DE4339741A1 - Transistor mit einem optischen Gate und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transistor mit einem optischen Gate und auf ein Verfahren zum Herstellen desselben.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Vakuum­ transistor, bei dem ein elektrisches Feld an zwei benachbar­ te Elektroden, die in einem Vakuumzustand oder einem Atmos­ phärezustand sind, angelegt wird und bei dem Photonen, die eine Schwellenenergie oder eine höhere Energie haben, von einem optischen Gate zu einer der Elektroden abgestrahlt werden, um von dieser Elektroden zu emittieren, und auf ein Herstellungsverfahren des Vakuumtransistors mit einem opti­ schen Gate.

In jüngster Zeit wurden elektrische Geräte in Übereinstim­ mung mit der Entwicklung der Festkörper-Halbleiterphysik weiterentwickelt, und bei solchen elektrischen Geräten ist eine Verbesserung der Hochgeschwindigkeit, der hohen Integration, der hohen Zuverlässigkeit oder von ähnlichem ständig erforderlich.

Die stetige Entwicklung eines solchen elektrischen Gerätes wurde durch Arbeitstechniken beschränkt, und deshalb ent­ standen bei der Herstellung dieser elektrischen Geräte ver­ schiedene Hindernisse.

Bei der Herstellung von elektrischen Festkörpergeräten ist besonders die Beweglichkeit der jeweiligen Elektronen, die in den jeweiligen Geräten fließen, ein bedeutender physika­ lischer Faktor, der die elektrischen Charakteristika eines solchen Halbleitergerätes, der elektrischen Materialien und ähnlichem festlegt, weil der Übergang der jeweiligen Elek­ tronen durch ein Streuphänomen, das in Fachkreisen gut be­ kannt ist, festgelegt ist.

Falls ein Siliziumsubstrat bei der Herstellung solcher Transistoren verwendet wird, wird die Beweglichkeit von elektrischen Ladungen in dem Siliziumsubstrat vorbestimmt und das Verhalten der jeweiligen Transistoren wird deshalb ebenfalls vorgegeben.

Fig. 1 ist eine Querschnittdarstellung, die den Aufbau eines herkömmlichen MOS-Transistors (MOS = Metall Oxid Semiconduc­ tor = Metall-Oxid-Halbleiter) unter Verwendung eines Sili­ ziumsubstrats zeigt. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 5 ein Siliziumsubstrat, 2 und 3 bezeichnen Source- bzw. Drain-Gebiete und 1 bezeichnet eine Gateelektrode, die auf dem Substrat 5 zwischen den Regionen 2 und 3 gebildet ist. Zwischen der Gateelektrode 1 und dem Substrat 5 ist eine Gate-Isolierungsschicht 4 gebildet.

Beim Betrieb eines solchen MOS-Transistors dient das Sili­ ziumsubstrat 5 lediglich als Trageeinrichtung, und die Über­ tragung von Elektronen wird im wesentlichen in der Gateelek­ trode 1 und in einem Kanalgebiet des Substrats 5, das unter­ halb der Gate-Isolationsschicht 4 gebildet ist, ausgeführt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vakuum­ transistor mit einem optischen Gate und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, welcher eine höhere Schaltgeschwindigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch einen Vakuumtransistor gemäß Pa­ tentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumtransistors gemäß Patentanspruch 4 gelöst.

