DE4421256A1 - Feldeffekt-Mikrotriode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldeffekt-Mikro­ triode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Feldeffekt-Mikrotrioden können beispielsweise als Schutzschalter gegen elektrostatische Entladungen (ESD) bei Halbleiterbauelementen bzw. Halbleiterschalt­ kreisen sowie als schaltendes bzw. verstärkendes Hoch­ frequenzbauelement alternativ für Halbleiterbauelemente in monolithisch integrierten Schaltungen eingesetzt werden.

Mikrodioden und Mikrotrioden, die im Vakuum arbeiten, sind in zahlreicher Form vorbekannt:

Veröffentlichungen dazu erfolgten u. a. C. A. Spindt, C. E. Holland, A. Rosengreen und L. Brodie, Field­ emitterarrays for vacuum microelectronics, IEEE Trans. Electron Devices 38 (1991) 2355; Helmuth Lemme, Integrierte Röhren - Mikromechanische Vakuumtrioden als Transistor-Ersatz, Elektronik 13 (1991) 40 und US-PS 4 901 028.

Angewendet werden diese Bauelemente u. a. als Schutz­ schalter gegen elektrostatische Entladungen für inte­ grierte Mikrowellenschaltkreise und für den Aufbau von Flachbildschirmen.

Das Design von konventionellen Mikrotrioden ist stark am Design von normalen Vakuumröhren orientiert:

Zwischen der Feldemissionskathode und der Anode liegt ein sogenanntes Grid (Gitter), das über eine entspre­ chend angelegte negative Spannung den Stromfluß zwi­ schen Kathode und Anode unterbrechen kann und somit eine Modulation dieses Stromes ermöglicht. Diese Form der Gitteranordnung erfordert allerdings eine Vielzahl von Prozeßschritten für die Herstellung der notwendi­ gen Isolator- und Metallschichten.

Weiter gibt es ausgehend von bekannt gewordenen wissen­ schaftlichen Veröffentlichungen Anhaltspunkte, daß eine solche Lochblenden-Gitterelektrode die erzielbare Grenzfrequenz auf Grund des relativ hohen Anodenwider­ standes negativ beeinflußt.

In den üblichen triodenähnlichen Mikrotrioden werden die Steuerelektroden in der Nähe der Spitzen durch Einziehen einer Lochblende erzeugt. Damit liegt aber, bis auf den Bereich der Spitze, diese gesamte Fläche auf einem vergleichbar negativen Potential wie die Feldemitterspitze bzw. -Kante, wodurch sich zwangsläufig ungünstigere Feldverhältnisse ergeben.

Schnittbilder bekannter Mikrotroden-Konzepte zeigt Fig. 1.

Die bekannten Bauelemente arbeiten meist mit sehr spitzen Emittoren und damit verbundenen sehr hohen Stromdichten. Der nutzbare Strom muß allerdings durch die Parallelschaltung einer Vielzahl von elementaren Trioden zu einem Array (FEA Field-Emitter Array) auf brauchbare Werte erhöht werden. Die Modulation eines solchen Arrays - gerade im Hochfrequenz-Bereich - stellt wegen der großen technologischen und schaltungstechni­ schen Streuungen ein großes Problem (Rauschen, Jitter) dar.

Darüberhinaus arbeiten die bekannten Bauelemente mit relativ großen Kathoden-Anodenabständen im Bereich von 50 µm bis in den mm-Bereich.

Mikrotrioden, die ohne Vakuum arbeiten, sind bislang nicht bekannt geworden.

Aus der amerikanischen Patentschrift US 5 227 699 geht ein in Vakuum betriebener Feldeffekt-Transistor, der einen aus Silizium gefertigten Feldemitter aufweist, hervor, bei dem die Gate-Elektroden relativ zu den Emitterspitzen abgesenkt sind. Gleiche oder ähnliche Anordnungen gehen darüberhinaus aus folgenden Dokumenten hervor: IEEE Electron devices meeting 1991, Seiten 213 bis 215 (H.H. Busta et al.), US 5 199 917, EP 0 520 780.

Der Vorteil einer derartigen Anordnung zwischen der Gate- und Emitterelektrode liegt darin, daß die Feld­ emission durch die Anode (Drain) hervorgerufen werden kann und der Strom zwischen Emitter und Anode (Drain) durch die Gate-Elektrode moduliert werden kann. Mit dieser Anordnung wird die Strommodulation ohne auf­ tretenden statistischen Emitter-Gate-Strom, der den Eingangswiderstand des Bauelementes vergrößert, mög­ lich. Auf diese Weise kann die Emitter-Gate und Anode- Gatekapazität verringert werden, wodurch der Eingangs- Blindwiderstand insbesondere für hochfrequente Ein­ gangssignale gesteigert wird.

