CN118263071A - 真空三极管及其制作方法、电子器件及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种真空三极管及其制作方法、电子器件及电子设备，涉及三极管技术领域，提供了一种采用表面隧穿电子源(即发射体)的片上微型真空三极管。该真空三极管包括衬底以及设置在衬底上的第一绝缘层、第二绝缘层、驱动电极、栅极、收集电极。其中，第一绝缘层和第二绝缘层分布在衬底的表面，且第一绝缘层和第二绝缘层之间形成有真空沟道区。驱动电极设置于第一绝缘层表面、且靠近真空沟道区一侧的边缘区域。栅极和收集电极设置在第二绝缘层的表面。第一绝缘层在靠近真空沟道区的侧面具有表面隧穿电子源；表面隧穿电子源与驱动电极和衬底均电连接，且表面隧穿电子源与收集电极相对设置。

Description

真空三极管及其制作方法、电子器件及电子设备

技术领域

本申请涉及三极管技术领域，尤其涉及一种真空三极管及其制作方法、电子器件及电子设备。

背景技术

基于集成电路加工工艺的片上微型真空三极管，同时具备真空电子器件抗辐射、耐高温、电子传输速度快的优点和小型化、片上化、可集成等优点，有望成为突破固态器件“摩尔极限”的解决方案之一。

目前，绝大部分的片上微型真空三极管是基于场致电子发射(即场发射)，然而，现有的场发射片上微型真空三极管存在各种的弊端，如电子发射性能不稳定、均一性差、加工工艺难度高等。

发明内容

本申请提供一种真空三极管及其制作方法、电子器件及电子设备，提供了一种采用表面隧穿电子源(即发射体)的片上微型真空三极管。

本申请提供一种真空三极管，该真空三极管包括衬底以及设置在衬底上的第一绝缘层、第二绝缘层、驱动电极、栅极、收集电极。其中，第一绝缘层和第二绝缘层分布在衬底的表面，且第一绝缘层和第二绝缘层之间形成有真空沟道区。驱动电极设置于第一绝缘层表面、且靠近真空沟道区一侧的边缘区域。栅极和收集电极设置在第二绝缘层的表面。第一绝缘层在靠近真空沟道区的侧面具有表面隧穿电子源；表面隧穿电子源与驱动电极和衬底均电连接，且表面隧穿电子源与收集电极相对设置。也就是说，通过在同一衬底上设置表面隧穿电子源、收集电极和真空沟道区，并且表面隧穿电子源、收集电极分布在真空沟道区的两侧从而形成水平结构的真空三极管；衬底、表面隧穿电子源、驱动电极层叠设置，表面隧穿电子源在驱动电极和衬底的驱动下将电子由固体内部发射至真空沟道区后，并在收集电极的牵引作用下被收集电极捕获。

相比于现有技术中场发射片上微型真空三极管采用阴极尖端，会出现制作工艺要求高、器件性能不均一、良率低、发射性能不稳定等问题而言，本申请实施例提供的片上微型真空三极管采用表面隧穿电子源作为发射体，不存在尖端结构，可以采用常规的半导体加工工艺即可，具有加工工艺简单的优势，能够确保批量加工的真空三极管性能均一、良率高；另外，表面隧穿电子源的发射性能与电子发射体表面的几何结构无关，器件性能不会受到电子回轰的影响，可以在粗真空环境下工作(如10^-2Pa左右的粗真空环境即可满足工作要求)，具有电子发射性能稳定的优势。

在一些可能实现的方式中，第一绝缘层靠近真空沟道区的侧面的绝缘材料经阻变后形成表面隧穿电子源；也即通过驱动电极和衬底向第一绝缘层施压电压时，能够将位于第一绝缘层靠近真空沟道区的侧面中的绝缘材料进行软击穿发生阻变，形成导电丝，继续施加电压直至导电丝断开形成导体-绝缘体-导体结构的电子隧穿结作为表面隧穿电子源。

在一些可能实现的方式中，在靠近真空沟道区的一侧，第一绝缘层边缘与驱动电极的边缘平齐，从而在真空三极管的工作过程中能够降低对表面隧穿电子源的工作电压；当然，在制作真空三极管过程中，也可以降低形成表面隧穿电子源的驱动电压。

在一些可能实现的方式中，第一绝缘层和第二绝缘层的材料相同，且第二绝缘层的厚度大于第一绝缘层的厚度。

在一些可能实现的方式中，第一绝缘层的厚度在7nm～200nm的范围内，保证器件发射电子对应的驱动电压不会过高，同时避免因长时间工作而容易发生损坏。

在一些可能实现的方式中，第二绝缘层的厚度大于或等于300nm，以避免栅极与收集极在施加较高电压时下方的第二绝缘层被击穿。

在一些可能实现的方式中，栅极与驱动电极并列设置，且栅极位于收集电极靠近表面隧穿电子源的一侧；栅极、收集电极与驱动电极的延伸方向一致。

在一些可能实现的方式中，栅极包括第一栅极和第二栅极；第一栅极和第二栅极位于收集电极靠近所述表面隧穿电子源的一侧，且第一栅极和第二栅极的延伸方向与收集电极的延伸方向垂直。

