DE4426594A1

DE4426594A1 - Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE4426594A1
Application number: DE4426594A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Matsuzaki; Akira Amano
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: US5631524A; DE4426594C2; JPH0745205A; JP3075024B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung mit Elektronen emission von einer Kaltkathode (Feldemission) und genauer, eine Schaltvorrichtung, deren Schaltbetrieb mittels einer optischen oder elektromagnetischen Welle (typischerweise einer Mikrowelle) steuerbar ist.

Im Stand der Technik sind Vakuumröhren bekannt, die eine heiße Kathode als Elektronenemissionsquelle verwenden, welche ein Vorheizen erfordert. Daher verbrauchen Vakuumröhren viel Energie. Die heiße Kathode eignet sich wegen ihrer zusätzli chen Heizeinrichtung nicht für eine Miniaturisierung und Integration unter Einsatz der Haltleitertechnologie. Als Alternativen der Vakuumröhre finden Kaltkathoden-Elektronen emissionsvorrichtungen zunehmend Beachtung. Solche Vorrich tungen enthalten ein Elektronenfeldemissionsemitterelement, das Elektronen durch Anlegen eines hohen lokalen elektrischen Feldes emittiert.

Fig. 7 zeigt schematisch den Aufbau eines Elektronenfeldemis sionselements, wie es beispielsweise aus der Druckschrift Journal of Applied Physics, Band 47, Nr. 12, Dezember 1976, Seite 5248, bekannt ist. Die Fig. 8(A) bis 8(D) sind Schnitt ansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Elements gemäß Fig. 7.

Wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt das bekannte Elektronen feldemissionselement ein Siliziumsubstrat 1, auf dem eine Isolierschicht 3 (Siliziumoxidschicht) ausgebildet ist, wel che mit einer Öffnung 4 versehen ist. In der Öffnung 4 ist auf dem Siliziumsubstrat 1 eine konische Kaltkathode 2 aus Mo ausgebildet. Eine Steuerelektrode 5 befindet sich auf der Isolierschicht 3 und erstreckt sich teilweise über die Öff nung 4. Die Kaltkathode 2 und die Steuerelektrode 5, die einen Elektronenemitter bilden, sind mittels eines nicht dar gestellten Abdichtelements in einem evakuierten Raum einge schlossen. Ein an die Steuerelektrode 5 angelegtes, gegenüber der Kaltkathode 2 positives elektrisches Potential führt zur Konzentration eines elektrischen Feldes hoher Intensität an der scharfen Spitze der Kaltkathode 2. Das hohe elektrische Feld modifiziert die Austrittsarbeit der Kaltkathode 2 und verschmälert die Potentialbarriere (integrated potential) an der Grenzfläche der Kaltkathode 2, wodurch Elektronen durch Feldemission aufgrund eines quantenmechanischen Tunnelprozes ses basierend auf dem Schottky-Effekt emittiert werden. Die ses mit der konischen Kaltkathode 2 versehene Elektronenemit terelement wird auffolgende Weise hergestellt.

Wie in Fig. 8(A) gezeigt, wird die Siliziumoxidisolierschicht 3 auf dem beispielsweise aus Silizium bestehenden Halbleiter substrat 1 ausgebildet. Die Steuerelektrode 5 wird durch Musterung einer auf der Isolierschicht 3 abgeschiedenen Mo Schicht ausgebildet. Dann wird die Öffnung 4 durch selektives Ätzen erzeugt. Wie in Fig. 8(B) gezeigt, wird das Substrat 1 um die X-Achse gedreht und durch Dampfabscheidung eine Alumi niumschicht 6 auf der Steuerelektrode 5 so ausgebildet, daß die Endflächen der Aluminiumschicht 6 gemäß Darstellung um einen vorbestimmten Winkel e geneigt sind. Dann wird gemäß Darstellung in Fig. 8(C) Molybdän mittels einer Elektronen strahldampfabscheidungstechnik vertikal auf dem Substrat 1 abgeschieden. Da das Molybdän auf den Seitenflächen der Aluminiumschicht 6 sowie auf der Aluminiumschicht 6 und dem Substrat 1 durch den Elektronenstrahlabscheidungsprozeß abge schieden wird, werden der Durchmesser einer Öffnung in der Aluminiumschicht 6 und damit die Abscheidungsfläche der Molybdänschicht auf dem Substrat 1 mit fortschreitender Abscheidung der Molybdänschicht 7 zunehmend kleiner. Auf diese Weise wird die konische Kathode 2 auf dem Substrat 1 ausgebildet. Schließlich wird gemäß Darstellung in Fig. 8(D) das Elektronenemitterelement, das mit der konischen Kaltka thode 2 und der der scharfen Spitze der Kathode 2 zugewandten Steuerelektrode 5 versehen ist, durch Entfernen der Molyb dänschicht 7 und der Aluminiumschicht 6 erhalten.

