Page 13 - 《真空与低温》2025年第3期

284 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

I

收集极
欧姆金属
Ti/Al/Ni/Au Cr/Au 收集极
SiN X
AlGaN
隔离区
GaN SiN x ~45 nm Cr/Au
HR GaN SiO 2 AlGaN/GaN
发射极
Si 基底
S4800 3.0 kV 9.2 mm ×100k SE（M） 500 nm
（b）器件SEM 图像
（a）器件结构示意图
10 5
40 I-V SiO 2 腐蚀前
I-V SiO 2 腐蚀后
10 3
30
电流/nA 20 电流/nA 10 斜率 1.0

10 −1
10
0 斜率 1.0
10 −3
−4 −2 0 2 4 10 1 0.1 0.1 1 10
电压/V 电压/V
（c）线性坐标中器件的 I-V 特性曲线 （d）对数坐标中器件的 I-V 特性曲线

图 8 AlGaN/GaN 异质结纳米空气沟道二极管
Fig. 8 AlGaN/GaN heterojunction nano-air channel diodes

SiC 材料的优异导热性和稳定性可有效降低 SEM 图如图 10（a）所示。该器件通过栅极实现了电
发射极在高电流条件下的钝化或性能不稳定问题， 流的精确调制，展现了典型的晶体管特性，包括明
从而确保了器件在高温等极端环境中的可靠性。 显的截止区、线性区和饱和区。除了平面结构，研究
Han 等 [33] 使 用 传 统 集 成 电 路 工 艺 ， 在 150 mm 的 者们还报道了垂直结构的金刚石阵列阴极。此外，
SiC 衬底上成功制备了垂直结构环绕栅纳米空气 Kang 等 [37] 对纳米金刚石平面微米真空沟道二极管
沟道晶体管。这一技术为该类型晶体管的大规模 进行了总剂量测试，器件沟道长度小于 10 μm，其
生产提供了一种晶圆级工艺方案，并证实了 SiC 基 SEM 图如图 10（b）所示。该器件在常温 27 ℃ 至高
器件的寿命优于 Si 基器件。 温 200 ℃ 内均能稳定运行，并且在经受 15 Mrad 的
Ga 2 O 3 作为一种新兴的超宽禁带（约 4.8 eV）半 总剂量辐照后，未观察到器件响应的显著变化。
导体材料，凭借其高击穿电场（约 8 MV/cm）的优势， Hsu 等 [38] 采用模具转移微细加工技术，成功制备了
在电力电子领域展现出巨大的应用潜力。Tang 等 [34] 具有自对准栅极的垂直结构微米真空沟道晶体管，
报道了基于单根 β-Ga 2 O 3 纳米线的纳米空气沟道二 其 SEM 图像如图 10（c）所示。该器件表现出栅极
极管，具有 50 nm 空气沟道的器件结构，如图 9 所 控制的发射电流，并具有良好的信号放大特性。在
示。该器件在室温常压下展现了优异的场发射性 此基础上，他们进一步开发并实现了基于阵列阴极
能，包括极高的电流密度、超过 2 300 的增强因子 的基本放大器和差分放大器，分别实现了 33 dB [39]
及 0.46 V 的低开启电压。此外，该器件的输出电流 [38]
和 54.6 dB 的电压增益，如图 10（d）与图 10（e）所示。
5
−3
在 10 ～10 Pa（大气压）的 8 个数量级气压范围内
3 微纳空气沟道晶体管的关键技术分析
保持稳定。
金刚石因其低电子亲和势、高导热性、化学稳 上述报道中，根据电子在空气沟道中输运方向
定性和优异的机械硬度，也被认为是一种理想的场 的不同，微纳空气沟道晶体管的结构可分为平面结
发射阴极材料 。Subramanian 等 [36] 报道了一种基 构和垂直结构两大构型。本节将依据这两类的结
[35]
于纳米晶金刚石平面微米空气沟道晶体管，器件的 构，就其中的关键技术等进行简要阐述。