高周波三極管型電界放出デバイスおよびその製造プロセス

专利摘要:
本明細書では、特に高周波応用のための三極管型電界放出デバイス（１１）が開示される。このデバイスは、陰極電極（１２）、陰極電極（１２）から間隔を空けられた陽極電極（１４）、陽極電極（１４）と陰極電極（１２）との間に配列された制御ゲート電極（１３）、および少なくとも電界放出先端部（１９）を有する。陰極電極（１２）、制御ゲート電極（１３）、および陽極電極（１４）は、電界放出先端部（１９）の三極管区域（１１ａ）においてオーバーラップし、電界放出先端部と連携して三極管区域において電子ビームを生成するように動作可能である。陰極電極（１２）、制御ゲート電極（１３）、および陽極電極（１４）は、三極管区域（１１ａ）の外側でオーバーラップせず、それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿った主となる長手方向を有する。これらのそれぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）の各々は、相互に関して非ゼロの角度で傾斜している。
公开号:JP2011508403A
申请号:JP2010540228
申请日:2007-12-28
公开日:2011-03-10
发明作者:ディ；カルロ アルド；ペトロラティ エレオノーラ；パオローニ クラウディオ；ブルネッティ フランチェスカ；リッチテッリ リカルド
申请人:セレックス システミ インテグラティ エッセ． ピ． ア．；
IPC主号:H01J1-304

专利说明:

[0001] 本発明は、一般的に、高周波応用のための半導体真空管（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｖａｃｕｕｍ ｔｕｂｅｓ）の群に属するマイクロ／ナノメートルデバイスに関し、更に詳細には、革新的な高周波三極管型電界放出デバイスおよびその製造プロセスに関する。]
背景技術

[0002] 周知のように、ＴＨｚ周波数範囲の技術および応用は、これまで分子天文学および化学分光学の分野に限定されてきた。しかしながら、ＴＨｚ検出器および光源の最近の進歩は、本土防衛（ｈｏｍｅｌａｎｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ）、測定システム（ネットワーク解析、イメージング）、生物および医療応用（細胞特性化、サーマルおよびスペクトルマッピング）、材料特性化（近接場プロービング、食品産業品質管理、薬品品質管理）を含む新しい応用への分野を開いた。]
[0003] ＴＨｚセンサおよび光源の商業的使用は高まっているが、この発展は、確実なＴＨｚ光源の提供という困難によって幾分制限されている。従来の半導体技術は、低い電子移動度に起因して、ＴＨｚ光源が満足されていないことを証明した。]
[0004] 半導体技術の代わりに真空電子工学（ｖａｃｕｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）を用いることは、半導体物質の中よりも真空の中で、より高速に達する電子特性を利用し、このようにして高い動作周波数へ達する（名目上ではＧＨｚからＴＨｚ）ことができる。真空エレクトロニクスデバイス（ｖａｃｕｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）の一般的な動作原理は、ＲＦ信号と生成電子ビームとの間の相互作用に基づく。即ち、ＲＦ信号は、電子ビームの電子へ速度変調を課し、電子ビームからＲＦ信号へのエネルギー伝達を可能にする。]
[0005] 従来の旧世代真空管は電子ビームを生成するため、非常に高い温度（８００℃〜１２００℃）で動作する熱陰極を含み、高い電力要件、長い加熱時間、非安定性の問題、および限定された小型化といった多くの制限によって悩まされてきた。]
[0006] 上記の制限は、ＦＥＡ（電界放出アレイ）陰極を有する真空デバイスの導入によって克服された。ＦＥＡ陰極は、顕著な利点をもたらした。具体的には、ＴＨｚ周波数増幅の場合に、室温での作業が可能になり、マイクロおよびナノメートル寸法へのサイズ低減が達成され得る。ＲＦ光源のためのＦＥＡ構造体は、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｓｐｉｎｄｔ によって最初に提案され（Ｃ． Ａ． Ｓｐｉｎｄｔ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｃｏｎｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ｖｏｌ． ４７， Ｄｅｃ． １９７６， ｐａｇｅｓ ５２４８‐５２６３）、通常はＳｐｉｎｄｔ陰極（又は、低い動作温度に起因して、冷陰極）と呼ばれる。具体的には、Ｓｐｉｎｄｔ陰極デバイスは、微細機械加工（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ）の金属電界エミッタ錐体または先端部から構成される。前記錐体または先端部は、導電性基板の上に形成され、導電性基板とオーム接触する。各々のエミッタは、陽極電極と陰極電極との間の加速電界の中で、自分自身の同心開口部を有し、制御グリッドとして知られるゲート電極は、陽極電極および陰極電極およびエミッタから二酸化ケイ素層によって絶縁される。数十マイクロアンペアを産出できる個々の先端部を有する大きなアレイは、理論的に高い放出電流密度を作り出すことができる。]
[0007] Ｓｐｉｎｄｔ陰極デバイスの性能は、材料摩耗に起因する放出先端部の損傷によって制限される。この理由によって、放出先端部を製造するための革新的材料を探索する多くの努力が、世界的に行われてきた。]
