在這里公開的技術涉及一種電子發(fā)射裝置。此外，在這里公開的技術還涉及一種設置有該電子發(fā)射裝置的晶體管。

背景技術：

日本專利申請公報no.2010-257898、peterhommelhoff、yvansortais、anoushaghajani-talesh和marka.kasevich的physicalreviewletters96，077401(2006)，和annamustonen、paulbeaud、eugeniekirk、thomasfeurer和soichirotsujino的scientificreports2，p.915(2012)公開了光誘導電子發(fā)射裝置。這些電子發(fā)射裝置每一個設置有電子發(fā)射源和激光束輻照器。電子發(fā)射源設置有銳錐形金屬。在這種電子發(fā)射裝置中，當激光束從激光束輻照器輻照到錐形金屬的頂端時，光學電場被施加到錐形金屬的頂端，并且由于它的隧穿效應，從錐形金屬的頂端發(fā)射電子。

技術實現要素：

技術問題

被用作電子發(fā)射源的錐形金屬是通過加工金屬絲而制造的。為了改進電子發(fā)射效率，優(yōu)選的是減小在錐形金屬的頂端處的曲率半徑。然而，在高準確度下以這種形狀加工金屬絲在技術上是困難的。這里的說明意在提供一種易于制造的光誘導電子發(fā)射裝置。這里的說明進一步意在提供一種設置有易于制造的該光誘導電子發(fā)射裝置的晶體管。

針對該技術問題的方案

在一個實施例中，在這里公開的一種電子發(fā)射裝置包括基板和電子發(fā)射層。電子發(fā)射層被設置在基板上方。開口被布置在電子發(fā)射層中。電子發(fā)射層具有限定開口的邊緣并且配置為當該邊緣被光輻照時從該邊緣發(fā)射電子。當光被輻照到限定電子發(fā)射層的開口的邊緣并且光學電場被施加時，該電子發(fā)射裝置能夠從它的邊緣發(fā)射電子。該電子發(fā)射裝置使用電子發(fā)射層作為電子發(fā)射源，并且允許限定電子發(fā)射層的開口的邊緣用作電子發(fā)射區(qū)域。能夠易于通過在電子發(fā)射層中設置開口而獲得這種電子發(fā)射區(qū)域。由此，這個電子發(fā)射裝置能夠被評價為具有易于制造的結構。

在一個實施例中，在這里公開的一種晶體管包括基板、陰極層和陽極層。陰極層被設置在基板上方。開口被布置在陰極層中。陽極層被設置在陰極層上方。陰極層具有限定開口的邊緣并且配置為當該邊緣被光輻照時從該邊緣發(fā)射電子。當光被輻照到限定陰極層的開口的邊緣并且光學電場被施加時，該晶體管能夠從它的邊緣發(fā)射電子。從陰極層發(fā)射的電子流入陽極層中。如上，這個晶體管能夠基于光輻照控制在陰極層和陽極層之間流動的電流。晶體管使用陰極層作為電子發(fā)射源，并且允許限定陰極層的開口的邊緣用作電子發(fā)射區(qū)域。能夠易于通過在陰極層中設置開口而獲得這種電子發(fā)射區(qū)域。由此，這個晶體管能夠被評價為具有易于制造的結構。

附圖簡要說明

圖1概略地示出第一實施例的電子發(fā)射裝置的主要部分的透視圖。

圖2概略地示出第一實施例的電子發(fā)射裝置的主要部分的平面視圖。

圖3概略地示出第一實施例的變型的電子發(fā)射裝置的主要部分的平面視圖。

圖4概略地示出第一實施例的變型的電子發(fā)射裝置的主要部分的平面視圖。

圖5a示出第一實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖5b示出第一實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖5c示出第一實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖5d示出第一實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖5e示出第一實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖5f示出第一實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖6概略地示出第二實施例的電子發(fā)射裝置的主要部分的透視圖。

圖7a示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7b示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7c示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7d示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7e示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7f示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7g示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7h示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7i示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7j示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7k示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖7l示出第二實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖8概略地示出第三實施例的電子發(fā)射裝置的主要部分的透視圖。

圖9a示出第三實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖9b示出第三實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖9c示出第三實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖9d示出第三實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖9e示出第三實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖9f示出第三實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖9g示出第三實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖10概略地示出第四實施例的電子發(fā)射裝置的主要部分的透視圖。

圖11概略地示出第四實施例的變型的電子發(fā)射裝置的主要部分的平面視圖。

圖12a示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖12b示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖12c示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖12d示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖12e示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖12f示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖12g示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

