JPH03225725A - 微小真空管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は微小真空管及びその製造方法に関し、特に、
半導体を用いた固体デバイスの製造技術を利用して、半
導体デバイスと同等の非常に微小な真空管を作製し、半
導体デバイスを凌ぐ高周波動作可能な電子デバイスを実
現するための微小真空管の構造並びにその製造方法に関
するものである。

〔従来の技術〕

第１０図は例えば１９８６年　インターナショナルエレ
クトロン　デバイス　ミーティング　プロシーディング
ｐ、７７６　ｒシリコンフィールドエミッタアレイを用
いた真空電界効果トランジスタ」（１９８６年Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｖｉ
ｃｅ　Ｍｅｅｔｉｎｇｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　　ｐ、７
７６”　Ａ　Ｖａｃｕｃｏｓ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃ
ｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔａｒ　ｕｓｉｎｇ　５ｉｌｉｃｏ
ｎ　Ｆｉｅｌｄ　Ｂｍｉｔｔｅｒ　Ａｒｒａｙｓ”）で
提示された微小真空管の構造を示す要部断面図である０
図において、ｌはシリコン基板、２はシリコン基板１上
に形成された絶縁膜、３はシリコン基板１をエツチング
することにより形成した円錐形の陰極（以下、エミッタ
電極と称す）、４はエミッタ電極３より真空中に電界放
出された電子（図中、ｅ−）を集取する陽極（以下、コ
レクタ電極と称す）、５は電子流を電界により制御する
ための制御電極（以下、ゲート電極と称す）である。

この種の微小真空管は真空中を走行する電子を利用する
もので、トランジスタなどの固体電子デバイスが開発さ
れる以前に用いられていた真空管の一種である。現在真
空管は一般的な電子機器には事実上全く用いられていな
いが、これは従来の真空管が生産性が低く、信顛性、消
費電力の面でも半導体電子デバイスに劣っていた上にそ
の寸法上の制約から高い機能を有する集積回路（ＩＣ）
の実現が困難であったためであり、真空管は次々と半導
体デバイスに置き換えられてきた。しかし、電子機器に
求められる高速性が増々高まるにつれて半導体デバイス
では対応が難しい面が生じてきた。半導体デバイスでは
電子が半導体中を走行するのに対して真空管では真空中
を走行するので電子の走行速度を真空管の方がはるかに
高めることができ、高速動作が可能である。また真空管
の消費電力が大きいのは主に陰極から電子を放出させる
ために陰極をヒータで加熱する必要があるためであるが
、陰極と陽極の間隔をミクロンオーダまで近付けること
により、電界放出で冷陰極より電子を放出できるように
なる。この際、陰極の先端に電界が集中して電界放出し
やすい様に陰極の先端は円錐形などの形状に鋭利に加工
されている必要がある。この様な微小な真空管を作製す
ることは、半導体デバイスの製造に用いられている加工
技術を利用することで初めて可能となる。

第１１図は第１０図の微小真空管の製造方法を示す各主
要工程の断面図である。まず、同図（ａ）に示すように
シリコン基板１上にエミッタ電極用のｎ型りｔ層３ａを
形成し、さらにその上にパターニングにより金属マスク
１１を形成する０次に同図（１））に示すように金属マ
スク１１をマスクとしてウェットエツチング等の等方性
エツチングによりｎ形Ｓｉ層３ａをエツチングし、さら
にサイドエツチングを施して円錐形のエミッタ電極３を
形成する０次に金属マスク用いてセルスアラインにより
基板全面に絶縁膜２を堆積し、その後、同図（ｄ）に示
すように絶縁膜２上にゲート電極５及びコレクタ電極４
を形成して本素子を完成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の微小真空管は以上のように形成さ
れており、円錐状の陰極３を安定に再現性良く形成する
ことは極めて困難であった。即ち、従来の微小真空管で
は、第１１図（ａ）〜０）に示すように、エミッタ電極
３をウェットエツチング等の等方性エツチングによりピ
ラミッド形状に形成する工程を有しており、このような
エツチング工程は制御性及び再現性に乏しく、シリコン
基板上に複数のエミッタ電極を形成する場合には第１２
図に示すようにエミッタ電極の形状にバラツキが生じる
０図において、３Ｃはエツチングが完了した所望の形状
のエミッタ電極、３ｂはエツチングが完了していないエ
ミッタ電極、また、３ｄは過剰にエツチングが進行して
しまったものである。このようなエミッタ電極のエツチ
ング制御性の悪さは素子特性の不均一化を招き、実使用
褐が困難であった。

