DE4339741C2 - Elektronisches Bauelement mit einer optischen Steuereinrichtung und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektroni­ sches Bauelement mit einer optischen Steuereinrichtung und auf ein Verfahren zum Herstellen desselben.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein elektroni­ sches Bauelement bei dem ein elektrisches Feld an zwei be­ nachbarte Elektroden, die in einem Vakuumzustand oder einem Zustand abgeschlossener Atmosphäre sind, angelegt wird, und bei dem Photonen, die eine Schwellenenergie oder eine höhere Energie haben, von einer optischen Steuereinrichtung zu ei­ ner der Elektroden abgestrahlt werden, um von dieser Elek­ tronen zu emittieren, und auf ein Herstellungsverfahren für das optische Bauelement mit einer optischen Steuereinrich­ tung.

In jüngster Zeit wurden elektronische Bauelemente in Übereinstimmung mit der Entwicklung der Festkörper-Halbleiterphysik weiterentwickelt, und bei solchen elektronischen Bauelementen ist eine Erhöhung der Geschwindigkeit, der Integrationsdichte oder der Zuverlässigkeit ständig angestrebt.

Bei der Herstellung von elektronischen Festkörperbauelementen ist besonders die Beweglichkeit der jeweiligen Elektronen, die in den jeweiligen Bauelementen fließen, ein bedeutender physikalischer Faktor, der die elektrischen Charakteristika eines solchen Halbleiterbauelements festlegt.

Falls ein Siliziumsubstrat bei der Herstellung solcher Bauelemente verwendet wird, ist die Beweglichkeit von elektrischen Ladungen in dem Siliziumsubstrat vorbestimmend für das Verhalten der jeweiligen Bauelemente.

Fig. 1 ist eine Querschnittdarstellung, die den Aufbau eines herkömmlichen MOS-Transistors (MOS = Metal Oxid Semiconduc­ tor = Metall-Oxid-Halbleiter) unter Verwendung eines Silizi­ umsubstrats 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 erfolgt in einem Kanalgebiet des Substrats 5, das unter­ halb der Gate-Isolationsschicht 4 gebildet ist.

Die DE 30 36 733 A1 offenbart eine Laserelektronenröhre, die einen Laser, eine Anode, eine Kathode, ein Gitter und ein Gehäuse aufweist, wobei durch den Laser ein durchgehender Lichtfluß erzeugt wird, der durch lichtwandelnde Stoffe in einen durchgehenden Elektronenfluß umgewandelt wird. Dieser Elektronenfluß ist mittels eines elektrischen Feldes von der Kathode zu der Anode gerichtet. Durch Anlegen von Spannungen an das Gitter, das sich zwischen der Kathode und der Anode befindet, kann der Elektronenfluß zwischen der Kathode und der Anode gesteuert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Bauelement zum Schalten oder Verstärken eines elektrischen Stroms, welches eine hohe Schaltgeschwindigkeit hat, und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Bauelement gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes elektronischen Bauelements gemäß Patentanspruch 4 ge­ löst.

Um die Beschränkungen bezüglich der Beweglichkeit von Elek­ tronen 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 Zustand abgeschlossener Atmosphäre aufweist, eines solchen elektronischen Bauelements übertragen werden, und daß die Beweglich­ keit der Elektronen dadurch lediglich durch ein extern ange­ legtes elektrisches Feld bestimmt ist, wodurch eine hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht wird.

Die vorliegende Erfindung schafft ein elektronisches Bau­ element zum Schalten oder Verstärken eines elektrischen Stroms mittels des äußeren photoelektrischen Effekts, auf­ weisend:
eine optische Quelle zum Ausstrahlen eines optischen Si­ gnals, die als optische Steuereinrichtung dient;
ein Siliziumsubstrat;
eine Isolationsschicht, die auf dem Siliziumsubstrat gebil­ det ist, wobei die Isolationsschicht einen Ausnehmungsab­ schnitt aufweist, der durch ein Ätzverfahren gebildet ist;
zwei an eine Spannungsquelle anschließbare Elektroden, die auf der Isolationsschicht an gegenüberliegenden Seiten des Ausnehmungsabschnittes gebildet und voneinander durch ein Vakuum oder eine abgeschlossene Atmosphäre getrennt sind, von denen eine das optische Signal empfängt und eine Elek­ tronen emittierende Elektrode zum Emittieren von Photoelek­ tronen bildet, und die andere von beiden eine Elektronen­ aufnehmende Elektrode zum Aufnehmen der Photoelektronen, die von der Elektronen emittierenden Elektrode emittiert werden, bildet;
wobei der Betrag des Stromes, der von der Elektronen emit­ tierenden Elektrode zur Elektronen aufnehmenden Elektrode fließt, durch die Intensität des optischen Signals von der optischen Quelle einstellbar ist.

