[发明专利]一种具有垂直结构圆柱形导电沟道的场发射晶体管

说明书

本发明公开了一种具有垂直结构圆柱形真空沟道的场发射晶体管，垂直结构圆柱形真空沟道场发射晶体管由三层电极和两层介质层构成，在各层薄膜中央位置的真空沟道可以由刻蚀得到，沟道的长度通过控制各层电极及介质层的厚度来精确控制；当沟道长度与电子在大气中的平均自由程相近时，器件在大气环境工作过程中电子在沟道中与大气分子的散射可以忽略，相当于工作在真空环境中，圆柱形的真空导电沟道使阴极发射面上所有位置具有完全对称的加速电场，从而将有效避免器件工作在强电场下时，由于局部电场过强而导致的器件失效的问题，可复杂环境中对信号进行放大或调制，工作稳定。

【技术领域】

本发明涉及场发射晶体管，特别是一种具有垂直结构圆柱形导电沟道的场发射晶体管。

【背景技术】

在过去的几十年中，固态电子器件在很多应用领域已经逐渐代替了真空电子器件，比如，真空管早已完全被固态晶体管取代。这是由于固态电子器件具有制造成本低、低功耗、寿命长及更利于集成的特点。

然而，真空电子器件工作在真空环境中，电子在传输过程中不会受到晶格散射，同时电子的传输速率可以达到光速，远大于电子在固态器件中的传输速率。因此，真空电子器件仍然在一些特定领域中有着不可替代的地位。

近年来，一些研究人员成功将真空电子器件和固态电子器件的优点结合起来，制造出了具有真空导电沟道的场发射晶体管。这种具有真空导电沟道的场发射晶体管采用传统的半导体制备工艺，且能很好的集成。但是，这种器件的阴极和阳极间纳米级裂缝的制备工艺比较复杂，且不能得到稳定长时间的场发射。

【发明内容】

本发明的目的是提出一种具有垂直结构圆柱形导电沟道的场发射晶体管，可在如高温和电磁辐射等复杂环境中对信号进行放大或调制，具有制备方法简单，工作稳定的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种具有垂直结构圆柱形导电沟道的场发射晶体管，包括从上至下依次垂直叠加的阴极、栅极和阳极及在三层电极中间的两层阳极介质层，三层电极及阳极介质层中间位置垂直蚀刻有圆柱形真空导电沟道，硅基底充当阳极，其他电极及中间阳极介质层通过在硅基底上依次制作多层薄膜形成，通过控制各层薄膜厚度精确控制真空导电沟道的长度。

进一步，所述圆柱形真空导电沟道为标准圆柱形或底部半径大于顶部半径的圆柱形。

进一步，多层薄膜通过化学气相沉积、磁控溅射局电子束蒸发工艺制备而成。

进一步，各层薄膜总的厚度相加和电子在大气环境中的平均自由程相近或更小。

进一步，采用具有功函数较低的材料或者具有高场增强因子表面特性的材料作为阴极。

进一步，阴极采用Al、Mg、石墨烯、金刚石或者碳纳米管制成。

本发明提出的垂直结构圆柱形真空沟道的场发射晶体管，由三层电极和两层介质层构成；本发明的结构纳米级裂缝的宽度及真空导电沟道的长度可以通过控制各层薄膜的厚度来精确控制，制备方法简单，圆柱形的真空导电沟道使阴极发射面上所有位置具有完全对称的加速电场，从而将有效避免器件工作在强电场下时，由于局部电场过强而导致的器件失效的问题，可复杂环境中对信号进行放大或调制，工作稳定。

进一步，多层薄膜可以通过化学气相沉积、磁控溅射和电子束蒸发等工艺制备，其中阳极可以由硅基底充当；圆柱形真空导电沟道可以通过等离子体刻蚀、聚焦离子束刻蚀或湿法刻蚀得到，以不同的制备工艺得到的真空沟道具有不同的形状；阴极可采用Al、Mg、石墨烯、金刚石等具有低功函数的材料或者采用碳纳米管等具有大的场增强因子的材料制备；各层薄膜总的厚度相加起来要和电子在大气环境中的平均自由程相近或更小。阴极的电子发射面为圆环状，当各电极上施加电压时，电子发射面上理论上具有完全相同的切向电场分布，当电压较高时，此特性将有效减小因为局部电场过大引起的器件失效。