Page 35 - 《真空与低温》2025年第3期

306 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

C G1 C
E G2 G
G E D
150 nm
S
（a）Spindt 型阴极 （b）平面型场发射晶体管 （c）绝缘栅型场发射晶体管 （d）热处理后的纳米尖端
ID
l l ITO Al
SiO 2
Al V DS ITO V GS
Al SiO 2
SiO 2 SiO 2 SiO 2
V SiO 2
SiO 2 Al p-Si
V
n-Si p-Si ITO p-Si
Si Al
Al Al
（e）无栅极垂直型场发射二极管 （f）无栅极垂直场发射 （g）ITO 栅极垂直场 （h）ITO 栅极垂直型场发射
二极管截面图 发射晶体管 晶体管截面图
图 4 平面型及垂直型纳米真空沟道晶体管
Fig. 4 Planar and vertical nanoscale vacuum transistor

图 4（a）～（d）中的器件都是具有栅极形式的 端对平面的发射结构中呈现出整流特性，与传统真
三端器件；而图 4（e）～（h）中的器件既给出了无栅 空二极管相同。尽管沟道长度超过了 100 nm，但
极的二端器件形式又给出了 ITO 作为栅极的三端 是电子输运时间经计算仍然快于 1 ps。利用同样
器件。在真空微纳电子器件的研究中，如果栅极不 的思路，通过制备形貌不同的阴阳极，研究人员制
额外施加偏置电压，其对电子的控制作用不大，栅 备了若干具有整流特性的场发射二极管。Chang
极主要通过改变沟道中的电场分布来实现对发射 等 [32-33] 也通过光刻技术基于金属材料制备了阴阳
电流的调控。这两组研究工作主要聚焦在他们的 极具有形貌差异的场发射二极管。器件的阴极由
直流特性和作为三端器件的跨导以及相对应的 锯齿状的三角形金属电极构成，而阳极由包围在阴
截止频率上。前者在 20 V 的偏置电压下达到了 极周围的半圆构成。这样的设计可以高效提高正/
40 μA 的电流以及 4.2 V/°的亚阈值摆幅，通过计算 反电流比，从而提高整流效率。2015 年，北京大学
估计了其可以达到 0.46 THz 的截止频率，远超固态 的 Wu 等 [34] 基于石墨烯材料制备了平面场发射三
晶体管；而后者得到了一个小于 0.5 V 的开启电压， 极管，通过调节施加在石墨烯阴极材料上的偏置电
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开关比达到 500，以及仅有 20 nS/μm 的跨导。这两 压，器件的开关比可以达到惊人的 10 ，工作电压同
项工作代表了真空微纳电子器件作为功能器件应 样在 10 V 以下且亚阈值摆幅为 120 mV/°，但是工
用的一个大方向：低功耗（相对于传统真空管）、高 作电流只有 pA 量级，不适合用作功率器件。萨勒
速晶体管。接下来本文将根据结构以及材料的不 诺大学的 Bartolomeo 等 [35] 通过单次光刻，在 500 nm
同分别介绍真空微纳电子器件的发展。 的石墨烯沟道外制备了距离其 100 nm 的自对准栅

3.1 平面型器件 极，并通过实验验证了其在 1 V 以下的电压可以实
平面型器件通常指阴极、阳极和栅极处于同 现 35% 电导调制率，在 10 mV 的阳极偏压下达到
一个平面的器件，平面型器件一般具有较小的发射 0.5 mS/mm 的跨导。除此之外，在器件加工过程中，
电流以及较低的跨导，以实现相对高的截止频率。 为了减少额外的寄生参数，两个场发射三极管通过
平面型器件一般可以通过一次的图案化工艺形成 共阳极（漏极）的方式连接，如图 5 所示。
结构，与现有的微纳加工工艺兼容。 为了减小平面场发射三极管的漏电流，Han
平面型的器件一般用作整流、开关、传感功能 等 [16， 36] 基于 MOSFET 的结构制备了背栅极结构
器件，或作为样品研究其发射性能。Pescini 等 [30] 的场发射三极管。器件的阴极和阳极在同一平面
使用电子束光刻工艺以及湿法刻蚀，在 SiO 2 基板 上，但是栅极在背面通过一层薄的氧化层隔开，
上制备了侧栅极场发射三极管。通过改变栅极到 氧化层的厚度决定了阴极与栅极之间的距离。
阴极之间的距离，研究了结构参数对于电学性能的 器件的工作电压约为 10 V，截止频率经计算达到
影响，器件最终达到了 nA 级的发射电流。Higuchi 了 0.46 THz。器件的制备采用了成熟的 SOI 晶圆
等 [31] 制备了一种纳米尖端对的场发射二极管，器 MOSFET 兼容工艺。
件由近红外激光脉冲驱动，由激光激发的电流在尖 2023 年，南京信息工程大学的 Xu 等 [37] 针对不