纳米间隙沟道器件制备及其电子输运机理研究

摘要

作为早期电子技术领域的关键核心元件之一，真空电子器件具有高频、大功率和高可靠性等优势，广泛应用于各个领域之中。但受限于机械加工复杂等原因，传统的真空电子系统往往体积庞大臃肿，难以实现小型化、轻量化和集成化。随着固态电子器件和集成电路的成熟化，真空电子器件渐渐淡出了大众的视野。而纳米科技的发展，不论是先进加工工艺还是新型纳米材料的出现，都为突破传统真空电子器件的瓶颈提供了可能。近年来，纳米间隙结构的出现为真空纳米电子器件注入了新的活力。 纳米间隙是由真空或者超薄介质层构成的电子输运沟道，间隙平均尺度小于电子在介质或真空中的平均自由程，缺省真空封装条件下，电子在纳米间隙内部不受到散射等因素的干扰，同时满足器件集成化、小型化的发展要求。本文的主要研究内容在于利用现行的微纳加工工艺实现集成化的纳米间隙结构，探索纳米间隙沟道晶体管的工作机理和应用可行性，在此基础上研究材料、结构参数等对器件电子发射性能的影响，主要研究工作包括以下几个方面： （1）研究利用电子束光刻和聚焦离子束刻蚀制备平面型真空纳米间隙阵列结构，实现纳米间隙在10~30nm尺度的调控，高效制备大规模和不同沟道尺寸的纳米间隙。利用原位探针测试系统探索了不同结构参数和不同真空度环境下对纳米间隙结构场发射性能的影响，发现平面型发射结构不会因为多次测试而损坏，在不同的真空环境下仍具有较高的稳定性，拓宽了真空电子器件对真空度的要求和应用范围。 （2）设计并实现了平面型侧栅极纳米间隙沟道晶体管，研究了结构参数的变化对整体性能的影响，发现栅极结构的引入和发射极/收集极的表面形貌的优化能有效改善真空纳米间隙结构的电子发射性能。建立了平均飞行时间模型以研究侧栅极纳米间隙结构的频率响应特性，利用等效电路模型验证了数值模拟结构的有效性，为后期的真空纳米间隙三极管结构的应用奠定了理论设计基础。 （3）利用原位电子显微技术，对新型二维材料石墨烯进行原位的表征和场发射性能测试。在叉指电极上制备悬空石墨烯，研究和探索电子在真空纳米间隙环境下的电子输运特性，发现悬空石墨烯的电子发射性能远优于平整衬底表面的石墨烯，并且就不同电压下适用的发射理论进行了相应的解释。而将石墨烯直接转移至预制衬底的方法，提高了制备石墨烯器件的效率，为未来实现大尺寸、大规模的高集成度真空器件提供了可能。 （4）将新型的碳基材料石墨烯和纳米间隙沟道结构相结合，即将纳米间隙沟道的“弹道输运”和“无需严格真空封装”等优势，与石墨烯的超高迁移率、良好的散热性能和稳定性相结合。利用紫外/电子束光刻、刻蚀及薄膜沉积工艺分别制备得到基于石墨烯的垂直型介质层纳米间隙沟道晶体管和平面型真空纳米间隙沟道晶体管，实现转移至目标衬底的石墨烯尺寸大于2×2cm2，沟道尺度小于100nm，工作电压小于20V、最大开关比146.4，弥补了传统石墨烯晶体管开关比低的缺点，有望在未来的小型化、高集成化的真空集成电路中取得重要的应用。

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