[0008] 具体的には、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を冷陰極エミッタとして用いることによって、Ｓｐｉｎｄｔ構造体が非常に改善された（例えば、Ｓ． Ｉｉｊｉｍａ， Ｈｅｌｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ， Ｎａｔｕｒｅ， １９９１， ｖｏｌｕｍｅ ３５４， ｐａｇｅｓ ５６−５８、又は Ｗ． Ｈｅｅｒ， Ａ． Ｃｈａｔｅｌａｉｎ， Ｄ． Ｕｇａｒｔｅ， Ａ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｅｌｄ‐ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅ， Ｓｃｉｅｎｃｅ， １９９５， ｖｏｌｕｍｅ ２７０， ｎｕｍｂｅｒ ５２３９， ｐａｇｅｓ １１７９−１１８０ を参照）。カーボンナノチューブは、好ましくは黒鉛化された円筒形の管であり、様々な製造プロセスを用いて、約２〜１００ｎｍの直径、および数ミクロンの長さを有するように製造され得る。特に、ＣＮＴは、事実上、最良エミッタとして評価され（例えば、Ｊ． Ｍ． Ｂｏｎａｒｄ， Ｊ． ‐Ｐ． Ｓａｌｖｅｔａｔ， Ｔ． Ｓｔｏｃｋｌｉ， Ｌ． Ｆｏｒｒｏ， Ａ． Ｃｈａｔｅｌａｉｎ， Ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ： ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｌｕｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ａ， １９９９， ｖｏｌｕｍｅ ６９， ｐａｇｅｓ ２４５−２５４ を参照）、それ故に、Ｓｐｉｎｄｔ型デバイスの理想的な電界エミッタである。多くの研究が、ＣＮＴの電界放出特性を既に確認している（例えば、Ｓ． Ｏｒｌａｎｄｕｃｃｉ， Ｖ． Ｓｅｓｓａ， Ｍ． Ｌ． Ｔｅｒｒａｎｏｖａ， Ｍ． Ｒｏｓｓｉ， Ｄ． Ｍａｎｎｏ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００３， ｖｏｌｕｍｅ ３６７， ｐａｇｅｓ １０９−１１４ を参照）。]
[0009] この点に関して、図１は、ＣＮＴを電界エミッタとして用いる公知のＳｐｉｎｄｔ型冷陰極三極管デバイス１の概略断面図を示す。三極管デバイス１は、陰極構造体２、側部スペーサ４によって陰極構造体２から間隔を空けられた陽極電極３、および陰極構造体２の中に一体化された制御ゲート５を備える。一体化された制御ゲート５を有する陰極構造体２および陽極電極３は、別々に形成され、次いで側部スペーサ４を介在させて共に接合される。陽極電極３は、三極管デバイスの陽極として機能する第１の導電性基板から作られ、陰極構造体２は多層構造体である。この多層構造体は、第２の導電性基板７、第２の導電性基板７と制御ゲート５との間に配置された絶縁層８、第２の導電性基板７の表面を露出させるように制御ゲート５および絶縁層８を貫通するように形成された凹部９、および凹部９の中で第２の導電性基板７とオーム接触するように形成され、三極管デバイスの陰極として機能するＳｐｉｎｄｔ型放出先端部１０（図解を簡潔にするため、図１では１つだけの先端部１０が示される）、具体的には、ＣＮＴを含む。] 図１
[0010] 動作中、制御ゲート５をバイアスすることによって、凹部９に対応してこれを取り巻く区域で、陰極構造体２によって生成され、陽極電極３へ向かう電子の流れを制御することができる。こうして生成された電流は、制御ゲート５の上方に置かれた陽極電極３の部分によって収集される。]
[0011] こうして、三極管デバイス１では、放出先端部１０および凹部９にある領域であって、放出先端部１０および凹部９を緊密に取り囲み、電子が生成および収集される領域を含む三極管（又は活性）区域（図１の１ａで示される）、および三極管区域１ａの外側および外部にある領域であって、この領域を介してバイアス信号が三極管区域へ伝達される領域としての三極管バイアス区域１ｂが画定され得る。] 図１
発明が解決しようとする課題

[0012] 出願人は、周知のＳｐｉｎｄｔ型真空管三極管デバイスのトポグラフィックな構成（ｔｈｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）が、制御ゲート、陰極、および陽極の各電極間に存在する寄生容量の大きな値に起因して重大な制限を有することに気付いた。この寄生容量は、この形のデバイスが到達できる動作周波数を著しく制限し、遮断周波数を低減して、ミクロン規模の構造体についてもＴＨｚの応用を実質的に不可能にする。]
[0013] 具体的には、冷陰極デバイスの公知の具現化は、延びた制御ゲートの存在を想定する。延びた制御ゲートは、導電性陰極基板とオーバーラップするため、寄生容量（ＣＧＣで表され、図１で概略的に示される）の２つの板を形成する。詳細には、制御ゲートおよび陰極基板が２つの平坦かつ平行な板としてモデル化されると仮定すれば、この寄生ゲート—陰極容量ＣＧＣは、Ｃ＝ｅ０ｅｒ（Ａ／ｄ）で与えられる。ここで、ｅ０は真空誘電率であり、ｅｒは陰極と制御ゲートとの間の絶縁物質の比誘電率であり、Ａはオーバーラップの面積であり、ｄは陰極と制御ゲートとの間の距離である。寄生ゲート—陰極容量ＣＧＣは、制御ゲートと放出先端部との間の静電容量（図１のＣＧＴで表される）よりもずっと大きい。] 図１
[0014] 更に、陽極電極と制御ゲートとの間のオーバーラップは、更なる寄生容量、即ち、ゲート—陽極容量（ＣＧＡで表され、図１で概略的に示される）を生成する。この静電容量は、結局のところ全体の寄生容量となり、デバイスの遮断周波数の更なる低下を決定する。] 図１
