Page 36 - 《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 307

同的平面型结构分别制备了器件并结合仿真进行 较高的应用场景。
了深入研究，如图 6 [37] 所示。器件也通过成熟集成

电路工艺，包括电子束曝光、光刻、薄膜沉积以及 S 2
剥离的步骤所制备，从平面-平面的阴阳极结构开 S 2
G 2
始逐渐改变其尖端半径并测量发射电流。实验证 2 μm T2 G 2
明尖端半径越小，发射电流越大，开启电压越小，这 D 2
D 2
S 1
与先前的文献报道相符合 [38-39] 。在尖端半径 100 nm D 1
时，开启电压达到了 20 V 左右，电流达到 500 nA。 T1 G 1
除此之外，作者团队在间距 150 nm 的阴阳极两侧 D 1
G 1
通过施加双侧栅极实现了对发射电流的调控，可以 S 1
看作对于以往微米尺度下真空场发射三极管 的 （a）通过阳极（漏极）连接的两个侧栅极 （b）等效电路 [36]
[12]
石墨烯场发射三极管 SEM 图像
小型化。但值得注意的是，随着阴阳极的间距缩小
以及阴极尖端半径的缩小，器件在多次重复测试后 图 5 基于石墨烯的平面场发射三极管
存在尖端熔融的可能性，不利于对器件稳定性要求 Fig. 5 Planar field emission transistor based on graphene

侧栅极
收集极
发射极 d
收集极 发射极
基底 r=260 nm r=100 nm
500 μm 1 μm
（a）平面型场发射二极管结构及不同曲率半径电极俯视图 （b）侧栅极真空纳米沟道晶体管的SEM图及放大视图
5×10 2 1.5×10 3 −19.5
平面电极
尖端曲率半径 260 nm −20.0
4×10 2 尖端曲率半径 100 nm 栅极电压 栅极电压
0 V −20.5 0 V
1.0×10 3 50 V 50 V
3×10 2 100 V （I·V −2 ） 100 V
I a /nA I a /nA −21.0
2×10 2 ln −21.5
5.0×10 2
−22.0
1×10 2
−22.5
0 0
0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 0 0.05 0.10 0.15 0.20
V A /V V A /V （1/V）/V −1
（c）不同曲率半径电极的 I-V 特性 （d）不同栅极电压下的 I-V 特性 （e）不同栅极电压下的 F-N 拟合
图 6 平面型场发射二极管的形貌优化研究
Fig. 6 Research on shape optimization of planar field emission diodes

3.2 垂直型器件 这种结构的尺度降低到了纳米级别。距离阴极上
垂直型结构器件一般指阴极、阳极与栅极不 方 80 nm 环绕栅极的直径大约为 160 nm，器件达到
2
在同一平面上，一般呈从上到下的垂直型排列的器 了仅有 8 V 的开启电压以及 1 600 A/cm 的发射电
件。垂直型结构的器件一般具有较大的发射面积， 流密度，打破了以往 Spindt 结构器件的纪录。中国
从而获得较大的发射电流，但相对应的结构本征电 电科集团第十二研究所的研究人员针对 Spindt 结
容也较大，相对于平面型器件来说截止频率会有所 构器件进行了深入的研究，分析了其技术进展、面
降低。且微纳尺度下的垂直型器件一般涉及多层 临的问题以及应用进展，并总结其可能适用于小电
结构的制备，工艺更为复杂。早期的垂直型结构场 流、低能量、高可靠性的工作环境。
发射二极管和三极管都基于在底部的一个阴极尖 沿袭 Spindt 阴极结构的思路，垂直型结构器件
端、尖端上方环绕一圈的栅极，以及最上方的阳极， 也较多在器件内侧形成纳米沟道，如图 4 中的垂直
也就是 Spindt 型结构，通过调节栅极电压来获得足 型发射结构。与此结构相似的还有文献 [41-42] 所
以产生发射电流的电场强度。Bozler 等 [40] 率先将 报道，如图 7 所示。