一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管及其制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管及制作方法。所述方法包括：衬底；背电极，其制作在衬底的背面；平面冷阴极，其制作在衬底的正面；第一绝缘层，其制作在平面冷阴极上；栅层，其制作在第一绝缘层上；第二绝缘层，其制作在氧化铟锡薄膜栅层上；圆柱型小孔，其贯穿第一绝缘层、栅层和第二绝缘层而形成；栅层台阶，其是通过刻蚀第二绝缘层到栅层形成的；阳极层，其制作在第二绝缘层上；其中，所述第一绝缘层、氧化铟锡薄膜栅层、第二绝缘层的总厚度在10-100纳米之间。本发明克服了尖端结构电子发射密度不均匀、尖端容易损坏的缺陷，同时氮化铝材料所具有的负电子亲和势特性又弥补了平面型阴极需要更高阈值电场强度的不足。
【专利说明】一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件及真空器件【技术领域】，特别是一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管及其制作方法。
【背景技术】
[0002]真空中不含阻碍电子运动的物质，是一种用于电子传导的理想介质。对于现在普遍使用的半导体器件来说，电子在器件中输运的过程中将受到晶格和电离杂质的散射，弓丨起能量损失和信号质量的降低。而电子在真空中输运时，将不受这些散射作用的干扰，因此，相较于固态半导体器件，在其他条件相同的情况下，真空管可以在更高的频率及功率条件下工作。在科学发展史中，固态器件代替真空器件并不完全是性能方面的原因，而是因为固态器件可靠性高、体积小及价格低。但是，由于传输介质是真空，真空器件可以工作在强辐射等极端环境条件下，在空间领域有广阔的应用前景。最近的研究结果表明，纳米尺寸的三极管器件可能会开启真空器件的新时代。
[0003]氮化铝宽禁带半导体材料作为第三代半导体材料有许多优良的性能。其较宽的禁带宽度￠.2电子伏特)允许其工作在强辐射的环境中，同时，这种材料有更令人欣喜的特性——负电子亲和势，也就是说材料的导带底位于真空能级之上，这就使得处于导带底的电子可以在较小的外加电场甚至是无外加电场的作用下逸出阴极，形成发射电流。所以说，具有负电子亲和势的氮化铝平面型阴极是最具潜力的冷阴极的材料。
[0004]因此，采用氮化铝薄膜作为平面型阴极，可以降低纳米真空管的制作难度，提高电子发射密度和均匀性，从而提高纳米真空三极管的器件性能和工作时的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种新型的具有平面型发射阴极的纳米真空三极管及其制作方法，在本反面中，以普通真空三极管结构为基础，采用氮化铝薄膜作为三极管的发射阴极，在纳米尺度上构建三极管的结构，提高器件的稳定性和寿命，降低器件对真空度的要求。
[0006]本发明提出了一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管，其包括:
[0007]衬底；
[0008]背电极，其制作在衬底的背面；
[0009]平面冷阴极，其制作在衬底的正面；
[0010]第一绝缘层，其制作在平面冷阴极上；
[0011]栅层，其制作在第一绝缘层上；
[0012]第二绝缘层，其制作在氧化铟锡薄膜栅层上；
[0013]圆柱型小孔，其贯穿第一绝缘层、栅层和第二绝缘层而形成；
[0014]栅层台阶，其是通过刻蚀第二绝缘层到栅层形成的；
[0015]阳极层，其制作在第二绝缘层上；
[0016]其中，所述第一绝缘层、氧化铟锡薄膜栅层、第二绝缘层的总厚度在10-100纳米之间。
[0017]本发明还提供了一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管的制作方法，其包括以下步骤:
[0018]在衬底正面利用金属有机化学气相沉积在1100°C下生长阴极层；
[0019]在衬底背面利用热沉积的方法生长背电极，生长好后，退火处理，得到欧姆接触；
[0020]在平面冷阴极上生长第一绝缘层；
[0021]在第一绝缘层上涂正性光刻胶，光刻出一个直径小于10微米左右的圆形小岛；
[0022]在光刻好的第一绝缘层上利用磁控溅射的方法生长氧化铟锡薄膜，作为纳米真空三极管的栅极；
[0023]剥离小岛上的金属，在小岛处形成小孔；
[0024]在氧化铟锡薄膜上生长第二绝缘层，是的第一绝缘层、氧化铟锡薄膜和第二绝缘层的总厚度在10-100纳米之间；
[0025]对准小孔，刻蚀第一、第二绝缘层，刻蚀到平面冷阴极，同时在边缘刻蚀最上层的第二绝缘层，刻蚀到氧化铟锡薄膜；
[0026]在第二绝缘层上压制金箔阳极层，最终得到所述纳米真空三极管。
[0027]本发明提出的上述方案采用氮化铝作为三极管的平面型发射阴极，通过控制第一和第二绝缘氧化层的厚度来控制阴极和阳极的间距在10-100纳米范围。单尖端型场发射阴极在发射电子过程中由于热效应极易损毁而尖端阵列由于各个尖端之间场增强的不均匀导致发射不均匀，所以说本发明中的这种氮化铝平面型阴极结构首先克服了尖端结构容易损坏、电子发射分布不均匀的缺陷。同时氮化铝材料所具有的负电子亲和势的特性又弥补了平面阴极需要更高阈值电场强度的不足。在对真空度的要求上，本发明中真空三极管的阴极和阳极之间的尺寸在10-100纳米范围，小于或等于电子在真空中的平均自由程，使得本发明中的纳米真空三极管对真空度的要求降低，通过调整和控制阴极和阳极之间的距离，甚至可以让器件在大气环境下工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明提出的一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0030]图1示出了本发明提出的一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管的结构示意图。如图1所示，其包括:
