CN113643949A - 一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，该多层真空纳米沟道晶体管自下而上依次包括绝缘衬底、栅极、二维绝缘体、发射极以及收集极；所述真空纳米沟道，所述二维绝缘材料，指代以六方氮化硼（h‑BN）为代表的二维纳米材料，具有优异的稳定性、平坦的表面和理想的绝缘性能；所述真空纳米沟道晶体管，载流子在栅极的偏置电压调控下，以场致电子发射或隧穿的形式在真空纳米沟道内部弹道输运；所述真空纳米沟道晶体管，仍保留传统电真空器件的固有优势，具有高稳定性和抗辐照特性，所述器件可以在高温、辐射等极端环境下正常工作。
Description
技术领域
本发明属于新型低维材料和真空纳米电子器件领域，尤其涉及一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，。
背景技术
随着微纳加工工艺和新型低维材料技术的成熟普及，真空纳米沟道晶体管（Nanoscale Vacuum Channel Transistor）此类新型电子器件形式引起了研究人员的广泛关注。在真空纳米沟道中，载流子的输运沟道由真空构成，这意味着理想状态下电子从发射到收集的输运过程中遇到散射/碰撞的概率极小，可以最大程度降低能量的损耗。除此之外，真空纳米沟道器件仍保留传统电真空器件的本质优势，如大功率、高稳定性和抗辐照特性等，具有应用在复杂战场环境或国防新型系统上的潜力。
在目前已报道的器件结构中，平面型真空纳米沟道晶体管的应用最为广泛，这是由于平面型结构与现行的硅基半导体工艺最为兼容，具有更高的设计自由度和集成度。然而，平面型结构的栅极绝缘层厚度与漏电流之间存在不可调和的矛盾。一方面，研究人员不断压缩栅极绝缘层的厚度，以提高栅极对器件的调控能力，但这不可避免地导致栅极漏电流的增加，影响器件的实际应用。
二维材料的发展为微电子领域带来了新的机遇，开拓了制造新型电子器件的可能性。与传统硅基器件相比，这类材料能够赋予器件更小的尺寸及许多额外的功能。本发明旨在将新型的二维绝缘材料，引入到真空纳米沟道晶体管之中。以六方氮化硼为代表的二维绝缘材料，能耐高温、耐强酸腐蚀，化学性能极为稳定，有很高的电绝缘性能。更为重要的是，其原子层厚度能够保证器件具有优越的调控能力。基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，能为未来实现片上集成的真空纳米器件/芯片提供了创新性的技术基础。
发明内容
将低维纳米材料与真空纳米沟道晶体管相结合，是一个值得关注的研究热点。本发明拟结合二维绝缘材料的原子层厚度以及高绝缘特性，获得栅极调控能力高且漏电流低的平面型多层真空纳米沟道晶体管，实现器件的结构创新。
本发明为解决上述技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，自下而上依次包括绝缘衬底、第一、二栅极、二维绝缘层、发射极和收集极；其中所述绝缘衬底位于器件最底部；所述第一、二栅极位于绝缘衬底与二维绝缘层之间的左右两侧分别设有第一栅极和第二栅极；所述二维绝缘层位于第一、二栅极与发射极、收集极之间，用于隔绝栅极与发射极、收集极间的漏电流；所述发射极和收集极之间的距离小于电子在空气中的平均自由程,即小于等于68纳米。
作为本发明的进一步技术方案，其中所述绝缘衬底的厚度大于1微米，所述二维绝缘层的厚度小于10纳米，第一栅极和第二栅极、发射极及收集极的厚度小于100纳米。作为本发明的进一步技术方案，所述绝缘衬底的厚度大于1微米，二维绝缘层的厚度小于10纳米，栅极、发射极及收集极的厚度小于100纳米。
作为本发明的进一步技术方案，所述绝缘衬底的具体材料为二氧化硅、三氧化二铝或氧化铪，可以通过原子层沉积制备。
作为本发明的进一步技术方案，所述第一、二栅极的具体材料为高掺杂的硅或金、铝或其他金属材料，可以通过电子束蒸镀制备。
作为本发明的进一步技术方案，所述二维绝缘层的具体材料为六方氮化硼，可以通过机械剥离或湿法转移制备。
作为本发明的进一步技术方案，所述发射极及收集极的具体材料为一维材料或二维材料或三维块体材料的其中一种其中所述一维材料包括碳纳米管、氧化锌纳米线；二维材料包括石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷；三维块体材料包括碳纳米管、氧化锌纳米线等一维材料，三维块体材料包括金属材料或半导体材料；所述金属材料包括金、铜、铝；所述半导体材料包括硅、碳化硅、氮化镓。
