廣義真空電子學

真

空電子學是電子學的一個分支，是研究帶電粒子在真空或氣體中運動時與場和物質相互作用的科學和技術。適應真空電子工作環境的材料和工藝，是真空電子學的技術基礎。真空電子器件利用靜電控制、電子群聚激勵高頻場、氣體放電的高通導能力、電子束掃描、攝像和顯示等原理，在電子儀器和設備中起到整流、振蕩、放大、調製、檢波、頻率控制和光電變換等作用。在高真空條件下，應用電子束和離子束能進行無污染的加工和焊接。如今，以高頻率大功率電子管和電子束管為代表的真空電子學是一個活躍的領域。

傳統的真空電子學領域，通常追求更高的真空環境來保證器件的正常工作。隨著新材料、微加工等技術的飛速發展，我們可以從另一個視角來看待真空，以納米尺度核心區域，維持真空電子器件的高性能，並降低對真空獲得和維持的嚴格要求。

對於固態器件，在追求小尺寸的前提下，半導體材料的開發也在不斷發展，期望構建稀疏材料溝道，擁有高載流子遷移率和長載流子平均自由程，實現載流子在媒質中快速、高效、近似彈道的傳輸。

廣義真空電子學的科學內涵

無論是具有各種真空度的真空電子器件還是固態電子器件，理論上只要其關鍵特徵尺寸或者材料稀疏程度足以比擬或者小於電子平均自由程，也即電子在傳輸過程中基本不與其他粒子產生碰撞，或者碰撞幾率極小，就可將其視為一個廣義真空電子器件。從微觀角度認識真空電子器件，或者從真空角度認識固態電子器件，並深入交叉和廣泛滲透，將促進廣義真空電子學的形成和發展。

大氣中的廣義真空電子學

真空電子器件是指在真空中，由於電子或離子在電極間的傳輸而產生信號放大與轉換效應的有源器件，它的主要特點有：電子在真空中的運動速度可以被加速到接近光速，因而具有快速轉換功能；電子可以在很高的電壓和電流下工作，因而可以獲得高功率輸出。

真空電子器件在大功率領域具有應用優勢，然而在小型化、小功率和複雜功能應用領域的發展遇到了很大的困難。這是因為傳統真空電子管採用高溫熱陰極和真空密封限定的機械加工/裝配的尺寸大小和精度，難以實現系統集成。仔細比較真空電子器件和固態電子器件發現，擁有原理優勢的真空電子器件嚴重受阻於落後的加工手段。

真空電子器件實現微型化、集成化需要跨越三大障礙：機械加工和手工裝配分立器件模式，熱陰極功耗和加熱部件難以集成，以及器件工作所需要的高真空環境。歷史上有兩個重要的技術突破，推動了上述進程：一是用於大規模集成電路的微米級和納米級的微細加工技術日益成熟，並用於場致發射陰極電子源的加工，包括各種微納加工技術、微納米結構和納米材料，如全集成式真空三極體等；二是三維體加工微機電系統（MEMS）工藝技術用於高頻率真空器件的慢波結構加工，形成了集成高頻真空電子學，促進了器件微型化和集成化的實現。

近年來，迅速發展的微加工技術將特徵尺寸縮小到了真正意義上的納米量級，使得微納真空器件概念得以工藝實現。2012年NASA 艾姆斯研究中心借鑒參考場效應管和橫向真空三極體結構，提出了絕緣層隔離柵極結構的空氣通道晶體管概念，其絕緣層設計摒除了柵極截獲電子的可能性，並期望通過極大減小發射極和收集極之間的距離，將其間大氣環境視為真空代替半導體材料，用作電子傳輸通道，實現真空與微型化的完美結合。其電極之間距離設計期望10納米，初步實驗器件，利用投影光刻和等離子體灰化光刻膠技術實現收集極距離發射極120納米。該器件在大氣壓環境測試，工作電壓低於10伏，獲得截止頻率0.46太赫茲。作為原理性嘗試，該器件的設計和工藝還有較多需要改進和優化的部分，如發射材料、膜層厚度、電極形狀和位置等，以期將工作電壓降低為大約1伏，並實現更好的器件性能。