Das auf Feldemission beruhende Elektronenemitterelement, das oben beschrieben wurde, ist insofern attraktiv, als es keine Vorheizeinrichtung erfordert und einen Aufbau besitzt, der sich gut für eine Verkleinerung eignet. Die Produktions genauigkeit und Wiederholbarkeit von Fläche und Höhe sowie die Ausbeute der konischen Kathode 2 sind jedoch nicht akzep tabel genug, um eine praktische Verwendung dieser bekannten Vorrichtung zu erlauben, da die konische Kathode 2 durch all mähliches Schließen der Öffnung durch Dampfabscheidung ausge bildet wird.

Das bekannte Elektronenemitterelement eignet sich nicht für den Einsatz bei Schaltvorrichtungen mit hoher Stromkapazität, da der von der Spitze des Elektronenemitters erhaltene Strom (Emitterstromdichte) klein ist.

Ausgehend von dem Voranstehenden ist es Aufgabe der vorlie genden Erfindung, eine Schaltvorrichtung zu schaffen, die sich zum Schalten großer Ströme eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die beanspruchte Schaltvorrichtung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Schaltvorrichtung gelöst, die eine Einrichtung zur Emission von Elektronen von einer Kaltkathode durch Feldemission und eine Einrichtung zur Vervielfachung abgespaltener Elektronen (Elektronenlawine) durch gegenseitige Einwirkung unter den emittierten Elektronen, einer optischen oder elektromagneti schen Welle und Atomen oder Molekülen eines verdünnten Gases aufweist.

Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung enthält einen großen Strom durch Auslösung einer Elektronenlawine aufgrund dieser gegenseitigen Einwirkung zwischen durch Feldemission von der Kaltkathode emittierten Elektronen, der optischen oder elek tromagnetischen Welle und den Atomen oder Molekülen des ver dünnten Gases.

Bei einer ersten Ausführungsform der Schaltvorrichtung werden durch Kollision mit beschleunigten Elektronen angeregte Atome erzeugt und die angeregten Atome durch Kollision mit Photonen ionisiert. Bei einer zweiten Ausführungsform der Schaltvor richtung werden beschleunigte Elektronen durch Zyklotron resonanz erzeugt und die Atome eines verdünnten Gases durch Kollision mit den beschleunigten Elektronen ionisiert.

Die erste Ausführungsform der Schaltvorrichtung umfaßt eine optisch transparente Abdichtanordnung zum Einschluß von ver dünntem Gas in dem Vakuumraum und eine optische Strahlungs quelle zum intermittierenden Einstrahlen einer optischen Welle in den Vakuumraum. Von der Kaltkathode durch Feldemis sion emittierte Elektronen werden zur Anode beschleunigt und stoßen mit Atomen (Molekülen) des in den Vakuumraum einge füllten verdünnten Gases zusammen. Obwohl ein driftendes Elektron normalerweise, wenn die Anode nicht auf ein entspre chend hohes Potential vorgespannt ist, nicht genügend Energie aufweist, um ein Bahnelektron von einem Gasatom abzuspalten (das Gasatom zu ionisieren), wird als Ergebnis der Energie übertragung durch die Kollision mit einem in gewissem Ausmaß beschleunigten Elektron e*, das Atom M des verdünnten Gases in einen angeregten Zustand (M*) versetzt

e* +M → e+M* (1)

Wenn eine perfekte elastische Kollision unterstellt wird, wird die kinetische Energie des beschleunigten Elektrons ganz auf das Atom M übertragen. Wenn durch die optische Strah lungsquelle ein Photon auf das angeregte Atom M* gestrahlt wird, gewinnt das angeregte Atom M* die Photonenergie hν. Wenn die Photonenergie hν die Abspaltungsenergie übersteigt, wird das Atom durch Abspaltung unter Bildung eines Elektron- Ionpaars ionisiert:

M*+ hν → M⁺ + e (2)

wobei h das Plank′sche Wirkungsquantum ist und ν eine Wellen zahl der optischen Welle. Durch Zusammenfassung der Gleichun gen (1) und (2) erhält man

e*+ M + hν → 2e + M⁺ (3)

Es tritt also eine Multiplikation der Anzahl von Elektronen oder eine Ladungsträgererhöhung auf, obwohl die Multiplizität oder die Zunahme von dem die Elektronen beschleunigenden elektrischen Feld abhängt, das von dem Anodenpotential bestimmt wird, dem Kollisionsquerschnitt (Kollisionswahr scheinlichkeit) der beschleunigten Elektronen mit einem Atom und dem Kollisionsquerschnitt der angeregten Atome mit einem Photon. Das abgespaltene Elektron löst eine weitere der Glei chung (3) folgenden Ionisation aus und verstärkt die Elektronlawine. Die multiplizierten Elektronen fließen zur Anode, während die Ionen durch Rekombination mit Elektronen an der Kathode wieder zu den Gasatomen werden.

