多极场致电子发射器件及其制造方法

专利名称：多极场致电子发射器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种多极场致电子发射器件，该器件能够控制从冷阴极场致发射的电子。尤其是，它涉及一种多极场致电子发射器件，其中，输入信号电压和阳极电流成线性关系，该器件可用于诸如功率放大器、线性放大器和开关电路之类的装置中。
作为现有技术中的多极场致电子发射器件，有一种已在JournalofAppliedPhysics，Volume59，number2，pages164to169(1990)(应用物理杂志，1990年第59卷2号，第164至169页)中由〔Junji〕Ito发表。图33是现有技术中的多极场致电子发射器件的一个通用示图。
这被称为平面三极管器件。它有一个结构，其中，楔形发射极(阴极)102、柱形栅极103和阳极104依次被制备于石英基片101的表面上。这三个电极是利用光刻工艺形成一微米厚的钨薄膜而制成的。发射极102具有10微米的间距，发射尖端数量为170。发射极102和栅极103之间的距离为15微米。栅极103和阳极104之间的距离为10微米。
当在5×10-6Pa的真空中测量该三极管器件的电气特性时，发射极发射电流是Fowler Nordheim(F.N)隧道电流。当栅极电压是220V和阳极电压是318V时，得到的阳极电流大约为1.2mA。对于一个发射极，阳极电流量约为7μA。互导约为0.1μs。
但是，现有技术中的三极管器件存在很多问题，下面将讨论这些问题。即，从发射极102发射的电子，射向阳极104，然而，由于加有正偏压的栅极103位于这两电极之间，部分发射电子将流到栅极。因为栅极电流是等于或大于阳极电流，故栅极输入电阻是很小的。也就是说，流到阳极104的电子数额(阳极电流除以总发射电流)将减少，导致电气特性下降，因为诸如效率和互导之类的参数是低的。利用现有技术，该数额处于60%的水平。当控制具有低输入电阻的三极管器件的阳极电流时，为了把输入信号加到栅极103，需要一个驱动电路，该电路能够控制诸如大电流和大功率之类的参数。由于这种限制，难以利用现有技术中的三极管器件作为电流放大器和电源开关。
此外，发射极的发射电流是F.N隧道电流，它随栅极电压按指数关系增加或减少。结果，阳极电流随栅极输入信号按指数关系变化。具有非线性的输入与输出关系的三极管器件，不能应用到诸如线性放大器之类的装置中。
进一步，为了增大三极管器件的互导和改善其性能，需要修改栅极103的结构和增大发射极102的发射表面面积。但是，如果增大发射表面面积，也会增加流入栅极103的电子。结果是，利用现有技术，不能获得高性能的功率放大器。
阴极102和栅极103是在相同的光刻工艺中制备的。当光致抗蚀剂曝光时，这些电极之间的距离由分辨率决定。实际上，0.8微米是一个极限。而且，随加工几何尺寸变小，偏差增大。该场致电子发射器件的电子发射的阈值电压和该电压的均匀性，大大地依赖于阴极102和栅极103之间的距离。结果，难以减小现有技术中的三极管器件的阈值电压。即使阈值电压得以减小，仍存在均匀性差的问题。
场致电子发射器件的阈值电压大大地依赖于阴极102尖端的曲率半径。即，尖端曲率半径越小，阈值电压越低。为了获得一个实用的阈值电压，希望有一个1000 或更小的尖端曲率半径。然而，采用现有技术，由于光致抗蚀剂的渗透，极限是2000 。因而一个实用的尖端曲率半径的制备是困难的。
因此，本发明的提出原因是要克服现有技术中存在的问题。其发明目的是提供一种高性能的多极场致电子发射器件，该器件具有大的栅极输入电阻、线性的输入与输出关系，以及大的互导，并提供一种该多极场致电子发射器件的制造方法。
本发明的多极场致电子发射器件的特征是，其至少包括一个根据场效应发射电子的阴极，一个把电场加到前述阴极的栅极，一个收集发射电子的阳极，以及一个位于前述阴极和前述阳极之间的控制电极，它控制前述的发射电子。本发明的另一个特征是，其至少备有一个岛状绝缘层，该层在一绝缘平基片的表面上形成;一个阴极，它具有从前述岛状绝缘层伸出的发射尖端;一个在前述平基片表面上形成的栅极，它通常垂直于前述发射尖端的邻近部分;一个在前述平基片表面上形成的阳极;以及一个位于前述平基片表面上的控制电极，它位于前述栅极和前述阳极之间。
此外，本发明的多极场致电子发射器件的特征是，其包括一个屏蔽电极，它在前述控制电极和前述阳极之间形成，并静电屏蔽前述控制电极和前述阳极;以及一个抑制电极，它形成于前述屏蔽电极和前述阳极之间，并控制前述阳极的二次电子。
本发明的场致电子发射器件的制造方法包括一个制造阴极的工艺，该阴极有一个几乎与平基片表面平行伸出的发射尖端，该工艺至少包含在前述的平基片表面上淀积和形成一个蚀刻掩模层，在前述的蚀刻掩模层上淀积和形成一个阴极，以及在前述的阴极表面上淀积和形成一个蚀刻钝化层的工序;处理前述的蚀刻掩模层形成一个发射尖端的蚀刻掩模的工序;按照前述蚀刻掩模的形状形成所述的阴极层，从而形成具有发射尖端的阴极的工序。
此外，本发明的场致电子发射器件的制造方法至少包括在平基片表面上形成蚀刻掩模层的工序;在前述蚀刻掩模层表面上形成阴极层的工序;在前述阴极层表面上形成抗蚀剂层的工序;按前述抗蚀剂层表面的形状处理前述阴极层的工序;利用过蚀刻方法处理前述蚀刻掩模层形成蚀刻掩模的工序;从阴极的较低周边除去前述的蚀刻掩模形成檐形阴极的工序;利用定向粒子淀积形成栅极层的工序;以及处理前述栅极层形成栅极的工序。
本发明的多极场致电子发射器件包括一个在绝缘层上形成的阴极，该绝缘层位于一绝缘平基片的表面上，该阴极具有多个从所述绝缘层伸出的尖端;一个在所述平基片表面上形成并收集发射电子的阳极;一个在所述阴极和所述阳极之间形成的栅极，它至少在相应于所述发射尖端的一个位置有一开口;以及一个在所述栅极和所述阳极之间形成的控制电极。
本发明的多极场致电子发射器件或许至少包括一个根据场效应发射电子的阴极;一个把电场加至前述阴极的栅极;一个收集发射电子的阳极;以及一个位于前述阴极和前述阳极之间的控制电极，它控制前述的发射电子。除了前述的阴极、栅极、控制电极和阳极之外，它还包括〔另〕一个控制电极，其位于前述控制电极和前述阳极之间;一个静电屏蔽前述阳极的屏蔽电极;以及一个在前述屏蔽电极和前述阳极之间形成的抑制电极，其控制前述阳极的二次电子。
本发明的阴极形成于绝缘层的表面上，该绝缘层形成于绝缘平基片的表面上，该阴极具有从前述绝缘层伸出的发射尖端，与发射尖端的形状相应，绝缘层形成为岛状。栅极层中的开口用于使阳极有效地收集从阴极发射的电子。例如，若开口是环形的并在形成于尖端的对应位置，那么流到栅极的电子数量会显著地减少，栅极输入电阻会变得很高。作为发射电流流至环形开口内的结果，栅极电流和控制电流将减小，寄生电流也将减小。
下面描述本发明的实施例。图1是四极场致电子发射器件的一部分的剖视面。该器件中的栅极5和控制电极6是由厚度为1000 的钼薄膜制成的，它们位于由石英制成的平基片1的表面上。有一个岛状绝缘层2，其厚度为5000 ，由二氧化硅制成，并邻近栅极5和控制电极6。在岛状绝缘层2的表面上，邻近栅极5的电极是阴极3，该阴极厚2000 ，并具有伸出的发射尖端4。在岛状绝缘层2的表面上，靠近控制电极6的电极是阳极7，其厚度为2000 。
阴极3的结构是这样的淀积的第一阴极层(3a)为厚度是1000 的钨(W)膜，淀积的第二阴极层(3b)为厚度是1000 的钼(Mo)膜。与阴极3相似，阳极7的结构是，淀积有第一阳极层(7a)和第二阳极层(7b)。这四个电极，即阴极3、栅极5、控制电极6和阳极7，依次排列于平基片1的表面上。
阴极3包括多个发射尖端4，它们以5微米的间距排成一行。如此构成发射尖端4，即，使它们沿着与栅极5平行的方向伸出，栅极5位于平基片1的表面上。如此配置岛状绝缘层2，使之在发射尖端顶尖附近不存在。发射尖端4的水平方向的尖端曲率半径是大约400 。
