一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置

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。

如图1所示的真空场发射三极管，其主要组成部件或构成元件包括基底、栅极、栅绝缘层、器件电极和导电薄膜。从结构部件排序的图示顺序而言，所述基底设置在所述真空场发射三极管的底部或底层，基底一般选择玻璃或者硅片。所述栅极设置在所述基底的上方，通常选用导电性能较好的铜、钛、镍、银、铬等金属材料中的一种或几种制成。在所述栅极的上方设置所述栅绝缘层，栅绝缘层通常采用氧化硅、氮化硅、氧化铪等介质材料中的一种或几种材料制成。所述器件电极和导电薄膜设置在所述栅绝缘层的上方，导电薄膜搭载在器件电极上，导电薄膜可以使用氧化钯、氧化锌、氧化锡、氧化铝、氧化钛等材料中的一种或几种制成。在所述器件电极中间有5～20μm的间隙，纳米尺度沟道(或称为纳米沟道)位于器件电极间隙处的导电薄膜上，将导电薄膜分隔开，形成对称设置的一对源漏电极，尺度约为10nm～200nm，源漏电极的形貌可以是“面对面型”、“点对点型”等。

基于本发明所述传统的平面底栅型真空场发射三极管，作为一种优选的所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其含有所述栅绝缘层，在所述栅绝缘层和所述器件电极之间增设所述热传输层，所述热传输层设置在所述导电薄膜的下方且与所述导电薄膜相接触。

基于本发明所述传统的平面底栅型真空场发射三极管，作为一种优选的所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其含有所述栅绝缘层，在所述导电薄膜的上方增设所述热传输层，所述热传输层搭载在所述导电薄膜上，或所述热传输层搭载在所述导电薄膜和器件电极上。

基于本发明所述传统的平面底栅型真空场发射三极管，作为一种优选的所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其含有所述栅绝缘层，在所述栅绝缘层和所述器件电极之间增设所述热传输层，同时在所述导电薄膜的上方增设所述热传输层，所述热传输层与所述导电薄膜相接触。

基于本发明所述传统的平面底栅型真空场发射三极管，作为一种优选的所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其不含有所述栅绝缘层，但具有栅极，所述栅极设置在所述导电薄膜、器件电极的下方，在所述栅极和所述器件电极之间增设所述热传输层，所述热传输层设置在所述导电薄膜的下方且与所述导电薄膜相接触。

基于本发明所述传统的平面底栅型真空场发射三极管，作为一种优选的所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其不含有所述栅绝缘层，但具有栅极，所述栅极设置在所述导电薄膜、器件电极的下方，在所述栅极和所述器件电极之间增设所述热传输层，同时在所述导电薄膜的上方增设所述热传输层，所述热传输层与所述导电薄膜相接触。

由上所述可知，热传输层可以加快导电薄膜上热的传导，避免由于焦耳热聚集破坏纳米沟道形貌和尺度。该热传输层材料应具有良好的绝缘性能和较高的热导率，比如金刚石与类金刚石材料薄膜、高阻碳化硅材料薄膜、氧化铍陶瓷材料薄膜、氮化硼材料薄膜和氮化铝材料薄膜等。因此，所述热传输层的制备材料可以选用金刚石、类金刚石、高阻碳化硅、氧化铍陶瓷、氮化硼、氮化铝中的任一种。

与现有技术相比，本发明所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，至少具有下述的优点或有益效果：

在现有平面型纳米沟道真空场发射三极管装置的基础上，本发明通过在所述导电薄膜的上方或下方增设一层或多层热传输层的技术改进，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。本发明的技术改进还一步包括不含有所述栅绝缘层的情形，即用所述热传输层取代所述栅绝缘层，同样可以实现本发明的技术效果。