[0015] 上記から、この形のデバイスの動作周波数は、デバイスのトポグラフィックな特徴（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）に大きく依存し、デバイスのトポグラフィックな特徴によって著しく制限されることが明らかである。]
[0016] したがって、本発明の主な目的は、冷陰極真空管の革新的なトポグラフィックな構成および革新的な製造プロセスを提供し、前記の欠点を少なくとも部分的に克服することである。]
[0017] この目的は、本願請求項で規定されるように、本発明が高周波三極管型電界放出デバイスおよび関連する製造プロセスに関するという点で、本発明によって達成される。]
課題を解決するための手段

[0018] 本発明は、三極管型電界放出デバイスの典型的トポグラフィ（ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を変化させ、かつ具体的には、陰極電極と陽極電極と制御ゲートとの間のオーバーラップ区域を制限するため、それらの電極間に形成される全体の寄生容量の値を低減することによって、前記目的を達成する。実際に、異なる導電性表面の間のオーバーラップは、電界放出デバイスの三極管区域に限定される。]
[0019] 詳細には、制御ゲート、陽極、および陰極の各電極は、それぞれの端子へ導かれるそれぞれの条片形状の導線から構成される。様々な電極は、三極管区域（具体的には、電子ビームの生成および収集ができる三極管区域の端子）でのみオーバーラップし、様々な導線は、三極管区域の外側で相互にオーバーラップしないように配置される。更に詳細には、それぞれの端子との間で電気信号を伝導する導線は、相互に関して非ゼロの角度、具体的には、６０°（又は、もし任意の２つの線の間の余角が考慮されるならば、１２０°）の角度で傾斜している。]
[0020] 提案される構造体の利点は、全ての寄生容量の寄与が合計される陰極アレイ構造体で特に著しいことである。具体的には、寄生容量に起因する周波数制限という欠点を有しない冷陰極デバイスの大きなアレイを実現できる可能性が、この構造体の重要な成果の１つである。]
[0021] 本発明をより良く理解するため、単なる例として意図され、限定として解釈されるべきではない好ましい実施形態が、本願図面（全てが実寸に比例して描かれているわけではない）を参照してこれより説明される。]
図面の簡単な説明

[0022] 電界エミッタとしてのＣＮＴを有し、寄生容量を強調された公知のＳｐｉｎｄｔ型冷陰極三極管の概略断面図を示す。
本発明に係る高周波三極管型電界放出デバイスの概略上面図である。
図２の高周波三極管型電界放出デバイスの概略分解斜視図である。
本発明の第１の実施形態に係る高周波三極管型電界放出デバイスの断面図である。
（ａ）から（ｆ）は、本発明の第１の実施形態に係る高周波三極管型電界放出デバイスの陰極構造体を製造するプロセスの連続ステップにおける半導体ウェーハの斜視図である。
本発明の第２の実施形態に係る高周波三極管型電界放出デバイスの断面図である。
図６の高周波三極管型電界放出デバイスの変形である。
本発明の更なる実施形態に係る高周波三極管型電界放出デバイスのアレイの概略上面図である。] 図２ 図６
実施例

[0023] 以下の説明は、当業者が本発明を作成および使用できるように示される。説明される実施形態への様々な変更は、当業者にとって容易に明らかであり、本明細書の一般的原理は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく他の実施形態および応用に適用される。故に、本発明は示された実施形態に限定されることを意図されず、本明細書で開示され本願請求項で規定された原理および特徴を許容する最も広い範囲を付与されるべきである。図２および図３は、それぞれ、本発明に係る高周波三極管型電界放出デバイス１１の概略上面図および分解斜視図を示し、「横木構造体」を有するものとして規定され、図４は本発明の第１の実施形態に係る高周波三極管型電界放出デバイスの断面図を示す。] 図２ 図３ 図４
[0024] 詳細には、本発明の第１の実施形態によれば、高周波三極管型電界放出デバイス１１は、陰極電極１２と制御ゲート（又は制御グリッド）電極１３とを一体化した多層構造体、および陽極電極１４を備える。陽極電極１４は、これらの間の電気的絶縁を維持するため、真空接合手法を用いて、側部スペーサ１５と共にこの多層構造体に接合される。]
[0025] 更に詳細には、陰極電極１２は、基板、具体的には、多層基板１６の上に配置される。多層基板１６は、構造体全体を支えるよう作用する厚い絶縁層１６ｃ、シリコン又は他の半導体又は導電体から作られ、デバイスの接地板（ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ）として作用する導電層１６ａ、例えば、酸化ケイ素から作られた上部絶縁層１６ｂを含む。陰極電極１２は、陰極導線１２ａおよび陰極端子１２ｂを含む。陰極端子１２ｂは、完全な円板の形状を有する。陰極導線１２ａは細片状を有し、その主となる長手方向は第１の方向ｘに沿って陰極端子１２ｂへ続き、これを横切ってこの反対部分から第１の方向ｘに沿って伸長している。陰極導線１２ａは陰極端子１２ｂに関して中心にある。]
[0026] 環の形状を有する絶縁領域１７は、多層基板１６および陰極電極１２の上方に配置され、第１の凹部１８を画定する。凹部１８は絶縁領域１７を貫通して形成され、陰極端子１２ｂの最上面を露出させる。具体的にはＣＮＴであるＳｐｉｎｄｔ型放出先端部１９（図解を簡単にするため、図２〜図４では、１つの先端部だけが示される）は、第１の凹部１８の中で陰極電極１２ｂの露出された最上面の上に配置される。] 図２ 図３ 図４
