專(zhuān)利名稱(chēng)：高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地來(lái)說(shuō)涉及屬于用于高頻應(yīng)用的半導(dǎo)體真空管系列的微型/納米級(jí)器 件，更具體地，涉及改進(jìn)的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
正如所知，在太赫(THz)頻率范圍內(nèi)的技術(shù)和應(yīng)用傳統(tǒng)上限于分子天文學(xué)和化學(xué) 光譜學(xué)領(lǐng)域。然而，太赫探測(cè)器和源的新近進(jìn)展已經(jīng)使該領(lǐng)域向新的應(yīng)用敞開(kāi)，包括國(guó)土安 全、測(cè)量系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)分析、成像)、生物與醫(yī)學(xué)應(yīng)用(細(xì)胞表征、熱量與光譜映射)、材料表征 (近場(chǎng)探測(cè)、食品工業(yè)質(zhì)量控制、藥品質(zhì)量控制)。雖然太赫傳感器和源的商業(yè)應(yīng)用正在增長(zhǎng)，但這種增長(zhǎng)以某種方式受到提供可靠 太赫源這一難題的限制，因?yàn)橐呀?jīng)證明由于較低的電子遷移率，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)無(wú)法滿 足要求。真空電子學(xué)而不是半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用允許利用電子在真空中比在半導(dǎo)體材料中 達(dá)到更高速度的特性，從而達(dá)到更高的工作頻率(名義上從GHz到THz)。真空電子器件的 一般工作原理是基于RF信號(hào)與所產(chǎn)生的電子束之間的相互作用；RF信號(hào)對(duì)電子束中的電 子進(jìn)行速度調(diào)制以允許從電子束向RF信號(hào)傳遞能量。傳統(tǒng)的老一代真空管包括產(chǎn)生電子束的熱電子陰極，在非常高的溫度 (800°c -1200°c )下工作，并且受到諸多限制，其中包括高電能要求、快速加熱時(shí)間、不穩(wěn) 定問(wèn)題和有限的小型化。具有FEA(場(chǎng)致發(fā)射陣列)陰極的真空器件的引入克服了上述限制，這已經(jīng)帶來(lái)了 顯著優(yōu)勢(shì)，具體地，在太赫頻率放大方面，允許在室溫下工作，并且實(shí)現(xiàn)了將尺寸降低至微 米和納米尺度。RF源的FEA結(jié)構(gòu)最先由Charles Spindt提出(加拿大的Spindt等在《應(yīng) 用物理學(xué)報(bào)》1976年12月第47卷第5258-5263頁(yè)的《具有鉬椎體的薄膜場(chǎng)致發(fā)射陰極的 物理特性》中提出)，并且通常稱(chēng)為Spindt陰極(或冷陰極，由于低工作溫度)。具體地， Spindt陰極器件由形成于導(dǎo)電襯底上并與之歐姆接觸的微機(jī)加工的金屬場(chǎng)致發(fā)射器錐體 或者尖端組成。每個(gè)發(fā)射器在加速場(chǎng)內(nèi)的陽(yáng)極和陰極電極之間具有自己的同心孔徑；柵電 極，或者所說(shuō)的控制柵極，通過(guò)二氧化硅層與陽(yáng)極和陰極電極和發(fā)射器隔離。每個(gè)獨(dú)立的尖 端能夠產(chǎn)生數(shù)十微安，大型陣列理論上能夠產(chǎn)生大發(fā)射電流密度。Spindt陰極器件的性能受到材料消耗引起的發(fā)射尖端損壞的限制，因此，全世界 都致力于為其產(chǎn)品尋找新型材料。具體地，通過(guò)使用碳納米管(CNT)作為冷陰極發(fā)射器，大幅改善了 Spindt結(jié)構(gòu) (例如參見(jiàn)《自然》1991年第354卷第56-58頁(yè)S. Iijima發(fā)表的《石墨碳的螺旋狀微管》， 或者《科學(xué)》1995 年第 270 卷第 5239 號(hào)第 1179-1180 頁(yè) W. Heer、A. Chatelain、D. Ugarte 發(fā) 表的《碳納米管場(chǎng)致發(fā)射電子源》)。將碳納米管完美地石墨化為，可使用各種制造方法制造 成直徑范圍從約2nm到lOOnm、并且長(zhǎng)度為幾微米的圓柱管。具體地，可以認(rèn)為CNT實(shí)際上 是最好的發(fā)射器之一(例如參見(jiàn)《應(yīng)用物理A》1999年第69卷第245-254頁(yè)J. M. Bernard、J. -P. Salvetat, T. Stockli, L. Forro和A. Ch^elain發(fā)表的《碳納米管的場(chǎng)致發(fā)射發(fā)射 機(jī)制的應(yīng)用和提示的展望》)，因此是Spindt型器件中理想的場(chǎng)致發(fā)射器；很多研究已經(jīng)確 認(rèn)了它們的場(chǎng)致發(fā)射特性(例如參見(jiàn)S. Orlanducci、V. Sessa,M. L. Terranova,M. Rossi和 D. Manno在《中國(guó)物理快報(bào)》2003年第367卷第109-114頁(yè)發(fā)表的)。在這方面，圖1示出了一種使用CNT作為場(chǎng)致發(fā)射器的已知Spindt型冷陰極三極 管器件1的示意性截面圖。三極管器件1包括陰極結(jié)構(gòu)2 ；通過(guò)側(cè)面隔板4與陰極結(jié)構(gòu)2隔 開(kāi)的陽(yáng)極電極3 ；以及與集成在陰極結(jié)構(gòu)2中的控制柵5。