CN107078003B - 电子发射装置和设置有其的晶体管 - Google Patents

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Abstract

提供了一种其生产简单的光诱导电子发射装置。该电子发射装置(1)包括基板(12)和电子发射膜(14)。电子发射膜(14)被设置在基板(12)上方，并且具有在其中形成的开口(14A)。电子发射膜(14)被以使得当光辐照界定开口(14A)的边缘部分(14a)时，从这个边缘部分(14a)发射电子的方式配置。

Description

电子发射装置和设置有其的晶体管
技术领域
在这里公开的技术涉及一种电子发射装置。此外，在这里公开的技术还涉及一种设置有该电子发射装置的晶体管。
背景技术
日本专利申请公报No.2010-257898、Peter Hommelhoff、Yvan Sortais、AnoushAghajani-Talesh和Mark A.Kasevich的Physical Review Letters 96，077401(2006)，和Anna Mustonen、Paul Beaud、Eugenie Kirk、Thomas Feurer和Soichiro Tsujino的Scientific Reports 2，p.915(2012)公开了光诱导电子发射装置。这些电子发射装置每一个设置有电子发射源和激光束辐照器。电子发射源设置有锐锥形金属。在这种电子发射装置中，当激光束从激光束辐照器辐照到锥形金属的顶端时，光学电场被施加到锥形金属的顶端，并且由于它的隧穿效应，从锥形金属的顶端发射电子。
发明内容
技术问题
被用作电子发射源的锥形金属是通过加工金属丝而制造的。为了改进电子发射效率，优选的是减小在锥形金属的顶端处的曲率半径。然而，在高准确度下以这种形状加工金属丝在技术上是困难的。这里的说明意在提供一种易于制造的光诱导电子发射装置。这里的说明进一步意在提供一种设置有易于制造的该光诱导电子发射装置的晶体管。
针对该技术问题的方案
在一个实施例中，在这里公开的一种电子发射装置包括基板和电子发射层。电子发射层被设置在基板上方。开口被布置在电子发射层中。电子发射层具有限定开口的边缘并且配置为当该边缘被光辐照时从该边缘发射电子。当光被辐照到限定电子发射层的开口的边缘并且光学电场被施加时，该电子发射装置能够从它的边缘发射电子。该电子发射装置使用电子发射层作为电子发射源，并且允许限定电子发射层的开口的边缘用作电子发射区域。能够易于通过在电子发射层中设置开口而获得这种电子发射区域。由此，这个电子发射装置能够被评价为具有易于制造的结构。
在一个实施例中，在这里公开的一种晶体管包括基板、阴极层和阳极层。阴极层被设置在基板上方。开口被布置在阴极层中。阳极层被设置在阴极层上方。阴极层具有限定开口的边缘并且配置为当该边缘被光辐照时从该边缘发射电子。当光被辐照到限定阴极层的开口的边缘并且光学电场被施加时，该晶体管能够从它的边缘发射电子。从阴极层发射的电子流入阳极层中。如上，这个晶体管能够基于光辐照控制在阴极层和阳极层之间流动的电流。晶体管使用阴极层作为电子发射源，并且允许限定阴极层的开口的边缘用作电子发射区域。能够易于通过在阴极层中设置开口而获得这种电子发射区域。由此，这个晶体管能够被评价为具有易于制造的结构。
附图简要说明
图1概略地示出第一实施例的电子发射装置的主要部分的透视图。
图2概略地示出第一实施例的电子发射装置的主要部分的平面视图。
图3概略地示出第一实施例的变型的电子发射装置的主要部分的平面视图。
图4概略地示出第一实施例的变型的电子发射装置的主要部分的平面视图。
图5A示出第一实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图5B示出第一实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图5C示出第一实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图5D示出第一实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图5E示出第一实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图5F示出第一实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图6概略地示出第二实施例的电子发射装置的主要部分的透视图。
图7A示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7B示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7C示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7D示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7E示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7F示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7G示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7H示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7I示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7J示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7K示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图7L示出第二实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图8概略地示出第三实施例的电子发射装置的主要部分的透视图。