[0027] 制御ゲート電極１３は陰極電極１２の上に配置され、陰極電極１２と部分的にオーバーラップする。具体的には、それはデバイスの三極管区域１１ａで陰極導線１２ａと部分的にオーバーラップする（三極管区域１１ａは、前と同じように、放出先端部１９および第１の凹部１８の部位にあり、これらを密接に取り囲んでいる区域として画定され、この区域で電子が生成および収集される）。制御ゲート電極１３は、ゲート導線１３ａおよびゲート端子１３ｂを含む。ゲート端子１３ｂは、内部半径を有するリング又は環の形状を有し、前記内部半径は、例えば、陰極端子１２ｂの半径に等しい。ゲート導線１３ａは、細片状を有し、その主となる長手方向は第２の方向ｙに沿っており、ゲート端子１３ｂへ続き、この反対部分から第２の方向ｙに沿って伸長するが、ゲート端子１３ｂとは交差しない。ゲート導線１３ａは、ゲート端子１３ｂに関して中心にある。具体的には、第１および第２の方向ｘおよびｙは、平行平面の上に存在する傾斜線を規定し、第２の方向ｙは、第１の方向ｘに関して非ゼロの角度、具体的には、１２０°（又は、もし余角を考慮すれば、６０°）に方向づけられる（２つの線の角度は、これらの線に平行で空間内の同じ点を通過する２つの線の角度として規定される）。]
[0028] 陽極電極１４は、陰極電極１２および制御ゲート電極１３の上に配置され、これらと部分的に、具体的には、三極管区域１１ａでオーバーラップする。陽極電極１４は、絶縁基板２０の上に形成される。絶縁基板２０は、陰極電極および制御ゲート電極を一体化した多層構造体に、側部スペーサ１５を介在させて接合される。具体的には、側部スペーサ１５は、ここで環の形状を有し、内部に第２の凹部２１を規定する。第２の凹部２１は、第１の凹部１８と等しく、ゲート端子１３ｂの内部開口部および第１の凹部１８へ開かれており、生成電極の流れが陽極電極１４へ向かい得る。]
[0029] 非常に詳細には、陽極電極１４は、陽極導線１４ａおよび陽極端子１４ｂを含む。陽極端子１４ｂは、完全な円板の形状を有し、この半径は、陰極端子１２ｂの半径と等しい。陽極導線１４ａは、細片状を有し、この主となる長手方向は、第３の方向ｚに沿っており、陽極端子１４ｂの反対部分から第３の方向ｚに沿って伸長し、陽極端子１４ｂの中心にある。具体的には、第２および第３の方向ｙおよびｚは、平行な平面に存在する傾斜線であり、第３の方向ｚは非ゼロの角度、具体的には、１２０°（又は、もしまた余角が考慮されるならば、６０°）の角度で、第２の方向ｙに関して方向づけられる。結果として、第１、第２、および第３の方向ｘ、ｙ、およびｚの各々は、相互に関して６０°（１２０°）の角度で方向づけられる。]
[0030] 上記の説明から、三極管デバイスの異なる導電性領域、即ち、陰極電極、制御ゲート電極、および陽極電極１２、１３、１４の間のオーバーラップは、三極管区域１１ａに限定され、電子は三極管区域１１ａで生成されて、陰極端子１２ｂ（および放出先端部１９）から陽極端子１４ｂへ導かれることになる。具体的には、構造体の空間的方向づけに起因して、このオーバーラップは、陰極端子および陽極端子１２ｂおよび１４ｂに限定され（これらは完全にオーバーラップする）、またゲート端子１３ｂおよび陰極導線および陽極導線１２ａおよび１４ａの部分的なオーバーラップに限定される。利点としては、陰極、ゲート、および陽極の導線１２ａ、１３ａ、１４ａは相互にオーバーラップしない。]
[0031] 図５（ａ）〜図５（ｆ）（ここで、同じ参照番号は、前述の部材と同じ部材を表す）は、本発明の第１の実施形態によれば、高周波三極管型電界放出デバイス１１の陰極電極および制御ゲート電極を一体化した多層構造体を製造するプロセスの連続ステップを示す。]
[0032] 詳細には、図５（ａ）のプロセス開始ステップにおいて、絶縁層１６ｂを有する多層基板１６が提供される。絶縁層１６ｂは、例えば、４μｍの酸化物層であり、導電層１６ａの上に製膜又は酸化によって形成される。導電層１６ａはシリコンから作られ、２〜１０μｍの厚さを有する（導電層１６ａはデバイスの接地板として作用する）、導電層１６ａは厚い絶縁層１６ｃ（二酸化ケイ素又は石英から作られる）の上に具現化される。]
[0033] 次に、図５（ｂ）では、例えば、絶縁層１６ｂの上の製膜によって、第１の金属層が形成される。第１の金属層の上でフォトレジストパターン（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｐａｔｔｅｒｎ）（図示されず）が規定され、第１の金属層がエッチングされて陰極電極１２が規定される。陰極電極１２は、条片形状の陰極導線１２ａおよび円板形状の陰極端子１２ｂを有し、陰極端子１２ｂは導線に結合される。]
[0034] 公知の手法、例えば、電子ビームリソグラフィを使用して、多層基板１６の上にフォトレジストパターン（図示せず）が整列させられ、例えば、スパッタリングによって触媒膜（Ｆｅ又はＮｉ）が製膜され、次いで剥離（ｌｉｆｔｅｄ−ｏｆｆ）されて、陰極端子１２ｂの上、具体的には、陰極端子１２ｂの中心部分に、触媒領域２４（図５ｃ）のみが残される。触媒膜の厚さは、数十ナノメートルの範囲にある（例えば、５〜５０ｎｍ）。] 図５ｃ
[0035] 更なるアラインメント（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）をいかして、例えば、スパッタリングによって、絶縁層が製膜され、次いで、図５（ｄ）における絶縁領域１７の形成のために剥離される。絶縁領域１７は、触媒領域２４を取り巻く環の形状を有する。絶縁層１７は、制御ゲート端子から陰極導線１２ａを絶縁するように設計される。絶縁層は、酸化ケイ素から作られ、ミクロン範囲の厚さを有する。]
[0036] また、適切なアラインメントをいかして、例えば、ニオブの約１００ｎｍの厚さを有する第２の金属層（図示せず）が製膜され、次いで剥離されて、制御ゲート電極１３が規定される（図５（ｅ））。具体的には、制御ゲート電極１３は、陰極導線１２ａに関して非ゼロの角度で傾斜したゲート導線１３ａ、および環の形状を有し、内部開口部が触媒領域２４と対面するゲート端子１３ｂを備える。次いで、ゲート電極１３の上で陽極酸化プロセスが実行される。これは、電流損失を低減し、後続のＣＮＴ合成プロセスで同ゲート電極を保護するためである。]
