| 单词 | 真空微电子学 |
| 释义 | 【真空微电子学】 拼译：vacuum miicroelectronics 是1988年6月13～15日在美国弗吉尼亚州举行的第1届真空微电子学国际会议时提出的一门新兴学科。 20世纪20年代初，人们发现了Rocky Point效应，导致对场致发射现象进行深入的理论和实验研究。1926年，Gossling发表了为解释上述现象所作的假设。1928年，英国剑桥大学的Fowler和Nordheim从理论上利用量子力学的隧道效应研究场致发射现象，给出了著名的确定尖端处场致发射电流密度的F－N方程。30年代初，利用各种实验技术证实F－N理论的实验研究十分活跃。当时有两派，一派用点与面(Point-to-Plane)的几何结构进行实验研究，另一派用面与面(Plane-to-Palne)的几何结构。直到1936年Mueller制成了单晶的尖端后，才从实验上定量地证实了F－N理论。但是由于利用普通单晶尖端的场致发射存在着许多难以克服的困难，如引出极需加2～20kV的高压，电子发射的不稳定性，真空度要求非常高(低于133×10－14Pa)，为获得高电流和高电流密度所要求的阴极阵列，制造很困难，并且难以使得每个发射尖端具有相同的场的转换因子等等；又加之这个时期半导体学说的高速发展和晶体管的出现，使得真空电子学的研究和发展与固体电子学领域的研究和发展相比，相形见绌。虽然真空管有耐高温和抗辐射的优点，可对大多数实际的近代应用来说，体积太大(比固态器件大几个量级)、速度太慢。因此随着半导体和集成电路出现，真空管一度便从电子学中逐渐消失。但是固态器件对高温和辐射是很灵敏的，后又激起了对微型真空器件的兴趣。因为这是一种新颖的小型化真空管，它与传统的真空管不同，不是采用热阴极产生电子流的原理(热电发射原理)，而是采用一种所谓冷阴极的场致发射原理。这种小型化真空管既与传统的真空管一样，具有耐高温和抗辐射的优点，又由于其大小是微米级的，因而速度比相同体积的固态器件要快得多。早在1957年，美国国际空间研究所(SRI)就开始了真空微电子学的研究。1961年该所的Shoulders提出场致发射真空微型三极管的研究，并于1968年由该所的Spindt制造出来。它的阴极是一个在蓝宝石衬底上有钼－铝氧化钼薄膜的层状结构，有随机或规则的微米级大小的小孔阵列，每个小孔有一个钼的场致发射锥体，在每平方厘米的面积上可以作出5×104个小孔，在层状结构上加20～200V电压时，就有场致发射发生。1974年Westinghouse研究实验室的Thomas用单晶硅衬底靠选择浸蚀技术制造出直径为3cm的大面积的尖形场致发射体阵列，密度可达到1．5×105尖端／cm2。1976年Spindt又利用薄膜技术和电子束微型平板印刷术制作场致发射阴极，所作成的钼的锥体阵列密度达到6．4×105锥体／cm2，锥体高度为1．5μm，尖端半径约为50nm，每个锥体能发射的最大电流为50～150μA，所加电压为100～300V，工作气压为133×109Pa，平均电流密度为10Acm2。对100个锥体的阵列和总发射电流为2μA(或电流密度为3A／cm2)的条件下所进行的寿命试验，寿命超过7000h。1983年Spindt等人又报道了SRI对场致发射阴极阵列的研究计划。他们致力于改进工艺，提高均匀性和增加发射体尖端阵列密度，并探索高电流密度运用。1988年6月，第1届真空微电子学国际会议召开后，正如美国海军研究实验室的Grag和Spindt认为：一种高电流密度的金属场致发射体阵列(FEA)和→个以FEA为基础的硅平面晶体三极管的成功实现，标志着真空微电子学的形成。Brodie认为，有4个技术领域的发展促使真空微电子学的诞生，即：热离子真空管→热离子发射→真空击穿→场致发射→真空微电子学；固体器件→集成电路→微细加工工艺技术→材料工艺技术→真空微电子学；显微镜→光(10－6m)→电子(10－8m)→场离子(10－10m)→隧道效应(10－10m)→真空微电子学；有生命的细胞的科学→分子工程→真空微电子学。总之科学家们把1988年6月在美国召开的首届真空微电子学国际会议看作是真空微电子学这门新学科诞生的标志。在第1届和第3届两次真空微电子学国际会议期间，各国科学家们从材料和制造技术上致力于提高场致发射体阵列和器件的性能。包括硅尖覆难熔金属，减小尺寸和发射体尖端的半径，提高阵列集成密度，使用新的结构和不同材料等方面进行了深入的研究工作，使得场致发射体阵列和器件的制作技术和性能达到很高的水平。具体成果在第3届真空微电子学国际会议上所发表的文章中有充分的反映。因此Adler和Spindt等人指出：在这次会议上提供的各种微米大小的场致发射体阵列是真空微电子学发展历史上的一个转折点。目前具有代表性的研究水平是：Spindt等人(1991)所研制的场致发射体阵列，封装密度达到1．5×107尖端／cm2，整个阵列面积的直径从10μm到12．5cm，电流密度达到100～1000A／cm2，跨导50S／cm2，寿命8年。Adler等人(1991)研制的低压薄膜场致发射体阵列，在门极与发射体之间的电压为20V时，就可观察到场致发射，在30V时，有300nA／尖端的稳定发射。Ghis等人(1991)将场致发射体阵列作成平板荧光显示的结构，表明具有高分辨率、高亮度和低功率的特性。Holland(SRI)等人(1991)利用Spindt型的场致发射阴极研制了真空微电子场致发射三极管(VMFET，S)，截止频率达到100Hz。日本富士通公司元器件技术实验室的Keiichi betsui(1991)用干法刻蚀和自对准沉积工艺制作的阵列尖端的曲率半径小于20nm，集成密度为6．25×106尖端／cm2，门极孔径2μm，阳极偏压600V，门极电压100V时，单尖发射电流5μA；最大单尖发射电流可达50μA。近几年来，真空微电子学已有很大的进展，但相应的理论、技术和实际应用还需进一步探索和提高。90年代的研究重点应是：(1)利用不同材料、结构和制作技术研制性能理想的FEA器件；(2)对真空微电子器件的器件原理和微观机理的研究；(3)对真空微电子器件可能实现的各种应用的研究。【参考文献】：1 CosslingBS. Phil Mag, 1926,1:6002 Spindt C A, et al. Appl Surf Sci,1983,16:2683 GrarHF.etal. IEEE Trans ED,1989,11(36) : 26364 Adler E A,et al. IEEE. Traus ED,1991,38(10):22755 Spindt C A, et al, IEEE Trans, ED, IEEE Traus ED. ,1991,38(10),23356 AdlerEA, et al. IEEE Trans ED,1991,38(10) :23047 Ghis A, etal. IEEE Trans. ED,1991,38(10):23208 Holland CE, et al. IEEE. Trans. ED, 1991,38(10),23689 Keiichi Betsui. Tech. Digest of 4th Int' 1 Vacuum Microeiec(西安电子科技大学过巳吉教授撰) |
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