如此形成栅极5，使它自行对准阴极3，并在发射尖端4的较低的纵向部分具有一个与发射尖端4几乎相同形状的凸出区域。栅极5和发射尖端4之间的距离(Lgk)由岛状绝缘层2和栅极层5的膜厚决定。它是岛状绝缘层2的膜厚减去栅极层5的膜厚所得的值(Lgk＝4000 )。根据构成薄膜的最新方法，膜厚控制是很好的。因此，该器件的Lgk的可控性、重复性和均匀性是很好的。
在发射尖端4的顶尖附近，栅极5的宽度大约是2微米。栅极5与控制电极6之间的距离(间隔)是4微米。控制电极6的宽度是8微米。控制电极6和阳极7之间的距离(间隔)约为10微米。栅极5的宽度越小，栅极电流越小，效率越好。此外，阳极7的宽度和表面积越大，电子产额越高。控制电极的宽度越大，互导越大，阳极电流的可控性越大。然而，由于流入控制电极6的电子(控制电流)数量增加，控制电极的宽度应由这些参数之间的平衡决定。理想的尺寸范围是控制电极6的宽度大于栅极5的宽度，但小于阳极7的宽度。为了增加放大系数(μ＝CCG/CAG，其中CCG是栅极5与控制电极6之间的电容，CAG是栅极5与阳极7之间的电容)，就意味着要减小控制电极6的宽度和增加控制电极6与阳极7之间的间隔。
图2说明图1所示的本实施例的四极场致电子发射器件的制造工艺。这是在完成主要结构性制造工艺后的状态的常规纵向剖视面。图2(A)表示的该器件的状态是在平基片1的表面依次分别淀积了绝缘层8、阴极9和蚀刻钝化层10，并已形成了光致抗蚀剂层11。平基片1是一个绝缘的石英基片。绝缘层8、阴极9和蚀刻钝化层10是利用溅射淀积方法依次淀积而成的。绝缘层8、阴极9和蚀刻钝化层10分别由厚度为5000 的二氧化硅薄膜、厚度为1000 的钨薄膜和厚度为2000 的二氧化硅薄膜组成。在阴极3和阳极7构形后，使光致抗蚀剂层11构图。
图2(B)为通过过蚀刻钝化层10制成蚀刻掩模后的该器件的剖视图。过蚀刻方法是利用HF(氢氟酸)型蚀刻溶液选择性地蚀刻蚀刻钝化层10，使所蚀刻掉的蚀刻钝化层10比由光致抗蚀剂层11所限定的区域还要多。通过将钝化层10从外向内蚀刻得比光致抗蚀剂层11上面的与发射尖端4相对应的区域的曲率半径更多，可以获得具有小曲率半径的发射尖端4的蚀刻掩模12。在本实施例中，光致抗蚀剂层11的曲率半径是3000 。因此，所产生的5000 过蚀刻，可获得具有300 的顶尖曲率半径的蚀刻掩模12。
图2(C)是制成阴极层9并形成第一阴极层(3a)和第一阳极层(7a)后的该器件的剖面图。在去除光致抗蚀剂层11后，具有尖锐的发射尖端的掩模12被用于制造阴极层9。利用干蚀刻法制备阴极层9。在CF4/O2＝60/120气流比率的气氛下，施加700瓦射频功率，干蚀刻5分钟。在这段时间内阴极9被过蚀刻，从而得到第一阴极层(3a)，它具有顶尖曲率半径为300 的尖锐的发射尖端。
图2(D)是该器件的一个剖面图，此时，已部分地去除绝缘层8，形成岛状绝缘层2，并暴露出发射尖端4。利用第一阴极层(3a)和第一阳极层(7a)作为蚀刻掩模，用HF蚀刻溶液去除绝缘层8的不需要的部分，形成岛状绝缘层2。在这段时间，发射尖端4如此暴露出来，即它们从岛状绝缘层2伸出。然后，去除蚀刻掩模12，因为平基片由石英制成，故它几乎没有被蚀刻。
图2(E)是该器件的一个剖面图，此时，利用定向粒子淀积的方法已经形成栅极层13。利用溅射作为定向粒子淀积方法，淀积1000 厚的钼(Mo)薄膜层形成栅极层13。定向粒子淀积方法是沿几乎垂直的方向从粒子源射出粒子并将这些粒子淀积在平基片1的表面上。使用这种方法时，伸出的部分，例如，发射尖端4，成为一个盖，使得淀积在第一阴极层(3a)顶部的钼薄膜层131，淀积在第一阳极层(7a)表面上的钼薄膜层132和淀积在平基片1表面上的栅极层13全部被电气隔离。此外，发射尖端4和与这些尖端有相同形状的伸出部分被如此制备，即它们与发射尖端4的较低的纵向部分自行对准(即使一个电极的位置未校准，另一个电极可如此制备，即，使它的位置与(上述)那一个位置相对应)。可以采用汽相淀积、溅射、电子回旋共振(ECR)、等离子淀积和聚集的离子束作为定向粒子淀积方法。
图2(F)是该器件的一个剖面图，此时，已经去除栅极13、钼薄膜层131和132，并且已经制成第二阴极层(3b)、栅极5、控制电极6和第二阳极层(7b)。利用光刻技术和用光致抗蚀剂覆盖发射尖端4的伸出部分和栅极5之后，采用干蚀刻法蚀刻钼薄膜。
一个制成的多极场致电子发射器件的阴极3的发射尖端4的顶尖曲率半径是400 。这是因为淀积了第二阴极层(3b)，使第一阴极层(3a)有更好的圆度。然而，此圆度引起电场中的发射尖端4的表面积扩大，使得有可能获得大量的和稳定的电子发射。通常，在第一阴极层(3a)和第二阴极层(3b)使用不同材料的情况下，如果第一阴极层(3a)或第二阴极层(3b)的发射尖端4部分被蚀刻掉，则发射尖端4将变薄，并且膜厚方向顶尖曲率半径将变小，使得有可能得到具有低阈值电压的多极场致电子发射器件。
如果阴极和栅极之间的距离被均匀地缩短，并且将发射尖端的顶尖曲率半径做小，阈值电压将会降低。下面将利用三极场致电子发射器件描述这种情况下的制造工艺。
图3是利用这种制造工艺制成的三极场致电子发射器件的立体视图。该器件的主要元件是平基片1;岛状绝缘层202;阴极203，它具有从其表面上伸出的发射尖端4;栅极205，它以与发射尖端4自行对准的方式形成;以及在平基片1表面上形成的阳极7。在岛状绝缘层202周围，特别是在平基片1上栅极205的附近是斜面213。斜面213有降低位置的优点，在此位置，从发射尖端4发射的电子流到栅极205，并且还可改善场致电子发射器件的效率。
该场致电子发射器件有100个发射尖端，它们有5微米的间距并被排成一行。发射尖端4的顶尖曲率半径是400 。阴极203和栅极205之间的距离(LGK)是4000 。在发射尖端(4)的顶尖处，栅极205的宽度是2微米。阴极203和阳极7之间的距离(LGK)大约是10微米。平基片1由＃7059玻璃基片(Corning公司制造)制成。岛状绝缘层202由5000 厚的二氧化硅薄膜制成，第一阴极层(203a)由1000 厚的钼(Mo)薄膜制成。第二阴极层(203b)、栅极205和阳极7都是由2000 厚的钽(Ta)薄膜制成。斜面213的角度大约为10度。
图4(A)-4(F)是平基片1的剖面图，它示出图3所示的场致电子发射器件的制造工艺的各主要步骤完成时的状态。图5(A)-5(C)分别是与图4(B)、4(D)和4(E)相对应的平基片1的示意图。下面将描述本实施例的场致电子发射器件的制造方法。
首先，在平基片1表面上形成绝缘层8和阴极层9作为蚀刻层。此后，形成抗蚀剂层11(图4(A))。平基片1是一个具有绝缘特性的＃7059玻璃基片。绝缘层8是5000 厚的二氧化硅薄膜，它是由大气压强的CVD形成的。阴极层9是一个厚度为1000 的钼(Mo)薄膜，它由溅射形成。通常根据阴极203的形状并利用光刻方法形成抗蚀剂层11。
下一步，按照抗蚀剂层11的形状加工阴极层9，形成暂时的阴极层91(图4(B)和图5(A))。借于使用CF4气体的干蚀刻方法，蚀刻钼薄膜的阴极层9。抗蚀剂层的尖端11a有一个7000 的尖端曲率半径，它与暂时的阴极91的曲率半径相同。
下一步，借助于过蚀刻绝缘层8(图4(C))，形成蚀刻掩模层81。过蚀刻是这样一种方法，采用各向同性蚀刻方式，在暂时阴极91中所规定的区域内，深深地去除绝缘层8。因为采用各向同性蚀刻手段，从外围向内以等速率蚀刻暂时的阴极91，所以该凸出区域有一个尖锐的形状。结果是，有这样一个特征，即，在该凸出的区域，过蚀刻技术提供一个小的尖端曲率半径。