[0037] 次に、図５（ｆ）において、Ｓｐｉｎｄｔ型放出先端部１９を得るため（これ自体は公知の方法である）、ＣＮＴ合成のための構造体は示される。具体的には、電界エミッタとしてのＣＮＴが触媒領域２４の上に形成される。]
[0038] 上記で説明されたように形成された多層構造体および陽極電極１４は、次いで（所望される相互の方位を考慮に入れて）配置され、これらの間に真空を作り出す側部スペーサ１５を介在させて接合される。具体的には、一般的なパターン化手法を用いて、（例えば、ガラス又は酸化ケイ素から作られた）絶縁基板２０の上に陽極電極１４が最初に形成され、次いで標準のウェーハ対ウェーハ真空接合手法、例えば、陽極接合、ガラス溶解接合、共晶接合、はんだ接合、反応性接合、又は融着接合を用いて、絶縁基板２０が多層構造体へ接合される。]
[0039] 高周波三極管型電界放出デバイス１１の確実な動作を確保するためには、高品質の真空が有利であると仮定するならば、説明されたプロセスの変形（図示せず）は、適切な反応性物質、例えば、Ｂａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｆｅを含む領域、即ち、一般にゲッタ領域として知られている領域の形成を想定してもよい。ゲッタ領域は、適切に活性化されたとき、接合プロセス中に脱着された分子が捕捉され得る。ゲッタ物質を用いて、真空接合を改善する詳細な説明については、Ｄｏｕｇｌａｓ Ｒ． Ｓｐａｒｋｓ， Ｓ． Ｍａｓｓｏｕｄ−Ａｎｓａｒｉ， ａｎｄ Ｎａｄｅｒ Ｎａｊａｆｉ， Ｃｈｉｐ−Ｌｅｖｅｌ Ｖａｃｕｕｍ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ Ｕｓｉｎｇ ＮａｎｏＧｅｔｔｅｒｓ，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｐａｃｋａｇｉｎｇ， ｖｏｌｕｍｅ ２６， ｎｕｍｂｅｒ ３， Ａｕｇｕｓｔ ２００３， ｐａｇｅｓ ２７７−２８２、および Ｙｕｆｅｎｇ Ｊｉｎ， Ｚｈｅｎｆｅｎｇ Ｗａｎｇ， Ｌｅｉ Ｚｈａｏ， Ｐｅｃｋ Ｃｈｅｎｇ Ｌｉｍ， Ｊｕｎ Ｗｅｉ ａｎｄ Ｃｈｅｅ Ｋｈｕｅｎ Ｗｏｎｇ， Ｚｒ／Ｖ／Ｆｅ ｔｈｉｃｋ ｆｉｌｍ ｆｏｒ ｖａｃｕｕｍ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｏｆＭＥＭＳ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｖｏｌｕｍｅ １４， ２００４， ｐａｇｅｓ ６８７−６９２ を参照されたい。図示されない方途で、このゲッタ領域は、例えば、第２の凹部２１の内側で陽極電極１４の近くに形成される（側部スペーサ１５は、ゲッタ領域を形成するための空間を残すように配置される）。]
[0040] 高周波三極管型電界放出デバイス１１の第２の実施形態によれば、制御ゲート電極１３は、陰極電極１２と一体化される代わりに、陽極電極１４と一体化され、陽極電極１４と共に多層構造体を形成する。この異なる構造体は、２００６年１２月２９日に同一出願人の名前で出願された同時係属特許出願ＰＣＴ／ＩＴ２００６／０００８８３で詳細に説明されるように、幾つかの特定の利点を有する。具体的には、制御ゲート電極１３と放出先端部１９との間で生じる短絡を防止し、更に寄生容量の値を低減する。陰極電極、制御ゲート電極、および陽極電極１２、１３、１４の相互空間的配置は変更されず、前に詳細に説明されたように、相互のオーバーラップは依然として三極管区域１１ａに限定される。第２の実施形態は、第１の実施形態について説明された製造プロセスの単純な変更で実現され得るので、関連した製造プロセスは再度説明されることはない。]
[0041] 詳細には、図６において、陽極電極１４は、この場合、多層基板１６の上に形成される。多層基板１６は、また、厚い絶縁層１６ｃ、デバイスの接地板として作用する導電層１６ａ、および陽極電極１４と接触する上部絶縁層１６ｂを含む。絶縁領域１７は、多層基板１６および陽極電極１４の上に配置され、第１の凹部１８を規定する。凹部１８は、陽極端子１４ｂの最上面を露出する。制御ゲート電極１３は、絶縁領域１７の上に配置され、ゲート端子１３ｂの内部開口部は、第１の凹部１８へ開かれている。] 図６
[0042] 陰極電極１２は絶縁基板２０の上にパターン化され、放出先端部１９は陰極端子１２ｂの露出された最上面の上に形成される。陰極電極１２および絶縁基板２０は、次いで制御ゲートおよび陽極電極１３、１４を一体化した多層構造体に接合される。側部スペーサ１５は、それらの間の電気絶縁を維持する。]
[0043] この第２の実施形態の可能な変形である図７は、絶縁基板２０へ結合されるべき接地板（導電層１６ａ）を設けてもよい。陰極電極１２は、この場合、多層構造体の上にパターン化される。この多層構造体は、導電層１６ａの上に形成された絶縁基板２０によって作られる。制御ゲート電極１３と一体化される陽極電極１４は、その代わりに絶縁層１６ｂの上に形成される。] 図７
[0044] 図８は本発明の更なる実施形態を示す。この実施形態は、多数の高周波三極管型電界放出デバイス１１から成るアレイ２５の形成を想定し、前述で説明された「横木構造体」を有する。] 図８