Jedoch ist die Auslegung der bekannten Mikrotrioden­ anordnungen nicht an die Anforderungen des Hoch­ frequenzbereiches ausgelegt, so daß das Verarbeiten hochfrequenter Signale, z. B. Signale im Giga- und Terra-Hz-Bereich, aufgrund der Bauelementestruktur nicht in gewünschter Weise erfolgen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Feldeffekt-Mikroteriode anzugeben, die in normaler Atmosphäre arbeitet und für den Einsatz hochfrequenter Steuersignale geeignet ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird eine Feldeffekt-Mikrotriodenan­ ordnung mit einer, Feldemissionskanten aufweisenden Emittereinheit, einer Anodenanordnung (Drain) sowie einer steuerelektroden-Einheit (Gate) die planar oder unterhalb zu den Feldemissionskanten angeordnet ist, derart ausgebildet, daß die Steuerelektrodeneinheit (Gate) und die Emitter-Einheit als coplanare Hoch­ frequenzwellenleiterstruktur ausgebildet sind.

Die Erfindungsgemäße Triode basiert auf der Idee, daß es möglich ist, zwischen dem Gate und der Feldemis­ sionskathode eine Welle zu führen. So ist die Feldemis­ sionskathode auf Masse potential zu legen, so daß die Gate-Elektrode mit den auf Masse liegenden Feldemis­ sionskathoden eingangsseitig einen am Design von Co­ planarleitern orientierten Wellenleiter für das hoch­ frequente Steuersignal bildet.

Um Hochfrequenzsignale mit geringem Pegel zu ver­ stärken, muß die Ausführung des verstärkenden Bau­ elementes die Eigenheiten von hochfrequenten elektro­ magnetischen Wellen berücksichtigen. Um ein hoch­ frequentes Signal zu führen, müssen spezielle Leitungs­ strukturen (coplanare Leitung oder Mikrostreifen- Leitung bzw. koaxiale Leitungen oder Hohlleiter) ver­ wendet werden. Die Leitungen und die aktiven Bauele­ mente müssen im Wellenwiderstand anpaßbar sein, um Reflexionen zu vermeiden. Der erfindungsgemäße Trioden­ entwurf ist unter diesen Besonderheiten ausgestaltet worden.

Das, im Vorstehenden beschriebene an sich bekannte Tieferlegen des Gates weicht jedoch von Ausführungen der normalen Coplanarleitungen ab und stellt eine Modifikation des Coplanarleiters dar.

Durch die erfindungsgemäße Geometrie der Feldemis­ sionstrioden ist es möglich, daß neben geringster parasitärer Kapazitäten auch die Anschlußwellen­ leitungen und die verstärkenden oder schaltenden aktiven Feldemissionstrioden auf den gleichen Wellen­ widerstand abgestimmt werden können. Damit werden ge­ ringste Reflexionen am Ein- und Ausgang ermöglicht, die für einen Betrieb im Höchstfrequenzbereich oft die Begrenzung darstellen.

Durch den erfindungsgemäßen Entwurf auf der Basis von Wellenleiterstrukturen bietet sich eine Realisierung von Wanderwellen-Trioden an, die auf diese Weise als mikroelektronisch integrierbares, nicht an Vakuum ge­ bundenes und auf Feldemissionskathoden basierendes Höchstfrequenzbauelement mit außerordentlich hohen Ausgangsleistungen dienen kann.

Die erfindungsgemäße Triode basiert zudem auf einem neuen Prinzip der Strommodulation. Forschungen mit verschie­ denen Feldemitteranordnungen haben ergeben, daß es einen optimalen Abstand zwischen zwei Feldemissionskan­ ten beispielsweise in Klingenform gibt, so daß bei einem entsprechenden Aufbau das für die Feldemission von Elektronen aus dem Feldemitter benötigte elektri­ sche Feld mit kleinstmöglicher angelegter Spannung (zwischen Feldemissionskathode und Anode) erreicht wird. Der optimale Abstand ist dabei abhängig von der Höhe der emittierenden Klinge und dem Abstand zur Anode. Weiterhin sind die Dotierung und die Spitzenform von Einfluß.

Das Prinzip beruht nun darauf, daß dieses optimale Feld durch eine möglicherweise jeweils coplanar zwischen den Feldemissionsklingen angeordnete Steuerelektrode ent­ weder durch eine geeignete Spannung erst erzeugt wird, wozu es notwendig ist, den physikalischen Abstand der Feldemitter nicht in das Optimum zu legen, oder das Optimum wird durch eine geeignete Spannung gestört; in diesem Fall wird der physikalische Abstand genau in das Optimum gelegt, was eine wirksame Strommodulation er­ möglicht.

Diese Steuerelektrode ist coplanar zur Basis der Feld­ emitter ausgeführt und in einem optimalen Abstand D_G zwischen den Emitterkanten lokalisiert. Damit erzielt man eine Beeinflussung des Feldemissionsstromes über die Änderung der Feldstärke E_T des an den Feldemittern anliegenden Feldes.

Die Feldemitterelemente können dabei mittels Kontakt­ metall und die Steuerelektroden mittels Gatemetall auf dem Trägerisolator aufgebracht sein.