Um die Beschränkungen bezüglich der Beweglichkeit von Elektronen in einem Festkörperkanalgebiet des Transistors, wie in Fig. 1 gezeigt, zu überwinden, ist es erforderlich, daß die Elektronen in einem Kanal, der einen Vakuumzustand oder einen atmosphärischen Zustand aufweist, eines solchen Transistors ohne Bezug auf die oben erwähnte Streuung über­ tragen werden, und daß die Beweglichkeit der Elektroden da­ durch lediglich durch ein extern angelegtes elektrisches Feld bestimmt ist, wodurch die Charakteristika eines Hoch­ geschwindigkeitsbetriebs erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Vakuumtransistor mit einem optischen Gate, der folgende Merkmale aufweist:
ein Siliziumsubstrat;
eine Isolationsschicht, die auf dem Siliziumsubstrat abge­ schieden ist, wobei die Isolationsschicht einen Ausnehmungs­ abschnitt hat, der durch ein Ätzverfahren gebildet wurde;
eine optische Quelle zum Ausstrahlen des optischen Signals und zum Dienen als optisches Gate;
zwei Elektroden, die auf der Isolationsschicht gebildet sind und voneinander durch ein Vakuum oder eine Atmosphäre ge­ trennt sind, von denen eine das optische Signal erhält und eine Elektronen-emittierende Elektrode zu Emittieren von Elektronen ist, und von denen die andere eine elektronen­ aufnehmende Elektrode zum Aufnehmen der Elektronen, die von der Elektronen-emittierenden Elektrode emittiert worden ist;
wobei die Elektronen-emittierende Elektrode unterhalb der optischen Quelle in einem Vakuum oder einer Atmosphäre ge­ bildet ist und mit Masse verbunden ist; und
wobei die Elektronen-aufnehmende Elektrode mit einer Lei­ stungsquelle verbunden ist, wobei der Betrag des Stromes, der in die Elektronen-aufnehmende Elektrode fließt, durch die Intensität des optischen Signals der optischen Quelle eingestellt ist.

Im Aufbau hat jedes der gegenüberliegenden Enden der Elek­ troden, die durch den Ausnehmungsabschnitt getrennt sind, eine spitzen-förmige Struktur und sie sind elektrisch von­ einander isoliert, und die optische Quelle besteht entweder aus einem Laser oder einer Photodiode.

Weiterhin umfaßt das Verfahren zur Herstellung eines Vakuum­ transistors mit einem optischen Gate, bei dem ein optisches Signal von dem optischen Gate ausgestrahlt wird, folgende Schritte auf:
Vorbereiten eines Siliziumsubstrates;
Bilden einer Isolationsschicht auf dem Siliziumsubstrat;
Bilden eines Elektrodenmusters auf der Isolationsschicht, um eine Elektronen-emittierende Elektrode als Sourceelektrode und eine Elektronen-aufnehmende Elektrode als Drainelektrode zu bilden;
Ätzen der Isolationsschicht zwischen der elektronen-emittie­ renden- und -aufnehmenden Elektrode, um einen Ausnehmungsab­ schnitt in der Isolationsschicht zu bilden und um die Source- und Drain-Elektrode durch den Ausnehmungsabschnitt räumlich zu isolieren; und
Bilden einer optischen Quelle lediglich über der elektro­ nen-emittierenden Elektrode, wobei die optische Quelle als optisches Gate dient.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines herkömmlichen MOS- Transistors;

Fig. 2 eine schematische Darstellung, die zeigt, daß Elektronen, unter Verwendung des Prin­ zips des photoelektrischen Effekts, der in der vorliegenden Erfindung angewendet wird, durch ein Vakuum oder ein Atmosphärengebiet übertragen werden;

Fig. 3A bis 3D sind Querschnitte, die die Herstellungs­ schritte des Transistors mit einem optischen Gate gemäß der vorliegenden Erfindung zei­ gen; und

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung, die ein grundsätzliches Ersatzschaltbild zeigt, in dem Vakuumtransistor der vorliegenden Er­ findung ausgeführt ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine erste leitende Elektrode 6, die eine Elektronen-emittierende Elektrode ist, unter einem Vakuumzustand oder einem Atmosphärenzustand räumlich von einer zweiten leitfähigen Elektrode 7, die eine elektronen­ aufnehmende Elektrode ist, getrennt, und eine optische Quelle 8, die eine optische signal-ausstrahlende Elektrode ist, ist über der ersten leitenden Elektrode 6 gebildet. Im Betrieb werden, wenn das optische Signal, das eine Schwellenenergie oder eine höhere Energie hat, von der optischen Quelle 8 auf eine Oberfläche der ersten leitenden Elektrode 6 ausgestrahlt wird, Elektronen von der Oberfläche der ersten leitenden Elektrode 6 emittiert und der zweiten leitenden Elektrode 7 bereitgestellt. Dann sammelt die zweite leitende Elektrode 7 die emittierten Elektronen.

