广义真空电子学

传统的真空电子学领域，通常追求更高的真空环境来保证器件的正常工作。随着新材料、微加工等技术的飞速发展，我们可以从另一个视角来看待真空，以纳米尺度核心区域，维持真空电子器件的高性能，并降低对真空获得和维持的严格要求。

对于固态器件，在追求小尺寸的前提下，半导体材料的开发也在不断发展，期望构建稀疏材料沟道，拥有高载流子迁移率和长载流子平均自由程，实现载流子在媒质中快速、高效、近似弹道的传输。

▲广义真空电子学的科学内涵

无论是具有各种真空度的真空电子器件还是固态电子器件，理论上只要其关键特征尺寸或者材料稀疏程度足以比拟或者小于电子平均自由程，也即电子在传输过程中基本不与其他粒子产生碰撞，或者碰撞几率极小，就可将其视为一个广义真空电子器件。从微观角度认识真空电子器件，或者从真空角度认识固态电子器件，并深入交叉和广泛渗透，将促进广义真空电子学的形成和发展。

大气中的广义真空电子学

真空电子器件是指在真空中，由于电子或离子在电极间的传输而产生信号放大与转换效应的有源器件，它的主要特点有：电子在真空中的运动速度可以被加速到接近光速，因而具有快速转换功能；电子可以在很高的电压和电流下工作，因而可以获得高功率输出。

真空电子器件在大功率领域具有应用优势，然而在小型化、小功率和复杂功能应用领域的发展遇到了很大的困难。这是因为传统真空电子管采用高温热阴极和真空密封限定的机械加工/装配的尺寸大小和精度，难以实现系统集成。仔细比较真空电子器件和固态电子器件发现，拥有原理优势的真空电子器件严重受阻于落后的加工手段。

真空电子器件实现微型化、集成化需要跨越三大障碍：机械加工和手工装配分立器件模式，热阴极功耗和加热部件难以集成，以及器件工作所需要的高真空环境。历史上有两个重要的技术突破，推动了上述进程：一是用于大规模集成电路的微米级和纳米级的微细加工技术日益成熟，并用于场致发射阴极电子源的加工，包括各种微纳加工技术、微纳米结构和纳米材料，如全集成式真空三极管等；二是三维体加工微机电系统（MEMS）工艺技术用于高频率真空器件的慢波结构加工，形成了集成高频真空电子学，促进了器件微型化和集成化的实现。

近年来，迅速发展的微加工技术将特征尺寸缩小到了真正意义上的纳米量级，使得微纳真空器件概念得以工艺实现。2012年NASA 艾姆斯研究中心借鉴参考场效应管和横向真空三极管结构，提出了绝缘层隔离栅极结构的空气通道晶体管概念，其绝缘层设计摒除了栅极截获电子的可能性，并期望通过极大减小发射极和收集极之间的距离，将其间大气环境视为真空代替半导体材料，用作电子传输通道，实现真空与微型化的完美结合。其电极之间距离设计期望10纳米，初步实验器件，利用投影光刻和等离子体灰化光刻胶技术实现收集极距离发射极120纳米。该器件在大气压环境测试，工作电压低于10伏，获得截止频率0.46太赫兹。作为原理性尝试，该器件的设计和工艺还有较多需要改进和优化的部分，如发射材料、膜层厚度、电极形状和位置等，以期将工作电压降低为大约1伏，并实现更好的器件性能。

2012年匹兹堡大学的Hong Koo Kim研究小组也提出了真空通道金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管的设计，它是一种垂直场发射结构，和Spindt微三极管不同的是，并非采用尖锥型场发射体，而代之以薄膜边缘发射，其关键尺寸并非孔深，而是横向的微米尺度量级，它的电极间距控制也不是靠微细加工线条或缝隙实现，而是依靠控制薄膜厚度，可以精准限定在20～30纳米。这种设计结构的工作电压可以低至0.5伏，在2伏工作电压下通断状态电流比值大于500，在大气测量环境，假定1纳米厚度薄膜边缘发射情况下得到的电流密度约为10万安/平方厘米。这种结构得到的跨导较小，仅为20纳西门子/微米，但该数值可以依靠改进阳极电子收集效率增至2微西门子/微米，并可通过改进结构设计进一步提高。

学术界认为这种新型真空纳米电子器件有可能代替现有的MOS晶体管，实现高速开关和信号放大，真空集成电路也将和固态形成有力竞争。特别是在空间探索研究领域，真空纳米电子器件和真空集成电路尤具优势。固态电子器件由于体积小、重量轻、集成度高、电子效率高和无需预热时间，在常态应用中相对真空器件优势明显，并且容易在航空航天工程领域占据一席之地。然而几十年来载人航天领域的失效分析表明，空间辐射粒子的累积会破坏纳米尺度的固态器件，导致器件导通状态电流降低，漏电流增加，甚至电路逻辑状态混乱。虽然这种空间环境的瞬时损伤和累积损伤可以通过系统备份来抵御，但对一些灾难性损伤却无能为力。这种固态器件电子故障严重阻碍了空间探索项目进程，甚至导致任务失败，即使是使用当今最耐用的硅晶体管也不符合深空辐射要求，深空探测需要更好的半导体技术。而真空通道纳米结构和传统真空管基本功能相似，由于器件发射极和收集极之间是真空状态，不存在任何形式的固态材料，因而不会受到电离辐射的损伤。