图9A示出第三实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图9B示出第三实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图9C示出第三实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图9D示出第三实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图9E示出第三实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图9F示出第三实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图9G示出第三实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图10概略地示出第四实施例的电子发射装置的主要部分的透视图。
图11概略地示出第四实施例的变型的电子发射装置的主要部分的平面视图。
图12A示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图12B示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图12C示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图12D示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图12E示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图12F示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图12G示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
图12H示出第四实施例的电子发射装置制造过程的步骤。
具体实施方式
将列出在这里公开的某些特征。应该指出，分别的技术元素是相互独立的，并且每一个具有一定的技术实用性。
在这里公开的电子发射装置的实施例可以例如被配置成场发射阵列。作为这种电子发射装置的意图，例如，可以例示晶体管、电子束光刻装置，或者电子显示装置。电子发射装置的实施例可以至少设置有基板和电子发射层。基板的材料不被特别地限制，然而，它优选地是半导体或者绝缘体。电子发射层设置在基板上方，并且设置有开口。电子发射层可以设置在基板上方从而直接地接触基板的上表面，或者可以经由另一个部件设置在基板上方。电子发射层可以设置有单一开口或者多个开口。电子发射层的开口的形状不被特别地限制，并且可以采用各种类型的形状。此外，如果多个开口被设置在电子发射层中，则该多个开口可以被布置成条纹图案，或者可以被布置成由多个行和列配置的栅格图案。电子发射层被利用作为电子发射源，并且它优选地由包含自由电子的材料制成。电子发射层的材料可以是过渡金属诸如钼或者钨的单一物质，或者过渡金属的组合物。可替代地，电子发射层的材料可以是金属诸如金、银、铜、铝或者铂。可替代地，电子发射层的材料可以是包含钡的碱土金属氧化物。可替代地，电子发射层的材料可以是金刚石或者石墨。电子发射层被配置为当光被辐照到限定它的开口的边缘上时从它的边缘发射电子。由此，电子发射层优选地是平坦薄层。
在一个实施例中，在这里公开的电子发射装置可以进一步包括光辐照器。光辐照器被配置为朝向电子发射层辐照光。光辐照器的类型不被特别地限制，然而，可以采用半导体激光器、固体激光器或者气体激光器作为光辐照器。这种类型的实施例的电子发射装置能够基于来自光辐照器的光辐照控制从电子发射层的电子发射。
电子发射层的开口可以包括当沿着正交于基板的上表面的方向看时在纵向方向上延伸的形状。在此情形中，优选地光辐照器被配置为辐照其电场的振荡平面正交于纵向方向的线性偏振光的激光束。这里，线性偏振光的激光束可以是连续振荡激光，或者可以是脉动振荡激光。这种类型的实施例的电子发射装置有效率地在限定电子发射层的开口的边缘内在沿着纵向方向延伸的边缘处施加光学电场，这使得促进了电场集中。结果，这种类型的实施例的电子发射装置具有高电场电子发射效率的特性。
，基板的材料可以对光辐照器的光透明。具体地，基板的材料优选地具有光辐照器的光的至少80％或者更大的透射率。在此情形中，光辐照器优选地被配置为允许光通过基板并且被辐照到电子发射层。在这种类型的实施例的电子发射装置中，来自光辐照器的光通过透明基板并且被辐照到电子发射层上，从而来自光辐照器的光被有效率地辐照到电子发射层上。结果，这种类型的实施例的电子发射装置能够具有高电场电子发射效率的特性。
