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278 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

0 引言 体管功能实现的基础。

1.1 电子发射机制
当前的电子器件主要分为两类：真空电子器件
在微纳空气沟道晶体管中，主要的电子发射机
[1]
与半导体电子器件 。前者中的电子在真空中弹
制主要包括热电子发射、肖特基发射和场发射等。
道输运，具备大功率、高效率和抗辐照等性能优势，
热电子发射是指电子在获得足够热能后，克服
但需要高真空环境和较长时间的预热，在集成化、
阴极与空气的界面势垒进入空气沟道的过程。这
可靠性及批量生产等方面也存在限制；半导体电子
一现象通常在高温条件下发生，以纳米晶金刚石为
器件采用先进微纳工艺，可集成化和晶圆级制备，
[8]
例，热电子发射的发生温度超过了 700 ℃ 。图 1（a）
但因材料中存在缺陷、空位、掺杂等因素，导致电
展示了金属-空气沟道-金属结构中热电子发射的
子平均自由程短、载流子迁移率小，在功率、频率、
[9]
能带示意图。热电子发射电流密度表示为 ：
效率及抗辐射等方面遭遇瓶颈。同时，半导体器件
( Φ )
2
的尺寸缩小也已经逼近物理与工艺极限。因此，国 J = λ R AT exp − （1）
kT
际学术界持续探索新的电子器件技术路径。
式中：J 为电流密度；T 为温度；λ R 为材料特定的
真空电子器件的性能优势本质上源于真空介 修正系数；A 为理查森常数，值为 1.2×10 A·m ·K ；
−2
6
−2
质的特性，不存在缺陷、晶格碰撞和能量耗散，电 k 为玻尔兹曼常数；Φ 为发射极的功函数。根据
子的饱和速度接近光速 [2-3] 。半导体器件技术的快 式（1），ln（ J/T ）与 1/T 之间的线性关系表明了热电
2
速发展则源于凝聚态物理和微纳工艺加工技术的 子发射的特征。
进步。若能融合这两类器件的优势，通过微纳工艺 肖特基发射是指在电场作用下，阴极与空气界
技术将固态的电子输运沟道“挖空”，使沟道尺寸 面间的势垒降低，使得阴极电子获得足够能量以越
[4]
降至电子平均自由程（一般在 68 nm ）以下，便可 过势垒并进入空气沟道的过程。该现象主要在低
构造出一种全新的“微纳空气沟道晶体管”。该晶 电压条件下发生，此时能带弯曲程度不足以触发场
体管无需真空环境，能在大气压下实现电子在空气 发射，但与温度密切相关。肖特基发射的能带示意
沟道中的弹道输运 [5-6] 。理论上能够实现高频率、 图如图 1（b）所示。肖特基发射的电流密度表达式
高功率、高效率、抗辐照、晶圆级制备与易集成等 如式（2） [10-11] ：
性能 。这种构型的晶体管获得了美国物理学会、 ( ε r E 1/2 )
[7]
2
J SE = AT exp Φ− （2）
三角研究中心、《Nature》和《Science》等权威机构与 kT
期刊的高度认可，被认为具有重要的研究意义，特别 式中：Φ 为电极功函数；ε r 为电极的相对介电常数；
是在推动高频高速应用方面具有显著价值。正因 E 为外加电场。由式（2）可知，在恒温下 ln（J SE ）与
1/2
上述独特优势，美国 NASA、圣地亚国家实验室等 E 的线性关系表示肖特基发射。
机构设立了一系列计划以支持该晶体管研究，国内 Fowler 和 Nordheim 在 1928 年提出了用于描
多家科研单位也开展相关研究，均取得了重要进展。 述 0 K 时无限大金属平面上电子场发射的理论，即
基于该现状，本文将讨论微纳空气沟道晶体管的基 Fowler-Nordheim（FN）方程。场发射作为一种量子
本内涵与工作机理，阐述国内外的主要研究进展， 力学现象，主要由电子隧穿势垒所驱动。在强电场
分析典型构型的微纳空气沟道晶体管的设计与工 作用下，发射极附近的真空能级发生向下弯曲，形
艺技术，最后对该器件的应用领域进行总结与展望。 成薄且低的三角形势垒，这使得电子波函数能够

隧穿势垒进入空气沟道。场发射的能带示意图如
1 微纳空气沟道晶体管的工作原理
图 1（c）所示。场发射电流的表达式为 ：
[12]
微纳空气沟道晶体管的主要工作原理为：在阳 αC 1 β V 2 ( C 2 Φ d )
3/2
2
I = exp − （3）
极（及栅极）上施加偏压，在纳米尺度的空气沟道内 Φd 2 βV
产生强电场，显著降低阴极与空气界面的势垒高度； 式中：I 为发射电流；V 为外加电压；C 1 、C 2 均为
由此，阴极电子可通过热电子发射或场发射等机制， 常 数， 其 值 C 1 = e /8πh = 1.54×10 A·V ·eV， C 2 =
3
−2
−6
越过或隧穿该势垒进入空气沟道；在电场驱动下， 8π（2m） /3he = 6.83×10 V·eV −3/2 ·m ；a 为场发射面
1/2
9
−1
电子在空气沟道中输运，并最终被阳极捕获形成阳 积；β 为场增强因子；d 为沟道长度。式（3）两边取
极电流。因此，电子的发射与输运机制构成了该晶 对数可以得到 ln（ I/V ）和 1/V 之间的线性关系：
2