納米間隙溝道器件制備及其電子輸運機理研究

發(fā)布時間：2020-07-08 10:32

【摘要】：作為早期電子技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵核心元件之一,真空電子器件具有高頻、大功率和高可靠性等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域之中。但受限于機械加工復(fù)雜等原因,傳統(tǒng)的真空電子系統(tǒng)往往體積龐大臃腫,難以實現(xiàn)小型化、輕量化和集成化。隨著固態(tài)電子器件和集成電路的成熟化,真空電子器件漸漸淡出了大眾的視野。而納米科技的發(fā)展,不論是先進加工工藝還是新型納米材料的出現(xiàn),都為突破傳統(tǒng)真空電子器件的瓶頸提供了可能。近年來,納米間隙結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為真空納米電子器件注入了新的活力。納米間隙是由真空或者超薄介質(zhì)層構(gòu)成的電子輸運溝道,間隙平均尺度小于電子在介質(zhì)或真空中的平均自由程,缺省真空封裝條件下,電子在納米間隙內(nèi)部不受到散射等因素的干擾,同時滿足器件集成化、小型化的發(fā)展要求。本文的主要研究內(nèi)容在于利用現(xiàn)行的微納加工工藝實現(xiàn)集成化的納米間隙結(jié)構(gòu),探索納米間隙溝道晶體管的工作機理和應(yīng)用可行性,在此基礎(chǔ)上研究材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)等對器件電子發(fā)射性能的影響,主要研究工作包括以下幾個方面:(1)研究利用電子束光刻和聚焦離子束刻蝕制備平面型真空納米間隙陣列結(jié)構(gòu),實現(xiàn)納米間隙在10~30nm尺度的調(diào)控,高效制備大規(guī)模和不同溝道尺寸的納米間隙。利用原位探針測試系統(tǒng)探索了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同真空度環(huán)境下對納米間隙結(jié)構(gòu)場發(fā)射性能的影響,發(fā)現(xiàn)平面型發(fā)射結(jié)構(gòu)不會因為多次測試而損壞,在不同的真空環(huán)境下仍具有較高的穩(wěn)定性,拓寬了真空電子器件對真空度的要求和應(yīng)用范圍。(2)設(shè)計并實現(xiàn)了平面型側(cè)柵極納米間隙溝道晶體管,研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對整體性能的影響,發(fā)現(xiàn)柵極結(jié)構(gòu)的引入和發(fā)射極/收集極的表面形貌的優(yōu)化能有效改善真空納米間隙結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射性能。建立了平均飛行時間模型以研究側(cè)柵極納米間隙結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)特性,利用等效電路模型驗證了數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)的有效性,為后期的真空納米間隙三極管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用奠定了理論設(shè)計基礎(chǔ)。(3)利用原位電子顯微技術(shù),對新型二維材料石墨烯進行原位的表征和場發(fā)射性能測試。在叉指電極上制備懸空石墨烯,研究和探索電子在真空納米間隙環(huán)境下的電子輸運特性,發(fā)現(xiàn)懸空石墨烯的電子發(fā)射性能遠(yuǎn)優(yōu)于平整襯底表面的石墨烯,并且就不同電壓下適用的發(fā)射理論進行了相應(yīng)的解釋。而將石墨烯直接轉(zhuǎn)移至預(yù)制襯底的方法,提高了制備石墨烯器件的效率,為未來實現(xiàn)大尺寸、大規(guī)模的高集成度真空器件提供了可能。(4)將新型的碳基材料石墨烯和納米間隙溝道結(jié)構(gòu)相結(jié)合,即將納米間隙溝道的“彈道輸運”和“無需嚴(yán)格真空封裝”等優(yōu)勢,與石墨烯的超高遷移率、良好的散熱性能和穩(wěn)定性相結(jié)合。利用紫外/電子束光刻、刻蝕及薄膜沉積工藝分別制備得到基于石墨烯的垂直型介質(zhì)層納米間隙溝道晶體管和平面型真空納米間隙溝道晶體管,實現(xiàn)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底的石墨烯尺寸大于2×2 cm~2,溝道尺度小于100 nm,工作電壓小于20 V、最大開關(guān)比146.4,彌補了傳統(tǒng)石墨烯晶體管開關(guān)比低的缺點,有望在未來的小型化、高集成化的真空集成電路中取得重要的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN32
【圖文】：

輸運方式,真空器件,固體器件,納米