在一个实施例中，该电子发射装置可以进一步包括引出电极。引出电极被设置在电子发射层上方，并且开口被布置在引出电极中。引出电极的开口位于电子发射层的开口上方。当设置这种引出电极时，当在电子发射层和引出电极之间施加电压时，能够根据需要使得限定电子发射层的开口的边缘的电场强度是高的。通过在电子发射层和引出电极之间施加电压，当不能仅仅利用由光辐照产生的光学电场执行场电子发射时，这种类型的实施例的电子发射装置能够执行场电子发射。
优选地，当沿着正交于基板的上表面的方向看时，限定电子发射层的开口的边缘处于引出电极的开口内。当电子发射层的开口和引出电极的开口被以这种位置关系布置时，从限定电子发射层的开口的边缘发射的电子有效率地通过引出电极的开口，并且在引出电极上方被提取。
在包括引出电极的电子发射装置的一个实施例中，基板可以包括凸部。在此情形中，优选地凸部的侧表面的一部分被电子发射层覆盖。此外，优选地凸部的顶表面通过电子发射层的开口暴露。在这种类型的实施例的电子发射装置中，即使当在电子发射层和引出电极之间施加的电压是低的时，限定电子发射层的开口的边缘的电场强度仍然变高。由此，即使当在电子发射层和引出电极之间施加的电压是低的时，这种类型的实施例的电子发射装置仍然能够执行场电子发射。
在一个实施例中，在这里公开的晶体管可以至少包括基板、阴极层和阳极层。基板的材料不被特别地限制，然而，它优选地是半导体或者绝缘体。阴极层设置在基板上方，并且设置有开口。阴极层可以设置在基板上方从而直接地接触基板的上表面，或者可以经由另一个部件设置在基板上方。阴极层可以设置有单一开口或者多个开口。阴极层的开口的形状不被特别地限制。此外，如果多个开口被设置在阴极层中，则该多个开口可以被布置成条纹图案，或者可以被布置成由多个行和列配置的栅格图案。阴极层被利用作为电子发射源，并且它优选地由包含自由电子的材料制成。阴极层的材料可以是过渡金属诸如钼或者钨的单一物质，或者过渡金属的组合物。可替代地，阴极层的材料可以是金属诸如金、银、铜、铝、钨或者铂。可替代地，阴极层的材料可以是包含钡的碱土金属氧化物。可替代地，阴极层的材料可以是金刚石或者石墨。阳极层被设置在阴极层上方。阴极层被配置为当光被辐照到限定它的开口的边缘上时从它的边缘发射电子。由此，阴极层优选地是平坦薄层。
在一个实施例中，在这里公开的晶体管可以进一步包括光辐照器。光辐照器被配置为朝向阴极层辐照光。光辐照器的类型不被特别地限制，然而，可以采用半导体激光器、固体激光器或者气体激光器作为光辐照器。这种类型的实施例的晶体管能够基于来自光辐照器的光辐照控制在阴极层和阳极层之间流动的电流。
当沿着正交于基板的上表面的方向看时，阴极层的开口可以具有沿着纵向方向延伸的形状。在此情形中，优选地光辐照器被配置为辐照其电场的振荡平面正交于纵向方向的线性偏振光的激光束。这里，线性偏振光的激光束可以是连续振荡激光，或者可以是脉动振荡激光。这种类型的实施例的晶体管有效率地在限定阴极层的开口的边缘内在沿着纵向方向延伸的边缘处施加光学电场，这使得促进了电场集中。结果，这种类型的实施例的晶体管具有高电场电子发射效率的特性。
基板的材料可以对光辐照器的光是透明的。具体地，基板的材料优选地具有光辐照器的光的至少80％的透射率。在此情形中，优选地光辐照器被配置为通过基板朝向阴极层辐照光。在这种类型的实施例的晶体管中，来自光辐照器的光通过透明基板并且被辐照到阴极层上，从而来自光辐照器的光被有效率地辐照到阴极层上。结果，这种类型的实施例的晶体管能够具有高电场电子发射效率的特性。
在一个实施例中，在这里公开的晶体管可以进一步包括设置在阴极层和阳极层之间的引出电极。引出电极的开口位于阴极层的开口上方。当设置这种引出电极时，通过在阴极层和引出电极之间施加电压，能够根据需要使得限定阴极层的开口的边缘的电场强度是高的。通过在阴极层和引出电极之间施加电压，当不能仅仅利用由光辐照产生的光学电场执行场电子发射时，这种类型的实施例的晶体管能够执行场电子发射。
优选地，当沿着正交于基板的上表面的方向看时，限定阴极层的开口的边缘处于引出电极的开口内。当阴极层的开口和引出电极的开口被以这种位置关系布置时，从限定阴极层的开口的边缘发射的电子有效率地通过引出电极的开口，并且在引出电极上方被提取。
在包括引出电极的晶体管的一个实施例中，基板可以包括凸部。在此情形中，优选地凸部的侧表面的一部分被阴极层覆盖。此外，优选地凸部的顶表面通过阴极层的开口暴露。在这种类型的实施例的晶体管中，即使当在阴极层和引出电极之间施加的电压是低的时，限定阴极层的开口的边缘的电场强度仍然变高。由此，即使当在阴极层和引出电极之间施加的电压是低的时，这种类型的实施例的晶体管仍然能够执行场电子发射。
第一实施例
如在图1中所示，电子发射装置1是用于在真空中发射电子的装置，并且被配置成场发射阵列。电子发射装置1包括基板12、电子发射层14、绝缘膜16、引出电极18，和激光束辐照器20。
基板12由对从激光束辐照器20辐照的激光束透明的材料制成。如将在以后描述地，在该实例中，将从激光束辐照器20辐照的激光束的波长范围是红外到近红外范围。由此，在该实例中，碳化硅(SiC)基或者氮化镓(GaN)基宽带隙半导体、蓝宝石或者氧化镁被用作基板12的材料。