Durch entsprechende Einstellung des Abstandes der Feld­ emitterkanten D_E untereinander kann die Feldstärke maximiert werden. Wird nun zwischen diesen Feldemis­ sionskanten auf einer Elektrode (Gate) ein von Null verschiedenes Potential angeboten, so wird ein mehr oder weniger großer Teil der Feldlinien E_T an dieser Elektrode enden. Damit wird die Feldliniendichte E_E an der Spitze der Feldemitterkanten variiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Trioden mit naß-chemisch geätzten Feldemissionsklingen ausge­ führt. Diese Klingen werden aus dem hochdotierten (1-3 10¹⁸) Halbleitermaterial oder höher dotiertem GaAs geätzt. Eine hohe Dotierung ist vorteilhaft, aber nicht funktionsbedingend. Die Klingen können auch aus anderen Halbleitern hergestellt werden. Bei Verzicht auf den hilfreichen "Electronic Blunting"-Effekt sogar aus Glas oder Kunststoffen mit aufgedampften Leiterschichten. Es bieten sich auch kostengünstige epitaktische Schichten auf anderen Trägermaterialien an.

Unter Nutzung des "Elektronic Blunting"-Effekts ist es möglich, eine gleichmäßige Emission über eine Klinge aus dotiertem Halbleitermaterial zu erzeugen, trotz eventueller kleiner Inhomogenitäten in der Höhe oder der Oberfläche der Klingen. Durch die Dotierung ist ein Sättigungsstrom eingestellt. Wird nun versucht, örtlich begrenzt diesen Sättigungsstrom zu überschreiten, so findet durch das Wegemittieren von Oberflächenladungen ein Eindringen des Feldes in den Halbleiter statt. Dies kommt einer örtlichen Widerstandserhöhung gleich, wo­ durch die Emission von benachbarten Gebieten begün­ stigt wird. Bei einer metallischen Feldemissions-Klinge würde zuerst die Stelle zünden, welche der Anode am nächsten ist. Der Strom steigt hier über die Zerstö­ rungsgrenze so lange an, bis diese Stelle evaporiert wird. Die Folge ist, daß eine metallische Kante kaum zu homogener Emission zu veranlassen ist.

Ausgehend von diesem Zusammenhang ist auch erklärlich, daß die meisten veröffentlichten Konzepte auf der Basis von Feldemissions-Spitzen beruhen, was für eine Anwen­ dung als leistungstragende Bauelemente unbefriedigend ist.

Das "Electronic-Blunting"-Prinzip funktioniert aller Voraussicht nach auch mit polykristallinen Halbleiter­ materialen, welche durch sehr kostengünstige Verfahren (CVD, PECVD, Epitaxie) auf Trägermaterialien, wie Glas und Kunststoffe aufgebracht werden können.

Durch das neuartige Prinzip der Erfindung ist es mög­ lich, sehr kleine Abstände zwischen Kathode und Anode in einem Wertebereich von 0,4 . . . 0,5 µm einzustellen.

Daraus ergibt sich der Vorteil, daß diese Bauelemente auch ohne Vakuum zuverlässig arbeiten. Der Abstand der Elektroden liegt im Bereich der mittleren freien Weg­ länge von Elektronen in Normal-Atmosphäre, was einem Quasi-Vakuum entspricht.

Durch die sehr kleinen Abstände zwischen Kathode und Anode ist es weiterhin möglich, relativ große und damit stumpfe Spitzenradien mit einem Radius im Bereich von <25 . . . 75 nm einzusetzen.

Diese erfindungsgemäße Dimensionierung der Feldemitter­ elemente steht im Gegensatz zu konventionellen Trioden­ prinzipien, die möglichst spitze Emittoren bei einem Radius von 0,5-10 nm verlangen.

Durch Anwendung relativ stumpfer Spitzen kann der Vor­ teil solcher Mikro-Trioden voll ausgeschöpft werden. Neben der prinzipiell erzielbaren hohen Stromdichte kann mit der größeren emittierenden Fläche auch ein größerer nutzbarer Strom pro Emitter erzeugt werden. Derartige relativ stumpfe Spitzen sind auch einfacher herzustellen.

Die Steuerwirkung wird nach der erfindungsgemäßen Kon­ figuration der Feldemitterelemente mittels Beeinflus­ sung der Maximalfeldstärke an der Spitze der Feldemis­ sionskante erreicht. Dies steht im Gegensatz zur Poten­ tialschwellensteuerung von normalen Trioden. Daraus ergeben sich entscheidende prinzipielle Vorteile, wie

• - hoher Steuereingangswiderstand,
• - nahezu leistungsloses Steuern und
• - hohe Integrationsfähigkeit die auch wegen der geringen Abmessungen begünstigt wird.

Durch die Variation des Abstandes zwischen Kathode und Anode und des Spitzenradius der Feldemissionskante können verschiedene Schwellspannungen eingestellt wer­ den. Eine weitere sehr exakte Variation der für Feld­ emission aus der Kathode notwendigen Schwellspannung ist mit einer entsprechenden DC-Gitterspannung möglich.