集成有控制柵5的陰極結(jié)構(gòu)2與 陽(yáng)極電極3分開(kāi)地形成，然后借助于側(cè)面隔板4的插入粘合在一起。陽(yáng)極電極3由起到三 極管器件陽(yáng)極作用的第一導(dǎo)電襯底構(gòu)成，而陰極結(jié)構(gòu)2是多層結(jié)構(gòu)，包括第二導(dǎo)電襯底7 ； 設(shè)置在第二導(dǎo)電襯底7和控制柵5之間的絕緣層8 ；凹槽9，形成該凹槽以穿透控制柵5和 絕緣層8，以露出第二導(dǎo)電襯底7的表面；以及Spindt型發(fā)射尖端10 (為簡(jiǎn)化示圖，圖1中 僅示出了一個(gè)尖端)，具體地CNT，形成于凹槽9中，與第二導(dǎo)電襯底7歐姆接觸，并且起到 三極管器件陰極的作用。在工作期間，在對(duì)應(yīng)于環(huán)繞凹槽9的區(qū)域處，控制柵5的偏壓允許控制陰極結(jié)構(gòu)2 產(chǎn)生的電子流向陽(yáng)極電極3 ；位于控制柵5上方的陽(yáng)極電極3的一部分收集因此而產(chǎn)生的 電流。在三極管器件1中，因此可以限定三極管(或有源)區(qū)(用圖1中的Ia表示)， 包括位于并緊密環(huán)繞發(fā)射尖端10和凹槽9的區(qū)域，在其中產(chǎn)生并收集電子；三極管偏壓區(qū) lb，作為外部區(qū)域位于三極管區(qū)Ia外部，偏壓信號(hào)通過(guò)三極管偏壓區(qū)傳遞至相同的三極管 區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
申請(qǐng)人:已經(jīng)注意到，由于控制柵電極、陰極電極和陽(yáng)極電極之間存在的大寄生電 容值，已知的Spindt型真空管三極管器件的拓?fù)錁?gòu)造(topological configuration)受到 重大了限制。此寄生電容嚴(yán)重限制了此型裝置所能達(dá)到的工作頻率、截止頻率的降低、太赫 的應(yīng)用、甚至微米級(jí)結(jié)構(gòu)，基本上難以實(shí)施。具體地，冷陰極器件的已知實(shí)現(xiàn)構(gòu)思存在伸出的控制柵，其與導(dǎo)電陰極襯底重疊， 因此形成了寄生電容的兩個(gè)極板(以Ce。表示，在圖1中示意性地所出)。詳細(xì)地，假設(shè)控制 柵和陰極襯底模擬兩個(gè)扁平并且平行的極板，該寄生柵極-陰極電容Ce。的值由C = e。ejA/ d)給出，其中e。是真空介電常數(shù)，^是陰極與控制柵之間的絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)，A是 重疊面積，d是陰極與控制柵之間的距離。寄生柵極-陰極電容Cec還遠(yuǎn)大于控制柵和發(fā)射 尖端之間的電容(在圖1中以Cct表示)。此外，陽(yáng)極電極與控制柵之間的重疊產(chǎn)生另外的寄生電容——柵極-陽(yáng)極電容 (以ceA表示并如圖1所示)合計(jì)到總寄生電容中，決定了器件截止頻率的進(jìn)一步降低。根據(jù)前面所述，顯然該類(lèi)型器件的工作頻率嚴(yán)重依賴(lài)于、并強(qiáng)烈受限于其拓?fù)涮?征。因此，本發(fā)明的主要目的是，為冷陰極真空管提供改進(jìn)的拓?fù)錁?gòu)造和改進(jìn)的制造 方法，以至少部分地克服上述缺點(diǎn)。本發(fā)明已達(dá)到該目的，正如所附權(quán)利要求所限定的，其涉及高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件及相關(guān)制造方法。通過(guò)改變?nèi)龢O管型場(chǎng)致發(fā)射器件的典型拓?fù)洌唧w地，通過(guò)限制陰極和陽(yáng)極電極 及控制柵之間的重疊面積，從而降低了在它們之間形成的總寄生電容的值，本發(fā)明達(dá)到了 上述目的；將不同導(dǎo)電面之間的重疊實(shí)際上限制在場(chǎng)致發(fā)射器件的三極管區(qū)。詳細(xì)地，控制柵、陽(yáng)極和陰極電極由通向各端子的各條狀導(dǎo)線構(gòu)成；各種電極僅在 三極管區(qū)重疊(具體地與其端子，允許產(chǎn)生并收集電子束)，而將各種導(dǎo)線設(shè)置為在相同三 極管區(qū)外部不互相重疊。更詳細(xì)地，向/從各端子傳導(dǎo)電信號(hào)的導(dǎo)線，以非零角度，具體地 以60°角(或120°，如果考慮到任意兩條線之間的補(bǔ)角)相對(duì)于其它線中的每一條傾斜。所提出的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在所有寄生電容的影響累加的陰極陣列結(jié)構(gòu)中尤其顯著；具 體地，實(shí)現(xiàn)冷陰極器件的大型陣列而不受到由于寄生電容引起的頻率限制的可能性是該結(jié) 構(gòu)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。