电子发射层14覆盖基板12的上表面的一部分，并且与基板12的上表面直接接触。电子发射层14是平坦薄层。电子发射层14被用作电子发射源。由此，包含自由电子的材料优选地被用于电子发射层14。在该实例中，使用钨作为电子发射层14的材料。
电子发射层14设置有多个开口14A。如在图2中所示，电子发射层14的该多个开口14A中的每一个具有当沿着正交于基板12的上表面的方向(在下文中称作z轴线方向)看时以它的纵向方向沿着y轴线方向延伸的矩形形状。进而，通过沿着x轴线方向以规则间隔排列，电子发射层14的该多个开口14A在基板12的上表面上被布置成条纹图案。特别地，图1和2描绘了电子发射装置1的一个主要部分，并且实际上更大数目的开口14A沿着x轴线方向排列。
绝缘膜16被设置在电子发射层14和引出电极18之间，并且与电子发射层14和引出电极18中的每一个直接接触。绝缘膜16将电子发射层14从引出电极18电绝缘。在该实例中，氧化硅(SiO2)被用作绝缘膜16的材料。
引出电极18覆盖绝缘膜16的上表面，并且与绝缘膜16的上表面直接接触。如将在以后描述地，通过将正电压施加于此从而与电子发射层14产生电势差而使用引出电极18。由此，引出电极18优选地是导体，更加具体地，金属。在该实例中，钼被用作引出电极18的材料。
引出电极18设置有多个开口18A。对应于电子发射层14的该多个开口14A地，引出电极18的该多个开口18A被沿着z轴线方向设置。引出电极18的开口18A和电子发射层14的开口14A被布置成使得其对应的对通过在绝缘膜16中形成的空间连通。如在图2中所示，引出电极18的该多个开口18A中的每一个具有当沿着z轴线方向看时以它的纵向方向沿着y轴线方向延伸的矩形形状、具有与它对应的电子发射层14的开口14A类似的图形，并且大于它对应的电子发射层14的开口14A。由此，当沿着z轴线方向看时，限定电子发射层14的每一个开口14A的边缘14a位于它对应的引出电极18的开口18A内。
激光束辐照器20被布置成面朝基板12的下表面，并且被配置为通过使得激光束透过基板12而向电子发射层14辐照激光束。在该实例中，Ti-蓝宝石激光器被用作激光束辐照器20。由此，激光束辐照器20辐照带有在红外到近红外范围内的、大约650nm到1100nm的波长的激光束。此外，激光束辐照器20被配置为使得辐照的激光束成为对于电子发射层14的p偏振光。在该实例中，激光束辐照器20被配置为使得辐照激光束的电场的振荡平面沿着xz平面展开。由此，激光束的电场的振荡平面在位置上正交于电子发射层14的开口14A的纵向方向(y轴线方向)。
接着，将描述电子发射装置1的操作。首先，在电子发射层14和引出电极18之间施加电压从而引出电极18变得相对于电子发射层14处于正电势。由此，在限定电子发射层14的开口14A的边缘14a处的电场强度变高。在这种情况下，在电子发射层14和引出电极18之间施加的电压被设定为使得在电子发射层14的边缘14a处的电场强度变成107V/cm或者更低。
电子发射装置1使用来自激光束辐照器20的激光束控制从电子发射层14的电子发射。当来自激光束辐照器20的激光束不被辐照到电子发射层14时，如上所述在电子发射层14的边缘14a处的电场强度是107V/cm或者更低，并且因此不从电子发射层14发射电子。在另一方面，当来自激光束辐照器20的激光束被辐照到电子发射层14时，光学电场在电子发射层14的边缘14a上迭加，并且在电子发射层14的边缘14a处的电场强度变高。进而，在电子发射层14的边缘14a处产生等离子体共振，并且在电子发射层14的边缘14a处的电场强度变高。当来自激光束辐照器20的激光束被辐照到电子发射层14时，利用前述现象，在电子发射层14的边缘14a处的电场强度升高到足以用于场电子发射的值。结果，存在于电子发射层14中的电子利用量子力学隧穿效应穿过真空屏障，并且被从电子发射层14的边缘14a在真空中发射。从电子发射层14发射的电子通过引出电极18的开口18A，并且被提取到引出电极18上方的空间中。
如上所述，电子发射装置1操作以当来自激光束辐照器20的激光束被辐照到电子发射层14时从电子发射层14的边缘14a执行电子发射，并且当来自激光束辐照器20的激光束不被辐照到电子发射层14时停止从电子发射层14的边缘14a的电子发射。因为电子发射装置1能够使用来自激光束辐照器20的激光束控制场电子发射，所以它具有针对电噪声是健壮的并且能够快速操作的特性。此外，施加到电子发射装置1的唯一电压处于电子发射层14和引出电极18之间，在此处利用绝缘膜16确保了绝缘。电子发射装置1能够利用简单的配置确保绝缘，因此它还具有高可靠性的特性。
在电子发射装置1中，限定电子发射层14的开口14A的边缘14a用作电子发射区域。由此，利用更薄的电子发射层14，电子发射层14的边缘14a的曲率半径变得更小，并且在电子发射层14的边缘14a处电场集中能够得到促进。如果电子发射层14的边缘14a的曲率半径是小的，则能够有效率地通过来自激光束辐照器20的激光束的辐照发射电子。只是通过调节电子发射层14的厚度，电子发射装置1便能够调节用作电子发射区域的电子发射层14的边缘14a的曲率半径。如上，电子发射装置1能够通过在电子发射层14中形成开口14A的简单过程配置高度有效率的电子发射区域。电子发射装置1带有具有能够易于制造的结构的特性。特别地，电子发射层14的边缘14a的厚度只是需要是能够由此执行场电子发射的厚度，从而根据要求的性能，它被适当地调节。在一个实例中，电子发射层14的边缘14a的厚度优选地是大约10到100nm。此外，为了减小电子发射层14的边缘14a的厚度，整个电子发射层14的厚度可以变薄，或者可替代地，根据需要，仅仅电子发射层14的边缘14a可以变薄，并且其它部分可以保持是厚的。
