JPH0340332A - 電界放出型スウィチング素子およびその製造方法 - Google Patents

電界放出型スウィチング素子およびその製造方法

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JPH0340332A
JPH0340332A JP1175900A JP17590089A JPH0340332A JP H0340332 A JPH0340332 A JP H0340332A JP 1175900 A JP1175900 A JP 1175900A JP 17590089 A JP17590089 A JP 17590089A JP H0340332 A JPH0340332 A JP H0340332A
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emitter
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Masanori Watanabe
正則 渡辺
Hiroyuki Kado
博行 加道
Nobuyuki Yoshiike
信幸 吉池
Takao Chikamura
隆夫 近村
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H01J3/021—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source
    • H01J3/022—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source with microengineered cathode, e.g. Spindt-type
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J21/00—Vacuum tubes
    • H01J21/02—Tubes with a single discharge path
    • H01J21/06—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only
    • H01J21/10—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode
    • H01J21/105—Tubes with a single discharge path having electrostatic control means only with one or more immovable internal control electrodes, e.g. triode, pentode, octode with microengineered cathode and control electrodes, e.g. Spindt-type

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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 本発明は電界放出型冷陰極を用いた超高速スウィチング
素子に関する。
従来の技術 従来から第３図に示すような構造の薄膜電界放出型冷陰
極を用いた超高速スウィチング素子、あるいは超高速ト
ランジスタの研究開発が行われている。シリコン基板２
１の表面に絶縁層２２を形成し、その表面に直径１〜１
．５μｍの孔２６を有するゲート電極２４と、これに近
接してコレクタ電極２５が設けられている。ゲート電極
２４の孔２６の部分の絶縁層を除去し、シリコン基板面
に円錐状の電界放出型冷陰極（以下エミッタ電極と呼ぶ
）２３が形成されている。従って、エミッタ電極２３と
シリコン基板２１は電気的に接続されている。エミッタ
電極先端部とゲート電極およびエミッタ電極とコレクタ
電極の間隔はそれぞれ０．５〜１μｍおよび１０〜２０
μｍである。
このスウィチング素子を真空中に入れ、エミッタ電極２
３に対してゲート電極に８０〜１００Ｖの正の電圧を印
加すると、エミッタ電極の先端部には、１０７Ｖ／Ｃｍ
以上の高電界が発生し、電子が放出される。
放出された電子ビーム２７は隣接するコレクタ電極２５
に入り、コレクタ電極に電気信号を発生させることがで
きる。エネルギ数十ｅＶの電子ビームが真空中を走行す
る速度は５〜ＩＯＸ　ｌＯ”ｃｍ／ｓｅｅであって、半
導体中の電子の最高移動速度５Ｘ　１０”ｃｍ／ｓｅｃ
より１桁以上速い。従って、半導体素子によるスウィチ
ング速度より１桁以上速い超高速スウィチング素子を実
現・することが可能となる。
発明が解決しようとする課題 従来技術によるスウィチング素子は半導体のスウィチン
グ速度より１桁以上速く動作する特徴を有するが、エミ
ッタ電極とコレクタ電極の間にゲート電極が入る構成と
成っている。そのため、エミッタ電極とコレクタ電極の
間隔を１０μｍ以下に短縮し、更に電子の走行時間を短
くすることは困難である。また、コレクタ電極に入る電
子の割合も必ずしも大きくなく、隣接して設けた他の素
子にも電子ビームが流入し、クロストークを起こすなど
の欠点があった。更に、従来技術によるスウィチング素
子はゲート電極およびコレクタ電極を形成後、絶縁Ｊｉ
Ｉ２２に工夫ツタ電極を形成するための孔を設け、基板
全体を回転させながら高融点金属、例えばタングステン
を斜め蒸着等によって円錐状のエミッタ電極を形成する
などの複雑な製造工程を必要とした。
課題を解決するための手段 基板表面にエミッタ電極（電界放出型冷陰極）と、これ
に対向するコレクタ電極を設け、両電極間の基板表面に
設けた凹部にエミッタ電極を設ける。
作用 エミッタ電極に近接して設けたゲート電極に５０〜８０
ｖの電圧を印加すると、エミッタ電極の先端部に１０’
　Ｖ／ｃｒａ以上の高電界が発生し、電子を放出する。
放出された電子の一部はゲート電極に入るが大部分は対
向して設けたコレクタ電極に入射し、ゲート電極に加え
た電気信号を変調してコレクタ電極に伝達することがで
きる。エミッタ電極とコレクタ電極の間隔は１μｍ以下
とすることができ、極めて高速のスウィチング作用が得
られる。
実施例 実施例１ 第１図に本発明による一実施例の要部電極構成の斜視図
を示す。Ｐ型シリコン基板１の表面に絶縁層（シリコン
酸化膜）２を厚さ０．５μｍ形成し、その表面にエミッ