また従来の微小真空管では、第１０図に示すように、エ
ミッタ電極３からコレクタ電極へ電子が至る経路が曲線
状となるため、実効的にエミッタ電極３とコレクタ電極
４との間隔を近付けることが難しく、コレクタ電極４に
印加すべき電圧を低くすることが困難であった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、先端が鋭利なコレクタ電極を容易に得ること
ができるとともに、コレクタ電極とエミッタ電極の間隔
を微小間隔にでき、低電圧で動作出来る微小真空管及び
その製造方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る微小真空管は、真空を介して同一平面上
にエミフタ電挽とコレクタ電極を配すると共に、該両電
極間を電子が直線的に走行する構成とし、かつ、該電子
の走行方向が、複数デバイスを一基板上にアレイ状に集
積した際に該デバイスアレイが形成する平面と平行方向
であるようにしたものである。

また、この発明に係る微小真空管の製造方法は、化合物
半導体基板、あるいは絶縁性基板上に化合物半導体を結
晶成長させた基板上に形成し、化合物半導体結晶のエツ
チング速度あるいは結晶成長速度の結晶方位依存性を利
用してその先端部を鋭利に加工し、これをエミッタ電極
としたものである。

〔作用〕

この発明における微小真空管は、電子が基板に平行に直
線的に走行するためエミフタ、コレクタ電極間隔を小さ
くでき、しかもその間隔を精密に制御することが出来る
。また、電極の構成が従来の電界効果型トランジスタと
類似であるため、多くの微小真空管を集積し、ＩＣ化す
ることが容易である。また、本発明の微小真空管の製造
方法は、さらに化合物半導体結晶のエツチング速度ある
いは結晶成長速度の結晶方位依存性を利用してその先端
部を鋭利に加工してエミッタ電極を形成したので、特別
な制御なしに自動的に先端の鋭利なエミッタ電極を加工
、形成できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図、及び第２図はこの発明の第１の実施例による微
小真空管の要部断面図、及び斜視図である０両図におい
て、６は半絶縁性ＧａＡｓ基板、３は該基板６の表面に
形成した低抵抗ＧａＡｓ層からなるエミッタ電極、４は
同様に低抵抗ＧａＡｓ層からなるコレクタ電極、５は基
板６の開口部上に形成されたゲート電極である。

この様に構成した素子を真空中に置き、エミッタ電極３
を接地し、コレクタ電極４に正の電圧を印加すると、エ
ミッタ電極３の先端の鋭利な部分に電界が集中し、電子
が真空中に放出され、電界によってコレクタ電極４に向
って真空中を基板に並行に走行後、コレクタ電極４に流
入する。この際、ゲート電極５に印加する電圧を変化さ
せることによってコレクタ電極４に流入する電子量すな
わち電流量を制御することができ、これにより二極管動
作することが出来る。

また、第３図は第１図及び第２図に示した微小真空管の
製造方法の一例を示す図である。図において、第１図及
び第２図と同一符号は同一部分を示し、５ａはゲート金
属、７は低抵抗ＧａＡｓ層、８はレジストである。

次に製造方法について説明する。

まず、同図（ａ）に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板
６上にイオン注入／アニール、拡散、エビタギシャル成
長等の方法により低抵抗ＧａＡｓ層７を形成する。

次に、基板全面にレジスト膜を設け、同図（ｂ）に示す
ように、通常のフォトリソグラフィ技術によってレジス
ト膜に幅１μｍ以下の開口部を形成し、レジストパター
ン８を形成する。マスク合わせの精度からこの開口部の
幅を１μｍ以下に制御することは容易である。

次に、同図（Ｃ）に示すように、レジストパターン８を
マスクとして例えば硫酸（ＨｚＳＯａ）と過酸化水素（
Ｈ２０□）の混合液によりエツチングを施す。ＧａＡｓ
結晶に代表される化合物半導体結晶はその面方位により
エツチング速度が異なっているため、エツチングされた
溝の断面形状を同図の様にすることは基板結晶の面方位
と溝を形成する方向を選べば容易に再現性良〈実施でき
る。例えばその−例を説明すると、ＧａＡｓ基板６とし
て（１００）面基板を用い、エツチングの結晶方位依存
性が現れる方向を（０１１）方向とし、これを図中、紙
面に垂直な方向とする。このとき、溝の上部両端部は約
４５°の角度をもつ鋭利な先端を有するナイフェツジ状
に形成される。これは電界集中させやすい形状であり、
微小真空管のエミッタ電極としては極めて有効である。

次に同図（ｄ）に示すように、全面にゲート金属膜を例
えば真空蒸着法を用いて堆積し、溝の底部にゲート電極
５を形成する。

そして同図１８）に示すようにリフトオフ法によりレジ
スト膜８を有機溶剤等で除去するとともに、開口部に形
成したゲート電極５以外の不要な金属膜５ａもこのとき
同時に除去する。

