CN1294760A

CN1294760A - 真空场效应晶体管

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Publication number: CN1294760A
Application number: CN99804294.3A
Authority: CN
Inventors: 曹圭亨; 柳之烈; 黄明运; 赵敏衡; 禹永振; 金荣基
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Amnis Co Ltd
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2001-05-09
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: CN1202576C; US6437360B1; AU2962299A; JP2002508596A; WO1999049520A1; JP3488692B2

Abstract

本发明公开平面型/纵向型真空场效应晶体管(VFT)结构,采用类似MOSFET平面或纵向型结构,以提高集成度,并可以在较低的工作电压下高速运行。本平面型VFT包括由导体制成的源极和漏极,它们分开一段预定的距离而保持于一个薄的沟道绝缘体上,其间有真空沟道;由导体制成的栅极,它有一定宽度,形成于所述源极和漏极的下面,所述沟道绝缘体的作用在于使栅极与源极和漏极绝缘;绝缘主体,用作支撑沟道绝缘体和栅极的基片。纵向型真空场效应晶体管,包括:导电的连续圆形源极,它具有空着的中心,形成于沟道绝缘体上;形成于所述沟道绝缘体下面并延伸跨过所述源极的导电的栅极;绝缘主体,用作支撑所述栅极和沟道绝缘体的基片;安装在所述源极上方的绝缘壁,形成闭合的真空沟道;形成于所述真空泡道上方的漏极。两种类型中都将适当的偏压加在栅极、源极和漏极之间,使电子能够从源极经所述真空沟道被场致发射到漏极。

Description

真空场效应晶体管

本发明涉及平面型／纵向型真空隧道晶体管。具体地说，本发明涉及平面型／纵向型真空隧道晶体管，它采用MOSFET的平面或纵向型结构，用以提高集成度，并能在较低工作电压下高速运行。

普通半导体器件中，电流在半导体内传导，致使电子的移动速度受到晶格或其中杂质的影响。近来，已经研制出的半导体器件包括微针型真空晶体管。这种晶体管内，电子在真空中移动，因而速度不受限制。于是，这种晶体管可按极高的速度运行。不过，它们的缺点在于难于大规模集成化，并需要较高的工作电压。

为了更好地了解本发明的背景技术，将参照附图给出常规技术的描述。

参照图1，给出一种MOSFET(n沟道)的基本结构。在较高工作频率(ft)下，通常范围是20-30GHz，这种结构的Si FET表示一种叠片，只用于几GHz的控制电压振荡器(VCO)，而不能用于几十GHz的超高频振荡器。对于SOI和GaAs FET而言，可将它们用于较高的频率，但其缺点仍在于它们难于制作，而且昂贵。

详细而言，在图1所示的MOSFET中，当给栅极G和漏极D加以电压，并以源极S接地时，在主体B的栅极G下面形成空间电荷区。如果电压超过阈值电压，则在栅极G的下方形成沟道p。这种情况下的MOSFET被说成是导电的。对于n沟道的MOS而言，电子沿着所示沟道从源极S移到漏极D。这种器件的运行速度与认为电子从源极S移到漏极D的时间成反比。于是，沟道越短，电子移动得越快。在漏极接地时电流增益为1条件下的频率ft表示器件速度，它接近正比于电子迁移率(μ)，并与沟道长度的平方成反比。

要对确定器件速度的各因子之间的迁移率(μ)给予注意。所述迁移率与沟道的材料有关。例如，只要加给的电场低于5×10⁴([V／cm])，GaAs中的迁移率是Gi中的5倍那样快。所以，GaAs被用于制作高速度的晶体管。不过，尤其是若去掉沟道区的晶格结构，也就是如果沟道处于真空中，则所述迁移率不起限定因子的作用，而随便多大。因此，就要求电场越强，可使具有真空沟道区的器件的运行速度越块。

参照图2，有一种带微针的普通真空晶体管，它改进了场致发射显示(FED)结构。采用接近1THz的频率(ft)，这种真空晶体管可被用于普通FET所不能用的超高频器件。

有如从该图所看到的，在从几十伏至100伏范围或者更高的较高加速电位影响下，电子从呈尖锐的点形阴极发射极被发射，并被位于公用阳极上方的荧光屏所收集。朝向阳极移动的电子数受加给栅极的几十伏的电压控制。为控制及发射电子为什么需要如此高的电压的理由是，所述的针离开栅极有较长的距离。与较高的阳极-栅极电压一起，制造这种微针的困难限制了这些真空晶体管结构的实际应用中，如军事应用。

