[发明专利]一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置

说明书

本发明属于信息技术和真空微电子器件技术领域，具体公开了平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，包括导电薄膜和器件电极，所述导电薄膜搭载在器件电极上，其特征在于，所述导电薄膜的上方或下方增设一层或多层热传输层，所述热传输层的制备材料为绝缘性能和热导率良好的材料。本发明解决了现有技术中真空场发射三极管的导电薄膜焦耳热的聚集效应，可加快纳米沟道真空场发射三极管内部热量的传导，避免因焦耳热聚集引起的纳米沟道尺度和结构破坏，提高VFET器件稳定性和寿命。

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及一种结构改进的真空微电子器件，具体涉及一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置。

背景技术

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。与早期采用热阴极的真空管不同，真空场发射三极管以场致发射冷阴极为电子源，可以实现真空器件尺寸至微纳尺度的缩减，即使在低工作电压下，也可获得足够高的电场强度，产生隧穿电子发射，解决了传统真空管高工作电压、高功耗问题；同时，微纳尺度的传输距离接近电子在空气中的平均自由程(约60nm)，大大降低了电子与空气分子的碰撞几率，降低了器件对真空度的要求，当沟道尺度达到几十纳米时，电子在大气环境即可实现“类真空”条件下的弹道传输，VFET器件可以不需要进行真空封装，直接在大气压下正常工作，这有利于器件与数字电路的集成，有望广泛应用于现代微纳电子学领域。

纳米沟道真空场发射三极管以垂直微尖型、共面栅型、垂直沟道型和平面底栅型等结构较为常见。平面底栅型VFET在结构上与金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)存在一定程度的接近，预计将有更好的应用前景。平面底栅型VFET的关键部分和制备难点在于获得性能稳定的电子发射源和形成纳米尺度的电子传输沟道。目前，纳米沟道的制备方法包括聚焦离子束刻蚀、电子束光刻、离子束灰化和“电形成”方法等。纳米沟道的尺度和形貌决定了三极管器件的电子发射特性和传输性能。目前现有的平面底栅型真空场发射三极管的稳定性(寿命)较差，最主要的原因在于纳米尺度沟道的热稳定性较差。

图1给出了一种传统的平面底栅型真空场发射三极管结构示意图，其由基底、栅极、栅绝缘层、器件电极和导电薄膜组成。平面底栅型VFET一般都采用玻璃或者硅片等材料作为基底，氧化硅、氮化硅等材料作为栅绝缘层。由于玻璃、氮化硅和氧化硅等材料的导热率较低，当电流流过导电薄膜时，产生的热量无法通过基底或栅绝缘层快速传导到周围环境中，容易引起导电薄膜上焦耳热的聚集。导电薄膜的膜层较薄，积累的焦耳热很容易使沟道尺度发生变化，引起平面底栅型VFET性能劣化甚至失效等问题，影响平面底栅型VFET的正常工作状态。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中平面型纳米沟道真空场发射三极管的导电薄膜层热量无法有效发散，影响器件正常工作状态的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种结构优化的新型真空场发射三极管，可加快纳米沟道真空场发射三极管内部热量的传导，有效降低导电薄膜上焦耳热的聚集效应。具体地，所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其包括导电薄膜和器件电极，所述导电薄膜搭载在器件电极上，对现有技术的核心贡献在于，所述导电薄膜的上方或下方增设一层或多层热传输层，所述热传输层的制备材料为绝缘性能和热导率良好的材料。