この様な方法で形成した微小真空管は、エミッタ電極３
とコレクタ電極４の間隔を１μｍ以下（好ましくは０．
５μｍ）に精度よくしかも再現性よ（形成することが容
易であるので、低電圧での動作が可能となり、消費電力
の低減を図ることができる。

また、電極の構成が従来の電界効果型トランジスタと頻
僚であるため、多くの微小真空管を集積し、ＩＣ化する
こともできる。

さらに、ＧａＡｓ結晶のエツチング速度の結晶方位依存
性を利用してその先端部を鋭利に加工してエミッタ電極
３を形成するようにしたので、特別な制御なしに自動的
に先端の鋭利なエミッタ電極を加工、形成することがで
き、生産性、信頼性の高い微小真空管が得られる。

なお、上記第１の実施例ではゲート電極５を溝底部に一
つのみ配するようにしたが、これはさらに基板の上方部
にも配して、上下にゲート電極を設けてもよい。以下、
その−例を示す、即ち、第４図は本発明の第２の実施例
による２つのゲート電極を有する微小真空管の要部断面
図、第５図はその斜視図である０図に示すように、基板
５の開口部に設けたゲート電極５と春対向する基板上方
部にさらにゲート電極５ｂを設けている０通常、下部ゲ
ート電極５と上部ゲート電極５ｂはエミッタ′礒極３と
コレクタ電極４とが対向しない基板上の領域で接続して
同電位として使用する。上部ゲート電極５ｂは例えばＧ
ａＡｓ１Ｃプロセス等で用いられて゛・するエアブリフ
ジ技術を利用すれば比較的容易に実現出来る。このよう
な構成においては、２つのゲート電極５．５ｂによりエ
ミッタ電極３からコレクタ電極４に流入する電子量すな
わち電流を制御するので、電流制御能力の向上を図るこ
とができる。

また、上記実施例ではＧａＡｓ結晶の異方性を利用した
エピタキシャル成長により、エミッタ電極３及びコレク
タ電極４の双方をナイフェツジ状に形成したが、コレク
タ電極４の先端部は必ずしも鋭利に形成する必要はない
。

また、第９図は本発明の第３の実施例による微小真空管
を示す要部斜視図であり、これは第１図の微小真空管の
エミッタ電極３をさらにエツチング処理して鋸刃状に形
成したものである。このようにエミッタ電極３の先端部
を鋸刃状に形成することによってさらにエミッタ電極３
の鋭利な部分を多くでき、さらに電界集中を高めること
ができる。

また、上記の実施例ではエミッタ電極を形成するために
ＧａＡｓのエツチングを用いたが、これは選択エピタキ
シャル成長技術を用いても可能である。第６図は本発明
の第４の実施例による微小真空管の要部断面構造を示す
図であり、図に示す様に半絶縁性ＧａＡｓ基板６上の一
部に絶縁膜９を選択的に形成し、例えばＭＯＣＶＤ法に
より、ＴＭＧａ　　（）リメチルガリウム）あるいはＴ
ＥＧａ（）リエチルガリウム）とＡＳＨ３（アルシン）
等のガスを用い、４００度〜５００度でＧａＡ３を結晶
成長すると、基板の面方位を選択することによってオー
バハング状の結晶成長が半絶縁性ＧａＡｓ基板６上のみ
で起こるため、図に示すごとき形状のエミッタ電極３及
びコレクタ電極４が形成される。例えば、ＧａＡｓ基板
６上に（１００）面のＧａＡｓを成長する場合には結晶
成長速度の結晶方位依存性の現れる方向を（０１１）方
向とした場合、第６図の基板の長手方向く紙面に垂直な
方向）を（０１１）方向として結晶成長すると制御性よ
くオーバハング形状の結晶を得ることができる。

また、当然ながら、以上の実施例による微小真空管は、
第７図に示すように同一基板６上に複数個集積化して形
成し、ワイヤ１２により相互接続するようにしてもよい
。上記実施例の製造方法によれば、制御性、再現性よく
エミッタ電極３及びコレクタ電極４を形成できるので、
このような集積型のものにおいても複数の微小真空管の
素子特性を均一にでき、素子特性のバラツキのない良好
な集積型デバイスが得られる。また、単一素子の場合に
比し、素子の性能をさらに向上させることができ、また
、新規な機能を発揮することも期待できる。

また、上記の実施例では基板６として半絶縁性ＧａＡｓ
基板を用いるようにしたが、基板の種類はＧａＡｓのみ
に限定されるものではなく、これはエツチング又は結晶
成長に異方性の現れる材料であれば良い。