圖12h示出第四實施例的電子發(fā)射裝置制造過程的步驟。

具體實施方式

將列出在這里公開的某些特征。應該指出，分別的技術元素是相互獨立的，并且每一個具有一定的技術實用性。

在這里公開的電子發(fā)射裝置的實施例可以例如被配置成場發(fā)射陣列。作為這種電子發(fā)射裝置的意圖，例如，可以例示晶體管、電子束光刻裝置，或者電子顯示裝置。電子發(fā)射裝置的實施例可以至少設置有基板和電子發(fā)射層?；宓牟牧喜槐惶貏e地限制，然而，它優(yōu)選地是半導體或者絕緣體。電子發(fā)射層設置在基板上方，并且設置有開口。電子發(fā)射層可以設置在基板上方從而直接地接觸基板的上表面，或者可以經由另一個部件設置在基板上方。電子發(fā)射層可以設置有單一開口或者多個開口。電子發(fā)射層的開口的形狀不被特別地限制，并且可以采用各種類型的形狀。此外，如果多個開口被設置在電子發(fā)射層中，則該多個開口可以被布置成條紋圖案，或者可以被布置成由多個行和列配置的柵格圖案。電子發(fā)射層被利用作為電子發(fā)射源，并且它優(yōu)選地由包含自由電子的材料制成。電子發(fā)射層的材料可以是過渡金屬諸如鉬或者鎢的單一物質，或者過渡金屬的組合物?？商娲?，電子發(fā)射層的材料可以是金屬諸如金、銀、銅、鋁或者鉑?？商娲?，電子發(fā)射層的材料可以是包含鋇的堿土金屬氧化物?？商娲?，電子發(fā)射層的材料可以是金剛石或者石墨。電子發(fā)射層被配置為當光被輻照到限定它的開口的邊緣上時從它的邊緣發(fā)射電子。由此，電子發(fā)射層優(yōu)選地是平坦薄層。

在一個實施例中，在這里公開的電子發(fā)射裝置可以進一步包括光輻照器。光輻照器被配置為朝向電子發(fā)射層輻照光。光輻照器的類型不被特別地限制，然而，可以采用半導體激光器、固體激光器或者氣體激光器作為光輻照器。這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置能夠基于來自光輻照器的光輻照控制從電子發(fā)射層的電子發(fā)射。

電子發(fā)射層的開口可以包括當沿著正交于基板的上表面的方向看時在縱向方向上延伸的形狀。在此情形中，優(yōu)選地光輻照器被配置為輻照其電場的振蕩平面正交于縱向方向的線性偏振光的激光束。這里，線性偏振光的激光束可以是連續(xù)振蕩激光，或者可以是脈動振蕩激光。這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置有效率地在限定電子發(fā)射層的開口的邊緣內在沿著縱向方向延伸的邊緣處施加光學電場，這使得促進了電場集中。結果，這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置具有高電場電子發(fā)射效率的特性。

，基板的材料可以對光輻照器的光透明。具體地，基板的材料優(yōu)選地具有光輻照器的光的至少80％或者更大的透射率。在此情形中，光輻照器優(yōu)選地被配置為允許光通過基板并且被輻照到電子發(fā)射層。在這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置中，來自光輻照器的光通過透明基板并且被輻照到電子發(fā)射層上，從而來自光輻照器的光被有效率地輻照到電子發(fā)射層上。結果，這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置能夠具有高電場電子發(fā)射效率的特性。

在一個實施例中，該電子發(fā)射裝置可以進一步包括引出電極。引出電極被設置在電子發(fā)射層上方，并且開口被布置在引出電極中。引出電極的開口位于電子發(fā)射層的開口上方。當設置這種引出電極時，當在電子發(fā)射層和引出電極之間施加電壓時，能夠根據需要使得限定電子發(fā)射層的開口的邊緣的電場強度是高的。通過在電子發(fā)射層和引出電極之間施加電壓，當不能僅僅利用由光輻照產生的光學電場執(zhí)行場電子發(fā)射時，這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置能夠執(zhí)行場電子發(fā)射。

優(yōu)選地，當沿著正交于基板的上表面的方向看時，限定電子發(fā)射層的開口的邊緣處于引出電極的開口內。當電子發(fā)射層的開口和引出電極的開口被以這種位置關系布置時，從限定電子發(fā)射層的開口的邊緣發(fā)射的電子有效率地通過引出電極的開口，并且在引出電極上方被提取。

在包括引出電極的電子發(fā)射裝置的一個實施例中，基板可以包括凸部。在此情形中，優(yōu)選地凸部的側表面的一部分被電子發(fā)射層覆蓋。此外，優(yōu)選地凸部的頂表面通過電子發(fā)射層的開口暴露。在這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置中，即使當在電子發(fā)射層和引出電極之間施加的電壓是低的時，限定電子發(fā)射層的開口的邊緣的電場強度仍然變高。由此，即使當在電子發(fā)射層和引出電極之間施加的電壓是低的時，這種類型的實施例的電子發(fā)射裝置仍然能夠執(zhí)行場電子發(fā)射。

在一個實施例中，在這里公開的晶體管可以至少包括基板、陰極層和陽極層?；宓牟牧喜槐惶貏e地限制，然而，它優(yōu)選地是半導體或者絕緣體。陰極層設置在基板上方，并且設置有開口。陰極層可以設置在基板上方從而直接地接觸基板的上表面，或者可以經由另一個部件設置在基板上方。陰極層可以設置有單一開口或者多個開口。陰極層的開口的形狀不被特別地限制。此外，如果多個開口被設置在陰極層中，則該多個開口可以被布置成條紋圖案，或者可以被布置成由多個行和列配置的柵格圖案。陰極層被利用作為電子發(fā)射源，并且它優(yōu)選地由包含自由電子的材料制成。陰極層的材料可以是過渡金屬諸如鉬或者鎢的單一物質，或者過渡金屬的組合物?？商娲?，陰極層的材料可以是金屬諸如金、銀、銅、鋁、鎢或者鉑。可替代地，陰極層的材料可以是包含鋇的堿土金屬氧化物?？商娲?，陰極層的材料可以是金剛石或者石墨。陽極層被設置在陰極層上方。陰極層被配置為當光被輻照到限定它的開口的邊緣上時從它的邊緣發(fā)射電子。由此，陰極層優(yōu)選地是平坦薄層。

