(57)【要約】電子放出装置（１０）を提供する。本装置は、少なくとも１つのカソード電極（１２Ａ）と少なくとも１つのアノード電極（１２Ｂ）とを含む電極構成（１２）を有し、カソード電極およびアノード電極は離間配置される。本装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことによりカソード電極からの電子放出を引き起こすよう構成され、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
2007534138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを離間配置してなる電極構成を有し、
前記少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝して前記カソード電極から電子放出を引き起こすよう構成されるとともに、光電子放出スイッチング装置として動作可能である、電子放出装置。
【請求項２】
前記カソード電極および前記アノード電極は、ガス媒体ギャップにより離間配置される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記カソード電極および前記アノード電極は、真空ギャップにより離間配置される、請求項１記載の装置。
【請求項４】
ガス圧力は、前記カソードから前記アノードに加速する電子の平均自由行程が前記カソード電極と前記アノード電極との間のギャップ長より大きくなるよう十分低く選択される、請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記電極構成は、離間配置された前記アノード電極のアレイを有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記電極構成は、離間配置されたカソード電極のアレイを有する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
アノード電流に作用することにより前記カソード電極と前記アノード電極との間の電流を制御するように動作可能であり、
前記アノード電流は、前記カソード電極の一定の照射を保持しながらそれらの間の電位差を変化させることと、前記カソード電極および前記アノード電極の間に一定の電位差を保持しながら前記カソードの照射を変化させることと、の少なくともいずれかを実行することにより、作用される、請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記電極構成は、前記カソード電極と前記アノード電極とから電気的に絶縁された少なくとも１つの追加の電極を含む、請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記追加の電極は、前記カソード電極および前記アノード電極の間に配置されグリッドとして構成される、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記追加の電極は、前記カソード電極と前記アノード電極とが配置された面から離間された面に収容される、請求項８または請求項９記載の装置。
【請求項１１】
各電極は異なる面に配置される、請求項８または請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの追加の電極は、前記カソード電極とアノード電極との間の電流を制御するよう動作可能である、請求項８から請求項１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記カソードの照射ならびに前記カソード電極および前記アノード電極の間の一定の電位差を保持しながら前記少なくとも１つの追加の電極への印加電圧を変化させることにより、前記カソード電極および前記アノード電極の間の電流を制御し、これにより前記アノード電流に作用するよう動作可能である、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの追加の電極への印加電圧および前記カソードの照射を変化させることにより、前記カソード電極および前記アノード電極の間の電流を制御し、これにより前記アノード電流に作用するように動作可能である、請求項１２記載の装置。
【請求項１５】
前記カソード電極は、鋭端部を有する部分とともに形成される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記カソードから電子放出を引き起こす前記励起照射を含む波長範囲で動作可能な照射アセンブリを有する、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記照射アセンブリは、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、連続波レーザ装置、パルスレーザ装置、少なくとも１つの非線形水晶、および少なくとも１つの発光ダイオードのうち少なくともいずれかを含む、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記照射アセンブリは、Ｈｇランプを含む、請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記照射アセンブリは、Ｘｅランプを含む、請求項１７記載の装置。
【請求項２０】
前記カソード電極は、有機または無機の材料により被覆またはドープされる、請求項１から請求項１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
各電極は、金属材料よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
各電極は、半導体材料よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