Im Aufbau hat jedes der gegenüberliegenden Enden der Elek­ troden, die durch den Ausnehmungsabschnitt getrennt sind, eine spitzenförmige Struktur und sie sind elektrisch von­ einander isoliert, und die optische Quelle besteht aus einem Laser.

Weiterhin weist das Verfahren zur Herstellung eines elektro­ nischen Bauelements zum Schalten oder Verstärken eines elek­ trischen Stroms mittels des äußeren photoelektrischen Ef­ fekts folgende Schritte auf:

Bereitstellen eines Siliziumsubstrates;
Bilden einer Isolationsschicht auf dem Siliziumsubstrat;
Bilden eines Elektrodenmusters auf der Isolationsschicht, um eine Elektronen emittierende Elektrode und eine Elektronen­ aufnehmende Elektrode zu bilden;
Ätzen der Isolationsschicht zwischen der Elektronen emittie­ renden und Elektronen aufnehmenden Elektrode, um einen Ausnehmungsabschnitt in der Isolationsschicht zu bilden; und
Bilden einer optischen Quelle über der Elektro­ nen emittierenden Elektrode.

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 Prinzips des äußeren photoelektrischen Effekts, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, durch ein Vakuumgebiet oder ein Gebiet mit abgeschlossener Atmosphäre übertragen wer­ den;

Fig. 3A bis 3D Querschnitte, die die Herstellungsschritte des elektronischen Bauelements mit einer op­ tischen Steuereinrichtung gemäß der vorlie­ genden Erfindung zeigen; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung, die eine Grundschaltung zeigt, in der das elektroni­ sche Bauelement der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine erste leitende Elektrode 6, die eine Elektronen emittierende Elektrode ist, unter einem Vakuumzustand oder einem Zustand abgeschlossener Atmosphäre räumlich von einer zweiten leitenden Elektrode 7, die eine Elektronen aufnehmende Elektrode ist, getrennt, und eine op­ tische Quelle 8, die eine ein optisches Signal ausstrahlende Elektrode ist, ist über der ersten leitenden Elektrode 6 ge­ bildet. Bei dem Aufbau 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 nimmt die zweite leitende Elektrode 7 die emittierten Elektronen auf.

Bezugnehmend auf Fig. 3A bis 3D werden die Herstellungs­ schritte des elektronischen Bauelements, das mit einer opti­ schen Steuereinrichtung versehen ist, gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung im Folgenden erklärt.

Wie in Fig. 3A gezeigt ist, wird auf der Hauptoberfläche ei­ nes 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 Aufnahme-Elektrode bezeichnet) definiert. Die­ se Elektroden 11 und 12 sind aus einem polykristallinen Si­ lizium, 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 spitzenförmige Struktur, die durch den geätzten Ausnehmungsabschnitt dazwischen verur­ sacht wird, wobei die spitzenförmige Struktur bedeutet, daß die gegenüberliegenden Enden der Elektroden 11 und 12 durch den Ausnehmungsabschnitt gespitzt sind. In oder Isolations­ schicht 10 wird der Ausnehmungsabschnitt zum Beispiel gebil­ det, wenn die Isolationsschicht 10 durch das Ätzverfahren entfernt wird, und die gegenüberliegenden Enden der Elektro­ den 11 und 12 sind räumlich durch den Ausnehmungsabschnitt voneinander isoliert.