在一個實施例中，在這里公開的晶體管可以進一步包括光輻照器。光輻照器被配置為朝向陰極層輻照光。光輻照器的類型不被特別地限制，然而，可以采用半導體激光器、固體激光器或者氣體激光器作為光輻照器。這種類型的實施例的晶體管能夠基于來自光輻照器的光輻照控制在陰極層和陽極層之間流動的電流。

當沿著正交于基板的上表面的方向看時，陰極層的開口可以具有沿著縱向方向延伸的形狀。在此情形中，優(yōu)選地光輻照器被配置為輻照其電場的振蕩平面正交于縱向方向的線性偏振光的激光束。這里，線性偏振光的激光束可以是連續(xù)振蕩激光，或者可以是脈動振蕩激光。這種類型的實施例的晶體管有效率地在限定陰極層的開口的邊緣內在沿著縱向方向延伸的邊緣處施加光學電場，這使得促進了電場集中。結果，這種類型的實施例的晶體管具有高電場電子發(fā)射效率的特性。

基板的材料可以對光輻照器的光是透明的。具體地，基板的材料優(yōu)選地具有光輻照器的光的至少80％的透射率。在此情形中，優(yōu)選地光輻照器被配置為通過基板朝向陰極層輻照光。在這種類型的實施例的晶體管中，來自光輻照器的光通過透明基板并且被輻照到陰極層上，從而來自光輻照器的光被有效率地輻照到陰極層上。結果，這種類型的實施例的晶體管能夠具有高電場電子發(fā)射效率的特性。

在一個實施例中，在這里公開的晶體管可以進一步包括設置在陰極層和陽極層之間的引出電極。引出電極的開口位于陰極層的開口上方。當設置這種引出電極時，通過在陰極層和引出電極之間施加電壓，能夠根據需要使得限定陰極層的開口的邊緣的電場強度是高的。通過在陰極層和引出電極之間施加電壓，當不能僅僅利用由光輻照產生的光學電場執(zhí)行場電子發(fā)射時，這種類型的實施例的晶體管能夠執(zhí)行場電子發(fā)射。

優(yōu)選地，當沿著正交于基板的上表面的方向看時，限定陰極層的開口的邊緣處于引出電極的開口內。當陰極層的開口和引出電極的開口被以這種位置關系布置時，從限定陰極層的開口的邊緣發(fā)射的電子有效率地通過引出電極的開口，并且在引出電極上方被提取。

在包括引出電極的晶體管的一個實施例中，基板可以包括凸部。在此情形中，優(yōu)選地凸部的側表面的一部分被陰極層覆蓋。此外，優(yōu)選地凸部的頂表面通過陰極層的開口暴露。在這種類型的實施例的晶體管中，即使當在陰極層和引出電極之間施加的電壓是低的時，限定陰極層的開口的邊緣的電場強度仍然變高。由此，即使當在陰極層和引出電極之間施加的電壓是低的時，這種類型的實施例的晶體管仍然能夠執(zhí)行場電子發(fā)射。

第一實施例

如在圖1中所示，電子發(fā)射裝置1是用于在真空中發(fā)射電子的裝置，并且被配置成場發(fā)射陣列。電子發(fā)射裝置1包括基板12、電子發(fā)射層14、絕緣膜16、引出電極18，和激光束輻照器20。

基板12由對從激光束輻照器20輻照的激光束透明的材料制成。如將在以后描述地，在該實例中，將從激光束輻照器20輻照的激光束的波長范圍是紅外到近紅外范圍。由此，在該實例中，碳化硅(sic)基或者氮化鎵(gan)基寬帶隙半導體、藍寶石或者氧化鎂被用作基板12的材料。

電子發(fā)射層14覆蓋基板12的上表面的一部分，并且與基板12的上表面直接接觸。電子發(fā)射層14是平坦薄層。電子發(fā)射層14被用作電子發(fā)射源。由此，包含自由電子的材料優(yōu)選地被用于電子發(fā)射層14。在該實例中，使用鎢作為電子發(fā)射層14的材料。

電子發(fā)射層14設置有多個開口14a。如在圖2中所示，電子發(fā)射層14的該多個開口14a中的每一個具有當沿著正交于基板12的上表面的方向(在下文中稱作z軸線方向)看時以它的縱向方向沿著y軸線方向延伸的矩形形狀。進而，通過沿著x軸線方向以規(guī)則間隔排列，電子發(fā)射層14的該多個開口14a在基板12的上表面上被布置成條紋圖案。特別地，圖1和2描繪了電子發(fā)射裝置1的一個主要部分，并且實際上更大數目的開口14a沿著x軸線方向排列。

絕緣膜16被設置在電子發(fā)射層14和引出電極18之間，并且與電子發(fā)射層14和引出電極18中的每一個直接接觸。絕緣膜16將電子發(fā)射層14從引出電極18電絕緣。在該實例中，氧化硅(sio2)被用作絕緣膜16的材料。

引出電極18覆蓋絕緣膜16的上表面，并且與絕緣膜16的上表面直接接觸。如將在以后描述地，通過將正電壓施加于此從而與電子發(fā)射層14產生電勢差而使用引出電極18。由此，引出電極18優(yōu)選地是導體，更加具體地，金屬。在該實例中，鉬被用作引出電極18的材料。

