长期以来，真空电子器件因速度优势被视为超越传统硅基晶体管的潜在替代方案，但“栅极漏电”这一顽疾始终阻碍其进入实际集成电路。近日，中国科研团队在这一领域取得关键突破，成功研制出可在功能集成块中工作的真空沟道晶体管，彻底解决了困扰该领域十余年的技术瓶颈。
反转控制逻辑根治栅极漏电
平面真空电子管（亦称真空沟道晶体管）的核心吸引力在于其极高的传输速度。电子在真空或空气间隙中的运动速度接近光速，比在硅材料中快约一千倍，这意味着基于此技术的电路有望实现远超传统晶体管的运算速度。早期设计存在一个致命缺陷：为了控制电流，器件依赖栅极，但大量电子在飞向阳极的过程中会撞击栅极，导致严重的栅极漏电流。这种漏电使得真空管无法被接入真实电路，致使该研究方向长期停滞。
此次由上海交通大学与绍兴大学联合开展的研究，提出了一种名为“阴极调制真空/空气沟道电子管”（CMVET）的新结构。研究团队在《微系统与纳米工程》期刊上发表了这一成果。其核心创新在于反转了栅极的控制逻辑：早期设计试图用栅极去阻挡或偏转已经飞向阳极的电子，而新设计则利用栅极来调节阴极内部可释放的电子数量。由于栅极不再拦截飞行中的电子，而是管理电子的“供给量”，从而几乎消除了漏电流。
具体而言，该器件在阴极下方设置了一个背栅极，两者之间由一层薄氧化层隔开。当施加正电压时，能级弯曲使仅45纳米厚的硅基阴极表面电子密度增加，场发射电流随之上升；施加负电压则抑制电子发射。这种机制使得几乎所有离开阴极的电子都能到达阳极，将栅极漏电流压制在10⁻¹¹安培以下，远低于此前报道的任何同类器件。
非饱和特性带来电路设计新挑战
除了极低的漏电流，该器件在室温和普通空气压力下即可工作，且采用了标准的绝缘体上硅（SOI）晶圆制造工艺，包括沉积、刻蚀、氧化和离子注入等成熟步骤，无需特殊的生产线改造。其电气行为与传统金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）存在显著差异。
传统MOSFET的输出电流随阳极电压升高会进入饱和区并趋于平坦，而CMVET的输出电流则保持上升态势，这种特性被称为“非饱和性”。这一特性体现了器件的高增益潜力，但也迫使研究人员重新思考电路设计。实验该器件作为共源放大器、差分放大器和级联放大器使用时，增益最高可达1.6；作为基本逻辑门时，与非门（NAND）在约4.5伏至1.9伏之间切换，或非门（NOR）在约4伏至1.1伏之间切换。扫描电子显微镜图像和电学测量证实了其结构完整性，其开断电流比约为10⁴，跨导约为23微西门子，表明对器件具有极强的控制力。
从单器件到集成逻辑门的跨越
研究团队指出，过去多年未能解决栅极漏电问题，导致真空管无法在芯片尺度重现此次通过控制阴极电子供给而非试图拦截空中电子，终于消除了这一障碍。当同一器件在测试台上成功实现放大器、差分对乃至与非门功能时，团队确信该技术具备未来前景。
这一成果指向了完全由真空管构成的单片集成电路的可能性，其速度优势巨大。鉴于真空和空气沟道对辐射免疫且能在宽温范围内工作，该技术在高频电子、航天系统、卫星通信及国防电子等固态器件难以胜任的恶劣环境中具有独特应用价值。“非饱和”特性限制了某些电路布局下的增益上限，成为下一步工程优化的目标，但通过从源头抑制栅极电流，真空电子技术进入功能芯片的大门已被正式打开。
对于中国半导体产业而言，这一突破不仅验证了后摩尔时代新原理器件的可行性，更展示了在标准工艺线上实现前沿创新的潜力。国内企业应密切关注此类非硅基电子技术的演进，特别是在抗辐射、高频高速应用场景中，提前布局相关制造工艺与封装技术，以在未来异构集成市场中占据先机。