一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管制备方法，属于半导体器件技术领域。本发明专利技术的结构包括设有在衬底上的两个栅极，两个栅极之间具有空隙；两个栅极均由绝缘层、栅极层和保护层组成；其中栅极层位于绝缘层上，保护层覆盖在栅极层的外表面上且与绝缘层共同包裹住栅极层的工作区；通过两栅极相对面之间的空隙形成纳米空气沟道。通过保护层覆盖在栅极层的外表面上且与绝缘层共同包裹住栅极层的工作区这一设置方式，避免了裸露的栅极发射、捕获电子，对器件性能造成不利影响。其制备方法上，不依赖于昂贵的纳米加工设备，仅需要普通紫外光刻便可以实现nm级的空气沟道，成本低、简便易行，具备实用性。具备实用性。具备实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]纳米空气沟道三极管基于微纳工艺技术实现了电子在纳米空气沟道的弹道输运，同时兼具小型化易集成的优点，是一种在高速、高频领域极具前景的新型器件。
[0003]图1是一种典型纳米空气沟道三极管结构图，如图1所示，该结构直接采用衬底作为底层电极，由于未对底层电极进行图形化处理，使得底层电极与顶层电极之间重合面积大，导致寄生电容过大，制约了器件的频率特性。加之，现有技术纳米空气沟道三极管的的制备往往依赖于昂贵的纳米加工设备，如聚焦离子束蚀刻、电子束光刻等精纳米制备工艺来制备栅极，制备成本高，不利于实际应用；制作过程中，未对栅极形成有效保护，在进行牺牲层腐蚀过程中，栅极暴露于空气沟道中，参与了电子的发射与捕获，会对器件性能产生不利影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：针对上述现有技术存在的不足，提供一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管及其制备方法，旨在提供一种具有栅极保护层、电极重合面积小、无需依赖高昂纳米加工设备、可以批量制备的垂直纳米空气沟道三极管的制备方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管，包括衬底、作为阳极的底层导电层和作为阴极的顶层导电层；
[0007]所述底层导电层设置在衬底上，其上设有两个栅极构成双栅结构，两个栅极之间具有空隙；两个栅极均由绝缘层、栅极层和保护层组成；其中栅极层位于绝缘层上，保护层覆盖在栅极层的外表面上且与绝缘层共同包裹住栅极层的工作区；通过两栅极相对面之间的空隙形成纳米空气沟道；
[0008]所述顶层导电层设置在两个栅极的正上方，并对准纳米空气沟道。
[0009]进一步的，所述衬底材料为绝缘材料、半导体材料或导电材料；若采用半导体材料或导电材料，则无需制作底层导电层；若采用绝缘体材料，则通过光刻等图案化工艺获得底层导电层的形状，充分缩小电极的重合面积，降低寄生电容。
[0010]进一步的，所述绝缘层与保护层材料均采用抗BOE腐蚀的绝缘材料。
[0011]进一步的，所述衬底选用材料为蓝宝石绝缘衬底，绝缘层、保护层选用材料为Si3N4，牺牲层选用材料为SiO2；所述阳极、阴极和栅极选用材料均为金。
[0012]一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1、制备基底
[0014]S1.1、在提供的衬底上进行光刻和沉积金属层，通过剥离工艺形成底部导电层作
为阳极；
[0015]S1.2、在底部导电层上通过光刻和沉积形成第一栅极和第二栅极，两个栅极之间具有空隙，均包括自下而上依次设置的绝缘层、栅极层和保护层，保护层覆盖在栅极层的外表面上且与绝缘层共同包裹住栅极层工作区；
[0016]S2、在基底上表面采用沉积牺牲层，且牺牲层完全覆盖基底上表面；
[0017]S3、在牺牲层上表面依次采用光刻、金属沉积、剥离工艺形成顶部导电层作为阴极；
[0018]S4、采用湿法腐蚀工艺去除牺牲层材料，使两个栅极相对面之间形成纳米空气沟道。
[0019]进一步的，所述步骤S4中湿法腐蚀工艺去除牺牲层材料时，仅去除部分被BOE溶液渗透到的牺牲层，其余部分保留。
[0020]进一步的，所述牺牲层的厚度大于绝缘层的厚度，通过牺牲层的厚度确定垂直纳米空气沟道的尺寸。
[0021]采用上述技术方案后，本专利技术具有了如下优点：
[0022]1、本专利技术通过光刻和沉积的方式制备纳米空气沟道三极管的栅极、阳极、阴极的形状；通过对栅极、阳极、阴极的形状控制，充分缩小电极重合面积，降低寄生电容，改善器件的频率特性。
[0023]2、本专利技术的三极管采用了双栅结构，缩短了栅极间距，使器件的性能得到有效提高；制备过程中，将保护层覆盖在栅极层的外表面上且与绝缘层共同包裹住栅极层对栅极起到了保护作用，配合保护层自身抗腐蚀绝缘材料的材料，避免了栅极参与空气沟道电子的发射与捕获，改善了器件的性能表现。