引出電極18設置有多個開口18a。對應于電子發(fā)射層14的該多個開口14a地，引出電極18的該多個開口18a被沿著z軸線方向設置。引出電極18的開口18a和電子發(fā)射層14的開口14a被布置成使得其對應的對通過在絕緣膜16中形成的空間連通。如在圖2中所示，引出電極18的該多個開口18a中的每一個具有當沿著z軸線方向看時以它的縱向方向沿著y軸線方向延伸的矩形形狀、具有與它對應的電子發(fā)射層14的開口14a類似的圖形，并且大于它對應的電子發(fā)射層14的開口14a。由此，當沿著z軸線方向看時，限定電子發(fā)射層14的每一個開口14a的邊緣14a位于它對應的引出電極18的開口18a內。

激光束輻照器20被布置成面朝基板12的下表面，并且被配置為通過使得激光束透過基板12而向電子發(fā)射層14輻照激光束。在該實例中，ti-藍寶石激光器被用作激光束輻照器20。由此，激光束輻照器20輻照帶有在紅外到近紅外范圍內的、大約650nm到1100nm的波長的激光束。此外，激光束輻照器20被配置為使得輻照的激光束成為對于電子發(fā)射層14的p偏振光。在該實例中，激光束輻照器20被配置為使得輻照激光束的電場的振蕩平面沿著xz平面展開。由此，激光束的電場的振蕩平面在位置上正交于電子發(fā)射層14的開口14a的縱向方向(y軸線方向)。

接著，將描述電子發(fā)射裝置1的操作。首先，在電子發(fā)射層14和引出電極18之間施加電壓從而引出電極18變得相對于電子發(fā)射層14處于正電勢。由此，在限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a處的電場強度變高。在這種情況下，在電子發(fā)射層14和引出電極18之間施加的電壓被設定為使得在電子發(fā)射層14的邊緣14a處的電場強度變成10⁷v/cm或者更低。

電子發(fā)射裝置1使用來自激光束輻照器20的激光束控制從電子發(fā)射層14的電子發(fā)射。當來自激光束輻照器20的激光束不被輻照到電子發(fā)射層14時，如上所述在電子發(fā)射層14的邊緣14a處的電場強度是10⁷v/cm或者更低，并且因此不從電子發(fā)射層14發(fā)射電子。在另一方面，當來自激光束輻照器20的激光束被輻照到電子發(fā)射層14時，光學電場在電子發(fā)射層14的邊緣14a上迭加，并且在電子發(fā)射層14的邊緣14a處的電場強度變高。進而，在電子發(fā)射層14的邊緣14a處產生等離子體共振，并且在電子發(fā)射層14的邊緣14a處的電場強度變高。當來自激光束輻照器20的激光束被輻照到電子發(fā)射層14時，利用前述現象，在電子發(fā)射層14的邊緣14a處的電場強度升高到足以用于場電子發(fā)射的值。結果，存在于電子發(fā)射層14中的電子利用量子力學隧穿效應穿過真空屏障，并且被從電子發(fā)射層14的邊緣14a在真空中發(fā)射。從電子發(fā)射層14發(fā)射的電子通過引出電極18的開口18a，并且被提取到引出電極18上方的空間中。

如上所述，電子發(fā)射裝置1操作以當來自激光束輻照器20的激光束被輻照到電子發(fā)射層14時從電子發(fā)射層14的邊緣14a執(zhí)行電子發(fā)射，并且當來自激光束輻照器20的激光束不被輻照到電子發(fā)射層14時停止從電子發(fā)射層14的邊緣14a的電子發(fā)射。因為電子發(fā)射裝置1能夠使用來自激光束輻照器20的激光束控制場電子發(fā)射，所以它具有針對電噪聲是健壯的并且能夠快速操作的特性。此外，施加到電子發(fā)射裝置1的唯一電壓處于電子發(fā)射層14和引出電極18之間，在此處利用絕緣膜16確保了絕緣。電子發(fā)射裝置1能夠利用簡單的配置確保絕緣，因此它還具有高可靠性的特性。

在電子發(fā)射裝置1中，限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a用作電子發(fā)射區(qū)域。由此，利用更薄的電子發(fā)射層14，電子發(fā)射層14的邊緣14a的曲率半徑變得更小，并且在電子發(fā)射層14的邊緣14a處電場集中能夠得到促進。如果電子發(fā)射層14的邊緣14a的曲率半徑是小的，則能夠有效率地通過來自激光束輻照器20的激光束的輻照發(fā)射電子。只是通過調節(jié)電子發(fā)射層14的厚度，電子發(fā)射裝置1便能夠調節(jié)用作電子發(fā)射區(qū)域的電子發(fā)射層14的邊緣14a的曲率半徑。如上，電子發(fā)射裝置1能夠通過在電子發(fā)射層14中形成開口14a的簡單過程配置高度有效率的電子發(fā)射區(qū)域。電子發(fā)射裝置1帶有具有能夠易于制造的結構的特性。特別地，電子發(fā)射層14的邊緣14a的厚度只是需要是能夠由此執(zhí)行場電子發(fā)射的厚度，從而根據要求的性能，它被適當地調節(jié)。在一個實例中，電子發(fā)射層14的邊緣14a的厚度優(yōu)選地是大約10到100nm。此外，為了減小電子發(fā)射層14的邊緣14a的厚度，整個電子發(fā)射層14的厚度可以變薄，或者可替代地，根據需要，僅僅電子發(fā)射層14的邊緣14a可以變薄，并且其它部分可以保持是厚的。