附图说明

图1是传统的平面底栅型真空场发射三极管结构示意图。

图2是实施例1所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置的结构示意图。

图3是实施例2所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置的结构示意图。

图4是实施例3所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置的结构示意图。

图5是实施例4所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置的结构示意图。

图6是实施例5所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置的结构示意图。

附图标记：

1、基底；2、栅极；3、栅绝缘层；4、器件电极；5、导电薄膜；6、热传输层；6-1、第一热传输层；6-2、第二热传输层；7、纳米沟道。

具体实施方式

在以下实施例中进一步描述本发明，而不以任何形式旨在限制如权利要求所表明的本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其结构示意如图2所示，主要包括基底1、栅极2、栅绝缘层3、器件电极4和导电薄膜5。基底1通常选用玻璃或者硅片，设置在所述真空场发射三极管的底部或底层。栅极2设置在基底1和栅绝缘层3之间，通常选用导电性能较好的铜、钛、镍、银、铬等金属材料中的一种或几种制成。栅绝缘层3设置在栅极2的上方，通常采用氧化硅、氮化硅、氧化铪等介质材料中的一种或几种材料制成。所述器件电极4和导电薄膜5设置在所述栅绝缘层3的上方，导电薄膜5搭载在器件电极4上，在所述器件电极4中间有5～20μm的间隙，纳米沟道7位于器件电极4间隙处的导电薄膜5上，将导电薄膜5分隔开，形成对称设置的一对源漏电极。关于导电薄膜5的制备材料，通常可以使用氧化钯、氧化锌、氧化锡、氧化铝、氧化钛等材料中的一种或几种。

如图2所示，在栅绝缘层3和器件电极4之间还设置有一层热传输层6，热传输层6同样位于导电薄膜5的下方，并且与导电薄膜5相接触，即在纳米沟道7的周围区域，热传输层6与导电薄膜5接触连接。热传输层6具有良好的绝缘性能和较高的热导率，通常选用金刚石、类金刚石、高阻碳化硅、氧化铍陶瓷、氮化硼、氮化铝中的任一种材料制成。

本实施例通过在栅绝缘层3的上方(导电薄膜5的下方)设置一层热传输层6，使导电薄膜5上的焦耳热能够迅速传导到周围环境中，避免热效应影响到VFET正常的工作状态。基于本实施例的技术思路，热传输层6可以设置多层，或将热传输层6制备成具有相同功用的复合层。在本实施例中，更强调的是热传输层6的热扩散作用，因为在热传输层6的下方设置有栅绝缘层3。

实施例2

本实施例提供一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其结构示意如图3所示，主要包括基底1、栅极2、栅绝缘层3、器件电极4和导电薄膜5。与实施例1不同的是，热传输层6仅设置在导电薄膜5的上方，具体而言，所述热传输层6搭载在所述导电薄膜5上，或所述热传输层6搭载在所述导电薄膜5和器件电极4上。关于热传输层6是否与器件电极4接触，取决于所述平面型纳米沟道真空场发射三极管装置的功用。基于本实施例的技术思路，热传输层6可以设置多层，或将热传输层6制备成具有相同功用的复合层。在本实施例中，更强调的是热传输层6的热扩散作用，因为已设置有栅绝缘层3。若所述热传输层6同时搭载在所述导电薄膜5和器件电极4上，建议考虑热传输层6的绝缘作用，其绝缘性应该不容忽视。

实施例3

本实施例提供一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其结构示意如图4所示，主要包括基底1、栅极2、栅绝缘层3、器件电极4和导电薄膜5。与实施例1不同的是，在栅绝缘层3和导电薄膜5的上方均设置有热传输层6，具体地，在栅绝缘层3和器件电极4之间还设置有一层第一热传输层6-1，第一热传输层6-1同样位于导电薄膜5的下方，并且与导电薄膜5相接触，即在纳米沟道7的周围区域，热传输层6与导电薄膜5接触连接；在导电薄膜5的上方设置有一层第二热传输层6-2，所述第二热传输层6-2搭载在所述导电薄膜5上，或第二热传输层6-2同时搭载在所述导电薄膜5和器件电极4上。

实施例4

本实施例提供一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其结构示意如图5所示，主要包括基底1、栅极2、器件电极4和导电薄膜5。与实施例1不同的是，本实施例的真空场发射三极管装置不具有栅绝缘层3，取而代之是一层热传输层6。具体地，所述栅极2设置在所述导电薄膜5、器件电极4的下方，在所述栅极2和所述器件电极5之间增设所述热传输层6，所述热传输层6设置在所述导电薄膜5的下方且与所述导电薄膜5相接触。

需要注意的是，鉴于本实施例不具有栅绝缘层3，热传输层6应兼具绝缘和热扩散作用，在热传输层6的制备材料选用方面应与其功用密切贴合。

实施例5

本实施例提供一种平面型纳米沟道真空场发射三极管装置，其结构示意如图6所示，主要包括基底1、栅极2、器件电极4和导电薄膜5。与实施例1不同的是，本实施例的真空场发射三极管装置不具有栅绝缘层3，取而代之是一层第一热传输层6-1。与实施例4不同的是，在导电薄膜5的上方还设置第二热传输层6-2，具体而言，所述第二热传输层6-2搭载在所述导电薄膜5上，或所述第二热传输层6-2搭载在所述导电薄膜5和器件电极4上。

上面结合实施例对本发明做了进一步的叙述，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。