DE4421256C2 - Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung - Google Patents

Description

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

Derartige Feldeffekt-Mikrotriodenanordnungen können beispielsweise als Schutzschalter gegen elektrostati­ sche Entladungen (ESD) bei Halbleiterbauelementen bzw. Halbleiterschaltkreisen sowie alternativ als schalten­ des bzw. verstärkendes Hochfrequenzbauelement für Halb­ leiterbauelemente in monolithiseh integrierten Schal­ tungen eingesetzt werden.

Mikrodioden und Mikrotrioden, die im Vakuum arbeiten, sind in zahlreicher Form vorbekannt: Veröffentlichungen dazu erfolgten u. a. durch C. A. Spindt, C. E. Holland, A. Rosengreen und I. Brodie, Field-Emitter Arrays 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 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 ent­ sprechend angelegte negative Spannung den Stromfluß zwischen 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 notwendigen 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 zwangsläu­ fig ungünstigere Feldverhältnisse ergeben.

Schnittbilder bekannter Mikrotrioden-Konzepte zeigt Fig. 1.

Die bekannten Bauelemente arbeiten meist mit sehr spit­ zen Emittern und damit verbunden mit sehr hohen Strom­ dichten. Der nutzbare Strom muß allerdings durch die Parallelschaltung einer Vielzahl von elementaren Trio­ den 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 schaltungs­ technischen Streuungen ein großes Problem (Rauschen, Jitter) dar.

Darüber hinaus 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 im Vakuum betriebener Feldeffekt-Transistor hervor, der einen aus Silizium gefertigten Feldemitter aufweist und bei dem die Gate-Elektroden relativ zu den Emitter­ spitzen abgesenkt sind. Gleiche oder ähnliche Anordnun­ gen gehen darüberhinaus aus folgenden Dokumenten her­ vor: 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 geometrischen Anordnung zwischen der Gate- und Emitterelektrode liegt darin, daß die Feldemission durch die Anode (Drain) hervorge­ rufen werden kann und der Strom zwischen Emitter und Anode (Drain) durch die Gate-Elektrode moduliert werden kann. Mit dieser Anordnung wird die Strommodulation ohne auftretenden statistischen Emitter-Gate-Strom, der den Eingangswiderstand des Bauelementes vergrößert, möglich. Auf diese Weise kann die Emitter-Gate und Anode-Gate-Kapazität verringert werden, wodurch der Eingangs-Blindwiderstandeinsbesondere für hochfrequente Eingangssignale gesteigert wird.

Die Auslegung der bekannten Mikrotriodenanordnungen ist jedoch nicht an die Anforderungen des Hochfrequenzbe­ reiches ausgelegt, so daß das Verarbeiten hochfrequen­ ter Signale, z. B. Signale im Giga- und Tera-Hz-Be­ reich, aufgrund der Bauelementestruktur nicht in ge­ wünschter Weise erfolgen kann.

Eine weitere bekannte Mikroelektrodenanordnung ist der US 4 721 885 zu entnehmen. Die als Dioden- oder Trio­ denstruktur auszubildende Anordnung sieht ebenfalls spitz zulaufende Emitterelektroden vor, deren Spitzen von einer Anodenanordnung derart beabstandet sind, daß der Abstand gleich oder kleiner der mittleren freien Weglänge der Elektronen, auch unter normalen atmosphä­ rischen Bedingungen, ist. Zwar kann diese Anordnung grundsätzlich unter Normalbedingungen betrieben werden, doch bestehen auch in diesem Fall die vorstehend be­ schriebenen Nachteile.

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

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

Erfindungsgemäß wird eine Feldeffekt-Mikrotriodenanord­ nung mit einer Feldemissionskanten aufweisenden Emit­ tereinheit, einer Anodenanordnung (Drain) sowie einer Steuerelektroden-Einheit (Gate), die planar zu den oder unterhalb der Feldemissionskanten angeordnet ist, der­ art ausgebildet, daß die Steuerelektrodeneinheit (Gate) und die Emitter-Einheit als coplanare Hochfrequenzwel­ lenleiterstruktur 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 Massepotential zu legen, so daß die Gate-Elektrode mit den auf Masse liegenden Feldemis­ sionskanten eingangsseitig einen am Design von Cop­ lanarleitern orientierten Wellenleiter für das hoch­ frequente Steuersignal bildet.