Weiterhin erlaubt die Erfindung, die einfache Integra­ tion von Anoden durch z. B. Luftbrückentechnologie. Eine Luftbrücke ist eine aus der Halbleitertechnik her bekannte und üblicherweise benutzte Form eine auf dem Substrat aufgebrachte Leiterstruktur durch eine weitere Leiterstruktur zu überkreuzen. Dabei sollen die beiden sich kreuzenden Leitungen keinen direkten elektrischen Kontakt aufweisen. Während bei der auf dem Wafer aufge­ brachten Leiterstruktur das Substratmaterial als Dielektrikum für die geführte Welle fungiert, ist das Dielektrikum für die "durch die Luft geführte", in Form einer metallischen Brücke ausgeführte Leiterstruktur nur Luft. Auch ist es möglich, diese Technologie für den Aufbau von Feldemissions-Flach-Bildschirmen einzu­ setzen. Dabei wird die Anode z. B. als Glasscheibe mit aufgedampftem Metallgitter auf das Halbleitermaterial aufgebracht, wobei der optimale Abstand sich auto­ matisch einstellt. Die hierzu notwendigen Technologie­ schritte liegen hinsichtlich des Aufwandes beträchtlich unter den derzeitig verfolgten Prinzipien, der Multi­ layer-Technology.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Feldeffekt-Mikrotriode sind neuartige Schutzschalter gegen elektrostatische Entladungen (ESD) für mono­ lithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise sowie das breite Einsatzfeld als schaltendes und/oder verstärken­ des Hochfrequenzbauelement.

Mit dem neuartigend Aufbau und der damit einhergehenden Funktionsweise der Feldeffekt-Mikrotriode ergeben sich folgende Vorteile:

Es wird ein geringster Abstand zwischen Kathode und Anode ermöglicht. Die geometrische Anordnung der steuernden Gitterelektrode begrenzt nicht den minimal möglichen Abstand zwischen Kathode (Feldemitter) und Anode, wie es zwangsläufig bei den meisten der derzeit üblichen Konzepte der Fall ist. Daraus wiederum ergibt sich eine relativ geringe Schwellspannung (i.d.R. zwi­ schen 7 und 25 Volt) zwischen Kathode und Anode, um die für Feldemission von Elektronen aus der Kathode notwendige Feldstärke an der Spitze des Feldemitters, der Kathode zu erreichen.

Mit der erfindungsgemäßen geometrischen Ausbildung der Emittoren werden je nach Bedarf relativ große Spitzen­ radien und einhergehend mit einer entsprechend großen Emissionsfläche auch relativ hohe Emissionsströme mit adäquater Leistung ermöglicht.

Damit im Zusammenhang stehen vergleichsweise geringe Einsatzspannungen für die Bauelemente, z. B. für inte­ grierte Feldemitterelektronik.

Durch die Verwendbarkeit der größeren Feldemitterspit­ zenradien wird eine höhere Funktionssicherheit der Feldemissionskanten gewährleistet, da bei Stößen mit ionisierten Teilchen die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, daß die Spitze maßgeblich zerstört wird, während dies bei sehr spitzen Feldemissionskanten ein Hauptpro­ blem hinsichtlich Zuverlässigkeit und Stromrauschen ist.

Die Anode wird mittels der aus der MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) Technologie bekannten Luftbrückentechnologie sehr einfach und direkt auf dem Wafer integriert. Der Abstand kann dabei mit den zur Verfügung stehenden Fotolacken variiert werden im Be­ reich 0,3 µm bis etwa 30 µm. Typisch ist jedoch der sehr geringe Abstand von zirka 0,5 µm, da sich hier die genannten Vorteile hinsichtlich Quasi-Vakuum und höhere erzielbare Stromstärken unter Verwendung von relativ stumpfen Spitzen mit großen Emissionsflächen ergeben.

Der Herstellungsaufwand für diese Anoden ist geringer als bei konventionellen Feldemissionsbauelementen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Mikrotriode nach dem Stand der Technik (bereits erläutert),

Fig. 2a ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Feld­ emissions-Mikrotrioden,

Fig. 2b Detailzeichnung von Fig. 2a,

Fig. 3a eine Aufsicht auf die in Fig. 2a und 2b darge­ stellte Feldemissions-Mikrotriode,

Fig. 3b Aufsicht auf die Version mit elektrischem Anschluß der Feldemitter nur durch ohmschen Kon­ takt an der Kathodenmesa,

Fig. 3c Aufsicht auf die Version mit elektrischem An­ schluß der Feldemitter durch ohmschen Kontakt an der Kathodenmesa und zusätzlichen ohmschen Kontaktstreifen parallel zu den Feldemittern.

Fig. 4 Feldemissionstriode basierend auf dem Wander­ wellenprinzip mit langer Emissionskante,

Fig. 5 Feldemissionstriode basierend auf dem Wander­ wellenprinzip mit definierten Abstand,
Zur Begriffserläuterung sei hier bemerkt, daß die Mesa die Stelle ist, an der die aktive (dotierte) Halblei­ terschicht nicht weggeätzt wird.

Die Fig. 2a und 2b zeigen den prinzipiellen Aufbau der Feldemissions-Mikrotriode im Schnitt.

Die Steuerelektrode 2 ist coplanar zur Basis der Feld­ emitter 1 in einem optimalen Abstand D_G zu den Emitter­ kanten angeordnet. Die Feldemitterelemente sind zur Gewährleistung der Feldemitterkanten in Klingenform ausgeführt. Die Feldemissionsklingen 1 sind dabei mit­ tels Kontaktmetall 4 auf dem Trägerisolator 6 angeordnet und die Steuerelektrode (Gatemetall 2) ist auch auf dem Trägerisolator angeordnet.