因此，本发明的目的在于克服现有技术中遇到的上述问题，提供一种新颖的、具有很高集成度的平面型／纵向型真空沟道晶体管。

本发明的另一目的在于提供一种新颖的平面型／纵向型真空沟道晶体管，可在非常低的电压下高速运行。

本发明采用MOS晶体管型平面或纵向型结构，代替普通的微针结构，以提高所述的集成度，并用低功函数材料，以减小在低压下的沟道效应。另外。本发明按电子迁移一段真空的自由空间，从而实现器件高速运行的方式被构成。在常规器件中，比如Si和GaAs器件中，电子穿过由Si或GaAs原子构成的晶格。于是，电子与所述原子或添加的杂质碰撞，使它们不能自由移动，而表现出受到限制的迁移率。

本发明人重复的有关真空晶体管的充分而彻底的研究，开发出一种符合上述条件的新颖的平面型／纵向真空隧道晶体管，并命名为“真空场效应晶体管”(以下简称“VFT”)。

按照本发明的一个方面，给出一种平面型真空场效应晶体管，它包括：由导体制成的源极和漏极，它们分开一段预定的距离而保持于一个薄的沟道绝缘体上，其间有真空沟道；由导体制成的栅极，它有一定宽度，形成于所述源极和漏极的下面，所述沟道绝缘体的作用在于使栅极、源极和漏极绝缘；还包括一绝缘主体，用作支撑沟道绝缘体和栅极的基片，其中在栅极与源极和漏极之间加给适当的偏压，以使电子能够从源极经所述真空沟道被场致发射到漏极。

最好使平面型真空场效应晶体管在源极与真空沟道之间以及漏极与真空沟道之间的接触区域包含低功函数材料。

一种较好的VFT结构是，其中每个VFT器件都被安装在由多个间隔的壁构成的沟道中，为的是使按沟道效应从源极发射的电子不会通过所述真空自由空间而移向邻近的漏极。

按照本发明的另一方面，给出一种纵向型真空场效应晶体管，包括：导电的连续圆形源极，它具有空着的中心，形成于沟道绝缘体上；形成于所述沟道绝缘体下面并延伸跨过所述源极的导电的栅极；一个绝缘体，用于支撑所述栅极和沟道绝缘体的基片；安装在所述源极上方的绝缘壁，形成闭合的真空沟道；还包括形成于所述真空沟道上方的漏极，其中在栅极与源极和漏极之间加给适当的偏压，以使电子能够从源极经所述真空沟道被场致发射到漏极。