如上所述，电子发射装置1被配置为使得来自激光束辐照器20的激光束通过基板12并且被辐照到电子发射层14。由此，来自激光束辐照器20的激光束能够被有效率地辐照到电子发射层14而不被其它部件阻碍。
在电子发射装置1中，从激光束辐照器20辐照的激光束是相对于电子发射层14被p偏振的光，并且激光束的电场的振荡平面在位置上正交于电子发射层14的开口14A的纵向方向(y轴线方向)。由此，由从激光束辐照器20辐照的激光束产生的光学电场有效率地在限定电子发射层14的开口14A的边缘14a内在沿着y轴线方向延伸的每一对边缘14a上迭加。在电子发射装置1中，因为电子发射层14的开口14A具有纵向方向沿着y轴线方向的矩形形状，所以在y轴线方向上延伸的每一对边缘14a以细长形状形成。由此，电子发射装置1能够在细长的成对边缘14a处执行场电子发射，从而能够高效率地执行场电子发射。
此外，为了进一步改进场电子发射的效率，如在图2中所示，优选地使得在限定电子发射层14的每一个开口14A的每一对边缘14a之间的距离(在下文中称作电子发射层14的开口宽度14W)相对于来自激光束辐照器20的激光束的波长是短的。在该实例中，电子发射层14的开口宽度14W优选地是大约300到1000nm。如果电子发射层14的开口宽度14W比来自激光束辐照器20的激光束的波长更短，则能够抑制激光束超过电子发射层14并且到达引出电极18中，并且在引出电极18中的发热能够受到抑制。进而，如果电子发射层14的开口宽度14W是短的，则由于电子发射层14的边缘14a用作被以高密度布置的电子发射区域，电子发射装置1能够高度有效率地执行场电子发射。
此外，在电子发射装置1中，电子发射层14与基板12的上表面形成直接接触。在这种实施例中，基板12优选地是半绝缘性材料。例如，基板12的材料优选地是带有高电阻的宽带隙半导体，诸如碳化硅或者氮化镓。在此情形中，由在电子发射层14和引出电极18之间施加的电压形成的等电势线被弯曲从而穿过电子发射层14的开口14A并且进入基板12中。如上，如与电子发射层14的下部处于真空中的情形相比，只要基底材料具有大于1的介电常数，等电势线便穿过电子发射层14的开口14A并且深深地弯曲到基板12中。由此，在限定电子发射层14的开口14A的边缘14a处电场集中得到增强，并且场电子发射的效率得到改进。
如在图3中所示，当沿着z轴线方向看时，电子发射层14的开口14A的形状可以在沿着y轴线方向延伸的每一对边缘14a上包括多个直角角部。可替代地，如在图4中所示并且沿着z轴线方向看，电子发射层14的开口14A的形状可以在沿着y轴线方向延伸的每一对边缘14a上包括多个锐角部分。这种直角或者锐角部分允许曲率半径进一步降低，从而导致进一步增强电场集中，并且场电子发射的效率进一步得到改进。
接着，将参考图5A到5F描述制造电子发射装置1的方法。首先，如在图5A中所示，制备了基板12。
接着，如在图5B中所示，使用气相沉积技术，电子发射层14被沉积在基板12的上表面上。然后，通过使用光刻技术，光掩模42在电子发射层14的上表面上被图案化。光掩模42被图案化从而与将在电子发射层14上形成的开口的位置对应的区域被移除。
接着，如在图5C中所示，使用干法蚀刻技术或者湿法蚀刻技术，电子发射层14在光掩模42的开口中暴露的部分被移除以形成开口14A，并且基板12的上表面的一部分被暴露。此后，移除光掩模42。
接着，如在图5D中所示，使用CVD技术，绝缘膜16被沉积在电子发射层14的上表面上。然后，使用气相沉积技术，引出电极18被沉积在绝缘膜16的上表面上。
接着，如在图5E中所示，使用光刻技术和蚀刻技术，引出电极18的一部分被移除以形成开口18A，并且绝缘膜16的上表面的一部分被暴露。
接着，如在图5F中所示，使用湿法蚀刻技术，在引出电极18的开口18A内侧暴露的绝缘膜16被移除。氟化氢被用作蚀刻剂溶液。由此，绝缘膜16的一部分被移除，并且电子发射层14的开口14A和引出电极18的开口18A由此连通。最后，附接激光束辐照器20，结果完成了电子发射装置1。
第二实施例
图6示出第二实施例的电子发射装置2。特别地，与图1的电子发射装置1基本相同的构成特征将被赋予相同的附图标记，并且其说明将省略。
在电子发射装置2中，具有平台状台阶形状的多个凸部12A被设置在基板12的上表面上。每一个凸部12A的侧表面部分地被电子发射层14覆盖。每一个凸部的顶表面通过电子发射层14的相应的开口14A暴露。由此，限定电子发射层14的开口14A的边缘14a被配置成朝向引出电极18突出。
在这个电子发射装置2中，当在电子发射层14和引出电极18之间施加电压时，在限定电子发射层14的开口14A的边缘14a处电场强度变得比电子发射装置1的更强。由此，即便在电子发射层14和引出电极18之间施加的电压是低的，电子发射装置2仍然能够高度有效率地执行场电子发射。因为在电子发射层14和引出电极18之间施加的电压能够被抑制为是低的，所以电子发射装置2能够抑制介质击穿，并且高可靠性能够得以实现。
接着，将参考图7A到7L描述制造电子发射装置2的方法。首先，如在图7A中所示，制备基板12。
