平面型真空纳米沟道晶体管的电学特性及输运机制研究

With the development of the processing technology and nanomaterials, nanoscale vaccum channel transistor (NVCT) could be utilized as a novel vacuum nanoelectronic device with miniaturization and integration, in the fields of aerospace, communication or medication. However, a series of key issues remains to be further explored. For instance, there is no explicit conclusion of the electron transport mechanism in the sub-100nm scale. Besides, few reports quantitative study and compare the effects of the structure/material on electrical properties, e.g. response time or operating current. As a result, this project plans to investigate the electron transport mechanism of nanoscale vacuum channel. On the other hand, we intend to learn the influencing effects of structural and material parameters on the electrical properties. Firstly, the physical model of NVCT is designed, with optimized gate structure, emitter morphology and material. Also, we combine the nano-processing technology with film deposition and low-dimensional material fabrication, acquiring the process route of planar-type NVCT. Furthermore, the measurement of electric characteristics is carried out which could concludes the general rules between structural/material parameters and response time, output current or other properties. Finally, we could establish and improve the electron transport model inside the sub-100nm vacuum channel, which provides theoretical and experimental basis of practical vacuum nanoelectronics.

随着微纳工艺和低维材料的发展，真空纳米沟道晶体管作为一种小型化、集成化的真空微纳电子器件，在国防、通信、医疗等诸多领域具有重要的潜在应用价值。然而该领域尚有一系列关键问题有待深入研究和探索：例如，亚100nm尺度真空沟道内的电子输运机制尚没有明确的定论；此外，很少有报道定量研究和对比不同的结构和材料对器件响应时间、输出电流等性能的影响。因此，本课题拟研究纳米尺度真空沟道内的电子输运机制，探索结构和材料对真空纳米沟道晶体管电学特性的影响。首先，建立基于真空纳米沟道的物理模型，并优化设计栅极结构、发射极形貌和材料等；其次，将微纳加工与薄膜沉积、低维材料生长相结合，获得平面型真空纳米沟道晶体管的制备工艺路线；进而测试器件的电学特性，总结出响应时间、输出电流等与结构/材料的一般规律，完善亚100nm尺度真空沟道内的电子输运机制，为进一步发展实用化的真空微纳电子器件提供理论和实验基础。

真空电子器件作为电子技术领域的核心元器件之一，被广泛应用于航天、通信等领域。然而，面对日益提高的用户需求，迫切需要研制新一代的小型化、集成化和高效率的真空微纳电子器件。因此，本项目的研究工作主要分为三个部分，首先利用电子光学设计软件对真空纳米沟道晶体管的结构/材料进行模拟仿真设计，其次探索利用现行的微纳加工工艺（电子束光刻、薄膜沉积等）实现真空纳米沟道晶体管的可行性，最后研究真空纳米沟道晶体管的电学性能，并获得关键的技术指标，具体包括：.1）使用电磁仿真软件对平面真空纳米沟道晶体管的结构参数进行仿真研究。优化了源极形貌，分析其对器件场增强因子的影响，提高了器件的输出电流，降低了器件的开启电压；其次研究了栅极结构参数对器件性能的影响，并在背栅结构的基础上，提出了侧栅极结构，进一步改善了器件的电学特性。.2）利用电子束光刻制备平面型侧栅极真空纳米沟道结构的工艺和参数，对所制备的侧栅极纳器件进行了电学性能表征，发现栅极结构的引入能有效降低器件的工作电压和改善电子发射性能，并优化调节了发射极/收集极的尖端形貌。.3）利用电子束光刻及薄膜沉积等微纳加工工艺，制备得到了面内收集型真空纳米沟道晶体管，实现真空沟道尺寸约70nm、工作电压小于10 V、最大输出电流约15μA、最大开关比4.6×10^4、器件上升时间65ns/下降时间54ns。.4）利用电子束光刻和氧等离子体刻蚀等工艺，结合新型低维碳基纳米材料石墨烯和碳纳米管，制备了平面型真空纳米沟道晶体管，实现工作电压小于10V、最大输出电流达到20.82μA，最大开关比为3.82×10^3。. 综上所述，我们分别设计了侧栅结构、面内收集结构的金属真空纳米沟道晶体管以及碳基（石墨烯、碳纳米管）真空纳米沟道晶体管，获得超快的时间响应、高输出电流以及高开关比，并且结构可以与现行半导体工艺相结合从而实现高度集成，为未来的片上集成电子器件/芯片提供理论设计和实验依据。