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） 本发明利用二维绝缘材料可以在减少绝缘层厚度的同时保证其绝缘性能，从而在提高栅极对器件调控能力的同时，降低栅极漏电流，拓宽了真空纳米沟道晶体管的应用范围；
2） 本发明提供的多层结构，充分利用了二维绝缘材料的原子层厚度，保证栅极和发射极/收集极之间的高度差在十纳米甚至几个纳米尺度，保证了侧栅极对器件的调控性能；
3） 本发明中真空纳米沟道的尺度小于电子在空气中的平均自由程，使得载流子在沟道内部的输运满足场致电子发射或隧穿的形式，具有高响应速度、高截止频率和高可靠性等技术优势；
附图说明：
图1为本发明中的一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管的俯视示意图。
图2为本发明中的一种基于二维绝缘材料的锥形真空纳米沟道晶体管的俯视示意图。
图3为本发明中的一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道阵列的俯视示意图。
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。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提出的基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，自下而上依次包括绝缘衬底1、第一、二栅极2和3、二维绝缘层4、发射极5和收集极6。图1展示了其中一种二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管的俯视示意图，所述绝缘衬底1位于器件最底部；所述栅极2、3位于绝缘衬底1与二维绝缘层4之间；所述二维绝缘层4位于栅极2、3与发射极5、收集极6之间，用于隔绝栅极与发射极/收集极间的漏电流；所述发射极5和收集极6之间的距离小于电子在空气中的平均自由程（~68纳米）。
本发明中，发射极5和收集极6之间的距离为1~68纳米，第一、二栅极2、3与发射极5之间的距离为10~1000纳米，第一、二栅极2、3与收集极6之间的距离为10~1000纳米；绝缘衬底1的厚度大于1微米，二维绝缘层4的厚度小于10纳米，第一、二栅极2、3、发射极5及收集极6的厚度小于100纳米。
本发明中，绝缘衬底1的具体材料为二氧化硅、三氧化二铝或氧化铪；第一、二栅极2和3的具体材料为高掺杂的硅或金、铝金属材料；二维绝缘层4的具体材料为六方氮化硼；
所述发射极5及收集极6的具体材料为一维材料或二维材料或三维块体材料的其中一种；其中所述一维材料包括碳纳米管、氧化锌纳米线；二维材料包括石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷；三维块体材料包括碳纳米管、氧化锌纳米线等一维材料，三维块体材料包括金属材料或半导体材料；所述金属材料包括金、铜、铝；所述半导体材料包括硅、碳化硅、氮化镓。
本发明中，发射极5起到发射电子的作用，收集极6起到收集电子的作用，侧栅极2、3起到电场调控的作用。
本发明中，发射极5的形貌可以利用光刻工艺形成锥形结构，如图2所示，提高发射极5的表面电场强度和场增强因子，有效降低器件的工作电压。
本发明中，发射极5和收集极6可以利用光刻工艺形成阵列式结构，如图3所示，增加电子发射/采集的有效面积，提高器件发射电流的能力。
下面结合实例图介绍具体的实施例。
实施例1：
图1展示了本发明的一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管的俯视示意图，自下而上依次包括绝缘衬底1、第一、二栅极2和3、二维绝缘层4、发射极5和收集极6。图1展示了其中一种二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管的俯视示意图，所述绝缘衬底1位于器件最底部；所述第一、二栅极2、3位于绝缘衬底1与二维绝缘层4之间；所述二维绝缘层4位于第一、二栅极2、3与发射极5、收集极6之间，用于隔绝栅极与发射极/收集极间的漏电流；所述发射极5和收集极6之间的距离小于电子在空气中的平均自由程（~68纳米）。
