Page 37 - 《真空与低温》2025年第3期

308 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

发射极 t E-G
栅极 C
V GE E G
收集极 t G-G
开窗尺寸
V CE
t G
Al-Si-Cu
Al 2 O 3 SiO 2
（电介质 1） （电介质 2） D Channet
（b）垂直结构参数示意图
（a）使用 Al 2 O 3 和 SiO 2 作为栅极介质层的垂直结构器件 [42]
V a
V g

电机: Mo 真空沟道 4 μm
基板: Si/SiO 2 绝缘层: Al 2 O 3
（c）使用 SiO 2 作为栅极介质层的垂直结构器件 [43] （d）垂直结构器件的SEM图

图 7 垂直型内侧沟道结构场发射晶体管
Fig. 7 Vertical inner channel field emission transistor

在图 7（a）中，沟道长度通过 SiO 2 电介质层的 类似结构的圆形截面垂直型器件，如图 8 所示，其
厚度进行控制，大约为 60 nm。通过改变阴极-栅极- 与图 4 中器件具有相同的五层结构，开启电压小
阳极之间的距离，作者分别对四种不同结构参数的 于 3 V，且与栅极介质层的厚度有关。随着介质层
器件进行了仿真与测试，随着阴-栅距离缩短，栅极 厚度下降，开启电压也会随之下降。且经过仿真和
附近电场强度更大，表现为更加优秀的发射电流调 实验双重验证，证明了这类器件的直流特性与内部
控性能。图 7（b）中的器件具有 55 nm 的沟道尺寸， 沟道半径有关，在半径小于 20 nm 时，阴极发射的
作者对其在真空和大气下的发射性能进行了验证。 部分电子会与侧壁发生碰撞并被介质层吸收，导致
实验环境从 10 Pa 至 10 Pa 变化，电流在同一个数 电流下降严重，同时栅极屏蔽效应也会增强，在设
−7
5
量级中变化，足以证明其在大气下可以正常工作， 计这类器件时需要考虑其深宽比及半径。
与理论相一致。西安交通大学的 Shen 等 [43] 制备了

Al

r
Si 3 N 4
e V G
ITO
V A
p-type Si
t CG
y
t GA
x
z
（a）圆形截面垂直器件结构示意图 [43]
能量/eV
能量/eV 无碰撞 2DES Al 10.2
电子碰壁 2DES Al 10.2 9.39
9.39 8.75
8.75 8.11
栅极电介质 8.11 栅极电介质 7.48
6.84
7.48
6.84 栅极 6.21
栅极 6.21 5.57
4.93
5.57
4.93
4.38 4.38
3.66
3.66 阳极电介质 3.82
阳极电介质 3.82 2.39
2.39
1.75
1.75 p-type Si 1.11
0.478
1.11
p-type Si 0.478 0.000927
0.000927
（b）内部沟道半径为 16 nm 的电子仿真轨迹示意图 （c）内部沟道半径为 40 nm 的电子仿真轨迹示意图
图 8 圆形截面垂直型场发射晶体管
Fig. 8 Circular cross-section vertical feld emission transistor