Der Anodenstrom weist also einen verstärkten Wert auf, der höher ist als der allein auf den emittierten Elektronen beru hende Anodenstrom. Daher wird eine Schaltfunktion eines großen Stroms durch An- und Abschalten der Bestrahlung von der optischen Strahlenquelle realisiert. Ein Leckstrom kann durch Stoppen der Elektronenemission (beispielsweise durch Senkung des elektrischen Steuerpotentials) synchron mit dem Abschalten der Bestrahlung erfolgen. Ein schnelles Schalten wird dadurch realisiert, daß nur die Bestrahlung an- und ab geschaltet wird, während die Elektronenemission ungeachtet des An- und Abschaltens der optischen Strahlung auf demselben Pegel gehalten wird.

Die ersten Ausführungsform, die die Stromdichte durch Kolli sion von Elektronen mit Atomen und optische Abspaltung erhöht, vergrößert die Gestaltungsfreiheit von Aufbau und Form der Kaltkathode.

Die erste Ausführungsform erleichtert damit die Herstellung der Schaltvorrichtung mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und hoher Ausbeute. Da bei der ersten Ausführungsform der Schaltvorrichtung ein ausreichend großer Strom erzielt wird, ermöglicht sie eine Senkung des Anodenpotentials auf einen geringeren Wert als bei einer Schaltvorrichtung nach dem Stand der Technik.

Die Schaltvorrichtung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß sie mittels herkömmlicher Halbleiterverarbeitungstechniken herge stellt werden kann und sich gut für eine Verkleinerung sowie für eine Massenproduktion eignet.

Da kammzinkenartige Spitzen der Kaltkathode leicht mittels Photolithographie hergestellt werden können, kann der Anoden strom leicht vergrößert werden und ungünstige statistische Verteilungen der strukturellen Parameter und der Leistung der Schaltvorrichtung können minimiert werden.

Die zweite Ausführungsform der Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt zusätzlich zu den grundsätz lichen strukturellen Elementen einer herkömmlichen Miniatur vakuumröhre eine isolierende Abdichteinrichtung zum Ein schließen von verdünntem Gas in dem Vakuumraum, eine Magnet feldanlegeanordnung zum Anlegen eines Magnetfeldes an den Vakuumraum orthogonal zu einem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Anode, und eine elektromagnetische Bestrah lungsanordnung zum intermittierenden Einstrahlen einer elek tromagnetischen Welle in den Vakuumraum. Bei der zweiten Aus führungsform wird die Bewegungsbahnlänge eines als eines geladenen Teilchens durch Feldemission emittierten Elektrons auf seinem Weg zu der ihn anziehenden Anode durch Zyklotron rotation, verstärkt durch das orthogonale Magnetfeld, verlän gert. Das rotierende Elektron wird durch wiederholte Zufuhr kinetischer Energie beschleunigt, die auf der Zyklotronreso nanz beruht, wenn die Zyklotronwinkelfrequenz ω_c des Elek trons, die von der magnetischen Induktion orthogonal zur Rotationsbahn des Elektrons bestimmt wird, und eine Winkel frequenz ω_f einer bestrahlenden elektromagnetischen Welle übereinstimmen. Das beschleunigte Elektron stößt mit Molekü len des verdünnten Gases zusammen und ionisiert die Gasmole küle. Die durch die Ionisation multiplizierten Elektronen werden von der Anode eingefangen, während die ionisierten Teilchen von der Kathode eingefangen werden. Der Anodenstrom, den man im Fall der Verstärkung der Zyklotronresonanz erhält, ist sehr viel größer als der Anodenstrom, der nur auf den Elektronen beruht, die vorhanden sind, wenn die Zyklotronre sonanz nicht verstärkt wird. Elektronen werden aus der Kathode 13 ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform durch den Schottky-Effekt (Tunneleffekt) herausgezogen. Die Strom dichte j der von der Kathode 13 durch Feldemission emittier ten Elektronen ist durch die nachfolgende Fowler-Nordheim- Gleichung gegeben:

j = BE₀²exp(-C/E₀) (1)