在一些可能实现的方式中，驱动电极包括层叠设置的第一电极和第二电极，第二电极位于第一电极靠近第一绝缘层的一侧、且与第一绝缘层接触。第一电极、收集电极、驱动电极采用金属材料。第二电极采用石墨烯；从而避免了金属电极(第一电极)与第一绝缘层直接接触，而导致器件在工作过程金属电极会因焦耳热而熔化。

在一些可能实现的方式中，在靠近真空沟道区的一侧，第二电极的边缘凸出于第一电极的边缘，在靠近真空沟道区的区域，直接采用石墨烯来驱动表面隧穿电子源，以保证器件的稳定工作。

在一些可能实现的方式中，栅极、收集电极、驱动电极采用金属、石墨烯、碳纳米管材料中的一种或多种。

在一些可能实现的方式中，第一绝缘层中包括：氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化铌、氧化钼、氧化锡、氧化镧、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化钽、氮化硅、氮化铝、非晶碳中的一种或多种。

在一些可能实现的方式中，衬底中包括硅、锗、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼、金刚石、陶瓷、金属中的一种或多种。

在一些可能实现的方式中，真空三极管还包括散热部件；散热部件位于衬底远离第一绝缘层的一侧。

本申请实施例还提供一种真空三极管的制作方法，该制作方法包括：提供衬底。在衬底上形成水平分布的第一绝缘层和第二绝缘层，并在第一绝缘层的表面形成驱动电极，在第二绝缘层的表面形成栅极和收集电极；其中，第一绝缘层和第二绝缘层之间形成有真空沟道区。通过驱动电极和衬底向第一绝缘层施加电压，在第一绝缘层靠近真空沟道区的侧面形成表面隧穿电子源，且表面隧穿电子源与收集电极相对设置。

在一些可能实现的方式中，上述在衬底上形成水平分布的第一绝缘层和第二绝缘层，并在第一绝缘层的表面形成驱动电极，在第二绝缘层的表面形成栅极和收集电极；其中，第一绝缘层和第二绝缘层之间形成有真空沟道区，包括：在衬底上形成初始绝缘层，并对初始绝缘层中的第一区域进行减薄形成第一绝缘层，在第二区域形成第二绝缘层；其中，第二绝缘层的厚度大于第一绝缘层的厚度。在第一绝缘层的表面形成驱动电极，在第二绝缘层的表面形成栅极和收集电极。在位于驱动电极靠近栅极和收集电极一侧边缘位置，将一定区域内的初始绝缘层完全去除，形成真空沟道区。

在一些可能实现的方式中，在第一绝缘层的表面形成驱动电极，包括：采用石墨烯在第一绝缘层的表面形成第二电极，采用金属材料在第二电极表面形成第一电极；第一电极和第二电极形成驱动电极。

本申请实施例还提供一种电子器件，该电子器件包括控制器以及如前述任一种可能实现的方式中提供的真空三极管，真空三极管与控制器电连接。

本申请实施例还提供一种电子设备，该电路板以及如前述任一种可能实现的方式中提供的电子器件，电子器件与电路板电连接。

附图说明

图1为现有技术中提供的一种场发射型真空三极管的结构示意图；

图2为现有技术中提供的一种碳纳米管场发射型真空三极管的图片；

图3为本申请实施例提供的一种电子器件的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种真空三极管的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种真空三极管中的局部侧面示意图；

图6为本申请实施例提供的一种电子隧穿结的能带图；

图7为本申请实施例提供的一种真空三极管的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种真空三极管的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种真空三极管的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种真空三极管的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的一种真空三极管的制作流程图；

图12为本申请实施例提供的一种真空三极管的制作流程图；

图13为本申请实施例提供的一种真空三极管的制作过程示意图；

图14为本申请实施例提供的一种真空三极管的制作过程示意图；

图15为本申请实施例提供的一种石墨烯在转移过程中的电解原理图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“安装”、“连接”、“相连”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者一体地连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接，也可以是两个元件内部的连通。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

20世纪60年代，Spindt等人依靠微纳加工技术和真空薄膜工艺，发明了一种基于钼微尖锥的场发射电子源阵列。这种半导体产业兼容工艺制作的场发射阵列也被称为Spindt型场发射阵列(field emission array，FEA)，其基本结构如图1所示。该基本结构是在衬底-绝缘层-栅极三明治的结构中分布着微孔腔阵列，每个孔腔内包含一个微发射体(钼微针锥)，微针尖在栅极强电场的作用下发射出电子，并通过栅极电压能够调控发射电流大小。