所述纵向型真空场效应晶体管最好还包含涂敷于所述源极上的低功函数材料。

从以下参照附图对实施例的详细描述，将使本发明的上述及其它目的和情况变得愈为清晰，其中：

图1是表示常规MOSFET的断面间隔示意图；

图2是表示常规微针型真空晶体管的示意图；

图3a和3b分别以透视方式和截面方式表示VFT的基本结构；所述VFT类似于MOSFET，区别在于沟道变成空的，用于在适当位置的栅极放电；

图4是表示当在室温条件下由热能使导体中的电子被激活到高于费米能级时，势垒和电子密度几率函数随外加电场变化的曲线；

图5a和5b表示在一种VFT结构中，对于源极、漏极和／或栅极在它们的具有真空沟道的接触区域处应用低功函数材料；

图5c表示在图5a的结构中，电场屏蔽导体在低功函数材料上的应用；

图5d表示在一种VFT结构中，非导电低功函数材料在从源极经沟道到漏极的区域上方的应用；

图6a表示在一种VFT结构中，用导线使栅极与源极相连形成的一个闭合回线，而且在金属接点之间存在电荷和电场；

图6b表示在图6a的VFT结构中，低功函数材料用于源极与沟道绝缘体之间以及栅极与绝缘体之间的分界面；

图7是用有限分割法所得到的在VFT结构中，栅极与源极间加给1伏时的势能电荷；

图8a和8b分别是图6a和6b的结构中，把正离子注入与源极和漏极接触的栅极绝缘体区域后的示意图；

图9a和9b分别表示在图5的结构中，短栅极的电位在源极处或者在漏极处，以及电位在源极和漏极二者处；

图10是用符号表示的几种VFT结构；

图11是关于真空绘制的电子沿Si、GaAs和InP移过一个0．5μm间隙所用的时间对漏极与源极间所加电压的曲线；

图12a和12b分别表示VFT和MOS的高频小信号等效形式；

图13a和13b分别表示VFT和MOS的包含漏电流的低功函数材料等效形式；

图14表示由用多个绝缘沟道彼此分开的器件组成的部分集成电路；

图15a到15c是表示本发明纵向型VFT结构的示意截面图；

图15d表示一种纵向型VFT结构，其中将非导电低功函数材料涂敷于其间包括相对之源极和沟道的区域上方；

图16a和16b表示简单的转换电路和包含输出缓冲器的转换电路，二者被设计有VFT器件；

图16c表示被设计有VFT器件的多电流源电路。

参照附图将使本发明的优选实施例得到最好的理解，其中类似的参考标号分别用于相应的部件。

参照图3a和3b，给出一种结构，分别以透视图和剖面图的形式示出本发明VFT的基本概念。这种VFT结构仿佛是一种MOSFET结构，不过区别在于使沟道空白和使栅极在适当的位置放电。这种VFT结构被分成由源极S、漏极D及其间的真空沟道组成的上层结构，和由栅极G和主体组成的下层结构。源极S、漏极D和栅极G每个都是导电体，在上层结构与下层结构之间具有真空沟道的绝缘体。这种真空沟道在栅极G的上方，此栅极位于支撑整个其间的绝缘主体内。

如果把电压加到栅极G上，难以回答在这种结构中是否像MOSFET结构中那样会形成沟道并且电流将容易流动的问题。其原因在于，由于沟道处于真空状态，不容易被引入到所述的自由空间中，电子都堆积在金属晶格内部。对于MOSFET而言，当加给栅极的电压大到足以克服Si的n区与p区之间相对的费米能级，阈值条件适于形成沟道，因此就无需将源极S的电子引到离自由空间那样远。与MOSFET结构相反，按照本发明的新型结构，所包含的沟道处于真空状态，因此需要把电子引入到自由空间中。这与功函数有关，所述功函数表示使电子被限制于金属中的力。于是，为拉引电子所需的电场与所用金属的种类有关，不过一般需要它是强的。因此，重要的在于理解电子的发射与所加电场强度有怎样的关系。目前已经关于能够在这一原理下工作的器件进行了研究。最终，开发出一种微针型真空晶体管，即一种包含场致发射显示的组合元，它的结构被示于图2中。

从金属到真空的电子发射易受强电场的影响。详细地说，当在金属上加给一个强电场时，金属表面上的势垒高度及宽度都减小，以致能够很容易地产生沟道效应。针型场致发射元件中所用金属的功函数的通常范围从接近3eV至5eV。因此，为从这样的金属发射电子所需的电场强度至少需为10⁷[V／cm]。不过，特殊的金属化合物表现出有如大约0．1-1eV这样低的功函数，使电流能以类似于10⁷[V／cm]电场下的速率流动。事实上，与金刚石类似，有些非金属化合物表现出比这个值还要低很多的功函数。按照本发明，这些材料被用于影响电子的发射。这种功函数如此低的材料被用为源极材料或薄薄地涂敷于源极上，给出VFT，这种VFT能够在低电压下工作。

参照图4，表示一种沟道效应，当在室温下给金属外加一个电场时，由于这种沟道效应，使电子从金属被传送到真空。如果存在一个无穷大的势垒，电子可能存在于金属外部的几率为0。然而，在加给强电场的情况下，势垒的高度降低，同时宽度变窄，使电子存在于真空中的几率不为0。换句话说，有些电子自己可能跑向真空。这时，从金属发射电子的电流密度符合由下面的数学式[Ⅰ]表示的富勒-诺德哈姆(Fowlar-Nordheim)方程：

J = 1.54 \times 10^{6} . \frac{E^{2}}{Φ \times t (y)^{2}} . e^{- 6.83 \times 10^{7} \times \frac{Φ^{\frac{3}{2}} \times v (y)}{E}} [A / {cm}^{2}] [I]

其中，Φ是与金属的功函数有关的势差，t(y)是与被发射电子的镜像力有关的椭圆函数，υ(y)是接近l的椭圆函数，而E是加在金属表面上的电场强度。有时，金属表面上可能有些无价值的小突起。在这种小突起的表面上，电场会更强，就使更多的电子从那里发射。

回到图3，本发明VFT的基本结构使从源极S发射电子，以确定电流。所发射的电子的量与靠近真空沟道与源极S之间的界面处的电场强度的配合有关，并与源极S的导电材料的功函数有关。在靠近源极S边缘处的电场强度是在栅极G与源极S之间所加电势的函数，也是其间沟道绝缘体厚度的函数。

因此，如果给出源极S金属的功函数(qφ)和电场强度，则可从数学式[Ⅰ]计算电流密度(J)。作为该方程的推论，通过提高栅极G与源极S之间的电压(V_GS)补充源极材料的低功函数并增加E，可以给出电流密度的增大。如果源极S由钨(W)或钼(Mo制成)，它的功函数接近4．5eV，这对于给定的可为最佳的电流密度是太大了。另一方面，在低功函数材料，如金刚石或类金刚石的碳被用为源极S的情况下，即使在非常低的电场下，也能得到所要的电流密度。另外，考虑到低功函数材料的导电性和加工性能，源极S主要由导电性好的金属制成，再涂以低功函数材料。