為更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖(都未按比例繪制)描述優(yōu)選實(shí)施例，這些 實(shí)施例只為了舉例而不解釋為限制，其中圖1示出了用CNT作為場(chǎng)致發(fā)射器的已知的Spindt型冷陰極三極管的示意性截 面圖，并突出了寄生電容；圖2是根據(jù)本發(fā)明的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的示意性俯視圖；圖3是圖2所示的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的示意性立體分解圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的截面圖；圖5a_5f是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的制造高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的陰極結(jié) 構(gòu)的方法的連續(xù)步驟中半導(dǎo)體晶片的立體圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的截面圖；圖7是圖6所示的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的一種變型；圖8是根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件陣列的示意性 俯視圖。
具體實(shí)施例方式后面提供的討論能夠使本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施和使用本發(fā)明。對(duì)各種實(shí)施方式提出 的改進(jìn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的，且在不背離本發(fā)明的精神或保護(hù)范圍的前提 下，本文的一般原理可以應(yīng)用于其他實(shí)施方式和應(yīng)用。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)被理解為僅限于 所描述和說(shuō)明的實(shí)施方式，而是其必須被賦予與本文中提出的且在所附權(quán)利要求書(shū)中限定 的原理和特征一致的最寬的保護(hù)范圍。圖2和圖3分別示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻三極管型 場(chǎng)致發(fā)射器件11的示意性俯視圖和立體分解圖，并限定為具有“橫桿結(jié)構(gòu)”，而圖4示出了 根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11的截面圖。詳細(xì)地，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11包括集成有 陰極電極12和控制柵(或控制柵極)電極13的多層結(jié)構(gòu)；陽(yáng)極電極14，使用真空粘合技 術(shù)借助于側(cè)面隔板15粘合至該多層結(jié)構(gòu)來(lái)保持它們之間的電隔離。更詳細(xì)地，陰極電極12設(shè)置在襯底上，具體地多層襯底16，多層襯底16包括厚
6絕緣層16c，用作整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐；導(dǎo)電層16a，由硅或其他半導(dǎo)體或?qū)щ姴牧蠘?gòu)成，用作器 件的接地層；以及覆蓋絕緣層16b，例如由二氧化硅構(gòu)成。陰極電極12包括陰極導(dǎo)線12a和 陰極端子12b，后者具有完整的圓盤(pán)形狀。陰極導(dǎo)線12a具有主延伸方向沿第一方向χ的條 狀形狀，通向陰極端子12b，并穿過(guò)它沿第一方向χ從其相對(duì)部分伸出；陰極導(dǎo)線12a以陰 極端子12b為中心。絕緣區(qū)17，具有環(huán)面形狀，設(shè)置在多層襯底16和陰極電極12上，并限定了穿過(guò)其 形成的第一凹槽18，以露出陰極端子12b的上表面。Spindt型發(fā)射尖端19 (為簡(jiǎn)化示圖， 圖2-4中僅示出其中一個(gè)尖端)，具體地CNT，設(shè)置在第一凹槽18內(nèi)露出的陰極電極12b的 上表面上?？刂茤烹姌O13設(shè)置在陰極電極12上方，并部分地與陰極電極12重疊，具體地，其 與陰極導(dǎo)線12a在器件的三極管區(qū)(如先前限定地位于并緊密環(huán)繞發(fā)射尖端19和第一凹 槽18的區(qū)域，在其中產(chǎn)生并收集電子)Ila處重疊?？刂茤烹姌O13包括柵極導(dǎo)線13a和柵 極端子13b，后者具有帶有內(nèi)半徑的環(huán)或者環(huán)面形狀，S卩，例如內(nèi)半徑等于陰極端子12b的 半徑。柵極導(dǎo)線13a具有主延伸方向沿第二方向y的條狀形狀，并通向柵極端子13b，沿第 二方向y從其相對(duì)部分伸出而不穿過(guò)柵極端子13b ；柵極導(dǎo)線13a以柵極端子13b為中心。 具體地，第一和第二方向X，y限定了位于平行面上的斜線，并且以非零角度定向第二方向 y，具體地，與第一方向χ成120° (或者是60°，如果考慮到補(bǔ)角)角(兩條線之間的角限 定為在空間中平行于它們并經(jīng)過(guò)同一點(diǎn)的任意兩條線之間的任意一個(gè)角)。陽(yáng)極電極14設(shè)置在陰極電極12和控制柵電極13上方，部分地與它們重疊，具體 地，在三極管區(qū)Ila處。陽(yáng)極電極14形成絕緣襯底20上，絕緣襯底20借助于側(cè)面隔板15 的插入粘合至與集成有陰極和控制柵電極的多層結(jié)構(gòu)。具體地，側(cè)面隔板15具有環(huán)面形 狀，在內(nèi)部限定了與第一凹槽18相等的第二凹槽21，并朝向柵極端子13b的內(nèi)孔和相同的 第一凹槽18，允許所產(chǎn)生的電極流向陽(yáng)極電極14。