纳米真空沟道二极管及其制备方法、电子元器件

本申请涉及微纳真空电子器件，尤其涉及纳米真空沟道二极管及其制备方法、电子元器件。

背景技术：

1、随着硅基cmos（complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺进入深纳米尺度，载流子在固体沟道中受到晶格散射和杂质散射的限制，同时短沟道效应加重、漏电流急剧上升，在高温、高辐射等极端环境下器件性能退化尤为明显；相比之下，真空环境具有更高的绝缘强度和电子迁移率，电子在真空中的弹道输运能够有效避免固体中的散射问题。但是，真空电子器件依赖高真空密封来维持电子的长平均自由程，微型化后内部空间狭小、比表面积大，维持高真空极为困难，封装成本和技术门槛远高于普通封装。近年来，纳米真空沟道场发射器件通过将阴阳极间距缩小至纳米尺度，使电子在传输过程中碰撞概率显著降低，从而在常压环境下即可实现近似真空的输运效果。

2、然而，现有纳米真空沟道场发射器件中，阴极结构通常采用平面型或悬空薄膜形式，在形成纳米间隙的过程中，阴极悬空部分因缺乏有效的力学支撑而极易发生塌陷或变形，导致阴阳极之间的纳米级间隙尺寸发生不可控变化，甚至引发阴阳极直接接触短路。

技术实现思路

1、本申请的主要目的在于提供一种纳米真空沟道二极管及其制备方法、电子元器件，旨在解决现有纳米真空场发射器件中阴极悬空结构易发生塌陷或变形，导致阴阳极之间纳米级间隙不稳定，进而影响二极管稳定性的技术问题。

2、为实现上述目的，本申请实施例提供一种纳米真空沟道二极管的制备方法，所述方法包括：

3、在衬底一侧形成阳极层；

4、在所述阳极层背离所述衬底的一侧沉积绝缘层；

5、根据预设的第一图形刻蚀所述绝缘层，形成暴露部分所述阳极层的纳米沟道；

6、在所述绝缘层和所述纳米沟道背离所述衬底的一侧沉积牺牲层；

7、在所述牺牲层的表面定义预设的第二图形，基于所述第二图形刻蚀所述牺牲层，保留预设的阴极结构对应区域的牺牲层；

8、在所述绝缘层和剩余的所述牺牲层背离所述衬底的一侧沉积金属薄膜，形成所述阴极结构的固定端和悬空端，所述固定端设置于所述绝缘层背离所述衬底的一侧，所述悬空端延伸至所述纳米沟道上方，且所述悬空端具有场发射尖端，所述场发射尖端在所述金属薄膜沉积形成所述悬空端的过程中自形成；

9、通过刻蚀去除剩余的所述牺牲层，在所述悬空端与所述阳极层之间形成沟道间隙，得到纳米真空沟道二极管。

10、在一实施例中，所述牺牲层的厚度与所述沟道间隙的宽度之间的比例≥（1:2）。

11、在一实施例中，所述纳米沟道的宽度≥3 nm；

12、和/或，所述牺牲层的厚度≥1.5 nm。

13、在一实施例中，所述绝缘层包括二氧化硅和/或氧化铝；

14、和/或，所述牺牲层包括氮化硅和/或氧化锌。

15、在一实施例中，所述金属薄膜包括粘附层和导电层，所述在所述绝缘层和剩余的所述牺牲层背离所述衬底的一侧沉积金属薄膜，形成所述阴极结构的固定端和悬空端的步骤包括：

16、在所述绝缘层和剩余的所述牺牲层表面定义所述阴极结构的第三图形，所述第三图形包括所述固定端的区域和所述悬空端的区域；

17、根据所述第三图形在所述绝缘层和所述牺牲层背离所述衬底的一侧沉积粘附层；

18、在所述粘附层背离所述绝缘层和所述牺牲层的一侧沉积导电层；

19、剥离去除所述第三图形之外的所述粘附层和所述导电层，形成悬臂梁的所述阴极结构。

20、在一实施例中，通过选择性刻蚀去除剩余的所述牺牲层，所述选择性刻蚀过程中对所述牺牲层与所述绝缘层的刻蚀选择比≥（100:1）。

21、本申请实施例还提供一种如上述所述的纳米真空沟道二极管的制备方法制得的纳米真空沟道二极管，所述纳米真空沟道二极管包括：

22、衬底；

23、阳极层，设置于所述衬底一侧；

24、绝缘层，设置于所述阳极层背离所述衬底的一侧，所述绝缘层中形成有暴露部分所述阳极层的纳米沟道；

25、阴极结构，所述阴极结构为悬臂梁结构，所述悬臂梁结构包括固定端和悬空端，所述悬空端具有场发射尖端，所述场发射尖端在金属薄膜沉积得到所述悬空端的过程中自形成；

26、所述固定端设置于所述绝缘层背离所述衬底的一侧，所述悬空端延伸至所述纳米沟道上方形成沟道间隙，其中，所述沟道间隙通过去除位于所述纳米沟道与所述悬空端之间的牺牲层形成。

