一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管及其制备方法，所述晶体管包括：衬底

【技术实现步骤摘要】
一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及真空电子器件
，具体涉及一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管及其制备方法
。

技术介绍

[0002]随着集成电路不断缩小，晶体管的尺寸逐渐接近纳米级别，但在纳米尺度下，晶体管遇到了一些物理限制和挑战
。
例如，在极小的尺寸下，晶体管的量子效应和漏电等问题变得更加明显，导致功耗增加和性能下降
。
为了克服这些问题，研究人员开始探索新型的纳米晶体管技术，其中纳米真空沟道晶体管便是一个备受关注的领域
。
[0003]纳米真空沟道晶体管（
NVCT
）作为一种新型晶体管技术
。NVCT
技术的基本原理是在纳米尺度下创建一个真空通道，使电子在真空中传输
。
真空中电子的运动受到较少阻碍，相比传统的半导体晶体管，由于真空中没有电荷载流子的散射和互相作用，
NVCT
在高频率应用中表现出色，电子可以更自由地移动
。
真空环境可以减少电子与杂质的相互作用，从而使纳米真空沟道晶体管在高辐射环境下具有更好的稳定性和可靠性
。
纳米技术可以实现器件的极小尺寸，因此纳米真空沟道晶体管有潜力实现更高密度的集成电路，从而增加器件的功能性和性能
。
然而，
NVCT
技术也面临着许多技术挑战，例如如何实现稳定的真空环境，如何有效地控制电子的运动等
。
因此设计新型结构，并找到可行的制造方法和材料选择，以使
NVCT
成为可行的技术
。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管及其制备方法通过对晶体管结构创新降低栅极漏电流
、
使器件微型化便于片上集成
、
便于研究不同发射极材料与形貌对器件性能的影响
。
[0005]技术方案：本专利技术所述的一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，包括：衬底
、
第一电极
、
第一介质层
、
第二电极
、
栅阻挡介质
、
第二介质层
、
第三电极和若干个沟道；依次从下至上设置包括衬底
、
第一电极
、
第一介质层
、
第二电极
、
栅阻挡介质
、
第二介质层
、
第三电极；若干个沟道贯穿第一电极
、
第一介质层
、
第二电极
、
栅阻挡介质
、
第二介质层；第一电极
、
第二电极
、
第三电极通过导线连接外部电路
。
[0006]进一步的，所述第一电极作为阴极，具体材料为
N
型掺硅氮化镓
。
[0007]进一步的，所述第二电极作为栅极，具体材料为易于氧化且能形成致密氧化层的导电材料
。
[0008]进一步的，所述第三电极作为阳极，具体材料为金
、
铂金等不易氧化金属材料
。
[0009]进一步的，所述衬底具体材料为蓝宝石
、
硅
、
碳化硅等材料
。
[0010]进一步的，所述第一介质层
、
第二介质层采用氧化硅
、
三氧化二铝或氧化铪
。
[0011]进一步的，所述栅阻挡介质采用与第一介质层相同的材料制成
。
[0012]进一步的，所述第二电极的厚度为
5~10 nm
；第一介质层的厚度为
10~12nm
，第二介质层的厚度为
40~45 nm。
[0013]进一步的，所述第一介质层
、
第二电极
、
第二介质层的总厚度小于
80nm。
[0014]本专利技术所述的一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管的制备方法，包括以下步骤：（1）第一电极制备：在蓝宝石
、
硅或碳化硅衬底上通过氮化镓外延工艺，制备一层
N
型氮化镓外延层；（2）第一介质层制备：在第一电极上通过磁控溅射或化学气相沉积方法制备第一介质层；（3）第二电极制备：在第一介质层上，通过磁控溅射或电子束蒸镀方法，制备易于氧化且能形成致密氧化层的导电材料，作为晶体管栅极的第二电极；（4）第二介质层制备：在第二电极之上，通过磁控溅射或化学气相沉积方法制备一层介质，介质层覆盖第二电极开口及其上表面，且完全覆盖第二电极开口处台阶，此介质层充当栅阻挡介质，然后在栅阻挡介质上在制备一层介质，此介质层充当第二介质层，不同于第一介质层材料；（5）第三电极制备：在第二介质层上，通过磁控溅射或电子束蒸镀工艺，制备第三电极；（6）真空沟道制备：在器件中央通过
ICP
刻蚀，使用离子增强刻蚀形成垂直沟道，通过化学刻蚀第二介质层，刻蚀宽度为
20~30nm
，制备成纳米真空沟道，沟道贯穿第一介质层
、
第二电极
、
栅阻挡介质层
、
第二介质层；（7）栅阻挡介质制备：将器件置于氧气氛围中高温退火，在第二电极侧壁与沟道接触面形成氧化薄膜，作为栅阻挡介质
。
[0015]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：可以使晶体管在尺寸上压缩的更小，真空纳米沟道的尺度小于电子在空气中的平均自由程，使得载流子在沟道内部的输运满足场致电子发射或隧穿的形式，具有高响应速度
、
高截止频率和高可靠性；晶体管结构栅极被介质层包围，能够有效减小栅极泄露电流；沟道向内凹，降低电子与介质层的碰撞，提升器件稳定性
。
附图说明
[0016]图1为本专利技术晶体管结构截面示意图；图2为本专利技术晶体管真空沟道阵列俯视示意图；图3为本专利技术晶体管结构工作电路示意图；图4为本专利技术晶体管凹槽结构截面示意图
。
实施方式
[0017]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明
。
[0018]如图1‑2所示，本专利技术实施例提供了一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，包括：衬底
1、
第一电极
2、
第一介质层
3、
第二电极
4、
栅阻挡介质
5、
第二介质层
6、
第三电极7和若干个沟道8；依次从下至上设置包括衬底
1、
第一电极
2、
第一介质层
3、
第二电极
4、
栅阻挡介质
5、
第二介质层
6、
第三电极7；若干个沟道8贯穿第一电极<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，其特征在于，包括：衬底（1）
、
第一电极（2）
、
第一介质层（3）
、
第二电极（4）
、
栅阻挡介质（5）
、
第二介质层（6）
、
第三电极（7）和若干个沟道（8）；依次从下至上设置包括衬底（1）
、
第一电极（2）
、
第一介质层（3）
、
第二电极（4）
、
栅阻挡介质（5）
、
第二介质层（6）
、
第三电极（7）；若干个沟道（8）贯穿第一电极（2）
、
第一介质层（3）
、
第二电极（4）
、
栅阻挡介质（5）
、
第二介质层（6）；第一电极（2）
、
第二电极（4）
、
第三电极（7）通过导线连接外部电路
。2.
根据权利要求1所述的一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，其特征在于：所述第一电极（2）作为阴极，具体材料为
N
型掺硅氮化镓
。3.
根据权利要求1所述的一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，其特征在于：所述第二电极（4）作为栅极，具体材料为易于氧化且能形成致密氧化层的导电材料
。4.
根据权利要求1所述的一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，其特征在于：所述第三电极（7）作为阳极，材料为金
、
铂金
。5.
根据权利要求1所述的一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，其特征在于：所述衬底（1）材料为蓝宝石
、
硅或碳化硅
。6.
根据权利要求1所述的一种基于宽禁带材料的垂直结构真空沟道晶体管，其特征在于：所述第一介质层（3）
、
第二介质层（6）采用氧化硅
、
三氧化二铝或氧化铪
...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏世宗，徐季，林丛远，汪敏霞，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：