真空电子器件和系统的微型化、片上化和集成化具有重要的研究意义和广泛的应用前景。目前，高性能片上微型真空电子源是制约真空电子器件和系统微型化、片上化和集成化的关键瓶颈之一，而且它从上世纪50年代开始就一直是相关领域研究的重要目标。但是，此前报道的片上微型电子源要么存在电子发射效率和密度低的问题（如基于隧穿结、PN结、肖特基结的非平衡热电子发射源），要么存在稳定工作需要超高真空的问题（如基于微针尖阵列的场发射电子源）。由于获得片上高真空仍没有成熟的解决方案，此前被广泛研究的场发射电子源虽然具有发射效率高、发射密度大的特点，但无法应用于片上微型真空电子器件和系统。因此，研制同时具有发射效率高、发射密度大、工作真空要求低等特点的片上微型电子源对于实现真空电子器件和系统的微型化、片上化和集成化具有重要意义。

北京大学电子学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室魏贤龙课题组近年来致力于实现真空电子器件和系统的微型化、片上化和集成化的研究目标，已在新型片上微型电子源方面取得了一系列重要研究进展，包括揭示了纳米尺度热电子发射的新机制（Nano Lett., 2011, 11, 734；Phys. Rev. B, 2011, 84, 195462；ACS Nano, 2012, 6, 705）、基于碳纳米材料实现了热发射电子源的微型化和片上化（Nat. Commun., 2016, 7, 11513；IEEE Trans. Electron Device, 2020, 67, 5132；Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 1907814）、实现了基于软击穿氧化硅的新型高性能隧穿电子源（Adv. Electron. Mater., 2018, 4, 1800136；IEEE Electron Device Lett., 2019, 40, 1201; Adv. Electron. Mater., 2020, 6, 2000268; IEEE Trans. Electron Device, 2021, 68, 818），并进一步研制了片上微型真空三极管、电离真空传感器等片上微型真空电子器件（Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 5972; IEEE Trans. Electron Device, 2021, 68, 5127）。

最近，该课题组提出了一种基于氧化硅水平隧穿结的新型隧穿二极管电子源(图1)。与此前一直采用垂直隧穿结的隧穿电子源相比，该隧穿电子源的介质层直接暴露在表面，因此其非平衡热电子无需穿过阻挡层即可直接发射到真空中；同时充分利用氧化硅具有低电子亲和势的特点，使得其非平衡热电子具有超低的表面势垒（0.9eV），因此其电子发射所需突破的空间和能量限制都远低于此前的隧穿电子源。蒙特卡洛模拟表明，其电流发射效率可高达87%、发射电流密度可高达3×10⁵A/cm²。通过在软击穿的氧化硅中构建Si-SiO₂-Si水平隧穿结（图2），实验上实现了高达83.7%的电流发射效率和4.4×10⁵A/cm²的发射电流密度，远超过此前的非平衡热电子发射源（此前文献报道的最高电流发射效率为48.5%、最高发射密度为1.5×10³A/cm²），与场发射电子源的发射效率和密度相当。但是，相比于场发射电子源需要在超高真空中才能稳定工作，Si-SiO₂-Si水平隧穿电子源被发现在压强低于10^-1Pa的真空中均能稳定工作。该氧化硅隧穿二极管电子源具有的高发射效率和密度、不易中毒的特点使得它在片上微型集成真空电子器件和系统方面具有重要的应用前景。

图1. 氧化硅隧穿二极管电子源的结构示意图(a)和能带图(b-c)

图2. 基于Si-SiO₂-Si水平隧穿结的器件结构示意图(a)和电子发射性能(b)

2022年1月25日，上述成果以《具备高效率和高密度电子发射、且不易中毒的氧化硅隧穿二极管》（Efficient and Dense Electron Emission from a SiO₂Tunneling Diode with Low Poisoning Sensitivity）为题，在线发表于《纳米快报》（Nano Letters）。电子学院2017级博士研究生李志伟为第一作者，电子学院长聘副教授魏贤龙为通讯作者，合作者包括北京工业大学闫鹏飞教授、北京大学电子学院陈清教授、北京大学集成电路学院李志宏教授等。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金优秀青年基金等项目的资助。

原文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04475。