如上所述，電子發(fā)射裝置1被配置為使得來自激光束輻照器20的激光束通過基板12并且被輻照到電子發(fā)射層14。由此，來自激光束輻照器20的激光束能夠被有效率地輻照到電子發(fā)射層14而不被其它部件阻礙。

在電子發(fā)射裝置1中，從激光束輻照器20輻照的激光束是相對于電子發(fā)射層14被p偏振的光，并且激光束的電場的振蕩平面在位置上正交于電子發(fā)射層14的開口14a的縱向方向(y軸線方向)。由此，由從激光束輻照器20輻照的激光束產生的光學電場有效率地在限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a內在沿著y軸線方向延伸的每一對邊緣14a上迭加。在電子發(fā)射裝置1中，因為電子發(fā)射層14的開口14a具有縱向方向沿著y軸線方向的矩形形狀，所以在y軸線方向上延伸的每一對邊緣14a以細長形狀形成。由此，電子發(fā)射裝置1能夠在細長的成對邊緣14a處執(zhí)行場電子發(fā)射，從而能夠高效率地執(zhí)行場電子發(fā)射。

此外，為了進一步改進場電子發(fā)射的效率，如在圖2中所示，優(yōu)選地使得在限定電子發(fā)射層14的每一個開口14a的每一對邊緣14a之間的距離(在下文中稱作電子發(fā)射層14的開口寬度14w)相對于來自激光束輻照器20的激光束的波長是短的。在該實例中，電子發(fā)射層14的開口寬度14w優(yōu)選地是大約300到1000nm。如果電子發(fā)射層14的開口寬度14w比來自激光束輻照器20的激光束的波長更短，則能夠抑制激光束超過電子發(fā)射層14并且到達引出電極18中，并且在引出電極18中的發(fā)熱能夠受到抑制。進而，如果電子發(fā)射層14的開口寬度14w是短的，則由于電子發(fā)射層14的邊緣14a用作被以高密度布置的電子發(fā)射區(qū)域，電子發(fā)射裝置1能夠高度有效率地執(zhí)行場電子發(fā)射。

此外，在電子發(fā)射裝置1中，電子發(fā)射層14與基板12的上表面形成直接接觸。在這種實施例中，基板12優(yōu)選地是半絕緣性材料。例如，基板12的材料優(yōu)選地是帶有高電阻的寬帶隙半導體，諸如碳化硅或者氮化鎵。在此情形中，由在電子發(fā)射層14和引出電極18之間施加的電壓形成的等電勢線被彎曲從而穿過電子發(fā)射層14的開口14a并且進入基板12中。如上，如與電子發(fā)射層14的下部處于真空中的情形相比，只要基底材料具有大于1的介電常數，等電勢線便穿過電子發(fā)射層14的開口14a并且深深地彎曲到基板12中。由此，在限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a處電場集中得到增強，并且場電子發(fā)射的效率得到改進。

如在圖3中所示，當沿著z軸線方向看時，電子發(fā)射層14的開口14a的形狀可以在沿著y軸線方向延伸的每一對邊緣14a上包括多個直角角部?？商娲?，如在圖4中所示并且沿著z軸線方向看，電子發(fā)射層14的開口14a的形狀可以在沿著y軸線方向延伸的每一對邊緣14a上包括多個銳角部分。這種直角或者銳角部分允許曲率半徑進一步降低，從而導致進一步增強電場集中，并且場電子發(fā)射的效率進一步得到改進。

接著，將參考圖5a到5f描述制造電子發(fā)射裝置1的方法。首先，如在圖5a中所示，制備了基板12。

接著，如在圖5b中所示，使用氣相沉積技術，電子發(fā)射層14被沉積在基板12的上表面上。然后，通過使用光刻技術，光掩模42在電子發(fā)射層14的上表面上被圖案化。光掩模42被圖案化從而與將在電子發(fā)射層14上形成的開口的位置對應的區(qū)域被移除。

接著，如在圖5c中所示，使用干法蝕刻技術或者濕法蝕刻技術，電子發(fā)射層14在光掩模42的開口中暴露的部分被移除以形成開口14a，并且基板12的上表面的一部分被暴露。此后，移除光掩模42。

接著，如在圖5d中所示，使用cvd技術，絕緣膜16被沉積在電子發(fā)射層14的上表面上。然后，使用氣相沉積技術，引出電極18被沉積在絕緣膜16的上表面上。

接著，如在圖5e中所示，使用光刻技術和蝕刻技術，引出電極18的一部分被移除以形成開口18a，并且絕緣膜16的上表面的一部分被暴露。

接著，如在圖5f中所示，使用濕法蝕刻技術，在引出電極18的開口18a內側暴露的絕緣膜16被移除。氟化氫被用作蝕刻劑溶液。由此，絕緣膜16的一部分被移除，并且電子發(fā)射層14的開口14a和引出電極18的開口18a由此連通。最后，附接激光束輻照器20，結果完成了電子發(fā)射裝置1。

第二實施例

圖6示出第二實施例的電子發(fā)射裝置2。特別地，與圖1的電子發(fā)射裝置1基本相同的構成特征將被賦予相同的附圖標記，并且其說明將省略。

在電子發(fā)射裝置2中，具有平臺狀臺階形狀的多個凸部12a被設置在基板12的上表面上。每一個凸部12a的側表面部分地被電子發(fā)射層14覆蓋。每一個凸部的頂表面通過電子發(fā)射層14的相應的開口14a暴露。由此，限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a被配置成朝向引出電極18突出。