[0045] 詳細には、アレイ２５の高周波三極管型電界放出デバイス１１は、第１、第２、および第３の方向ｘ、ｙ、ｚに沿って配置される。アレイ２５の中の高周波三極管型電界放出デバイス１１の各々は、それが第１、第２、および第３の方向ｘ、ｙ、ｚに沿って配置される他のデバイスと、その陰極導線、ゲート導線、および陽極導線１２ａ、１３ａ、１４ａを共有する。結果として、第１、第２、又は第３の方向に配置されたデバイスは、共通の導線、具体的には、その方向に沿って導かれた陰極導線、ゲート導線、又は陽極導線１２ａ、１３ａ、１４ａを共有する。高周波三極管型電界放出デバイス１１は、故に六方格子として配列され、規則的、合理的、および密集的な区域を占める。]
[0046] 本発明に係る三極管型電界放出デバイスの利点は、上記から明らかである。]
[0047] 具体的には、想定された横木構造体の配置構造は、寄生容量効果を著しく低減し、ＴＨｚ周波数範囲におけるデバイスの動作周波数帯域を実際に拡張する。これは、主として、異なる金属表面（ゲート電極、陰極電極、および陽極電極）のオーバーラップがデバイスの三極管区域に限定され、三極管区域の外側では、これらの表面の間（具体的には、様々な導線の間）にオーバーラップが提供されないことに起因する。故に、全体的な寄生容量の値は非常に低減される。]
[0048] 少なくとも１ＴＨｚの遮断周波数を達成する最大オーバーラップ区域の単純な推定は、一般的に使用される式を考慮することによって可能である。具体的には、陰極端子１２ｂとゲート端子１３ｂとの間の２μｍの距離を考慮すると、１ＴＨｚの遮断周波数を生じるためには、２０．０００ｎｍ２の最大オーバーラップ区域が要求されることを推定できる。この値を有するオーバーラップ区域は、０．５μｍの程度の半径を有する陽極および陰極の円形区域、および、例えば、０．１μｍの断面を有する陰極導線、ゲート導線、および陽極導線１２ａ、１３ａ、１４ａを用いることによって、容易に達成され得る。]
[0049] この配置構造を用いると、推定される寄生容量は、１０−１８Ｆの程度になる。それ故に、０．１〜５０μＳの範囲にある相互コンダクタンスｇｍの値および１〜５００の範囲にあるＤＣ利得を考慮に入れると（例えば、Ｗ． Ｐ． Ｋａｎｇ， Ｙ． Ｍ． Ｗｏｎｇ， Ｊ． Ｌ． Ｄａｖｉｄｓｏｎ， Ｄ． Ｖ． Ｋｅｒｎｓ， Ｂ． Ｋ． Ｃｈｏｉ， Ｊ． Ｈ． Ｈｕａｎｇ ａｎｄ Ｋ． Ｆ． Ｇａｌｌｏｗａｙ， Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｖａｃｕｕｍ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ． ４２ Ｎｏ． ４， ２００６、および Ｙ． Ｍ． Ｗｏｎｇ， Ｗ． Ｐ． Ｋａｎｇ， Ｊ． Ｌ． Ｄａｖｉｄｓｏｎ， Ｊ． Ｈ． Ｈｕａｎｇ， Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｒｉｏｄｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｒｒａｙ， Ｄｉａｍｏｎｄ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｖｏｌ． １５， ｐ． １９９０−１９９３， ２００６ を参照）、遮断周波数はＴＨｚの範囲にある。]
[0050] 更に、説明された横木構造体は、低減された寄生容量に起因して、ＴＨｚ周波数範囲における電界放出デバイスの大きなアレイを一体化するのに十分適している。具体的には、陰極電極、ゲート電極、および陽極電極１２、１３、１４の導線の選択された方位、具体的には、１２０°の傾斜角は、アレイの合理的一体化および低減された区域を占めると共に、非常に限定されたオーバーラップ区域を達成できるため、特に有利である。]
[0051] 適切にパターン化された触媒を用いることにより、ＣＮＴは良好に規定された位置で成長し得るため、提案された構造体の具現化は、ＣＮＴ Ｓｐｉｎｄｔ冷陰極に十分適している。]
[0052] 更に、陽極電極および制御ゲート電極を同じ構造体の中に一体化することは、（図６および図７で示されるように）三極管型電界放出デバイスの電気性能を更に改善するため、特に有利であることを証明できる。] 図６ 図７
[0053] 最後に、本発明に係る三極管型電界放出デバイスに対して多くの変更および変形が可能であるが、これらは全て、本願請求項で規定されるように、本発明の範囲内である。]
[0054] 特に、製造プロセスの開始ステップは、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）多層基板の提供を想定する。この場合、陰極電極１２（第１の実施形態）、又は陽極電極１４（第２の実施形態）は、ＳＯＩ基板のシリコン活性層のパターン化によって形成され、追加の金属層を製膜およびエッチングする必要はない。ＳＯＩ基板は、実際に、カーボンナノチューブの合成に適していることが既に実証されている。]
[0055] 更に、制御ゲート電極１３の内部垂直側面は、絶縁領域１７の内部垂直側面から間隔を空けられて（故に、制御ゲート電極１３の内部半径は、陰極端子および陽極端子１２ｂおよび１４ｂの半径よりも大きくなる）、接合プロセス中に側部スペーサ１５によって覆われるようにすることができる。この解決法は漏れ電流を低減することができる。]
[0056] 図７の変形に対応して、図４の変形も想定され得る。図４の変形は、絶縁層１６ｂではなく絶縁基板２０へ結合された導電層１６ａ（接地板）を有する。] 図４ 図７
[0057] さらに、デバイスの様々な層の厚さ、および製造プロセスの様々なステップは、単に例として示され、特定の必要性によって変更されてもよいことが容易に理解されるであろう。特に、便宜上、製造プロセスの説明は、ただ１つの陰極構造体の製造を参照してなされたが、陰極構造体より成るアレイの製造は、同じ基本構造体が反復される修正されたリソグラフィマスクの使用を必要とするだけである。]

权利要求:

請求項1