前記カソード電極および前記アノード電極の一方は金属よりなり、他方は半導体材料よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２４】
前記カソード電極および前記アノード電極の一方は金属よりなり、他方は金属および半導体の混合物よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２５】
前記カソード電極および前記アノード電極は、反対の磁気モーメント方向を有する点で異なる強磁性体よりなり、これにより前記装置は、スピンバルブとして動作可能であり、前記カソード電極および前記アノード電極の一方を、スピンアップ状態とスピンダウン状態との間で移行させることにより前記装置を非動作位置と動作位置との間で移行させる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２６】
前記電極構成に外部磁界を印加するよう動作可能な磁界発生源を有し、前記外部磁界の印加により、前記カソード電極および前記アノード電極の一方をスピンアップ状態とスピンダウン状態との間で移行させる、請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
前記カソード電極は、非強磁性の金属または半導体よりなり、前記アノード電極は、強磁性体よりなり、前記装置は、前記照射の偏光を変化させることにより動作位置と非動作位置との間を移行可能である、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２８】
前記励起照射を含む波長範囲で動作可能な照射アセンブリを有し、前記照射アセンブリは、様々な偏光光を生成するよう構成される、請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
前記カソード電極は、非強磁性の金属または半導体よりなり、前記アノード電極は、強磁性体よりなり、前記装置は、前記アノード電極をスピンアップ高透過状態とスピンダウン高透過状態との間で移行させることにより異なる動作モード間を移行可能である、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項３０】
前記カソード電極は、前記カソードからの電子放出を引き起こす励起照射を含む波長範囲に対し透明な基板上に配置され、これにより前記透明基板を通して前記カソード電極の照射を可能にする、請求項１から請求項２９のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
前記アノード電極は、前記カソードからの電子放出を引き起こす励起照射を含む波長範囲に対し透明な基板上に設置され、これによりアノード電極外部のアノード搭載基板の領域を通して前記カソード電極の照射を可能にする、請求項１から請求項３０のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
前記アノード電極は、前記カソードからの電子放出を引き起こす励起照射を含む波長範囲に対して透明であり、これにより前記アノード電極を通して前記カソード電極の照射を可能にする、請求項１から請求項３１のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
前記電極構成は、前記カソード電極および前記アノード電極をそれぞれ搭載するための第１基板層および第２基板層と、前記カソード電極および前記アノード電極の間にギャップを画定するようパターン化された、前記第１基板層および前記第２基板層の間のスペーサ層構造と、を有する集積化構造である、請求項１から請求項３２のいずれかに記載の装置。
【請求項３４】
前記第１基板は、離間配置された前記カソード電極のアレイを搭載する、請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
前記第２基板は、離間配置された前記アノード電極のアレイを搭載する、請求項３３または請求項３４記載の装置。
【請求項３６】
前記スペーサ層構造は、少なくとも１つの誘電材料層を有する、請求項３３から請求項３５のいずれかに記載の装置。
【請求項３７】
前記スペーサ層構造は、第１誘電体層および第２誘電体層と、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の間の導電層と、を有し、パターン化された前記導電層は、追加の電極を画定する、請求項３６記載の装置。
【請求項３８】
前記スペーサ層構造は、それぞれの前記カソード電極および前記アノード電極の間で各々離間されたギャップのアレイを画定するようパターン化される、請求項３４から請求項３７のいずれかに記載の装置。
【請求項３９】
電子放出装置を光電子放出スイッチング装置として動作させる方法であって、
一定の励起放射によりカソード電極を照射してカソード電極からアノード電極への電子放出を引き起こす工程と、
前記カソードの照射を制御可能に変化させることと、前記カソード電極および前記アノード電極の間の電界を制御可能に変化させることと、の少なくともいずれかによって、スイッチングに作用する工程と、を有する方法。
【請求項４０】
少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを有する少なくとも１つのユニットを含む電極構成を有し、
前記カソード電極および前記アノード電極は、離間配置され、それらの間のガス媒体ギャップの長さは、前記ガス媒体の電子の平均自由行程を実質的に超過しない、電子放出装置。
【請求項４１】
前記カソード電極および前記アノード電極の間の前記ギャップの長さは、実質８００ｎｍを超過しない、請求項４０記載の装置。
【請求項４２】
前記カソード電極および前記アノード電極の間の前記ギャップの長さは、約数十ナノメータである、請求項４０記載の装置。