接着，如在图7B中所示，通过使用光刻技术，光掩模44在基板12的上表面上被图案化。光掩模44被图案化从而它们保留于与将在基板12的上表面上形成的凸部的位置对应的区域中。
接着，如在图7C中所示，使用干法蚀刻技术或者湿法蚀刻技术，基板12的上表面被处理以形成具有平台状台阶形状的凸部12A。
接着，如在图7D中所示，光掩模44被移除。
接着，如在图7E中所示，使用气相沉积技术，电子发射层14被沉积在基板12的上表面上。电子发射层14完全地覆盖包括凸部12A的侧表面和顶表面的、基板12的上表面。
接着，如在图7F中所示，使用CVD技术，掩模46被沉积在电子发射层14的上表面上。掩模46的材料例如是氧化硅。特别地，在这个沉积步骤中，为了有利于随后的回蚀步骤，掩模46的上表面优选地是平坦的。由此，将被沉积的掩模46优选地具有优良的流动性并且包含磷或者硼添加剂。可替代地，可以在已经沉积掩模46之后执行用于平坦化掩模46的上表面的热处理步骤。可替代地，可以在已经沉积掩模46之后使用CMP技术平坦化掩模46的上表面。
接着，如在图7G中所示，掩模46被回蚀直至使用干法蚀刻技术或者湿法蚀刻技术暴露覆盖基板12的凸部12A的侧表面的电子发射层14。
接着，如在图7H中所示，使用干法蚀刻技术或者湿法蚀刻技术，电子发射层14的、不被掩模46覆盖的部分被移除以形成开口14A，并且基板12的凸部12A的侧表面和顶表面的一部分被暴露。
接着，如在图7I中所示，使用干法蚀刻技术或者湿法蚀刻技术，掩模46被移除。
接着，如在图7J中所示，使用CVD技术，绝缘膜16被沉积在电子发射层14的上表面上。然后，使用气相沉积技术，引出电极18被沉积在绝缘膜16的上表面上。
接着，如在图7K中所示，使用光刻技术和蚀刻技术，引出电极18的一部分被移除以形成开口18A，并且绝缘膜16的上表面的一部分被暴露。
接着，如在图7L中所示，使用湿法蚀刻技术，在引出电极18的开口18A内侧暴露的绝缘膜16被移除。氟化氢被用作蚀刻剂溶液。由此，绝缘膜16的一部分被移除，并且电子发射层14的开口14A和引出电极18的开口18A由此连通。最后，附接激光束辐照器20，结果完成了电子发射装置2。
第三实施例
图8示出第三实施例的电子发射装置3。特别地，与图1的电子发射装置1基本相同的构成特征将被赋予相同的附图标记，并且其说明将省略。
电子发射装置3包括设置在基板12和电子发射层14之间的下侧绝缘膜13。氧化硅(SiO2)被用作下侧绝缘膜13的材料。下侧绝缘膜13在电子发射层14的开口14A下面的部分被选择性地移除。由此，通过与其它部件相比突出，在真空中在檐状状态中设置了限定电子发射层14的开口14A的边缘14a。
例如，在图1所示电子发射装置1中，如果绝缘体被用作基板12的材料，则基板12的屏蔽效应(由此等电势线不从电子发射层14的开口14A进入基板12中的效应)减弱了在限定电子发射层14的开口14A的边缘14a处的电场强度。在另一方面，在本实施例的电子发射装置3中，在真空中在檐状状态中设置限定电子发射层14的开口14A的边缘14a，它具有使得等电势线从电子发射层14的开口14A进入并且与基板12的材料无关地向下行进的结构。如上，电子发射装置3具有增加关于基板12的材料的选择自由度的特性。
接着，如在图9A到9G中所示，将描述制造电子发射装置3的方法。首先，如在图9A中所示，制备基板12。
接着，如在图9B中所示，使用CVD技术，下侧绝缘膜13被沉积在基板12的上表面上。然后，使用气相沉积技术，电子发射层14被沉积在下侧绝缘膜13的上表面上。
接着，如在图9C中所示，通过使用光刻技术，光掩模48在电子发射层14的上表面上被图案化。光掩模48被图案化从而与将在电子发射层14上形成的开口的位置对应的区域被移除。
接着，如在图9D中所示，使用干法蚀刻技术或者湿法蚀刻技术，电子发射层14在光掩模48的开口中暴露的部分被移除以形成开口14A，并且下侧绝缘膜13的上表面的一部分被暴露。此后，光掩模48被移除。
接着，如在图9E中所示，使用CVD技术，绝缘膜16被沉积在电子发射层14的上表面上。然后，使用气相沉积技术，引出电极18被沉积在绝缘膜16的上表面上。
接着，如在图9F中所示，使用光刻技术和蚀刻技术，引出电极18的一部分被移除以形成开口18A，并且绝缘膜16的上表面的一部分被暴露。
接着，如在图9G中所示，使用湿法蚀刻技术，在引出电极18的开口18A内侧暴露的绝缘膜16被移除。氟化氢被用作蚀刻剂溶液。当绝缘膜16的这些部分被移除并且电子发射层14被暴露时，蚀刻同样朝向在电子发射层14的开口14A内侧暴露的下侧绝缘膜13进行。由此，绝缘膜16的这些部分被移除并且电子发射层14的开口14A和引出电极18的开口18A连通，并且下侧绝缘膜13的一部分也被移除并且限定电子发射层14的开口14A的边缘14a变得与其它部件相比突出。最后，附接激光束辐照器20，结果完成了电子发射装置3。
第四实施例
图10示出具有三极管配置并且设置有电子发射装置的晶体管4。特别地，与图1的电子发射装置1基本相同的构成特征将被赋予相同的附图标记，并且其说明将省略。
除了电子发射装置，晶体管4进一步包括上侧绝缘膜32和阳极层34。在晶体管4中，在电子发射层14(用作晶体管4中的阴极层)和阳极层34之间的空间是真空状态。
上侧绝缘膜32被设置在引出电极18和阳极层34之间，并且与引出电极18和阳极层34中的每一个直接接触。上侧绝缘膜32将引出电极18从阳极层34电绝缘。在该实例中，氧化硅(SiO2)被用作上侧绝缘膜32的材料。