陰極電極（１２）と、前記陰極電極（１２）から間隔を空けられた陽極電極（１４）と、前記陽極電極（１４）と前記陰極電極（１２）との間に配置された制御ゲート電極（１３）と、少なくとも一つの電界放出先端部（１９）とを備え、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）が、前記電界放出先端部（１９）における三極管区域（１１ａ）でオーバーラップして、前記三極管区域の中で電子ビームを生成するため前記電界放出先端部（１９）と連携するように動作可能であり、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）が、前記三極管区域（１１ａ）の外側でオーバーラップしないことを特徴とする、特に、高周波応用のための三極管型電界放出デバイス（１１）。
請求項2
前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）の各々が、それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿った主となる長手方向を有し、前記それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）の各々が、相互に関して非ゼロの角度で傾斜している、請求項１に記載のデバイス。
請求項3
前記角度が約６０°である、請求項２に記載のデバイス。
請求項4
前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）が、前記三極管区域（１１ａ）において配置されたそれぞれの端子（１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ）、および前記それぞれの端子から、前記三極管区域（１１ａ）の外側にあるバイアス区域（１１ｂ）へ延び、前記それぞれの端子のために電気信号を導電するように動作可能であるそれぞれの導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）を含み、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）の前記導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）が、オーバーラップしないように相互に配置された、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のデバイス。
請求項5
前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）の前記導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）が、それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿って延び、前記それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）の各々が、相互に関して非ゼロの角度で傾斜している、請求項４に記載のデバイス。
請求項6
前記角度が約６０°である、請求項５に記載のデバイス。
請求項7
前記陰極電極（１２）および前記陽極電極（１４）の前記端子（１２ｂ、１４ｂ）が前記三極管区域（１１ａ）においてオーバーラップし、前記制御ゲート電極（１３）の前記端子が、前記三極管区域（１１ａ）において前記陰極電極および前記陽極電極の前記導線（１２ａ、１４ａ）と部分的にオーバーラップした、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のデバイス。
請求項8
前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）の前記導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）が、細片状を有し、前記それぞれの端子（１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ）に接続され、前記それぞれの端子（１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ）の反対側からそれぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿って延びた、請求項７に記載のデバイス。
請求項9
前記陰極電極（１２）の前記端子（１２ｂ）が、円板の形状を有し、前記電界放出先端部（１９）を載せ、それとオーム接触し、前記制御ゲート電極（１３）の前記端子（１３ｂ）が、前記電界放出先端部（１９）へ向かって開いた凹部（１８）を規定する環の形状を有し、前記陽極電極（１４）の前記端子（１４ｂ）が、前記凹部（１８）および電界放出先端部（１９）の上方に存在する円板の形状を有し、前記制御ゲート電極（１３）の内部半径が、前記陰極電極および前記陽極電極の半径未満ではない、請求項７又は請求項８に記載のデバイス。
請求項10
前記陰極電極（１２）を含む陰極構造体と、前記陽極電極（１４）を含む陽極構造体とを更に備え、前記陰極構造体および前記陽極構造体が別々に形成され、かつスペーサ（１５）を介在させて共に接合され、前記制御ゲート電極（１３）が、前記陽極構造体の中に一体化された、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のデバイス。
請求項11
複数の三極管型電界放出デバイス（１１）を備え、前記三極管型電界放出デバイスの各々が、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のデバイスであることを特徴とする三極管型電界放出デバイス（１１）のアレイ（２５）。
請求項12