更詳細(xì)地，陽(yáng)極電極14包括陽(yáng)極導(dǎo)線14a和陽(yáng)極端子14b，后者具有半徑與陰極端 子12b半徑相等的完整的圓盤(pán)形狀。陽(yáng)極導(dǎo)線14a具有主延伸方向沿第三方向ζ的條狀形 狀，并且沿第三方向ζ從陽(yáng)極端子14b的相對(duì)部分伸出，以陽(yáng)極端子14b為中心。具體地， 第二和第三方向y、ζ是位于平行面上的斜線，并且以非零角度定向第三方向z，具體地，與 第二方向y成120° (或60°，如果再次考慮補(bǔ)角)角。因此，第一、第二和第三方向x、y、 ζ中的每一個(gè)通過(guò)與其它任意一個(gè)方向成60° (120° )角來(lái)確向。根據(jù)上述描述，其遵循三極管器件不同導(dǎo)電區(qū)域(即，陰極、控制柵和陽(yáng)極電 極12、13、14)之間的重疊被限制在其三極管區(qū)11a，在此處產(chǎn)生電子并將其從陰極端子 12b(和發(fā)射尖端19)發(fā)送至陽(yáng)極端子14b。具體地，由于結(jié)構(gòu)的空間朝向，該重疊被限制在 陰極和陽(yáng)極端子12b、14b (全部重疊)，并在柵極端子13b與陰極和陽(yáng)極導(dǎo)線12a、14a之間 部分重疊。有利地，陰極、柵極和陽(yáng)極導(dǎo)線12a、13a、14a互不重疊。圖5a_5f (其中，相同的參考標(biāo)號(hào)表示前述的同一元件)示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí) 施例的制造集成有高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11的陰極和控制柵電極的多層結(jié)構(gòu)的方法 的連續(xù)步驟。詳細(xì)地，如圖5a所示，該方法的初始步驟，設(shè)置多層襯底16，通過(guò)在導(dǎo)電層16a上 沉積或氧化形成絕緣層16b(例如，4-μπι氧化層)，導(dǎo)電層16a由硅構(gòu)成并具有2μπι到ΙΟμπι范圍的厚度(導(dǎo)電層16a用作器件的接地層)；在厚絕緣層16c(由二氧化硅或石英 構(gòu)成)上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電層16a。接下來(lái)，如圖5b所示，例如通過(guò)沉積在絕緣層16b上形成第一金屬層；在第一金屬 層上限定光阻圖案(未示出)，并且對(duì)同一層進(jìn)行蝕刻，以限定具有條狀陰極導(dǎo)線12a和盤(pán) 狀陰極端子12b的、連接至導(dǎo)線的陰極電極12。使用已知技術(shù)，例如電子束光刻，在多層襯底16上對(duì)齊光阻圖案(未示出)，并且 例如通過(guò)濺射來(lái)沉積催化劑膜(Fe或Ni)，然后將其卸下(lift-off)，以在陰極端子12b上 (具體地，在其中心部分)僅留下催化劑區(qū)24。催化劑膜的厚度在幾十納米范圍內(nèi)(例如 5_50nm)。使用進(jìn)一步的對(duì)齊，如圖5d所示，例如通過(guò)濺射來(lái)沉積絕緣層，然后將其卸下，以 形成具有環(huán)繞催化劑區(qū)24的環(huán)面形狀的絕緣區(qū)17。將絕緣區(qū)17設(shè)計(jì)為使陰極導(dǎo)線12a與 控制柵端子絕緣。絕緣層由厚度在微米范圍內(nèi)的氧化硅構(gòu)成。再次使用合適的對(duì)齊，沉積具有約IOOnm厚度的例如鈮的第二金屬層(未示出)， 然后將其卸下，以限定控制柵電極13 (圖5e)。具體地，控制柵電極13包括相對(duì)于陰極導(dǎo)線 12a以非零角度傾斜的柵極導(dǎo)線13a，和具有以?xún)?nèi)開(kāi)口面向催化劑區(qū)24的環(huán)面形狀的柵極 端子13b。然后，在柵電極13上執(zhí)行陽(yáng)極氧化處理，以降低電流損耗并在接下來(lái)的CNT合成 過(guò)程中保護(hù)該柵電極。接下來(lái)，如圖5f所示，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行CNT合成以獲得(以本身已知的方式)Spindt 型發(fā)射尖端19 ；具體地，CNT作為場(chǎng)致發(fā)射器形成在催化劑區(qū)24上。然后，將如上所述地形成的多層結(jié)構(gòu)和陽(yáng)極電極14對(duì)齊(考慮到期望的相互朝 向)并借助于側(cè)面隔板15的插入粘合在一起，以在它們之間建立真空。具體地，首先在絕 緣襯底20(例如由玻璃或二氧化硅構(gòu)成)上形成陽(yáng)極電極14，使用普通的圖案化技術(shù)，然后 使用諸如陽(yáng)極粘合、玻璃粉(glass frit)粘合、共熔粘合、焊接接合、反應(yīng)性粘合或者熔接 粘合的標(biāo)準(zhǔn)晶片間真空粘合技術(shù)將絕緣襯底20與多層結(jié)構(gòu)粘合在一起?？紤]到高質(zhì)量真空對(duì)于確保高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11的可靠工作有利，所 描述的方法的變型(圖中未示出)可構(gòu)思形成包括諸如Ba、Al、Ti、Zr、V、Fe的合適的 反應(yīng)性材料的區(qū)域，通常被認(rèn)為是吸氣區(qū)(getter region)。當(dāng)適當(dāng)激活時(shí)，吸氣區(qū)可允 許捕獲粘合過(guò)程中所釋放的分子。