基于钼微尖锥的Spindt型场发射阵列迈出了真空三极管小型化、微型化、片上化过程中重要的一步，拉开了真空微电子学研究的序幕。在场发射片上微型真空三极管方面，研究人员对阴极材料的选择、器件结构设计以及加工工艺优化展开大量的尝试和探索。例如，如图2所示，研究人员选用具有突出的电学性能和力学性能、超高的稳定性和长径比的碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)作为阴极电子发射材料，制备出了有栅极控制的Spindt型碳纳米管场发射阵列；尽管电子发射的开启电压明显降低，但是受限于碳纳米管阵列密度低，且碳纳米管材料制作工艺复杂、且生长不可控的影响，发射电流密度很低，器件均一性差，难以满足实际应用需求。

基于此，本申请实施例提供一种电子设备，该电子设备中包括印刷线路板(printed circuit board，PCB；也可以称为电路板)以及与电路板电连接的电子器件。其中，该电子器件采用了一个或多个新型的片上微型真空三极管(下文简称真空三极管)，该真空三极管采用表面隧穿电子源作为发射体(或者说发射极)，具有真空度要求低、加工工艺简单、均一性高、电子发射性能稳定等优势，具体结构可以参考下文的相关描述。

本申请对于上述电子设备的应用领域、场景、设置形式等均不作限制，实际中可以根据需要进行设置即可。示意的，上述电子设备可以是医用X射线设备、X射线无损检测设备、X射线荧光检测设备、杀菌消毒设备、真空测量和检漏设备、离子电推进设备、电子束检测和成像设备、质谱仪、高功率微波源、智能手机、电脑等。

当然，上述电子器件在包括一个或多个新型结构的真空三极管的同时，还可以设置有其他部件，本申请对此不做限制，实际中可以根据需要以及应用场景等进行相关的设置即可。

例如，如图3所示，在一些可能实现的方式中，电子器件01中还可以包括基座20，该基座20可以位于真空三极管10的底部。基座20上可以设置多个连接部件(如接线柱、引脚、针孔等)，真空三极管10中的电极(如驱动电极、栅极、收集电极等)可以通过多个连接部件与外部器件实现电连接。示意的，在一些实施例中，真空三极管10中的电极(如驱动电极、栅极、收集电极等)可以通过点焊的方式与基座20上的多个接线柱连接，从而实现该电子器件与外部器件之间的连接。

又例如，如图3所示，在一些可能实现的方式中，电子器件01中还可以包括真空封装装置30，该真空封装装置30可以设置在基座20上，真空三极管10位于真空封装装置30与基座20之间形成的真空腔体内，以满足真空三极管在工作时对环境真空度的要求，保证真空三极管的正常工作。示意的，在一些实施例中，真空封装装置30可以是采用玻璃、硅片等材质制作的封装罩，并且该真空封装装置30与基座20可以通过MEMS(micro-electro-mechanical system，微机电系统)工艺键合在一起。

又例如，如图3所示，在一些可能实现的方式中，电子器件01中还可以包括控制器40，控制器40可以通过基座20上的多个连接部件(如接线柱、引脚、针孔等)与真空三极管10连接，以实现对真空三极管10的控制，如维持真空三极管10收集电流的稳定性控制等。示意的，在一些实施例中，控制器40中可以设置有为真空三极管10中的电极(如驱动电极、栅极、收集电极等)提供驱动电压以及调控的电路模块，该电路模块可以包括电压输入端和若干个电压输出端，每个电压输出端通过连接线(如导线)与基座上的连接部件进行连接，从而实现对真空三极管各电极的电压驱动和调控，每个电压输出端输出的电压根据真空三极管工作需求得到反馈而即时变化，从而对各电极的电压进行调控，确保真空三极管的持续稳定工作。

以下对本申请实施例提供的新型结构的真空三极管的具体结构进行说明。

示意的，本申请实施例提供一种真空三极管10，如图4所示，该真空三极管10中包括衬底1以及设置于衬底1上的第一绝缘层21、第二绝缘层22。其中，第一绝缘层21和第二绝缘层22水平分布在衬底1的表面，且两者(21和22)之间形成有真空沟道区C，也就是说，第一绝缘层21和第二绝缘层22之间形成有间隔区，且该间隔区作为该真空三极管的真空沟道区C。

需要说明的是，上述第一绝缘层21和第二绝缘层22，可以是通过一次制作工艺采用同一薄膜通过刻蚀制作而成，也可以是采用不同的薄膜分两次制作工艺分别制作而成。当然，为了简化工艺，降低制作成本，在一些可能实现的方式中，第一绝缘层21和第二绝缘层22可以是采用同一薄膜通过刻蚀制作而成的，也即第一绝缘层21和第二绝缘层22采用相同的材料，以下实施例均是以此为例进行说明的。

在此基础上，如图4所示，该真空三极管10中还包括驱动电极3、栅极4、收集电极5。驱动电极3设置在第一绝缘层21的上表面、且靠近真空沟道区C一侧的边缘区域，如驱动电极3的边缘到第一绝缘层21的边缘之间的距离可以在10nm以内。栅极4和收集电极5设置在第二绝缘层22的上表面。