Um Hochfrequenzsignale mit geringem Pegel zu verstär­ ken, muß die Ausführung des verstärkenden Bauelementes die Eigenheiten von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen berücksichtigen. Um ein hochfrequentes Signal zu führen, müssen spezielle Leitungsstrukturen (coplanare Leitung oder Mikrostreifen-Leitung bzw. koaxiale Lei­ tungen oder Hohlleiter) verwendet werden. Die Leitungen und die aktiven Bauelemente müssen im Wellenwiderstand anpaßbar sein, um Reflexionen zu vermeiden. Der er­ findungsgemäße Triodenentwurf ist unter diesen Beson­ derheiten ausgestaltet worden.

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

Durch die erfindungsgemäße Geometrie der Feldemissions­ trioden ist es möglich, daß neben geringster parasi­ tärer Kapazitäten auch die Anschlußwellenleitungen und die verstärkenden oder schaltenden aktiven Feldemis­ sionstrioden auf den gleichen Wellenwiderstand abge­ stimmt werden können. Damit werden geringste Reflexio­ nen am Ein- und Ausgang ermöglicht, die für einen Be­ trieb im Höchstfrequenzbereich oft die Begrenzung dar­ stellen.

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 verschiedenen Feldemitteranordnungen haben ergeben, daß es einen optimalen Abstand zwischen zwei Feldemissions­ kanten 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 An­ ode. Weiterhin sind die Dotierung und die Spitzenform von Einfluß.

Das Prinzip beruht nun darauf, daß dieses optimale Feld durch eine jeweils coplanar zwischen den Feldemissions­ klingen angeordnete Steuerelektrode entweder 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 durch eine geeignete Spannung gestört wird; in diesem Fall wird der physikalische Abstand genau in das Optimum gelegt, was eine wirksame Strommodulation ermöglicht.

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 Kontaktme­ tall 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 gelegt, so wird ein mehr oder weniger großer Teil der Feldlinien E_T an dieser Elek­ trode 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 bis 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 Leiter­ schichten. Es bieten sich auch kostengünstige epitakti­ sche Schichten auf anderen Trägermaterialien an.

Unter Nutzung des "Elektronic Blunting"-Effekts ist es möglich, trotz eventueller kleiner Inhomogenitäten in der Höhe oder der Oberfläche der Klingen eine gleich­ mäßige Emission über eine Klinge aus dotiertem Halblei­ termaterial zu erzeugen. 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 begünstigt wird. Bei einer metallischen Feldemissions-Klinge würde zuerst die Stelle zünden, welche der Anode am nächsten ist. Der Strom steigt hier über die Zerstörungsgrenze solange an, bis diese Stelle evaporiert wird. Die Folge ist, daß eine metallische Kante kaum zu homogener Emis­ sion zu veranlassen ist.

Von daher ist auch erklärlich, daß die meisten ver­ öffentlichten Konzepte auf der Verwendung von Feldemis­ sions-Spitzen beruhen, was für eine Anwendung als lei­ stungstragende 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 bis 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 bis 75 nm einzusetzen.

Diese erfindungsgemäße Dimensionierung der Feldemitter­ elemente steht im Gegensatz zu konventionellen Trioden­ prinzipien, die möglichst spitze Emitter mit einem Krümmungsradius 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 Di­ elektrikum 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 automa­ tisch 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 monoli­ thisch integrierte Mikrowellenschaltkreise sowie das breite Einsatzfeld als schaltendes und/oder verstär­ kendes Hochfrequenzbauelement.

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

Es wird auch ein sehr geringer 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 (in der Regel zwischen 7 und 25 Volt) zwischend 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 Emitter werden je nach Bedarf relativ große Spitzenra­ dien 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 ionisierenden Teilchen die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, daß die Spitze maßgeblich zerstört wird, während dies bei sehr spitzen Feldemissionskanten ein Hauptproblem hinsichtlich Zuverlässigkeit und Strom­ rauschen 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 im Bereich von 0,3 µm bis etwa 30 µm variiert werden.

