Page 9 - 《真空与低温》2025年第3期

280 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

的电流受到限制，这一现象称为空间电荷限制 1.5~1.7 的标准 I-V 曲线的线性度可以识别 SCL 电
（Space charge-limited，SCL）效应。空间电荷限制电 流。此外，具有特定特征阴极的器件其输出电流亦
[15]
流遵循 Child-Langmuir 定律，其表达式为 ： 遵循 SCL 效 应 。 例 如 ， Srisonphan 等 [16] 报 道 的
√
4 2e V 3/2 MOS 结构纳米空气沟道二极管在低压条件下，由
J = ε 0 （8） 于二维电子气中电子之间的库伦斥力，电子以近乎
9 m D 2
式中：ε 0 为自由空间的介电常数；D 为发射极和接 无势垒的方式发射到空气沟道中，该器件的输出电
收极之间的间隙。在真空/空气介质中，用斜率为 流 I 呈现出电压 V 3/2 的依赖关系。

−12 −21

−14 −22
−16 −23
（I C /V C 2 ） −18 （I C ） −24

−20
ln ln −25
−22
−26
−24
−27
−26
0 1 3 4 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
1/2
（1/V C ）/V −1 V C /V 1/2
（a）高电压下的场发射机制 （b）低压下的肖特基发射机制
图 2 微纳空气沟道晶体管工作时的机制转变
Fig. 2 Mechanism shift in the operation of micro-nano air channel transistors

2 国内外发展现状 线纳米空气沟道二极管，其沟道长度在 20～80 nm
内。研究结果显示，随着沟道长度的增加，器件的
2012 年，NASA 的 Han 等 [17] 和匹兹堡大学的
输出电流呈指数下降趋势。在大气环境下，20 nm
Srisonphan 等 [16] 分别报道了基于 Si 的纳米空气沟
沟道长度的器件开启电压为 1.75 V，在 5 V 偏压下
道器件的研究成果，引发了广泛的研究兴趣。本节
的最大电流为 32.5 nA。此外，Nirantar 等 [20] 采用
将根据不同的材料体系，概述金属基、Si 基、碳
FIB 技术制备了沟道长度为 10 nm 的四种不同平
纳米管与石墨烯等低维碳基材料，以及宽禁带
面结构金属电极对几何形状，以研究纳米电极对形
材料体系在纳米空气沟道晶体管研究方面的最新
状对器件性能的影响，器件 SEM 图如图 3（e）～（h）
进展。
所示。研究结果表明，这四种器件在低电压条件

2.1 金属基微纳空气沟道晶体管
（<5 mV）下主要由直接隧穿机制主导。通过对比
金属材料因其高电导率、耐腐蚀性、适中的功
分析不同电极对几何形状，研究发现调节电极对形
函数值等原因在微纳空气沟道晶体管中得到了广
状能够显著提高电流，增幅达到两个数量级。
泛应用。常用的金属阴极材料包括 Au、Cu、W、 [6]
Fan 等 报道了一种采用 FIB 技术制造的 Au
Pt 等。这些金属材料的功函数对于晶体管的场发 基亚 10 nm 空气沟道二极管，该器件在场发射性能
射性能具有决定性影响。具体而言，较低的功函数 上表现突出，开启电压低至 0.588 V，并在 1 V 偏压
[18]
对应于较低的开启电压和较大的场发射电流 。 下实现了 355.6 μA 的场发射电流，该器件的 SEM
[5]
Nirantar 等 通过 EBL 技术，制备了以 W、Au 图与电学性能如图 4（a）和图 4（b）所示。另一方面，
和 Pt 为不同阴极材料的纳米空气沟道晶体管，其 Jin 等 [21] 通过 EBL 制备了沟道长度为 100 nm 的背
沟道长度小于 35 nm。器件的结构示意图和 SEM 栅结构金属基纳米空气沟道晶体管，并采用倾斜角
图如图 3（a）～（d）所示。实验结果表明：在 W 和 Au 基 蒸发技术构建了真空腔结构。该器件在 5 eV 的 X
器件中，场发射是主导其工作机制的关键因素；而 辐射以及 100~390 K 的宽温度范围等环境内，展现
在 Pt 基器件中，肖特基发射则是影响其工作机理 了稳定的工作特性，该器件的 SEM 图像与电学性
的主要因素。Liu 等 [19] 利用 FIB 技术制备了 Cu 纳米 能如图 4（c）和图 4（d）所示。