使用HF型蚀刻溶液作为各向同性蚀刻手段，过蚀刻绝缘层8的二氧化硅薄膜。当把暂时阴极的外周边向内蚀刻1.5微米时，形成倒锥形蚀刻掩模81，它有一个具有300 的顶尖曲率半径的伸出部分。与暂时阴极的7000 的尖端曲率半径相比，在锐度方向实现了20倍增长。在该工艺中，蚀刻平基片1的表面形成围绕蚀刻掩模81的斜面213。绝缘层8的蚀刻速度比平基片1的蚀刻速度快5倍。在发射尖端4的底部形成的斜面213的斜度约为10度。
下一步，把暂时阴极91蚀刻成蚀刻掩模81的形状，形成第一阴极(203a)(图4(D)和图5(B))。当从背面蚀刻时，为了保护，用抗蚀剂层11覆盖暂时阴极91的表面，形成具有与蚀刻掩模81相同的平面形状的第一阴极(203a)。第一阴极层(203a)的发射尖端4的顶尖曲率半径约为300 。
下一步，蚀刻掉蚀刻掩模81的各侧面，形成岛状绝缘层202，并去除抗蚀剂层11(图4(E)和图5(C))。去除蚀刻掩模81侧面的0.7微米厚度，形成檐形第一阴极(203a)，并暴露出突出的发射尖端4。
最后，利用定向粒子淀积形成钽(Ta)电极层后，蚀刻钽层形成第二阴极(203b)、栅极205和阳极7(图4(F))。利用溅射实现定向粒子淀积，形成栅极205，该栅极是由2000 厚的Ta薄膜制成的。利用定向粒子淀积时，伸出的部分，例如，发射尖端4，成为一个盖，这样在第一阴极(203a)表面上淀积的第二阴极(203b)和在平基片1表面上淀积的栅极205，成为电气隔离的。
与发射尖端4有相同形状的伸出部分如此构造，使它和发射尖端4自行对准。溅射、汽相淀积、ECR(电子回旋共振)、等离子淀积和聚集离子束方法是可用的定向粒子淀积方法中的一些方法。借助于干蚀刻方法加工钽(Ta)薄膜电极层，形成栅极205和阳极7。此时，重要的是用光致抗蚀剂覆盖该层，以使伸出的部分不被侵蚀。阴极层203是第一阴极(203a)和第二阴极(203b)的重叠结构。顶尖曲率半径约为400 。如果第一阴极(203a)和第二阴极(203b)使用不同的材料，允许在发射尖端处去掉一个电极，使用剩下的一个电极作为电子发射电极。如果用这种方法把发射尖端做得很薄，则在薄膜厚度方向的顶尖曲率半径将变得更小，从而允许达到更低的阈值电压。
在高真空条件下，测量用这种方法制造的场致电子发射器件。当阴极205接地，阳极电压是常数Vak＝200V，栅极电压Vgk＝60V时，获得的阴极电流Ik＝4×10-8A，在Vgk＝100V时，获得的阴极电流为6×10-5A。此外，阴极203和栅极205之间的寄生电容是在10fF的数量级。
在本实施例中，对于电极，例如，阴极203，所使用的材料是钼和钽薄膜。然而，本发明不限于这些。除此之外，可能使用的其它材料是金属，例如钨、硅、铬、铝和含有这些金属的合金。此外，可以使用具有良好热传导性的基片，例如，陶瓷基片，作为平基片1。例如，可以使用一个绝缘基片，或者使用一个氧化铝基片，该基片具有一个位于导电基片表面上的绝缘体，例如硅基片。另外，绝缘层8和蚀刻掩模81不限于二氧化硅薄膜，也可以使用诸如氮化硅薄膜和氧化铝薄膜之类的薄膜。
为了减小电子发射的阈值电压，也允许用具有小的功函数的材料，诸如钡、钍、铯等，涂覆发射尖端4。此外，阴极203也可由这些材料制备。
为了减小由电子发射产生的噪声，在相同时间借助于激励发射尖端4并产生电子发射，可能产生足量的发射尖端4，并可增加S/N比率。电子发射并非只能起源于一点，即发射尖端的顶尖。它们可能起源于在该顶尖侧面上设置的附助尖端，该附助尖端将提供相同的效果。另外，借助于把自偏压电阻或者非线性电阻直接连到阴极上的方法，可防止过量电流和噪声。
借助于在阴极7的表面涂覆荧光材料和形成一个光发射显示器或者形成一种诸如能产生X射线的铜薄膜之类的材料，并用电子束激励它，可能产生一个精细的X射线源。当然，对于图1所示的四极场致电子发射器件，同样可以用上述的制造方法。
如上所述，本发明的场致电子发射器件的制造方法具有下面列举的效果(1)与借助于过蚀刻阴极层或借助于过蚀刻在阴极层表面上形成的蚀刻掩模层制造阴极的方法相比，有可能制造出具有更小顶尖曲率半径的发射尖端。这是因为，在平基片1表面上形成的蚀刻掩模的蚀刻特性是完全各向同性的，还因为，可使用快速的蚀刻方法，例如，湿蚀刻方法。由于难以用湿蚀刻方法蚀刻诸如钼之类的材料，故也难以借助于过蚀刻这类材料形成发射尖端4。
(2)Lgk通常由岛状绝缘层和栅极的膜厚决定。随着LSI(大规模集成电路)加工技术的进步，控制薄膜厚度的能力已变得非常好，使得有可能制成具有好的均匀性和低的电子发射阈值电压的场致电子发射器件。在现有技术中，Lgk的极限是0.8微米。但是，作为本发明的结果，可能制造和获得0.1微米或更低的Lgk极限。
(3)利用过蚀刻技术，实现了具有小的顶尖曲率半径的发射尖端和低的阈值电压。在现有技术中，顶尖曲率半径的极限是2000 。而本发明，可能获得400 或更小的顶尖曲率半径。
(4)利用过蚀刻的特点是，象发射尖端4那样的凸出区域具有较小的、尖锐的顶尖曲率半径。相反地，凹的区域是非常平滑的，由于这样的特征，可以利用阴极凸凹区域的优点，防止偶然的电子发射和电极之间的短路。
(5)有可能产生与阴极自行对准的栅极，使电极之间的寄生电容减小，且可高速工作。特别是，由于产生具有低电阻率的第一阴极，〔这种方法〕适用于具有低的线路电阻和较小的线路延迟的高速器件。
(6)图6(A)是采用上述新的四极场致电子发射器件的一种平面四极真空管的通用视图。图6(B)是沿图6(A)中所示的A-A线剖开的剖视图。该平面四极管具有这样的结构，即其中有一平基片1和一个对置的基片14，前者有一个如上所述的四极场致电子发射器件。这两个基片几乎相互平行配置，并沿周边用支架17支撑。一个四极场致电子发射器件密封在由平基片1、对置的基片14和支架17围成的真空层23内。对置的基片14是由石英制成的。在面对真空层的表面上是导电的薄膜，它防止静电电荷。此外，有一个密封口16，当抽空后，在此把真空层23密封。密封口16是通过在由Cr/Au薄膜制成的口内熔化Au和Sn合金来密封的。预先在对置的基片14的表面上形成吸气层18，它是由Al和Ba薄膜合金制成的。在真空层23密封后，用激光加热吸气剂，将它蒸发到真空层的壁上，使其吸气作用还原。
支架17是低熔点的玻璃粉和直径为100微米的玻璃纤维的烧结的混合物。它很好地密封和粘附各基片，并保持真空层23的间隙在100微米。
该四极场致电子发射器件的外引线，即，阴极引线19、栅极引线20、控制电极引线21和阳极引线22，借助于金属薄膜穿过平基片1和支架17伸出真空层23外部。该平面四极真空管的尺寸是长7mm、宽4mm、厚2.2mm。与现有技术中的热电子发射型真空管相比，它是很小的，是现有管的1/1000或更小。真空层23中的真空度是1×10-7乇或更低。
阳极7是在平基片1的表面上形成的。但是，本发明不限于那样。例如，可在对置的基片上形成阳极。还有，在这种情况下，可以在真空层23内设置控制电极6，这样它将位于发射尖端4和阳极7之间。
图7至图9显示上述四极场致电子发射器件的电特性。图7是使用四极场致电子发射器件的一种阴极接地的电压放大器的电气连接图。前述的四极真空管用标号30代表，它在图7的中央示出。该图示出，阴极3、栅极5、控制电极6和阳极7已被密封在真空层23里面。
使用四极场致电子发射器件的电压放大器的驱动方法如下。即，将阴极3接地并给栅极5加上正偏置栅极电压26(VGK)，通过负载电阻28(RL)给阳极7加上正阳极电压27(VAK)，给控制电极6加上控制偏压25(VCK)和串联的输入信号电压24，从阳极7和负载电阻28获得的输出信号电压29(Vout)，与输入信号24成比例。