新型真空纳米电子器件，能够采用现有硅基工艺线制造，实现抗辐射、耐极端温度和良好的电学性能，并有望通过引入碳化硅和石墨烯等先进材料，进一步提升性能。很多研究机构开始关注该器件和技术，并在器件原理、材料、工艺等方面进行跟踪和深入研究。

上述两种器件虽然结构截然不同，但有两个革命性的共同特征：一是器件特征尺寸进入纳米尺度，二是器件工作电压小于10伏。器件关键特征尺寸进入纳米量级，绝不仅仅是尺寸的递减，也不是简单的类似固态微型器件到微纳器件名称的过渡。微加工的电极间距已经接近或小于大气状态分子平均自由程（约60纳米），这意味着即使在大气环境，电子在电极间传输也基本不碰撞气体分子，电子通道可以“视为真空”。同样，器件工作电压从≤100伏量级降至≤10伏量级也不是简单的数字递减，它跨越了空气分子第一电离能的壁垒，≤10伏的工作电压，使电子能量全程小于空气分子第一电离能，这意味着即使电子和气体分子发生碰撞，气体分子也基本不电离，器件工作过程可以“排除电离”。

这种基于先进微加工技术的微纳器件，正在渐渐突破传统真空电子器件的模式，将其带入一个全新的研究领域，即在大气环境中以传统真空器件原理实现正常运行的模式，可以称之为大气中的真空电子学。大气中的真空电子学，其理论精髓是“视为真空”和“排除电离”概念的贯彻，其核心依赖器件是以真空纳米三极管为代表的真空微纳电子器件，其终极目标是实现集成化大功率源或高速、抗辐射的大规模真空集成电路。 

固体中的广义真空电子学

1965年，摩尔定律提出，每隔18～24个月，集成电路上可容纳元器件的数目增加一倍，性能随之提升一倍。集成电路集成度的提高，主要依赖于以光刻和刻蚀技术为代表的微细加工技术能力的提高。为得到更小的特征尺寸，开发了从不同波长光源的光学光刻到等效波长更短的非光学的电子束光刻、聚焦离子束光刻和X射线光刻技术；从单纯湿法腐蚀到反应离子刻蚀、离子铣，以及高等离子体密度刻蚀的电子同步回旋共振和电感耦合等离子体刻蚀技术。其他相关技术（如超薄层薄膜的生长和淀积、大束流和低能离子注入精密掺杂、浅结欧姆接触和多层布线技术）的飞速发展也大大提高了微细加工能力。其典型加工尺寸，从20世纪60年代的大约50微米逐步减小，到2000年达到不足0.2微米，再发展到近年的纳米尺度。即便如此，根据国际半导体路线图委员会（ITRS）的评估，硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管即将在2020年达到其物理极限， 2015年，英特尔公司宣布会在7 纳米技术节点放弃硅，寻找其他沟道替代材料，发展新的半导体集成电路技术。

除了加工技术，固态器件还受到物理学的限制。本质上，载流子固态传输必然会遭遇不停的晶格碰撞和杂质散射，从而破坏弹道传输，固态器件的结构和工作原理决定了它在功率和频率上的发展限制。随着半导体器件接近其材料的极限，以及相应微加工特征尺寸降低难度加大，要想在性能上大幅提升已经越来越困难。

如何基于现有的制造技术，通过发展全新材料、探索全新原理，以获得接近真空通道特性的全新固态电子器件，是极具发展前景的研究方向，这不仅是对现有固态器件的提升，更是对传统真空器件领域的巨大扩展。虽然采用的是微电子技术，但是器件导电沟道这一核心部分却与传统固态器件不同，具有接近真空通道的特性，可以称为“固体中的广义真空电子学”。具体说来，自旋半导体材料、多铁氧化物材料和拓扑晶体绝缘体等材料均可构建上述广义真空电子学的工作特性。

（1）自旋电子器件

作为一种新型电子器件研究方向，自旋电子学是研究和利用电子自旋自由度来结合或者取代电荷自由度的一门学科，其主要研究目的就是替代传统的晶体管，实现自旋晶体管。

自旋电子器件这一新技术，与基于电荷机制的半导体电子学器件的制造材料和方法有非常好的兼容性。在过去20年左右的时间里，人们对于半导体自旋电子学的研究已经在器件设计、实验手段和理论方法上取得了比较大的进展。2009年，Hyun Cheol Koo等人在InAs量子阱的非局域自旋阀结构中实现了Datta-Das自旋场效应晶体管。它利用门电压对输运过程中自旋在空间的进动进行了调控，从而实现了开关操作。

