Page 39 - 《真空与低温》2025年第3期

310 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

薄膜在相对较低的电场下也可以实现电子场发射， 由于沟道尺寸远远小于空气中电子的平均自由程，
[55]
这为制造三端器件提供了可能 。碳化硅（SiC）作 真空封装的要求也随之大幅降低，而这样能实现
为第三代半导体，其低电子亲和势（约 4 eV）和高热 快速响应的真空微纳电子器件未来可能在高速通
导率（4.7 W/cm·K）使其在极端环境下表现突出。 信 [16，39，50] 、生物医疗传感 [63–65] ，以及光电融合 [60，66-67]
例如，SiC 基垂直型场发射器件在 30 krad 辐射剂量 中起到重要作用。除此之外，真空微纳电子器件的
下无性能衰减，600 °C 下仍可稳定工作 [56] ，但 SiC 形式也未必仅限于阴极-栅极-阳极的基本构成，通
纳米线的小间隙制备依赖聚焦离子束（FIB）刻蚀， 过与现有成熟的微纳结构功能器件，如微纳超构表
[57]
工艺成本较高 。除此之外，GaN 也凭借着其低 面等结构相结合，有机会迸发出新的火花。
电子亲和势、高击穿场强以及温度稳定性成为新 尽管目前真空微纳电子器件在 IC 等领域，受
一代场发射材料的有力竞争者 [39，45-46] 。 制于成熟的工艺、制程以及标准，相较于固态器件
低维材料，如石墨烯、碳纳米管、MoS 2 等，因 而言仍有很大差距。但是真空微纳电子器件在一
其独特的物理化学性质和优异的场发射性能，已成 些特殊的领域如高温、强辐射场的应用中具有非
为真空场发射器件中的重要研究对象。碳纳米管 常特殊的作用和意义，未来有很大希望被应用在深
（CNT）具有高长径比、高电导率、优异的机械强度 空应用中，这是真空微纳电子器件从原理上所带来
和化学稳定性，使其成为理想的场发射阴极材料。 的优势。截至目前，已有很多文献证实其在极端环
这些特性使得 CNTs 在低电压下实现高电流密度 境下的稳定性，早在 1999 年，Dean 等 [68] 通过制备
的场发射，从而满足多种应用需求 。金刚石凭借 单壁碳纳米管研究了长时间场发射的稳定性。实
[58]
负电子亲和势和高化学稳定性，可实现低开启电场 验证明在 10 Pa 下电流经过 350 h 没有明显衰减；
−7
（1 V/μm），但其纳米锥制备依赖复杂 CVD 工艺，不
−5
在 10 Pa 水蒸气下电流经过 100 h 没有明显衰减。
便于集成 。一项研究中使用了碳纳米管（CNT），
[59]
2012 年，研究人员制备了 SnO 2 纳米线器件 ，由于
[69]
[60]
开启电场低至 1.2 V/μm，电流密度达 556 mA/cm² 。
一维材料质量小、表面积大，理论上非常容易受到
然而，CNT 的分布均匀性、杂质残留及基底黏附性
物理和化学侵蚀，但在电场强度为 4.65 V/μm 下，
仍是瓶颈，转移过程中的裂纹和杂质也会影响器件
器件经过 2 400 min 的工作后电流既没有下降也没
[61]
的性能 。此外，也有研究通过金纳米颗粒修饰石
有较大波动，相较先前的研究有进展，但受限于金
2
墨烯，获得了更低的功函数，达到了 37.8 mA/cm 的
属氧化物熔点较低，在稳定性上暂时无法超过碳纳
[62]
电流密度 。
米管器件。同样，基于近年来最新兴起的化合物半
当前场发射材料的核心挑战包括工艺一致性
导体材料也有类似的研究，2015 年研究人员制备
（如纳米间隙批量制备）、长期稳定性（材料氧化与
出了柔性 SiC 纳米尖端器件，在 1.5 V/μm 左右的电
尖端退化）和 CMOS 工艺的集成兼容性。未来的
2
场下，维持 1 000 μA/cm 电流密度可达 60 min 且在
器件发展可能聚焦于材料复合，结构创新、极端环
[70]
此过程中电流几乎没有变化 。同年，他们还制备
境适配与低成本制备。场发射材料的研究正从单
了一批硼掺杂 SiC 纳米尖端器件并测试了其在高
一性能优化转向多功能集成，但接下来的发展仍需
温下的稳定性 。通过将温度提升至 500 ℃，器件
[71]
跨学科合作，推动实用化进程。

的开启电压从 1.92 V/μm降低至 0.98 V/μm，且通过
4 真空微纳电子器件的应用前景 在室温以及 200 ℃ 下的持续测试，发射电流密度都
2
真空微纳电子器件具有广阔的应用前景。随 维持在 510 μA/cm 左右，工作 8 h 内波动只有约
着新型纳米材料和纳米加工技术的不断进步，真空 1.3%。2023 年的一项研究中，研究团队通过制备
微纳电子器件小型化、集成化的发展为其成为新 多壁碳纳米管以及氧化锌掺杂的多壁碳纳米管验
一代高速电子器件打下了基础。具备了现今固态 证了发射的稳定性，所有测试样品在经过 14 h 的
晶体管的小尺寸、轻量化、集成化优势，场发射型 工作后发射电流都保持不变。
真空沟道三极管无须预热即可工作，而基于热发射 除了发射电流的稳定性，这类器件在抗辐射方
的器件仍需热惯性启动。这一特性使场发射器件 面的表现也可圈可点。Han 等 [51] 在一项研究中分
在快速响应场景中更具优势。这些优点使其自从 析了高能射线如 γ 射线以及 X 射线穿过介质层后，
被提出以来就受到了广泛的关注以及深入的研究。 产生了电子-空穴对，而电子与空穴迁移率的差异