图8是上述四极场致电子发射器件的电子发射特性示意图。这是该四极场致电子发射器件的栅极电流32(Ig)和阳极电流31(IA)与栅极电压26的关系曲线的测量结果。在这种情况下，在图7的电连接图中，输入信号电压24和控制偏压25均为零伏。栅极电流32和阳极电流31随栅极电压26按指数关系增加，这表明发射电流是F.N隧道电流。阳极电流31比栅极电流约小两位数。在现有技术的驱动方式中，用栅极电压26控制阳极电流31，电功率转换效率不好，这是因为IG＞IA。其次，由于转移特性也是指数的，在线性放大器中这个方法就很难利用。由于这个原因，可以用加在控制电极6上的电压控制阳极电流31。
图9是上述四极场致电子发射器件的输入和输出静态特性示意图。这是四极场致电子发射器件的控制电流33(IC)和阳极电流34与控制偏压25的关系曲线的测量结果。在这种情况下，在图7的电连接图中，栅极电压26是VGK＝140V，输入信号电压24是0V，阳极电压27是VAK＝400V。尽管在VCK＜0的范围内，阳极电流指数性(非线性)变化，而在VCK＞0的范围内，阳极电流34按直线(线性)变化。这就是说，在VCK＞0的范围内，阳极电流34与加在控制电极6上的电压是成比例的。因此，它可用作线性放大器。此刻，控制电流33是阳极电流34的1%或更低，形成一个具有极好输入和输出功率转换效率的场效应电压放大器。
由这样一个控制电极6的场效应控制阳极电流34的机理与已有技术中的热电子发射真空管的栅极相似。这个机理是，借助控制电极6的偏压在控制电极6与阴极3之间形成的电场(偏压梯度)控制阳极电流34。如果向控制电极6加负电压，而在发射尖端4附近形成一个负电场，则将对向阳极7去的发射电子施加一个排斥力，并将限制到达阳极7的电子数量。
因为从阴极发射的电子具有初始速度，它们将在阳极的方向上猛增。如果处于中间的控制电极具有负偏压，它们的速度将由于负偏压的偏压梯度而减小，并且一些电子将返回阴极。在这种状态下，电子将存留在阴极与控制电极之间，并形成电子云(空间电荷限制区)。能流向阳极的电子只限于其所带的能量高于控制偏压的那些电子。已经知道，在这样的空间电荷限制区电子的转移会产生很小的噪声电流。与从阴极产生的发射电流波动(噪声电流)相比，该空间电荷的波动是小的。特别是，具有小能量的电子的波动可以忽略不计。只有那些具有很大能量的电子才能引起阳极电流的噪声。现有技术中的三极场致电子发射器件没有上述空间电荷控制区。从阴极发射的大部分电子到达阳极(发射限制区中的电子转移)。因此，发射电流噪声可以表示为阳极电流噪声。
然而，如果对控制电极6加正电压，发射的电子的排斥力的强度将减弱，而阳极电流34将增大。另外，正偏置栅极5所起的作用如同现有技术中的五极真空管的空间电荷栅极的作用，防止在阴极3区域中空间电荷的滞留。如后面所讨论的，在本发明中，为了防止阳极7的二次电子效应，在阳极7与控制电极6之间再增设一个控制电极。
通过调节控制偏压25可恰当地利用线性和非线性区域。利用线性区域起线性放大作用是合适的，如作线性放大器。利用非线性区域起开关作用是合适的。还有，如果栅极电压26变小，提供线性和非线性区的分界线的控制偏压25将向低电压端移动。因此，具有这样的特点，比如，通过设定所希望的栅极电压26可以自由地选择控制偏压25的电压设定范围。然而，如图8所示，在上述四极场致电子发射器件中，栅极电流显著地高于阳极电流，并且流向栅极的寄生电流是无效的。
图10是本实施例的多极场致电子发射器件的阳极静态特性示意图，它是在图7的电连接图中测量VAK-IAK静态特性所得到的结果。测量条件是栅极电压VGK＝140V，输入信号电压为0V，控制偏压25是VCK＝20V、40V、60V和80V。从图10中可以知道，在本实施例的多极场致电子发射器件中，在VAK＞150V的范围内，IAK几乎是常数。还有，IAK随VCK成比例地增加，这个阳极静态特性与现有技术的热电子发射五极真空管的相似。这种特性对线性放大器等应用是适合的。因为阳极电阻很大且输入与输出是成比例关系的。
如果在图7中负载电阻是RL＝5GΩ(千兆欧姆)，在图10的阳极静电特性图中可画出负载线36。用这样的电路可把作为放大器的基本系数确定出来。即，当控制偏压25是VCK＝40V，所加输入信号24为20V正弦波(Vin＝20Sin(ωt)V)时，得到的输出信号29为50V正弦波(Vout＝-50Sin(ωt)V)。电压放大率被确定为2.5。当提高频率ω，并作为放大器测量频率特性时，截止频率ωc为100MHz或更高。
图11示出栅极电流IG、阳极电流IA和控制电流IC与控制电压25(VCK)的关系曲线。当VCK＜VGK时，控制电流IC是负的。真空中的离子流和基片表面的漏电流可能引起负电流。然而，由于该电流是稳定的，它很可能是栅极之间的表面漏电流。阳极电流IA相对于控制电压VCK单调地增加。当控制电压很大时，阳极电流将几乎是成比例地随之增加。就是说，找到了可用于转移特性的线性区域。已发现发射电流几乎不随VCK变化，发射电流由栅极电流决定而不受其它电极之偏压的影响。
图12示出控制电压VAK作为参量的阳极特性曲线。阳极电流IA随阳极电压VCK和控制电压VCK增加并符合下列等式IA＝K(VCK+VAK)n
其中K、a和n都是常数。该特性曲线与热电子发射三极真空管在空间电荷限制区的特性曲线相同。从该相同曲线图可估算出放大系数μ(＝1/a)和互导gm(＝dIA/dICK)、当VAK＝330V和VCK＝150V时，它们分别是1和2.6E-10S。n值约为1.3。当VCK＜VGK时，部分阳极电流有流向控制电流的趋势。
在图12的特性曲线中，gm和μ值都是很小的。实际上，分别要求其值为1ms或更多和100或更大。提高这两个数值有多种方法。然而，特别是对于gm，增加发射电流是有效的。
为了进一步增大电压放大系数，增大互导和提高频率特性，有必要增加阴极3的发射尖端数量或者把栅极5的结构设计成这样，即能减少无效的栅极电流量和增加阳极电流。在本实施例中有六个发射尖端4。然而，如果，例如，尖端数量增加10，000倍和发射电流增加到10，000倍，那么电压放大系数和互导也将增加到约10，000倍，并允许频率特性提高约100倍。为了减少无效的栅极电流量，通过使栅极5具有较小宽度或使其具有一个带有在发射尖端4外突方向上的一个开角的倾斜面，可减小所发射的电子与栅极5碰撞的可能性。
在本实施例中，电连接方式是将阴极3接地。然而，本发明不限于这种方式，例如，电连接方式可以是将栅极5接地。图13是一个栅极接地的电压放大器的电连接图，其中使用了本实施例的多极场致电子发射器件。它将栅极5接地并向阴极3施加负的阴极电压37。这个连接方式不同于图7所示的方式。这是一个容易使用的放大器，因为线性区和非线性区的分界线不随发射电流的数值结果而变化。
如图14所示，当发射电流大的时候，为了获得具有小噪声的发射电流，可采用这样一种驱动方法，即在阴极与栅极之间接入一个自偏压电阻RSB。图15示出这种情况下的阳极特性。一个2MΩ(兆欧)的自偏压电阻RSB与阴极串联接入，以使发射电流稳定。当VAG＝-270V时，发射电流为10μA。根据这个曲线图，所得的数值为gm＝10ns和μ＝1.5。
这些特性概括在表1中。在所列的四极管器件中，A对应图12，B对应图15。
图16是一个五极场致电子发射器件的示意图，它是向上述的四极场致电子发射器件增加屏蔽电极S。图17为这个五极管的阳极特性曲线，它是在下列条件下测出的阴极发射尖端数量为10，000，VKG＝140V，阴极电流IK＝20mA，VSG＝100V，RL＝1KΩ。在图17中若施加负载电阻RL＝80KΩ(用虚线示出)，则放大系数是四倍。此时工作点变为Vi＝-40V。一个采用五极管的器件的特点是阳极电流不波动，因为即使阳极电流有变动，由于屏蔽电极的存在，控制电极附近的电场将不会变动。就是说，阳极电阻ra将按下式增加ra＝△VA/△IA在下一个实施例中，将说明一个六极场致电子发射器件及其制造工艺。图18(A)、(B)、和(C)分别是一个平面六极场致电子发射器件的示意图，该图的B-B面和C-C面的剖视图。这个器件具有的结构包括控制电极6、阳极7和位于它们之间的屏蔽电极50和抑制电极53。此外，控制电极6和屏蔽电极50分别装备有柱形控制电极64和柱形屏蔽电极65，它们分别在控制电极6和屏蔽电极50的顶部形成。这些柱形电极如此构成，即它们相对于由阴极3限定的平表面倾斜，它们的高度至少比岛状绝缘层2的膜厚度要高些。
