[发明专利]具有环栅式阴极的纳米真空间隙器件

说明书

一种半导体功率处理器件，包括阴极柱、围绕阴极柱的栅极、以及与阴极柱间隔一纳米真空间隙的阳极。一种半导体功率处理器件阵列，每个器件包括阴极柱、围绕阴极柱的栅极、以及与阴极柱间隔一纳米真空间隙的阳极。多个半导体功率处理器件可以按行和列排列，并且可以互相连接以满足不同应用的需求。该半导体功率处理器件阵列可以在单一块衬底上制造。

本申请涉及并要求2015年4月14日提交的美国临时专利申请系列号62/147,284的优先权和权益，其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本申请的技术涉及纳米真空间隙功率开关半导体器件，尤其涉及一种通过环栅式阴极设计和纳米级真空间隙设计来提高频率范围、降低噪音并增强功率处理能力的器件。

背景技术

已知的真空间隙功率处理器件包括阴极、与阴极隔开的阳极、以及与阴极和阳极连接的控制电极（通常称为栅极）。通常而言，阴极为尖形结构，当受到足够强度的电场时，电子从尖形处发射出去；阳极提供所需的电场；控制电极控制电子从阴极到阳极的流动。

本领域技术人员可以明白的是，一些真空间隙器件可以在室温下工作，其阴极被称为“冷阴极”。而本申请的真空间隙器件与工作温度的关系不大。在本申请中，术语“阴极”确定为包括在室温和其他工作温度下运行的器件。术语“冷阴极”和“阴极”在本申请中可互换使用。

在一示例中，真空功率开关使用碳纳米管作为电子阴极。这种真空功率开关包括阴极、阳极、以及阴极和阳极之间的电流开关栅极。其中，阴极包括朝向阳极延伸的一组排列的碳纳米管。阳极是与碳纳米管冷阴极相对组装的板。控制电极装配为冷电极和阳极之间的格栅。在该示例中，格栅或栅极到阴极的距离相对较大，需要大的栅极偏置来实现所需的电场。

在另一示例中，功率开关器件为使用一组尖端的场发射式器件。这种器件包括发射体电极、阳极电极、锥形发射体和栅极[控制]电极组成。在发射体电极和阳极电极之间施加高电压时，发射体发射电子，从而主电流流动。通过向栅极提供控制信号，来控制主电流。由于栅极和阳极的距离相对较大，因此该示例需要相对大的偏置。

第三个示例是有关一种微功率开关，其使用具有尖端结构的阴极，以及控制电子流动的驱动方法。第三个示例的微功率开关包括：用于发射电子的冷阴极；用于捕获从冷阴极发射的电子的阳极；以及用于控制从冷阴极发射出的电子数量的控制电极。制成冷阴极的材料的电子发射势垒比控制电极的要小。施加于阳极的电位相对于冷阴极为正，施加于控制电极的电位等于或小于冷阴极的电位。此时，冷阴极停止发射电子。由于冷阴极到控制电极的距离相对较大，因此该示例也需要较大的偏置电压。

行业亟需一种基于半导体的真空间隙功率开关以高效发射电子，并能工作于高频、高效率及低噪音，而无需设置大的栅极偏置。本申请填补了这一关键需求。

发明内容

与现有技术不同的是，根据本申请的技术，真空间隙器件使用能够工作于较低电压的环栅式阴极，以及能够工作于低噪音及高频的纳米级真空间隙通道。如果间隙小于周围环境中的电子平均自由程，则器件不需要低压或真空条件，就能使器件成功运行。

根据本文教导的原理，功率处理器件包括阴极柱、围绕阴极柱的栅极、以及与阴极柱间隔一纳米真空间隙的阳极。阴极为环栅式结构，具有金属/电介质/半导体特征、或者金属/电介质/金属特征、或者类似纳米柱特征。

使用这种环栅式结构，使栅极更靠近阴极，从而可提供大的局部电场，而不需要相对大的栅极偏置电压。在硅内部使用纳米真空间隙结构增加了局部电场，从而可实现高效率的电子发射。