對(duì)于使用吸氣材料改善真空粘合的詳細(xì)描述，可參考 《IEEE高級(jí)封裝匯刊》2003年8月第26卷第3號(hào)的第277-282頁(yè)由Douglas R. Sparks、 S. Massoud-Ansari和Nader Najafi發(fā)表的《使用NanoGetters的微型機(jī)械的芯片級(jí)真空封 裝》，和《微型機(jī)械與微型工程學(xué)報(bào)》2004年第14卷的第687-692頁(yè)由Yufeng Jin,Zhenfeng Wang、Lei Zhao、peck Cheng Lim、Jun Wei 和 Ehee Khuen Wong 發(fā)表的《MEMS 真空封裝的 &/V/Fe薄膜》。例如，以未示出的方法，可以靠近第二凹槽21內(nèi)部的陽(yáng)極電極14形成該吸 氣區(qū)(設(shè)置側(cè)面隔板15以便為吸氣區(qū)的形成留出空間)。根據(jù)高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11的第二實(shí)施例，控制柵電極13與陽(yáng)極電極 14集成在一起，與之形成多層結(jié)構(gòu)，而不是與陰極電極12集成。該不同結(jié)構(gòu)具有某些具 體的優(yōu)點(diǎn)，如以同一申請(qǐng)人的名義于2006年12月29日提交的共同未決專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/ IT2006/000883中詳細(xì)描述的，具體地，能夠預(yù)防控制柵電極13和發(fā)射尖端19之間發(fā)生短 路，并進(jìn)一步降低寄生電容值。如前面詳細(xì)討論的那樣，陰極、控制柵極和陽(yáng)極電極12、13、14的相互空間設(shè)置不變，從而相互重疊始終限于三極管區(qū)11a。由于通過(guò)對(duì)所描述的第一 實(shí)施例中的制造方法進(jìn)行簡(jiǎn)單修改即可實(shí)現(xiàn)第二實(shí)施例，所以不再描述相關(guān)制造方法。詳細(xì)地，如圖6所示，在該實(shí)例中，陽(yáng)極電極14形成在多層襯底16上，該襯底又包 括厚絕緣層16c、用作裝置的接地層的傳導(dǎo)層16a、以及與陽(yáng)極電極14接觸的疊置絕緣層 16b。絕緣區(qū)17設(shè)置在多層襯底16和陽(yáng)極電極14上，并限定了第一凹槽18，露出陽(yáng)極端 子14b的上表面?？刂茤烹姌O13設(shè)置在絕緣區(qū)17上，柵極端子13b的內(nèi)開(kāi)口朝向第一凹 槽18。在絕緣襯底20上形成陰極電極12的圖案，并且在陰極端子12b的露出的上表面 上形成發(fā)射尖端19。然后，將陰極電極12和絕緣襯底20借助于側(cè)面隔板15粘合到集成有 控制柵和陽(yáng)極電極13、14的多層結(jié)構(gòu)，保持它們之間的電隔離。如圖7所示，該第二實(shí)施例的合理變型，可使接地層(導(dǎo)電層16a)與絕緣襯底20 相連接；在該實(shí)例中，在由形成于導(dǎo)電層16a上的絕緣襯底20構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)上形成陰極 電極12的圖案。而控制柵電極13集成的陽(yáng)極電極14形成在絕緣層16b上。圖8示出了本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例，構(gòu)思形成具有前述的“橫桿結(jié)構(gòu)”的大量高頻 三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11的陣列25。詳細(xì)地，陣列25的高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11沿第一、第二和第三方向x、y、z 對(duì)齊。陣列25中的每個(gè)高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11與其它器件共享其陰極、柵極和陽(yáng) 極導(dǎo)線12a、13a、14a，通過(guò)上述導(dǎo)線其分別沿第一、第二和第三方向x、y、ζ對(duì)齊。從而，沿 第一、第二或第三方向?qū)R的器件共享公共導(dǎo)線，具體地，指向該方向的陰極、柵極或者陽(yáng) 極導(dǎo)線12a、13a、14a ；因此，高頻三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件11以六角形柵格排列，提供規(guī)則、 合理以及緊湊的面積占用。通過(guò)前述，根據(jù)本發(fā)明的三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的優(yōu)點(diǎn)變得清楚明確。具體地，構(gòu)思的橫桿結(jié)構(gòu)允許大幅降低寄生電容效應(yīng)，并將器件的工作頻帶確實(shí) 擴(kuò)展至太赫頻率范圍。這主要是由于不同金屬表面(柵極、陰極和陽(yáng)極電極)之間的重疊 被限制在器件的三極管區(qū)，而在三極管區(qū)外部，這些表面之間(具體地，在各種導(dǎo)線之間) 不重疊。因此，總寄生電容值大幅降低。通過(guò)考慮常用表達(dá)式，可以簡(jiǎn)單估計(jì)達(dá)到至少1太赫的截止頻率的最大重疊面 積，具體地，考慮陰極和柵極端子12b、13b之間的距離為2μπι，可估計(jì)出產(chǎn)生1太赫的截止 頻率所需要的最大重疊面積為20. OOOnm2。通過(guò)使用半徑在0. 5 μ m范圍內(nèi)的陽(yáng)極和陰極的 圓形區(qū)域，具有例如0. Ιμπι截面的陰極、柵極和陽(yáng)極導(dǎo)線12a、13a、14a，可以容易地實(shí)現(xiàn)具 有該值的面積。