柱形控制电极64具有直径为3微米和高度为5微米的圆柱形状。它有10微米的间距，它距发射尖端4约10微米远并位于两个发射尖端之间。柱形屏蔽电极65为宽度为5微米、厚度为3微米和高度为5微米的板状。每个柱形控制电极64按彼此相隔10微米的距离设置。抑制电极53具有5微米的宽度且位于阳极7和屏蔽电极50之间。它离屏蔽电极50的距离约为20微米，它离阳极7的距离约为50微米。
阴极3具有8个间距为5微米的发射尖端。岛状绝缘层2的厚度为5000 。栅极5以与阴极3对准的方式形成，它离发射尖端4的距离为3000 ，它的端部宽度为2微米，它离控制电极的距离为4微米。
由于栅极5的电场作用而从阴极3发射的电子，受控制电极6的电场控制，这就限制了到达阳极7的电子数量。屏蔽电极50保持一个固定的偏压，以防止由于阳极7的电场造成的控制电极6的电场波动。抑制电极53可防止由阳极7产生的二次电子返回到控制电极6的方向。图19用于说明这个实施例的六极场致电子发射器件的制造工艺。它示出了在完成各主要制造工序后的器件的纵向剖视面。下面将说明此制造工艺。
首先，在平基片1的表面上依次形成绝缘层8和阴极9。然后，形成光致抗蚀剂层11(图19(A))。平基片1由氧化铝制成。如同氧化铝基片一样，由于陶瓷基片有高的绝缘性和大的热导率，它是用于制备大功率场致电子发射器件的极好基片。除这种基片外，也可以使用GaAs半导体基片和金刚石基片。绝缘层8由5000 厚的二氧化硅薄膜制成。阴极9由1000 厚的钽(Ta)薄膜制成。光致抗蚀剂层11是用于形成阴极3的。
下一步，用过蚀刻法将阴极层9制成第一阴极(3a)(图19(B))。过蚀刻采用干蚀刻方式。过蚀刻在气体CF4/O2＝120/100中进行，并加700瓦射频功率保持25分钟，此后阴极9将被过蚀刻至1微米而形成发射尖端4，尖端4有一个曲率半径为300 的顶尖。
下一步，蚀刻绝缘层8的局部以形成岛状绝缘层2，并除去光致抗蚀剂层11(图19(C))。绝缘层2的形成方法如同在前面的实施例中所述的方法。
下一步，柱形构成层56将形成(图19(D))。柱形构成层56由采用涂覆方法形成的厚5微米的光敏聚酰亚胺树脂制成，作为光敏聚酰亚胺树脂，例如，可采用负片型PI-410(由UbeKosan公司生产)。显然，除这种型号的有机材料外，无机材料也可以用作柱形构成层56的材料。
下一步，柱形构成层56被光刻而形成控制电极64和屏蔽电极65(图19(E))。如果柱形构成层56由光敏材料制成，它可采用光刻处理。如果它是由一些其它的有机材料或无机材料制成，则采用诸如活性离子蚀刻(RIE)之类的各向异性方法是合适的。
下一步，采用定向粒子淀积形成栅极构成层133(图19(F))。该定向粒子淀积法是溅射，它用于形成薄膜栅极构成层133，该层是由2000 厚的钽(Ta)膜制成。为使栅极构成层133覆盖住控制电极64和屏蔽电极65，该层被淀积在这些电极一侧。
最后，蚀刻栅极构成层133形成第二阴极(3b)、栅极5、控制电极6、柱形控制电极64、屏蔽电极50、柱形屏蔽电极65和抑制电极53(图19(G))。如果柱形控制电极64和柱形屏蔽电极65由有机材料制成，只有当去除它们之后才能保持高真空状态。除去它们的方法如下所述。首先，用抗蚀剂涂覆平基片1的表面，此刻在柱形控制电极64和柱形屏蔽电极65的顶部上的抗蚀剂厚度比其它区域变得薄一些。然后，用干蚀刻法把抗蚀剂除去，柱形电极的顶部和栅极构成层133显现出来。当栅极构成层133被蚀刻去之后，每个电极的顶部在其开口中显现出来。最后，用溶剂去除这些电极柱。因为用这种方法制造的电极是中空的，并且不能有成为出气源的有机材料，故可用〔加热抽真空〕的办法来建立和保持高真空状态。
图20是使用本实施例的六极场致电子发射器件的一个六极真空管的立体图。在这种情况下，六极场致电子发射器件被真空封装在金属壳内。即是，平基片111固定在密封接头的一定区域，而在平基片上设置六极场致电子发射器件。每个电极通过导线162与密封管脚161连接。密封接头160和金属罩163在真空中封接并形成真空层164。为了保持高真空，吸气材料165在罩163的内壁上形成和〔还原〕。
图21是使用上述六极场致电子发射器件的一种阴极接地型电压放大器的电连接图。在图21中部示出了图18所示的六极真空管，其标号为66。它示出阴极3、栅极5、控制电极6、屏蔽电极50、抑制电极53和阳极7被密封在真空层164里面。阴极3和抑制电极53接地。控制偏压25和输入信号电压24串联加至控制电极6上，阳极电压27通过负载电阻28加到阳极7上。一个期望的正偏压可加到屏蔽电极50上。不过，为了减少供电电源数和导线数，此正偏压可以与栅极5的偏压(VGK)相同。阴极3与抑制电极53的连接和栅极5与屏蔽电极50的连接可以在平基片1的表面上或真空层164的内部实现。尽管如上的电连接是一个六极管，但其管脚数和电源数却与前面已描述的四极真空管相同。
下面将说明该六极场致电子发射器件的驱动方法。首先，假如一个恒定的栅极电极26加在栅极5上，那么恒定量的电子将从阴极3发射出来。若栅极电压26永远不变化，则发射电子数将保持恒定。在这种情况下，阳极电压27也恒定，如果具有直流偏压的输入信号24加到栅极6上，阳极电流将与之成比例地被控制，并将得到利用负载电阻28放大的输出信号电压29。控制电极6的电子场效应与前面已述实施例中所说的效应相同。屏蔽电极50将防止由于电压波动引起的控制电极6附近的电场波动。它还有提高阳极电阻和频率特性的作用。抑制电极53防止由阳极7产生的二次电子流向控制电极50的方向。
当在VAK＝300V，VGK＝160V，VKC＝60V和RL＝1GΩ(千兆欧姆)条件下驱动该六极场致电子发射器件时，可得到的电压放大系数μ＝8。在这种情况下，互导gm＝2×10-9S。频率特性与上述实施例中描述的四极场致电子发射器件相比提高了1倍，这被认为是由于屏蔽电极50对阳极的屏蔽作用所致。
图22示出六极场致电子发射器件的另一种电连接图。图23示出它的阳极特性曲线。该曲线是在下列条件下测出的10，000个阴极发射尖端，VKG＝-140V，阴极电流IK＝20mA，VSK＝100V和RL＝1KΩ。将图23与图17相比较可以清楚看到，由于抑制电极的存在，阳极电阻进一步增加了，并且甚至VAG在较小数值范围时，饱和特性就显示出来。阳极电阻为8MΩ。
本发明不仅仅应用于上述平面器件，它还可应用到纵向器件。作为一个例子，在本实施例中将描述在硅单晶基片上形成的一个纵向四极场致电子发射器件。
图24是本发明的纵向四极场致电子发射器件的总体构成示意图。这个器件主要包括一个导电的平基片40，它由具有(100)面的n型单晶硅衬底制成;在平基片40表面上形成的阴极41，它具有铅锤状并沿纵向向上突出;第一绝缘层(42)，它形成于平基片40的表面上，并围绕阴极41的周边开口;栅极43，它形成于第一绝缘层(42)的表面上并围绕阴极41的周边开口;第二绝缘层(44)，它形成于栅极43的表面上并围绕阴极41的周边开口;控制电极45，它形成于第二绝缘层(44)的表面上并围绕阴极41的周边开口;以及对置的基片46，其上形成有阳极47，阳极47位于真空层48的对面，而真空层是在控制电极45上面。