【請求項４３】
前記カソード電極および前記アノード電極の間の前記ギャップの長さは、数十ナノメータから数百ナノメータである、請求項４０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオードまたはトライオード構造等の電子放出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオードおよびトライオードの装置はエレクトロニクスにおいて広く使用されている。これら装置の中のある分類においては、真空マイクロエレクトロニクスの原理が利用される。すなわち、その動作は、真空における電子の軌道運動（ballistic movement）に基づく（非特許文献１、非特許文献２）。真空マイクロエレクトロニクスの原理によると、非常に高い電界（１Ｖ／ｎｍ以上）が局部的に印加されると、電界放射により電子がカソード電極から放出され障壁電位を通り抜ける（非特許文献３）。
【０００３】
特許文献１は、電界放射冷陰極を有する真空マイクロ装置を開示している。この装置は第１電極と第２電極とを備え、第１電極は、鋭端部を有する突出部を有する。絶縁膜は、突出部の鋭端部を除く第１電極の領域に形成され、第２電極は、突出部の鋭端部を除く絶縁膜上の領域に形成される。構造基板は、第１電極の下面に接合され、第１電極の下面との接合面に凹部を有する。当該凹部は、第１電極の下面に形成された突出部の鋭端部を反映する凹部を覆うのに十分な大きさを有する。構造基板に形成された凹部の内部は、装置外部の大気と連通している。支持構造は、第２電極の表面に形成され、第１電極に形成された各突出部を包囲する。この構造により、空洞による特性変動を抑制できるとともに長時間にわたり優れた信頼性を実現できる真空マイクロ装置を提供することができる。
【０００４】
別分類のトライオード（トランジスタ）は、「固体マイクロエレクトロニクス」の原理に基づいた半導体装置であり、電荷キャリアが固体内に閉じ込められ、格子との相互作用による損傷を受ける（非特許文献４）。この種の装置においては、電流は半導体内で伝導されるので、電子の移動速度は結晶格子またはその内部の不純物に作用される。半導体に基づくアクティブ電子装置の根本的な欠点は、電子の搬送が半導体結晶格子により妨害されることであり、これにより装置の小型化とスイッチング速度とが制限される。
【０００５】
真空マイクロ電子装置は、固体マイクロ電子装置を上回る潜在的な利点を有する。真空マイクロ電子装置は、金属および誘電体のみに基づくものであるため、危険な環境条件（温度、照射など）に対し高い耐性を有する。これらの装置においては、電子速度が格子との相互作用により制限を受けないため、非常に高い動作周波数を得ることができる（非特許文献５）。一般に、真空マイクロ電子装置は、低出力コンダクタンス、高電圧および高電力処理能力等の優れた出力回路（電力供給ループ）特性を有する。しかしながら、これらの入力回路（制御ループ）特性は比較的劣悪であり、低い電流能力、低トランスコンダクタンス、高変調／ターンオン電圧、および劣悪な雑音特性を有する。この結果、当該分野における膨大な研究努力にもかかわらず、これらの装置は、特にＲＦ信号増幅器およびＲＦ信号源としての、極めて少数の応用を見出したのみである（非特許文献６）。
【０００６】
現在のエレクトロニクスのほとんどは、Ｓｉまたは化合物半導体ベースの構造からなる装置に基づいている。これらの装置の固有抵抗のため、当該装置中の電子の伝送により熱が生じる。この熱は、与えられた面積当たりの集積回路内のトランジスタの数を最大化する際に主要な障害となる。
【０００７】
マイクロチップ（microtip）型真空トランジスタを利用する半導体装置が開発されている。ここでは、電子は真空を移動し、従って高速に移動する。それ故、真空トランジスタは超高速動作が可能である。しかしながら、これらの装置は不安定であり、寿命が比較的短く、かつその動作には比較的高電圧を要とするという不利な点がある。
【０００８】
特許文献２は、真空電界トランジスタ（ＶＦＴ：Vacuum Field Transistor）を表しＭＯＳＦＥＴに似た平面型または縦型のトランジスタ構造を開示している。ここでは、電子が真空自由空間を移動することにより、この構造を使用する装置の高速動作を実現している。この平面型構造は、導体からなるソースおよびドレインであって、これらの間の真空チャネルを有する薄いチャネル絶縁体上に所定の距離離れて位置するソースおよびドレインと、上記ソースおよびドレインの下に、所定の幅を持って形成された、導体からなるゲートであって、チャネル絶縁体がソースとドレインとからゲートを絶縁させるように機能するゲートと、チャネル絶縁体とゲートとを下支えするための基部として機能する絶縁体とから形成される。真空電界トランジスタは、ソースと真空チャネルとの間、およびドレインと真空チャネルとの間の接触領域において低仕事関数の材料を有する。縦型構造は、チャネル絶縁体上に形成され、空洞を中心とした導電性の連続した円周状のソースと、チャネル絶縁体下に形成され、ソースを横切って延伸する導電性のゲートと、ゲートとチャネル絶縁体とを支持する基部としての機能を果たす絶縁体と、ソースを見下ろすように立ち、閉真空チャネルを形成する絶縁壁と、真空チャネル上に形成されたドレインとを有する。上記両タイプでは、適切なバイアス電圧をゲート、ソース、ドレイン間に印加することにより、電子をソースから真空チャネルを介してドレインまで電界放射することができる。
【特許文献１】米国特許第５，８３４，７９０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４３７，３６０号明細書
