[发明专利]一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管

说明书

本发明公开了一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，该多层真空纳米沟道晶体管自下而上依次包括绝缘衬底、栅极、二维绝缘体、发射极以及收集极；所述真空纳米沟道，所述二维绝缘材料，指代以六方氮化硼（h‑BN）为代表的二维纳米材料，具有优异的稳定性、平坦的表面和理想的绝缘性能；所述真空纳米沟道晶体管，载流子在栅极的偏置电压调控下，以场致电子发射或隧穿的形式在真空纳米沟道内部弹道输运；所述真空纳米沟道晶体管，仍保留传统电真空器件的固有优势，具有高稳定性和抗辐照特性，所述器件可以在高温、辐射等极端环境下正常工作。

技术领域

本发明属于新型低维材料和真空纳米电子器件领域，尤其涉及一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，。

背景技术

随着微纳加工工艺和新型低维材料技术的成熟普及，真空纳米沟道晶体管（Nanoscale Vacuum Channel Transistor）此类新型电子器件形式引起了研究人员的广泛关注。在真空纳米沟道中，载流子的输运沟道由真空构成，这意味着理想状态下电子从发射到收集的输运过程中遇到散射/碰撞的概率极小，可以最大程度降低能量的损耗。除此之外，真空纳米沟道器件仍保留传统电真空器件的本质优势，如大功率、高稳定性和抗辐照特性等，具有应用在复杂战场环境或国防新型系统上的潜力。

在目前已报道的器件结构中，平面型真空纳米沟道晶体管的应用最为广泛，这是由于平面型结构与现行的硅基半导体工艺最为兼容，具有更高的设计自由度和集成度。然而，平面型结构的栅极绝缘层厚度与漏电流之间存在不可调和的矛盾。一方面，研究人员不断压缩栅极绝缘层的厚度，以提高栅极对器件的调控能力，但这不可避免地导致栅极漏电流的增加，影响器件的实际应用。

二维材料的发展为微电子领域带来了新的机遇，开拓了制造新型电子器件的可能性。与传统硅基器件相比，这类材料能够赋予器件更小的尺寸及许多额外的功能。本发明旨在将新型的二维绝缘材料，引入到真空纳米沟道晶体管之中。以六方氮化硼为代表的二维绝缘材料，能耐高温、耐强酸腐蚀，化学性能极为稳定，有很高的电绝缘性能。更为重要的是，其原子层厚度能够保证器件具有优越的调控能力。基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，能为未来实现片上集成的真空纳米器件/芯片提供了创新性的技术基础。

发明内容

将低维纳米材料与真空纳米沟道晶体管相结合，是一个值得关注的研究热点。本发明拟结合二维绝缘材料的原子层厚度以及高绝缘特性，获得栅极调控能力高且漏电流低的平面型多层真空纳米沟道晶体管，实现器件的结构创新。

本发明为解决上述技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供一种基于二维绝缘材料的多层真空纳米沟道晶体管，自下而上依次包括绝缘衬底、第一、二栅极、二维绝缘层、发射极和收集极；其中所述绝缘衬底位于器件最底部；所述第一、二栅极位于绝缘衬底与二维绝缘层之间的左右两侧分别设有第一栅极和第二栅极；所述二维绝缘层位于第一、二栅极与发射极、收集极之间，用于隔绝栅极与发射极、收集极间的漏电流；所述发射极和收集极之间的距离小于电子在空气中的平均自由程,即小于等于68纳米。

作为本发明的进一步技术方案，其中所述绝缘衬底的厚度大于1微米，所述二维绝缘层的厚度小于10纳米，第一栅极和第二栅极、发射极及收集极的厚度小于100纳米。作为本发明的进一步技术方案，所述绝缘衬底的厚度大于1微米，二维绝缘层的厚度小于10纳米，栅极、发射极及收集极的厚度小于100纳米。

作为本发明的进一步技术方案，所述绝缘衬底的具体材料为二氧化硅、三氧化二铝或氧化铪，可以通过原子层沉积制备。

作为本发明的进一步技术方案，所述第一、二栅极的具体材料为高掺杂的硅或金、铝或其他金属材料，可以通过电子束蒸镀制备。

作为本发明的进一步技术方案，所述二维绝缘层的具体材料为六方氮化硼，可以通过机械剥离或湿法转移制备。