Der Abstand der Feldemitterkanten D_E zueinander ist so gewählt, daß eine maximale Feldstärke gegeben ist. Eine Beeinflussung des Feldemissionsstromes erfolgt über die Änderung der Feldstärke E_T. Wird die Steuerelektrode mit einem von Null verschiedenen Potential beauf­ schlagt, so wird ein bestimmter Teil der Feldlinien E_T in diese Elektrode eintreten. Auf diese Weise kann die Feldliniendichte E_E an der Spitze der Feldemitterkanten variiert werden.

Der Abstand D_A zwischen Kathode und Anode 3 ist so vorgegeben, daß er im Bereich der mittleren freien Weglänge der Elektronen in Normal-Atmosphäre liegt, was einem Quasi-Vakuum entspricht.

Die Anode 3 ist nach der Luftbrückentechnologie ausge­ führt.

Die Fig. 3a bis 3c komplettieren die Erläuterungen durch dargestellte Aufsichten auf die Feldemissions-Mikro­ triode. Die Fig. 3b und 3c sind dabei Detailzeich­ nungen von Fig. 3a für zwei verschiedene Ausführungs­ formen. Fig. 3b zeigt eine Aufsicht auf eine Version mit elektrischem Anschluß der Feldemitter durch ohmschen Kontakt an der Kathodenmesa und Fig. 3c zeigt eine Version mit zusätzlichen ohmschen Kontaktstreifen parallel zu den Feldemittern. Es sind jeweils Kathodenpad 7, Anodenpad 8 und Gatepad 9 eingezeichnet.

Das vorliegende Bauelement wurde auf GaAs realisiert. Der GaAs-Ätzprozeß wurde naß-chemisch entwickelt, da Plasma-Prozesse meist geschädigte Oberflächen hinter­ lassen, die für den mit ungeschädigtem Halbleitermate­ rial erzielbaren "Electronic Blunting"-Effekt nachtei­ lig sind.

Das zum Herstellen der GaAs-Feldemitter verwendete Naß- Ätzverfahren erlaubt es allerdings, Spitzenradien von kleiner als 25 nm zu ätzen und stellt somit ein Verfah­ ren dar, welches zu einer ähnlich guten Strukturierung führt wie das Plasma-Ätzverfahren, jedoch die Nachteile dieses Verfahrens wie Oberflächenschäden, hervorgerufen durch Ionenbombardement während des Prozesses, nicht aufweist.

Mit einem Triodendesign welches auf vier Feldemissions- Klingen mit einer jeweiligen Länge von 35 µm und einem Spitzenradius von ca. 70 nm beruht, wird bei einer Spannung von 25 V zwischen Kathode 1 und Anode 3 ein Strom von 38 mA DC emittiert und mit einer Gatespannung (planar Grid) von 15 V auf weniger als die Hälfte redu­ ziert.

Das Bauelement benötigt eine Gesamtfläche von 85 µm × 50 µm ohne Anschlußfelder und kann somit unter Normal- Atmosphäre zuverlässig eine Leistung von 1,4 Watt DC zur Verfügung stellen.

Die Feldemissionskanten sind aus einkristallinem Halb­ leitermaterial GaAs - auch polykristallines Halbleiter­ material oder metallbeschichteter Kunststoff werden als nutzbar eingeschätzt - hergestellt. Daraus ergeben sich weitere Vorteile für den Aufbau zuverlässiger Feldemis­ sionsbauelemente, wie homogene Kantenemission und kein Evaporieren der Spitzen bzw. Kanten, wie es bei Metall­ emittoren zu beobachten ist.

Die Steuerelektrode (Gate 2, siehe Fig. 2a) muß nicht notwendigerweise mit Metall beschichtet werden, viel­ mehr kann die elektrische Kontaktierung über den ohm­ schen Kontakt an der Kathodenmesa erfolgen. Dadurch kann der Stromfluß lateral durch die Feldemitterkante erfolgen. Bei langen Emissionskathoden ist es optional möglich den ohmschen Kontakt zusätzlich parallel zu der Basis der Feldemitter auszuführen. Genauso ist eine ohmsche Kontaktierung der Feldemissionsklingen über die Feldemitterkathodenmesa möglich.

Weiterhin ist es möglich die materialabhängige Austritts­ arbeit der Feldemitterklingen durch Beschichtung mit speziellen Materialien, wie Cs, CsO, Na, K oder C₆₀ zu verringern. Gerade die Beschichtung mit Buckminster­ fullerenen wie C₆₀ hat den Vorteil, daß außer der Änderung der Austrittsarbeit noch eine Verlängerung der Zuverlässigkeit des Bauelements erreicht werden kann, da diese Fullerene diamantähnliche Eigenschaften besitzen. Damit würde die Langzeitzuverlässigkeit hinsichtlich Korrosion, Ionenstöße und Halbleiter- bzw. -Oberflä­ chenveränderungen jeglicher Art, wie z. B. Ausgasen von Arsen oder Dotierstoffen bei GaAs, auch in hohen Tempe­ raturbereichen zunehmen. Diese vorteilhafte Beschich­ tung ließe sich z. B. auch mit einer Diamantschicht, die auch dotiert sein kann ausführen.

Aus Fig. 4 geht eine Feldemissionstriode basierend auf dem eingangs erwähnten Wanderwellenprinzip hervor. Die in der Fig. 4 dargestellte Feldemissionstriode besitzt eine Wanderwellenstruktur für hohe Frequenzen im µm- Wellenlängenbereich.

