几十年来 ， NASA 在载人航天和机器人领域探索中经历了各种类型的固态电子器件失效问题 ， 外太空探索所面临的挑战远远超出常人想象 。
传统固态电子器件具有尺寸小、重量轻、更耐用、集成度高、另预热时间、电流效率大等众多优点 ， 这也是为什么固态电子器件在航空航天工程中能够占据一席之地 ， 而且在陆地应用领域更是重中之重 ， 但是 ， 在太空领域 ， 诸如宇宙辐射、太阳耀斑、大幅度温差等等恶劣条件 ， 即便是耐用的硅晶体管也不能很好的胜任 。
【晶体管|太空应用领域的曙光！NASA展示纳米级互补真空场发射晶体管】为了能够让晶体管满足外太空领域的需求 ， 多年来 ， NASA 靠创建备份系统以及其他措施来保证正常运行 ， 另外 ， NASA 还与众多机构进行合作 ， 比如国防先期研究计划局和美国国防部开发替代技术 ， 如砷化镓、氮化镓 。
为了克服电子器件失效的难题 ， 位于加利福尼亚州硅谷 NASA 艾姆斯研究中心的高级科学家 Jin-Woo Han 希望利用真空电子管原理研究出新型的晶体管 。
近日 ， Jin-Woo Han 和他的同事 Meyya Meyyappan、Myeong-Lok Seol 和 Jungsik Kim 一起设计了纳米级互补真空场发射晶体管 ， 即 VFET 。
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图 │ Jin-Woo Han（来源：NASA）
这种新型晶体管的优势是什么？
VFET 全称真空场发射三极管 ， 也叫作纳米级真空沟道晶体管 ， 它没有半导体沟道 ， 在源极端子和漏极端子之间存在有一个空的间隙 ， 电子穿过这个空隙 ， 这样的设计融合了真空电子器件和固态电子器件的优点 。
VFET 器件在真空环境下具备很好的栅控特性以及场发射特性 ， 同时还具备在大气环境中的电学性能 ， 也就是说它可在大气压下工作而无需真空 ， 但为了能够更加稳定可靠地工作运行 ， 需要中等真空度 ， 例如几百毫托 。 另外 ， 这些 VFET 最低可在 2V 驱动电压下运行 ， 这种特性在真空电子设备算是首次 。
设计过程中所面临的挑战？
在常规的金属氧化物半导体场效应晶体管中分别具有 N 型和 P 型器件 ， 即 NMOS 和 PMOS 。 这很容易实现 ， 因为半导体可以采用任何一种方式进行掺杂 。 这两种类型的可用性允许在两个器件成对工作的情况下构造 CMOS 。
当连接到公共输入电压时 ， 它们以相反的方式工作：当一个晶体管导通时 ， 另一个晶体管截止 。 由于在沟道中没有用于掺杂的半导体材料 ， 也没有可能制造 P 型器件的空穴 ， 因此 VFET 的互补操作无法实现 。
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图 │ CVFET 的致动方式和电子发射轨迹的示意图（来源：Meyya Meyyappan）
针对这一难题 ， Jin-Woo Han 和他的同事们进行了重新设计 。 真空设备中载流子的主要源是电子 ， 这是源电极中场发射产生的 。 在没有漏洞的情况下 ， 便需要一种外部机制来调用互补操作（如上图所示） 。
此处的机制是栅极的纳米机电（NEM）致动 ， 可调制真空沟道的长度 ， 从而调节电子在栅极电压下跨源 - 漏沟道的传输 ， 形成较短的真空通道长度 ， 并且正输入电压接通 N 型器件 ， 负输入电压接通 P 型器件 。 值得一提的是 ， NEM 驱动的门调制是 NEMS 继电器开关和其他低功耗电子产品中采用的一项成功技术 。
为了测试器件的性能 ， Jin-Woo Han 和他的团队借助扫描电容显微镜和原子力显微镜来进行分析 。 同时 ， 他们还研究了多种材料构建真空通道纳米器件来代替传统晶体管 ， 比如金属氧化物、绝缘体上硅、环栅金属氧化物场效应晶体管等等 ， 研究发现 ， 最具优势的是真空栅介质内构建 GAA 纳米线 。
在被问及是否正在基于此设计制造设备时 ， Jin-Woo Han 表示目前还没有 。 “我们通过仿真和研究潜在电路演示了这一概念 ， 提供了一种可能的工艺流程来制造器件 ， 这在 CMOS 中效果很好 ， 提供了互补的类型传输和输出特性 。 而接下来的器件制造环节 ， 这些工艺步骤与当前在硅集成电路制造中使用的工艺步骤非常相似 。 我们希望设备研究界将对设计和工艺流程以及材料选择能够进行更深层次的调整、完善和优化 。 ”他说道 。
这种新型晶体管的前景应用如何？
首先 ， 与 VFET 的纯电子常规结构相比 ， 这种互补结构能够实现非常低的静态功耗和非常高的抗干扰性 ， 这两者在使用逻辑电路的应用中至关重要 。 因此 ， 低功耗逻辑电路的应用是非常好的选择 。
此外 ， 这种新型晶体管还将会是太空和军事应用中所需的防辐射电子产品的理想选择 ， 而这要得益于其本身具备抗辐射的能力 。 环绕在地球外围的电粒子带存在着辐射 ， 太空电子设备面临的主要挑战之一就是其长时间暴露在辐射环境中而不易受到影响 。
要知道 ， 传统设备遭受辐射撞击会在沟道半导体和氧化物材料上产生各种缺陷 ， 导致器件导通状态电流降低、漏电流增加 ， 这些缺陷会慢慢积累并最终导致设备故障甚至是损毁 。
这种晶体管不惧辐射根源在于内部没有半导体通道或介电材料 ， 其发射极和收集极之间是真空的 ， 从而使其不受到宇宙辐射、太阳耀斑等恶劣条件的干扰 。
目前 ， Jin-Woo Han 和他的团队正在更进一步探究这种晶体管的潜力 ， 虽然当下还是采用标准半导体制造工艺来制造的 ， 但这并非是最为理想的材料 ， 比如硅的电荷发射功率不足 ， 接下来还将试验碳化硅 ， 氮化镓 ， 石墨烯和碳纳米管在内的多种材料 。
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