in der E₀ ein externes elektrisches Feld an der Grenzfläche der Kathode und B und C Konstanten sind. Obwohl die Gleichung (1) unter der Annahme abgeleitet ist, daß Elektronen von niedrigeren Niveaus als dem Fermi-Niveau bei 0°K emittiert werden, hat sich experimentell gezeigt, daß die Temperaturab hängigkeit der Gleichung so ist, daß die Gleichung auch bei höheren Temperaturen als der Raumtemperatur gültig ist.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird ein feldemittiertes Elektron auf grund eines elektrischen Feldes E zwischen Kathode und Anode mit einer Driftgeschwindigkeit längs der X-Richtung zur Anode angezogen. Das bewegte Elektron rotiert (führt eine kreisför mige Bewegung aus) auf einer XY-Ebene in einem orthogonalen Koordinatensystem, bei dem die X-Achse in Richtung des elek trischen Feldes E weist und die Z-Achse längs dem gleichför migen orthogonalen Magnetfeld, das von der Magnetfeldanle geanordnung angelegt wird, wobei die Drehung mit einer Win kelgeschwinigkeit ω_c erfolgt, die durch die nachfolgende Gleichung gegeben ist:

ω_c = eB/m = 175,65B [GHz] (5)

wobei e die elektrische Ladung eines Elektrons, m die Masse eines Elektrons und B die Induktion des orthogonalen Magnet feldes sind. Die Zyklotronwinkelfrequenz ω_c hängt nicht von der Geschwindigkeit eines Elektrons ab und ist proportional zur magnetischen Induktion B. Daher nimmt mit zunehmender magnetischer Induktion B die Winkelgeschwindigkeit ω_c zu, während die Rotationsbahn (Bewegungsbahnlänge) des Elektrons länger wird. Das Elektron kreist also, während es sich zur Anode bewegt.

In diesem Zustand wird eine Zyklotronresonanz unter einer speziellen Bedingungen hervorgerufen oder verstärkt, während eine elektromagnetische Welle die Elektronenbahn bestrahlt. Da das Elektron beschleunigt wird, wenn die Schwingungswin kelfrequenz ω_f der elektromagnetischen Welle mit der Zyklo tronwinkelfrequenz ω_c zusammenfällt und die elektrische Feld richtung der bestrahlenden elektromagnetischen Welle mit der X-Achse zusammenfällt, wird die Rotationsgeschwindigkeit des Elektrons größer, und der durch die folgende Gleichung gege bene Rotationsradius R nimmt allmählich zu:

R = mv/(eB) = v/ω_c (3)

Das Elektron bewegt sich also auf einer spiralförmigen Bahn zur Anode. Mittels der isolierenden Abdichteinrichtung ist in dem Vakuumraum verdünntes Gas eingeschlossen. Da das durch die Zyklotronresonanz beschleunigte Elektron eine kinetische Energie erhält, die höher ist als die Energie zum Abspalten eines Elektrons von einem Molekül (Atom) M des verdünnten Gases, und da der Kollisionsquerschnitt (Kollisionswahr scheinlichkeit) infolge der verlängerten Bewegungsbahn als Ergebnis der Spiralbewegung des Elektrons groß ist, stößt das beschleunigte Elektron mit einem Gasmolekül M zusammen und ionisiert dieses unter Abspaltung von einem oder zwei Ionisa tionselektronen. Da das Ionisationselektron oder die Ionisa tionselektronen dann zur Auslösung weiterer Ionisationen von Gasmolekülen oder -atomen beschleunigt werden, steigt die Zahl multiplizierter Elektronen und Ionen in dem Vakuumraum exponentiell an. Die Elektronen werden von der Anode einge fangen, und die Ionen von der Kathode. Wenn die Anode nur feldemittierte Elektronen einfängt, das heißt wenn die Zyklo tronresonanz nicht verstärkt wird (in einem Aus-Zeitab schnitt), erzeugt die Anode nur einen geringen Anodenstrom, während, wenn die Zyklotronresonanz verstärkt wird (in einem Ein-Zeitabschnitt), aufgrund der vervielfachten Ladungsträger ein großer Anodenstrom beobachtet wird.

Die zweite Ausführungsform, bei der die Anzahl von Ladungs trägern durch Ionisation mittels der Zyklotronresonanz und Kollision der resonierenden Elektronen mit Atomen vergrößert wird, erleichtert die Erhöhung der Schaltstromdichte sowie die Herstellung der Schaltvorrichtung mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und hoher Ausbeute. Die zweite Ausfüh rungsform der Schaltvorrichtung ermöglicht ein Absenken des Anodenpotentials auf einen geringeren Wert als bei einer Schaltvorrichtung nach dem Stand der Technik.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei

Fig. 1(a) eine perspektivische Ansicht und Fig. 1(b) eine Schnittansicht ist,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit des Anodenstroms von der Ein-Aus-Zeitsteuerung einer Laserbestrahlung,

Fig. 3 schematisch den Aufbau eines Halbleiterchips für die zweite Ausführungsform einer Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 3(a) eine per spektivische Ansicht und Fig. 3(b) eine Schnittan sicht ist,

