真空場效應電晶體的製作方法
2023-07-16 11:19:26 1
專利名稱：真空場效應電晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及平面型／縱向型真空隧道電晶體。具體地說，本發明涉及平面型／縱向型真空隧道電晶體，它採用MOSFET的平面或縱向型結構，用以提高集成度，並能在較低工作電壓下高速運行。
普通半導體器件中，電流在半導體內傳導，致使電子的移動速度受到晶格或其中雜質的影響。近來，已經研製出的半導體器件包括微針型真空電晶體。這種電晶體內，電子在真空中移動，因而速度不受限制。於是，這種電晶體可按極高的速度運行。不過，它們的缺點在於難於大規模集成化，並需要較高的工作電壓。
為了更好地了解本發明的背景技術，將參照附圖給出常規技術的描述。
參照
圖1，給出一種MOSFET(n溝道)的基本結構。在較高工作頻率(ft)下，通常範圍是20-30GHz，這種結構的Si FET表示一種疊片，只用於幾GHz的控制電壓振蕩器(VCO)，而不能用於幾十GHz的超高頻振蕩器。對於SOI和GaAs FET而言，可將它們用於較高的頻率，但其缺點仍在於它們難於製作，而且昂貴。
詳細而言，在圖1所示的MOSFET中，當給柵極G和漏極D加以電壓，並以源極S接地時，在主體B的柵極G下面形成空間電荷區。如果電壓超過閾值電壓，則在柵極G的下方形成溝道p。這種情況下的MOSFET被說成是導電的。對於n溝道的MOS而言，電子沿著所示溝道從源極S移到漏極D。這種器件的運行速度與認為電子從源極S移到漏極D的時間成反比。於是，溝道越短，電子移動得越快。在漏極接地時電流增益為1條件下的頻率ft表示器件速度，它接近正比於電子遷移率(μ)，並與溝道長度的平方成反比。
要對確定器件速度的各因子之間的遷移率(μ)給予注意。所述遷移率與溝道的材料有關。例如，只要加給的電場低於5×104([V／cm])，GaAs中的遷移率是Gi中的5倍那樣快。所以，GaAs被用於製作高速度的電晶體。不過，尤其是若去掉溝道區的晶格結構，也就是如果溝道處於真空中，則所述遷移率不起限定因子的作用，而隨便多大。因此，就要求電場越強，可使具有真空溝道區的器件的運行速度越塊。
參照圖2，有一種帶微針的普通真空電晶體，它改進了場致發射顯示(FED)結構。採用接近1THz的頻率(ft)，這種真空電晶體可被用於普通FET所不能用的超高頻器件。
有如從該圖所看到的，在從幾十伏至100伏範圍或者更高的較高加速電位影響下，電子從呈尖銳的點形陰極發射極被發射，並被位於公用陽極上方的螢光屏所收集。朝向陽極移動的電子數受加給柵極的幾十伏的電壓控制。為控制及發射電子為什麼需要如此高的電壓的理由是，所述的針離開柵極有較長的距離。與較高的陽極-柵極電壓一起，製造這種微針的困難限制了這些真空電晶體結構的實際應用中，如軍事應用。
因此，本發明的目的在於克服現有技術中遇到的上述問題，提供一種新穎的、具有很高集成度的平面型／縱向型真空溝道電晶體。
本發明的另一目的在於提供一種新穎的平面型／縱向型真空溝道電晶體，可在非常低的電壓下高速運行。
本發明採用MOS電晶體型平面或縱向型結構，代替普通的微針結構，以提高所述的集成度，並用低功函數材料，以減小在低壓下的溝道效應。另外。本發明按電子遷移一段真空的自由空間，從而實現器件高速運行的方式被構成。在常規器件中，比如Si和GaAs器件中，電子穿過由Si或GaAs原子構成的晶格。於是，電子與所述原子或添加的雜質碰撞，使它們不能自由移動，而表現出受到限制的遷移率。
本發明人重複的有關真空電晶體的充分而徹底的研究，開發出一種符合上述條件的新穎的平面型／縱向真空隧道電晶體，並命名為「真空場效應電晶體」(以下簡稱「VFT」)。
按照本發明的一個方面，給出一種平面型真空場效應電晶體，它包括由導體製成的源極和漏極，它們分開一段預定的距離而保持於一個薄的溝道絕緣體上，其間有真空溝道；由導體製成的柵極，它有一定寬度，形成於所述源極和漏極的下面，所述溝道絕緣體的作用在於使柵極、源極和漏極絕緣；還包括一絕緣主體，用作支撐溝道絕緣體和柵極的基片，其中在柵極與源極和漏極之間加給適當的偏壓，以使電子能夠從源極經所述真空溝道被場致發射到漏極。