Bezugnehmend auf Fig. 3A bis 3D werden die Herstellungs­ schritte des Vakuumtransistors, der mit einem optischen Gate versehen ist, gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfin­ dung im Folgenden erklärt.

Wie in Fig. 3A gezeigt ist, wird auf der Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats eine Isolationsschicht 10 gebildet. Nachfolgend wird auf der Isolationsschicht 10 ein Elektro­ denmuster gebildet, das durch eine Elektronen-emittierende Elektrode 11 (im Folgenden als Emissionselektrode bezeich­ net) und durch eine Elektronen-aufnehmende Elektrode 12 (im Folgenden als Sammelelektrode bezeichnet) definiert. Diese Elektroden 11 und 12 sind aus einem poly-kristallinen Sili­ zium, einem Metall, einer Metallgruppe oder aus ähnlichem hergestellt.

Mit Bezug auf Fig. 3C wird ein Abschnitt der Isolations­ schicht 10 zwischen den Elektroden 11 und 12 durch ein Naß­ ätzverfahren oder ein Trockenätzverfahren, wie es in Fach­ kreisen gut bekannt ist, entfernt und folglich hat jede der Elektroden 11 und 12 eine spitzen-förmige Struktur, die durch den geätzten Ausnehmungsabschnitt dazwischen verur­ sacht wird, wobei die spitzen-förmige Struktur bedeutet, daß die gegenüberliegenden Enden der Elektroden 11 und 12 durch den Ausnehmungsabschnitt ausgewiesen sind. In der Isola­ tionsschicht 10 wird der Ausnehmungsabschnitt zum Beispiel gebildet, wenn die Isolationsschicht 10 durch das Ätzver­ fahren entfernt wird, und die gegenüberliegenden Enden der Elektroden 11 und 12 sind räumlich durch den Ausnehmungs­ abschnitt voneinander isoliert.

In Fig. 3D wird eine optische Quelle 13 über der Emissions­ elektrode 11 in einem Vakuumzustand oder einem atmosphäri­ schen Zustand gebildet. Diese optische Quelle 13 ist als optisches Gate zum Ausstrahlen eines optischen Signals wirk­ sam und besteht aus einem Laser oder einem licht-emittieren­ den Gerät, wie zum Beispiel einer Photodiode, um das ausge­ strahlte optische Signal an eine obere Oberfläche der Emis­ sionselektrode 11 durch ein Vakuumgebiet oder ein Atmosphä­ rengebiet bereitzustellen.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung zur Erklärung eines grundsätzlichen Ersatzschaltbildes des Vakuumtransistors mit einem optischen Gate, bei dem die Emissionselektrode 11 auf Masse liegt und die Sammelelektrode 12 mit einer Leistungs­ quelle, die eine Treiberquelle ist, verbunden ist, um ein vorbestimmtes elektrisches Feld zwischen den Elektroden 11 und 12 anzulegen.

Bezugnehmend auf Fig. 4 werden, wenn ein optisches Signal durch das optische Gate 13 erzeugt wird und an die Emis­ sionselektrode 11 abgegeben wird, Elektronen von der oberen Oberfläche der Emissionselektrode 11 durch das Prinzip des photoelektrischen Effekts emittiert und diese treten in die Sammelelektrode 12 ein. Folglich fließt ein Strom zwischen der Emissionselektrode 11 und der Sammelelektrode 12. Hier­ bei wird der Betrag des Stromes, der in der Sammelelektrode 12 fließt, durch die Veränderung der Intensität des ausge­ strahlten optischen Signals bestimmt und verändert.