Fig. 4 schematisch die zweite Ausführungsform der Schaltvor richtung, wobei Fig. 4(a) eine perspektivische Ansicht und Fig. 4(b) eine Draufsicht ist,

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Zyklotronresonanz bei der zweiten Ausführungsform,

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwi schen dem Anodenstrom und der Gatespannung bei der zweiten Ausführungsform,

Fig. 7 in einer schematischen Schnittansicht den Aufbau eines Feldemissions-Elektronenemitterelements gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 8(A)-(D) Schnittansichten zur Erläuterung des Herstel lungsverfahrens für das Element von Fig. 7.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer von einer optischen Welle gesteuerten Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1(a) eine perspektivi sche Ansicht und Fig. 1(b) eine Schnittansicht eines Halblei terchips der Schaltvorrichtung ist. Die Schaltvorrichtung 10 umfaßt auf einem Siliziumsubstrat 11 eine nachfolgend als Isolierschicht bezeichnete oxidierte Siliziumschicht 12, in der eine Ausnehmung in der Form eines umgekehrten Trapezes ausgebildet ist, eine Wolframkaltkathode (Emitterelektrode) 13, die auf der Isolierschicht 12 ausgebildet ist und viele kammzinkenartige Spitzen aufweist, die sich von einer Seite über die Ausnehmung 12a erstrecken, eine rechteckförmige Molybdän-Gateelektrode (Steuerelektrode) 14, die in der Aus nehmung 12a auf der Seite der Kaltkathode 13 angeordnet ist, eine Wolframanode (Kollektorelektrode) 15, die auf der Iso lierschicht 12 ausgebildet ist und sich von der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite über die Ausnehmung 12a erstreckt, ein (in Fig. 1(a) nicht gezeigtes) optisch transparentes Abdichtteil (Quarz) 16, das an seiner Unter seite eine Ausnehmung 16a aufweist und zusammen mit der Aus nehmung 12a einen Vakuumraum 17 zum Einschluß von verdünntem Stickstoffgas bildet, und einen Halbleiterlaser 18, der mit tels eines Tragelements 19 an der Außenseite des Abdichtteils 16 gehalten wird, um einen Laserstrahl durch das Abdichtteil 16 in den Vakuumraum 17 zu strahlen.

Tpyische Konfigurationsparameter der ersten Ausführungsform sind wie folgt: Größe (Chipgröße) des Siliziumsubstrats 11: 2 mm×2 mm; Dicke der Kathode 13 : 0,2 µm; Kantenbreite der kammzinkenartigen Spitzen: 3 µm; Mittenabstand der Spitzen: 6 µm, wobei die Kathode 13 etwa 270 Spitzen aufweist und eine Gesamtbreite von etwa 1,6 mm besitzt; Dicke und Breite der Gateelektrode 14: 0,2 µm bzw. 3 µm; Dicke und Breite der Anode 15: 0,2 µm bzw. 1,6 mm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Gateelektrode 14: 0,7 µm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Anode 15: 5 µm. Der Vakuumraum 17 ist mit 3×10^-19 Mole verdünnten Stickstoffgases gefüllt und der Druck beträgt 6,67×10^-6 Pa. Die Wellenlänge des Laser strahls vom Halbleiterlaser 18 beträgt 632,8 nm.

Bei der ersten Ausführungsform ist das Potential der Gate elektrode 14 und der Anode 15 auf 150 V festgelegt. Durch diese Vorspannung werden von der Kathode 13 durch Feldemis sion Elektronen e emittiert und in Richtung auf die Anode 15 beschleunigt. Die beschleunigten Elektronen stoßen mit den Stickstoffgasatomen (Molekülen) M zusammen und übertragen ihre Energie auf die Atome, wodurch sie diese Stickstoffgas atome M in einen angeregten Zustand versetzen (C³II_u) Damit ist der Raum 17 mit den angeregten Atomen M* gefüllt. Wenn eine optische Welle (Photonen) von dem Halbleiterlaser 18 die angeregten Atome M* trifft, gewinnen die angeregten Atome M* die Photonenenergie hν. Wenn die Photonenenergie hν die Ener gie zum Abspalten eines Elektrons übersteigt, wird ein Ion- Elektron-Paar gebildet, wodurch die Anzahl von Elektronen oder Ladungsträgern erhöht wird. Die multiplizierten Elektro nen strömen zur Anode, während die Ionen mit Elektronen an der Kathode zu Gasmolekülen M rekombinieren. Dementsprechend stellt sich ein verstärkter Anodenstrom ein, der sehr viel größer als der allein auf den emittierten Elektronen beru hende ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, liegt der Wert des Anoden stroms bei nahezu Null, wenn die Laserbestrahlung nicht erfolgt (Aus-Periode der Laserbestrahlung). Dagegen wird ein Anodenstrom von 0,7 mA erreicht, wenn die Laserbestrahlung erfolgt (Ein-Periode der Laserbestrahlung). Dadurch wird eine Schaltfunktion eines großen Stroms durch An- und Abschalten der Laserbestrahlung erreicht.