最好使平面型真空場效應電晶體在源極與真空溝道之間以及漏極與真空溝道之間的接觸區域包含低功函數材料。
一種較好的VFT結構是，其中每個VFT器件都被安裝在由多個間隔的壁構成的溝道中，為的是使按溝道效應從源極發射的電子不會通過所述真空自由空間而移向鄰近的漏極。
按照本發明的另一方面，給出一種縱向型真空場效應電晶體，包括導電的連續圓形源極，它具有空著的中心，形成於溝道絕緣體上；形成於所述溝道絕緣體下面並延伸跨過所述源極的導電的柵極；一個絕緣體，用於支撐所述柵極和溝道絕緣體的基片；安裝在所述源極上方的絕緣壁，形成閉合的真空溝道；還包括形成於所述真空溝道上方的漏極，其中在柵極與源極和漏極之間加給適當的偏壓，以使電子能夠從源極經所述真空溝道被場致發射到漏極。
所述縱向型真空場效應電晶體最好還包含塗敷於所述源極上的低功函數材料。
從以下參照附圖對實施例的詳細描述，將使本發明的上述及其它目的和情況變得愈為清晰，其中
圖1是表示常規MOSFET的斷面間隔示意圖；圖2是表示常規微針型真空電晶體的示意圖；圖3a和3b分別以透視方式和截面方式表示VFT的基本結構；所述VFT類似於MOSFET，區別在於溝道變成空的，用於在適當位置的柵極放電；圖4是表示當在室溫條件下由熱能使導體中的電子被激活到高於費米能級時，勢壘和電子密度機率函數隨外加電場變化的曲線；圖5a和5b表示在一種VFT結構中，對於源極、漏極和／或柵極在它們的具有真空溝道的接觸區域處應用低功函數材料；圖5c表示在圖5a的結構中，電場屏蔽導體在低功函數材料上的應用；圖5d表示在一種VFT結構中，非導電低功函數材料在從源極經溝道到漏極的區域上方的應用；圖6a表示在一種VFT結構中，用導線使柵極與源極相連形成的一個閉合回線，而且在金屬接點之間存在電荷和電場；圖6b表示在圖6a的VFT結構中，低功函數材料用於源極與溝道絕緣體之間以及柵極與絕緣體之間的分界面；圖7是用有限分割法所得到的在VFT結構中，柵極與源極間加給1伏時的勢能電荷；圖8a和8b分別是圖6a和6b的結構中，把正離子注入與源極和漏極接觸的柵極絕緣體區域後的示意圖；圖9a和9b分別表示在圖5的結構中，短柵極的電位在源極處或者在漏極處，以及電位在源極和漏極二者處；圖10是用符號表示的幾種VFT結構；圖11是關於真空繪製的電子沿Si、GaAs和InP移過一個0．5μm間隙所用的時間對漏極與源極間所加電壓的曲線；圖12a和12b分別表示VFT和MOS的高頻小信號等效形式；
圖13a和13b分別表示VFT和MOS的包含漏電流的低功函數材料等效形式；圖14表示由用多個絕緣溝道彼此分開的器件組成的部分集成電路；圖15a到15c是表示本發明縱向型VFT結構的示意截面圖；圖15d表示一種縱向型VFT結構，其中將非導電低功函數材料塗敷於其間包括相對之源極和溝道的區域上方；圖16a和16b表示簡單的轉換電路和包含輸出緩衝器的轉換電路，二者被設計有VFT器件；圖16c表示被設計有VFT器件的多電流源電路。
參照附圖將使本發明的優選實施例得到最好的理解，其中類似的參考標號分別用於相應的部件。
參照圖3a和3b，給出一種結構，分別以透視圖和剖面圖的形式示出本發明VFT的基本概念。這種VFT結構仿佛是一種MOSFET結構，不過區別在於使溝道空白和使柵極在適當的位置放電。這種VFT結構被分成由源極S、漏極D及其間的真空溝道組成的上層結構，和由柵極G和主體組成的下層結構。源極S、漏極D和柵極G每個都是導電體，在上層結構與下層結構之間具有真空溝道的絕緣體。這種真空溝道在柵極G的上方，此柵極位於支撐整個其間的絕緣主體內。
如果把電壓加到柵極G上，難以回答在這種結構中是否像MOSFET結構中那樣會形成溝道並且電流將容易流動的問題。其原因在於，由於溝道處於真空狀態，不容易被引入到所述的自由空間中，電子都堆積在金屬晶格內部。對於MOSFET而言，當加給柵極的電壓大到足以克服Si的n區與p區之間相對的費米能級，閾值條件適於形成溝道，因此就無需將源極S的電子引到離自由空間那樣遠。與MOSFET結構相反，按照本發明的新型結構，所包含的溝道處於真空狀態，因此需要把電子引入到自由空間中。這與功函數有關，所述功函數表示使電子被限制於金屬中的力。於是，為拉引電子所需的電場與所用金屬的種類有關，不過一般需要它是強的。因此，重要的在於理解電子的發射與所加電場強度有怎樣的關係。目前已經關於能夠在這一原理下工作的器件進行了研究。最終，開發出一種微針型真空電晶體，即一種包含場致發射顯示的組合元，它的結構被示於圖2中。