利用這種設(shè)置，估計(jì)出的寄生電容在ICT18F范圍內(nèi)，因此考慮跨導(dǎo)gm的值在 0. 1-50 μ S范圍內(nèi)并且直流增益在1-500范圍內(nèi)(例如參見(jiàn)《電子學(xué)快報(bào)》2006年第42 卷第 4 號(hào)由 W. P. Kang, Y. M. Wong、J. L. Davidson、D. V. Kerns、B. K. Choi、J. H. Huang 和 K. F. Galloway發(fā)表的《碳納米管真空?qǐng)鲋掳l(fā)射差分放大整合電路》，以及《金剛石及相關(guān)材 14))2006 年第 15 卷第 1990-1993 頁(yè)由 Y. M. Wong,W. P. Kang, J. L. Davidson 和 J. H. Huang 發(fā) 表的《碳納米管場(chǎng)致發(fā)射整合三極管放大陣列》)，截止頻率在太赫范圍內(nèi)。此外，由于降低了寄生電容，所描述的橫桿結(jié)構(gòu)非常適合于太赫頻率范圍內(nèi)的場(chǎng) 致發(fā)射器件的大型陣列集成。具體地，陰極、柵極和陽(yáng)極電極12、13、14的導(dǎo)線的所選方向，
9具體地120°傾角，允許實(shí)現(xiàn)非常有限的重疊面積，加之合理的陣列集成和降低的面積占 用，因此其是顯著有利的。所提出的結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)很好地適于CNT SPindt冷陰極，因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用適當(dāng)圖案化的 催化劑，可以在明確限定的位置處生長(zhǎng)CNT。此外，可證明將陽(yáng)極和控制柵電極集成在同一結(jié)構(gòu)中(如圖6和7所示)是顯著 有利的，以進(jìn)一步提高三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件的電性能。最后，如所附權(quán)利要求中所限定的，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件進(jìn)行 的多種修改和變型，全部落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。具體地，可構(gòu)思制造方法的初始步驟提供SOI (絕緣體上硅結(jié)構(gòu)，Silicon on Insulator)多層襯底；在這種情況下，可以通過(guò)對(duì)SOI襯底的硅有源層進(jìn)行圖案化來(lái)形成 陰極電極12 (根據(jù)第一實(shí)施例)、或者陽(yáng)極電極14 (根據(jù)第二實(shí)施例)，無(wú)需沉積和蝕刻另 外的金屬層。已經(jīng)確實(shí)證明SOI襯底適合于碳納米管的合成。此外，控制柵電極13的內(nèi)部垂直側(cè)可與絕緣區(qū)17的內(nèi)部垂直側(cè)隔開(kāi)(因此控制 柵電極13的內(nèi)半徑大于陰極和陽(yáng)極端子12b、14b的半徑)，以在粘合過(guò)程中被側(cè)面隔板15 所覆蓋；該技術(shù)方案允許泄漏電流降低。對(duì)應(yīng)于圖7的變型，還可構(gòu)思圖4的一種變型，使導(dǎo)電層16a(接地層)接合至絕 緣襯底20而不是接合至絕緣層16b。因此，容易理解，器件各層的厚和制造方法的各步驟僅是指示性的，可以根據(jù)具體 需要而進(jìn)行改變。具體地，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，已經(jīng)參考單個(gè)陰極結(jié)構(gòu)的制造描述了制造方法；然 而，陰極結(jié)構(gòu)陣列的制造僅需要使用改良的光刻掩膜，重復(fù)同樣基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件(11)，具體用于高頻應(yīng)用，包括陰極電極(12)，與所述陰極電極(12)隔開(kāi)的陽(yáng)極電極(14)，設(shè)置在所述陽(yáng)極電極(14)和所述陰極電極(12)之間的控制柵電極(13)，以及至少一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)；所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)在三極管區(qū)(11a)中的場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)處重疊，與所述場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)共同作用，以在所述三極管區(qū)中產(chǎn)生電子束；其特征在于，所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)在所述三極管區(qū)(11a)外部不重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所 述陽(yáng)極電極(14)中的每一個(gè)具有沿各條線(X，y，ζ)的主延伸方向；所述各條線(X，y，ζ) 中的每一條相對(duì)于其余線中的每一條以非零角度傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述角度約為60°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的器件，其中，所述陰極電極(12)、所述控制柵電 