[0024]3、本专利技术的三极管在制备过程中无需依赖于昂贵的纳米加工设备，仅需要普通紫外光刻便可以实现nm级的空气沟道，成本低、简便易行，具备实用性。
附图说明
[0025]图1为传统典型纳米空气沟道三极管结构图；
[0026]图2为本专利技术提出的一种基于剥离工艺的带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管的器件示意图；
[0027]图3为本专利技术提出的一种基于剥离工艺的带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管制备方法的工艺流程侧面示意图；
[0028]图4为本专利技术提出的一种基于剥离工艺的带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管制备方法的工艺流程俯视示意图；
[0029]附图标记：
[0030]其中：1、绝缘衬底；2、底部导电层2；3、绝缘层；4、栅极层；5、保护层；6、牺牲层；7、顶部导电层；8、纳米空气沟道。
具体实施方式
[0031]下面结合附图及实施例对本专利技术中的技术方案进一步说明。
[0032]实施例1
[0033]如图2所示，本实施例提供的一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管，包括衬底 1、作为阳极的底层导电层2和作为阴极的顶层导电层7。
[0034]一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管，包括绝缘衬底1、作为阳极的底层导电层2和作为阴极的顶层导电层7。所述底层导电层7设置在绝缘衬底1上，其上设有两个栅极以构成双栅结构，两个栅极之间具有空隙；两个栅极均由绝缘层3、栅极层4和保护层5 组成；其中栅极层4位于绝缘层3上，保护层5覆盖在栅极层4的外表面上且与绝缘层3共同包裹住栅极层4的工作区；通过两栅极相对面之间的空隙形成纳米空气沟道8。所述顶层导电层设置在两个栅极的上方，并对准纳米空气沟道8。
[0035]使用时，阴极接地，栅压增大后，阴极表面电场增大，阴极势垒变窄，阴极电子可以通过fn隧穿的方式发射至空气沟道中。空气沟道小于电子在空气中的平均自由程，电子在空气沟道中以弹道输运的方式进行传输。阳极电压增大后，捕获空气沟道中的电子，完成电子的接收。由于栅极保护层的存在，阳极电压大于栅极电压时，栅极不会参与电子的发射，阳极电压小于栅极电压时，栅极不会参与电子厄捕获。
[0036]在本实施例中，栅极绝缘层3的与栅极保护层5的材料为Si3N4，牺牲层6的材料为SiO2，在BOE腐蚀过后，牺牲层3被选择性去除，实现了纳米级的空气沟道，同时由于栅极绝缘层 3与栅极保护层5的存在，栅极不会暴露在空气沟道中，从而有效避免了栅极发射或捕获电子。此外，阳极层2、栅极层4以及阴极层7的材料均为金，可以通过光刻图案化工艺灵活设计电极的形状，以达到最小的重合面积，降低寄生电容，提升器件的频率性能。
[0037]一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管，包括衬底、作为阳极的底层导电层和作为阴极的顶层导电层，其特征在于：所述底层导电层设置在衬底上，其上设有两个栅极构成双栅结构，两个栅极之间具有空隙；两个栅极均由绝缘层、栅极层和保护层组成；其中栅极层位于绝缘层上，保护层覆盖在栅极层的外表面上且与绝缘层共同包裹住栅极层的工作区；通过两栅极相对面之间的空隙形成纳米空气沟道；所述顶层导电层设置在两个栅极的正上方，并对准纳米空气沟道。2.根据权利要求1所述的一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管，其特征在于：所述衬底材料为绝缘材料、半导体材料或导电材料；若采用半导体材料或导电材料，则无需制作底层导电层；若采用绝缘体材料，则通过光刻等图案化工艺获得底层导电层的形状，充分缩小电极的重合面积，降低寄生电容。3.根据权利要求1所述的一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管，其特征在于：所述绝缘层与保护层材料均采用抗BOE腐蚀的绝缘材料。4.根据权利要求1所述的一种带栅极保护层的垂直纳米空气沟道三极管，其特征在于：所述衬底选用材料为蓝宝石绝缘衬底，绝缘层、保护层选用材料为Si3N4，牺牲层选用材料为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李沫，赵键澎，陈飞良，魏亚洲，张健，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：