從金屬到真空的電子發射易受強電場的影響。詳細地說，當在金屬上加給一個強電場時，金屬表面上的勢壘高度及寬度都減小，以致能夠很容易地產生溝道效應。針型場致發射元件中所用金屬的功函數的通常範圍從接近3eV至5eV。因此，為從這樣的金屬發射電子所需的電場強度至少需為107[V／cm]。不過，特殊的金屬化合物表現出有如大約0．1-1eV這樣低的功函數，使電流能以類似於107[V／cm]電場下的速率流動。事實上，與金剛石類似，有些非金屬化合物表現出比這個值還要低很多的功函數。按照本發明，這些材料被用於影響電子的發射。這種功函數如此低的材料被用為源極材料或薄薄地塗敷於源極上，給出VFT，這種VFT能夠在低電壓下工作。
參照圖4，表示一種溝道效應，當在室溫下給金屬外加一個電場時，由於這種溝道效應，使電子從金屬被傳送到真空。如果存在一個無窮大的勢壘，電子可能存在於金屬外部的機率為0。然而，在加給強電場的情況下，勢壘的高度降低，同時寬度變窄，使電子存在於真空中的機率不為0。換句話說，有些電子自己可能跑向真空。這時，從金屬發射電子的電流密度符合由下面的數學式[Ⅰ]表示的富勒-諾德哈姆(Fowlar-Nordheim)方程J=1.54106.E2t(y)2.e-6.8310732v(y)E[A/cm2][I]]]>其中，Φ是與金屬的功函數有關的勢差，t(y)是與被發射電子的鏡像力有關的橢圓函數，υ(y)是接近l的橢圓函數，而E是加在金屬表面上的電場強度。有時，金屬表面上可能有些無價值的小突起。在這種小突起的表面上，電場會更強，就使更多的電子從那裡發射。
回到圖3，本發明VFT的基本結構使從源極S發射電子，以確定電流。所發射的電子的量與靠近真空溝道與源極S之間的界面處的電場強度的配合有關，並與源極S的導電材料的功函數有關。在靠近源極S邊緣處的電場強度是在柵極G與源極S之間所加電勢的函數，也是其間溝道絕緣體厚度的函數。
因此，如果給出源極S金屬的功函數(qφ)和電場強度，則可從數學式[Ⅰ]計算電流密度(J)。作為該方程的推論，通過提高柵極G與源極S之間的電壓(VGS)補充源極材料的低功函數並增加E，可以給出電流密度的增大。如果源極S由鎢(W)或鉬(Mo製成)，它的功函數接近4．5eV，這對於給定的可為最佳的電流密度是太大了。另一方面，在低功函數材料，如金剛石或類金剛石的碳被用為源極S的情況下，即使在非常低的電場下，也能得到所要的電流密度。另外，考慮到低功函數材料的導電性和加工性能，源極S主要由導電性好的金屬製成，再塗以低功函數材料。
參照圖5，這是幾個有如上述塗以低功函數材料結構的例子。與常規真空電晶體結構相反，圖5的結構表示一種在低柵極電壓的情況下，充分加強加在電子發射區周圍，比如與溝道接觸的源極邊緣周圍電場的可能性。這種可能性來自以下事實柵極G與源極S之間的溝道絕緣體非常薄，並且存在於柵極G與源極S之間具有電常數(εr)的絕緣體因該εr與同一電壓共同導致真空溝道內電場的放大。另外，如果金屬表面的曲率半徑較小，就會使這種彎曲表面的電場變強。根據這種事實，按圖5所示的結構，通過調整所述邊緣處的曲率半徑，可使所述電場加強，在所述邊緣處，源極S與溝道接觸。
正如在通常的MOSFET中那樣，VFT中可能發生Early效應。由此，使源極與漏極間的長度變短，由漏極電壓所捨出的電場能夠使更多的電子要從源極上的低功函數材料發射。
為防止這種效應，可給源極上塗敷的整個低功函數材料的表面，除發射大部分電子的部位外，都覆蓋以金屬，以屏蔽被漏極所捨出的電場。這種結構被示於圖5c中。有如從圖5c所見者，將低功函數塗敷在部分源極S上，然後再按以下的方法覆蓋以金屬層，即使其與源極S相連，以具有相同的電位。