In Fig. 3D wird eine optische Quelle 13 über der Emissions­ elektrode 11 in einem Vakuumzustand oder einem Zustand abge­ schlossener Atmosphäre gebildet. Diese optische Quelle 13 ist als optische Steuereinrichtung zum Ausstrahlen eines optischen Signals wirksam und besteht aus einem Laser oder einem licht-emittierenden Gerät, um das ausgestrahlte opti­ sche Signal einer oberen Oberfläche der Emissionselektrode 11 durch ein Vakuumgebiet oder ein Gebiet abgeschlossener Atmosphäre bereitzustellen.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung zur Erklärung einer Grundschaltung des elektronischen Bauelements mit einer op­ tischen Steuereinrichtung, bei dem die Emissionselektrode 11 auf Masse liegt und die Aufnahme-Elektrode 12 mit einer Lei­ stungsquelle, 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 die optische Steuereinrichtung 13 erzeugt und an die Emissionselektrode 11 abgegeben wird, Elektronen von der oberen Oberfläche der Emissionselektrode 11 durch das Prin­ zip des äußeren photoelektrischen Effekts emittiert, und diese tre­ ten in die Aufnahme-Elektrode 12 ein. Folglich fließt ein Strom zwischen der Emissionselektrode 11 und der Aufnahme- Elektrode 12. Hierbei wird der Betrag des Stromes, der von der Elektronen emittierenden Elektrode 11 zur Aufnahme-Elek­ trode 12 fließt, durch die veränderliche Intensität des ausgestrahlten optischen Signals bestimmt und verändert.

Wie oben beschrieben, weist das elektronische Bauelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer optischen Steuer­ einrichtung versehen ist, eine hohe Schaltge­ schwindigkeit auf, weil die Schaltgeschwindigkeit des elektronischen Bauelements durch die Treibergeschwindig­ keit der optischen Steuereinrichtung in demselben bestimmt ist. Der Grund, warum das elektronische Bauelement vergli­ chen mit den herkömmlichen Festkörper-Halbleiterbauelementen bei einer höheren Geschwindigkeit betrieben werden kann, liegt darin, daß die Beweglichkeit der Elektronen zwischen der Elektronen emittierenden Elektrode und der Elektronen auf­ nehmenden Elektrode aufgrund des Elektronenübertragungswe­ ges, der in einem Vakuumzustand oder einem Zustand abge­ schlossener Atmosphäre ist, weiter verbessert wird. Das elektronische Bauelement hat ebenfalls Amplitudeneigenschaften, die darin bestehen, daß der Betrag des Stromflusses durch Veränderung der Intensität des optischen Signals, das von der optischen Steuereinrichtung ausgestrahlt wird, ver­ ändert wird. Ferner kann das elektronische Bauelement, das die oben erwähnten Charakteristika hat, als Basiselement für optische Logikschaltungen angewendet werden.

Claims (4)

1. Elektronisches Bauelement zum Schalten oder Verstärken eines elektrischen Stroms mittels des äußeren photo­ elektrischen Effekts, aufweisend:
eine optische Quelle (13) zum Ausstrahlen eines opti­ schen Signals, die als optische Steuereinrichtung dient;
ein Siliziumsubstrat (9);
eine Isolationsschicht (10), die auf dem Siliziumsub­ strat (9) gebildet ist, wobei die Isolationsschicht (10) einen Ausnehmungsabschnitt aufweist, der durch ein Ätzverfahren gebildet ist;
zwei an eine Spannungsquelle (15) anschließbare Elek­ troden (11, 12), die auf der Isolationsschicht (10) an gegenüberliegenden Seiten des Ausnehmungsabschnittes gebildet und voneinander durch ein Vakuum oder eine ab­ geschlossene Atmosphäre getrennt sind, von denen eine das optische Signal empfängt und eine Elektronen emit­ tierende Elektrode (11) zum Emittieren von Photoelek­ tronen bildet, und die andere von beiden eine Elektro­ nen aufnehmende Elektrode (12) zum Aufnehmen der Photo­ elektronen, die von der Elektronen emittierenden Elek­ trode (11) emittiert werden, bildet;
wobei der Betrag des Stromes, der von der Elektronen­ emittierenden Elektrode (11) zur Elektronen aufnehmen­ den Elektrode (12) fließt, durch die Intensität des op­ tischen Signals von der optischen Quelle (13) einstell­ bar ist.

2. Elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede der gegenüberliegenden Seiten der Elektroden (11, 12), die durch den Ausnehmungsabschnitt getrennt sind, eine spitzenförmige Struktur aufweist, und die Elektroden voneinander elektrisch isoliert sind.

3. Elektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die optische Quelle (13) aus einem Laser besteht.

4. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauele­ ments gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, 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) und eine Elektronen aufnehmende Elektrode (12) zu bilden;
Ätzen der Isolationsschicht (10) zwischen der Elektro­ nen emittierenden und der Elektronen aufnehmenden Elek­ trode (11, 12), um einen Ausnehmungsabschnitt in der Isolationsschicht (10) zu bilden; und
Bilden einer optischen Quelle (13) über der Elektro­ nen emittierenden Elektrode (11).