Page 38 - 《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 309

除了在内部的沟道进行发射的器件，结合真空 对阴-阳极之间的电介质进行腐蚀，得到了长度
微纳电子器件的特性衍生出一种独有的器件形式： 100 nm 的沟道，如图 9 所示。虽然其发射电流在
外部沟道垂直型发射器件。如 Han 等 [44] 在 2021 年 20 V 只达到了 100 nA，但是工艺思路上的突破为
发表的一篇论文中，采用了一种伞状结构。通过 后续同类型的器件奠定了扎实的基础。

W

阴极
+
N pSi N pSi
+
SiN SiN SiO 2
+
N Si N Si
+
（a）伞形器件制备的工艺步骤 1 （b）伞形器件制备的工艺步骤 2
阴极 100 nm SiO 2 真空
阳极
100 nm
SiN
阳极 20 nm 120 nm
40 nm
栅极 100 nm 栅极

（c）伞形器件制备的工艺步骤 2 （d）伞形器件制备的工艺步骤 4 （e）截面 TEM 扫描图

图 9 伞形场发射二极管
Fig. 9 Umbrella-shaped field emission diode

电子科技大学的 Wei 等 [45-46] 也制备出了类似 射材料；而第二条主线则是采用能获得更小尖端半
结构的伞状外部沟道垂直型场发射二极管。控制 径的低维材料以获得更大的场强，提高发射电流。
介质层的厚度为 50 nm，并从外向内进行湿法刻蚀， 金属材料，在场发射领域有着优异的性能，
制备了 50 nm 的沟道以及相当大的发射面积，同时 因高导电性和可调控的场增强因子备受关注。
[53]
通过采用 N 型掺杂的 GaN 材料作为发射阴极，得 2016 年，研究人员通过选择性刻蚀制备铜纳米锥 ，
到了 mA 级别的大电流，并通过实验得到了 ns 级 最小尖端直径达到 6 nm，场增强因子可达 6 068，开
别的响应速度，证明这类器件在高速、大功率应用 启电压低至 2 V/μm。2018 年，在一项研究中通过
上具有不错的前景。在文献 [47] 中进一步通过增 制备二氧化钒纳米线，在 10 nm 沟道长度下实现了
[38]
加栅极实现了对此结构电流的调制作用。 0.46 V 的低开启电压，且高温稳定性优异 。2021 年，
此外，还有一些在垂直结构中利用结构的异质 研究人员利用钨基垂直伞状器件在高温下表现出
结形成二维电子气作为主要电子源的工作，通过提 低栅极漏电流的性能，实现了电子的垂直发射 [44] 。
高阴极表面的电荷密度提高发射电流密度 [48-49] 。 然而，金属材料普遍面临热稳定性差与基底黏附性
以及在微纳加工上结构较为复杂但是显著提高了 不足的问题，需通过结构设计（如薄膜堆叠）等方式
[41]
[50]
电子收集率的垂直空气桥结构 ，作者对其射频性 优化 。
能进行了测试，并利用此器件进行了混频的尝试。 半导体材料，凭借成熟的集成电路工艺兼容性，
类似 MOSFET 中的环绕栅（GAA）结构也存在于真 可易于实现纳米场发射器件的集成。Han 等 [16] 在
空微纳电子器件的发展过程中 [51-52] ，即便其具有相 硅衬底上共制备了场发射三极管和 MOSFET，其阴
当高的电子收集率，但加工难度使其难以规模化集 阳极间距为 150 nm，工作电压低于 10 V，率先证明
成，不利于后续发展。 了真空微纳电子器件和半导体工艺的兼容性。硅

3.3 阴极材料 基材料阴极的研究进展表明，通过优化制备工艺和
从 2.2 节中可以得知，对于阴极材料来说，功 材料改性，可以显著提高其场发射性能。例如，通
函数的值越小，则理论发射电流将会越大。因此在 过在硅尖锥阵列上沉积低功函数材料如六硼化镧
材料的选择上，一条主线就是使用更低功函数的发 （LaB 6 ），可以显著增加发射电流 [54] 。此外，非晶硅