实施例2：
图2展示了本发明的一种基于二维绝缘材料的锥形真空纳米沟道晶体管的俯视示意图，锥形结构可以提高发射极的表面电场强度和场增强因子，有效降低器件的工作电压。
自下而上依次包括绝缘衬底1、第一、二栅极2和3、二维绝缘层4、锥形发射极5和收集极6；所述绝缘衬底1位于器件最底部；所述第一、二栅极2、3位于绝缘衬底1与二维绝缘层3之间；所述二维绝缘层3位于第一、二栅极2、3与锥形发射极5、收集极6之间，用于隔绝栅极与锥形发射极/收集极间的漏电流；所述锥形发射极5和收集极6之间的距离小于电子在空气中的平均自由程（~68纳米）。
实施例3：
图3展示了本发明的一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道阵列的俯视示意图，阵列式结构可以增加电子发射/采集的有效面积，提高器件发射电流的能力。其特征在于：自下而上依次包括绝缘衬底1、第一栅极2、二维绝缘层3、发射极阵列4和收集极阵列5。所述绝缘衬底1位于器件最底部；所述第一栅极2位于绝缘衬底1与二维绝缘层3之间；所述二维绝缘层3位于第一栅极2与发射极阵列4、收集极阵列5之间，用于隔绝栅极与发射极/收集极阵列间的漏电流；所述发射极阵列和收集极阵列之间的距离小于电子在空气中的平均自由程（~68纳米）。
Claims (7)
1.一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，其特征在于：自下而上依次包括绝缘衬底（1）、第一、二栅极（2、3）、二维绝缘层（4）、发射极（5）和收集极（6）；其中所述绝缘衬底（1）位于器件最底部；所述第一、二栅极（2、3）位于绝缘衬底（1）与二维绝缘层（4）之间的左右两侧分别设有第一栅极（2）和第二栅极（3）；所述二维绝缘层（4）位于第一、二栅极（2、3）与发射极（5）、收集极（6）之间，用于隔绝栅极与发射极（5）、收集极（6）间的漏电流；所述发射极（5）和收集极（6）之间的距离小于电子在空气中的平均自由程。
2.根据权利要求1所述的基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述发射极（5）和收集极（6）之间的距离为1~68纳米，所述第一、二栅极（2、3）与发射极（5）之间的距离均为10~1000纳米，第一、二栅极（2、3）与收集极（6）之间的距离为10~1000纳米。
3.根据权利要求1所述的基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，其特征在于：其中所述绝缘衬底（1）的厚度大于1微米，所述二维绝缘层（4）的厚度小于10纳米，第一栅极（2）和第二栅极（3）、发射极（5）及收集极（6）的厚度小于100纳米。
4.根据权利要求1所述的基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述绝缘衬底（1）的具体材料为二氧化硅、三氧化二铝或氧化铪。
5.根据权利要求1所述的基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，其特征在于第一、二栅极（2、3）的具体材料为高掺杂的硅或金、铝或其他金属材料。
6.根据权利要求1所述的基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述二维绝缘层（4）的具体材料为六方氮化硼。
7.根据权利要求1所述的基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，其特征在于：所述发射极（5）及收集极（6）的具体材料为一维材料或二维材料或三维块体材料的其中一种其中所述一维材料包括碳纳米管、氧化锌纳米线；二维材料包括石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷；三维块体材料包括碳纳米管、氧化锌纳米线等一维材料，三维块体材料包括金属材料或半导体材料；所述金属材料包括金、铜、铝；所述半导体材料包括硅、碳化硅、氮化镓。
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