另外，图5为图4的真空三极管在真空沟道区C位置处的侧面示意图，参考图4和图5所示，在本申请实施例提供的真空三极管10中，在第一绝缘层21靠近真空沟道区C的侧面具有表面隧穿电子源202，该表面隧穿电子源202与驱动电极3和衬底1之间形成电连接；收集电极5与表面隧穿电子源202分布在真空沟道区C的两侧，并且收集电极5与表面隧穿电子源202相对设置，也即收集电极5位于表面隧穿电子源202的电子发射方向的位置，这样一来，在驱动电极3和衬底1的驱动下将电子由固体内部发射至真空沟道区C后，受收集电极5的牵引作用会向收集电极5运动并被收集电极5捕获。当给栅极4施加电压后，栅极4与收集电极5形成竞争关系，以对表面隧穿电子源的发射电流进行调控从而实现真空三极管的功能。

在本申请中，通过在同一衬底1上设置表面隧穿电子源202、收集电极5和真空沟道区C，并且表面隧穿电子源202、收集电极5分布在真空沟道区C的两侧从而形成水平结构的真空三极管；衬底1、表面隧穿电子源202、驱动电极3层叠设置，表面隧穿电子源202在驱动电极3和衬底1的驱动下能够将电子由固体内部发射至真空沟道区C后，并在收集电极5的牵引作用下被收集电极捕获。

相比于现有技术中场发射片上微型真空三极管采用阴极尖端，会出现制作工艺要求高、器件性能不均一、良率低、发射性能不稳定等问题而言，本申请实施例提供的片上微型真空三极管采用表面隧穿电子源202作为发射体，不存在尖端结构，可以采用常规的半导体加工工艺即可，具有加工工艺简单的优势，能够确保批量加工的真空三极管性能均一、良率高；另外，表面隧穿电子源202的发射性能与电子发射体表面的几何结构无关，器件性能不会受到电子回轰的影响，可以在粗真空环境下工作(如10^-2Pa左右的粗真空环境即可满足工作要求)，具有电子发射性能稳定的优势。

另外，本领域的技术人员可以理解的是，本申请的真空三极管通过将驱动电极3、栅极4与收集电极5集成在同一衬底1上，为后续器件的加工、封装、测试提供了便利。

以下结合真空三级管，对上述表面隧穿电子源202的设置进行具体的说明。

示意的，形成第一绝缘层21的绝缘材料可以为阻变材料，该阻变材料最初是电学绝缘的材料，在对其施加电压进行软击穿后，可以呈现阻变状态，从绝缘态到导电态再到高电阻状态的转变，从而具有电子发射能力；在完成阻变材料的激活后，形成导电细丝，阻变材料从绝缘状态形变为导电状态。在此情况下，通过驱动电极3和衬底1向第一绝缘层21施压电压时，能够将位于第一绝缘层21靠近真空沟道区的侧面中的绝缘材料进行软击穿后，在第一绝缘层21靠近真空沟道区C的侧面形成表面隧穿电子源202。

具体的，在通过驱动电极3和衬底1对第一绝缘层21施加电压时，如向驱动电极3施加一个正偏压(Vs)，将衬底1与接地端连接，驱动电极3和衬底1之间形成电场，第一绝缘层21在电场的作用下形成导电丝201，继续施加电压直至导电丝201断开形成表面隧穿电子源202，也即导电丝201断开后形成两个导体(a1、a2)以及位于两个导体(a1、a2)之间的绝缘体b，导体a1-绝缘体b-导体a2形成电子隧穿结作为表面隧穿电子源202。其中，导电细丝201的形状可以是任意形状，例如可以是四边形，也可以是其他不规则的形状，本申请对此不做限制。

对于电子隧穿结(a1-b-a2)而言，参考图6所示(图6为对应的电子隧穿结的能带图)，当对驱动电极3和衬底1施加电压时，具有较低电势的导体a2中电子通过隧穿过导体a2-绝缘体b界面的能量势垒进入绝缘体b，进入绝缘体b的电子在电场的驱动下加速运动，运动过程中遇到声子或绝缘体中的杂质发生散射。此时，当隧穿电子通过绝缘间隙后的能量高于导体a1的表面势垒，那么电子通过绝缘体b到达电势较高的导体a1时能够越过导体a1的表面势垒发射到真空(真空沟道区C)中，从而完成电子由固体内部到真空的发射过程。

一方面，形成第一绝缘层21的绝缘材料的选取范围较为广泛，如大部分的氧化物、氮化物等阻变材料，均可在满足第一绝缘层21的绝缘性要求的同时，能够在第一绝缘层21的侧面经阻变形成表面隧穿电子源202；另一方面，通过氧化物、氮化物等阻变材料制作第一绝缘层21，具有生长工艺成熟、材料均匀一性好等优势。

示意的，在一些可能实现的方式中，形成第一绝缘层21的绝缘材料(阻变材料)可以包括：氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化铌、氧化钼、氧化锡、氧化镧、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化钽、氮化硅、氮化铝、非晶碳中的一种或多种。

可以理解的是，第一绝缘层21表面的绝缘材料经阻变后形成表面隧穿电子源202时，会在表面生成新的导电材料，该导电材料和第一绝缘层21中的绝缘材料中包含同一化学元素的不同价态，也即相同的化学元素以不同的价态存在于导电材料和绝缘材料中，形成不同的阻值状态，呈现不同的导电性能。