2012年匹茲堡大學的Hong Koo Kim研究小組也提出了真空通道金屬氧化物半導體（MOS）場效應晶體管的設計，它是一種垂直場發射結構，和Spindt微三極體不同的是，並非採用尖錐型場發射體，而代之以薄膜邊緣發射，其關鍵尺寸並非孔深，而是橫向的微米尺度量級，它的電極間距控制也不是靠微細加工線條或縫隙實現，而是依靠控制薄膜厚度，可以精準限定在20～30納米。這種設計結構的工作電壓可以低至0.5伏，在2伏工作電壓下通斷狀態電流比值大於500，在大氣測量環境，假定1納米厚度薄膜邊緣發射情況下得到的電流密度約為10萬安/平方厘米。這種結構得到的跨導較小，僅為20納西門子/微米，但該數值可以依靠改進陽極電子收集效率增至2微西門子/微米，並可通過改進結構設計進一步提高。

學術界認為這種新型真空納米電子器件有可能代替現有的MOS晶體管，實現高速開關和信號放大，真空集成電路也將和固態形成有力競爭。特別是在空間探索研究領域，真空納米電子器件和真空集成電路尤具優勢。固態電子器件由於體積小、重量輕、集成度高、電子效率高和無需預熱時間，在常態應用中相對真空器件優勢明顯，並且容易在航空航天工程領域佔據一席之地。然而幾十年來載人航天領域的失效分析表明，空間輻射粒子的累積會破壞納米尺度的固態器件，導致器件導通狀態電流降低，漏電流增加，甚至電路邏輯狀態混亂。雖然這種空間環境的瞬時損傷和累積損傷可以通過系統備份來抵禦，但對一些災難性損傷卻無能為力。這種固態器件電子故障嚴重阻礙了空間探索項目進程，甚至導致任務失敗，即使是使用當今最耐用的硅晶體管也不符合深空輻射要求，深空探測需要更好的半導體技術。而真空通道納米結構和傳統真空管基本功能相似，由於器件發射極和收集極之間是真空狀態，不存在任何形式的固態材料，因而不會受到電離輻射的損傷。

新型真空納米電子器件，能夠採用現有硅基工藝線製造，實現抗輻射、耐極端溫度和良好的電學性能，並有望通過引入碳化硅和石墨烯等先進材料，進一步提升性能。很多研究機構開始關注該器件和技術，並在器件原理、材料、工藝等方面進行跟蹤和深入研究。

上述兩種器件雖然結構截然不同，但有兩個革命性的共同特徵：一是器件特徵尺寸進入納米尺度，二是器件工作電壓小於10伏。器件關鍵特徵尺寸進入納米量級，絕不僅僅是尺寸的遞減，也不是簡單的類似固態微型器件到微納器件名稱的過渡。微加工的電極間距已經接近或小於大氣狀態分子平均自由程（約60納米），這意味著即使在大氣環境，電子在電極間傳輸也基本不碰撞氣體分子，電子通道可以「視為真空」。同樣，器件工作電壓從≤100伏量級降至≤10伏量級也不是簡單的數字遞減，它跨越了空氣分子第一電離能的壁壘，≤10伏的工作電壓，使電子能量全程小於空氣分子第一電離能，這意味著即使電子和氣體分子發生碰撞，氣體分子也基本不電離，器件工作過程可以「排除電離」。

這種基於先進微加工技術的微納器件，正在漸漸突破傳統真空電子器件的模式，將其帶入一個全新的研究領域，即在大氣環境中以傳統真空器件原理實現正常運行的模式，可以稱之為大氣中的真空電子學。大氣中的真空電子學，其理論精髓是「視為真空」和「排除電離」概念的貫徹，其核心依賴器件是以真空納米三極體為代表的真空微納電子器件，其終極目標是實現集成化大功率源或高速、抗輻射的大規模真空集成電路。

固體中的廣義真空電子學

1965年，摩爾定律提出，每隔18～24個月，集成電路上可容納元器件的數目增加一倍，性能隨之提升一倍。集成電路集成度的提高，主要依賴於以光刻和刻蝕技術為代表的微細加工技術能力的提高。為得到更小的特徵尺寸，開發了從不同波長光源的光學光刻到等效波長更短的非光學的電子束光刻、聚焦離子束光刻和X射線光刻技術；從單純濕法腐蝕到反應離子刻蝕、離子銑，以及高等離子體密度刻蝕的電子同步迴旋共振和電感耦合等離子體刻蝕技術。其他相關技術（如超薄層薄膜的生長和澱積、大束流和低能離子注入精密摻雜、淺結歐姆接觸和多層布線技術）的飛速發展也大大提高了微細加工能力。其典型加工尺寸，從20世紀60年代的大約50微米逐步減小，到2000年達到不足0.2微米，再發展到近年的納米尺度。即便如此，根據國際半導體路線圖委員會（ITRS）的評估，硅基互補金屬氧化物半導體（CMOS）晶體管即將在2020年達到其物理極限， 2015年，英特爾公司宣布會在7 納米技術節點放棄硅，尋找其他溝道替代材料，發展新的半導體集成電路技術。