在這個電子發(fā)射裝置2中，當在電子發(fā)射層14和引出電極18之間施加電壓時，在限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a處電場強度變得比電子發(fā)射裝置1的更強。由此，即便在電子發(fā)射層14和引出電極18之間施加的電壓是低的，電子發(fā)射裝置2仍然能夠高度有效率地執(zhí)行場電子發(fā)射。因為在電子發(fā)射層14和引出電極18之間施加的電壓能夠被抑制為是低的，所以電子發(fā)射裝置2能夠抑制介質擊穿，并且高可靠性能夠得以實現。

接著，將參考圖7a到7l描述制造電子發(fā)射裝置2的方法。首先，如在圖7a中所示，制備基板12。

接著，如在圖7b中所示，通過使用光刻技術，光掩模44在基板12的上表面上被圖案化。光掩模44被圖案化從而它們保留于與將在基板12的上表面上形成的凸部的位置對應的區(qū)域中。

接著，如在圖7c中所示，使用干法蝕刻技術或者濕法蝕刻技術，基板12的上表面被處理以形成具有平臺狀臺階形狀的凸部12a。

接著，如在圖7d中所示，光掩模44被移除。

接著，如在圖7e中所示，使用氣相沉積技術，電子發(fā)射層14被沉積在基板12的上表面上。電子發(fā)射層14完全地覆蓋包括凸部12a的側表面和頂表面的、基板12的上表面。

接著，如在圖7f中所示，使用cvd技術，掩模46被沉積在電子發(fā)射層14的上表面上。掩模46的材料例如是氧化硅。特別地，在這個沉積步驟中，為了有利于隨后的回蝕步驟，掩模46的上表面優(yōu)選地是平坦的。由此，將被沉積的掩模46優(yōu)選地具有優(yōu)良的流動性并且包含磷或者硼添加劑?？商娲?，可以在已經沉積掩模46之后執(zhí)行用于平坦化掩模46的上表面的熱處理步驟?？商娲?，可以在已經沉積掩模46之后使用cmp技術平坦化掩模46的上表面。

接著，如在圖7g中所示，掩模46被回蝕直至使用干法蝕刻技術或者濕法蝕刻技術暴露覆蓋基板12的凸部12a的側表面的電子發(fā)射層14。

接著，如在圖7h中所示，使用干法蝕刻技術或者濕法蝕刻技術，電子發(fā)射層14的、不被掩模46覆蓋的部分被移除以形成開口14a，并且基板12的凸部12a的側表面和頂表面的一部分被暴露。

接著，如在圖7i中所示，使用干法蝕刻技術或者濕法蝕刻技術，掩模46被移除。

接著，如在圖7j中所示，使用cvd技術，絕緣膜16被沉積在電子發(fā)射層14的上表面上。然后，使用氣相沉積技術，引出電極18被沉積在絕緣膜16的上表面上。

接著，如在圖7k中所示，使用光刻技術和蝕刻技術，引出電極18的一部分被移除以形成開口18a，并且絕緣膜16的上表面的一部分被暴露。

接著，如在圖7l中所示，使用濕法蝕刻技術，在引出電極18的開口18a內側暴露的絕緣膜16被移除。氟化氫被用作蝕刻劑溶液。由此，絕緣膜16的一部分被移除，并且電子發(fā)射層14的開口14a和引出電極18的開口18a由此連通。最后，附接激光束輻照器20，結果完成了電子發(fā)射裝置2。

第三實施例

圖8示出第三實施例的電子發(fā)射裝置3。特別地，與圖1的電子發(fā)射裝置1基本相同的構成特征將被賦予相同的附圖標記，并且其說明將省略。

電子發(fā)射裝置3包括設置在基板12和電子發(fā)射層14之間的下側絕緣膜13。氧化硅(sio2)被用作下側絕緣膜13的材料。下側絕緣膜13在電子發(fā)射層14的開口14a下面的部分被選擇性地移除。由此，通過與其它部件相比突出，在真空中在檐狀狀態(tài)中設置了限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a。

例如，在圖1所示電子發(fā)射裝置1中，如果絕緣體被用作基板12的材料，則基板12的屏蔽效應(由此等電勢線不從電子發(fā)射層14的開口14a進入基板12中的效應)減弱了在限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a處的電場強度。在另一方面，在本實施例的電子發(fā)射裝置3中，在真空中在檐狀狀態(tài)中設置限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a，它具有使得等電勢線從電子發(fā)射層14的開口14a進入并且與基板12的材料無關地向下行進的結構。如上，電子發(fā)射裝置3具有增加關于基板12的材料的選擇自由度的特性。

接著，如在圖9a到9g中所示，將描述制造電子發(fā)射裝置3的方法。首先，如在圖9a中所示，制備基板12。

接著，如在圖9b中所示，使用cvd技術，下側絕緣膜13被沉積在基板12的上表面上。然后，使用氣相沉積技術，電子發(fā)射層14被沉積在下側絕緣膜13的上表面上。

接著，如在圖9c中所示，通過使用光刻技術，光掩模48在電子發(fā)射層14的上表面上被圖案化。光掩模48被圖案化從而與將在電子發(fā)射層14上形成的開口的位置對應的區(qū)域被移除。

接著，如在圖9d中所示，使用干法蝕刻技術或者濕法蝕刻技術，電子發(fā)射層14在光掩模48的開口中暴露的部分被移除以形成開口14a，并且下側絕緣膜13的上表面的一部分被暴露。此后，光掩模48被移除。