極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)包括設(shè)置在所述三極管區(qū)(Ila)的各端子(12b，13b，14b)， 以及從所述各端子延伸至所述三極管區(qū)(Ila)外部的偏壓區(qū)(lib)的各導(dǎo)線(12a，13a， 14a)，用于傳導(dǎo)所述各端子的電信號(hào)；相互設(shè)置所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13) 和所述陽(yáng)極電極(14)的導(dǎo)線(12a，13a，14a)使它們不重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中，所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所 述陽(yáng)極電極(14)的所述導(dǎo)線(12a，13a，14a)沿各條線(x，y，ζ)延伸；所述各條線(x，y， ζ)中的每一條相對(duì)于其余線中的每一條以非零角度傾斜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其中，所述角度約為60°。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的器件，其中，所述陰極電極(12)與所述陽(yáng)極電 極(14)的端子(12b，14b)在所述三極管區(qū)(Ila)重疊，所述控制柵電極(13)的端子與所 述陰極電極和所述陽(yáng)極電極的導(dǎo)線(12a，14a)在所述三極管區(qū)(Ila)部分重疊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中，所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所 述陽(yáng)極電極(14)的所述導(dǎo)線(12a，13a，14a)具有條狀形狀，連接到所述各端子(12b，13b， 14b)，并從所述各端子(12b，13b，14b)的相對(duì)部分沿各條線(x，y，z)伸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的器件，其中，所述陰極電極(12)的端子(12b)具有圓盤(pán) 形狀，并且所述場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)位于其頂上并與之歐姆接觸；所述控制柵電極(13)的端 子(13b)具有限定了朝向所述場(chǎng)致發(fā)射尖端開(kāi)口的凹槽(18)的環(huán)面形狀；所述陽(yáng)極電極 (14)的端子(14b)具有覆蓋所述凹槽(18)和場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)的盤(pán)狀形狀；所述控制柵 電極(13)的內(nèi)半徑不小于所述陰極電極和所述陽(yáng)極電極的半徑。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，還包括包括所述陰極電極(12)的陰極 結(jié)構(gòu)和包括所述陽(yáng)極電極(14)的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，所述陰極結(jié)構(gòu)和所述陽(yáng)極結(jié)構(gòu)分離地形成，并 借助于隔板(15)的插入粘合在一起；其中，所述控制柵電極(13)集成在所述陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中。
11.一種三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件(11)的陣列(25)，其特征在于，包括多個(gè)三極管型場(chǎng) 致發(fā)射器件(11)，每個(gè)都根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的陣列，其中，所述陰極電極(12)、控制柵電極(13)和陽(yáng)極 電極(14)具有沿各條線(x，y，z)的主延伸方向，并包括沿所述各條線設(shè)置的各導(dǎo)線(12a， 13a，14a)，其中，所述各條線(x，y，ζ)中的每一條相對(duì)于其余線中的每一條以非零角度傾斜；其中，所述三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件(11)沿所述各條線(χ，y, ζ)對(duì)齊，沿給定線對(duì)齊的 器件共享公共導(dǎo)線(12a，13a，14a)，具體地，沿所述給定線定向的所述陰極電極(12)、所述 控制柵電極(13)或所述陽(yáng)極電極(14)的導(dǎo)線。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的陣列，其中，所述三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件(11)以六角 形柵格排列。