Typisch ist jedoch der sehr geringe Abstand von zirka 0,5 µm, da sich hier die genannten Vorteile hinsicht­ lich Quasi-Vakuum und höherer erzielbarer 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 anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, Es zeigen:

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

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

Fig. 2b eine Detailzeichnung von Fig. 2a,

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

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

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

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

Fig. 5 eine 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 ange­ ordnet 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 Feldemissionstromes 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 vor­ gegeben, daß er im Bereich der mittleren freien Weg­ länge 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 Aufsichten auf die Feldemissions-Mikrotriode. Die Fig. 3b und 3c sind dabei Detailzeichnungen von Fig. 3a für zwei verschiedene Ausführungsformen. Fig. 3b zeigt eine Aufsicht auf eine Version mit elektri­ schem Anschluß der Feldemitter durch ohmschen Kontakt an der Kathodenmesa und Fig. 3c eine Version mit zus­ ätzlichen ohmschen Kontaktstreifen parallel zu den Feldemittern. Es sind jeweils Käthodenpad 7, Anodenpad 8 und Gatepad 9 eingezeichnet.

Das vorliegende Bauelement wurde auf GaAs realisiert. Der GaAs-Ätzprozeß wurde naß-chemisch entwickelt, da PTasma-Prozesse meist geschädigte Oberflächen hinter­ lassen, die für den mit ungeschädigtem Halbleiterma­ terial erzielbaren "Electronic Blunting"-Effekt nach­ teilig 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 Ver­ fahren dar, welches zu einer ähnlich guten Struk­ turierung führt wie das Plasma-Ätzverfahren, jedoch die Nachteile dieses Verfahrens wie Oberflächenschäden, hervorgerufen durch Ionenbombardement während des Pro­ zesses, nicht aufweist.

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

Das Bauelement benötigt eine Gesamtfläche von 85 µm × 50 µm ohne Anschlußfelder (pads) kann somit unter Nor­ mal-Atmosphäre zuverlässig eine Leistung von 1,4 Watt DC zur Verfügung stellen.

Die Feldemissionskanten sind aus einkristallinem Halb­ leitermaterial GaAs hergestellt; auch polykristallines Halbleitermaterial oder metallbeschichteter Kunststoff werden als nutzbar eingeschätzt. 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 emittern 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 Aus­ trittsarbeit der Feldemitterklingen durch Beschichtung mit speziellen Materialien, wie Cs, CsO, Na, K oder C_{6 0} zu verringern. Gerade die Beschichtung mit Buckminster­ fullerenen wie C_{6 0} hat den Vorteil, daß außer der Än­ derung der Austrittsarbeit noch eine Verlängerung der Zuverlässigkeit des Bauelements erreicht werden kann, da diese Fullerene diamantähnliche Eigenschaften be­ sitzen. Damit würde die Langzeitzuverlässigkeit hin­ sichtlich Korrosion, Ionenstößen und Halbleiter- bzw. Oberflächenveränderungen jeglicher Art, wie z. B. Aus­ gasen von Arsen oder Dotierstoffen bei GaAs, auch in hohen Temperaturbereichen zunehmen. Diese vorteilhafte Beschichtung ließe sich z. B. auch mit einer Diamant­ schicht, 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 Feldemissiontriode besitzt eine Wanderwellenstruktur für hohe Frequenzen im µm- Wellenlängenbereich.

Der Gateleiter G (Innenleiter der Eingangs-Coplanarlei­ tung) ist verbunden mit den eigentlichen Gateelektroden GE der Triode. Die äußeren Massestreifen M der nähe­ rungsweise coplanaren Leitung sind über die Zuleitungen ZU mit den beiden Feldemissionsklingen F der eigentli­ chen Triode verbunden. Die Anodenanschlußleitung A (Innenleiter der Ausgangs-Coplanarleitung) ist über die beiden Zuleitungluftbrücken LZ, die in Form einer sta­ bilen metallischen Brückenstruktur (Luftbrücke) in einer höheren Ebene die Zuleitung ZU überqueren (Lei­ terüberkreuzung), mit den beiden Anodenzuleitungen AZ verbunden. Von den beiden Anodenzuleitungen gehen im Abstand der Wellenlänge λ Anodenluftbrücken LA aus, die die Gateelektroden und Feldemissionskanten in einer höheren Ebene überbrücken, ohne diese zu kontak­ tieren. Diese Anodenluftbrücken bilden die eigentlichen Anoden, die die von den Feldemissionskanten F emittier­ ten Elektronen auffangen.