参照图5，这是几个有如上述涂以低功函数材料结构的例子。与常规真空晶体管结构相反，图5的结构表示一种在低栅极电压的情况下，充分加强加在电子发射区周围，比如与沟道接触的源极边缘周围电场的可能性。这种可能性来自以下事实：栅极G与源极S之间的沟道绝缘体非常薄，并且存在于栅极G与源极S之间具有电常数(ε_r)的绝缘体因该ε_r与同一电压共同导致真空沟道内电场的放大。另外，如果金属表面的曲率半径较小，就会使这种弯曲表面的电场变强。根据这种事实，按图5所示的结构，通过调整所述边缘处的曲率半径，可使所述电场加强，在所述边缘处，源极S与沟道接触。

正如在通常的MOSFET中那样，VFT中可能发生Early效应。由此，使源极与漏极间的长度变短，由漏极电压所舍出的电场能够使更多的电子要从源极上的低功函数材料发射。

为防止这种效应，可给源极上涂敷的整个低功函数材料的表面，除发射大部分电子的部位外，都覆盖以金属，以屏蔽被漏极所舍出的电场。这种结构被示于图5c中。有如从图5c所见者，将低功函数涂敷在部分源极S上，然后再按以下的方法覆盖以金属层，即使其与源极S相连，以具有相同的电位。

图5b表示将源极S覆盖在低功函数材料上。在这种情况下，先淀积源极S，可在低功函数材料的预定区域上形成绝缘体。在对源极S淀积金属层之后，蚀刻掉绝缘体，露出发射电子的低功函数材料部位。采用非金属低功函数材料，如类金刚石的碳的结构被示例于图5d中。有如所见者，将非金属低功函数材料以稀薄连续的方式涂敷在从源极S经真空沟道到漏极D的区域上。这种结构使得易于发生从源极S发射电子，并有容易制造的优点。通过低功函数材料使漏极与源极连接的结构可被用于图5b和5c的情况。将低功函数材料涂敷在沟道区域内的沟道绝缘体上，以实现源极与连接之间的连接。

在把低功函数材料涂敷在导体上的情况下，以下将把由两种材料间功函数的不同所引起的问题，与在栅极导体的功函数不同于源极导体时可能发生的问题一起被描述。另外，在连接栅极与源极的导线与栅极和源极的功函数不同的情况下，下面的描述将包含在不同导体之间的接合处可能会发生的问题。

让我们假设两种功函数不同的导体在与其间的绝缘体间隔不同的条件下彼此连接。在两种导体之间的间隔分别为d_m1和d_m2的情况下，如果d_m1＜＜d_m2，则两种导体间的功函数差被表示如下：qΔφ_m=qφ_m1-qφ_m2，其中Δφ_m意思是两种导体的电势差。当所述电势差Δφ_m产生于其间有绝缘体的两个导体之间时，在两个导体与绝缘体之间的界面处存在一定量的电荷(±ΔQ)，同时在绝缘体内产生电场E。在这种情况下，当把电压从外部加在两个导体之间时，如果间隔d_m1较短，则由于沟道效应，使电子容易穿过绝缘体。另一方面，较长的绝缘体间隔使得电子实质上不能移过绝缘体，除非是电压明显地被加大。

回到图5，考虑到这种结构，假设源极通过导线连到栅极。在最终的结构中，源极与栅极件的界面被示于图6的放大了的视图中。该图中，假设源极S、栅极G、漏极D及导线都是同样的导体，并且部分以及S被涂以导电的低功函数材料。沿着虚线，形成一种“源极-接合处#1-低功函数材料-接合处#2-栅极”结构。也即形成一种闭环，使两类材料与其间的接合处彼此连接。

因为接合处#1几乎没有间隔(d_m10)，所以源极直接与栅极接触。因此，虽然存在可归因于两种金属之间不同功函数的电势差，但由于沟道效应，使电子在两种金属之间自由移动。这样的接合被称为欧姆接触。

然而，由于与接合处#1相反，接合处#2有较大的间隙(d_m1＜＜d_m2)，所以在低功函数材料与栅极G之间的接合处#2，不能预期沟道效应，因而就不会发生电子的移动。虽然如此，在低功函数材料与栅极G之间仍存在与它们的功函数之差相应的电势差。因此，在各绝缘体的界面处有电荷±ΔQ。有如图6a的局部放大视图所表示的，整个绝缘体在所述低功函数一侧和栅极G一侧分别存在+ΔQ和-ΔQ，使绝缘体的内部电场从源极S指向栅极G。