14.一種制造三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件(11)的方法，具體用于高頻應(yīng)用，包括形成陰極 電極(12)、與陰極電極(12)隔開(kāi)的陽(yáng)極電極(14)、設(shè)置在所述陽(yáng)極電極(14)和所述陰極 電極(12)之間的控制柵電極(13)、以及至少一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)；形成所述陰極電極 (12)、所述控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)，以便在三極管區(qū)(Ila)中的所述場(chǎng)致發(fā) 射尖端(19)處重疊，與所述場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)共同作用，以在所述三極管區(qū)中產(chǎn)生電子 束，其特征在于，形成包括設(shè)置所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極 (14)，以便它們?cè)谒鋈龢O管區(qū)(Ila)外部不重疊。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，設(shè)置包括設(shè)置具有沿各條線(X，y,ζ)的主延 伸方向的所述陰極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)；所述各條線(X， 1，ζ)中的每一條線相對(duì)于其余線中的每一條以非零角度傾斜。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述角度約為60°。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，形成所述陰極電極(12)、所述 控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)包括在所述三極管區(qū)(Ila)形成其各端子(12b， 13b，14b)，并且其各導(dǎo)線(12a，13a，14a)從所述各端子延伸至所述三極管區(qū)(Ila)外部的 偏壓區(qū)(11b)，所述各導(dǎo)線用于傳導(dǎo)所述各端子的電信號(hào)；其中，設(shè)置包括相互設(shè)置所述陰 極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)的所述導(dǎo)線(12a，13a, 14a)，以使 它們不重疊。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，相互設(shè)置包括沿各條線(x，y，z)設(shè)置所述陰 極電極(12)、所述控制柵電極(13)和所述陽(yáng)極電極(14)的所述導(dǎo)線(12a，13a，14a)；所述 各條線(x，y，z)中的每一條相對(duì)于其余線中的每一條以非零角度傾斜。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述角度約為60°。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中，設(shè)置包括設(shè)置所述陰極電極 (12)和所述陽(yáng)極電極(14)的所述端子(12b，14b)，以便在所述三極管區(qū)(Ila)重疊，并且 設(shè)置所述控制柵電極(13)的端子，使其與所述陰極電極和所述陽(yáng)極電極的導(dǎo)線(12a，14a) 在所述三極管區(qū)部分地重疊。
21.根據(jù)權(quán)利要求14至20中任一項(xiàng)所述的方法，還包括在各絕緣襯底(20，16b)上 分離地形成陰極結(jié)構(gòu)和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，所述形成陰極結(jié)構(gòu)的步驟包括形成所述陰極電極(12)， 所述形成所述陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的步驟包括形成所述陽(yáng)極電極(14)；然后借助于隔板(15)的插入 將所述陰極結(jié)構(gòu)和陽(yáng)極結(jié)構(gòu)粘合在一起；其中，形成所述控制柵電極(13)包括將所述控制 柵電極(13)集成到所述陽(yáng)極結(jié)構(gòu)中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三極管型場(chǎng)致發(fā)射器件(11)，具體用于高頻應(yīng)用，具有陰極電極(12)、與陰極電極(12)隔開(kāi)的陽(yáng)極電極(14)、設(shè)置在陽(yáng)極電極(14)和陰極電極(12)之間的控制柵電極(13)、以及至少一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)；陰極電極(12)、控制柵電極(13)和陽(yáng)極電極(14)在三極管區(qū)(11a)中的場(chǎng)致發(fā)射尖端(19)處重疊并用于與場(chǎng)致發(fā)射尖端共同作用，以在三極管區(qū)中產(chǎn)生電子束。在三極管區(qū)(11a)外部，陰極電極(12)、控制柵電極(13)和陽(yáng)極電極(14)不重疊，并具有沿著各條線(x，y，z)的主延伸方向；各條線(x，y，z)中的每一條相對(duì)于其余線中的每一條以非零角度傾斜。
文檔編號(hào)H01J21/20GK101971285SQ200780102391
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者克勞迪奧·保羅尼, 埃萊奧諾拉·彼得羅拉蒂, 弗朗西斯卡·布魯內(nèi)蒂, 里卡爾多·里奇泰利, 阿爾多·迪卡洛 申請(qǐng)人:塞萊斯系統(tǒng)集成公司