圖5b表示將源極S覆蓋在低功函數材料上。在這種情況下，先澱積源極S，可在低功函數材料的預定區域上形成絕緣體。在對源極S澱積金屬層之後，蝕刻掉絕緣體，露出發射電子的低功函數材料部位。採用非金屬低功函數材料，如類金剛石的碳的結構被示例於圖5d中。有如所見者，將非金屬低功函數材料以稀薄連續的方式塗敷在從源極S經真空溝道到漏極D的區域上。這種結構使得易於發生從源極S發射電子，並有容易製造的優點。通過低功函數材料使漏極與源極連接的結構可被用於圖5b和5c的情況。將低功函數材料塗敷在溝道區域內的溝道絕緣體上，以實現源極與連接之間的連接。
在把低功函數材料塗敷在導體上的情況下，以下將把由兩種材料間功函數的不同所引起的問題，與在柵極導體的功函數不同於源極導體時可能發生的問題一起被描述。另外，在連接柵極與源極的導線與柵極和源極的功函數不同的情況下，下面的描述將包含在不同導體之間的接合處可能會發生的問題。
讓我們假設兩種功函數不同的導體在與其間的絕緣體間隔不同的條件下彼此連接。在兩種導體之間的間隔分別為dm1和dm2的情況下，如果dm1＜＜dm2，則兩種導體間的功函數差被表示如下qΔφm=qφm1-qφm2，其中Δφm意思是兩種導體的電勢差。當所述電勢差Δφm產生於其間有絕緣體的兩個導體之間時，在兩個導體與絕緣體之間的界面處存在一定量的電荷(±ΔQ)，同時在絕緣體內產生電場E。在這種情況下，當把電壓從外部加在兩個導體之間時，如果間隔dm1較短，則由於溝道效應，使電子容易穿過絕緣體。另一方面，較長的絕緣體間隔使得電子實質上不能移過絕緣體，除非是電壓明顯地被加大。
回到圖5，考慮到這種結構，假設源極通過導線連到柵極。在最終的結構中，源極與柵極件的界面被示於圖6的放大了的視圖中。該圖中，假設源極S、柵極G、漏極D及導線都是同樣的導體，並且部分以及S被塗以導電的低功函數材料。沿著虛線，形成一種「源極-接合處#1-低功函數材料-接合處#2-柵極」結構。也即形成一種閉環，使兩類材料與其間的接合處彼此連接。
因為接合處#1幾乎沒有間隔(dm10)，所以源極直接與柵極接觸。因此，雖然存在可歸因於兩種金屬之間不同功函數的電勢差，但由於溝道效應，使電子在兩種金屬之間自由移動。這樣的接合被稱為歐姆接觸。
然而，由於與接合處#1相反，接合處#2有較大的間隙(dm1＜＜dm2)，所以在低功函數材料與柵極G之間的接合處#2，不能預期溝道效應，因而就不會發生電子的移動。雖然如此，在低功函數材料與柵極G之間仍存在與它們的功函數之差相應的電勢差。因此，在各絕緣體的界面處有電荷±ΔQ。有如圖6a的局部放大視圖所表示的，整個絕緣體在所述低功函數一側和柵極G一側分別存在+ΔQ和-ΔQ，使絕緣體的內部電場從源極S指向柵極G。
這個電場方向引起一個抵消電壓，對從源極S發生電子有抑制的影響，這在通過在柵極G與源極S之間加給電勢而欲使元件工作時是必須被克服的。與常規MOSFET相比，這種結構的閾值電壓比它高Δφ。為使整個閾值電壓降低，柵極的材料必須也選自低功函數材料。
回到圖6b，作為塗敷在源極側的同樣的材料被用於柵極側並且下面襯以普通導體(A1)。在這種結構中，由於柵極G一側所形成的接合處#3像接合處#1一樣是歐姆接觸，所以源極S與柵極G之間不存在較大的抑制電壓。於是，通過這種方式能夠解決提高閾值電壓的問題。另外，圖6b結構的特點在於不把低功函數材料塗敷於源極S上，而是塗敷在溝道絕緣體上，然後再對源極S塗以導體。這種結構也按與上述同樣的方式工作。
以下將討論電子是否能從源極S側上的低功函數材料向著溝道發射。將指向漏極D的方向設定為以低功函數材料的端部為開始點的X方向，如圖6a和6b所示。為使x=0處的電子從低功函數材料傳送至溝道，必須克服低功函數材料與溝道間的功函數差。由於所述溝道為真空級的，問題就是電子怎樣克服低功函數材料自身的功函數。通過如圖4所示那樣根據溝道效應在柵極G與源極S之間加以電壓來解決這個問題。如果柵極G與源極S之間存在電勢差，則絕緣體的內部電場強度近似由公式E=V／d確定。沿X方向存在被稱為「彌散場(fringingfield)」。彌散場的強度在x=0點處為最大，並且隨著遠離源極S(x＞0)而減弱。
圖7表示這一圖樣。該圖中，在假定源極S與柵極G由相同材料製成且其間間隔(dm2)為20nm的情況下把1V加在源極S與柵極G之間，並用真空代替絕緣體時，關於X軸的距離標繪出電勢分布。最為重要的是x=0附近的電場強度。這個強度越強，越容易發生根據圖4所述原則的溝道效應。於是，藉助數學方程[Ⅰ]可以期待產生所希望程度的電流。
