[发明专利]一种双栅型真空场发射三极管结构及其制作方法

说明书

本发明公开了一种双栅型真空场发射三极管结构及其制备方法，属于信息技术领域和真空微电子器件领域。三极管结构包括底栅极、底栅绝缘层、源漏电极、导电薄膜、顶栅绝缘层、顶栅极和纳米级的真空沟道。双栅型真空场发射三极管可实现对器件电流的双栅调控，增强了器件的栅压调制能力和调制灵活性，具有更好的电子发射性能；器件真空沟道上方被顶栅绝缘层和顶栅极覆盖，有效降低了在电子传输过程中大气粒子对电子的碰撞散射作用，使得器件可以直接工作于大气环境中，并具有良好的电子传输性能；本发明制备所得的真空沟道尺寸在纳米级别且均匀性较好，有利于实现器件的大规模低成本制备。

技术领域

本发明属于信息技术领域和真空微电子器件领域，涉及一种双栅型真空场发射三极管的结构及其制作方法，特别涉及一种具有双栅调制能力且对工作环境真空度要求较低或可工作于大气环境的真空场发射三极管的结构及其制作方法。

背景技术

美国海军实验室的Gray等基于硅材料场致电子发射阵列制备的真空场发射三极管(Vacuum Field Emission Triode,VFET)，是一种真空微电子器件，兼具有固态电子器件和真空电子器件的优点。

不同于传统真空管使用热阴极作为电子发射源，VFET以场发射冷阴极作为电子发射源，解决了传统真空管发热严重且尺寸大等问题，并且兼容半导体微加工工艺，有利于电路集成。同时，VFET以纳米级的真空沟道传输电子，无晶格碰撞散射，具有更好的电子传输特性。当真空沟道尺寸小于大气中电子的平均自由程(约60nm)时，器件在大气环境中工作时也可以近似认为工作在真空中。

国内外研究者针对VFET的器件材料、结构设计和制备工艺等方面开展了大量实验探究，但制备工艺往往比较复杂或不利于电路集成，并且器件对工作环境真空度要求较高。日本佳能公司在研究表面传导电子发射显示器件(Surface-conduction Electron-emitter Display,SED)时提出了一种“电形成”工艺，可通过加电产生的焦耳热使薄膜龟裂获得较窄的裂缝，但未在VFET研究中进行应用。目前，VFET研究的核心和难点在于，如何降低纳米级真空沟道的制备难度和成本，并使得器件能在大气环境下实现良好的工作性能。

发明内容

本发明提出了一种双栅型真空场发射三极管结构及其制备方法；该结构能实现真空场发射三极管对电子传输的双栅调制能力，提高器件的电子发射性能和栅压调控的灵活性；该结构可有效降低在电子传输过程中大气粒子对电子的碰撞散射作用，提高器件的电子传输性能，可在大气环境中工作；该制备方法操作简单，对设备要求低，制备所得的真空沟道尺寸在纳米量级且均匀性较好。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种双栅型真空场发射三极管结构，包括：

衬底，

底栅极，所述底栅极沉积在衬底上，

底栅绝缘层，所述底栅绝缘层沉积在底栅极上，

源漏电极，所述源漏电极沉积在底栅绝缘层上，所述源漏电极包括对称设置的源电极和漏电极，源电极和漏电极之间设有电极间隙；

导电薄膜，所述导电薄膜沉积在源漏电极和电极间隙上，导电薄膜在所述电极间隙处设置有真空沟道；

顶栅绝缘层，所述顶栅绝缘层沉积在导电薄膜上，

顶栅极，顶栅极沉积在顶栅绝缘层上。

作为本发明的进一步改进，所述的真空沟道宽度为20～200nm，处于导电薄膜中部、源漏电极间隙之间。

作为本发明的进一步改进，源漏电极之间设有5～15μm的电极间隙，源漏电极处于底栅极的正上方。

作为本发明的进一步改进，所述的底栅极的厚度为50～200nm；所述底栅极由镍、铜、铂、银、铬、钼中的一种或几种材料制成。