由于阴极41是通过各向异性蚀刻平基片40而制成的，它有一个大体为圆锥的形状，其铅轴垂直于平基片40的表面并具有约1.2微米的高度。它的截面顶角约为90°。在本发明中，采用本方法以外的其它制造方法形成的阴极也是可以使用的。例如，阴极也可以是纺锤形。第一绝缘层(42)和第二绝缘层(44)由二氧化硅薄膜制成，其膜厚分别为6000 和3微米，两个绝缘层的开口直径大致相同，约为3微米。栅极43和控制电极45由钼制成，其膜厚分别为2000 和3000 ，每个电极的开口直径大致相同，约为1.2微米。平基片40和对置的基片46借助支架彼此粘附;该支架围绕它们的外缘形成。真空层48在它们之间形成。真空层48的厚度为50微米。对于阳极47，则采用透明导电的铝薄膜。
下面说明这个四极场致电子发射器件的工作过程。对于阴极41来说，当正偏压加到栅极43上时，从阴极41的伸出顶尖场致发射出电子，所发射的电子穿过栅极43和控制电极45的开口到达阳极47。然而，能够到达阳极47的电子数量(阳极电流)可由控制电极45的电极控制。由控制电极45的场效应控制阳极电流的机理与第一实施例中描述的相同。因此，在线性区域，控制电极45的电压与阳极电流成比例关系。即是，当控制电极45的电压是大的负值时，负偏压梯度从控制电极45在阴极41的方向建立，并且发射的电子被反射而返回栅极43的方向。在这种情况下，阳极电流是小的。然而，当控制电极45的电压高时，会产生一个正偏压梯度。大量电子能通过这个电极，从而得到大的阳极电流。
其中形成有10，000个阴极41的本实施例的四极场致电子发射器件的电特性已测出。在阴极接地的电路中，当栅极电压为120V时，得到3mA的发射电流。阳极电流相对于控制电极电压的变化，也就是互导gm＝20μs。流入栅极43的寄生电流是1%或更少，从而得到了所示的那个极好的特性。
还可知道，如果在本实施例的四极场致电子发射器件中形成屏蔽电极和抑制电极以及类似电极，可改善其电气特性。在本实施例中，阳极47是在对置的基片46上形成的。然而，它也可以在平基片40的表面上形成。在这种情况下，控制电极45可设在阳极47与栅极43之间。例如，它可设置在真空层48的中部。另外，为了减少电极之间的〔重叠〕电容以及提高频率特性和压阻(pressureresistance)，在薄膜的阴极41基底上进行互连是合适的，以去除过量区域和重叠区域。在这种情况下，使用一个绝缘平基片40。
如同本实施例的四极场致电子发射器件，多极场致电子发射器件可以如下方式形成，即栅极43垂直于从阴极41出来的发射电子的方向，或者栅极43的开口围绕电子流过的通道，这可减少流向栅极43的寄生电流并产生极好的功效。其原因是，当所发射的电子通过栅极43旁边时，它们仅横穿过与栅极43厚度相当的距离。另一个原因是，发射电子与栅极43相撞的几率是很小的，因为它们穿过开口的中心区。横向的多极场致电子发射器件采用这种结构形式是非常有效的。
为了增大横向多极管的互导值，例如，有必要这样设计图1所示的四极场致电子发射器件的栅极结构，即应使阴极3的发射表面积较大。但是，如果发射表面积增大，则流向栅极5的电子数也增多。结果，产生一个问题，即难以获得高性能的功率放大。
图25是具有环形栅极51的多极场致电子发射器件的放大立体视图。阴极3具有与图1所示结构相同之结构。开口52设在栅极51的与阴极3的发射尖端4的位置相对应的部分。这可减小从发射尖端4发射并穿过开口52的电子形成的栅极电流和控制电流，并允许减少寄生电流和增大输入电阻。
开口52不限于图25所示的形状。该结构可以是这样的，即，一个具有开口和相同电偏压的电极围绕发射尖端4形成，并且从发射尖端发射的电子能够穿过开口电极的内部。因此，开口52可以是圆环形或类似矩形。即使形成的开口52不与发射尖端4完全对应，例如，所形成的开口每隔一个与发射尖端4对应，它仍能起到电子发射器件的作用。
正如图8所示出的，通过在栅极51中设一开口，可以改善不好的功率转换系数IG≥IA，通过设置控制电极可提供一个具有线性输入和输出电气特性的场致电子发射器件。标号61是控制电极，标号7是阳极。在图25中，如同栅极51，控制电极61的结构也有一个开口62，开口62允许发射电流通过。然而，并非一定要求控制电极61具有这样的结构，它也可以是如图1所示的平板电极形状。
对于具有图25所示栅极结构形式的四极场致电子发射器件，可能具有图1所示结构所具有的线性输入和输出关系。此外，还可能急剧减小栅极电流(栅极电流是阳极电流的1/10或更小)和急剧减小栅极寄生电流。
与上述控制电极61相比较，图26是柱形控制电极63的立体视图。在该图中，柱形控制电极63在相邻开口52之间的间距中间形成，控制电极63的形状可以是圆柱形或矩柱形。
在本发明的多极场致电子发射器件中，电极的个数是可选择的。很自然，它可以是六极场致电子发射器件，例如，可以用图25所示的栅极51的结构代替在图18(A)、(B)和(C)中所示的六极场致电子发射器件的栅极5的结构。
这就提供了一个如图18的器件，但其中的栅极5被图25所示的栅极51结构所替代。在这种情况下，从发射尖端4发射的电子将由控制电极6的电场控制，到达阳极7的电子数量也受到控制。屏蔽电极60保持恒定电压，用以防止由阳极7的电场引起的控制电极6的电场波动。抑制电极53防止由阳极7产生的二次电子返回控制电极6的方向。
但是，上述的三维栅极结构在制造方面有很多问题。例如，对于薄膜制造工艺来说，间隙控制是困难的。另外，阴极和栅极之间的电场分布是不均匀的，这就限制了Ia/Ig特性。还有，制造工艺要求有四个光掩模步骤，需要复杂的制造技术。由于这些原因，并基于在阴极与栅极间提供一个三维电场分布的目的，希望提供一种具有均匀结构的栅极，并且该结构将允许自行校准(即使某一电极的位置偏离了，另一电极在与那个位置对应的一个位置上形成)。
下面公开的是解决了这些技术问题的多极场致电子发射器件以及该器件的制造工艺。它形成一个极稳定的电极并大大改善了Ia/Ig特性。这是因为该多极场致电子发射器件包括在绝缘层顶部形成的阴极，所述绝缘层是在绝缘平基片的表面上形成的，该阴极有从所述绝缘层伸出的多个发射尖端;在所述的平基片表面上形成的阳极，它收集发射电子;在所述阴极与阳极之间形成的多个柱形栅极。所述发射尖端位于相邻的栅极之间，所述的栅极形状与阴极上的发射尖端相对应。此多极场致电子发射器件是这样制造的在绝缘平基片的表面上依次形成绝缘层和电极层，置留(leaving)栅极的平面图形，以及涂覆光致抗蚀剂。此后，让蚀刻溶液流过平面图形，使平面图形以外的区域蚀刻，而形成发射尖端。然后，在平面图形的位置上形成柱形栅极，并除去抗蚀剂。
图27(a)是该新型多极场致电子发射器件。图27(b)是图27(a)沿a-a面的剖面图。图27(c)是图27(a)沿b-b面的剖面图。图27(d)是图27(a)中的器件的部分立体视图。在该器件中，阴极303、栅极305和阳极307位于由石英制成的平基片表面上。阴极303由在二氧化硅岛状绝缘层302表面上的薄膜(例如，厚度为2000 )制成，突出的发射尖端在阴极303中形成。阴极303可由几层薄膜制成(例如，在钨薄膜顶面设置钼薄膜)。发射尖端是这样一种结构，即它伸向栅极的方向并平行于平基片1的表面。在发射尖端4的顶尖区没有岛形绝缘层302。发射尖端4的水平方向的顶尖曲率半径是400 或更小。
栅极305是这样形成的，即它与阴极303校准。其五角柱形的在阴极303方向上的尖角ν，例如，具有60至90°的角度。发射尖端4在与栅极305相邻的间隔中形成。因此，在发射尖端4附近的电场分布是横向对称的。如果栅极305的五角柱形高度G做得比阴极303还高，则在发射尖端4区域的电场分布横向对称，同时纵向是基本均匀的。结果，由于阴极303与栅极305之间电场的作用，从发射尖端4发射出来的电子将通过栅极305之间的相邻间隙，并以有效的方式到达阳极307。这将允许明显减小流入栅极的寄生电流。也就是说，Ia/Ig特性(功率转换率)呈现出明显的改善。
栅极305的结构不限于已有的五角柱形，只要柱形能够在发射尖端4周围形成对称电场，并使发射的电子有效地到达阳极307即可(例如，它可以是三角柱形或具有弧形背的柱形)。