如上所述，通過把源極S與柵極G之間的絕緣層考慮為真空，但與起因於介電常數的實際完全不同，得到圖7的結果。例如，在以SiO2形成絕緣體的情況下，由於SiO2的介電常數εr4，為了在與上述同樣的條件下對沿X方向的電場給出與圖7同樣的尺寸，就應使源極與柵極之間的間隔dm2被擴大εr倍，如80nm。因此，在間隔dm2被擴大4倍的情況下，使SiO2絕緣層內的電場強度E減小到對應於相同的柵極-源極電勢差1V時的四分之一。雖然如此，但由於電通量密度表示為關係D=εrεoE，所以電通量密度D保持不變。一般地說，電通量密度D沿著路徑為柵極-絕緣體-部分真空溝道-源極，並隨著穿過真空的路徑的增長而變弱。然而，當考慮源極邊緣上的邊界條件時，最好把與它的源極接觸的真空溝道邊界上的電通量密度D理解為與相鄰的絕緣體內並非太不相同。因此，在與源極接觸的真空溝道邊緣上的電場E比相鄰絕緣體內被增強接近εr倍。換句話說，在開始點x=0附近處的真空溝道邊緣上的電場E最強，隨著x的增大而變弱。
結果，按如下方式實現從源極S側的低功函數材料發射電子，即電子從與溝道接觸的邊緣(x=0)發射到真空溝道的邊緣，在這裡，電場是最強的。所發射的電子受到加給柵極的電勢的吸引，從而聚集在溝道區的絕緣層上。在這種情況下，部分電荷受到理解D的電位的作用而流走，同時，從源極送來等量的電荷，從而形成電流。只要不因絕緣層的厚度和絕緣層上所形成的表面能級而加給很高的電壓，作為對真空發射的結果而聚集在溝道的絕緣層上的電荷就不容易受到朝向柵極G的溝道效應。因此，可以安全地加給柵極的電壓範圍是絕緣層種類和厚度的函數。
上面的敘述是造成以導電的低功函數材料塗敷源極S的主要原因。對於非導電材料的塗敷，比如金剛石或類金剛石碳的塗敷而言，難於給出歐姆接觸的描述。即使在這種情況下，以實驗的方法也能觀察到，就像在導電塗敷的情況下那樣，易於在低電場下實現從塗敷的表面發射電子。
再結合圖6，將說明柵極G與源極S之間的閾值電壓，在這一電壓下，通過在柵極電壓控制下從源極S發射電子所獲得的電流達到一個臨界點。如前所述，圖6b的結構表示一個比圖6a低的閾值電壓。在這些結構中，用於強度所述閾值電壓的參數包括柵極G與源極S之間絕緣體的厚度和絕緣體的介電常數，以及以及與溝道接觸的S邊緣的曲率半徑。
具有這些結構的器件都具有總是大於0的閾值電壓，並且在VGS=0時由於沒有電流能夠流過，它們處於斷開狀態。不過，按照加給的電場，即使在VGS=0時，也要求這些器件是導電的。事實上，在很多情況下，由於費用的原因，都要求器件的閾值大於小於0。VFT的情況同樣是這樣，因為與通用器件不同，沒有互補型(p型)器件。圖8a和8b示出一個閾值小於0(Vt＜0)的器件可以導電的例子。如圖所示，可將適當的陽離子注入柵極G與源極S之間的薄的絕緣體中。這時，Vt變成注入陽離子的密度、絕緣體厚度和介電常數，以及源極S邊緣的曲率半徑的函數。在這種情況下，即使在VGs=0時，也能從源極S發射電子。另外，通過將雜質注入源極S側的低功函數材料層中，能夠將閾值電壓控制在某種程度。
簡單地說，類似於MOSFET，通過將閾值電壓調節成大於或小於0，可將VFT製成兩種類型，即增強型和耗盡型。因為VFT中的載流子只是電子，不存在n溝道器件。所以，當設計電路時需要p溝道器件的情況下，建議使用耗盡型VFT代替採用SOI的PMOS。
以下給出電子遷移率方面的描述，這確定器件的運行速度。由於飛過真空的電子不會遇到晶格，而是自由運動，所以無需對於移過普通半導體之電子所加給的遷移率概念。在如圖5a和5b所示的柵極G從源極S延伸到漏極D的情況下，溝道的電子被吸引，朝向絕緣體表面，並沿該表面移動。如果是這樣，電子就不能自由運動，而是在所述表面上要比在自由空間內移動得慢。因此，無助於將遷移率的概念引入這種情況中。常規的MOSFET不能避免這種在半導體內沒有構成溝道的結構。相反，本發明的VFT器件適於這樣的設計，用以解決這一問題。
圖9中引入這種創新的設計。如圖9a所示，大部分延伸至漏極D的柵極G被取消，同時允許保持部分柵極G靠近源極S。另外，可以製成具有縱向結構概念的器件，參照圖15將說明這種概念。在這些結構中，一旦電子被從源極S發射，它們就移到漏極D，而沒有任何問題。進而，由於電子沒有沿溝道表面的阻礙，而飛過所述間隔，所以它們能運動得非常快。