示意的，以第一绝缘层21中的绝缘材料包括氧化硅为例，氧化硅阻变后生成硅(导电材料)；在此情况下，在真空三极管中位于第一绝缘层21(氧化硅层)上表面会形成有硅颗粒。

示意的，以第一绝缘层21中的绝缘材料包括氧化银为例，氧化银阻变后生成银(导电材料)；在此情况下，在真空三极管中位于第一绝缘层21(氧化银层)上表面会形成有银颗粒。

另外，由于第一绝缘层21上表面的绝缘材料阻变至导电物质的过程是一种电化学反应过程，该电化学反应过程对于第一绝缘层21的厚度具有一定的要求。为了保证第一绝缘层130能够在第一间隙m1的所在区域发生阻变形成表面隧穿电子源S，可以设置第一间隙m1的宽度在7nm-200nm范围内。

以第一绝缘层21采用氧化硅为例，氧化硅层的厚度在7nm-200nm范围内能够发生阻变。如果电子发射区域的氧化硅层(21)的厚度过厚，器件发射电子对应的驱动电压较高；如果电子发射区域的氧化硅层(21)的厚度过薄，器件很容易损坏，不利于长时间工作。例如，在一些可能实现的方式中，在第一绝缘层21采用氧化硅的情况下，可以设置第一绝缘层21的厚度在20nm～100nm的范围内，如50nm左右。

在此基础上，在第一绝缘层21和第二绝缘层22采用同一氧化硅层制作而成的情况下，为了避免栅极4与收集极5在施加较高电压时下方的氧化硅(22)被击穿，可以设置第二绝缘层22的厚度大于或等于300nm；也即第二绝缘层22的厚度会大于第一绝缘层21的厚度。

另外，在一些可能实现的方式中，如图4所示，在朝向真空沟道区C的一侧，可以设置第一绝缘层21的边缘与驱动电极3的边缘平齐，从而在真空三极管的工作过程中能够降低对表面隧穿电子源202的工作电压；当然，在制作真空三极管过程中，也可以降低形成表面隧穿电子源202的驱动电压。

本申请对于衬底1采用的材料不做限制，实际中可以根据需要进行选取。示意的，在一些可能实现的方式中，衬底1可以采用硅、锗、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼、金刚石、陶瓷、金属中的一种或多种。

为了加快真空三极管的散热、维持发射电流的稳定，如图7所示，在一些可能实现的方式中，在该真空三极管10中，可以在衬底1的下方(也即远离第一绝缘层21的一侧)设置散热部件6，如金属层等，也即散热部件6位于衬底1远离第一绝缘层21的一侧。示意的，在一些实施例中，散热部件6可以与衬底1通过MEMS工艺键合在一起，形成紧密接触，以保证衬底1和散热部件6之间良好的导热性，从而可以促使真空三极管产生的热量快速地通过散热部件6耗散，避免真空三极管工作时产生焦耳热的积累。

在此基础上，在一些可能实现的方式中，驱动电极3、栅极4与收集电极5可以采用金属材料、石墨烯、碳纳米材料等，本申请对此不做限制，实际中可以根据需要进行设置即可。

示意的，在一些可能实现的方式中，为了简化工艺，降低制作成本，驱动电极3、栅极4与收集电极5可以通过一次制作工艺加工而成，如驱动电极3、栅极4与收集电极5可以采用同一金属薄膜通过一次刻蚀工艺后形成；在此情况下，形成驱动电极3、栅极4与收集电极5的材料相同。例如，在一些实施例中，可以采用电子束曝光和电子束蒸发镀膜技术，通过一次工艺形成驱动电极3、栅极4与收集电极5；其中，驱动电极3、栅极4与收集电极5可以采用钛/金复合金属膜层(Ti/Au)。

在驱动电极3采用金属材质的情况下，器件在工作过程中驱动电极3中的金属可能会因焦耳热而熔化，从而使器件无法长时间稳定工作的问题，为了解决该问题，如图8所示，在一些可能实现的方式中，驱动电极3可以分为上电极31(也可以称为第一电极)和下电极32(也可以称为第二电极)，上电极31采用金属，下电极32可以采用石墨烯，下电极32位于上电极31的下方、且与第一绝缘层21的上表面接触。

由于石墨烯自身具有良好的热稳定性和机械稳定性，在绝氧的条件下能够承受2800K的高温同时还能够保持很好的导电特性，而且石墨烯抗拉强度和弹性模量分别是125GPa和1TPa，杨氏模量为42N/m，是普通钢材的100多倍。因此，通过设置石墨烯(32)与第一绝缘层21的表面直接接触，能够避免通过金属电极(31)直接向第一绝缘层21施加电压，而导致的器件性能不稳定的问题。

