Page 40 - 《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 311

与氢释放导致的阈值电压负移、关态漏电流增加 备了 GaN 垂直型场发射二极管并暴露在 1.2 MeV
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是辐射诱导半导体器件退化的核心因素；真空沟道 的快中子辐射中，曝光剂量分别为 1×10 、6×10 、
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2
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中无固态介质材料，因此无法触发电离，从根本上避 1×10 、6×10 、1×10 n/cm 。在曝光前后，器件的
免了电子-空穴对的形成，从而消除了陷阱电荷的 发射电流几乎一致，拟合的 F-N 曲线斜率也并未有
来源，且热载流子被电极快速导出，避免了能量累计 明显的变化，表明中子辐射没有对阴极功函数以及
以及介质损伤。在后续的一项研究中，Wei 等 [45] 制 场增强因子产生较大的影响，如图 10 [45] 所示。

6 −5 −2 2.0
中子剂量: 1×10 n·cm -2 中子剂量: 1×10 n·cm 曝光前
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5 曝光前 ] −6 曝光前 曝光后
曝光后 曝光后 1.5
4 （A/V 2 ） −7
电流/A 3 2 [ln −8 电流/A 1.0
1 （I/V 2 ） −9 0.5
0 ln −10
−1 −11 0
−3 −2 −1 0 1 2 3 0.2 0.4 0.6 0.8 1×10 6×10 1×10 6×10 1×10 14
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−2
电压/V （1/V）/V −1 中子剂量/（n·cm ）
（a）曝光前后的 I-V 曲线图 （b）曝光前后的 F-N 曲线拟合图 （c）发射电流对比
0.8 10 6 z 846.9 pm
曝光前 曝光前
曝光后 曝光后 R q =0.244 nm y x
开启电压/V 0.6 整流比 10 5 −0.1 nm −957.5 pm
0.8 nm
0.4
0.2 5 μm
4
3
5 μm
0 10 4 2 3 4
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1×10 6×10 1×10 6×10 1×10 14 1×10 6×10 1×10 6×10 1×10 14 1 2
中子剂量/（n·cm ） 中子剂量/（n·cm ） 1
−2
−2
（d）开启电压对比 （e）整流率对比 （f）辐照后表面粗糙度 AFM 表征
图 10 真空微纳电子器件抗辐照特性研究
Fig. 10 Research on the radiation resistance characteristics of VMNEDs

[72]
在传统二极管、三极管的应用之外，真空微纳 中和器阴极的主流 。而真空微纳电子器件中的
电子器件在深空方面的应用还有另外的可能性，如 阴极不需要高温就可以进行工作。由 NASA 推动
深空探索中的离子电推进技术，其基本原理是利用 的一项研究中聚焦了通过无须推进剂的推进系统
电能将推进剂（如氙气）电离，产生带电离子，然后 实现在近地轨道的推进、轨道调整以及能量收集
通过电磁场加速这些离子，从而产生推力。这一过 能力 。其中场发射阴极作为一种可行技术探索，
[73]
程可以分为三个主要步骤：电离、加速和中和。电 具有低功耗、高电流密度、长寿命以及小型化的优
离过程将推进剂转化为带正电的离子和电子；加速 点，适用于小型卫星推进、深空任务、碎片清除等
过程通过电场或磁场使离子获得高速度；中和过程 任务，但仍然需要通过长期在轨实验验证微纳器件
则确保推进剂中的正负电荷平衡，避免电荷积累对 的抗辐射、抗原子氧和热循环性能。同样，在 2020 年
推进器造成影响。其应用领域非常广泛，如深空探 一篇聚焦于推进器的综述中，在推进器小型化一节
测、地球轨道卫星、商业航天、空间站推进等任务。 中也讨论了真空微纳电子器件在 FEEP（场发射电
而真空微纳电子器件的特性恰好可以在真空环境 推进器）中的应用可行性及原理分析，认为现有的
中扬长避短，在微纳集成化的基础上，其良好的抗 阴极加工技术（双光子微影技术）仍然需要优化以
辐射以及耐高温性能适用于太空中的恶劣环境。 实现高深宽比的发射器流体结构，以增强流体阻力
[74]
自美国休斯实验室在 20 世纪 70 年代首次利用低 的调控能力 。
功函数电子发射材料的空心阴极中和器以来，热电 总的来说，真空微纳电子器件尽管暂时无法在
子发射空心阴极就成为了离子推进器放电阴极和 传统的通信和计算领域赶超固态电子器件，但其凭