除了加工技術，固態器件還受到物理學的限制。本質上，載流子固態傳輸必然會遭遇不停的晶格碰撞和雜質散射，從而破壞彈道傳輸，固態器件的結構和工作原理決定了它在功率和頻率上的發展限制。隨著半導體器件接近其材料的極限，以及相應微加工特徵尺寸降低難度加大，要想在性能上大幅提升已經越來越困難。

如何基於現有的製造技術，通過發展全新材料、探索全新原理，以獲得接近真空通道特性的全新固態電子器件，是極具發展前景的研究方向，這不僅是對現有固態器件的提升，更是對傳統真空器件領域的巨大擴展。雖然採用的是微電子技術，但是器件導電溝道這一核心部分卻與傳統固態器件不同，具有接近真空通道的特性，可以稱為「固體中的廣義真空電子學」。具體說來，自旋半導體材料、多鐵氧化物材料和拓撲晶體絕緣體等材料均可構建上述廣義真空電子學的工作特性。

（1）自旋電子器件

作為一種新型電子器件研究方向，自旋電子學是研究和利用電子自旋自由度來結合或者取代電荷自由度的一門學科，其主要研究目的就是替代傳統的晶體管，實現自旋晶體管。

自旋電子器件這一新技術，與基於電荷機制的半導體電子學器件的製造材料和方法有非常好的兼容性。在過去20年左右的時間裡，人們對於半導體自旋電子學的研究已經在器件設計、實驗手段和理論方法上取得了比較大的進展。2009年，Hyun Cheol Koo等人在InAs量子阱的非局域自旋閥結構中實現了Datta-Das自旋場效應晶體管。它利用門電壓對輸運過程中自旋在空間的進動進行了調控，從而實現了開關操作。

除此以外，單極自旋晶體管和熱電子自旋晶體管等結構也是自旋晶體管可能的方案，得到了一系列的研究成果。

在傳統半導體器件中，是利用載流子的電荷特徵來傳遞信息，而電子自旋由於隨機取向，並不攜帶信息。而自旋電子器件，則利用了電子自旋特性，通過操縱自旋來處理信息，因此其具有能耗低的優勢，更接近真空的導電特性，可以認為其屬於廣義真空電子學的研究範疇。

隨著各學科的交叉融合，新型多鐵氧化物、拓撲絕緣體和拓撲晶體絕緣體等新的凝聚態材料被逐步發現和研究。這些新材料，表現出了各自獨特的自旋相關的物理性質，也具有近似於真空特性的電子輸運性質。

（2）新型多鐵氧化物

2004年，Akira Ohtomo等人在《自然》雜誌上報道稱，發現了絕緣的多鐵氧化物LaAlO3/SrTiO3異質結構界面處具有較好導電特性准二維電子氣體，其低溫下遷移率非常高，可達1萬厘米-2伏-1秒-1，而且載流子密度比III-V族半導體異質結構的密度高出一個數量級。2006年，Stefan Thiel等人在此基礎上，探索了這種准二維電子氣體被用於製作高電子遷移率的場效應管的可能性。研究發現，當1 毫米厚SrTiO3襯底上的LaAlO3厚度大於3個單胞時，界面的電導率將顯著提升兩個數量級。為了探索柵極電壓對載流子輸運特性的影響，實驗中，測量了3個單胞厚度的樣品的電壓電流特徵曲線和溫度對面電阻的影響曲線。結果顯示，二維電子氣的電導率可以隨柵極電壓的變化改變7個數量級，充分說明多鐵氧化物異質結構具有製作場效應管的巨大潛力。這也給人們利用異質結構構建接近真空導電特性通道提供了有效途徑。分析認為，極性的不連續性是二維電子氣體存在的根本原因。當然，極性的反轉將引入更大的極性不連續，所以理論上說，這也是構建二維導電通道的可能方法。