在这个实施例中，已经公开了一平面三极场致电子发射器件。但是，采用四极管和五极管等多极场致电子发射器件也能完成本发明。
在图27中，标号71是栅极的互连部分。下面对每个部分的尺寸给出一个例子，栅极305之间的距离A是3微米，栅极305的五角柱形的侧边B是5微米，侧边C是7微米，栅极305与阴极303之间的间隙D是1.5微米，岛形绝缘层302的厚度E是0.5微米，阴极303的厚度F是0.1微米。
下面从整体上说明上述本发明的器件的制造工艺。图28、29和30说明各制造步骤。首先，如图28(a)中的横截面图所示，在基片1的表面上用热化学汽相淀积(CVD)法形成二氧化硅薄膜311，基片1是由石英玻璃等材料制成。然后，用诸如溅射方法在二氧化硅薄膜311顶部形成钨层312。但是，制备此层的材料不限于钨，例如，它可以是诸如钽之类的材料。此后，如图28(b)中所示，置留具有栅极柱形形状的抗蚀剂孔313，并形成抗蚀剂层314。图28(c)示出图28(b)中沿b-b面的剖面，其中标号与图28(a)、(b)中的相同。当采用CF4气体等蚀刻时，存在于抗蚀剂孔313中的钨层315被蚀刻掉。如图29(a)所示，在图28(c)中的二氧化硅层316显露出来。
然后，使用HF型蚀刻溶液蚀刻图29(a)中的二氧化硅膜316。当该膜被过度蚀刻之后，得到了在图29(b)中由二氧化硅膜311的剖面示出的倒圆锥。此后，当用CH4型蚀刻溶液蚀刻钨膜312时，钨的蚀刻过程沿图29(c)所示的虚线317和318进行，其沿c-c面的剖面如图29(d)所示。这就形成了阴极发射尖端319。对于本发明的方法，流出抗蚀剂孔313的蚀刻溶液从抗蚀剂孔313的两侧沿该孔的形状过蚀刻钨膜，作为形成的阴极的一部分的发射尖端319的顶尖是尖锐的。此外，该顶尖的位置与相邻的抗蚀孔313是等距的。结果，在该制造工艺中，形成的发射尖端319可能总是位于相邻抗蚀剂孔313的中间，虽然，抗蚀剂孔313的位置也许有误差。再者，由发射尖端319和栅极形成的电场分布总是横向对称的。也就是说，可以这样形成阴极和栅极，即，使它们自行校准。
此后，采用汽相淀积或溅射方法使钼等用于形成栅极的材料成膜，从而形成钼膜321和322，如图30(a)中的剖面所示。对于钼膜321，其平面形状与栅极相同，后者具有与抗蚀剂孔313相同的形状。根据汽相淀积或溅射的工艺条件，形成的钼膜321的高度大于钨膜312是可能的。当去除抗蚀剂层314之后，结果将如图30(a)和30(b)所示。将形成的阴极和栅极如图27(c)所示。
关于本发明中阳极的形成，当虚线317的区域被蚀刻后，该区域通过图29(c)所示步骤中的过蚀刻形成，钨膜320可用作阳极。另外，该阳极可单独制备。不过，在这种情况下，钨膜320也可用作多极场致电子发射器件的控制电极，或者被除去，如果它不是必需的。
栅极互连部分71是预先采用光掩模制备的。因此，对于这个制造工艺，可能采用两个光掩模步骤来实现，一个光掩模步骤用于使栅极互连部分构图，另一个光掩模步骤用于形成如图28(b)所示的抗蚀剂膜。
栅极互连部分的位置可设在所期望的地方。因此，如果它靠近阴极形成，栅极与阴极之间的电场将增强，从而提供一个具有极好的电场的器件。
在上述制造工艺的图30(a)的步骤中，当采用真空淀积或溅射形成钼膜时，有时在钼膜321和钼膜322之间会形成钼桥，如图31所示。由于这对于栅极的形成是不好的，故制造工艺应是一种不形成钼桥323的工艺。
下面一个实例示出这样的制造工艺。图32(a)是图28(c)的一部分的放大的剖视图，它示出同样的制造步骤。当栅极预先在基片1上形成时，与抗蚀剂孔的形状相对应的互连部分图形325也被制成(该中间连接部分的材料可以是，例如，铝，但也可用其它一些材料)。
在这种条件下，当二氧化硅层311被过蚀刻之后，如图32(b)所示，互连部分显露出来。因此，如图32(c)所示，可用真空淀积或溅射方法，在互连部分图形325顶部形成薄铝膜326。标号327是指形成在抗蚀剂层314顶部的铝层。
下一步，过蚀刻钨层312之后(图32(d))，用氧等离子体等去除围绕抗蚀剂孔328周边的抗蚀剂层314(图32(e))。然后，用真空淀积或溅射方法形成栅极金属329，它是用作栅极的材料(它可以是铝或钼)(图32(f))。此后，去除抗蚀剂(图32(g))。当用这个制造工艺形成栅极时，上述桥是难以形成的，因为抗蚀剂层14的周边被去除了。
本发明的效果由于本发明有如上所述的组成，它也有下列显著的效果(1)由于控制电极的电压与阳极电流成线性关系，输入和输出转移特性是线性的。而且，阳极电阻很大。结果，它可用在线性放大器中，而采用现有技术是有些困难的。
(2)流入栅极的寄生电流明显地减小了。从电流消耗的观点看，它是一种具有有效的线性放大效应的场致电子发射器件。
(3)由于控制电极的输入电阻很大，它可用在场效应放大器或开关器件中。
(4)与现有的热电子发射真空管相比，它控制的电流、电压和功率相同或更好。此外，它是很小的。
(5)由于可用栅极电压控制互导和转移特性的线性程度，即使采用相同的器件，特定的参量也可容易地形成不同的电路。
(6)在器件的构形方面有很大的自由度，以适应其应用，如具有较好频率特性的器件、具有极好的效率的器件或者能够控制大和小电源的器件。


图1是一种四极场致电子发射器件的组件的立体视图。
图2是图1所示四极场致电子发射器件的制造工艺步骤示意图。
图3是展示本发明的实施例的新型四极场致电子发射器件的局部放大的立体视图。
图4是图3所示四极场致电子发射器件的制造工艺的各步骤的示意图(纵向剖视图)。
图5是图4所示制造步骤的示意图。
图6是使用图1所示的四极场致电子发射器件的一种平面四极真空管的示意图，以及由A-A表示的区域的纵向剖视图。
图7是使用四极场致电子发射器件的一种阴极接地器件的电连接图。
图8是图7所示器件的电子发射特性曲线图。
图9是图7所示器件的输入和输出静电特性曲线图。
图10是图7所示器件的阳极静电特性曲线图。
图11是四极场致电子发射器件的栅极电流、阳极电流和控制电流与控制电压的关系曲线示意图。
图12是四极场致电子发射器件的阳极特性曲线示意图。
图13是另一种四极场致电子发射器件的电连接图。
图14是四极场致电子发射器件的另一种电连接图。
图15是在图14的电连接状态下的阳极特性曲线。
图16是五极场致电子发射器件的电连接图。
图17是在图16的电连接状态下的阳极特性曲线。
图18(A)是六极场致电子发射器件的示意图，图18(B)和(C)是该六极场致电子发射器件的剖视图。
图19是图18所示的六极场致电子发射器件的制造工艺步骤示意图。
图20是使用六极场致电子发射器件的六极真空管的立体视图。
图21是该六极场致电子发射器件的电连接图。
图22是该六极场致电子发射器件的另一种电连接图。
图23是图22所示器件的阳极特性曲线图。
图24是纵向四极场致电子发射器件的剖视图。
图25是四极场致电子发射器件的立体视图，其中栅极和控制电极具有开口。
图26是一个实施例的立体视图，其中图25所示的控制电极是柱形电极。
图27(a)是本发明的另一实施例中示出的三极场致电子发射器件的示意图。
图27(b)是图27(a)的沿a-a面的剖视图。
图27(c)是图27(a)的沿b-b面的剖视图。
图27(d)是该器件的立体视图。
图28是说明图27的三极场致电子发射器件的制造工艺的工艺步骤示意图。
图29是说明图27的三极场致电子发射器件的制造工艺步骤的示意图。
图30是说明图27的三极场致电子发射器件的制造工艺步骤的示意图。
图31是说明图29和30所示制造工艺中形成桥的示意图。
图32是说明图29和30所示制造工艺中如何不形成桥的示意图。
图33是现有技术的三极场致电子发射器件的示意图。
