【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及复合栅极纳米空气沟道晶体管结构及驱动方式，属于新型真空微纳结构和场发射器件。
技术介绍
1、传统的真空电子器件具有高功率、频带宽、高频率、高效率等技术优势，被广泛应用于通信、雷达、导航和成像等
但受限于结构复杂、机械加工要求高等原因，传统的真空电子系统往往体积大、工作电压高，在小型化、轻量化、集成化、低工作电压工作等方面存在一定的困难。随着纳米科技及场发射技术的发展，特别是纳米加工技术与现代半导体加工技术兼容性的提高，为突破传统真空电子器件的不足提供了新的技术途径，纳米空气沟道结构的出现为真空电子器件带来了新的机遇。
2、大气压下电子在空气中的平均自由程约为378纳米，在真空中自由程根据真空度不同自由程更长，当电子输运的空气沟道在大气压或真空下的空气沟道尺寸远小于电子在空气中的平均自由程时，电子在空气沟道内部内输运可以不受到气体分子散射等因素的干扰。另一方面，空气沟道内的阴极电子发射模式满足场致电子发射，即在阴极表面所加的电场很大时，阴极表面的势垒变低、宽度减小，自由电子可通过势垒穿透的隧道效应，从阴极中释放出来。因此利用远小于电子在空气中的平均自由程的纳米级的空气沟道制作成晶体管，将兼具场发射电子器件的宽频带、高工作频率、高效率、快速响应的特点，且可以实现与固态器件一样的集成化，减小器件的尺寸及功耗，实现对真空电子技术的革新。
3、纳米空气沟道晶体管可以根据应用制作成三极管基本结构以及根据实际应用的四极管等更多极的结构，特别是三极管结构在信号放大等方面具有更广阔的应用前景。目前典型
4、纳米空气沟道晶体管作为功率放大的三极管时，为了保证输出波形的非线性和失真比较小，对其输出特性曲线中的饱和特性有一定要求，即要求阳极对阴极场发射的影响比较小，阴极的电子发射主要由栅极来控制，而且为了提高电子的利用效率和器件功率，阴极的发射能力需要提升，栅极的截获需要比较小。
5、目前背栅极结构的纳米空气沟道晶体管，因为阴极直接与阳极相对，背栅极在二者的下方，栅极对阳极的屏蔽作用不明显，因此很难获得晶体管输出特性曲线中的饱和特性，在背栅极结构中电子还易打到背栅极上面的绝缘层上，影响电子的利用效率。而平面栅极结构的纳米空气沟道晶体管，因为采用了半导体材料作为基底，工作时若基底与阴极接地或悬浮，整个基底材料为阴极电位或悬浮电位，将对阴极场发射尖端的电场强度产生影响，直接影响了栅极对阴极的控制作用。
6、采用在本专利技术中将平面栅极和背栅极的进行结合形成复合栅极结构，提高栅极在阴极表面产生电场的作用，使器件能够在更低的工作电压下可以实现阴极表面的高场强和大的场发射，同时解决输出特性曲线的饱和特性，适应三极管等晶体管器件应用。
7、纳米空气沟道器件利用了阴极的场致发射特性，采用金属材料或氮化镓、铝镓氮、二硫化钼、二硫化钨等高态密度材料制作器件阴极，可以通过制作尖端形状提高阴极表面的场增强因子，并选用低逸出功材料，提高在相同栅极电压下的阴极电子发射。利用碳纳米管、石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、氧化锌纳米线等纳米材料制作阴极，利用纳米材料自身的尖端、边缘来替代金属阴极，是近年场发射研究中常用的技术手段。因此在本专利技术的复合栅极纳米空气沟道晶体管可以结合阴极技术的改进提升晶体管的功率特性。
技术实现思路
1、基于纳米空气沟道晶体管作为三极管在高频和太赫兹等射频功率放大器件、开关等应用时对器件的输出特性、阴极发射性能、电子利用效率等方面的要求，现有的纳米空气沟道晶体管结构在栅极对阴极的控制方面仍难以满足应用的需求。
2、本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
3、复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，在作为背栅极的半导体基底上制作绝缘层，并在绝缘层上制作阴极和阳极，在阴极和阳极的侧面设置有控制阴极电子发射的平面栅极，半导体基底与平面栅极共同形成复合栅极；阴极与平面栅极、阳极与平面栅极之间均保持1000纳米以内的间隙；当半导体基底和平面栅极共同作用施加高于阴极形成场发射电子的驱动电压时，阴极发射的电子在复合栅极和阳极电压的共同作用下向阳极运动并到达阳极形成阳极电流。
4、优选的，将阴极与平面栅极、阳极与平面栅极之间的间隙所对应的绝缘层部分通过刻蚀的方法去除。
5、优选的，在半导体基底上设有多个阴极、平面栅极和阳极，将阴极与阴极、平面栅极与平面栅极、阳极与阳极相联，形成多个空气沟道晶体管并联结构。
6、优选的，平面栅极通过与其相联的穿过绝缘层的导电过孔与半导体基底相联形成复合栅极，或者通过外部连接金属导线与半导体基底相连形成复合栅极。
7、优选的，将复合栅极纳米空气沟道晶体管结构通过真空管壳封装在真空环境中，提升电子在器件内运动的平均电子自由程，进而提高晶体管的电子利用效率和器件性能。
8、优选的，阴极采用在平面方向具有尖端的低逸出功金属材料或高态密度材料或纳米材料制作，阴极的形状包括平的、单尖、多尖、圆形。
9、优选的，高态密度材料包括氮化镓、铝镓氮、二硫化钼、二硫化钨，纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、氧化锌纳米线。
10、优选的，半导体基底采用本征或掺杂的高导半导体材料制作。
11、驱动方法：
12、通过半导体基底和平面栅极采用相同的直流信号和高频信号合成驱动电压；或者通过在半导体基底和平面栅极分别施加直流信号或高频信号或直流信号与高频信号的组合；在阳极上施加阳极直流阳极电压并输出放大的高频信号。
13、优选的，半导体基底和平面栅极所施加的直流信号不相同。
14、本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
15、1)本专利技术提供复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，相较于传统的侧栅极和背栅极结构，充分利用侧栅极和背栅极的优势，一方面可以有效提高栅极对阴极的控制效果，降低器件工作电压，提高电子利用效率；另一方面减少阳极对阴极的影响，使输出特性曲线符合晶体管放大器件要求，保证器件的线性度。
