Page 32 - 《真空与低温》2025年第3期

韩熙隆等：可集成真空微纳电子器件发展与展望 303

sion，radiation-hardened electronics，and biomedical sensing: GaN-based nanoscale air-channel diodes show nanosecond re-
sponse times，while vacuum-gated transistors maintain performance after radiation exposure. Future research should focus on
material hybridization （e.g.， heterostructured cathodes）， 3D structural innovations， and scalable manufacturing to address
limitations. Integrating VMNEDs with MEMS and photonic circuits unlocks multifunctional， high-reliability systems for
aerospace，energy，and quantum technologies. This review synthesizes theoretical insights and empirical achievements，provi-
ding a roadmap for advancing VMNEDs toward practical implementation in next-generation extreme-environment electronics.
Key words：vacuum micro-nanoscale electronic devices；field emission；nanoscale channels；ballistic transport；vacuum
electronics

0 引言 用相对成熟的固态晶体管加工制备工艺，那么加工
出的“微纳真空管”就可以兼具真空管的高频、高
真空管，这一电子器件发展史上的重要发明，
功率以及固态晶体管的小尺寸易于集成特性。
自 20 世纪初诞生以来，经历了辉煌的发展与变迁。
早期，真空管作为放大电信号的关键元件，在无线 1 小型化真空管——真空微电子器件
电通信、广播等领域大放异彩，其强大的信号放大
早在 1961 年，Shoulders 等 [8] 首次利用电子束
能力使得远距离通信成为可能，推动了电子技术的
激活的微加工技术，基于场发射机制（非热发射）制
飞速发展。然而，随着科技的进步，固态半导体晶 造了信号放大器件，如图 1（a）所示。在此器件中
体管的出现，给真空管带来了巨大的冲击。晶体管 仍沿用了传统真空管中的阴极-栅极-阳极结构，此
凭借体积小、功耗低、稳定性好等优势，逐渐在众
结构中的阴极电子发射单元不易小型化，难以与其
多领域取代了真空管，成为电子设备中的主流元件 。 他结构相集成 。随后，在 70 年代，随着 Spindt 型
[1]
[9]
从小型电子产品到大型计算机系统，晶体管的广泛 阴极的出现，上述的问题得到了很大程度的改善 ，
[10]
应用使得设备性能不断提升，功能更加多样化。 如图 1（b）所示。Spindt 阴极由蓝宝石基底、钼-氧
尽管在大多数领域真空管已被淘汰，但在一些 化铝-钼薄膜夹层、微米级的开口腔以及冷阴极钼
专业领域，真空管仍具有不可替代的地位。在音频 发射锥组成。由于采用了冷阴极，通过施加 10～200 V
领域，真空管放大器因其独特的音质特点，受到音 电压，器件获得较高的电流密度，且经过连续一周
响发烧友的推崇 。在高频微波和大功率系统中， 测试后，器件结构没有观察到明显退化，证明其耐
[2]
真空管也能展现出其卓越的性能优势，满足特殊应 久性。在 1989 年，Kosmahl [11] 基于类似的 Spindt 阴
用的需求 [3–5] 。传统真空管与固态晶体管相比，凭 极推导计算出了一种宽带分布式放大器，频率范围
借其独特的电荷载体传输机制，具有竞争优势。在 为 10~300 GHz，并且推导了基于这种结构的截止
真空管中，电子以弹道输运的形式从阴极向阳极发 频率（由发射体尖端跨导和结构电容决定）。至此，
射，而晶体管则依赖于电子和空穴在半导体材料中 基本标志着所谓“真空微电子器件”的诞生，但在
的复合运动。这一特性使真空管在高频和高速应 当时，多方面的原因阻碍了这类器件的进一步发展。
用中表现尤为突出。此外，真空管具备承受极高电 其一，这类器件的工作电压基本在几十到上百伏，
压和电流密度的能力，从而实现更大的功率输出， 与芯片中一般工作在 10 V 以下的器件无法集成。
满足高能耗应用场景的需求。相比之下，固态晶体 其二，阴阳极之间的距离较长，仍然需要真空封装
管在高压和大电流条件下容易受到限制，其功率输 以减少电子在运动过程中与其他粒子的碰撞，或避
出能力相对受限。除此之外，在极端环境如高温、 免气体电离导致放电烧毁器件。其三，受限于工艺
辐射等严苛环境中，真空管展现出更强的适应性。 加工难度，难以制造出小尺度的阴极电子发射源，
电子在真空管中的输运特性使其能够避免单粒子 阻碍了整体器件尺度的进一步缩小。即使到了
效应、电离辐射、位移损伤 [6-7] 等影响，使其能够在 2000 年左右，也很难通过平面微加工的工艺制造
航天和核工业等领域发挥不可替代的作用。 出电极间距小于 1 μm 的器件 [12] 。此时，进一步减
摩尔定律已经沿用了数十年，大规模集成电路 小真空微电子器件的尺寸已经成为主流的研究方
的广泛应用和固态晶体管器件的发展相辅相成，固 向，如果能将电子输运的通道尺寸缩减到纳米尺度，
态晶体管的小体积、易于集成也使其逐步代替了 这类真空微纳电子器件才有实际应用在功能电路
真空管。如果将真空管的尺度缩小到微纳级别，利 中的可能。