Das Gateleiter G (Innenleiter der Eingangs-Coplanar­ leitung) ist verbunden mit den eigentlichen Gateelek­ troden GE der Triode. Die äußeren Massestreifen M der näherungsweisen Coplanarleitung sind über die Zu­ leitungen Z verbunden mit den beiden Feldemissions­ klingen F der eigentlichen Triode. Die Anodenanschluß­ leitung A (Innenleiter der Ausgangs-Coplanarleitung) ist über die beiden Zuleitungluftbrücken LZ, die in Form einer stabilen metallischen Brückenstruktur (Luft­ brücke) in einer höheren Ebene die Zuleitung Z über­ queren (Leiterüberkreuzung), mit den beiden Anodenzu­ leitungen AZ verbunden. Von den beiden Anodenzu­ leitungen gehen im Abstand der Wellenlänge Anodenluft­ brücken LA aus, die die Gateelektroden und Feldemis­ sionskanten in einer höheren Ebene überbrücken ohne diese zu kontaktieren. Diese Anodenluftbrücken bilden die eigentlichen Anoden, die die von den Feldemissions­ kanten F emittierten Elektronen auffangen.

Die zu verstärkende Welle wird bei dieser ersten Geo­ metrie zwischen Gateleiter G und Masseelektroden M an die Triode herangeführt. In der Triode wird die Welle zwischen den Gateelektroden GE und den, auf Masse- Potential befindlichen und mit den Masseleitern M ver­ bundenen, Feldemissionskanten F geführt. Die Länge der Feldemissionskanten ist so bemessen, daß mehrere Wel­ lenlängen der geführten Welle sich auf der Feldemis­ sionskante befinden können.

Genau an den Stellen, an denen die Feldemissionskanten von den Anodenluftbrücken überkreuzt werden, befindet sich ein Wellenberg. Die Elektrodenlängen werden so bemessen, daß sich die Wellenberge genau phasengleich zu der geführten, zu verstärkenden Eingangs-Welle hin­ zuaddieren können (Wanderwelleneffekt). Die verstärkte Welle wird über die Ausgangsleitung weggeführt. Damit kommt das vorgeschlagene Konzept der idealen "ver­ stärkenden Leitung" sehr nahe.

Energiezufuhr erfolgt über die angelegte Gleichspannung zwischen Feldemissionskante und Anode. Über eine zu­ sätzliche Gleichspannung zwischen Gate und Feldemis­ sionskanten kann ebenfalls der Arbeitspunkt beeinflußt werden. Verstärkung erfolgt, da eine niederpegelige nahezu leistungslose Welle am Eingang sehr hohe Feld­ emissionsströme in der Triode bewirken und steuern kann. Die verstärkten Signale überlagern sich über die reflexionslos weitergeführte Eingangs-Welle. Einzig ein Rücklaufen der verstärkten Welle zum Eingang muß durch geeignete Bauelemente (Zirkulator in passiver oder elektronischer Art) verhindert werden.

Aus Fig. 5 ist ähnlich wie in Fig. 4 eine Feldemis­ sionstriode für den Wanderwellenbetrieb vorgesehen. Hierbei ist der Abstand zwischen den Feldemissions­ kanten F und den zugehörigen Gateelektroden G im Ab­ stand von Vielfachen der Wellenlänge der zu verar­ beitenden Signale ausgebildet.

Die gesamte Triode besteht aus mehreren einzelnen Triodenzellen Z, die jeweils aus einer Feldemissions­ kante F bestehen, welche auf beiden Längsseiten von einer Gateelektrodenkante GE flankiert wird. Die Gate­ leiter G (Innenleiter der Eingangs-Coplanarleitung) ist verbunden mit den eigentlichen Gateelektroden GE der Triode. Die äußeren Massestreifen M der näherungsweisen Coplanarleitung sind mit den Feldemissionsklingen F der eigentlichen Triodenzellen verbunden. Die Anodenan­ schlußleitung A (Innenleiter der Ausgangs-Coplanar­ leitung) ist mit den Anodenluftbrücken L, die in Form einer stabilen metallischen Brückenstruktur (Luft­ brücke) in einer höheren Ebene die Feldemissionskanten F und die jeweiligen Gateelektroden GE überqueren (Leiterüberkreuzung) verbunden.

Die zu verstärkende Welle wird bei dieser alternativen Geometrie zwischen Gateleiter G und Masseelektroden M an die Triode herangeführt. Die einzelne Triodenzelle kann hier klein gegen die Wellenlänge sein, so daß von einem Führen der Welle in der Triodenzelle nicht ausge­ gangen werden muß.

Die Triodenzellen befinden sich im Abstand der Wellen­ länge unter den Anodenluftbrücken. Anders ausgedrückt befindet sich an jeder Triodenzelle ein Wellenberg. Die Elektrodenlängen der Gesamtanordnung werden so bemessen, daß sich die Wellenberge genau phasengleich zu der geführten, zu verstärkenden Eingangs-Welle hin­ zuaddieren können (Wanderwelleneffekt). Die verstärkte Welle wird über die Ausgangsleitung A weggeführt. Damit kommt das vorgeschlagene Konzept der idealen "ver­ stärkenden Leitung" ebenfalls sehr nahe.