前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）が、それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿った主となる長手方向を有し、前記それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）の各々が、相互に関して非ゼロの角度で傾斜しており、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）が、前記それぞれの線に沿って配置されたそれぞれの導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）を含み、前記三極管型電界放出デバイス（１１）が、前記それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿って整列し、所定の線に沿って整列した前記デバイスが、共通の導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）、具体的には、前記所定の線に沿って方向づけられた前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、又は前記陽極電極（１４）の前記導線を共有した、請求項１１に記載のアレイ。
請求項13
前記三極管型電界放出デバイス（１１）が、六方格子として配置された、請求項１１又は請求項１２に記載のアレイ。
請求項14
陰極電極（１２）と、前記陰極電極（１２）から間隔を空けられた陽極電極（１４）と、前記陽極電極（１４）と前記陰極電極（１２）との間に配置された制御ゲート電極（１３）と、および少なくとも一つの電界放出先端部（１９）とを形成し、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）が、前記電界放出先端部（１９）における三極管区域（１１ａ）でオーバーラップするように形成され、前記三極管区域の中で電子ビームを生成するための前記電界放出先端部（１９）と連携するように動作可能であり、前記形成は、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）が、前記三極管区域（１１ａ）の外側でオーバーラップしないように、それらの電極を配置することを含むことを特徴とし、特に、高周波応用のための三極管型電解放出デバイス（１１）を製造するプロセス。
請求項15
前記配置が、それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿った主となる長手方向を有する前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）を配置することを含み、前記それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）の各々が、相互に関して非ゼロの角度で傾斜した、請求項１４に記載のプロセス。
請求項16
前記角度が約６０°である、請求項１５に記載のプロセス。
請求項17
前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）を形成することが、前記三極管区域（１１ａ）における前記各電極のそれぞれの端子（１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ）、および前記それぞれの端子から前記三極管区域（１１ａ）の外側にあるバイアス区域（１１ｂ）へ延びる前記各電極のそれぞれの導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）を形成することを含み、前記それぞれの導線が、前記それぞれの端子のために電気信号を導電するように動作可能であり、前記配置とすることが、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）の導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）がオーバーラップしないように、それらの導線を相互に配置することを含む、請求項１４から請求項１６のいずれか一項に記載のプロセス。
請求項18
相互に前記配置することが、前記陰極電極（１２）、前記制御ゲート電極（１３）、および前記陽極電極（１４）の前記導線（１２ａ、１３ａ、１４ａ）をそれぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）に沿って配置することを含み、前記それぞれの線（ｘ，ｙ，ｚ）の各々が、相互に関して非ゼロの角度で傾斜している、請求項１７に記載のプロセス。
請求項19
前記角度が約６０°である、請求項１８に記載のプロセス。
請求項20
前記配置が、前記三極管区域（１１ａ）でオーバーラップするように前記陰極電極（１２）および前記陽極電極（１４）の前記端子（１２ｂ、１４ｂ）を配置すること、および前記三極管区域で前記陰極電極および前記陽極電極の前記導線（１２ａ、１４ａ）と部分的にオーバーラップするように前記制御ゲート電極（１３）の前記端子を配置することを含む、請求項１７から請求項１９のいずれか一項に記載のプロセス。
請求項21
それぞれの絶縁基板（２０、１６ｂ）の上に、陰極構造体および陽極構造体を別々に形成することを更に備え、前記陰極構造体を形成する前記ステップが、前記陰極電極（１２）を形成することを含み、前記陽極構造体を形成する前記ステップが、前記陽極電極（１４）を形成することを含み、次いでスペーサ（１５）を介在させて前記陰極構造体および前記陽極構造体を共に接合することを更に備え、前記制御ゲート電極（１３）を形成することが、前記陽極構造体の中に前記制御ゲート電極（１３）を一体化することを含む、請求項１４から請求項２０のいずれか一項に記載のプロセス。