适于低成本大面积制造的超低电压纳米真空沟道器件制备技术及其工作机理研究

To settle the bottlenecks of large size, difficult integration, high operating voltage, and high vacuum environment requirement in traditional vacuum electronic devices, a novel nanoscale vacuum channel transistor (NVCT) was proposed in this project. A low-cost large-area fabricating process based on nanosphere lithography (NSL) was proposed and studied for the preparation of NVCT arrays. A method combining simulation analysis with experiments’ tests was used to study the field emission properties, analyze the ballistic transport of electrons in vacuum channel, and then explore the low-voltage working mechanism of NVCT. The project is expected to reveal the low-voltage working mechanism of the NVCT based on an electron source of two-dimensional electronic systems (2DES) located at Si/SiO2 interface, and obtain an ultralow-voltage operating NVCT arrays by using a the low-cost large-area fabrication process. The research results of this project are of great significance for breaking the bottleneck of traditional vacuum electronic devices, realizing the advantages of vacuum electronic devices and solid-state electronic devices simultaneously, and promoting the compatible integration of NVCT and IC, mass production and industrialization of NVCT.

针对传统真空电子器件体积大、不易集成、工作电压高、需要高真空环境等瓶颈问题，本项目以新型纳米真空沟道场发射晶体管（nanoscale vacuum channel transistor, NVCT）为研究对象，基于纳米球光刻（NSL）技术，研究适于低成本大面积制造的NVCT阵列的制备技术；采用仿真模拟计算与实验验证分析相结合的方法，研究电子源的场致电子发射特性，结合电子在真空沟道中的弹道输运行为，探究NVCT的低压工作机理。项目预期将揭示基于Si/SiO2界面二维电子系统（2DES）的NVCT的低压工作机理，低成本、大面积地实现超低电压工作的基于Si/SiO2界面2DES的NVCT阵列。项目的研究成果对于突破传统真空电子器件的瓶颈、结合真空器件和固态器件的优势、促进NVCT与IC兼容的集成化、大批量、产业化发展具有重要意义。

真空比半导体更适合作为载流子的输运媒介，但真空电子器件已经逐渐被固态半导体电子器件所替代，这种替代主要是因为传统真空电子器件具有体积大、不易集成、工作电压高、需要高真空环境等一系列瓶颈问题。本结题项目针对传统真空电子器件的瓶颈问题，以立体型纳米真空沟道电子器件为研究对象，通过关键制备技术研究和低压工作机理分析，实现真空电子器件的小型化、低电压工作和无需真空封装。本结题项目利用纳米球光刻（NSL）技术，研究立体型纳米真空沟道器件的制备技术，突破了真空电子器件制备成本高、特征尺寸大、研制周期长等限制，实现了真空沟道尺寸小于60纳米且可调的纳米真空沟道电子器件的低成本大面积制备，首次证明了将纳米微球自组装技术应用于真空纳电子学器件低成本大面积研制的可行性；本结题项目采用仿真模拟计算与实验验证分析相结合的方法，研究了纳米真空沟道器件电子源的低电压场致电子发射特性，结合电子在纳米真空沟道中的弹道输运行为，基本探究了纳米真空沟道电子器件的在大气环境下的低压工作机理，实现了开启电压低于1伏的纳米真空沟道二极管。本结题项目的研究成果为突破传统真空电子器件的瓶颈，充分结合真空器件和固态器件的优势，推动纳米真空沟道器件进一步面向低功耗集成电路应用的研究，奠定了坚实基础。

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