Die zu verstärkende Welle wird bei dieser ersten Ge­ ometrie zwischen Gateleiter G und Masseelektroden M an die Triode herangeführt. In der Triode wird die Welle zwischen den Gateelektroden GE und den auf Masse-Poten­ tial befindlichen und mit den Masseleitern M verbun­ denen 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 z. B. ein Wellenberg. Die Elektrodenlängen werden so bemessen, daß sich die Wellenberge genau phasen­ gleich zu der geführten, zu verstärkenden Eingangs- Welle hinzuaddieren können (Wanderwelleneffekt). Die verstärkte Welle wird über die Ausgangsleitung wegge­ führt. Damit kommt das vorgeschlagene Konzept der idea­ len "verstärkenden 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.

In Fig. 5 ist ähnlich wie in Fig. 4 eine Feldemis­ sionstriode für den Wanderwellenbetrieb vorgesehen. Hierbei ist der Abstand zwischen den Feldemissionskan­ ten F und den zugehörigen Gateelektroden G im Abstand vor Vielfachen der Wellenlänge λ der zu ver­ arbeitenden Signale ausgebildet.

Die gesamte Triode besteht aus mehreren einzelnen Trio­ denzellen Z, die jeweils aus einer Feldemissionskante F bestehen, welche auf beiden Langsseiten von einer Gate­ elektrodenkante GE flankiert wird. Der Gateleiter G (Innenleiter der Eingangs-Coplanarleitung) ist mit den eigentlichen Gateelektroden GE der Triode verbunden. Die äußeren Massestreifen M der näherungsweise coplana­ ren Leitung sind mit den Feldemissionsklingen F der eigentlichen Triodenzellen verbunden. Die Anodenan­ schlußleitung A (Innenleiter der Ausgangs-Coplanarlei­ tung) ist mit den Anodenluftbrücken L verbunden, die in Form einer stabilen metallischen Brückenstruktur (Luft­ brücke) in einer höheren Ebene die Feldemissionskanten F und die jeweiligen Gateelektroden GE überqueren (Lei­ terüberkreuzung).

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, sodaß 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 z. B. ein Wellen­ berg. Die Elektrodenlängen der Gesamtanordnung werden so bemessen, daß sich die Wellenberge genau phasen­ gleich zu der geführten, zu verstärkenden Eingangs- Welle hinzuaddieren können (Wanderwelleneffekt). Die verstärkte Welle wird über die Ausgangsleitung A wegge­ führt. Damit kommt das vorgeschlagene Konzept der idea­ len "verstärkenden 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. Zirkula­ tor in passiver oder elektronischer Art) verhindert werden.

Unter Ausnutzung des Wanderwelleneffektes lassen sich auf diese Weise auch Oszillatoren (phasengleiche Rück­ kopplung) oder Frequenzvervielfachung (Addition zweier oder mehrerer leicht in der Phase verschobener Wellen und deren geeignete Vertsärkung) 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 Herste­ llungstoleranzen 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 Ent­ wicklung befindliche, hochfrequente integrierte Sili­ ziumschaltungen angewendet werden, da hier die konven­ tionellen ESD-Schutzschaltungskonzepte ihre Leistungs­ grenzen 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 ge­ ringen 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 Verstärkern, Sender-Endstu­ fen für den Mikrowellenbereich oder als leistungsstarke mikroelektronische Elektronenstrahlquellen für Flach- Bildschirme.

