[發(fā)明專利]一種高電流立體型納米空氣溝道電子管及電子器件

有效

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• 申請日: 2022-03-14
• 公開（公告）號(hào): CN114613841B
• 公開（公告）日: 2023-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李男男;羅毅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號(hào): H01L29/06
• 分類號(hào): H01L29/06;H01L29/10;H01L29/739;H01L21/331;H01L29/778;H01L21/335;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 張藝

本發(fā)明公開了一種高電流立體型納米空氣溝道電子管，包括：半導(dǎo)體基底；位于半導(dǎo)體基底一側(cè)表面的功能層；半導(dǎo)體基底與功能層之間存在二維電子氣；位于功能層背向半導(dǎo)體基底一側(cè)表面的頂電極；多個(gè)沿垂直方向從頂電極延伸至半導(dǎo)體基底的納米空氣溝道；多個(gè)納米空氣溝道形成納米空氣溝道陣列。通過設(shè)置多個(gè)垂直方向的納米空氣溝道形成納米空氣溝道陣列，可以有效增大二維電子氣的有效發(fā)射面積，提高發(fā)射電流至毫安量級(jí)。通過新型納米空氣溝道陣列和電極結(jié)構(gòu)與材料的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)低電壓大電流工作，同時(shí)大幅提高該類器件的截止頻率至太赫茲量級(jí)。本發(fā)明還提供了一種電子器件，同樣具有上述有益效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高電流立體型納米空氣溝道電子管以及一種電子器件。

背景技術(shù)

現(xiàn)代電子學(xué)信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展要求器件尺寸越來越小、速度越來越快、頻率越來越高。目前，作為電子學(xué)核心基礎(chǔ)元器件的半導(dǎo)體晶體管，其特征尺寸和電學(xué)性能已經(jīng)接近理論極限。尺寸限制下的固態(tài)半導(dǎo)體電子器件的發(fā)展主要依靠新材料的使用，從傳統(tǒng)的硅材料到化合物半導(dǎo)體(如GaAs、InP、SiC等材料)再到納米材料(如碳納米管，石墨烯，過渡金屬硫化物等)，大都依靠提高載流子遷移率進(jìn)一步提升器件性能。然而，載流子在固態(tài)半導(dǎo)體中輸運(yùn)必然會(huì)遭遇晶格碰撞散射和光子聲子散射，這從本質(zhì)上限制了固態(tài)半導(dǎo)體電子器件的開啟速度和工作頻率。相比之下，真空是實(shí)現(xiàn)載流子無散射彈道輸運(yùn)的理想媒介，電子在真空中的速度為半導(dǎo)體中的1000倍左右。雖然真空電子器件在工作原理上天然具有響應(yīng)速度快、工作頻率高的特點(diǎn)，但真空電子器件的發(fā)展與應(yīng)用嚴(yán)重受限于器件的大尺寸、不易集成、高電壓、真空工作環(huán)境等要求。

近年來發(fā)展的納米空氣溝道電子器件，使半導(dǎo)體微納工藝技術(shù)與真空原理的優(yōu)勢充分結(jié)合，不僅具備固態(tài)半導(dǎo)體電子器件的體積小、重量輕、功耗低、易集成、無需真空環(huán)境等優(yōu)勢，還具備真空電子器件的響應(yīng)速度快、工作頻率高、耐極端環(huán)境(如高溫、輻射)等特點(diǎn)。因此，這類器件被譽(yù)為是下一代超快集成電路的理想基本單元。目前，納米真空溝道電子器件主要分為立體型和平面型兩類結(jié)構(gòu)。其中立體型結(jié)構(gòu)相對(duì)具有大電流的優(yōu)勢，但目前為止，立體型納米空氣溝道電子器件的工作電流仍普遍處于幾十納安培至幾微安量級(jí)，遠(yuǎn)低于同等電壓下的MOSFET的能力，這嚴(yán)重制約了納米空氣溝道電子器件在電路與系統(tǒng)層面發(fā)揮其器件優(yōu)勢，限制了納米空氣溝道電子器件的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。因此，如何提供一種低壓高電流工作的新型納米空氣溝道電子器件結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種立體型納米空氣溝道電子管，具有較高且可調(diào)控的工作電流；本發(fā)明的另一目的在于提供一種電子器件，其使用的立體型納米空氣溝道電子管具有較高的工作電流。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種立體型納米空氣溝道電子管，包括：

半導(dǎo)體基底；

位于所述半導(dǎo)體基底一側(cè)表面的功能層；所述半導(dǎo)體基底與所述功能層之間存在二維電子氣；

位于所述功能層背向所述半導(dǎo)體基底一側(cè)表面的頂電極；

多個(gè)沿垂直方向從所述頂電極延伸至所述半導(dǎo)體基底的納米空氣溝道；多個(gè)所述納米空氣溝道形成納米空氣溝道陣列。

可選的，所述納米空氣溝道陣列中相鄰所述納米空氣溝道間的距離相等。

可選的，所述納米空氣溝道陣列的數(shù)量可調(diào)，依據(jù)納米空氣溝道陣列數(shù)量調(diào)控工作電流大小。在工作電壓不變情況下，立體型納米空氣溝道電子管的工作電流與所述納米空氣溝道陣列數(shù)量成正比。

可選的，所述納米空氣溝道長度的取值范圍在1nm至100nm，包括端點(diǎn)值。

可選的，作為立體型納米空氣溝道二極管，功能層為絕緣介質(zhì)層，厚度不大于60nm。

可選的，作為立體型納米空氣溝道晶體管，功能層包括：