27、在一实施例中，所述阴极结构包括粘附层和导电层，其中，所述粘附层设置于所述导电层靠近所述绝缘层的一侧，所述导电层设置于所述粘附层背离所述绝缘层的一侧。

28、在一实施例中，所述悬臂梁结构包括十字形、一字型和米字型中的至少一种。

29、本申请实施例还提供一种电子元器件，包含如上述所述的纳米真空沟道二极管，或如所述的纳米真空沟道二极管的制备方法制备的纳米真空沟道二极管。

30、本申请实施例提出的一个或多个技术方案，至少具有以下技术效果：纳米真空沟道二极管的制备方法包括：在衬底一侧形成阳极层；在阳极层背离衬底的一侧沉积绝缘层；为二极管构建了底部导电和电隔离的基础结构。根据预设的第一图形刻蚀绝缘层，形成暴露部分阳极层的纳米沟道；为电子从阴极向阳极的传输预留了物理通道。在绝缘层和纳米沟道背离衬底的一侧沉积牺牲层；在牺牲层的表面定义预设的第二图形，基于第二图形刻蚀牺牲层，保留预设的阴极结构对应区域的牺牲层；在绝缘层和剩余的牺牲层背离衬底的一侧沉积金属薄膜，形成阴极结构的固定端和悬空端，固定端设置于绝缘层背离衬底的一侧，悬空端延伸至纳米沟道上方，且悬空端具有场发射尖端，场发射尖端在金属薄膜沉积形成悬空端的过程中自形成；通过刻蚀去除剩余的牺牲层，在悬空端与阳极层之间形成沟道间隙，得到纳米真空沟道二极管。通过采用悬臂梁结构的阴极结构设计，使固定端设置于绝缘层背离衬底的一侧以提供牢固的力学锚点，悬空端延伸至纳米沟道上方使阴极悬空部分与下方阳极层之间形成沟道间隙，同时沟道间隙是通过去除位于纳米沟道与悬空端之间的牺牲层而形成的，由于悬臂梁结构具有一端固定、另一端悬空的形态特征，其在牺牲层被去除后能够依靠固定端的锚定作用保持稳定的空间形态，避免了传统平面型结构中因缺乏有效力学支撑而导致的悬空部分塌陷问题，并且悬臂梁结构在力学上具有一定的柔顺性，能够在一定程度上缓解金属薄膜沉积过程中产生的残余应力，从而避免因应力集中导致的膜层开裂或界面剥离，进一步提高了器件在长期工作条件下的结构稳定性；悬空端具有的场发射尖端是在沉积形成悬空端的过程中自形成的，无需独立的尖端图形化或刻蚀加工，避免了后续加工引入的界面缺陷和应力集中，从而进一步保障了悬臂梁释放后形态的稳定性。因此，本申请提高了纳米真空沟道二极管的纳米间隙的稳定性。

1.一种纳米真空沟道二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述的纳米真空沟道二极管的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度与所述沟道间隙的宽度之间的比例≥（1:2）。

3.如权利要求1所述的纳米真空沟道二极管的制备方法，其特征在于，所述纳米沟道的宽度≥3 nm；

4.如权利要求1所述的纳米真空沟道二极管的制备方法，其特征在于，所述绝缘层包括二氧化硅和/或氧化铝；

5.如权利要求1所述的纳米真空沟道二极管的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜包括粘附层和导电层，所述在所述绝缘层和剩余的所述牺牲层背离所述衬底的一侧沉积金属薄膜，形成所述阴极结构的固定端和悬空端的步骤包括：

6.如权利要求1所述的纳米真空沟道二极管的制备方法，其特征在于，通过选择性刻蚀去除剩余的所述牺牲层，所述选择性刻蚀过程中对所述牺牲层与所述绝缘层的刻蚀选择比≥（100:1）。

7.一种纳米真空沟道二极管，其特征在于，通过如权利要求1至6中任一项所述的纳米真空沟道二极管的制备方法制得，所述纳米真空沟道二极管包括：

8.如权利要求7所述的纳米真空沟道二极管，其特征在于，所述阴极结构包括粘附层和导电层，其中，所述粘附层设置于所述导电层靠近所述绝缘层的一侧，所述导电层设置于所述粘附层背离所述绝缘层的一侧。

9.如权利要求7所述的纳米真空沟道二极管，其特征在于，所述悬臂梁结构包括十字形、一字型和米字型中的至少一种。

10.一种电子元器件，其特征在于，包含如权利要求1至6中任一项所述的纳米真空沟道二极管的制备方法制备的纳米真空沟道二极管，或如权利要求7至9中任一项所述的纳米真空沟道二极管。