本發明結構所能達到的優點被簡述如下
1．電子的輸運變得更快；2．柵極G-源極S間的電容減小；3．器件的1／f噪聲減弱。
與1／f噪聲減弱的同時，由在柵極表面面積的減小引起較小的電容使得溝道的表麵條件不會對影響電子輸運造成太大的影響。
為使電子既能從源極S也能從漏極D發射，可以構成省略柵極的中間區域，以代替滿長柵極。也就是如圖9b所示那樣，在源極S處和漏極D處分別形成柵極G1和G2。有時這種結構不適於電路的構成。如果把圖9a、9b和15a至15d中所示的結構分成橫向型和縱向型的，可按同樣的發射工作。
圖10示意地表示上述VFT器件。該圖中的單向器件符號用於圖9a和15的結構，雙向器件的符號用於圖9b的結構，而連接柵極的器件符號用於圖5a和5b的結構。
確定器件轉換速度的一個因素是電子從源極S移到漏極D所用的時間。這種時間取估計值。
由加給漏極D的電場使從源極S發射的電子飛行。直到時間G存在的區域，電子沿絕緣體表面移動，以致它們移動的速度受表麵條件的影響。從電子逸出柵極區域的時刻起，它們的移動受加給漏極D的電場E的控制，但不在絕緣體表面的影響之下。這時，電子在真空中從源極S飛行到漏極D所用的時間t飛行被認為按如下的數學方程式[Ⅱ]來表示 式中L是從漏極D到源極S的距離，m是電子質量，VDS是加在漏極D與源極S之間的電壓，而e是電子的電量。
參照圖11，標繪出在真空GaAs、InP和Si中當L=0．5μm時t飛行根據方程[Ⅱ]隨加在漏極D和源極S間的電壓而改變。如上所述，當電場小於5×104[V／cm]時，如VDS小於2．5V時，電子在GaAs、InP中比在Si中運動得快的多。換句話說，當加給高於2．5V的電壓時，電子飛越溝道所花的時間t飛行對三種材料幾乎是一樣的。對於真空而言，由於t飛行與VDS]]>成反比，所以飛行時間隨著VDS的增大而變短。因此，本發明之電子在真空中運動的VFT比電子在Si、GaAs或InP中運動的常規器件運行要快得多。
以下參照圖12描述VFT的小信號高頻工作特性。
參照圖12a和12b，分別是本發明VFT和常規MOSFET的小信號等效電路。VFT的一個特點是缺少不希望有的附加元件Cgb、Csb、Cdb和Cgd，它們在常規MOSFET中變得複雜。通過比較Cgs發現VFT的另一個特點。在常規MOSFET中，必須使柵極G區域存在於源極S與漏極D之間的全部距離上方，而在VFT中，柵極G區域可以局限地形成於源極S附近。因此，VFT中的Cgs比在常規MOSFET中小很多。這對於較高的工作頻率(ft)成為優點，因為隨著Cgs越小和gm越大，它變得越高。
另外，由於缺少容性附加元件以及Cgs較小，在構成數字邏輯電路時，VFT有許多明顯的優點超過常規MOSFET。這些容性附加元件使器件的轉換速度就像高速運行時消耗的功率一樣緩慢。因此，如果以VFT實現集成電路，如微處理器或DSP，則可製成低功率的高速集成塊。
參照圖13a和13b，分別是本發明VFT和常規MOSFET的包含漏電流的低頻小信號等效電路。
在圖13a的等效電路中，isb和idb表示源極S與主體B之間和漏極D與主體B之間的漏電流組分。這些電流組分是在正常工作下將反向偏壓加在源極S與主體B之間和漏極D與主體B之間的pn結上時產生的。一般說來，這種漏電流是如此之小，以致可被忽略，但在需要把能量儲存於小電容內，如在DMAR內時，卻起重要作用。特別是這種漏電流是重要的難點，當工作過程中集成塊的溫度增高時，它就急劇增大。
與常規MOSFET相比，本發明的VFT表現出無漏電流，因為源極S和漏極互相分開，有如圖13a之等效電路所示者。因此，譬如若以這種VFT製作DRAM，可使電容非常小，同時可使集成塊的尺寸減小。另外，這種VFT的快速特點使得它能製作較高速度的DRAM。
再有，本發明的VFT在不可刷新的DRAM以及模擬存儲器方面可以找到許多應用。建議可按與DRAM同樣的集成度製作SRAM。因為它們被刷新，有如普通DRAM這樣通用的存儲器，在它們成為數字值之前，不能存儲信息。於是，這種VFT適合於存儲模擬值的存儲器。應當製作能夠存儲模擬值的存儲器，可將它們用於中樞網絡電路。
