CN112951686A - 一种双栅极结构的横向场发射晶体管阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，包括阴极、阳极、栅极介质层、电子束控制栅极、信号调制栅极。阴极和阳极均位于栅极介质层的上表面，并相对平行设置，之间设有空气间隙。阴极由阴极衬底和阴极发射体构成，阴极发射体由第一锥形薄膜尖端阵列组成。阳极由阳极结构体和阳极衬底构成，阳极结构体由第二锥形薄膜尖端阵列组成。电子束控制栅极和信号调制栅极均位于栅极介质层的下表面，并相对平行设置于空气间隙下方。本发明通过调制栅极上的信号，调制阴极发射的电子束，阳极接收调制过后的电子束大电流信号，信号获得放大。相对现有技术，解决场发射晶体管输出电流低、功率增益低、漏电流大的缺点。
Description
技术领域
本发明属于真空电子学领域，特别涉及一种双栅极结构的横向场发射晶体管阵列。
背景技术
场发射晶体管是用晶体管工艺制备的电真空器件，与传统的晶体管相比，有着独特的优点。它体积小，输出频带宽，对热噪声的抵抗性好，性能稳定的特点，应用于太赫兹通信领域。2014年Han JinWoo提出了一种采用CMOS工艺制备的背栅极横向场发射晶体管，这种场发射晶体管通过100nm超短沟道，实现了无外加真空环境的电子弹道传输，并获得了10V的超低驱动电压。然而，它的单管输出电流较低、输出功率增益较低，并且存在较大的漏电流，限制了其在太赫兹领域的应用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种采用双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，解决场发射晶体管输出电流低、功率增益低、漏电流大的缺点。
技术方案：一种双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，包括阴极、阳极、栅极介质层、电子束控制栅极、信号调制栅极；所述阴极和阳极均位于所述栅极介质层的上表面，并相对平行设置，之间设有空气间隙；所述阴极由阴极衬底和阴极发射体构成，所述阴极发射体由第一锥形薄膜尖端阵列组成，各第一锥形薄膜尖端的末端与薄膜型阴极衬底连接；所述阳极由阳极结构体和阳极衬底构成，所述阳极结构体由第二锥形薄膜尖端阵列组成，各第二锥形薄膜尖端的末端与薄膜型阳极衬底连接；所述电子束控制栅极和信号调制栅极均位于所述栅极介质层的下表面，并相对平行设置于所述空气间隙下方，所述电子束控制栅极与阴极的水平距离为零，所述信号调制栅极与阴极之间具有水平距离。
进一步的，所述阴极和阳极的薄膜厚度相同。
进一步的，锥形薄膜尖端的长度l为75nm，尖端曲率半径R为5nm，锥形薄膜尖端阵列周期为L为80nm，阴极衬底和阳极衬底厚度t为20nm。
进一步的，所述阴极和阳极之间的空气间隙D为100nm。
进一步的，所述栅极介质层为高介电常数的绝缘层，厚度为30nm。
进一步的，所述电子束控制栅极的厚度h为25nm，宽度w1为20nm。
进一步的，所述信号调制栅极的厚度h为25nm，宽度w2为20nm，与阴极的水平距离x1为60nm。
进一步的，所述栅极介质层的材料为二氧化硅。
有益效果：(1)本发明采用薄膜作为阴极和阳极，易于加工；(2)本发明采用发射体阵列，具有大的发射电流、高的输出功率增益；(3)本发明采用电子束控制栅极，降低了由电子束轰击栅极带来的栅极漏电流；(4)本发明采用超短阴极阳极沟道，器件可以在不外加真空条件的环境下工作。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的单管结构示意图；
图3为本发明结构的俯视图；
图4为本发明结构的剖视图；
图5为本发明的栅压电学特性图；
图6为本发明的电子束伏安特性曲线；
图7为本发明的电子束轨迹图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，包括阴极1、阳极2、栅极介质层3、电子束控制栅极4、信号调制栅极5。阴极1和阳极2均位于栅极介质层3的上表面，并相对平行设置，之间设有空气间隙。阴极1由阴极衬底和阴极发射体构成，材料均为金属材料或简并掺杂的半导体材料。阴极发射体由第一锥形薄膜尖端阵列组成，各第一锥形薄膜尖端的末端与薄膜型阴极衬底连接。阳极2由阳极结构体和阳极衬底构成，材料均为金属材料或简并掺杂的半导体材料。阳极结构体由第二锥形薄膜尖端阵列组成，各第二锥形薄膜尖端的末端与薄膜型阳极衬底连接。其中，阴极1和阳极2的薄膜厚度相同，即阴极与阳极薄膜的上表面在同一个平面，阴极与阳极薄膜的下表面在同一个平面。