除此以外，单极自旋晶体管和热电子自旋晶体管等结构也是自旋晶体管可能的方案，得到了一系列的研究成果。

在传统半导体器件中，是利用载流子的电荷特征来传递信息，而电子自旋由于随机取向，并不携带信息。而自旋电子器件，则利用了电子自旋特性，通过操纵自旋来处理信息，因此其具有能耗低的优势，更接近真空的导电特性，可以认为其属于广义真空电子学的研究范畴。

随着各学科的交叉融合，新型多铁氧化物、拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体等新的凝聚态材料被逐步发现和研究。这些新材料，表现出了各自独特的自旋相关的物理性质，也具有近似于真空特性的电子输运性质。

（2）新型多铁氧化物

2004年，Akira Ohtomo等人在《自然》杂志上报道称，发现了绝缘的多铁氧化物LaAlO₃/SrTiO₃异质结构界面处具有较好导电特性准二维电子气体，其低温下迁移率非常高，可达1万厘米^-2伏^-1秒^-1，而且载流子密度比III-V族半导体异质结构的密度高出一个数量级。2006年，Stefan Thiel等人在此基础上，探索了这种准二维电子气体被用于制作高电子迁移率的场效应管的可能性。研究发现，当1 毫米厚SrTiO₃衬底上的LaAlO₃厚度大于3个单胞时，界面的电导率将显著提升两个数量级。为了探索栅极电压对载流子输运特性的影响，实验中，测量了3个单胞厚度的样品的电压电流特征曲线和温度对面电阻的影响曲线。结果显示，二维电子气的电导率可以随栅极电压的变化改变7个数量级，充分说明多铁氧化物异质结构具有制作场效应管的巨大潜力。这也给人们利用异质结构构建接近真空导电特性通道提供了有效途径。分析认为，极性的不连续性是二维电子气体存在的根本原因。当然，极性的反转将引入更大的极性不连续，所以理论上说，这也是构建二维导电通道的可能方法。

2012年，研究人员利用多种表面测量方法观察了HoMnO₃铁电材料极性反转界面（铁电畴畴壁）处的导电情况，结果表明，其畴壁处确实存在导电性能，后续的研究有必要进一步探索这种导电通道是否可被外加电场控制，从而实现新型晶体管的工作特性。

上述研究表明，利用铁电材料异质结构的极性不连续性，可以构筑载流子迁移率极高、电导率极高的导电通道，与传统半导体沟道相比，其导电特性具有更大的优势，更接近真空导电特性，载流子在其中输运受到的散射影响更小。

（3）拓扑绝缘体和拓扑晶体绝缘体

除了上述氧化物材料，拓扑绝缘体等材料也受到了科学界的广泛关注。2006年，张首晟研究组提出了拓扑绝缘体材料，其主要特点就是有可能实现无能耗的电子器件。利用基于拓扑绝缘体概念的量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应以及Majorana费米子等新奇特性，将有望帮助实现新一代的计算机芯片。

随着科学家们对拓扑绝缘体研究的深入，2011 年，另外一种同样具有拓扑性质的新一代材料体系——拓扑晶体绝缘体被提出。拓扑晶体绝缘体具有更加丰富的物理性质，尤其是可以实现电场控制的量子自旋霍尔效应。

2014年，清华大学物理系将三维拓扑晶体绝缘体的概念推广到二维，提出了由镜面对称性保护的二维绝缘体的新型拓扑相，并证明这种新型的拓扑相可以在SnTe和Pb_xSn_1-xSe(Te)的（001）薄膜实现。这种新型的拓扑材料，其体能带具有能隙，但是在边缘上存在由（001）镜面对称性保护的具有自旋过滤性质的边缘态。更为重要的是，利用垂直于薄膜的电场，就可以破坏体系的镜面对称性，从而在边缘态上产生一个电场调控的能隙。利用这种奇异的特性，此研究提出了一种新型晶体管，称之为拓扑晶体管。

晶体管是所有现代电器的基本元件之一。传统的晶体管是基于p型和n型半导体材料组成的pn结而形成的，实现晶体管的开/关状态需要涉及电子和空穴两种载流子在材料中的运动和相互复合湮灭，在这个过程中会产生大量的废热，既浪费能量，又影响电子器件集成度的进一步提高；另外，由于电子和空穴在材料中的运动速度有一定的限制，因而在超高频的情况下，传统晶体管的应用将受到极大的限制。

而在拓扑晶体管中，电荷输运和自旋输运极大地纠缠在一起，并且可以被外加电场同时调控。由于拓扑晶体管的工作原理与传统晶体管的实现原理完全不同，其开/关状态并不需要实现n型电子和p型电子的复合，因而可以在拓扑晶体管中实现很高的开关速度，同时能耗很低。因此，这同样是构建具有真空特性的导电通道的全新方法。拓扑晶体管在自旋电子学、信息高速公路和拓扑量子计算等领域有着十分重要的意义。 

致谢：感谢国家重大科学研究计划课题“基于纳米冷阴极的新型真空微纳电子器件的基础问题研究”（课题编号：2013CB933602）的支持。 

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