【真空微电子学】
拼译：vacuum microelectronics
是80年代出现的一门新学科，这个术语首次出现于1988年在美国威廉斯堡召开的第1届国际会议上。有人认为，它是继传统电真空器件和固体器件的第3代器件。它利用场发射冷阴极和真空管技术以及半导体微细加工技术发展起来的一种新型微电子器件。这种新型微电子器件不像传统的真空管要求很高的真空度，因为阴极到阳极的距离做到了等于或小于电子与气体分子的平均碰撞自由程。与半导体器件相比，由于电子在半导体中运动受到了光学和声学模散射的影响，这就把电子的速度限制在大约3×107cm／s，而电子在真空中的运行速度约为103cm／s，接近光速。所以，就其速度来说，真空微电子器件比最快的固体器件(GaAs、InP)还要快20倍。这种器件的突出优点是能在极高和极低温度下正常工作，此外，还有良好的抗辐射性能，这在军事应用方面具有重要意义。
第1只真空场发射微电子器件是由美国海军实验室Henry F．Guay于1986年首先研制成功的。真空微电子器件是利用IC工艺在Si片上制作许多亚微米量级发射电流密度极大的冷阴极锥，锥尖高度为h，尖部曲率半径为r，锥尖距阳极的距离为d，并与栅极孔同心，且在同一平面上，栅孔半径为a。当栅极上施加一个正电压时，锥尖表面就产生一个电场，若场强大于5×107V／cm时，就足以使电子从金属内部穿出表面而进入真空中。锥尖电场以及由此发射出的电子数量是由栅压来控制的。设计真空微电子器件时，要着重考虑以下3个方面：1．真空度。阴极－阳极的距离要小于或等于电子与残余气体分子碰撞的平均自由程λe，即d≤λe，根据气体动力学理论，当T=300K，P=760托时，
Pc(碰撞几率)。这说明在大气压力下，工作状态的器件不存在离化现象。这时可把器件看作是真空管。λe的数值表示阴极到阳极的最大距离(d)。为了使栅极对阴极锥尖电场进行有效的控制，栅极－阳极之间的绝缘层厚度(d)以做到0．1μm为宜。现在的加工技术，可以把(d)以做到0．5μm，由此可以求出器件在133．32Pa下，可以达到良好的工作状态。2．电击穿。设计真空微电子器件要考虑的另一个问题是栅极－阳极间的击穿问题。为了防止击穿，应满足以下方程Ea=
，当场强Ea大于5×105V时，就会产生电击穿。当d=0．5μm，Vd=20V，Vg=10V时，则Ea=2×105V／cm，这个数值对真空微三极管是实用的。在半导体材料(GaAs，InP，Si)中，其最大漂移速度小于3×107cm／s，若以这样的速度穿过0．5μm沟道的最小渡越时间为t=2．5×10－12s，因锥尖周围的电场最强，所以用该式求得的结果要偏大些。当d=0．5μm，Va=20V，可求出t=3．8×10－19s。由此可知，漂移速度和渡越时间都是阳极电压(Va)的函数，而场发射所要求的最小工作电压取决于器件的几何形状(γ，a和d)。3．功率容量。真空微电子器件在实际应用中，人们最感兴趣的是阴极发射的总电流，而不是电流密度。尽管场发射冷阴极锥尖的发射电流密度极大(1000A／cm2)，但每个锥尖的发射电流目前只能做到30～40μA，所以，通常场发射真空微电子器件都做成阵列式。场发射阵列与固体电路相似，采用微细加工方法可以做成大规模真空微三极管阵列。美国海军实验室(NRL)制做的采用斯坦福研究所(SRI)的冷阴极场发射三极管，是在直径为250μm的面积上制作了1000个阴极锥，其电流可达405A。在低频下测得的高频电压增益为11dB，工作频率为2MHz，其典型跨导值为380μs。目前真空微三极管正在努力研究增加器件的跨导(gm)值和截止频率(ft)，例如把锥尖中心距离缩小到2μm，则器件的跨导值就可达2．