[發明專利]一種具有平面型發射陰極的納米真空三極管及其制作方法

有效

• 申請號: 201410504100.8
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104299988B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 侍銘;陳平;趙德剛;朱建軍;劉宗順;江德生
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L29/73
• 分類號: H01L29/73;H01L29/43;H01L21/33
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及半導體器件及真空器件技術領域，特別是一種具有平面型發射陰極的納米真空三極管及其制作方法。

背景技術

真空中不含阻礙電子運動的物質，是一種用于電子傳導的理想介質。對于現在普遍使用的半導體器件來說，電子在器件中輸運的過程中將受到晶格和電離雜質的散射，引起能量損失和信號質量的降低。而電子在真空中輸運時，將不受這些散射作用的干擾，因此，相較于固態半導體器件，在其他條件相同的情況下，真空管可以在更高的頻率及功率條件下工作。在科學發展史中，固態器件代替真空器件并不完全是性能方面的原因，而是因為固態器件可靠性高、體積小及價格低。但是，由于傳輸介質是真空，真空器件可以工作在強輻射等極端環境條件下，在空間領域有廣闊的應用前景。最近的研究結果表明，納米尺寸的三極管器件可能會開啟真空器件的新時代。

氮化鋁寬禁帶半導體材料作為第三代半導體材料有許多優良的性能。其較寬的禁帶寬度(6.2電子伏特)允許其工作在強輻射的環境中，同時，這種材料有更令人欣喜的特性——負電子親和勢，也就是說材料的導帶底位于真空能級之上，這就使得處于導帶底的電子可以在較小的外加電場甚至是無外加電場的作用下逸出陰極，形成發射電流。所以說，具有負電子親和勢的氮化鋁平面型陰極是最具潛力的冷陰極的材料。

因此，采用氮化鋁薄膜作為平面型陰極，可以降低納米真空管的制作難度，提高電子發射密度和均勻性，從而提高納米真空三極管的器件性能和工作時的可靠性。

發明內容

本發明提出了一種新型的具有平面型發射陰極的納米真空三極管及其制作方法，在本反面中，以普通真空三極管結構為基礎，采用氮化鋁薄膜作為三極管的發射陰極，在納米尺度上構建三極管的結構，提高器件的穩定性和壽命，降低器件對真空度的要求。

本發明提出了一種具有平面型發射陰極的納米真空三極管，其包括：

襯底；

背電極，其制作在襯底的背面；

平面冷陰極，其制作在襯底的正面；

第一絕緣層，其制作在平面冷陰極上；

柵層，其制作在第一絕緣層上；

第二絕緣層，其制作在氧化銦錫薄膜柵層上；

圓柱型小孔，其貫穿第一絕緣層、柵層和第二絕緣層而形成；

柵層臺階，其是通過刻蝕第二絕緣層到柵層形成的；

陽極層，其制作在第二絕緣層上；

其中，所述第一絕緣層、氧化銦錫薄膜柵層、第二絕緣層的總厚度在10-100納米之間。

本發明還提供了一種具有平面型發射陰極的納米真空三極管的制作方法，其包括以下步驟：

在襯底正面利用金屬有機化學氣相沉積在1100℃下生長陰極層；

在襯底背面利用熱沉積的方法生長背電極，生長好后，退火處理，得到歐姆接觸；

在平面冷陰極上生長第一絕緣層；

在第一絕緣層上涂正性光刻膠，光刻出一個直徑小于10微米左右的圓形小島；

在光刻好的第一絕緣層上利用磁控濺射的方法生長氧化銦錫薄膜，作為納米真空三極管的柵極；

剝離小島上的金屬，在小島處形成小孔；

在氧化銦錫薄膜上生長第二絕緣層，是的第一絕緣層、氧化銦錫薄膜和第二絕緣層的總厚度在10-100納米之間；

對準小孔，刻蝕第一、第二絕緣層，刻蝕到平面冷陰極，同時在邊緣刻蝕最上層的第二絕緣層，刻蝕到氧化銦錫薄膜；

在第二絕緣層上壓制金箔陽極層，最終得到所述納米真空三極管。

本發明提出的上述方案采用氮化鋁作為三極管的平面型發射陰極，通過控制第一和第二絕緣氧化層的厚度來控制陰極和陽極的間距在10-100納米范圍。單尖端型場發射陰極在發射電子過程中由于熱效應極易損毀而尖端陣列由于各個尖端之間場增強的不均勻導致發射不均勻，所以說本發明中的這種氮化鋁平面型陰極結構首先克服了尖端結構容易損壞、電子發射分布不均勻的缺陷。同時氮化鋁材料所具有的負電子親和勢的特性又彌補了平面陰極需要更高閾值電場強度的不足。在對真空度的要求上，本發明中真空三極管的陰極和陽極之間的尺寸在10-100納米范圍，小于或等于電子在真空中的平均自由程，使得本發明中的納米真空三極管對真空度的要求降低，通過調整和控制陰極和陽極之間的距離，甚至可以讓器件在大氣環境下工作。

附圖說明

圖1是本發明提出的一種具有平面型發射陰極的納米真空三極管的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。