當達到像微處理器那樣高的集成度時，有如圖9a和9b中所示開路結構的相鄰器件之間可發生幹擾。例如，在一個VFT中加給較低的漏極電壓，同時在一個鄰近的VFT中加給較高的漏極電壓的情況下，從低漏極電壓的VFT的源極S飛出的電子處於高漏極電壓的吸引力的特別影響下，使它們不能正常地穿過溝道飛向它們的有關漏極D。
如圖5a和5b所示的結構，其中柵極G被連續地連接在源極S與漏極D之間的整個距離上，這種結構中一個VFT的溝道電荷離開它們自己溝道，並被吸引到一個鄰近的高電壓的VFT的漏極D或源極S的可能性非常低。
以下將討論在任何情況下相鄰器件之間不發生影響的結構。
圖14表示一種結構，其中每個器件通過以選擇的方式蝕刻被定位於各自的位置。由於蝕刻所形成的壁用為前後左右側的精加工過的中隔壁，若封閉所示位置的上方，可使每個器件被完全分隔開。這種結構預期會表現出類似於圖9所示的遷移率，並可被用於大規模集成電路，這是沒有問題的。
圖15a到15d表示幾種非橫向而是縱向的溝道型VFT的結構，它們是採用類似與製作DRAM的溝道電容的過程被製成的。這種縱向結構使所發射的電子能表現出最快的遷移率，用為電子飛過真空，而不受金屬或絕緣體表面的影響。
這種縱向結構特別適用於高頻功率的器件。在圖15c或15d的結構中，即使在對漏極D採用較高電壓的情況下，源極側的電子發射點也能有效地受到與源極S相連的電場屏蔽柵極的保護。與圖5d的結構相類似，圖15d的結構採用非導電低功函數材料塗敷在溝道區域和源極S上，優點在於易於製造。
除了VFT的多種結構和它們的特點以外，將考慮採用這種VFT的簡單電路。
圖16a和16b中，分別將增強型VFT和耗盡型VFT用於設計簡單的倒相電路和具有輸出緩存器的倒相電路。代替耗盡型VFT，可以採用p溝道SOI MOSFET。圖16c是表示多個電流源的電路。與MOSFET電路類似，通過使每個器件的尺寸不同，不只可以使VFT電路在加給相同的VGS情況下允許流過相等的電流，而且VFT電流還能控制流過每個器件的電流的量。通過改變每個器件上塗敷的材料，或通過改變所用絕緣體的厚度，也可以解決控制流過每個器件電流。
有如上面所描述的，本發明可在比常規MOS、SOI、GaAs、InP器件低的電壓下工作。另外，本發明可以在高速下工作，並且容易高度集成，同時具有如下效果使它能在低壓和高速條件下完成集成電路，從而能將它們用於高速微處理器、高級計算機、DSP、存儲裝置等。本發明的另一優點是，它能用於輸出端或輸入端的高頻功率放大器件和低噪聲放大器件。
本發明已按圖示說明的方式被描述，應當理解，所用的術語確定為描述的性質，而不是限制。按照上面的技術，本發明的許多改型和變化都是可能的。因此，應予理解，在所附權利要求書的範圍內，可按不同於所特別描述的那樣實現本發明。
權利要求
1．一種平面型真空場效應電晶體，它包括由導體製成的源極和漏極，它們分開一段預定的距離而保持於一個薄的溝道絕緣體上，其間有真空溝道；由導體製成的柵極，它有一定寬度，形成於所述源極和漏極的下面，所述溝道絕緣體的作用在於使柵極與源極和漏極絕緣；絕緣主體，用作支撐溝道絕緣體和柵極的基片，其特徵在於，在柵極、源極和漏極之間加給適當的偏壓，以使電子能夠從源極經所述真空溝道被場致發射到漏極。
2．一種如權利要求1所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，在所述源極與真空溝道之間以及所述漏極與真空溝道之間的接觸區域還包含低功函數材料。
3．一種如權利要求1所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，所述低功函數材料在與所述真空溝道接觸的溝道絕緣體上方延伸。
4．一種如權利要求1所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，在所述柵極與溝道絕緣體之間還包括低功函數材料。
5．一種如權利要求1至4任一項所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，在靠近所述柵極和源極處的溝道絕緣體區域中澱積陽離子，實現耗盡型器件。