这个电场方向引起一个抵消电压，对从源极S发生电子有抑制的影响，这在通过在栅极G与源极S之间加给电势而欲使元件工作时是必须被克服的。与常规MOSFET相比，这种结构的阈值电压比它高Δφ。为使整个阈值电压降低，栅极的材料必须也选自低功函数材料。

回到图6b，作为涂敷在源极侧的同样的材料被用于栅极侧并且下面衬以普通导体(A1)。在这种结构中，由于栅极G一侧所形成的接合处#3像接合处#1一样是欧姆接触，所以源极S与栅极G之间不存在较大的抑制电压。于是，通过这种方式能够解决提高阈值电压的问题。另外，图6b结构的特点在于不把低功函数材料涂敷于源极S上，而是涂敷在沟道绝缘体上，然后再对源极S涂以导体。这种结构也按与上述同样的方式工作。

以下将讨论电子是否能从源极S侧上的低功函数材料向着沟道发射。将指向漏极D的方向设定为以低功函数材料的端部为开始点的X方向，如图6a和6b所示。为使x=0处的电子从低功函数材料传送至沟道，必须克服低功函数材料与沟道间的功函数差。由于所述沟道为真空级的，问题就是电子怎样克服低功函数材料自身的功函数。通过如图4所示那样根据沟道效应在栅极G与源极S之间加以电压来解决这个问题。如果栅极G与源极S之间存在电势差，则绝缘体的内部电场强度近似由公式E=V／d确定。沿X方向存在被称为“弥散场(fringingfield)”。弥散场的强度在x=0点处为最大，并且随着远离源极S(x＞0)而减弱。

图7表示这一图样。该图中，在假定源极S与栅极G由相同材料制成且其间间隔(d_m2)为20nm的情况下把1V加在源极S与栅极G之间，并用真空代替绝缘体时，关于X轴的距离标绘出电势分布。最为重要的是x=0附近的电场强度。这个强度越强，越容易发生根据图4所述原则的沟道效应。于是，借助数学方程[Ⅰ]可以期待产生所希望程度的电流。

如上所述，通过把源极S与栅极G之间的绝缘层考虑为真空，但与起因于介电常数的实际完全不同，得到图7的结果。例如，在以SiO₂形成绝缘体的情况下，由于SiO₂的介电常数ε_r4，为了在与上述同样的条件下对沿X方向的电场给出与图7同样的尺寸，就应使源极与栅极之间的间隔d_m2被扩大ε_r倍，如80nm。因此，在间隔d_m2被扩大4倍的情况下，使SiO₂绝缘层内的电场强度E减小到对应于相同的栅极-源极电势差1V时的四分之一。虽然如此，但由于电通量密度表示为关系D=ε_rε_oE，所以电通量密度D保持不变。一般地说，电通量密度D沿着路径为栅极-绝缘体-部分真空沟道-源极，并随着穿过真空的路径的增长而变弱。然而，当考虑源极边缘上的边界条件时，最好把与它的源极接触的真空沟道边界上的电通量密度D理解为与相邻的绝缘体内并非太不相同。因此，在与源极接触的真空沟道边缘上的电场E比相邻绝缘体内被增强接近ε_r倍。换句话说，在开始点x=0附近处的真空沟道边缘上的电场E最强，随着x的增大而变弱。

结果，按如下方式实现从源极S侧的低功函数材料发射电子，即电子从与沟道接触的边缘(x=0)发射到真空沟道的边缘，在这里，电场是最强的。所发射的电子受到加给栅极的电势的吸引，从而聚集在沟道区的绝缘层上。在这种情况下，部分电荷受到理解D的电位的作用而流走，同时，从源极送来等量的电荷，从而形成电流。只要不因绝缘层的厚度和绝缘层上所形成的表面能级而加给很高的电压，作为对真空发射的结果而聚集在沟道的绝缘层上的电荷就不容易受到朝向栅极G的沟道效应。因此，可以安全地加给栅极的电压范围是绝缘层种类和厚度的函数。

上面的叙述是造成以导电的低功函数材料涂敷源极S的主要原因。对于非导电材料的涂敷，比如金刚石或类金刚石碳的涂敷而言，难于给出欧姆接触的描述。即使在这种情况下，以实验的方法也能观察到，就像在导电涂敷的情况下那样，易于在低电场下实现从涂敷的表面发射电子。

再结合图6，将说明栅极G与源极S之间的阈值电压，在这一电压下，通过在栅极电压控制下从源极S发射电子所获得的电流达到一个临界点。如前所述，图6b的结构表示一个比图6a低的阈值电压。在这些结构中，用于强度所述阈值电压的参数包括栅极G与源极S之间绝缘体的厚度和绝缘体的介电常数，以及以及与沟道接触的S边缘的曲率半径。