5ms／mm；又如采用热氧化成形阴极可把工作电压减小到原来的1／3，而器件的跨导值可增加到7．5ms／mm；此外，在阴极上通过采用低功函数涂敷材料，可使器件的跨导值至少增加到10ms／mm。用楔形阴极取代锥形阴极，发射面积至少可增加50倍。从目前看来，gm值有可能达到250ms／mm。综上所述，人们正在通过把阴极氧化层厚度增加到2μm，并采用楔形阴极和低功函数阴极材料，则器件的截止频率就能达到100GHz。那么，这种真空微三极管就可与某些先进的固体器件相比拟了。N．E．McGruer等为了进一步提高工作频率，现在正在研制一种真空微电子微带放大器(VMMA)。它的阴极为楔形场发射结构，单位长度上的电流为1A／mm，加速电压为400V。预计频率可达1THz。这种器件的工作原理与速调管相似。因为电子并不是收集在输出微带线上，而是在上面感应出一个电流，这样频率响应能得到很大改善，可以断言，把收集电子的阳极和输出微带线分开的真空微电子微带放大器有可能把频率提高到1THz，且输出功率较大。有些科学家认为，真空微电子器件是传统真空管的复兴。需要指出的是，虽然它们的原理相似，但工作状态却不同。标准真空管是通过控制其场发射率来控制电流的，阴极受热而产生电子。然后在阳极电压的加速下达到阳极，加速电子在栅压的调制下控制其电流。而在场发射真空管中，栅压只是通过改变阴极的场结构，进而控制发射电流的。另外，真空微电子学和固体微电子学相比也有较大差异。当前真空微电子学研究的焦点是发射阴极形状和材料。实验证明，FEA的尺寸越小，发射阴极的热稳定性就越好，而且所使用的电压越低。目前FEA的临界电压只有10～20V。因为工作电压低，不但避免了烧毁场发射阴极，而且也不存在电子碰撞电离和离子溅射。此外场发射阴极发射的电流稳定性好，寿命长，通常可达8万h以上。多次实验证明，场发射的形状做成埃菲尔塔形最为理想。FEA所能达到的最大电流密度Imax=108(A／cm2)，与电压无关。对功函数为4．5eV的材料来说，锥尖所要求的电场Emax=5×107(V／cm)。理论上所能达到的最大电流Imax=4×10－8／V2，它表示最大电流和栅压的关系。如果用SiO2或Si3N4作阴－栅极间的介质材料，则不难求出发射锥高h和锥尖曲率半径r的关系。以上分析不仅确定了FEA的理论极限，而且还确定了器件的几何尺寸。FEA器件的理论截止频率(f1)可达f1=3．6×10″(Hz)
关于发射阴极材料的研究，虽然Spindt和Gray等人取得了明显进展，但如何制造中规模FEA以及用什么材料制造是最为重要的。这里仅对场发射材料和栅极材料作一简要介绍。难熔金属硅化物，如WSi2、MoSi2、TaSi2，由于它们有很高的电导率，只要通过900℃左右烧结，难熔金属就能沉积在Si发射阴极上并与固体发生反应，而且它们结它强度非常高。实验证明，它与难熔金属碳化物一样是很好的场发射材料。真空微电子学涉及的领域很广，从平板显示、亚毫米发生器直至新型电子束曝光设备。此外，还可以制成各种研究表面现象的科学仪器，如研究吸附和表面迁移的场发射显微镜和原子探针。最近随着扫描隧道显微镜(STM)的问世，为进一步探索不同环境下表面原子能级开辟了一条新途径。【参考文献】：1 Ivor Brodie．IEEE Trans ED，1989，36(11)∶26412 Orvis W J，et al．IEEE Trans ED，1989，36(11)∶26513 Lee R A，et al．IEEE Trans ED，1989，36(11)∶27034 Gree R F．The 35th IEDM，1989，155 Neidert R E，et al．IEEE Trans ED，1991，38(3)∶661(电子部十三所苏世民高级工程师撰)