标号含义注解1.平基片2.岛状绝缘层3.阴极3a.第一阴极3b.第二阴极4.发射尖端5.栅极6.控制电极7.阳极7a.第一阳极7b.第二阳极
权利要求
1.一种多极场致电子发射器件，其特征在于，至少包括一个借助场效应发射电子的阴极，一个把电场加到所述阴极的栅极，一个收集发射电子的阳极，和一个控制电极，该控制电极位于所述的阴极和阳极之间，并控制所述的发射电子。
2.根据权利要求1所述的多极场致电子发射器件，其中，一个静电屏蔽控制电极和阳极的屏蔽电极位于控制电极和阳极之间。
3.根据权利要求1所述的多极场致电子发射器件，其中，一个静电屏蔽控制电极和阳极的屏蔽电极位于控制电极和阳极之间，一个控制阳极的二次电子的抑制电极位于所述屏蔽电极和阳极之间。
4.一种多极场致电子发射器件，其特征在于，至少包括一个在绝缘平基片表面上形成的岛状绝缘层;一个备有发射尖端的阴极，此发射尖端位于前述岛状绝缘层的表面上并从该岛状绝缘层伸出;一个栅极，它形成于所述平基片的表面上，并几乎与所述发射尖端的邻近区域正交;一个阳极，它形成在平基片表面上所述阴极的对侧，所述栅极位于此阳极与阴极之间;以及一个控制电极，它形成于所述平基片表面上所述栅极与阳极之间。
5.根据权利要求4所述的多极场致电子发射器件，其中，一个屏蔽电极形成于平基片的表面上控制电极与阳极之间。
6.根据权利要求4所述的多极场致电子发射器件，其中，一个屏蔽电极形成于平基片表面上控制电极与阳极之间，一个抑制电极形成于平基片表面上屏蔽电极与阳极之间。
7.根据权利要求4所述的多极场致电子发射器件，其中，控制电极结构的一部分是位于平基片表面上的近似柱形结构。
8.根据权利要求5所述的多极场致电子发射器件，其中，控制电极和屏蔽电极结构的一部分是位于平基片表面上的近似柱形结构。
9.根据权利要求6所述的多极场致电子发射器件，其中，控制电极和屏蔽电极结构的一部分是位于平基片表面上的近似柱形结构。
10.一种多极场致电子发射器件，其特征在于包括一个铅锤形阴极，它形成于导电的平基片表面上，并具有一个几乎垂直的铅轴;一个第一绝缘层，它形成于平基片表面上，并且围绕所述阴极的周边是开口的;一个栅极层，它形成于所述第一绝缘层的表面上，并且围绕所述阴极的周边是开口的;一个阳极层，它形成于位于一真空层另一侧的对置的平基片表面上;以及一个控制电极，它形成于所述栅极与阳极之间。
11.一种用于多极场致电子发射器件的驱动方法，其特征在于，把阴极接地;把正偏置栅极电压加到栅极上;把正偏置阳极电压加到阳极上，该电压通常大于栅极电压;以及把输入信号电压加到控制电极上，以便控制阳极电流。
12.一种用于多极场致电子发射器件的驱动方法，其特征在于，把栅极接地;把负偏置阴极电压加到阴极上;把正偏置阳极电压加到阳极上;以及把输入信号电压加到控制电极上，以便控制阳极电流。
13.一种用于多极场致电子发射器件的驱动方法，其特征在于，把栅极接地;通过一个和阴极串联的电阻，把负偏置阴极电压加到阴极上;把正偏置阳极电压加到阳极上;以及把输入信号电压加到控制电极上，以便控制阳极电流。
14.一种用于多极场致电子发射器件的驱动方法，其特征在于，把栅极接地;把负偏置阴极电压加到阴极上;把正偏置屏极电压加到屏蔽电极上;以及把输入信号电压加到控制电极上，以便控制阳极电流。
15.一种用于多极场致电子发射器件的驱动方法，其特征在于，把阴极和抑制电极接地;把栅极电压加到栅极和屏蔽电极上;把阳极电压加到阳极上;以及把输入信号电压加到控制电极上，以便控制阳极电流。
16.一种多极场致电子发射器件，它包括一个在绝缘层上形成的阴极，该绝缘层是在一平基片表面上形成的，该阴极有多个从所述绝缘层伸出的发射尖端;一个在所述平基片表面上形成的阳极，它收集发射的电子;一个在所述阴极和阳极之间形成的栅极，它至少在相应于所述发射尖端的位置的一个区域具有开口;以及一个在所述栅极和所述阳极之间形成的控制电极。
17.一种多极场致电子发射器件，包括一个在绝缘层上形成的阴极，该绝缘层是在一平基片表面上形成的，该阴极有多个从所述绝缘层伸出的发射尖端;一个在所述平基片表面上形成的阳极，它收集发射的电子;一个在所述阴极与阳极之间形成的栅极，它至少在相应于所述发射尖端位置的一个区域具有开口;一个在所述栅极和阳极之间形成的控制电极;以及一个在所述控制电极和阳极之间形成的屏蔽电极。
18.一种多极场致电子发射器件，包括一个在绝缘层上形成的阴极，该绝缘层是在一平基片表面上形成的，该阴极有多个从所述绝缘层伸出的发射尖端;一个在所述平基片表面上形成的阳极，它收集发射的电子;一个在所述阴极和阳极之间形成的栅极，它至少在相应于所述发射尖端的位置的一个区域具有开口;一个在所述栅极和阳极之间形成的控制电极;一个在所述控制电极和阳极之间形成的屏蔽电极;以及一个在所述屏蔽电极和阳极之间形成的抑制电极。
19.根据权利要求16、17或18所述的多极场致电子发射器件，其中，开口位于与多个发射尖端的位置相应的全部区域。
20.根据权利要求16、17或18所述的多极场致电子发射器件，其中，第二开口位于控制电极上，并与所述的开口相对应。
21.一种场致电子发射器件的制造方法，其特征在于，该器件包括一个发射尖端，该尖端几乎与平基片表面相平行地伸出，并包括至少一个位于所述平基片表面上的蚀刻掩模层，一个位于所述蚀刻掩模层表面上的阴极层，该制造方法包括在阴极层表面上淀积和形成一个蚀刻钝化层的工序，处理前述蚀刻掩膜层和形成具有发射尖端的蚀刻掩模的工序，以及在前述蚀刻掩膜的平表面上形成前述的阴极层和形成具有发射尖端的阴极的工序。
22.一种场致电子发射器件的制造方法，其特征在于包括在平基片表面上制造蚀刻掩模层的工序，在蚀刻掩模层表面上形成阴极层的工序，在所述阴极层表面上形成光致抗蚀剂层的工序，在平面状光致抗蚀剂层中处理所述阴极层的工序，利用过蚀刻方法处理蚀刻掩模层形成蚀刻掩模的工序，按蚀刻掩模的形状处理所述阴极层形成阴极的工序，从阴极较低的周边除去所述的蚀刻掩模形成檐状阴极的工序，利用粒子淀积方法形成栅极层的工序，以及处理所述栅极层形成栅极的工序。
23.一种多极场致电子发射器件，包括一个在绝缘层上形成的阴极，该绝缘层是在一平基片的表面上形成的，该阴极有多个从所述绝缘层伸出的发射尖端;一个在平基片表面上形成的阳极，它收集发射的电子;该多极场致电子发射器件有这样一个结构，该结构包括多个柱形栅极，这些栅极在所述阴极和阳极之间形成，其中，所述的发射尖端位于相邻栅极的中间，所述栅极的形状为一个凸台，该凸台与阴极侧面上的所述尖端的位置相对应。
24.根据权利要求23所述的多极场致电子发射器件，其中，栅极是五角柱形的。
25.根据权利要求23所述的多极场致电子发射器件，其中，栅极比所述发射尖端做得高。
26.一种制造权利要求23所述的多极场致电子发射器件的方法，它包括下述工序在绝缘平基片表面上依次形成一个绝缘层和一个电极层，然后，在置留下栅极的平面图形和涂覆光致抗蚀剂后，通过过蚀刻电极层和绝缘层，形成发射尖端，该过蚀刻是利用蚀刻溶液，使其渗透所述的平面图形并且超出该所述的平面图形，从而通过过蚀刻形成发射尖端，此后，在所述平面图形的位置形成一个柱形栅极，并去除抗蚀剂。
27.根据权利要求26所述的制造方法，其中，所述位置形成栅极之前，去除所述平面图形周围的抗蚀剂。
全文摘要
一种多极场致电子发射器件，它形成于一绝缘层上，而该绝缘层形成于一绝缘平基片表面上，该器件至少包括一个阴极，它具有多个伸出所述绝缘层的发射尖端；一个阳极，它形成于所述绝缘平基片的表面上，并收集从发射尖端发射的电子；一个控制电极，它形成于所述阴极与阳极之间。该器件是采用过蚀刻和定向粒子淀积方法制造的。
文档编号H01J1/304GK1069828SQ9210455
公开日1993年3月10日 申请日期1992年5月12日 优先权日1991年5月13日
发明者小松博志 申请人:精工爱普生株式会社