[發(fā)明專利]一種石墨烯基納米間隙場發(fā)射晶體管及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110034237.1
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112670347B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許坤;田喜敏;段向陽;許軍偉;付林杰;王海麗;陳雷明;杜銀霄;曾凡光
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/16;H01L29/417;H01L21/336
• 代理公司: 洛陽公信知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 41120
• 代理人: 李現(xiàn)艷

本發(fā)明提供一種石墨烯基納米間隙場發(fā)射晶體管及其制作方法，其以石墨烯薄膜作為陰極電子發(fā)射材料，金屬作為陽極電子接收材料，石墨烯與金屬陽極之間間隔真空納米間隙，平行于石墨烯薄膜的方向上外加調(diào)控柵極。將陰極和陽極所加電壓在場發(fā)射開啟點附近，通過調(diào)控柵極所加電壓來調(diào)控石墨烯的費米能級的高低，因為發(fā)射電流受材料費米能級影響非常大，從而實現(xiàn)場發(fā)射電流的開啟與關(guān)斷。同時，由于石墨烯特殊的能帶結(jié)構(gòu)，載流子的弛豫時間非常短。電子陰極到陽極的電子輸運模式以彈道輸運為主，等效遷移率極高。因此本發(fā)明具有極高的頻率特性。而且，本發(fā)明所述器件可以實現(xiàn)2?5nm的源漏間距。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高頻晶體管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯基納米間隙場發(fā)射晶體管及其制作方法。

背景技術(shù)

隨著晶體管尺寸的縮小，源極和漏極間的溝道也在不斷的縮短，當(dāng)溝道縮短到一定程度的時候，量子隨穿效應(yīng)就會變得非常容易，源極和漏極之間的導(dǎo)通與關(guān)斷則不會受柵極的控制，那么MOSFET就失去了本身的開關(guān)作用，也就無法實現(xiàn)邏輯電路。因此，如何實現(xiàn)更加小型化的柵控邏輯器件，是集成電路發(fā)展的關(guān)鍵所在。

傳統(tǒng)的硅基集成電路中的MOSFET源漏之間的間距已經(jīng)越來越小，目前面臨無法進一步縮小的局面，也就限制了當(dāng)前制造工藝的進一步發(fā)展。

為了突破現(xiàn)有的集成電路的物理極限，最有效的方法就是尋找新的集成電路材料或者設(shè)計新的器件結(jié)構(gòu)，突破現(xiàn)有硅基FinFET集成電路的物理極限。2004年石墨烯的發(fā)現(xiàn)為下一代集成電路的開發(fā)提供了一種選擇，石墨烯有望成為下一代集成電路的制造材料，實現(xiàn)更加小型化的器件制作，從而進一步降低集成電路器件單位的物理尺寸。

近年來年納米間隙溝道場發(fā)射電子器件因其高頻性能好、易于小型化、集成化等優(yōu)勢，逐步進入研究者的視野。作為早期電子技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵核心元件之一，真空電子器件具有高頻、大功率和高可靠性等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域之中。但受限于機械加工復(fù)雜等原因，傳統(tǒng)的真空電子系統(tǒng)往往體積龐大臃腫，難以實現(xiàn)小型化、輕量化和集成化。

納米間隙是由真空或者超薄介質(zhì)層構(gòu)成的電子輸運溝道，間隙平均尺度小于電子在介質(zhì)或真空中的平均自由程，缺省真空封裝條件下，電子在納米間隙內(nèi)部不受到散射等因素的干擾，同時滿足器件集成化、小型化的發(fā)展要求。與在固體器件中的輸運方式截然不同的是，載流子或者電子在納米間隙溝道中是以自由空間內(nèi)部彈道輸運的形式進行傳播的。當(dāng)納米間隙溝道的間距小于電子平均自由程，電子在輸運過程中的碰撞幾率大大降低，可以實現(xiàn)高頻率器件。

近年來出現(xiàn)的納米間隙的場發(fā)射晶體管，多是通過在溝道上加?xùn)艍簛磉M行調(diào)控溝道電流的大小。這樣做不僅器件性能差，還有可能引入漏電的風(fēng)險，難以實現(xiàn)很好的溝道電流調(diào)控，開關(guān)比較低。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種高效率的石墨烯基納米間隙場發(fā)射晶體管及其制作方法，本發(fā)明利用電壓調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級高低，控制場發(fā)射電流的大小，實現(xiàn)源漏之間的電流大小調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)源漏之間的開啟與關(guān)斷。場發(fā)射電流與石墨烯的費米能級高低呈指數(shù)相關(guān)，因此本發(fā)明器件能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的控制源漏之間的電流，實現(xiàn)較高的開關(guān)比的MOSFET器件。。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種石墨烯基納米間隙場發(fā)射晶體管，包括從下到上依次設(shè)置的襯底、調(diào)控柵極以及金屬陽極與金屬陰極，金屬陽極與金屬陰極分布在調(diào)控柵極的兩端，且兩者之間具有貫穿調(diào)控柵極設(shè)置的納米間隙，金屬陰極與調(diào)控柵極之間依次設(shè)置有石墨烯薄膜和二氧化硅層，通過調(diào)節(jié)調(diào)控柵極的電壓來實現(xiàn)金屬陽極與金屬陰極之間的導(dǎo)通與關(guān)斷。

進一步的，所述襯底為Si襯底，且Si襯底上生長有二氧化硅。

進一步的，所述調(diào)控柵極的材料包括但不僅限于銅、鋁、多晶硅和ITO。

進一步的，所述調(diào)控柵極的厚度為30-50nm。

進一步的，所述金屬陽極的厚度為60-100nm。