阳极层34覆盖上侧绝缘膜32的上表面，并且与上侧绝缘膜32的上表面直接接触。阳极层34通过上侧绝缘膜32中的空间与引出电极18的开口18A连通。从电子发射层14的边缘14a发射的电子流入阳极层34中。由此，阳极层34优选地是导体，并且更加具体地，金属。在该实例中，钼被用作阳极层34的材料。
接着，将描述晶体管4的操作。首先，在电子发射层14和引出电极18之间以及在引出电极18和阳极层34之间施加电压从而引出电极18变得相对于电子发射层14处于正电势并且阳极层34变得相对于引出电极18处于正电势。在一个实例中，0V(地电势)被施加到电子发射层14，+100V被施加到引出电极18，并且+110V被施加到阳极层34。因为引出电极18相对于电子发射层14具有正电势，所以在限定电子发射层14的开口14A的边缘14a处电场强度变高。在这个情况下，在电子发射层14和引出电极18之间施加的电压被设定为使得在电子发射层14的边缘14a处的电场强度变成107V/cm或者更低。
晶体管4使用来自激光束辐照器20的激光束控制从阳极层34流动到电子发射层14的电流。当来自激光束辐照器20的激光束不被辐照到电子发射层14时，如上所述在电子发射层14的边缘14a处电场强度是107V/cm或者更低，并且因此不从电子发射层14发射电子。在另一方面，当来自激光束辐照器20的激光束被辐照到电子发射层14时，光学电场在电子发射层14的边缘14a上迭加，并且在电子发射层14的边缘14a处电场强度变高。进而，在电子发射层14的边缘14a处产生等离子体共振，并且在电子发射层14的边缘14a处的电场强度变高。当来自激光束辐照器20的激光束被辐照到电子发射层14时，利用前述现象，在电子发射层14的边缘14a处电场强度升高到足以用于场电子发射的值。结果，存在于电子发射层14中的电子利用量子力学隧穿效应穿过真空屏障，并且被从电子发射层14的边缘14a在真空中发射。从电子发射层14发射的电子通过引出电极18的开口18A，并且流入阳极层34中。由此，电流从阳极层34朝向电子发射层14流动。
如上所述，晶体管4操作以通过当来自激光束辐照器20的激光束被辐照到电子发射层14时从电子发射层14的边缘14a发射电子而使得电流流动，并且通过当来自激光束辐照器20的激光束不被辐照到电子发射层14时停止从电子发射层14的边缘14a的电子发射而停止电流。晶体管4能够通过使用来自激光束辐照器20的激光束进行控制以通断从阳极层34流动到电子发射层14的电流。如上，因为晶体管4能够使用来自激光束辐照器20的激光束控制电流，所以它具有对于电噪声是健壮的并且能够快速操作的特性。此外，施加到晶体管4的唯一电压处于电子发射层14和引出电极18之间并且在引出电极18和阳极层34之间，在此处利用绝缘膜16和上侧绝缘膜32确保了绝缘。晶体管4能够利用简单的配置确保绝缘，因此它还具有高可靠性的特性。
此外，晶体管4维持在电子发射层14和阳极层34之间的空间处于真空状态中。由此，从电子发射层14的边缘14a发射的电子经历从电子发射层14到阳极层34的冲猾导。因此，在晶体管4中，诸如在其中电子通过半导体进行传导的晶体管中，在导通电阻和依赖于杂质浓度的耐电压性之间不存在任何折中关系。晶体管4能够实现极低的导通电阻和极高的耐电压性这两者。此外，在使用半导体的晶体管中，带有尽可能少的晶体缺陷的高质量半导体基板的研发是必须的。然而，使用真空状态的晶体管4不存在这种材料研发负担。进而，晶体管4具有即使在高温状态下它的操作仍然稳定的特性。
具有三极管配置的晶体管4在类似于其中电流并不饱和的静电感应型晶体管(SIT)的模式下操作。如果它应该在类似于场效应晶体管(FET)的模式中操作，如在图11中所示，则可以采用具有其中屏蔽电极(屏栅极)33在引出电极18和阳极层34之间插入的四极管配置的晶体管5。屏蔽电极33被第一上侧绝缘膜32a从引出电极18电绝缘，并且被第二上侧绝缘膜32b从阳极层34电绝缘。多个开口33A被设置在屏蔽电极33中。屏蔽电极33的开口33A中的每一个被沿着z轴线设置以与它在引出电极18的该多个开口18A中的对应的一个相对准。屏蔽电极33的开口33A和引出电极18的开口18A被布置成通过设置在第一上侧绝缘膜32a中的空间连通。屏蔽电极33的开口33A和阳极层34被布置成通过设置在第二上侧绝缘膜32b中的空间连通。
在晶体管5中，例如，0V(地电势)被施加到电子发射层14，+100V被施加到引出电极18，0V(地电势)被施加到屏蔽电极33，并且+2到3V被施加到阳极层34。在这种条件下，晶体管5能够使用来自激光束辐照器20的激光束控制从阳极层34流动到电子发射层14的电流的通断，并且它的操作模式是类似于场效应晶体管(FET)的操作模式。
接着，如在图12A到12H中所示，将描述晶体管4的制造方法。首先，如在图12A中所示，制备基板12。
接着，如在图12B中所示，使用气相沉积技术，电子发射层14被沉积在基板12的上表面上。然后，通过使用光刻技术，光掩模52在电子发射层14的上表面上被图案化。光掩模52被图案化从而与将在电子发射层14上形成的开口的位置对应的区域被移除。
接着，如在图12C中所示，使用干法蚀刻技术或者湿法蚀刻技术，电子发射层14在光掩模52的开口中暴露的部分被移除以形成开口14A，并且基板12的上表面的一部分被暴露。此后，光掩模52被移除。
接着，如在图12D中所示，使用CVD技术，绝缘膜16被沉积在电子发射层14的上表面上。然后，使用气相沉积技术，引出电极18被沉积在绝缘膜16的上表面上。