Energiezufuhr erfolgt auch hier über die angelegte Gleichspannung zwischen Feldemissionskante und Anode. Über eine zusätzliche Gleichspannung zwischen Gate und Feldemissionskanten kann ebenfalls der Arbeitspunkt beeinflußt werden. Verstärkung erfolgt, da eine nieder­ pegelige nahezu leistungslose Welle am Eingang sehr hohe Feldemissionsströme in den Triodenzellen bewirken und steuern kann. Die verstärkten Signale der einzelnen Triodenzellen überlagern sich über die reflexionslos weitergeführte Eingangs-Welle. Einzig ein Rücklaufen der verstärkten Welle zum Eingang muß auch bei dieser Alternative durch geeignete Bauelemente (z. B. Zirku­ lator in passiver oder elektronischer Art) verhindert werden.

Unter Ausnutzung des Wanderwelleneffektes lassen sich auf diese Weise auch Oszillatoren (phasengleiche Rückkopplung) oder Frequenzvervielfachung (Addition zweier oder mehrerer leicht in der Phase verschobener Wellen und deren geeignete Verstärkung) verwirklichen.

Für die erfindungsgemäße Triodenkonfiguration werden verschiedene Anwendungen vorgeschlagen:

Einmal kann die Feldeffekt-Mikrotriode als neuartiger Schutzschalter gegen elektrostatische Entladungen (ESD) für monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (Monolthic Microwave Integrated Circuit MMIC) und dis­ krete Mikrowellenbauelemente wie Transistoren und Dio­ den auch im Mikrowellenbereich eingesetzt werden.

Für solche ESD-Schutzschaltungen muß das schaltende Bauelement gleichzeitig sehr geringe Parasitäten (vor­ wiegend eine geringe elektrische Kapazität) und die Fähigkeit aufweisen, sehr schnell eine relativ große Stromdichte zu schalten. Dies ist derzeit in solchem Maße nur mit den erfindungsgemäßen Feldemissions-Trio­ den möglich.

Durch die Gitterelektrode kann die Einschaltschwelle in weiten Grenzen variiert werden und somit können Techno­ logieschwankungen ausgeglichen werden. Die Triode er­ laubt dadurch auch den Einsatz von variablen Einschalt­ spannungen mit demselben Schutzelement bei gleichem Abstand zwischen Kathode und Anode auf einem Chip. Das ist mit der einfachen Diodenform nicht möglich, da die optimale Schaltspannung technologisch festgelegt werden muß.

Variable Einschaltspannungen bei ESD-Schutzschaltungen sind insbesondere in integrierten Schaltungen notwen­ dig, wo unterschiedliche Arbeitsspannungsbereiche der verwendeten Bauelemente vorkommen. Das betrifft bei­ spielsweise MMIC, Integrierte optisch-elektronische Mikrowellenschaltungen - Sender: Laser und Lasertreiber - Empfänger: Detektor und entsprechende Verstärkerelek­ tronik sowie hochfrequente Schaltungen mit integrierten Leistungsendstufen im Hochfrequenzbereich.

Allgemein kann das Prinzip auch auf derzeit in Entwick­ lung befindliche hochfrequente integrierte Silizium­ schaltungen angewendet werden, da hier die konventio­ nellen ESD-Schutzschaltungskonzepte ihre Leistungsgren­ zen erreicht haben.

Zum anderen kann die Feldeffekt-Mikrotriode als schal­ tendes und/oder verstärkendes Hochfrequenzbauelement alternativ für Halbleiterbauelemente in monolithisch integrierten Schaltungen eingesetzt werden.

Durch den geringen Abstand zwischen Kathode in Form der Feldemissionskante und Anode kann Feldemission schon bei sehr geringen Spannungen (4-5 V) erreicht werden. Das hat den Vorteil, daß bei immer noch relativ gerin­ gen Spannungen in Höhe von 15-20 Volt Feldemission mit relativ stumpfen Kanten realisierbar ist. Bedingt durch die relativ große Emissionsfläche dieser Kanten können sehr große Emissionsströme erzeugt werden. Diese Funktion ist von größtem Interesse für den Aufbau von Leistungsbauelementen, wie Verstärker, Sender-Endstufen für den Mikrowellenbereich oder als leistungsstarke mikroelektronische Elektronenstrahlquellen für Flach- Bildschirme.

Darüberhinaus haben sie auch für andere Elektronen­ strahlanwendungen, wie Analysegeräte (STM scanning tunnel microscope, SEM scanning electron mikroscope), wo leistungsstarke Elektronenstrahlquellen gefordert sind, eine große Bedeutung.

Durch eine Array-Anordnung solcher Trioden als Elektro­ nenstrahlquellen im SEM sind die verschiedensten Ver­ besserungen des SEM hinsichtlich Auflösung, Filtermög­ lichkeiten und Selektivität möglich.

Mit der neuen Triodengeometrie wird die technologische Herstellung von Flachbildschirmen gravierend verein­ facht.

