[發明專利]一種雙柵極結構的橫向場發射晶體管陣列

在審

• 申請號: 202110274007.2
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN112951686A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 柏寧豐;陳庭旭;洪瑋;沈長圣;吳晨;孫小菡
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01J21/10
• 分類號: H01J21/10;H01J19/38;H01J19/32;H01J19/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發明公開了一種采用雙柵極結構的橫向場發射晶體管陣列，包括陰極、陽極、柵極介質層、電子束控制柵極、信號調制柵極。陰極和陽極均位于柵極介質層的上表面，并相對平行設置，之間設有空氣間隙。陰極由陰極襯底和陰極發射體構成，陰極發射體由第一錐形薄膜尖端陣列組成。陽極由陽極結構體和陽極襯底構成，陽極結構體由第二錐形薄膜尖端陣列組成。電子束控制柵極和信號調制柵極均位于柵極介質層的下表面，并相對平行設置于空氣間隙下方。本發明通過調制柵極上的信號，調制陰極發射的電子束，陽極接收調制過后的電子束大電流信號，信號獲得放大。相對現有技術，解決場發射晶體管輸出電流低、功率增益低、漏電流大的缺點。

技術領域

本發明屬于真空電子學領域，特別涉及一種雙柵極結構的橫向場發射晶體管陣列。

背景技術

場發射晶體管是用晶體管工藝制備的電真空器件，與傳統的晶體管相比，有著獨特的優點。它體積小，輸出頻帶寬，對熱噪聲的抵抗性好，性能穩定的特點，應用于太赫茲通信領域。2014年Han JinWoo提出了一種采用CMOS工藝制備的背柵極橫向場發射晶體管，這種場發射晶體管通過100nm超短溝道，實現了無外加真空環境的電子彈道傳輸，并獲得了10V的超低驅動電壓。然而，它的單管輸出電流較低、輸出功率增益較低，并且存在較大的漏電流，限制了其在太赫茲領域的應用。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術，提出一種采用雙柵極結構的橫向場發射晶體管陣列，解決場發射晶體管輸出電流低、功率增益低、漏電流大的缺點。

技術方案：一種雙柵極結構的橫向場發射晶體管陣列，包括陰極、陽極、柵極介質層、電子束控制柵極、信號調制柵極；所述陰極和陽極均位于所述柵極介質層的上表面，并相對平行設置，之間設有空氣間隙；所述陰極由陰極襯底和陰極發射體構成，所述陰極發射體由第一錐形薄膜尖端陣列組成，各第一錐形薄膜尖端的末端與薄膜型陰極襯底連接；所述陽極由陽極結構體和陽極襯底構成，所述陽極結構體由第二錐形薄膜尖端陣列組成，各第二錐形薄膜尖端的末端與薄膜型陽極襯底連接；所述電子束控制柵極和信號調制柵極均位于所述柵極介質層的下表面，并相對平行設置于所述空氣間隙下方，所述電子束控制柵極與陰極的水平距離為零，所述信號調制柵極與陰極之間具有水平距離。

進一步的，所述陰極和陽極的薄膜厚度相同。

進一步的，錐形薄膜尖端的長度l為75nm，尖端曲率半徑R為5nm，錐形薄膜尖端陣列周期為L為80nm，陰極襯底和陽極襯底厚度t為20nm。

進一步的，所述陰極和陽極之間的空氣間隙D為100nm。

進一步的，所述柵極介質層為高介電常數的絕緣層，厚度為30nm。

進一步的，所述電子束控制柵極的厚度h為25nm，寬度w₁為20nm。

進一步的，所述信號調制柵極的厚度h為25nm，寬度w₂為20nm，與陰極的水平距離x₁為60nm。

進一步的，所述柵極介質層的材料為二氧化硅。

有益效果：(1)本發明采用薄膜作為陰極和陽極，易于加工；(2)本發明采用發射體陣列，具有大的發射電流、高的輸出功率增益；(3)本發明采用電子束控制柵極，降低了由電子束轟擊柵極帶來的柵極漏電流；(4)本發明采用超短陰極陽極溝道，器件可以在不外加真空條件的環境下工作。

附圖說明

圖1為本發明的結構圖；

圖2為本發明的單管結構示意圖；

圖3為本發明結構的俯視圖；

圖4為本發明結構的剖視圖；

圖5為本發明的柵壓電學特性圖；

圖6為本發明的電子束伏安特性曲線；