具有这些结构的器件都具有总是大于0的阈值电压，并且在V_GS=0时由于没有电流能够流过，它们处于断开状态。不过，按照加给的电场，即使在V_GS=0时，也要求这些器件是导电的。事实上，在很多情况下，由于费用的原因，都要求器件的阈值大于小于0。VFT的情况同样是这样，因为与通用器件不同，没有互补型(p型)器件。图8a和8b示出一个阈值小于0(Vt＜0)的器件可以导电的例子。如图所示，可将适当的阳离子注入栅极G与源极S之间的薄的绝缘体中。这时，Vt变成注入阳离子的密度、绝缘体厚度和介电常数，以及源极S边缘的曲率半径的函数。在这种情况下，即使在V_Gs=0时，也能从源极S发射电子。另外，通过将杂质注入源极S侧的低功函数材料层中，能够将阈值电压控制在某种程度。

简单地说，类似于MOSFET，通过将阈值电压调节成大于或小于0，可将VFT制成两种类型，即增强型和耗尽型。因为VFT中的载流子只是电子，不存在n沟道器件。所以，当设计电路时需要p沟道器件的情况下，建议使用耗尽型VFT代替采用SOI的PMOS。

以下给出电子迁移率方面的描述，这确定器件的运行速度。由于飞过真空的电子不会遇到晶格，而是自由运动，所以无需对于移过普通半导体之电子所加给的迁移率概念。在如图5a和5b所示的栅极G从源极S延伸到漏极D的情况下，沟道的电子被吸引，朝向绝缘体表面，并沿该表面移动。如果是这样，电子就不能自由运动，而是在所述表面上要比在自由空间内移动得慢。因此，无助于将迁移率的概念引入这种情况中。常规的MOSFET不能避免这种在半导体内没有构成沟道的结构。相反，本发明的VFT器件适于这样的设计，用以解决这一问题。

图9中引入这种创新的设计。如图9a所示，大部分延伸至漏极D的栅极G被取消，同时允许保持部分栅极G靠近源极S。另外，可以制成具有纵向结构概念的器件，参照图15将说明这种概念。在这些结构中，一旦电子被从源极S发射，它们就移到漏极D，而没有任何问题。进而，由于电子没有沿沟道表面的阻碍，而飞过所述间隔，所以它们能运动得非常快。

本发明结构所能达到的优点被简述如下：

1．电子的输运变得更快；

2．栅极G-源极S间的电容减小；

3．器件的1／f噪声减弱。

与1／f噪声减弱的同时，由在栅极表面面积的减小引起较小的电容使得沟道的表面条件不会对影响电子输运造成太大的影响。

为使电子既能从源极S也能从漏极D发射，可以构成省略栅极的中间区域，以代替满长栅极。也就是如图9b所示那样，在源极S处和漏极D处分别形成栅极G1和G2。有时这种结构不适于电路的构成。如果把图9a、9b和15a至15d中所示的结构分成横向型和纵向型的，可按同样的发射工作。

图10示意地表示上述VFT器件。该图中的单向器件符号用于图9a和15的结构，双向器件的符号用于图9b的结构，而连接栅极的器件符号用于图5a和5b的结构。

确定器件转换速度的一个因素是电子从源极S移到漏极D所用的时间。这种时间取估计值。

由加给漏极D的电场使从源极S发射的电子飞行。直到时间G存在的区域，电子沿绝缘体表面移动，以致它们移动的速度受表面条件的影响。从电子逸出栅极区域的时刻起，它们的移动受加给漏极D的电场E的控制，但不在绝缘体表面的影响之下。这时，电子在真空中从源极S飞行到漏极D所用的时间t_飞行被认为按如下的数学方程式[Ⅱ]来表示：式中L是从漏极D到源极S的距离，m是电子质量，V_DS是加在漏极D与源极S之间的电压，而e是电子的电量。

参照图11，标绘出在真空GaAs、InP和Si中当L=0．5μm时t_飞行根据方程[Ⅱ]随加在漏极D和源极S间的电压而改变。如上所述，当电场小于5×10⁴[V／cm]时，如V_DS小于2．5V时，电子在GaAs、InP中比在Si中运动得快的多。换句话说，当加给高于2．5V的电压时，电子飞越沟道所花的时间t_飞行对三种材料几乎是一样的。对于真空而言，由于t_飞行与

