Page 15 - 《真空与低温》2025年第3期

286 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

用领域具有价值。 器件制备。尽管 FIB 与 EBL 技术能够提供高精度
平面结构的微纳空气沟道晶体管根据电极形 和良好的制备可重复性，但其高制备成本和非批量
貌主要分为三种典型构型：尖端对尖端、尖端对平 化生产的局限性，限制了这两种技术的广泛应用。
面、平面对平面。尖端对尖端构型能够在阴极尖 尖端对平面构型的器件由于其结构的非对称
端聚集强电场，从而具备较大的场增强因子。其制 性，在两个电极表面产生电场差异，因此这类器件
备过程要求高精度的加工技术，包括纳米光刻、 通常展现出整流特性。制备尖端对平面构型的器
[42]
FIB 和 EBL 等。Han 等利用纳米光刻结合光刻胶 件同样要求高精度的加工技术，例如 FIB [41] 与 EBL ，
灰化技术，成功制备了沟道长度分别为 150 nm [17] 相应器件 SEM 图像分别如图 11（a）与图 11（b）所示。
和 100 nm [22] 的尖端对尖端构型。光刻胶灰化技术 除了上述技术，一些研究者还开发了新技术以制备尖
使得沟道长度缩小，突破传统光刻技术的分辨率限 端对平面构型。Li 等 [43] 通过纳米球光刻技术，成功
制。然而，为了进一步减小沟道长度，仍有必要提升 制备了沟道长度仅为 6.88 nm 的金属基纳米空气沟道
[6]
光刻设备的分辨率。Fan 等 采用 FIB 技术，制得了 二极管（图 11（c））。该器件展现出超过 10 的整流比
6
沟道长度仅为 5 nm 的金属基尖端对尖端构型。Chang 和低于 5 ns 的超快电学响应速度，但如何保证大面积
等 [40] 则通过 EBL 技术，完成了沟道长度为 30 nm 的 条件下纳米球光刻的一致性仍然是需要突破的难点。

6.88 nm

1 μm 300 nm 300 nm
（a）FIB 技术 （b）EBL 工艺 （c）纳米球光刻技术

图 11 平面结构微纳空气沟道晶体管的尖端对平面构型
Fig. 11 Tip-to-edge configuration of planar-structured micro-nano air channel transistors

平面对平面构型无法像前两种构型那样在尖 来实现，且具有更大的场发射面积，能够提供更高
端处聚集强电场，但可以采用阵列结构增加输出电 的输出电流，达到微安至毫安量级。然而，较大的
流。Xu 等 [44] 利用 EBL 和 FIB 技术的精确控制，成 场发射面积同时导致较高的电容，这可能会限制其
功研制了高质量且稳定的金基纳米间隙阵列器件 在高频应用领域的发展。
（图 12（a）～（c）），其沟道长度为 10～30 nm。此外， 垂直结构的微纳空气沟道晶体管主要分为三种
其他研究者开发了成本较低的纳米间隙制备工艺。 典型构型：面间发射、面内发射以及新型结构。面间
例如，本研究组 [45] 进一步开发了斜沉积技术，实现 发射构型的典型例子是 Srisonphan 等 [16] 提出的方法，
了具有 50 nm 沟道长度的平面对平面构型器件 他们在 MOS 结构上使用 FIB 技术刻蚀微米级孔洞，
（图 12（d））。通过利用异质电极的功函数差异，以 以此在垂直方向构建空气沟道。在此结构中，电子
及控制阴阳极的高度差和倾斜角度，实现了器件的 从下方的 Si 阴极发射，并通过空气沟道被上层的 Al
大电流输出和高整流特性。在 5 V 电压下，该器件 阳极接收，如图 13（a）所示。然而，这种构型存在电
的输出电流达到了 2 mA，开启电压低至 0.56 V，整 子接收效率低下的问题，大部分电子沿着电场线散
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流比超过 10 。该技术具有可灵活调控纳米空气沟 失到自由空间。为提升电子接收效率，Srisonphan
道长度，并可以在晶圆级器件制备中实现高一致性 等 [16] 相继提出了在 MOS 结构上覆盖 Ga 滴、石墨
和可重复性等独特优点，具有重要价值。 烯 [27] 和金属-石墨烯 [46] 等材料的方法，以增强器件的

3.2 垂直结构微纳空气沟道晶体管 接收效率和整体性能。对于面间发射构型，干法刻
垂直结构微纳空气沟道晶体管的空气沟道通 蚀工艺是除了 FIB 技术之外的另外一种有效制备方
过精准控制沉积的薄膜厚度，并结合干法刻蚀或湿 法。例如，Chang 等 [47] 采用干法刻蚀工艺，成功制备
法腐蚀等工艺构建而成，因此该结构的显著优势在 了以 Al-Si-Cu 合金为阴极和阳极，60 nm 厚的 SiO 2
于空气沟道长度可通过对介质层厚度的精确控制 作为绝缘层的纳米空气沟道二极管（图 13（b））。