タ電極材料としてＷＳＩ２を厚さ０゜２μｍ形成し、ホ
トリソグラフィ技術によってエミッタ電極３とコレクタ
電極４を対向して設けた。
両電極間の間隔は１．５μｍとした。両電極間の絶縁層
２をバッファーエッチ液によってエツチング除去し、凹
部６を形成した。次に、イオン注入法によって、両電極
間のシリコン基板表面に低抵抗のｎ４層を形成し、ゲー
ト電極を形成した。エミッタ電極のコレクタ電極に対向
する面に凸状部７を複数個形成し、更に凸状部の先端部
下部の絶縁層の一部をエツチング除去し、庇状にするこ
とによって、エミッタ先端部に強電界が集中するように
しである。
このようにして製造したスウィッチング素子のエミッタ
電極３をアース電位にし、コレクタ電極に８０Ｖ印加し
てもエミッタ電極３からは電子放出が起こらないが、ゲ
ート電極５に５０Ｖのパルス電圧を印加すると電子放出
が起こり、コレクタ電極に負のパルス信号が得られる。
また、エミッタ電極をアース電位にし、コレクタ電極に
８０ｖ印加するとエミッタ電極から電子放出が起こり、
コレクタ電極に電子電流が流れるが、ゲート電極に一３
０Ｖのパルス電圧を印加すると電子電流が遮断されるや
　このようにゲート電極５に印加する電圧によってエミ
ッタ電極とコレクタ電極間の電流のｏｎ、ｏｆｆができ
、スウィチング作用がある。また、電圧増幅、電流増幅
作用があり、半導体を用いた電界効果トランジスタと同
様に使用することができる。
エミッタ電極とコレクタ電極間を電子が走行する時間で
決まるスウィチング速度の限界は０．２ピコ秒以下とす
ることができる。
本実施例では絶縁ｍ２としてシリコン酸化膜を用いたが
、５１３Ｎ４．Ｔａ２Ｏ＊　＋Ａｌ＊Ｏｓなど絶縁性の
良い材料であればシリコン酸化膜に限定されるものでは
ない。また、絶縁層の厚さは薄くするほどゲート電極の
作用が効果的となり、駆動電圧を低減することかできる
。更に、エミッタ電極材料としてはＷ、Ｔａ、Ｎｏなど
の高融点材料、ＷＣ，ＴａＣ，ＺｒＣ，ＳＩＣなどの炭
化物または炭素などＷＳ１２に限定されるものではない
。
実施例２ 第２図に本発明による他の実施例の要部電極構成の斜視
図を示す。ガラス基板１１の表面にエミッタ電極１２と
コレクタ電極１３を形成し、両電極間に凹部１６を設け
てその低部にゲート電極１４を配置した。エミッタ電極
の先端とゲート電極の間隔は０．３μｍ１　　ゲート電
極の端面とコレクタ電極の端部の間隔は２μｍ１　　ま
たゲート電極の幅は１μｍとした。このスウィチング素
子を実施例１と同様な駆動法によって動作させるとより
安定に動作した。
この電極構成においてはエミッタ電極の先端部とゲート
電極の端面の間隔をゲート電極とコレクタ電極の端面の
間隔より狭くすることができ、ゲート電極の効果を高め
ることができる。また、ゲート電極とコレクタ電極の間
隔を広くすることによって、両電極間の絶縁破壊電圧が
高くなり、増幅率の高いトランジスタ素子を得ることが
できる。
発明の効果 本発明によれば、電界放出型スウィチング素子のエミッ
タ電極とコレクタ電極の間隔は従来例のものの！／ｌＯ
以下にすることができるため、スウィチング速度を１０
倍以上に速くすることができる。
また、隣接した素子とのクロストークもなく、かつ、安
価に製造できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第１色は本発明の一実施例における電界放出型スウィチ
ング素子の要部電極構成の斜視図、第２図は本発明によ
るスウィチング素子の他の実施例の要部電極構成の斜視
図、第３図は従来技術による薄ＷＸ１！界放出型スウィ
チング素子の断面図である。 １・・・・シリコン基板、２・・・・絶縁層、３・・・
・エミッタ電極、４・・・・コレクタ電極、５・・・・
ゲート電極、８・・・・凹部、７・・・・凸状部、　１
１・・・・ガラス基板、１２・・・・エミッタ電極、１
３・・・・コレクタ電極、　１４・・・・ゲート電極、
　１５・・・・凹部、　１６・・・・凸状部、２１・・
・・シリコン基板、２２・・・・絶縁層、２３・・・・
エミッタ電極、２４・・・・ゲート電極、２５・・・・
コレクタ電極、２６・・・・孔、２７・・・・電子ビー
ム。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板表面に電界放出型冷陰極（以下エミッタ電極
    と呼ぶ）とこれに対向する電極（以下コレクタ電極と呼
    ぶ）を有し、前記エミッタ電極に近接してゲート電極を
    設けたことを特徴とする電界放出型スウィチング素子。
  2. （２）基板表面にエミッタ電極とこれに対向するコレク
    タ電極とを有し、両電極間の基板表面に設けた凹部にゲ
    ート電極を有することを特徴とする電界放出型スウィチ
    ング素子。
  3. （３）ゲート電極とコレクタ電極の間隔がエミッタ電極
    とゲート電極の間隔より大きいことを特徴とする請求項
    １記載の電界放出型スウィチング素子。
  4. （４）エミッタ電極のコレクタ電極に対向する面に複数
    の凸状部を有することを特徴とする請求項１記載の電界
    放出型スウィチング素子。
  5. （５）エミッタ電極に設けた凸状部の先端部が庇状に形
    成されていることを特徴とする請求項３記載の電界放出
    型スウィチング素子。
  6. （６）シリコン基板表面に形成された絶縁層上にエミッ
    タ電極とコレクタ電極が形成されており、シリコン基板
    表面にゲート電極が形成されていることを特徴とする請
    求項１記載の電界放出型スウィチング素子。
  7. （７）絶縁層の厚さが１μｍ以下であることを特徴とす
    る請求項８記載の電界放出型スウィチング素子。
  8. （８）シリコン基板表面に形成されたゲート電極が、シ
    リコン基板表面に形成されたｎ＾＋層またはｐ＾＋層で
    あることを特徴とする請求項８記載の電界放出型スウィ
    チング素子。
  9. （９）請求項８に記載の電界放出型スウィチング素子の
    製造方法であって、エミッタ電極およびコレクタ電極を
    形成し、両電極間の絶縁層を除去して不純物原子をイオ
    ン注入または拡散することによって、ゲート電極を形成
    することを特徴とする電界放出型スウィチング素子の製
    造方法。
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