接着，如在图12E中所示，使用光刻技术和蚀刻技术，引出电极18的一部分被移除以形成开口18A，并且绝缘膜16的上表面的一部分被暴露。
接着，如在图12F中所示，使用CVD技术，上侧绝缘膜32被沉积在引出电极18的上表面上。然后，使用气相沉积技术，阳极层34被沉积在上侧绝缘膜32的上表面上。
接着，如在图12G中所示，使用光刻技术和蚀刻技术，阳极层34的一部分被移除以形成开口34A，并且上侧绝缘膜32的上表面的一部分被暴露。阳极层34的开口34A优选地沿着引出电极18的开口18A的纵向方向(图10的y轴线方向)以恒定周期形成。更加优选地，阳极层34的开口34A以是引出电极18的开口18A的开口宽度(沿着图10的x轴线方向的宽度)的两倍或者三倍的周期沿着引出电极18的开口18A的纵向方向形成。
接着，如在图12H中所示，使用湿法蚀刻技术，上侧绝缘膜32在阳极层34的开口34A中暴露的部分被移除。氟化氢被用作蚀刻剂溶液。当上侧绝缘膜32的这些部分被移除并且引出电极18被暴露时，蚀刻朝向在引出电极18的开口18A内侧暴露的绝缘膜16进行。由此，上侧绝缘膜32的这些部分被移除并且引出电极18的开口18A和阳极层34连通，并且绝缘膜16的一部分也被移除并且电子发射层14的开口14A和引出电极18的开口18A连通。特别地，在上侧绝缘膜32和绝缘膜16中形成的空间的形状依赖于多么稠密地设置阳极层34的开口34A。由此，优选地以前述配置设置阳极层34的开口34A。最后，附接激光束辐照器20，结果完成晶体管4。
已经详细描述了本发明的具体实例，然而，这些只是示例性的示意并且因此并不限制权利要求的范围。在权利要求中描述的技术包括以上提出的具体实例的修改和变型。在说明书和附图中描述的技术特征可以单独地或者以各种组合的形式在技术上是有用的，并且不限于如最初地要求受到保护的组合。此外，在说明书和附图中描述的技术可以同时地实现多个目标，并且其技术意义在于实现这种目标中的任何一个。

Claims (14)

1.一种电子发射装置，包括：
基板；和
电子发射层，所述电子发射层被设置在所述基板上方，其中，开口被布置在所述电子发射层中，
其中，所述电子发射层具有限定所述开口的边缘，并且被配置为当所述边缘被光辐照时从所述边缘发射电子。
2.根据权利要求1所述的电子发射装置，进一步包括：
光辐照器，所述光辐照器被配置为朝向所述电子发射层辐照所述光。
3.根据权利要求2所述的电子发射装置，其中
所述电子发射层的所述开口包括当沿着正交于所述基板的上表面的方向看时在所述开口的纵向方向上延伸的形状，并且
所述光辐照器被配置为辐照线性偏振光的激光束，所述线性偏振光的电场的振荡平面正交于所述纵向方向
其中，所述线性偏振光的电场的振荡平面是由所述线性偏振光的电场振荡方向和所述线性偏振光的光传播方向限定的平面。
4.根据权利要求2或者3所述的电子发射装置，其中
所述基板的材料对所述光辐照器的所述光是透明的，并且
所述光辐照器被配置为透过所述基板朝向所述电子发射层辐照所述光。
5.根据权利要求1所述的电子发射装置，进一步包括：
引出电极，所述引出电极被设置在所述电子发射层上方，其中，开口被布置在所述引出电极中，
其中，所述引出电极的所述开口位于所述电子发射层的所述开口上方。
6.根据权利要求5所述的电子发射装置，其中
当沿着正交于所述基板的上表面的方向看时，限定所述电子发射层的所述开口的所述边缘在所述引出电极的所述开口内。
7.根据权利要求5或者6所述的电子发射装置，其中
凸部被布置在所述基板的上表面上，
所述凸部的侧表面的一部分被所述电子发射层覆盖，并且
所述凸部的顶表面通过所述电子发射层的所述开口暴露。
8.一种晶体管，包括：
基板；
阴极层，所述阴极层被设置在所述基板上方，其中，开口被布置在所述阴极层中；和
阳极层，所述阳极层被设置在所述阴极层上方，
其中，所述阴极层具有限定所述开口的边缘，并且被配置为当所述边缘被光辐照时从所述边缘发射电子。
9.根据权利要求8所述的晶体管，进一步包括：
光辐照器，所述光辐照器配置为朝向所述阴极层辐照所述光。
10.根据权利要求9所述的晶体管，其中
所述阴极层的所述开口具有当沿着正交于所述基板的上表面的方向看时沿着所述开口的纵向方向延伸的形状，并且
所述光辐照器被配置为辐照线性偏振光的激光束，所述线性偏振光的电场的振荡平面正交于所述纵向方向，
其中，所述线性偏振光的电场的振荡平面是由所述线性偏振光的电场振荡方向和所述线性偏振光的光传播方向限定的平面。
11.根据权利要求9或者10所述的晶体管，其中
所述基板的材料对所述光辐照器的所述光是透明的，并且
所述光辐照器被配置为透过所述基板朝向所述阴极层辐照所述光。
12.根据权利要求8所述的晶体管，进一步包括：
引出电极，所述引出电极被设置在所述阴极层和所述阳极层之间，其中，开口被布置在所述引出电极中，
其中，所述引出电极的所述开口位于所述阴极层的所述开口上方。
13.根据权利要求12所述的晶体管，其中
当沿着正交于所述基板的上表面的方向看时，限定所述阴极层的所述开口的所述边缘在所述引出电极的所述开口内。
14.根据权利要求12或者13所述的晶体管，其中
凸部被布置在所述基板的上表面上，
所述凸部的侧表面的一部分被所述阴极层覆盖，并且
所述凸部的顶表面通过所述阴极层的所述开口暴露。
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