Wie oben beschrieben, bietet die erste Ausführungsform, bei der Ladungsträger durch Kollision von Elektronen mit Atomen und optische Elektronenabspaltung vervielfacht werden, die Möglichkeit einer Erhöhung der Stromdichte der Schaltvorrich tung und vergrößert die Gestaltungsfreiheit von Aufbau und Form der Kaltkathode 13. Die erste Ausführungsform ermöglicht außerdem eine Herstellung der Schaltvorrichtung mit ausge zeichneter Reproduzierbarkeit und hoher Ausbeute. Da ein aus reichend großer Strom bei der Schaltvorrichtung der ersten Ausführungsform erzielt wird, kann das Anodenpotential auf einem niedrigeren Wert gehalten werden, als bei der bekannten Schaltvorrichtung. Da die kammzinkenartigen Spitzen der Kathode leicht durch eine herkömmliche photolithographische Technik ausgebildet werden können, kann man den Anodenstrom leicht verstärken und ungünstige statistische Streuungen bei der Herstellung und der Leistungsfähigkeit der Schaltvorrich tung werden minimal.

Fig. 3(a) ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch den Aufbau eines Halbleiterchips einer zweiten Ausführungs form einer von einer elektromagnetischen Welle (Mikrowelle) gesteuerten Schaltvorrichtung zeigt, während Fig. 3(b) eine Schnittansicht des Halbleiterchips dieser zweiten Ausfüh rungsform ist. Fig. 4(a) ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch den Aufbau der zweiten Ausführungsform zeigt, während Fig. 4(b) eine Draufsicht auf die zweite Ausführungs form ist.

Die Schaltvorrichtung 20 dieser zweiten Ausführungsform umfaßt auf einem Siliziumsubstrat 11 eine Siliziumoxidiso lierschicht 12, in der eine Ausnehmung 12a in der Form eines umgekehrten Trapezes ausgebildet ist, eine Wolframkaltkathode (Emitterelektrode) 13, die auf der Isolierschicht 12 ausge bildet ist und viele kammzinkenartige Spitzen aufweist, die sich von einer Seite über die Ausnehmung 12a erstrecken, eine rechteckförmige Molybdän-Gateelektrode (Steuerelektrode) 14, die in der Ausnehmung 12a auf der Seite der Kaltkathode 13 angeordnet ist, eine Wolframanode (Kollektorelektrode) 15, die auf der Isolierschicht 12 ausgebildet ist und sich von der der einen Seite gegenüberliegenden anderen Seite über die Ausnehmung 12a erstreckt, ein isolierendes Abdichtteil (Quarz) 26, das an seiner Unterseite mit einer Ausnehmung 26a versehen ist, die zusammen mit der Ausnehmung 12a einen Vakuumraum 17 bildet, in dem verdünntes Wasserstoffgas einge schlossen ist, einen Magneten 28 einer magnetischen Induktion von 1 T mit einem auf dem Abdichtteil 26 angeordneten oberen N-Pol und einem an der Unterseite des Substrates 11 angeord neten unteren S-Pol zum Anlegen eines Magnetfeldes orthogonal zu einem zwischen der Kathode 13 und der Anode 15 angelegten elektrischen Feld, und einen Hochfrequenzoszillator 29 mit parallelen Elektroden 29a und 29b, die auf der Vorderseite bzw. der Rückseite des Halbleiterchips angeordnet sind, um eine Microwelle in den Vakuumraum 17 zu strahlen.

Typische Konfigurationsparameter der zweiten Ausführungsform sind wie folgt. Größe (Chipgröße) des Halbleitersubstrats 11: 2 mm×2 mm; Dicke der Kathode 13: 0,2 µm; Kantenbreite der kammzinkenartigen Spitzen: 3 µm; Mittenabstand der Spitzen: 6 µm, wobei die Kathode 13 etwa 270 Spitzen und eine Gesamt breite von etwa 1,6 mm aufweist; Dicke, Länge und Breite der Gateelektrode 14: 0,2 µm, 1,6 mm bzw. 3 µm; Dicke und Breite der Anode 15: 0,2 µm bzw. 1,6 mm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Gateelektrode 14: 0,7 µm; Abstand zwischen der Kathode 13 und der Anode 15: 10 µm. Der Vakuumraum 17 ist mit 3×10^-19 Mole verdünnten Wasserstoffgases gefüllt und der Druck beträgt 6,67×10^-6 Pa.