16、2)本专利技术的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构的基本工作出发点就是利用背栅极上施加不同电压来调整阴极表面电场强度，降低器件的工作电压，提高电子发射性能和电子利用效率，其应用不局限于三极管结构，也可以是为控制电子轨迹而采用平面四极管及更多控制电极的结构。
17、3)本专利技术可以在共用背栅极半导体基底的情况下将晶体管并联，提升整体结本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：在作为背栅极的半导体基底(1)上制作绝缘层(2)，并在绝缘层(2)上制作阴极(3)和阳极(4)，在阴极(3)和阳极(4)的侧面设置有控制阴极电子发射的平面栅极(5)，半导体基底(1)与平面栅极(5)共同形成复合栅极(6)；阴极(3)与平面栅极(5)、阳极(4)与平面栅极(5)之间均保持1000纳米以内的间隙(7)；当半导体基底(1)和平面栅极(5)共同作用施加高于阴极(3)形成场发射电子的驱动电压(8)时，阴极(3)发射的电子(9)在复合栅极(6)和阳极电压(10)的共同作用下向阳极(4)运动并到达阳极(4)形成阳极电流。
2.如权利要求1所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：将阴极(3)与平面栅极(5)、阳极(4)与平面栅极(5)之间的间隙(7)所对应的绝缘层(2)部分通过刻蚀的方法去除。
3.如权利要求1所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：在半导体基底(1)上设有多个阴极(3)、平面栅极(5)和阳极(4)，将阴极(3)与阴极(3)、平面栅极(5)与平面栅极(5)、阳极(4)与阳极(4)
4.如权利要求1或3所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：平面栅极(5)通过与其相联的穿过绝缘层(2)的导电过孔(14)与半导体基底(1)相联形成复合栅极，或者通过外部连接金属导线与半导体基底(1)相连形成复合栅极。
5.如权利要求1或3所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：将复合栅极纳米空气沟道晶体管结构通过真空管壳封装在真空环境中，提升电子在器件内运动的平均电子自由程，进而提高晶体管的电子利用效率和器件性能。
6.如权利要求1所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：阴极(3)采用在平面方向具有尖端的低逸出功金属材料或高态密度材料或纳米材料制作，阴极(3)的形状包括平的、单尖、多尖、圆形。
7.如权利要求6所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：高态密度材料包括氮化镓、铝镓氮、二硫化钼、二硫化钨，纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、氧化锌纳米线。
8.如权利要求1所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：半导体基底(1)采用本征或掺杂的高导半导体材料制作。
9.如权利要求1所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构的驱动方法，其特征是：通过半导体基底(1)和平面栅极(5)采用相同的直流信号(11)和高频信号(12)合成驱动电压(8)；或者通过在半导体基底(1)和平面栅极(5)分别施加直流信号(11)或高频信号(12)或直流信号(11)与高频信号(12)的组合；在阳极(4)上施加阳极直流阳极电压(10)并输出放大的高频信号(13)。
10.如权利要求9所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构的驱动方法，其特征是：半导体基底(1)和平面栅极(5)所施加的直流信号不相同。
...【技术特征摘要】
1.复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：在作为背栅极的半导体基底(1)上制作绝缘层(2)，并在绝缘层(2)上制作阴极(3)和阳极(4)，在阴极(3)和阳极(4)的侧面设置有控制阴极电子发射的平面栅极(5)，半导体基底(1)与平面栅极(5)共同形成复合栅极(6)；阴极(3)与平面栅极(5)、阳极(4)与平面栅极(5)之间均保持1000纳米以内的间隙(7)；当半导体基底(1)和平面栅极(5)共同作用施加高于阴极(3)形成场发射电子的驱动电压(8)时，阴极(3)发射的电子(9)在复合栅极(6)和阳极电压(10)的共同作用下向阳极(4)运动并到达阳极(4)形成阳极电流。
2.如权利要求1所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：将阴极(3)与平面栅极(5)、阳极(4)与平面栅极(5)之间的间隙(7)所对应的绝缘层(2)部分通过刻蚀的方法去除。
3.如权利要求1所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：在半导体基底(1)上设有多个阴极(3)、平面栅极(5)和阳极(4)，将阴极(3)与阴极(3)、平面栅极(5)与平面栅极(5)、阳极(4)与阳极(4)相联，形成多个空气沟道晶体管并联结构。
4.如权利要求1或3所述的复合栅极纳米空气沟道晶体管结构，其特征是：平面栅极(5)通过与其相联的穿过绝缘层(2)的导电过孔(14)与半导体基底(1)相联形成复合栅极，或者通过外部连接金属导线与半导体基底(1)相连形成复合栅极。
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓兵，翟鑫，朱卓娅，肖梅，雷威，孙迎澳，王振鹏，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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