考虑到驱动电极3产生焦耳热的区域主要集中在靠近真空沟道区C一侧的电子发射区，因此，如图8所示，在一些可能实现的方式中，可以将采用石墨烯的下电极32作为驱动电极3的主体结构，下电极32在靠近真空沟道区C的一侧凸出于上电极31的边缘，上电极31可以采用面积较小的金属电极作为引出电极，并且上电极31相对于下电极32更远离真空沟道区C，只要保证通过上电极31与下电极32连接。

对于设置在第二绝缘层22的上表面的栅极4和收集电极5而言，只要保证收集电极5能够对位于真空沟道区C的电子的牵引及捕获即可，栅极4能够满足发射电流进行调控即可，本申请对此不做过多限制。

例如，如图7所示，在一些可能实现的方式中，栅极4、收集电极5与驱动电极3并列设置，且栅极4位于收集电极4靠近表面隧穿电子源202的一侧，栅极4、收集电极5与驱动电极3的延伸方向基本一致。

又例如，如图9所示，在一些可能实现的方式中，真空三级管的栅极可以包括第一栅极41和第二栅极42，收集电极5与驱动电极3并列设置，且收集电极5与驱动电极3的延伸方向基本一致，第一栅极41和第二栅极42位于收集电极5靠近表面隧穿电子源202的一侧，且第一栅极41和第二栅极42的延伸方向与收集电极5的延伸方向垂直或者近似垂直。

当然，根据实际的应用需求，可以对栅极4、收集电极5与驱动电极3的形状进行具体设置，本申请对此不做限制。

例如，在一些可能实现的方式中，为了提高实际应用中真空三极管的发射电流，如图10所示，真空三极管中的驱动电极3具有多个驱动子电极U(不限于图10中的3个)，每一个驱动子电极U与第一绝缘层21之间均会形成表面隧穿电子源202，从而能够增大真空三极管的发射电流。

另外，本申请还提供一种如前述实施例中提供的真空三极管的制作方法，如图11所示，该制作方法可以包括：

步骤10、参考图4所示，提供衬底1。

示意的，上述衬底1可以采用采用硅、锗、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼、金刚石、陶瓷、金属等材料的衬底。

步骤20、参考图4所示，在衬底1上形成水平分布的第一绝缘层21和第二绝缘层22，并在第一绝缘层21的表面形成驱动电极3，在第二绝缘层22的表面形成栅极4和收集电极5；其中，在第一绝缘层21和第二绝缘层22之间形成有真空沟道区C。

示意的，在一些可能实现的方式中，如图12所示，上述步骤20可以包括：

步骤201：参考图13中(a)、(b)所示，在衬底1上形成初始绝缘层20，并对初始绝缘层20中的第一区域进行减薄形成第一绝缘层21，在第二区域形成第二绝缘层22；其中，第二绝缘层22的厚度大于第一绝缘层21的厚度。

示意的，在一些实施例中，上述步骤201可以包括：在衬底1上形成氧化硅层(20)，并对氧化硅层(20)中的第一区域进行减薄形成第一绝缘层21，未减薄(或者适当减薄)的第二区域形成第二绝缘层22，保证第二区域的氧化硅层(22)的厚度大于第一区域的氧化硅层(21)的厚度；如第二区域的氧化硅层(22)的厚度可以在300nm以上，第一区域的氧化硅层(21)的厚度在50nm左右。

对氧化硅层(20)中的第一区域进行减薄而言，在一些可能实现的方式中，可以采用电子束曝光技术(electron beam lithography，EBL)选定衬底表面的第一区域，结合氢氟酸湿法腐蚀和反应离子干法刻蚀(reactive ion etching，RIE)的方法将衬底1表面的氧化硅减薄至50nm。

当然，作为另一种可能实现的方式中，上述步骤201可以包括：在衬底1上分两次制作工艺分别形成第一绝缘层21和第二绝缘层22。例如，可以在衬底1上形成厚度较大(如300nm)的氧化硅层(20)，然后采用电子束曝光技术(EBL)选定衬底表面的第一区域，结合氢氟酸湿法腐蚀和反应离子干法刻蚀(RIE)将第一区域的氧化硅完全去除，在第一区域以外的区域形成第二绝缘层22；然后采用PECVD(plasma enhanced chemical vapordeposition,等离子体增强化学的气相沉积)工艺，在第一区域重新生长厚度较小(如50nm)的氧化硅层形成第一绝缘层21。

步骤202：参考图13中(c)所示，在第一绝缘层21的表面形成驱动电极3，在第二绝缘层22的表面形成栅极4和收集电极5。

示意的，在一些可能实现的方式中，上述步骤202可以包括：先在第一绝缘层21的表面涂覆光刻胶层，然后采用电子束曝光技术对光刻胶层曝光，经显影、定影等形成光刻图案；然后采用电子束蒸发镀膜技术进行金属生长，如生长Ti/Au复合金属层(相应厚度为10nm/150nm)，从而在第一绝缘层21的表面形成驱动电极3，在第二绝缘层22的表面形成栅极4和收集电极5。