\sqrt{V_{DS}}

成反比，所以飞行时间随着V_DS的增大而变短。因此，本发明之电子在真空中运动的VFT比电子在Si、GaAs或InP中运动的常规器件运行要快得多。

以下参照图12描述VFT的小信号高频工作特性。

参照图12a和12b，分别是本发明VFT和常规MOSFET的小信号等效电路。VFT的一个特点是缺少不希望有的附加元件C_gb、C_sb、C_db和C_gd，它们在常规MOSFET中变得复杂。通过比较C_gs发现VFT的另一个特点。在常规MOSFET中，必须使栅极G区域存在于源极S与漏极D之间的全部距离上方，而在VFT中，栅极G区域可以局限地形成于源极S附近。因此，VFT中的C_gs比在常规MOSFET中小很多。这对于较高的工作频率(ft)成为优点，因为随着C_gs越小和g_m越大，它变得越高。

另外，由于缺少容性附加元件以及C_gs较小，在构成数字逻辑电路时，VFT有许多明显的优点超过常规MOSFET。这些容性附加元件使器件的转换速度就像高速运行时消耗的功率一样缓慢。因此，如果以VFT实现集成电路，如微处理器或DSP，则可制成低功率的高速集成块。

参照图13a和13b，分别是本发明VFT和常规MOSFET的包含漏电流的低频小信号等效电路。

在图13a的等效电路中，i_sb和i_db表示源极S与主体B之间和漏极D与主体B之间的漏电流组分。这些电流组分是在正常工作下将反向偏压加在源极S与主体B之间和漏极D与主体B之间的pn结上时产生的。一般说来，这种漏电流是如此之小，以致可被忽略，但在需要把能量储存于小电容内，如在DMAR内时，却起重要作用。特别是这种漏电流是重要的难点，当工作过程中集成块的温度增高时，它就急剧增大。

与常规MOSFET相比，本发明的VFT表现出无漏电流，因为源极S和漏极互相分开，有如图13a之等效电路所示者。因此，譬如若以这种VFT制作DRAM，可使电容非常小，同时可使集成块的尺寸减小。另外，这种VFT的快速特点使得它能制作较高速度的DRAM。

再有，本发明的VFT在不可刷新的DRAM以及模拟存储器方面可以找到许多应用。建议可按与DRAM同样的集成度制作SRAM。因为它们被刷新，有如普通DRAM这样通用的存储器，在它们成为数字值之前，不能存储信息。于是，这种VFT适合于存储模拟值的存储器。应当制作能够存储模拟值的存储器，可将它们用于中枢网络电路。

当达到像微处理器那样高的集成度时，有如图9a和9b中所示开路结构的相邻器件之间可发生干扰。例如，在一个VFT中加给较低的漏极电压，同时在一个邻近的VFT中加给较高的漏极电压的情况下，从低漏极电压的VFT的源极S飞出的电子处于高漏极电压的吸引力的特别影响下，使它们不能正常地穿过沟道飞向它们的有关漏极D。

如图5a和5b所示的结构，其中栅极G被连续地连接在源极S与漏极D之间的整个距离上，这种结构中一个VFT的沟道电荷离开它们自己沟道，并被吸引到一个邻近的高电压的VFT的漏极D或源极S的可能性非常低。

以下将讨论在任何情况下相邻器件之间不发生影响的结构。

图14表示一种结构，其中每个器件通过以选择的方式蚀刻被定位于各自的位置。由于蚀刻所形成的壁用为前后左右侧的精加工过的中隔壁，若封闭所示位置的上方，可使每个器件被完全分隔开。这种结构预期会表现出类似于图9所示的迁移率，并可被用于大规模集成电路，这是没有问题的。

图15a到15d表示几种非横向而是纵向的沟道型VFT的结构，它们是采用类似与制作DRAM的沟道电容的过程被制成的。这种纵向结构使所发射的电子能表现出最快的迁移率，用为电子飞过真空，而不受金属或绝缘体表面的影响。

这种纵向结构特别适用于高频功率的器件。在图15c或15d的结构中，即使在对漏极D采用较高电压的情况下，源极侧的电子发射点也能有效地受到与源极S相连的电场屏蔽栅极的保护。与图5d的结构相类似，图15d的结构采用非导电低功函数材料涂敷在沟道区域和源极S上，优点在于易于制造。

除了VFT的多种结构和它们的特点以外，将考虑采用这种VFT的简单电路。

图16a和16b中，分别将增强型VFT和耗尽型VFT用于设计简单的倒相电路和具有输出缓存器的倒相电路。代替耗尽型VFT，可以采用p沟道SOI MOSFET。图16c是表示多个电流源的电路。与MOSFET电路类似，通过使每个器件的尺寸不同，不只可以使VFT电路在加给相同的V_GS情况下允许流过相等的电流，而且VFT电流还能控制流过每个器件的电流的量。通过改变每个器件上涂敷的材料，或通过改变所用绝缘体的厚度，也可以解决控制流过每个器件电流。

