[发明专利]一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备方法，所述纳米间隙真空晶体管，包括发射极、收集极、栅极以及氧化物绝缘层；所述纳米间隙，指代收集极与发射极、栅极与发射极之间的距离保持在亚100nm尺度。本发明将真空器件的尺度压缩至亚100纳米尺度，器件加工工艺要求与传统的半导体工艺相近，改进了传统电真空器件需要复杂的机械加工和装配。更为重要的是，为未来实现小型化和集成化的真空元器件、集成电路以及真空电子系统提供可能。

技术领域

本发明涉及一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管及其制备方法，属于新型微纳结构和真空纳米电子器件领域。

背景技术

真空电子器件具有高功率、频带宽和高频等技术优势，被广泛应用于通信、雷达、导航和成像等技术领域。但受限于机械加工复杂等原因，传统的真空电子系统往往体积庞大臃肿，难以实现小型化、轻量化和集成化。而纳米科技的发展，不论是先进加工工艺还是新型纳米材料的出现，为突破传统真空电子器件的瓶颈提供了可能。近年来，纳米间隙结构的出现为真空纳米电子器件注入了新的活力。

纳米间隙是由真空的电子输运沟道，间隙平均尺度小于电子在介质或真空中的平均自由程，缺省真空封装条件下，电子在纳米间隙内部不受到散射等因素的干扰。基于扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管，将兼顾传统冷阴极真空器件的宽频带、高工作频率、快速响应与固态器件的集成化为一体，减小器件的尺寸及功耗，实现对真空电子技术的革新。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种扩展栅极结构的垂直型纳米间隙真空晶体管，包括背栅极、发射极、收集极、扩展栅极和氧化物绝缘衬底。所述氧化物绝缘衬底上设置由金属或者半导体沉积制备得到的发射极、扩展栅极、氧化物绝缘衬底和收集极；所述发射极和收集极间距在亚100纳米尺度，所述发射极和收集极、背栅极及扩展栅极之间施加均匀可调的电压，用于电子发射和电场调控。

作为本发明的进一步技术方案，所述发射极和收集极之间的真空沟道小于100纳米，扩展栅极厚度小于50纳米，氧化物绝缘衬底和的厚度小于20纳米，氧化物绝缘衬底的厚度小于100纳米。

作为本发明的进一步技术方案，所述的背栅极、发射极和扩展栅极具体材料为硅、碳化硅等半导体或钨、金等金属材料，可以通过薄膜沉积等工艺制备得到。

作为本发明的进一步技术方案，所述的收集极具体材料为硅、碳化硅等半导体或钨、金等金属材料，可以通过薄膜沉积等工艺制备得到；也可以为石墨烯等二维材料，可以通过湿法转移等工艺制备得到。

作为本发明的进一步技术方案，所述的氧化物绝缘衬底具体材料为二氧化硅，所述的氧化物绝缘衬底和具体材料为三氧化二铝或氧化铪等高k值材料。

作为本发明的进一步技术方案，所述的发射极形貌为锥形或圆弧形，以提高发射极表面的场增强因子。

本发明还公开了一种栅极的垂直型真空纳米沟道晶体管的制备方法，该方法针对所述收集极为金属或半导体材料，其具体步骤为：

（a）首先，依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗硅片，用氮气吹干其表面；

（b）在抛光面上用磁控溅射沉积背栅极的第一氧化物绝缘层，材料为二氧化硅；

（c）利用化学气相沉积或者电子束蒸镀制备半导体或金属薄膜作为发射极（2），以及光刻标记mark用于后续的光刻对准；

（d）旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法在样品表面曝光预先设定的图形区域；在异丙醇和甲基异丁基酮的混合溶液显影后，利用氧等离子体刻蚀制备得到锥形或圆弧形的发射极形貌；

（e）再次旋涂光刻胶，利用电子束对准工艺，在发射极边缘进行相应的曝光以及显影、清洗工艺；