[发明专利]一种真空沟道晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种真空沟道晶体管及其制备方法。该晶体管依次包括阳极、第一绝缘层、栅极、第二绝缘层和光电阴极，其中在所述阳极和光电阴极之间形成有真空沟道。本发明提供的晶体管设置有真空沟道，使得电子传输距离极短，所述晶体管具有更高的载流子迁移率和载流子平均自由程，同时使得电子在真空沟道中不存在固体器件中电子能量散射对器件热稳定性的影响。

技术领域

本发明涉及电真空元器件领域。更具体地，涉及一种真空沟道晶体管及其制备方法。

背景技术

作为现代电子信息技术基础的集成电路芯片，其构成单元为硅基CMOS场效应晶体管，由CMOS组成的集成电路芯片具有功能强、功耗低、速度快和成本低等特点。在最初几十年中，集成电路基本遵循摩尔定律，即每个18～24个月集成电路上可容纳元器件的数目增加一倍，其性能也提成一倍，但是进入21世纪后由于加工技术相对滞后和器件物理限制，硅基CMOS晶体管的发展即将到达其物理极限。2015年Intel公司宣布，在7nm技术节点放弃硅，寻找其他沟道代替材料，发展新的半导体集成电路技术，所涉及的半导体材料包括GaAs、InP、SiC、AlN、纳米金刚石、碳纳米管、石墨等材料。虽然这些材料具有较高的载流子迁移率和常载流子平均自由程，但是限于微加工兼容性和方便性的原因，并没有任何一种能够取代硅成为半导体器件的主导材料。载流子在固态材料中传输时必然会遭遇不停的晶格碰撞和散射，从而破坏弹道传输，所以固态器件的结构和工作原理决定了它在功率和频率上的发展将受到限制。

电子在真空中传输没有晶格散射，其传输速率理论上可达到3×10¹⁰cm/s，而半导体中的传输速率只有3×10⁷cm/s，因此和半导体晶体管相比，真空电子管的载流子传输特性具有极大的优越性，但是由于真空电子器件严重受阻于落后的加工手段，所以真空管存在体积较大、工作温度高、开关响应慢和难以集成等缺点。随微加工技术和真空电子器件制备技术发展，将微加工技术应用于制备真空电子器件已成为可能，制备的真空沟道晶体管具有速度高和抗辐射的特点。另外由于它的特征尺寸极小，电子传输距离极短，理论上可以无需传统真空器件的高真空密封，在低真空甚至大气状态环境实现电子无碰撞输运，具有较好的综合优势。

早在20世纪60年代初，现在的微细加工技术尚未出现之际，美国斯坦福研究所提出了开关速度在10^-10s量级的微米级尺寸真空隧道效应器件概念，以微型真空器件为基础研制真空集成电路。1968年Spindt利用自上而下的半导体微加工方法研制出基于Mo和Si微尖锥的场发射阴极阵列，使得微型真空三极管成为了可能，自此真空电子器件进入了“微纳”时代。1985年成功研制了真空集成电路，在1mm²的面积内制造了10000个微型真空管。2012年NASA Ames实验室的Han等提出了纳米真空沟道三极管的概念，利用光学光刻和离子体灰化技术，制备出具有绝缘层隔离栅结构的空气通道三极管截止频率高达0.46THz，同时引领了后续一系列纳米真空沟道三极管的工作。纳米尺度真空沟道晶体管的实现方法包括场致发射、Schottky二极管中的二维电子气发射和低维碳材料热电子发射等。

但是，现有技术中的固态晶体管由于其结构和工作原理导致其在功率和频率上的发展将受到限制，载流子迁移率和载流子平均自由程较低，难以提高；而真空沟道晶体管的调制方法和开关比单一，不利于控制。此外，现有的真空沟道晶体管还存在响应速度较慢、发射电流密度小等问题，仅用到工作于微弱电流的真空器件中，还无法满足大功率真空器件的要求。

为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种新型的真空沟道晶体管及其制备方法。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种真空沟道晶体管及其制备方法。

为达到上述目的，本发明提供一种真空沟道晶体管，该晶体管依次包括阳极、第一绝缘层、栅极、第二绝缘层和光电阴极，其中在所述阳极和光电阴极之间形成有真空沟道。

优选地，所述真空沟道贯穿所述第一绝缘层、栅极层和第二绝缘层设置。