栅极介质层3为高介电常数的绝缘层，电子束控制栅极4和信号调制栅极5均位于所述栅极介质层3的下表面，并相对平行设置于空气间隙下方，电子束控制栅极4和信号调制栅极5的上表面与栅极介质层3下表面接触。电子束控制栅极4与阴极1的水平距离为零，信号调制栅极5与阴极1之间具有水平距离。电子束控制栅极4和信号调制栅极5的材料均为金属材料或简并掺杂的半导体材料。
本实施例中，阴极1、阳极2的材料为铝；电子束控制栅极4和信号调制栅极5为铜；栅极介质层3的材料为氧化硅，介电常数为1.56。如图3、图4所示，阴极1和阳极2的锥形薄膜尖端的长度l为75nm，尖端曲率半径R为5nm，锥形薄膜尖端阵列周期为L为80nm，阵列中发射体的数量N为35000，阴极衬底和阳极衬底厚度t为20nm。阴极1和阳极2之间的空气间隙D为100nm。栅极介质层3的厚度为30nm。电子束控制栅极4的厚度h为25nm，宽度w1为20nm。信号调制栅极5的厚度h为25nm，宽度w2为20nm，与阴极1的水平距离x1为60nm。本实施例中，采用Al作为阴极与阳极的材料便于加工与测试，发射体采用锥形结构，具有良好的发射特性，阴极阳极具有很好的对称性，加工简单。
阴极在阳极及阳极衬底的静电场作用下，发射电子束轰击阳极及其衬底。电子束控制栅极通过加载静电偏置，调整电子束轨迹，使电子束不会轰击栅极介质层。信号通过信号调制栅极传输，用于调制阴极输出的电子束。电子束本身具有极高的能量，经过信号的调制，变为带有输出信号的大电流电子束，输入的信号得以放大。栅极介质层具有极低电导率，用于减小阴极与栅极介质层之间的直接电流。
本实施例中，阴极接地，电子束控制栅极加载直流偏置-0.5V，输入输出阻抗实部50欧姆。图5当阳极加载20V直流偏置输出电流随信号调制栅极信号幅值Vgt变化的伏安特性图。该偏置下当调制栅极信号幅值为10V时，器件输出电流具有跨导10μS，功率增益为24.3dB。图6为输入信号幅值为10V时，输出电流随调制阳极偏置Va变化的伏安特性图。图7为输入信号幅值10V，阳极偏置16V时，器件的电子束轨迹，由此可见，双栅极场发射晶体管阵列没有电子束轰击栅极所形成的漏电流，降低了传统器件的漏电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，包括阴极(1)、阳极(2)、栅极介质层(3)、电子束控制栅极(4)、信号调制栅极(5)；所述阴极(1)和阳极(2)均位于所述栅极介质层(3)的上表面，并相对平行设置，之间设有空气间隙；所述阴极(1)由阴极衬底和阴极发射体构成，所述阴极发射体由第一锥形薄膜尖端阵列组成，各第一锥形薄膜尖端的末端与薄膜型阴极衬底连接；所述阳极(2)由阳极结构体和阳极衬底构成，所述阳极结构体由第二锥形薄膜尖端阵列组成，各第二锥形薄膜尖端的末端与薄膜型阳极衬底连接；所述电子束控制栅极(4)和信号调制栅极(5)均位于所述栅极介质层(3)的下表面，并相对平行设置于所述空气间隙下方，所述电子束控制栅极(4)与阴极(1)的水平距离为零，所述信号调制栅极(5)与阴极(1)之间具有水平距离。
2.根据权利要求1所述的双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，所述阴极(1)和阳极(2)的薄膜厚度相同。
3.根据权利要求1所述的双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，锥形薄膜尖端的长度l为75nm，尖端曲率半径R为5nm，锥形薄膜尖端阵列周期为L为80nm，阴极衬底和阳极衬底厚度t为20nm。
4.根据权利要求1所述的双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，所述阴极(1)和阳极(2)之间的空气间隙D为100nm。
5.根据权利要求1所述的双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，所述栅极介质层(3)为高介电常数的绝缘层，厚度为30nm。
6.根据权利要求1所述的双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，所述电子束控制栅极(4)的厚度h为25nm，宽度w1为20nm。
7.根据权利要求1所述的双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，所述信号调制栅极(5)的厚度h为25nm，宽度w2为20nm，与阴极(1)的水平距离x1为60nm。
8.根据权利要求5所述的双栅极结构的横向场发射晶体管阵列，其特征在于，所述栅极介质层(3)的材料为二氧化硅。
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