Dabei wird die Anode 3 z. B. als Glasscheibe mit aufge­ dampftem Metallgitter und Leuchtstoff auf das Trägerma­ terial mit den Feldemittern und den coplanar ausgeführ­ ten Gitterelektroden aufgebracht, wobei der optimale Abstand sich automatisch einstellt. Da das Zusammen­ bringen auch eine einfache Evakuierung erlaubt, ist die Toleranz im Abstand zwischen Kathode und Anode, die sich aus der Qualität der Glasscheibe ergibt, unerheb­ lich. Durch die Gitterelektrode ist zudem eine chroma­ tische Korrektur eines jeden Bildpunktes möglich, da sowohl der maximale Strom als auch die Schwellspannung einstellbar sind.

Die hierzu notwendigen Technologieschritte liegen hin­ sichtlich des Aufwandes beträchtlich unter den derzei­ tig verfolgten Prinzipien der Multilayer-Technologie, wobei die derzeitige Form der Gitteranordnung eine Vielzahl von Prozeßschritten für die notwendigen Isola­ tor- und Metallschichten erfordert.

Durch die coplanare Anordnung der Steuerelektrode 2 mit der Basis der Feldemissionskanten auf dem isolierenden, bei GaAs semiisolierenden Substrat 6 ist keine aufwen­ dige Mehrfachschichtung von Isolator und Metallschich­ ten (multilayer) incl. des damit verbundenen aufwendi­ gen Justierens notwendig. Dadurch wird die Herstel­ lungstechnologie gegenüber derzeit bekannten Verfahren erheblich vereinfacht. Das hat direkte Auswirkungen auf die Integrationsfähigkeit des Bauelementes. Die Inte­ grationsfähigkeit ist stark von der zu erwartenden Ausbeute abhängig und diese ist wiederum mit der Anzahl der notwendigen Prozeßschritte korreliert. Nach dem neuen Konzept wird die Zahl der kritischen Herstel­ lungsschritte erheblich minimiert.

Durch die coplanare Anordnung der steuernden Elektrode sind sehr einfache Verbindungen der aktiven Elemente möglich. Auch die Anordnung der Anoden in der aus der MMIC Fertigung bekannten Luftbrückentechnologie unter­ stützt diese Integrationsfähigkeit, da die Pfeiler dieser Luftbrücken in derselben Ebene verankert sind und damit für einfache Verbindungen und Durchkontaktie­ rungen zur Verfügung stehen.

Als weiteres Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Mikrotriode kommt die Anwendung als Photonenemitter in Frage.

Um die erfindungsgemäße Feldeffekt-Mikrotriode als Sensor zu benutzen, sollte z. B. die Gitterklinge in der Höhe variiert werden. Dadurch wird ein bestimmter Arbeitspunkt eingestellt, der dafür verantwortlich ist, daß z. B. erst mit einem bestimmten Gitterpotential Feldemission stattfinden kann. Dieses Potential ist dann z. B. auch abhängig von anderen physikalischen und chemischen Gegebenheiten an der Triode.

Claims (18)

1. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung mit einer, Feld­ emissionskanten aufweisenden Emittereinheit, einer Anodenanordnung (Source) sowie einer Steuerelektrodeneinheit (Gate), die planar oder unterhalb zu den Feld­ emissionskanten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrodeneinheit (Gate) und die Emittereinheit als coplanare Hoch­ frequenzwellenleiterstruktur ausgebildet sind.

2. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskanten auf Massepotential liegen.

3. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Grenzfrequenz der Mikrotriode im THz-Bereich liegt.

4. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskanten derart länglich ausgebildet sind, so daß sich mehrere Wellenlängen auf der Steuerelektrode befinden können.

5. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Steuerelektroden (2) der Steuerelektrodeneinheit jeweils planar zwischen den Feldemissionskanten angeordnet sind.

6. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskanten (1) mittels Kontaktmetall (4) auf dem Trägerisolator (6) ange­ ordnet sind.

7. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (2) mittels Gatemetall oder dotiertem Halbleitermaterial auf dem Trägerisolator (6) angeordnet sind.

8. Feldeffekt-Mikrotriodeananordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (2) aus dotiertem Halbleitermaterial bestehen.

9. Feldeffekt-Mikrotriodeananordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden scharfe Kanten aufweisen.

10. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand D_A zwischen der Feldemissionskante (1) und Anode (3) im Bereich der mitt­ leren freien Weglänge von Elektronen unter atmosphärischen Normalbedingungen liegt.

11. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand D_A etwa 0,4 bis 0,5 µm beträgt.

12. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskanten an ihren Spitzen Krümmungsradien von maximal 75 nm aufweisen.

13. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) mittels der aus der MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)-Techno­ logie bekannten Luftbrückentechnologie direkt auf einem Wafer integriert ist.

14. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittereinheit (1) aus hochdotiertem (1-3 10¹⁸ Dotieratome/cm³) Halbleitermaterial geätzt ist.

15. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial GaAs ist.

16. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskante Glas oder Kunststoffe mit aufgedampften Leiterschich­ ten aufweisen.

17. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsarbeit der Feldemitter durch Beschichtung mit geeigneten Materia­ lien wie z. B. Cs, CsO, K, C₆₀, dotiertem Diamant, variierbar ist.

18. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittereinheit und die Steuerelektrodeneinheit als Streifenleiter ausgebildet sind.