[0031]衬底11，其可以为可导电的η型碳化硅(0001)衬底；
[0032]背电极10，其制作在衬底11的背面，可以是金属铝制成；
[0033]平面冷阴极12，其制作在衬底11的正面，其采用具有负电子亲和势的氮化铝薄膜形成；
[0034]第一绝缘层13，其制作在平面冷阴极12上，可采用二氧化硅形成；
[0035]氧化铟锡薄膜栅层14，其制作在第一绝缘层13上；
[0036]第二绝缘层15，其制作在氧化铟锡薄膜栅层14上，也采用二氧化硅形成；
[0037]圆柱型小孔，其贯穿第一绝缘层、栅层和第二绝缘层，用于形成电子输运沟道；
[0038]栅层台阶，起始通过干法刻蚀第二绝缘层到栅层形成的，用于引入栅极；
[0039]阳极层16，其制作在第二绝缘层15上，可采用金箔形成。
[0040]其中，所述第一绝缘层、氧化铟锡薄膜栅层、绝缘层的总厚度在10-100纳米之间。
[0041]本发明还公开了一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管的制作方法。其包括::
[0042]在衬底11上利用金属有机化学气相沉积在1100°C下外延生长氮化铝阴极层12 ；
[0043]在衬底11上利用热沉积的方法生长背电极10，生长好后，退火处理，得到欧姆接触；
[0044]在氮化铝阴极层12上采用热氧化方法生长二氧化硅，形成第一绝缘层13 ；
[0045]在第一绝缘层13上涂正性光刻胶,光刻出一个直径小于10微米左右的圆形小岛;
[0046]在光刻好的二氧化硅第一绝缘层13上利用磁控溅射的方法生长氧化铟锡薄膜栅层14，作为真空三极管的栅极；
[0047]剥离小岛上的氧化铟锡栅层，由于剥离过程中光刻胶一起去除，所以在小岛处形成小孔；
[0048]在氧化铟锡薄膜栅层14上采用热氧化方法生长二氧化硅，形成第二绝缘层15，使两层绝缘层和一层栅层的总厚度在10-100纳米之间；
[0049]对准小孔，刻蚀第一、第二绝缘氧化层，刻蚀到氮化铝阴极层12，同时在片子边缘刻蚀第二绝缘层，刻蚀到栅层14，用于引出栅极，与外电路相连；
[0050]在第二绝缘层15上压制金箔阳极层16，最终得到这种真空三极管器件。
[0051]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管，其特征在于，包括: 衬底； 背电极，其制作在衬底的背面； 平面冷阴极，其制作在衬底的正面； 第一绝缘层，其制作在平面冷阴极上； 栅层，其制作在第一绝缘层上； 第二绝缘层，其制作在氧化铟锡薄膜栅层上； 圆柱型小孔，其贯穿第一绝缘层、栅层和第二绝缘层而形成； 栅层台阶，其是通过刻蚀第二绝缘层到栅层形成的； 阳极层，其制作在第二绝缘层上； 其中，所述第一绝缘层、氧化铟锡薄膜栅层、第二绝缘层的总厚度在10-100纳米之间。
2.根据权利要求1所述的具有平面型发射阴极的纳米真空三极管，其特征在于，平面冷阴极采用外延生长的氮化铝薄膜。
3.根据权利要求1所述的具有平面型发射阴极的纳米真空三极管，其特征在于，背电极采用用热沉积方法生长的金属铝。
4.根据权利要求1所述的具有平面型发射阴极的纳米真空三极管，其特征在于，第一绝缘层和第二绝缘层采用热氧化方法生长的二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的具有平面型发射阴极的纳米真空三极管，其特征在于，栅层采用磁控溅射方法生长的氧化铟锡薄膜。
6.一种具有平面型发射阴极的纳米真空三极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤: 在衬底正面利用金属有机化学气相沉积在1100°c下生长阴极层； 在衬底背面利用热沉积的方法生长背电极，生长好后，退火处理，得到欧姆接触； 在平面冷阴极上生长第一绝缘层； 在第一绝缘层上涂正性光刻胶，光刻出一个直径小于10微米左右的圆形小岛； 在光刻好的第一绝缘层上利用磁控溅射的方法生长氧化铟锡薄膜，作为纳米真空三极管的栅极； 剥离小岛上的金属，在小岛处形成小孔； 在氧化铟锡薄膜上生长第二绝缘层，是的第一绝缘层、氧化铟锡薄膜和第二绝缘层的总厚度在10-100纳米之间； 对准小孔，刻蚀第一、第二绝缘层，刻蚀到平面冷阴极，同时在边缘刻蚀最上层的第二绝缘层，刻蚀到氧化铟锡薄膜； 在第二绝缘层上压制金箔阳极层，最终得到所述纳米真空三极管。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，衬底选用可导电的η型碳化硅衬底。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，平面冷阴极选用具有负电子亲和势的氮化铝薄膜。
【文档编号】H01L21/33GK104299988SQ201410504100
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】侍铭, 陈平, 赵德刚, 朱建军, 刘宗顺, 江德生 申请人:中国科学院半导体研究所