接著，如在圖9e中所示，使用cvd技術，絕緣膜16被沉積在電子發(fā)射層14的上表面上。然后，使用氣相沉積技術，引出電極18被沉積在絕緣膜16的上表面上。

接著，如在圖9f中所示，使用光刻技術和蝕刻技術，引出電極18的一部分被移除以形成開口18a，并且絕緣膜16的上表面的一部分被暴露。

接著，如在圖9g中所示，使用濕法蝕刻技術，在引出電極18的開口18a內側暴露的絕緣膜16被移除。氟化氫被用作蝕刻劑溶液。當絕緣膜16的這些部分被移除并且電子發(fā)射層14被暴露時，蝕刻同樣朝向在電子發(fā)射層14的開口14a內側暴露的下側絕緣膜13進行。由此，絕緣膜16的這些部分被移除并且電子發(fā)射層14的開口14a和引出電極18的開口18a連通，并且下側絕緣膜13的一部分也被移除并且限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a變得與其它部件相比突出。最后，附接激光束輻照器20，結果完成了電子發(fā)射裝置3。

第四實施例

圖10示出具有三極管配置并且設置有電子發(fā)射裝置的晶體管4。特別地，與圖1的電子發(fā)射裝置1基本相同的構成特征將被賦予相同的附圖標記，并且其說明將省略。

除了電子發(fā)射裝置，晶體管4進一步包括上側絕緣膜32和陽極層34。在晶體管4中，在電子發(fā)射層14(用作晶體管4中的陰極層)和陽極層34之間的空間是真空狀態(tài)。

上側絕緣膜32被設置在引出電極18和陽極層34之間，并且與引出電極18和陽極層34中的每一個直接接觸。上側絕緣膜32將引出電極18從陽極層34電絕緣。在該實例中，氧化硅(sio2)被用作上側絕緣膜32的材料。

陽極層34覆蓋上側絕緣膜32的上表面，并且與上側絕緣膜32的上表面直接接觸。陽極層34通過上側絕緣膜32中的空間與引出電極18的開口18a連通。從電子發(fā)射層14的邊緣14a發(fā)射的電子流入陽極層34中。由此，陽極層34優(yōu)選地是導體，并且更加具體地，金屬。在該實例中，鉬被用作陽極層34的材料。

接著，將描述晶體管4的操作。首先，在電子發(fā)射層14和引出電極18之間以及在引出電極18和陽極層34之間施加電壓從而引出電極18變得相對于電子發(fā)射層14處于正電勢并且陽極層34變得相對于引出電極18處于正電勢。在一個實例中，0v(地電勢)被施加到電子發(fā)射層14，+100v被施加到引出電極18，并且+110v被施加到陽極層34。因為引出電極18相對于電子發(fā)射層14具有正電勢，所以在限定電子發(fā)射層14的開口14a的邊緣14a處電場強度變高。在這個情況下，在電子發(fā)射層14和引出電極18之間施加的電壓被設定為使得在電子發(fā)射層14的邊緣14a處的電場強度變成10⁷v/cm或者更低。

晶體管4使用來自激光束輻照器20的激光束控制從陽極層34流動到電子發(fā)射層14的電流。當來自激光束輻照器20的激光束不被輻照到電子發(fā)射層14時，如上所述在電子發(fā)射層14的邊緣14a處電場強度是10⁷v/cm或者更低，并且因此不從電子發(fā)射層14發(fā)射電子。在另一方面，當來自激光束輻照器20的激光束被輻照到電子發(fā)射層14時，光學電場在電子發(fā)射層14的邊緣14a上迭加，并且在電子發(fā)射層14的邊緣14a處電場強度變高。進而，在電子發(fā)射層14的邊緣14a處產生等離子體共振，并且在電子發(fā)射層14的邊緣14a處的電場強度變高。當來自激光束輻照器20的激光束被輻照到電子發(fā)射層14時，利用前述現象，在電子發(fā)射層14的邊緣14a處電場強度升高到足以用于場電子發(fā)射的值。結果，存在于電子發(fā)射層14中的電子利用量子力學隧穿效應穿過真空屏障，并且被從電子發(fā)射層14的邊緣14a在真空中發(fā)射。從電子發(fā)射層14發(fā)射的電子通過引出電極18的開口18a，并且流入陽極層34中。由此，電流從陽極層34朝向電子發(fā)射層14流動。

如上所述，晶體管4操作以通過當來自激光束輻照器20的激光束被輻照到電子發(fā)射層14時從電子發(fā)射層14的邊緣14a發(fā)射電子而使得電流流動，并且通過當來自激光束輻照器20的激光束不被輻照到電子發(fā)射層14時停止從電子發(fā)射層14的邊緣14a的電子發(fā)射而停止電流。晶體管4能夠通過使用來自激光束輻照器20的激光束進行控制以通斷從陽極層34流動到電子發(fā)射層14的電流。如上，因為晶體管4能夠使用來自激光束輻照器20的激光束控制電流，所以它具有對于電噪聲是健壯的并且能夠快速操作的特性。此外，施加到晶體管4的唯一電壓處于電子發(fā)射層14和引出電極18之間并且在引出電極18和陽極層34之間，在此處利用絕緣膜16和上側絕緣膜32確保了絕緣。晶體管4能夠利用簡單的配置確保絕緣，因此它還具有高可靠性的特性。