さらに、例えばサファイア基板上にＧａＡｓ等を異種結
晶成長させた基板を用いることも可能である。即ち、第
８図は本発明の第５の実施例による微小真空管の要部断
面構造を示したものであり、図に示すように、基板とし
て、半絶縁性ＧａＡｓ基板の下部にサファイア基板１０
を備えた異種結晶成長基板を使用し、サファイア基板１
０上にゲート電極５を設けている。このような本実施例
によれば、半絶縁性ＧａＡｓ基板６よりも絶縁性の高い
サファイア基板を用いるようにしているので、真空中を
走行する電子が基板内を流れる恐れがなくなり、高性能
で高信頼性のデバイスが実現でき、例えばミリ波帯域で
の通信に用いる増幅器等に有効に使用することができる
。

なお、上記実施例ではサファイア基板１０を用いたが、
これはサファイア基板に限定されるものではなく、その
上にエピタキシャル成長が可能な絶縁性の基板であれば
よい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、エミッタ電極とコレ
クタ電極を同一平面上に配したので、両電掻間隔を非常
に狭くすることができ、低電圧で動作させることが容易
となり、消費電力の低減を図ることができる効果がある
。さらにエミッタ電極から電子を放出させやすくするた
めにその先端部を鋭利に加工する工程を、エツチング速
度あるいは結晶成長速度の結晶方向依存性を利用して行
うようにしたので、容易にしかも再現性良くエミッタ電
極を形成することができ、高生産性及び高信頼性の微小
真空管を実現出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例による微小真空管の要
部断面図、第２図は第１図の微小真空管の斜視図、第３
図は第１図の微小真空管の製造方法を示す図、第４図は
本発明の第２の実施例による微小真空管を示す要部断面
図、第５図は第４図の微小真空管の斜視図、第６図は本
発明の第４の実施例による微小真空管を示す要部断面図
、第７図は本発明の微小真空管を集積化した様子を示す
断面図、第８図は本発明の第５の実施例による微小真空
管の要部断面図、第９図は本発明の第３の実施例による
微小真空管の斜視図、第１０図は従来例による微小真空
管の要部断面図、第１１図は第１０図の微小真空管の製
造方法を示す図、第１２図は従来の微小真空管の製造方
法の問題点を示す図である。 図において、１はシリコン基板、２は絶縁膜、３はエミ
ッタ電極、４はコレクタ電極、５ａはゲート電極金属、
５．５ｂはゲート電極、６は半絶縁性ＧａＡｓ基板、９
はゲート電極、ｌＯはサファイア基板、１１は金属マス
ク、１２はワイヤである。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空中を走行する電子を利用した微小真空管にお
   いて、 電子を放出する陰極と、電子が流入する陽極とが真空を
   介して対向し、該両電極間を電子が直線的に走行する構
   成を有し、 かつ、該電子の走行方向が、複数デバイスを一基板上に
   アレイ状に集積した際に該デバイスアレイが形成する平
   面と平行方向であることを特徴とする微小真空管。
2. （２）前記微小真空管は、前記陰極及び陽極以外に電子
   流を電界により制御する制御電極を備えていることを特
   徴とする請求項１記載の微小真空管。
3. （３）前記微小真空管は、化合物半導体基板、あるいは
   絶縁性基板上に化合物半導体を結晶成長させた基板上に
   形成されており、 前記陰極は該化合物半導体結晶のエッチング速度あるい
   は結晶成長速度の結晶方位依存性を利用してその先端部
   が鋭利に加工されてなるものであることを特徴とする請
   求項１記載の微小真空管。
4. （４）前記化合物半導体はＧａＡｓを主体とする結晶で
   あり、その主面が（１００）面であることを特徴とする
   請求項３記載の微小真空管。
5. （５）真空中を走行する電子を利用した微小真空管の製
   造方法において、 化合物半導体基板、あるいは絶縁性基板上に化合物半導
   体を結晶成長させた基板表面に、低抵抗の化合物半導体
   層を形成する工程、 該低抵抗化合物半導体層及び前記化合物半導体基板にエ
   ッチングを施し、該エッチング速度の結晶方位依存性を
   利用して最上部に鋭利な部分を有する断面形状の溝を形
   成し、該最上部の鋭利な部分を前記陰極とする工程を含
   むことを特徴とする微小真空管の製造方法。（６）真空
   中を走行する電子を利用した微小真空管の製造方法にお
   いて、 化合物半導体基板、あるいは絶縁性基板上に化合物半導
   体を結晶成長させた基板表面に、絶縁膜を堆積する工程
   、 該絶縁膜に開口部を設け、該開口部にのみ選択的にエピ
   タキシャル結晶成長し、該結晶成長速度の結晶方位依存
   性を利用して、成長部の端部に鋭利な部分を有する断面
   形状の低抵抗化合物半導体層を形成し、該成長部の端部
   の鋭利な部分を前記陰極とする工程を含むことを特徴と
   する微小真空管の製造方法。