一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管及制备方法

本发明涉及一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管及制备方法，属于集成真空电子器件。

背景技术：

1、目前固态器件的尺寸已接近物理极限，越来越难满足摩尔定律，而真空器件以其不存在晶格散射和载流子迁徙上限重新具备了很强的研究价值。自纳米真空沟道这一概念被提出以来，研究者们利用微纳加工技术制备了亚100纳米级的真空沟道，验证了器件可在大气条件下正常工作，证实了器件在高温和辐照条件下的可靠性，并表现出未来可集成化的潜力。

2、纳米真空沟道器件由于其结构特性在高频、响应速度上均有良好的表现。然而，目前的研究主要是通过优化器件结构（比如缩短真空沟道）和优化发射体材料（从金属、硅拓展到石墨烯、纳米线等）来降低工作电压、提高输出电流和工作稳定性，在器件的集成化、具体应用方面还没有明显进展。虽然少量报道通过仿真模拟软件来探索器件未来的可能应用方向，但是其都存在着性能不佳或者工艺难以实现的问题。

3、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管及制备方法，使用了钙钛矿纳米线作为发射材料，可以有效提升发射电流密度，弥补现有场发射器件的劣势。此外，电子在真空沟道中运动，能够缓解甚至避免太空辐射带来的影响的，具有耐高温、抗辐照的特性。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、一方面，本发明公开了一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，包括自下往上依次连接的第一绝缘层、发射极、中间层和收集极，

4、所述中间层包括自下往上依次连接的第二绝缘层、第一栅极和第三绝缘层；

5、所述中间层上设有通孔结构，以使得所述发射极、中间层和收集极之间形成一个真空沟道，且所述发射极上设置有钙钛矿纳米线。

6、进一步的，所述第一栅极包括单孔栅极，和/或网形栅极。

7、进一步的，所述中间层还包括自下往上依次连接的第二栅极和第四绝缘层，所述第二栅极设置于第三绝缘层上；

8、所述发射极、第一栅极、第二栅极和收集极均设有连接外部电路导线的连接点；

9、所述发射极、第一栅极、第二栅极和收集极的材质为功函数小于6的金属。

10、进一步的，所述真空沟道的宽度为50~100nm。

11、进一步的，所述第二绝缘层的厚度为5~10nm，所述第三绝缘层的厚度为20~50nm。

12、进一步的，所述钙钛矿纳米线包括cspbx3钙钛矿纳米线，其中，x为碘i、溴br、氯cl、氯溴化合物brycl3-y、碘溴化合物bryi3-y、氯碘化合物iycl3-y中的任意一种组成；

13、所述钙钛矿纳米线的直径为50nm～100nm，长度为100nm～500nm。

14、第二方面，本发明公开了一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管的制备方法，包括如下步骤：

15、在预处理后的硅衬底的抛光面上，基于磁控溅射沉积第一绝缘层，得到第一组合物，所述第一组合物包括第一绝缘层和硅衬底；

16、在所述第一组合物上，基于化学气相沉积或者电子束蒸镀制备金属薄膜作为发射极，得到第二组合物；

17、基于电子束光刻的方法，在所述发射极表面制备与钙钛矿纳米线配合的空隙；

18、基于溶液法在所述空隙处生成钙钛矿纳米线，得到第三组合物；

19、在所述第三组合物上，基于电子束光刻的方法，以及化学气相沉积或者电子束蒸镀沉积得到带有通孔结构的中间层，得到第四组合物；其中，第四组合物包括中间层和第三组合物，中间层包括自下往上依次连接的第二绝缘层、第一栅极和第三绝缘层；

