）、第三氧化物绝缘衬底（7）；所述第一氧化物衬底（5）设置于背栅极（1）与发射极（2）之间，所述第二氧化物衬底（6）设置于发射极（2）与扩展栅极（3）之间，所述第三氧化物衬底（7）设置于扩展栅极（3）与收集极（4）之间，皆用于隔绝电极间的漏电流；所述发射极（2）和收集极（4）之间的距离在亚100纳米尺度。
2.根据权利要求1所述的扩展栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管，其特征在于：发射极（2）和收集极（4）之间的真空沟道小于100纳米，扩展栅极厚度小于50纳米，第二氧化物绝缘衬底（6）和第三氧化物绝缘衬底（7）的厚度小于20纳米，第一氧化物绝缘衬底（5）的厚度小于100纳米。
3.根据权利要求1所述的扩展栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述的背栅极（1）、发射极（2）和扩展栅极（3）的材料为半导体或金属材料，通过薄膜沉积工艺制备得到。
4.根据权利要求1所述的扩展栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述的收集极（4）材料为半导体或金属材料，通过薄膜沉积工艺制备得到；或者为石墨烯材料，通过湿法转移工艺制备得到。
5.根据权利要求1所述的扩展栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述的第一氧化物绝缘衬底（5）材料为二氧化硅，所述的第二氧化物绝缘衬底（6）和第三氧化物绝缘衬底（7）材料为三氧化二铝或氧化铪材料。
6.根据权利要求1所述的扩展栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述的发射极（2）为锥形或圆弧形，以提高表面的场增强因子。
7.根据权利要求1至6中任一一项所述的一种栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管的制备方法，其特征在于，该方法针对所述收集极（4）为金属或半导体材料，其具体步骤为：
（a）首先，依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗硅片，用氮气吹干其表面；
（b）在抛光面上用磁控溅射沉积背栅极的第一氧化物绝缘层（5），材料为二氧化硅；
（c）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀制备半导体或金属薄膜作为发射极（2），以及光刻标记mark用于后续的光刻对准；
（d）旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法在样品表面曝光预先设定的图形区域；在异丙醇和甲基异丁基酮的混合溶液显影后，利用氧等离子体刻蚀制备得到锥形或圆弧形的发射极形貌；
（e）再次旋涂光刻胶，利用电子束对准工艺，在发射极边缘进行相应的曝光以及显影、清洗工艺；
（f）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀依次沉积第二氧化物绝缘层（6），扩展栅极（3），第三氧化物绝缘层（7）以及收集极（4）；
（g）最后将制备得到的样品放在丙酮中剥离（lift-off工艺）并分别在异丙醇和去离子水中超声清洗，工艺制备结束利用扫描电子显微镜观察评估。
8.根据权利要求1至6中任一一项所述的一种栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管的制备方法，其特征在于，该方法针对所述收集极（4）为石墨烯等二维材料，其具体步骤为：
（A）首先，依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗硅片，用氮气吹干其表面；
（B）在抛光面上用磁控溅射沉积背栅极的第一氧化物绝缘层（5），材料为二氧化硅；
（C）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀制备半导体或金属薄膜作为发射极（2），以及光刻标记mark用于后续的光刻对准；
（D）旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法在样品表面曝光预先设定的图形区域；在异丙醇和甲基异丁基酮的混合溶液显影后，利用氧等离子体刻蚀制备得到锥形或圆弧形的发射极形貌；
（E）再次旋涂光刻胶，利用电子束对准工艺，在发射极边缘进行相应的曝光以及显影、清洗工艺；
（F）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀依次沉积第二氧化物绝缘层（6），扩展栅极（3）和第三氧化物绝缘层（7）；
（G）随后化学气相沉积法在铜箔表面制得石墨烯薄膜，再通过湿法转移的方式将石墨烯薄膜转移到氧化物绝缘层（7）的上表面，形成石墨烯收集极（4）；
（H）最后将制备得到的样品放在丙酮中剥离（lift-off工艺）并分别在异丙醇和去离子水中清洗，工艺制备结束利用扫描电子显微镜观察评估。
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