Wie oben beschrieben, hat der Vakuumtransistor, der gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem optischen Gate versehen ist, die Charakteristik eines Hochgeschwindigkeitsbetriebes, weil die Betriebsgeschwindigkeit des Vakuumtransistors durch die Treibergeschwindigkeit des optischen Gates darin be­ stimmt wird. Der Grund, warum der Vakuumtransistor vergli­ chen mit den herkömmlichen Festkörper-Halbleitergeräten bei einer höheren Geschwindigkeit betrieben werden kann, liegt darin, daß die Beweglichkeit der Elektronen zwischen der Elektronen-emittierenden Elektrode und der Elektronen-sam­ melnden Elektrode aufgrund des Elektronenübertragungsweges, der in einem Vakuumzustand oder einem Atmosphärenzustand ist, weiter verbessert wird. Der Vakuumtransistor hat eben­ falls Amplitudencharakteristika, die darin bestehen, daß der Betrag des Stromflusses durch Veränderung der Intensität des optischen Signals, das von dem optischen Gate ausgestrahlt wird, verändert wird. Ferner kann der Vakuumtransistor, der die oben erwähnten Charakteristika hat, auf ein Basiselement für optische Logikschaltungen angewendet werden.

Claims (4)

1. Transistor,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
ein optisches Gate (13), von dem ein optisches Signal ausgestrahlt wird,
ein Siliziumsubstrat (9);
eine Isolationsschicht (10), die auf dem Siliziumsub­ strat (9) abgeschieden ist, wobei die Isolationsschicht (10) einen Ausnehmungsabschnitt hat, der durch ein Ätz­ verfahren gebildet ist;
eine optische Quelle (13) zum Ausstrahlen des optischen Signals, die als optisches Gate dient;
zwei Elektroden (11, 12), die auf der Isolationsschicht (10) gebildet sind und voneinander durch ein Vakuum oder eine Atmosphäre getrennt sind, von denen eine das optische Signal empfängt und eine Elektronen-emittie­ rende Elektrode (11) zum Emittieren von Elektronen bil­ det, und die andere von beiden eine Elektronen-sammeln­ de Elektrode (12) zum Aufnehmen der Elektronen, die von der Elektronen-emittierenden Elektrode (11) emittiert sind, bildet;
wobei die Elektronen-emittierende Elektrode (11) unter­ halb der optischen Quelle (13) in einem Vakuum oder einer Atmosphäre gebildet ist und mit Masse verbunden ist; und
wobei die Elektronen-aufnehmende Elektrode (12) mit einer Leistungsquelle (15) verbunden ist, wobei der Betrag des Stromes, der in der Elektronen-aufnehmenden Elektrode (12) fließt, durch die Intensität des opti­ schen Signals von der optischen Quelle (13) eingestellt ist.

2. Transistor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der gegenüberliegenden Seiten der Elektroden (11, 12), die durch den Ausnehmungsabschnitt getrennt sind, eine spitzenförmige Struktur hat und elektrisch voneinander isoliert sind.

3. Transistor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Quelle (13) entweder aus einem Laser oder einer Photodiode besteht.

4. Verfahren zur Herstellung eines Transistors mit einem optischen Gate (13), von dem ein optisches Signal aus­ gestrahlt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bereitstellen eines Siliziumsubstrates (9);
Bilden einer Isolationsschicht (10) auf dem Silizium­ substrat (9);
Bilden eines Elektrodenmusters auf der Isolations­ schicht (9), um eine Elektronen-emittierende Elektrode (11) als Source-Elektrode und eine Elektronen-aufneh­ mende Elektrode (12) als Drain-Elektrode zu bilden;
Ätzen der Isolationsschicht (10) zwischen der Elektro­ nen-emittierenden und der -aufnehmenden Elektrode (11, 12), um einen Ausnehmungsabschnitt in der Isolations­ schicht (10) zu bilden und um die Source- und die Drain-Elektrode (11, 12) durch den Ausnehmungsabschnitt räumlich zu isolieren; und
Bilden einer optischen Quelle (13) lediglich über der Elektronen-emittierenden Elektrode (11), wobei die op­ tische Quelle (13) als optisches Gate dient.