有如上面所描述的，本发明可在比常规MOS、SOI、GaAs、InP器件低的电压下工作。另外，本发明可以在高速下工作，并且容易高度集成，同时具有如下效果：使它能在低压和高速条件下完成集成电路，从而能将它们用于高速微处理器、高级计算机、DSP、存储装置等。本发明的另一优点是，它能用于输出端或输入端的高频功率放大器件和低噪声放大器件。

本发明已按图示说明的方式被描述，应当理解，所用的术语确定为描述的性质，而不是限制。按照上面的技术，本发明的许多改型和变化都是可能的。因此，应予理解，在所附权利要求书的范围内，可按不同于所特别描述的那样实现本发明。

Claims

1．一种平面型真空场效应晶体管，它包括：

由导体制成的源极和漏极，它们分开一段预定的距离而保持于一个薄的沟道绝缘体上，其间有真空沟道；

由导体制成的栅极，它有一定宽度，形成于所述源极和漏极的下面，所述沟道绝缘体的作用在于使栅极与源极和漏极绝缘；

绝缘主体，用作支撑沟道绝缘体和栅极的基片，其特征在于，在栅极、源极和漏极之间加给适当的偏压，以使电子能够从源极经所述真空沟道被场致发射到漏极。

2．一种如权利要求1所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，在所述源极与真空沟道之间以及所述漏极与真空沟道之间的接触区域还包含低功函数材料。

3．一种如权利要求1所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，所述低功函数材料在与所述真空沟道接触的沟道绝缘体上方延伸。

4．一种如权利要求1所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，在所述栅极与沟道绝缘体之间还包括低功函数材料。

5．一种如权利要求1至4任一项所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，在靠近所述栅极和源极处的沟道绝缘体区域中淀积阳离子，实现耗尽型器件。

6．一种如权利要求1至4任一项所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，所述栅极区域位于源极或漏极处。

7．一种如权利要求1至4任一项所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，所述栅极区域不连续，既位于源极处又位于漏极处。

8．一种如权利要求1至4任一项所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，还以如下方式在所述源极侧包括电场屏蔽栅极，所述电场屏蔽栅极覆盖除电子发射点以外的源极区域，在所述电子发射点附近，源极、真空沟道及沟道绝缘体互相接触，从而在电子发射区域消除由加给漏极的电压形成之电场的影响。

9．一种如权利要求1至4任一项所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，所述平面型真空场效应晶体管被绝缘的中隔壁所包围，避免外部电场对电子从源极到漏极运动的影响，从而在多个晶体管被集成在一起的情况下，使电子不能从一个晶体管偏移到另一个相邻的晶体管。

10．一种如权利要求1至4任一项所述的平面型真空场效应晶体管，其特征在于，还包括一个绝缘板，所述绝缘板具有多个沟道，每个沟道中安装一个纵向型真空场效应晶体管器件，使各绝缘的沟道壁防止被集成的各晶体管器件间的干扰，从而使电子不致从一个器件偏移到另一个相邻的器件。

11．一种纵向型真空场效应晶体管，包括：

导电的连续圆形源极，它具有空着的中心，形成于沟道绝缘体上；

形成于所述沟道绝缘体下面并延伸跨过所述源极的导电的栅极；

绝缘主体，用作支撑所述栅极和沟道绝缘体的基片；

安装在所述源极上方的绝缘壁，形成闭合的真空沟道；

形成于所述真空沟道上方的漏极，其特征在于，在栅极、源极和漏极之间加给适当的偏压，以使电子能够从源极经所述真空沟道被场致发射到漏极。

12．一种如权利要求11所述的纵向型真空场效应晶体管，其特征在于，还包含在所述源极上的一种功函数材料。

13．一种如权利要求11所述的纵向型真空场效应晶体管，其特征在于，所述低功函数材料在与所述真空沟道接触的沟道绝缘体上方延伸。

14．一种如权利要求11所述的纵向型真空场效应晶体管，其特征在于，还包含一种在所述栅极与沟道绝缘体之间的功函数材料。

15．一种如权利要求11至14任一项所述的纵向型真空场效应晶体管，其特征在于，还以如下方式在所述源极侧包括电场屏蔽栅极，所述电场屏蔽栅极覆盖除电子发射点以外的源极区域，在所述电子发射点附近，源极、真空沟道及沟道绝缘体互相接触，从而在电子发射区域消除由加给漏极的电压形成之电场的影响。

16．一种如权利要求11至14任一项所述的纵向型真空场效应晶体管，其特征在于，还包括一个绝缘板，所述绝缘板具有多个沟道，每个沟道中安装一个纵向型真空场效应晶体管器件，使各绝缘的沟道壁防止被集成的各晶体管器件间的干扰，从而使电子不致从一个器件偏移到另一个相邻的器件。