[发明专利]一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法

说明书

本发明提供一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法，其以石墨烯薄膜作为阴极电子发射材料，金属作为阳极电子接收材料，石墨烯与金属阳极之间间隔真空纳米间隙，平行于石墨烯薄膜的方向上外加调控栅极。将阴极和阳极所加电压在场发射开启点附近，通过调控栅极所加电压来调控石墨烯的费米能级的高低，因为发射电流受材料费米能级影响非常大，从而实现场发射电流的开启与关断。同时，由于石墨烯特殊的能带结构，载流子的弛豫时间非常短。电子阴极到阳极的电子输运模式以弹道输运为主，等效迁移率极高。因此本发明具有极高的频率特性。而且，本发明所述器件可以实现2‑5nm的源漏间距。

技术领域

本发明属于高频晶体管技术领域，具体涉及一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法。

背景技术

随着晶体管尺寸的缩小，源极和漏极间的沟道也在不断的缩短，当沟道缩短到一定程度的时候，量子随穿效应就会变得非常容易，源极和漏极之间的导通与关断则不会受栅极的控制，那么MOSFET就失去了本身的开关作用，也就无法实现逻辑电路。因此，如何实现更加小型化的栅控逻辑器件，是集成电路发展的关键所在。

传统的硅基集成电路中的MOSFET源漏之间的间距已经越来越小，目前面临无法进一步缩小的局面，也就限制了当前制造工艺的进一步发展。

为了突破现有的集成电路的物理极限，最有效的方法就是寻找新的集成电路材料或者设计新的器件结构，突破现有硅基FinFET集成电路的物理极限。2004年石墨烯的发现为下一代集成电路的开发提供了一种选择，石墨烯有望成为下一代集成电路的制造材料，实现更加小型化的器件制作，从而进一步降低集成电路器件单位的物理尺寸。

近年来年纳米间隙沟道场发射电子器件因其高频性能好、易于小型化、集成化等优势，逐步进入研究者的视野。作为早期电子技术领域的关键核心元件之一，真空电子器件具有高频、大功率和高可靠性等优势，广泛应用于各个领域之中。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。

纳米间隙是由真空或者超薄介质层构成的电子输运沟道，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，同时满足器件集成化、小型化的发展要求。与在固体器件中的输运方式截然不同的是，载流子或者电子在纳米间隙沟道中是以自由空间内部弹道输运的形式进行传播的。当纳米间隙沟道的间距小于电子平均自由程，电子在输运过程中的碰撞几率大大降低，可以实现高频率器件。

近年来出现的纳米间隙的场发射晶体管，多是通过在沟道上加栅压来进行调控沟道电流的大小。这样做不仅器件性能差，还有可能引入漏电的风险，难以实现很好的沟道电流调控，开关比较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高效率的石墨烯基纳米间隙场发射晶体管及其制作方法，本发明利用电压调节石墨烯的费米能级高低，控制场发射电流的大小，实现源漏之间的电流大小调节，从而实现源漏之间的开启与关断。场发射电流与石墨烯的费米能级高低呈指数相关，因此本发明器件能够实现较大范围的控制源漏之间的电流，实现较高的开关比的MOSFET器件。。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种石墨烯基纳米间隙场发射晶体管，包括从下到上依次设置的衬底、调控栅极以及金属阳极与金属阴极，金属阳极与金属阴极分布在调控栅极的两端，且两者之间具有贯穿调控栅极设置的纳米间隙，金属阴极与调控栅极之间依次设置有石墨烯薄膜和二氧化硅层，通过调节调控栅极的电压来实现金属阳极与金属阴极之间的导通与关断。

进一步的，所述衬底为Si衬底，且Si衬底上生长有二氧化硅。

进一步的，所述调控栅极的材料包括但不仅限于铜、铝、多晶硅和ITO。

进一步的，所述调控栅极的厚度为30-50nm。

进一步的，所述金属阳极的厚度为60-100nm。