Ein Nullpotential oder negatives elektrisches Potential wird an die Kathode 13 angelegt. Ein positives elektrisches Signal wird an die Gateelektrode 14 angelegt. Ein elektrisches Potential höher als das an der Gateelektrode wird an die Anode 15 angelegt. Da das elektrische Feld der Gateelektrode 14 die Austrittsarbeit von Wolfram moduliert und die Poten tialbarriere an der Grenzfläche der Kathode 13 schmäler macht, werden Elektronen aus der Kathode 13 aufgrund des Schottky-Effekts (Tunneleffekt) herausgezogen.

Es ist aufgrund von Experimenten bekannt, daß die Stromdichte der durch Feldemission längs der X-Achse von der Kathode 13 emittierten Elektronen wenig Temperaturabhängigkeit zeigt. Die Stromdichte dieser feldemittierten Elektronen weist unter hohen Temperaturen oder unter Strahlungsaussetzung einen nahezu stabilen Wert auf. Da alle Stirnflächen der kammzin kenartigen Spitzen der Kathode 13 in bezug auf die Gateelek trode 14 gleich angeordnet sind, ergeben sich von der Stirn fläche der einzelnen Spitzen gleiche Stromdichten.

Damit sind die Schwellenspannung der Feldemission an der Stirnfläche aller Spitzen und die Anfangsgeschwindigkeit der an diesen Stirnflächen emittierten Elektronen gleich.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Zyklotronresonanz bei der zweiten Ausführungsform. Wie in Fig. 5 gezeigt, bewegt sich ein feldemittiertes Elektron unter dem Einfluß des elektrischen Feldes E zwischen der Kathode und der Anode 15 in Richtung auf die Anode 15. Da durch den Magneten 28 ein gleichförmiges Magnetfeld B ortho gonal zu dem elektrischen Feld E in dem Vakuumraum 17 an liegt, rotieren die Elektronen (führen eine kreisförmige Bewegung aus) auf der XY-Ebene mit einer Winkelfrequenz ω_c Diese Zyklotronwinkelfrequenz hängt nicht von der Geschwin digkeit des Elektrons ab und ist proportional zur magneti schen Induktion B.

Daher steigt die Winkelfrequenz ω_c unter Vergrößerung der Rotationsbahn (Bahnlänge) des Elektrons mit zunehmender magnetischer Induktion B. Das Elektron kreist also, während es sich zur Anode 15 bewegt. Wenn in dieser Situation ein Verschiebungsstrom (elektromagnetische Welle), dessen Schwin gungswinkelfrequenz ω_f mit der Zyklotronwinkelfrequenz ω_c zusammenfällt und dessen elektrische Feldrichtung mit der X- Achse zusammenfällt, die Elektronenbahn bestrahlt (Ein- Periode der Elektromagnetwellenbestrahlung), dann wird das Elektron durch die bestrahlende elektromagnetische Welle zu einem Maximum beschleunigt, so daß es schneller kreist und der Radius R seiner Kreisbahn allmählich zunimmt. Das Elek tron bewegt sich daher längs einer spiralförmigen Bahn zu der Anode 15. Da das Elektron beschleunigt wird, wenn die Zyklo tronresonanz einmal verstärkt oder angeregt wurde, wird ein Molekül M des verdünnten Wasserstoffgases durch Kollision mit dem beschleunigten Elektron ionisiert und gibt ein Elektron frei. Da das freigelassene Elektron dann beschleunigt wird und eine weitere Ionisation von Wasserstoffgasmolekülen aus löst, nimmt die Zahl von Elektronen und Ionen in dem Vakuum raum 17 exponentiell zu. Die vervielfachten Elektronen werden von der Anode 15 eingefangen, während die Ionen (Wasserstoff kerne) an der Kathode 13 rekombinieren.

Wenn die Zyklotronresonanz nicht verstärkt wird (Aus-Periode der Elektromagnetwellenbestrahlung), dann werden an der Anode nur die feldemittierten Elektronen eingefangen und führen zu einem kleinen Anodenstrom. Wird die Zyklotronresonanz dagegen verstärkt, ergibt sich ein großer Anodenstrom (Schaltstrom), verstärkt durch die vervielfachten Ladungsträger.

Fig. 6 zeigt mit einer gestrichelten Linie die Änderung des Anodenstroms mit der Gatespannung, wie sie sich beim Stand der Technik ergibt, wo der Anodenstrom nur auf emittierten Elektronen beruht, und mit einer ausgezogenen Linie die Ände rung des Anodenstroms mit der Gatespannung, wenn eine Hoch frequenzwelle von 175,65 GHz eingestrahlt wird. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, wird der Anodenstrom bei einer Gatespannung von 200 V durch die Elektromagnetwellenbestrah lung gegenüber dem Stand der Technik um mehr als eine Größen ordnung erhöht. Die Vervielfachung der Ladungsträger durch Beschleunigung der Elektronen mittels der Zykltronresonanz und der Ionisation wird also wirksam ausgenutzt.