步骤203：参考图13中(d)所示，在位于驱动电极3靠近栅极4和收集电极5一侧的边缘位置，将一定区域内的初始绝缘层20完全去除形成真空沟道区C。

示意的，在一些可能实现的方式中，上述步骤203可以包括：结合电子束曝光技术(EBL)和反应离子刻蚀技术(RIE)，在位于驱动电极3靠近栅极4和收集电极5一侧的边缘位置，将一定区域内剩余的初始绝缘层20(如氧化硅)刻蚀完全，将衬底1裸露出来，形成真空沟道区C。

步骤30、参考图5所示，通过驱动电极3和衬底1向第一绝缘层21施加电压，在第一绝缘层21靠近真空沟道区C的侧面形成表面隧穿电子源202。

示意的，在一些可能实现的方式中，可以向驱动电极3施加一个正偏压(Vs)，将衬底1与接地端连接，驱动电极3和衬底1之间形成电场，第一绝缘层21表面的氧化硅发生电化学反应阻变为硅颗粒，当驱动电极3和衬底1之间由硅颗粒相连导通后，导电丝形成；继续施加电压直至导电丝201断开形成导体-绝缘体-导体电子隧穿结，也即形成表面隧穿电子源202。

在另一些可能实现的方式中，对于图8中示意的真空三级管，驱动电极3分为上电极31和下电极32，上电极31采用金属，下电极32采用石墨烯；在此情况下，该真空三极管的制作方法可以包括：参考14中(a)所示，在通过步骤201完成第一绝缘层21和第二绝缘层22的制作后，可以将生长在铜箔上的石墨烯层300转移到绝缘层(21、22)表面。然后，参考14中(b)所示，采用电子束曝光技术(EBL)和反应离子刻蚀技术(RIE)去除多余的石墨烯，仅留下部分石墨烯作为驱动电极3的下电极32。接下来，参考14中(c)所示，采用电子束曝光技术和电子束蒸发镀膜技术形成驱动电极3的上电极31、栅极4和收集电极5。接下来，参考14中(d)所示，结合电子束曝光技术(EBL)和反应离子刻蚀技术(RIE)，在位于驱动电极3靠近栅极4和收集电极5一侧的边缘位置，将一定区域内剩余的初始绝缘层20(如氧化硅)刻蚀完全，将衬底1裸露出来，形成真空沟道区C。其他制作过程可以对应参考前文的相关描述，此处不在赘述。

本申请对于上述石墨烯层的转移方式不做限制，实际中可以根据需要进行选择即可。

示意的，在一些可能实现的方式中，可以采用电解法转移石墨烯，具体操作如下：

(1)将表面生长有石墨烯的铜箔剪成所需要的尺寸大小(如1cm×1cm大小)，采用电子束匀胶机在1000r/s的转速下旋涂电子束胶PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethylmethacrylate)，在170℃温度下加热5min使PMMA固化以达到支撑石墨烯薄膜的目的。

(2)将表面附着有石墨烯-PMMA电子束胶的铜箔作为阴极，铂金片作为阳极，在1M浓度的氢氧化钠溶液中施加2V左右的电压电解。

(3)通过电化学反应(其本质是电解水)，在阴极(石墨烯和铜箔的界面之间)产生氢气(H₂)，阳极铂金表面产生氧气(O₂)，随着电解的进行，气泡产生的张力使得石墨烯-PMMA薄膜逐渐从铜箔表面剥离，最后漂浮在电解溶液表面，电解原理图如图15所示。

(4)在去离子水中多次漂洗，洗净石墨烯-PMMA薄膜表面的氢氧化钠残液，同时使用氧等离子体处理衬底，使其表面亲水。

(5)将漂洗干净的石墨烯-PMMA薄膜转移到预备的衬底上(如硅片)，在空气中静置12个小时以自然烘干石墨烯-PMMA薄膜的水分，然后在170℃下加热10min，这样能够有效地消除石墨烯-PMMA薄膜褶皱，使得石墨烯和衬底之间贴合得更牢。

(6)将已经转移石墨烯-PMMA薄膜的衬底置于丙酮中12小时，去除石墨烯表面的PMMA，再用乙醇或者异丙醇中去除丙酮，用氮气枪吹干乙醇残液，即可完成石墨烯的转移。

其中在第(5)和第(6)步之间，即在使用丙酮去除PMMA之前，可以在第一层PMMA表面再次旋涂一层PMMA并静置2小时，这样新旋涂的PMMA能够更好地溶解先前固化的PMMA层，有利于石墨烯表面应力的释放，能够有效地减小石墨烯的破损和褶皱。

应理解的是，在本申请的实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

另外，对于上述制作方法中其他的相关内容，可以对应的参考前述真空三极管结构实施例中的对应部分，此处不再赘述；对于前述真空三极管结构实施例中的其他设置结构，如散热部件6，可以参考上述制作方法以及相关制作方法进行调整，此处不再一一赘述。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种真空三极管，其特征在于，包括：

衬底：

第一绝缘层、第二绝缘层；其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层分布在所述衬底的表面，且所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间形成有真空沟道区；

