纳米缝隙场发射真空晶体管结构与特性研究

Vacuum field-emission transistor (VFET) is a kind of vacuum microelectronics devices. VFET is expected to have good high frequency performance since the use of vacuum channel allows quasi ballistic transport of electrons, it also keeps the advantages of the miniaturization of solid state device due to the use of semiconductor planar process. Therefore, research on VFET has attracted wide attentions both domestic and abroad. In this study, the field electron emission from nano-scale fissure of surface conduction electron emitter (SCE) is integrated into VFET, and the key issues of gate modulation mechanism and the working stability in atmospheric environment for VFET will be investigated..The mechanism of VFET’s gate modulation on field emission electrons from the nano-scale fissure will be investigated by combining use of theoretical analysis and numerical simulation. Two technical schemes for preparing vacuum channels used correspondingly in the plane grating type and vertical structure VFETs are proposed. In the first scheme, the horizontal vacuum channel is fabricated by using controllable nano-scale fissure fabrication technology adopted in SCE. In the second scheme, the longitudinal vacuum channel is fabricated by controlling the intermediate medium thickness of multilayer film in combination with the etching process..It is expected that this research will clarify the working mechanisms of VFET, provide a simple technology way for fabricating such devices. The research results can provide the theoretical guidance and technical support for the development and practical application of VFET. Therefore, this research has important scientific and practical significance.

场发射真空晶体管作为一种真空微电子器件，基于真空沟道实现电子的准弹道传输，有望提高器件的高频工作特性，同时采用半导体平面工艺制备可使器件保持固态器件小型化的优势，其研究已引起国内外研究人员的广泛关注。本项目将表面传导电子发射源的纳米缝隙电子发射与真空晶体管相融合，围绕作为场发射真空晶体管关键问题的栅极调制和大气环境下的稳定工作开展研究。项目将理论分析与数值模拟相结合，研究分析纳米缝隙场发射真空晶体管中栅极对场发射电子的调制机理；提出以表面传导电子发射源中的纳米缝隙可控制备技术制作横向真空沟道和控制多层薄膜中间介质层厚度结合刻蚀工艺制作纵向真空沟道两种技术方案，可分别用于平面栅型和垂直结构场发射真空晶体管的简单制备。项目研究有望阐明场发射真空晶体管的工作机理，为制备此类器件提供一种简单的技术思路，为真空晶体管的发展及实用化提供理论指导和技术支持。项目研究具有重要的科学意义与现实意义。

场发射真空晶体管（三极管）基于半导体加工工艺，制备真空沟道来传输电子，融合了真空电子器件和半导体技术的优势，是真空微电子器件的重要研究方向。本项目引入表面传导电子发射源中的纳米缝隙作为场发射真空晶体管的真空沟道，采用理论分析和数值模拟相结合，研究场发射真空晶体管中栅极对场发射电子的调控机制并进行器件结构的优化，通过实验制备性能良好的栅绝缘层及小尺度真空沟道以实现器件在大气环境下工作。项目研究了平面栅型场发射真空三极管和多层薄膜垂直沟道结构真空晶体管两种器件结构。在平面栅型场发射真空三极管研究方面，选择带有氧化硅的硅片作为衬底，结合半导体工艺制备电极、绝缘层和导电薄膜并获得期望的器件结构，采用项目组在表面传导电子发射源中所积累的纳米缝隙可控制备技术，在导电薄膜上施加特定波形的电压实现焦耳热的聚集，使导电薄膜产生龟裂形成纳米缝隙作为电子传输的真空沟道；实验所获得的真空沟道尺寸为80-120 nm，与电子在大气中的平均自由程尺度上相近，实现了器件在大气环境下的工作；结合栅绝缘层参数的优化及电子运动过程的分析，阐明了栅极对场发射电子的调控机制。在多层薄膜垂直沟道结构真空晶体管方面，数值模拟获得了优化的器件结构参数，为进一步实验制备器件提供了参考。相关研究结果对理解场发射真空晶体管的工作机理，以及开展此类器件的设计和优化具有重要的指导意义，并为场发射真空晶体管的制备提供了一种简单可行的技术思路。