Die zweite Ausführungsform der Schaltvorrichtung ist daher der ersten Ausführungsform vorzuziehen. Ein Dauermagnet, aber auch ein Elektromagnet, können als Magnet 28 bei der zweiten Ausführungsform verwendet werden. Der Grundaufbau sowohl der ersten als auch der zweiten Ausführungsform kann in einer Zelle integriert werden, und eine Vielzahl solcher Zellen können ihrerseits auf einem Halbleiterchip integriert werden.

Wie sich aus der voranstehenden Beschreibung ergibt, gewinnt die vorliegende Erfindung eine hohe Stromdichte (einen großen Schaltstrom) durch eine lawinenartige Elektronenvervielfa chung, ausgelöst oder verstärkt durch eine gegenseitige Beeinflussung von durch Feldemission von der Kaltkathode emittierten Elektronen, einer optischen oder elektromagneti schen Welle und den Atomen (Molekülen) des verdünnten Gases. Die vorliegende Erfindung hat daher folgende Wirkungen:

(1) Da ein ausreichend großer Strom leicht erreicht wird, bestehen bei der Gestaltung von Aufbau und Form der Kaltka thode wenig Beschränkungen. Diese Gestaltungsfreiheit erleichtert darüberhinaus die Herstellung der Schaltvorrich tung mit ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und hoher Aus beute.
(2) Da ein ausreichend großer Strom erzielt wird, kann das Anodenpotential auf einem niedrigeren Wert als bei der bekannten Schaltvorrichtung gehalten werden.
(3) Durch Ein- und Ausschalten der Bestrahlung mit einer optischen oder elektromagnetischen Welle wird erreicht, daß ein Strom mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden kann.
(4) Da die kammzinkenartigen Spitzen der Kathode leicht mit tels herkömmlicher photolithographischer Technik ausgebildet werden können, werden ungünstige statistische Streuungen bei der Herstellung und der Leistungsfähigkeit der Schaltvorrich tung minimal.

Claims

1. Von einer optischen Welle betätigbare Schaltvorrich tung umfassend:
eine Elektronenemissionsanordnung (13, 14) mit einer Kaltkathode (13), die aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes Elektronen emittiert,
eine Elektroneneinfanganordnung mit einer Anode (15), die der Kathode (13) in einem Vakuumraum (17) gegenüberlie gend angeordnet ist, um von der Kathode emittierte Elektronen einzufangen,
eine optisch transparente Abdichtanordnung (16) zum Einschluß eines verdünnten Gases in dem Vakuumraum, und
eine optische Bestrahlungsanordnung (18, 19) zum inter mittierenden Einstrahlen einer optischen Welle in den Vakuum raum (17).

2. Von einer elektromagnetischen Welle betätigbare Schaltvorrichtung umfassend:
eine Elektronenemissionsanordnung (13, 14) mit einer Kaltkathode (13), die aufgrund eines angelegten elektrischen Feldes Elektronen emittiert,
eine Elektroneneinfanganordnung mit einer Anode (15), die der Kathode (13) in einem Vakuumraum (17) gegenüberlie gend angeordnet ist, um von der Kathode emittierte Elektronen einzufangen,
eine Magnetfeldanlegeanordnung (28) zum Anlegen eines Magnetfeldes orthogonal zu einem elektrischen Feld zwischen der Kathode und der Anode in dem Vakuumraum,
eine isolierende Abdichtanordnung (26) zum Einschluß eines verdünnten Gases in dem Vakuumraum (17), und
einer Bestrahlungsanordnung zum intermittierenden Ein strahlen einer elektromagnetischen Welle in den Vakuumraum (17).

3. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem Halblei tersubstrat (11) eine mit einer Ausnehmung (12a) versehene Isolierschicht (12) aufweist, die Kathode (13) auf einer Seite der Ausnehmung auf der Isolierschicht und die Anode (15) auf der gegenüberliegenden anderen Seite der Ausnehmung auf der Isolierschicht ausgebildet ist, auf der Seite der Kathode in der Ausnehmung eine Steuerelektrode (14) vorgese hen ist, und die Ausnehmung (12a) zusammen mit der Abdichtan ordnung den die Kathode, die Anode und die Steuerelektrode einschließenden Vakuumraum (17) bildet.

4. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (13) eine Vielzahl von kammzinkenartigen Spitzen aufweist.