驱动电极；所述驱动电极设置于所述第一绝缘层表面；

栅极、收集电极；所述栅极和所述收集电极设置在所述第二绝缘层的表面；

其中，所述第一绝缘层在靠近所述真空沟道区的侧面具有表面隧穿电子源；所述表面隧穿电子源与所述驱动电极和所述衬底均电连接，且所述表面隧穿电子源与所述收集电极相对设置。

2.根据权利要求1所述的真空三极管，其特征在于，

所述第一绝缘层靠近所述真空沟道区的侧面的绝缘材料经阻变后形成所述表面隧穿电子源。

3.根据权利要求1或2所述的真空三极管，其特征在于，

在靠近所述真空沟道区的一侧，所述第一绝缘层边缘与所述驱动电极的边缘平齐。

4.根据权利要求1-3任一项所述的真空三极管，其特征在于，

所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的材料相同，且所述第二绝缘层的厚度大于所述第一绝缘层的厚度。

5.根据权利要求4所述的真空三极管，其特征在于，

所述第一绝缘层的厚度在7nm～200nm的范围内；

所述第二绝缘层的厚度大于或等于300nm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的真空三极管，其特征在于，

所述栅极和所述收集电极并列设置，且所述栅极位于所述收集电极靠近所述表面隧穿电子源的一侧；

所述栅极、所述收集电极与所述驱动电极的延伸方向一致。

7.根据权利要求1-5任一项所述的真空三极管，其特征在于，

所述栅极包括第一栅极和第二栅极；

所述第一栅极和所述第二栅极位于所述收集电极靠近所述表面隧穿电子源的一侧；

所述收集电极与所述驱动电极的延伸方向一致，所述第一栅极和所述第二栅极的延伸方向与所述收集电极的延伸方向垂直。

8.根据权利要求1-7任一项所述的真空三极管，其特征在于，

所述驱动电极包括层叠设置的第一电极和第二电极，所述第二电极位于所述第一电极靠近所述第一绝缘层的一侧、且与所述第一绝缘层接触；

所述第一电极、所述收集电极、所述驱动电极采用金属材料；

所述第二电极采用石墨烯。

9.根据权利要求8所述的真空三极管，其特征在于，

在靠近所述真空沟道区的一侧，所述第二电极的边缘凸出于所述第一电极的边缘。

10.根据权利要求1-9任一项所述的真空三极管，其特征在于，

所述栅极、所述收集电极、所述驱动电极采用金属、石墨烯、碳纳米管材料中的一种或多种。

11.根据权利要求1-10任一项所述的真空三极管，其特征在于，所述第一绝缘层中包括：氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌、氧化锗、氧化钇、氧化锆、氧化铌、氧化钼、氧化锡、氧化镧、氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化钽、氮化硅、氮化铝、非晶碳中的一种或多种。

12.根据权利要求1-11任一项所述的真空三极管，其特征在于，

所述衬底中包括硅、锗、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼、金刚石、陶瓷、金属中的一种或多种。

13.根据权利要求1-12任一项所述的真空三极管，其特征在于，

所述真空三极管还包括散热部件；所述散热部件位于所述衬底远离所述第一绝缘层的一侧。

14.一种真空三极管的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成水平分布的第一绝缘层和第二绝缘层，并在所述第一绝缘层的表面形成驱动电极，在所述第二绝缘层的表面形成栅极和收集电极；其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间形成有真空沟道区；

通过所述驱动电极和所述衬底向所述第一绝缘层施加电压，在所述第一绝缘层靠近所述真空沟道区的侧面形成表面隧穿电子源，且所述表面隧穿电子源与所述收集电极相对设置。

15.根据权利要求14所述的真空三极管的制作方法，其特征在于，

所述在所述衬底上形成水平分布的第一绝缘层和第二绝缘层，并在所述第一绝缘层的表面形成驱动电极，在所述第二绝缘层的表面形成栅极和收集电极；其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间形成有真空沟道区，包括：

在所述衬底上形成初始绝缘层，并对所述初始绝缘层中的第一区域进行减薄形成所述第一绝缘层，在第二区域形成所述第二绝缘层；其中，所述第二绝缘层的厚度大于所述第一绝缘层的厚度；

在所述第一绝缘层的表面形成所述驱动电极，在所述第二绝缘层的表面形成所述栅极和所述收集电极；

在位于所述驱动电极靠近所述栅极和所述收集电极一侧边缘位置，将一定区域内的所述初始绝缘层完全去除，形成所述真空沟道区。

16.根据权利要求14所述的真空三极管的制作方法，其特征在于，

所述在所述第一绝缘层的表面形成驱动电极，包括：

采用石墨烯在所述第一绝缘层的表面形成第二电极，采用金属材料在所述第二电极表面形成第一电极；所述第一电极和所述第二电极形成所述驱动电极。

17.一种电子器件，其特征在于，包括控制器以及如权利要求1-13任一项所述的真空三极管，所述真空三极管与所述控制器电连接。

18.一种电子设备，其特征在于，电路板以及如权利要求17所述的电子器件，所述电子器件与所述电路板电连接。