Darüber hinaus haben sie auch für andere Elektronen­ strahlanwendungen, wie Analysegeräte (STM scanning tunnel microscope, SEM scanning electron mikroscope), bei denen leistungsstarke Elektronenstrahlquellen ge­ fordert 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 (siehe z. B. Fig. 2) z. B. als Glasscheibe mit aufgedampftem Metallgitter und Leucht­ stoff auf das Trägermaterial mit den Feldemittern und den coplanar ausgeführten Gitterelektroden aufgebracht, wobei der optimale Abstand sich automatisch einstellt. Da das Zusammenbringen auch eine einfache Evakuierung erlaubt, ist die Toleranz im Abstand zwischen Kathode und Anode, die sich aus der Qualität der Glasscheibe ergibt, unerheblich. Durch die Gitterelektrode ist zudem eine chromatische Korrektur eines jeden Bildpunk­ tes möglich, da sowohl der maximale Strom als auch die Schwellspannung einstellbar sind.

Die hierzu notwendigen Technologieschritte liegen hin­ sichtlich des Aufwandes beträchtlich unter den derzeit verfolgten Prinzipien der Multilayer-Technologie, wobei die derzeitige Form der Gitteranordnung eine Vielzahl von Prozeßschritten für die notwendigen Isolator- 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 auf­ wendige Mehrfachschichtung von Isolator und Metall­ schichten (multilayer) einschließlich des damit ver­ bundenen aufwendigen Justierens notwendig. Dadurch wird die Herstellungstechnologie gegenüber derzeit bekannten Verfahren erheblich vereinfacht. Das hat direkte Aus­ wirkungen auf die Integrationsfähigkeit des Bauelemen­ tes. Die Integrationsfähigkeit ist stark von der zu erwartenden Ausbeute abhängig und diese ist wiederum mit der Anzahl der notwendigen Prozeßschritte korre­ liert. Nach dem neuen Konzept wird die Zahl der kriti­ schen Herstellungsschritte 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 Durchkontak­ tierungen zur Verfügung stehen.

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

Um schließlich die erfindungsgemäße Feldeffekt-Mikro­ triode als Sensor zu benutzen, sollte z. B. die Gitter­ klinge in der Höhe variiert werden. Dadurch wird ein bestimmter Arbeitspunkt eingestellt, der dafür verant­ wortlich ist, daß z. B. erst mit einem bestimmten Git­ terpotential Feldemission stattfinden kann. Dieses Potential ist dann z. B. auch abhängig von anderen phy­ sikalischen und chemischen Gegebenenheiten an der Trio­ de.

Claims (18)

1. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung mit einer, Feld­ emissionskanten (1) aufweisenden Emittereinheit, einer Anodenanordnung (3) (Source) sowie einer Steuerelektro­ deneinheit (Gate) (2), die planar zu den oder unterhalb der Feldemissionskanten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrodeneinheit (Gate) (2) und die Emittereinheit (1) als coplanare Hochfrequenzwellenleiterstruktur ausgebildet sind.

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

3. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrotriode mit einer maximalen Grenzfrequenz, die im THz-Bereich liegt, betreibbar ist.

4. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskanten (1) und die Steuerelektode (2) derart länglich ausgebildet sind, so daß zwischen der Steuerelektrode (2) und der Feldemissionskante (1) eine Welle führbar ist.

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

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

7. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (2) mittels Gatemetall oder dotiertem Halbleitermaterial auf einem Trägerisolator (6) angeordnet sind.

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

9. Feldeffekt-Mikrotriodeananordnung nach einem der Ansprüch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (2) scharfe Kanten aufweisen.

10. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand DA zwischen der Feldemissionskante (1) und der Anode (3) im Bereich der mittleren freien Weglänge von Elektronen unter atmos­ phärischen 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 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionskanten (1) 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)- Technologie 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 bis 3 . 10¹⁸ Dotieratome/cm³) Halblei­ termaterial 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 Feldemissionskanten (1) Glas oder Kunststoffe mit aufgedampften Leiterschichten aufweisen.

17. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsarbeit der Feldemitter durch Beschichtung mit geeigneten Materia­ lien wie z. B. Cs, CsO, K, C_{6 0} oder dotiertem Diamant variierbar ist.

18. Feldeffekt-Mikrotriodenanordnung nach einem der Ansprüch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittereinheit (1) und die Steuerelektrodeneinheit (2) als Streifenleiter ausgebildet sind.