此外，晶體管4維持在電子發(fā)射層14和陽極層34之間的空間處于真空狀態(tài)中。由此，從電子發(fā)射層14的邊緣14a發(fā)射的電子經歷從電子發(fā)射層14到陽極層34的沖猾導。因此，在晶體管4中，諸如在其中電子通過半導體進行傳導的晶體管中，在導通電阻和依賴于雜質濃度的耐電壓性之間不存在任何折中關系。晶體管4能夠實現極低的導通電阻和極高的耐電壓性這兩者。此外，在使用半導體的晶體管中，帶有盡可能少的晶體缺陷的高質量半導體基板的研發(fā)是必須的。然而，使用真空狀態(tài)的晶體管4不存在這種材料研發(fā)負擔。進而，晶體管4具有即使在高溫狀態(tài)下它的操作仍然穩(wěn)定的特性。

具有三極管配置的晶體管4在類似于其中電流并不飽和的靜電感應型晶體管(sit)的模式下操作。如果它應該在類似于場效應晶體管(fet)的模式中操作，如在圖11中所示，則可以采用具有其中屏蔽電極(屏柵極)33在引出電極18和陽極層34之間插入的四極管配置的晶體管5。屏蔽電極33被第一上側絕緣膜32a從引出電極18電絕緣，并且被第二上側絕緣膜32b從陽極層34電絕緣。多個開口33a被設置在屏蔽電極33中。屏蔽電極33的開口33a中的每一個被沿著z軸線設置以與它在引出電極18的該多個開口18a中的對應的一個相對準。屏蔽電極33的開口33a和引出電極18的開口18a被布置成通過設置在第一上側絕緣膜32a中的空間連通。屏蔽電極33的開口33a和陽極層34被布置成通過設置在第二上側絕緣膜32b中的空間連通。

在晶體管5中，例如，0v(地電勢)被施加到電子發(fā)射層14，+100v被施加到引出電極18，0v(地電勢)被施加到屏蔽電極33，并且+2到3v被施加到陽極層34。在這種條件下，晶體管5能夠使用來自激光束輻照器20的激光束控制從陽極層34流動到電子發(fā)射層14的電流的通斷，并且它的操作模式是類似于場效應晶體管(fet)的操作模式。

接著，如在圖12a到12h中所示，將描述晶體管4的制造方法。首先，如在圖12a中所示，制備基板12。

接著，如在圖12b中所示，使用氣相沉積技術，電子發(fā)射層14被沉積在基板12的上表面上。然后，通過使用光刻技術，光掩模52在電子發(fā)射層14的上表面上被圖案化。光掩模52被圖案化從而與將在電子發(fā)射層14上形成的開口的位置對應的區(qū)域被移除。

接著，如在圖12c中所示，使用干法蝕刻技術或者濕法蝕刻技術，電子發(fā)射層14在光掩模52的開口中暴露的部分被移除以形成開口14a，并且基板12的上表面的一部分被暴露。此后，光掩模52被移除。

接著，如在圖12d中所示，使用cvd技術，絕緣膜16被沉積在電子發(fā)射層14的上表面上。然后，使用氣相沉積技術，引出電極18被沉積在絕緣膜16的上表面上。

接著，如在圖12e中所示，使用光刻技術和蝕刻技術，引出電極18的一部分被移除以形成開口18a，并且絕緣膜16的上表面的一部分被暴露。

接著，如在圖12f中所示，使用cvd技術，上側絕緣膜32被沉積在引出電極18的上表面上。然后，使用氣相沉積技術，陽極層34被沉積在上側絕緣膜32的上表面上。

接著，如在圖12g中所示，使用光刻技術和蝕刻技術，陽極層34的一部分被移除以形成開口34a，并且上側絕緣膜32的上表面的一部分被暴露。陽極層34的開口34a優(yōu)選地沿著引出電極18的開口18a的縱向方向(圖10的y軸線方向)以恒定周期形成。更加優(yōu)選地，陽極層34的開口34a以是引出電極18的開口18a的開口寬度(沿著圖10的x軸線方向的寬度)的兩倍或者三倍的周期沿著引出電極18的開口18a的縱向方向形成。

接著，如在圖12h中所示，使用濕法蝕刻技術，上側絕緣膜32在陽極層34的開口34a中暴露的部分被移除。氟化氫被用作蝕刻劑溶液。當上側絕緣膜32的這些部分被移除并且引出電極18被暴露時，蝕刻朝向在引出電極18的開口18a內側暴露的絕緣膜16進行。由此，上側絕緣膜32的這些部分被移除并且引出電極18的開口18a和陽極層34連通，并且絕緣膜16的一部分也被移除并且電子發(fā)射層14的開口14a和引出電極18的開口18a連通。特別地，在上側絕緣膜32和絕緣膜16中形成的空間的形狀依賴于多么稠密地設置陽極層34的開口34a。由此，優(yōu)選地以前述配置設置陽極層34的開口34a。最后，附接激光束輻照器20，結果完成晶體管4。

已經詳細描述了本發(fā)明的具體實例，然而，這些只是示例性的示意并且因此并不限制權利要求的范圍。在權利要求中描述的技術包括以上提出的具體實例的修改和變型。在說明書和附圖中描述的技術特征可以單獨地或者以各種組合的形式在技術上是有用的，并且不限于如最初地要求受到保護的組合。此外，在說明書和附圖中描述的技術可以同時地實現多個目標，并且其技術意義在于實現這種目標中的任何一個。