[发明专利]真空场效应晶体管

说明书

本发明涉及平面型／纵向型真空隧道晶体管。具体地说，本发明涉及平面型／纵向型真空隧道晶体管，它采用MOSFET的平面或纵向型结构，用以提高集成度，并能在较低工作电压下高速运行。

普通半导体器件中，电流在半导体内传导，致使电子的移动速度受到晶格或其中杂质的影响。近来，已经研制出的半导体器件包括微针型真空晶体管。这种晶体管内，电子在真空中移动，因而速度不受限制。于是，这种晶体管可按极高的速度运行。不过，它们的缺点在于难于大规模集成化，并需要较高的工作电压。

为了更好地了解本发明的背景技术，将参照附图给出常规技术的描述。

参照图1，给出一种MOSFET(n沟道)的基本结构。在较高工作频率(ft)下，通常范围是20-30GHz，这种结构的Si FET表示一种叠片，只用于几GHz的控制电压振荡器(VCO)，而不能用于几十GHz的超高频振荡器。对于SOI和GaAs FET而言，可将它们用于较高的频率，但其缺点仍在于它们难于制作，而且昂贵。

详细而言，在图1所示的MOSFET中，当给栅极G和漏极D加以电压，并以源极S接地时，在主体B的栅极G下面形成空间电荷区。如果电压超过阈值电压，则在栅极G的下方形成沟道p。这种情况下的MOSFET被说成是导电的。对于n沟道的MOS而言，电子沿着所示沟道从源极S移到漏极D。这种器件的运行速度与认为电子从源极S移到漏极D的时间成反比。于是，沟道越短，电子移动得越快。在漏极接地时电流增益为1条件下的频率ft表示器件速度，它接近正比于电子迁移率(μ)，并与沟道长度的平方成反比。

要对确定器件速度的各因子之间的迁移率(μ)给予注意。所述迁移率与沟道的材料有关。例如，只要加给的电场低于5×10⁴([V／cm])，GaAs中的迁移率是Gi中的5倍那样快。所以，GaAs被用于制作高速度的晶体管。不过，尤其是若去掉沟道区的晶格结构，也就是如果沟道处于真空中，则所述迁移率不起限定因子的作用，而随便多大。因此，就要求电场越强，可使具有真空沟道区的器件的运行速度越块。

参照图2，有一种带微针的普通真空晶体管，它改进了场致发射显示(FED)结构。采用接近1THz的频率(ft)，这种真空晶体管可被用于普通FET所不能用的超高频器件。

有如从该图所看到的，在从几十伏至100伏范围或者更高的较高加速电位影响下，电子从呈尖锐的点形阴极发射极被发射，并被位于公用阳极上方的荧光屏所收集。朝向阳极移动的电子数受加给栅极的几十伏的电压控制。为控制及发射电子为什么需要如此高的电压的理由是，所述的针离开栅极有较长的距离。与较高的阳极-栅极电压一起，制造这种微针的困难限制了这些真空晶体管结构的实际应用中，如军事应用。

因此，本发明的目的在于克服现有技术中遇到的上述问题，提供一种新颖的、具有很高集成度的平面型／纵向型真空沟道晶体管。

本发明的另一目的在于提供一种新颖的平面型／纵向型真空沟道晶体管，可在非常低的电压下高速运行。

本发明采用MOS晶体管型平面或纵向型结构，代替普通的微针结构，以提高所述的集成度，并用低功函数材料，以减小在低压下的沟道效应。另外。本发明按电子迁移一段真空的自由空间，从而实现器件高速运行的方式被构成。在常规器件中，比如Si和GaAs器件中，电子穿过由Si或GaAs原子构成的晶格。于是，电子与所述原子或添加的杂质碰撞，使它们不能自由移动，而表现出受到限制的迁移率。

本发明人重复的有关真空晶体管的充分而彻底的研究，开发出一种符合上述条件的新颖的平面型／纵向真空隧道晶体管，并命名为“真空场效应晶体管”(以下简称“VFT”)。

按照本发明的一个方面，给出一种平面型真空场效应晶体管，它包括：由导体制成的源极和漏极，它们分开一段预定的距离而保持于一个薄的沟道绝缘体上，其间有真空沟道；由导体制成的栅极，它有一定宽度，形成于所述源极和漏极的下面，所述沟道绝缘体的作用在于使栅极、源极和漏极绝缘；还包括一绝缘主体，用作支撑沟道绝缘体和栅极的基片，其中在栅极与源极和漏极之间加给适当的偏压，以使电子能够从源极经所述真空沟道被场致发射到漏极。

最好使平面型真空场效应晶体管在源极与真空沟道之间以及漏极与真空沟道之间的接触区域包含低功函数材料。

一种较好的VFT结构是，其中每个VFT器件都被安装在由多个间隔的壁构成的沟道中，为的是使按沟道效应从源极发射的电子不会通过所述真空自由空间而移向邻近的漏极。