2012年，研究人員利用多種表面測量方法觀察了HoMnO3鐵電材料極性反轉界面（鐵電疇疇壁）處的導電情況，結果表明，其疇壁處確實存在導電性能，後續的研究有必要進一步探索這種導電通道是否可被外加電場控制，從而實現新型晶體管的工作特性。

上述研究表明，利用鐵電材料異質結構的極性不連續性，可以構築載流子遷移率極高、電導率極高的導電通道，與傳統半導體溝道相比，其導電特性具有更大的優勢，更接近真空導電特性，載流子在其中輸運受到的散射影響更小。

（3）拓撲絕緣體和拓撲晶體絕緣體

除了上述氧化物材料，拓撲絕緣體等材料也受到了科學界的廣泛關注。2006年，張首晟研究組提出了拓撲絕緣體材料，其主要特點就是有可能實現無能耗的電子器件。利用基於拓撲絕緣體概念的量子自旋霍爾效應、量子反常霍爾效應以及Majorana費米子等新奇特性，將有望幫助實現新一代的計算機晶元。

隨著科學家們對拓撲絕緣體研究的深入，2011 年，另外一種同樣具有拓撲性質的新一代材料體系——拓撲晶體絕緣體被提出。拓撲晶體絕緣體具有更加豐富的物理性質，尤其是可以實現電場控制的量子自旋霍爾效應。

2014年，清華大學物理系將三維拓撲晶體絕緣體的概念推廣到二維，提出了由鏡面對稱性保護的二維絕緣體的新型拓撲相，並證明這種新型的拓撲相可以在SnTe和PbxSn1-xSe(Te)的（001）薄膜實現。這種新型的拓撲材料，其體能帶具有能隙，但是在邊緣上存在由（001）鏡面對稱性保護的具有自旋過濾性質的邊緣態。更為重要的是，利用垂直於薄膜的電場，就可以破壞體系的鏡面對稱性，從而在邊緣態上產生一個電場調控的能隙。利用這種奇異的特性，此研究提出了一種新型晶體管，稱之為拓撲晶體管。

晶體管是所有現代電器的基本元件之一。傳統的晶體管是基於p型和n型半導體材料組成的pn結而形成的，實現晶體管的開/關狀態需要涉及電子和空穴兩種載流子在材料中的運動和相互複合湮滅，在這個過程中會產生大量的廢熱，既浪費能量，又影響電子器件集成度的進一步提高；另外，由於電子和空穴在材料中的運動速度有一定的限制，因而在超高頻的情況下，傳統晶體管的應用將受到極大的限制。

而在拓撲晶體管中，電荷輸運和自旋輸運極大地糾纏在一起，並且可以被外加電場同時調控。由於拓撲晶體管的工作原理與傳統晶體管的實現原理完全不同，其開/關狀態並不需要實現n型電子和p型電子的複合，因而可以在拓撲晶體管中實現很高的開關速度，同時能耗很低。因此，這同樣是構建具有真空特性的導電通道的全新方法。拓撲晶體管在自旋電子學、信息高速公路和拓撲量子計算等領域有著十分重要的意義。

致謝：感謝國家重大科學研究計劃課題「基於納米冷陰極的新型真空微納電子器件的基礎問題研究」（課題編號：2013CB933602）的支持。

專家簡介

馮進軍、李興輝、胡健楠、蔡軍：北京真空電子技術研究所，微波電真空器件國家重點實驗室。

微波電真空器件國家重點實驗室是國內真空電子學領域唯一的國家級重點實驗室，研究領域主要有毫米波及太赫茲真空電子器件、毫米波空間行波管、量子頻標器件、迴旋器件以及相關的微波管CAD技術、大電流密度陰極技術、新工藝新材料研究等，是真空電子學領域前沿科學和基礎科學研究基地，技術創新、集成創新基地和高水平人才培養基地，和國內外高等院校和科研機構、工業部門有良好的合作關係，在國際真空電子學領域具有重要影響力。實驗室建立了國際一流的研發平台，具有國內唯一的電真空器件專用微加工工藝線，承擔多項國家項目及國際合作項目，正在真空微電子、微型真空電子器件和真空微納技術等前沿領域開展創新研究。

>>>本文為原創，轉載請回復。

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