20、基于电子束蒸镀法制备金属薄膜作为收集极；将所述收集极和第四组合物键合，并依次进行退火、剥离操作得到钙钛矿基纳米空气沟道晶体管的样品。

21、进一步的，所述钙钛矿纳米线的生成方法如下：

22、将无机铅化合物溶于dmf溶剂中，搅拌的同时逐滴加入第一乙酸乙酯溶液，滴加结束后，在室温下静置至溶液分层，收集上层，得到含有无机铅化合物的第一悬浮液；

23、向所述含有无机铅化合物的悬浮液中搅拌加入含有铯盐的第二乙酸乙酯溶液，静置至溶液分层，收集上层，得到第二悬浮液；

24、将所述第二悬浮液分散至甲苯中，得到初始纳米线；

25、将所述初始纳米线滴入所述发射极表面的空隙处，并采用外延工艺在所述空隙内定位生成钙钛矿纳米线。

26、进一步的，所述无机铅化合物包括pbx2无机铅化合物，其中，x为溴br、碘i、氯cl中的任意一种；

27、所述pbx2无机铅化合物、dmf溶剂和第一乙酸乙酯溶液的用量比为0.1～1 mmol:1～10 ml: 10～20ml；

28、所述第一乙酸乙酯溶液的的滴加速度为1～10 ml/min。

29、进一步的，所述第二乙酸乙酯溶液中的铯盐包括溴化铯、碘化铯或氯化铯；

30、所述第二乙酸乙酯溶液中的铯盐的浓度为0.01～1 mmol/ml；

31、所述第二乙酸乙酯溶液中的滴加速度为1～10 ml/min。

32、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

33、本发明的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，使用了钙钛矿纳米线作为发射材料，可以有效提升发射电流密度，弥补现有场发射器件的劣势。此外，电子在真空沟道中运动，能够缓解甚至避免太空辐射带来的影响的，具有耐高温、抗辐照的特性。

34、本发明的真空沟道宽度小于大气下的电子的平均自由程，载流子可在其中做弹道输运，因此器件可在不完全的真空环境下工作。此外，由于载流子在真空中的运输速度相比固态器件输运速度更快，因此其输运时间短，在高频环境下有着良好的表现，在高频领域有着良好的应用前景。

35、本发明结合了真空电子器件和半导体固体器件的优点，将晶体管器件的尺寸压缩到了纳米级别，在微纳加工工艺以及大规模集成电路中具有很高的应用潜力。本发明的栅极距离发射极距离在10 nm以下，在这种距离下场发射效果会更显著，因此降低了开启电压，阳极电压和栅极电压在5v即可工作，且提高了发射极的场发射电流，具有工作电压低、电流密度大的特点。

36、同时本发明中结构简单，在保持性能的同时，减少了工艺步骤，大大降低了制备难度。

技术特征：

1.一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，其特征是，包括自下往上依次连接的第一绝缘层（5）、发射极（1）、中间层和收集极（3），

2.根据权利要求1所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，其特征是，所述第一栅极（2）包括单孔栅极，和/或网形栅极。

3.根据权利要求1所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，其特征是，所述中间层还包括自下往上依次连接的第二栅极（9）和第四绝缘层（10），所述第二栅极（9）设置于第三绝缘层（7）上；

4.根据权利要求1所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，其特征是，所述真空沟道（8）的宽度为50~100nm。

5.根据权利要求1所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，其特征是，所述第二绝缘层（6）的厚度为5~10nm，所述第三绝缘层（7）的厚度为20~50nm。

6.根据权利要求1所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管，其特征是，所述钙钛矿纳米线（4）包括cspbx3钙钛矿纳米线，其中，x为碘i、溴br、氯cl、氯溴化合物brycl3-y、碘溴化合物bryi3-y、氯碘化合物iycl3-y中的任意一种组成；

7.一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管的制备方法，其特征是，所述钙钛矿纳米线（4）的生成方法如下：

9.根据权利要求7所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管的制备方法，其特征是，所述无机铅化合物包括pbx2无机铅化合物，其中，x为溴br、碘i、氯cl中的任意一种；

10.根据权利要求7所述的垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管的制备方法，其特征是，所述第二乙酸乙酯溶液中的铯盐包括溴化铯、碘化铯或氯化铯；

技术总结
本发明公开了一种垂直结构的钙钛矿基纳米空气沟道晶体管及制备方法，包括自下往上依次连接的第一绝缘层、发射极、中间层和收集极，中间层包括自下往上依次连接的第二绝缘层、第一栅极和第三绝缘层；中间层上设有通孔结构，以使得所述发射极、中间层和收集极之间形成一个真空沟道，且发射极上设置有钙钛矿纳米线。本发明使用了钙钛矿纳米线作为发射材料，可以有效提升发射电流密度，弥补现有场发射器件的劣势。此外，电子在真空沟道中运动，能够缓解甚至避免太空辐射带来的影响的，具有耐高温、抗辐照的特性。

技术研发人员：林从远,徐季,高正浩,潘江涌,汪敏霞,魏世宗
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16