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真空与低温 第 31 卷 第 3 期
302 Vacuum and Cryogenics 2025 年 5 月
可 集 成 真 空 微 纳 电 子 器 件 发 展 与 展 望
韩熙隆 ，覃奀垚 ，章灿然 ，陶 晖 1,3 ，王琦龙 1*
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（1. 东南大学 电子科学与工程学院 ，南京 211102；
2. 昆山国力电子科技股份有限公司，江苏 昆山 215300；3. 南京三乐集团有限公司，南京 211800）
摘要：真空微纳电子器件（VMNEDs）凭借其高速运行、耐高温、抗辐射及极端环境适应性等独特优势，已成为
极端环境电子学领域的研究热点。本文系统综述了真空微纳电子器件的发展历程、理论基础、技术进展及未来
前景，重点探讨其作为传统真空管与固态器件桥梁作用的潜力。将 VMNEDs 与微机电系统（MEMS）和光子电路
集成，有望推动航空航天、能源与量子技术领域的多功能高可靠性系统发展。结合理论见解与实验成果，提出了
面向极端环境的新一代电子器件的技术路线图。
关键词：真空微纳电子器件；场发射；纳米沟道；弹道输运；真空电子学
中图分类号：TB71 文献标志码：A 文章编号：1006−7086（2025）03−0302−13
DOI：10.12446/j.issn.1006-7086.2025.03.003
Development and Prospects of Scalable Vacuum Micro-nanoscale Electronic Devices
1 2 1 1,3 1*
HAN Xilong ，QIN Enyao ，ZHANG Canran ，TAO Hui ，WANG Qilong
（1. School of Electronic Science and Technology，Southeast University，Nanjing 211102，China；
2. Kunshan GLVAC Electronic Technology Co.，Ltd.，Kunshan 215300，Jiangsu，China；
3. Nanjing Sanle Group Co.，Ltd.，Nanjing 211800，China）
Abstract： Vacuum micro-nanoscale electronic devices （VMNEDs）， a class of emerging devices combining vacuum
electronics with nanotechnology，have garnered significant attention for their excellent high-speed performance，high-temper-
ature tolerance，radiation resistance，and extreme-environment compatibility. This review systematically analyzes the evolu-
tion，theoretical frameworks，technological breakthroughs，and future trajectories of VMNEDs，highlighting their potential to
merge traditional vacuum tube advantages with solid-state device miniaturization. Leveraging field emission theory and
nanoscale vacuum channel designs，VMNEDs enable ballistic electron transport under atmospheric pressure，achieving low-
voltage operation （below 10 V） and ultrahigh-frequency responses （cutoff frequencies up to 0.46 THz）. Structural innova-
tions，categorized into planar and vertical architectures，exhibit distinct merits: planar devices （e.g.，coplanar graphene-based
transistors） achieve sub-120 mV/dec subthreshold swing and CMOS compatibility， while vertical configurations （e.g.，
Spindt cathodes， internal/external channel structures） deliver high current densities （>3 000 A/cm²） and robust stability at
600 ℃ or under 30 krad radiation. Material advancements further drive performance: selectively etched metallic nanotips
achieve field enhancement factors exceeding 6 000，wide-bandgap semiconductors （SiC，GaN） integrate low electron affini-
ty with intrinsic radiation hardness，and low-dimensional materials （carbon nanotubes，graphene） optimize emission efficiency
through surface functionalization of work functions. Despite progress，challenges remain in process uniformity，long-term reli-
ability （e.g.，tip degradation，material oxidation），and CMOS integration. Recent nanofabrication breakthroughs，such as um-
brella-shaped cathodes and vertical air-bridge structures，have improved current density and switching speeds. Experimental
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validation under extreme conditions（including 1×10 n/cm neutron irradiation and >500 ℃ operation）confirms VMNED re-
silience，positioning them for space applications. Emerging uses span high-frequency communication，deep-space ion propul-
收稿日期：2025−03−03
基金项目：国家自然科学基金（92364108）
作者简介：韩熙隆，硕士研究生。E-mail：220231770@seu.edu.cn
通信作者：王琦龙，博士，教授。E-mail：northrockwql@seu.edu.cn