6．一種如權利要求1至4任一項所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，所述柵極區域位於源極或漏極處。
7．一種如權利要求1至4任一項所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，所述柵極區域不連續，既位於源極處又位於漏極處。
8．一種如權利要求1至4任一項所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，還以如下方式在所述源極側包括電場屏蔽柵極，所述電場屏蔽柵極覆蓋除電子發射點以外的源極區域，在所述電子發射點附近，源極、真空溝道及溝道絕緣體互相接觸，從而在電子發射區域消除由加給漏極的電壓形成之電場的影響。
9．一種如權利要求1至4任一項所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，所述平面型真空場效應電晶體被絕緣的中隔壁所包圍，避免外部電場對電子從源極到漏極運動的影響，從而在多個電晶體被集成在一起的情況下，使電子不能從一個電晶體偏移到另一個相鄰的電晶體。
10．一種如權利要求1至4任一項所述的平面型真空場效應電晶體，其特徵在於，還包括一個絕緣板，所述絕緣板具有多個溝道，每個溝道中安裝一個縱向型真空場效應電晶體器件，使各絕緣的溝道壁防止被集成的各電晶體器件間的幹擾，從而使電子不致從一個器件偏移到另一個相鄰的器件。
11．一種縱向型真空場效應電晶體，包括導電的連續圓形源極，它具有空著的中心，形成於溝道絕緣體上；形成於所述溝道絕緣體下面並延伸跨過所述源極的導電的柵極；絕緣主體，用作支撐所述柵極和溝道絕緣體的基片；安裝在所述源極上方的絕緣壁，形成閉合的真空溝道；形成於所述真空溝道上方的漏極，其特徵在於，在柵極、源極和漏極之間加給適當的偏壓，以使電子能夠從源極經所述真空溝道被場致發射到漏極。
12．一種如權利要求11所述的縱向型真空場效應電晶體，其特徵在於，還包含在所述源極上的一種功函數材料。
13．一種如權利要求11所述的縱向型真空場效應電晶體，其特徵在於，所述低功函數材料在與所述真空溝道接觸的溝道絕緣體上方延伸。
14．一種如權利要求11所述的縱向型真空場效應電晶體，其特徵在於，還包含一種在所述柵極與溝道絕緣體之間的功函數材料。
15．一種如權利要求11至14任一項所述的縱向型真空場效應電晶體，其特徵在於，還以如下方式在所述源極側包括電場屏蔽柵極，所述電場屏蔽柵極覆蓋除電子發射點以外的源極區域，在所述電子發射點附近，源極、真空溝道及溝道絕緣體互相接觸，從而在電子發射區域消除由加給漏極的電壓形成之電場的影響。
16．一種如權利要求11至14任一項所述的縱向型真空場效應電晶體，其特徵在於，還包括一個絕緣板，所述絕緣板具有多個溝道，每個溝道中安裝一個縱向型真空場效應電晶體器件，使各絕緣的溝道壁防止被集成的各電晶體器件間的幹擾，從而使電子不致從一個器件偏移到另一個相鄰的器件。
全文摘要
本發明公開平面型/縱向型真空場效應電晶體(VFT)結構,採用類似MOSFET平面或縱向型結構,以提高集成度,並可以在較低的工作電壓下高速運行。本平面型VFT包括由導體製成的源極和漏極,它們分開一段預定的距離而保持於一個薄的溝道絕緣體上,其間有真空溝道;由導體製成的柵極,它有一定寬度,形成於所述源極和漏極的下面,所述溝道絕緣體的作用在於使柵極與源極和漏極絕緣;絕緣主體,用作支撐溝道絕緣體和柵極的基片。縱向型真空場效應電晶體,包括:導電的連續圓形源極,它具有空著的中心,形成於溝道絕緣體上;形成於所述溝道絕緣體下面並延伸跨過所述源極的導電的柵極;絕緣主體,用作支撐所述柵極和溝道絕緣體的基片;安裝在所述源極上方的絕緣壁,形成閉合的真空溝道;形成於所述真空泡道上方的漏極。兩種類型中都將適當的偏壓加在柵極、源極和漏極之間,使電子能夠從源極經所述真空溝道被場致發射到漏極。
文檔編號H01J1/316GK1294760SQ99804294
公開日2001年5月9日 申請日期1999年3月25日 優先權日1998年3月25日
發明者曹圭亨, 柳之烈, 黃明運, 趙敏衡, 禹永振, 金榮基 申請人:韓國科學技術院