【非特許文献１】Brodie, Keynote address to the first international vacuum microelectronics conference, June 1988, IEEE Trans. Electron Devices, 36, 11 pt. 2 2637, 2641 (1989)
【非特許文献２】I. Brodie, C.A. Spindt, in "Advances in Electronics and Electron Physics", vol. 83 (1992), p. 1-106
【非特許文献３】R.H. Fowler, L.W. Nordheim, Proc. Royal Soc. London A119 (1928), p. 173
【非特許文献４】S.M. Sze, Physics of semiconductor devices, Interscience, 2nd edition, New York
【非特許文献５】T. Utsumi, IEEE Trans. Electron Devices, 38,10,2276 (1991)
【非特許文献６】S. Iannazzo, Solid State Electronics, 36,3,301 (1993)
【非特許文献７】Phys Rev. B, Vol.50, pp. 13054, 1994
【発明の開示】
【０００９】
新規な電子放出装置を提供することにより、一般的な電子装置の性能、特にトランジスタの性能を著しく改善するとともに、これらの装置の製造および操作を容易にする必要が当該技術分野にはある。
【００１０】
本発明による電子放出装置は新技術に基づく。この新技術により、装置内の真空環境の要件を無くすまたは少なくとも同要件を著しく軽減することが可能となり、上述の従来の同種装置と比較して、カソード電極およびアノード電極の間の距離がより大きくなり効果的な装置動作が可能となり、より安定的かつ高い電流動作が可能となり、また、実質的に大きなエネルギー散逸の影響を受けず、しかも放射に対して頑強となる。これは光電効果を利用することで実現される。これによれば、光子は、光子エネルギーが個体導電材料の仕事関数を越えることを条件としてこの導電材料から電子を放出させるために用いられる。
【００１１】
本発明の装置は電子放出スイッチング装置として構成される。「スイッチング」なる語は、当該装置を流れる電流（カソードおよびアノードの間における電流）の変化に対する作用を意味し、動作モードおよび非動作モードの間の切り替え、電流を変化させること、ならびに電流を増幅させること等の作用を含む。このようなスイッチングは、装置電極間に一定の電位差を保持しながらカソードの照射を変化させることにより、またはカソードの照射を保持しながら装置電極間の電位差を変化させることにより、またはこれら手法の組合せにより実現することができる。
【００１２】
本発明の広範な一態様によると、少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。カソード電極とアノード電極とは離間配置され、当該装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことによりカソード電極から電子放出を引き起こすよう構成され、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００１３】
第１電極と第２電極との間のギャップは、ガス媒体ギャップ（例えば空気）または真空ギャップである。上記ギャップにおけるガス圧力は、カソードからアノードへ加速する電子の平均自由行程が、カソード電極とアノード電極との間の距離より大きい（ギャップ長より長い）ということを保証するために十分低い。
【００１４】
上記電極は、金属材料または半導体材料よりなる。カソード電極は、比較的低い仕事関数または負電子親和力を有する（ダイヤモンドおよびセシウムで被覆されたガリウム砒素表面のように）ことが好ましい。これは、適切な材料で電極を作成することにより、または／およびカソード電極上に有機または無機の被覆を設ける（仕事関数を低減するダイポール層を表面上に作成する）ことにより、実現される。
【００１５】
カソード電極は、例えば、断面寸法が実質６０ｎｍを越えない（例えば半径３０ｎｍの）鋭端部を有する部分を有することができる。
【００１６】
当該装置は、スイッチング機能を実現させるよう動作する制御ユニットと関連付けられる。制御ユニットは、カソード電極の照射を保持し、カソード電極とアノード電極との間の電位差を変化させてスイッチングに作用し、これにより電極間の電流に作用するよう動作することができる。あるいは、制御ユニットは、照射アセンブリを適切に動作させることによりスイッチング機能に作用し、これにより照射の変化を引き起こし電流に作用することができる。
【００１７】
電極構成は、１つ以上のアノード電極に関連付けられた（少なくとも２つの）カソード電極のアレイ、または同じカソード電極に関連付けられた（少なくとも２つの）アノード電極のアレイを含んでよい。例えば複数のアノードと単一のカソードとの構成を考えると、制御ユニットは、カソード電極の照射を保持するとともに、カソード電極と各アノード電極との間の電位差を変化させることによりその間の電流を制御するように動作可能である。一般的には、本発明の装置では、カソード電極とアノード電極との様々な組合せを使用することができ、例えば、その電極構成は画素化構造の形態でよい。カソード電極およびアノード電極は、共有の面に収容してもよいし、異なる面にそれぞれ収容してもよい。
【００１８】
上記電極構成は、カソード電極とアノード電極とから電気的に絶縁された少なくとも１つの追加の電極（ゲート）を含んでよい。ゲート電極は板状でもよいし板状でなくとも（例えば円筒形状）よい。ゲート電極は、カソード電極とアノード電極との間に配置されたグリッドとして構成することができる。ゲート電極は、カソード電極とアノード電極との設置面から離間されかつ当該設置面に平行な面に収容してもよい。あるいはカソード電極、アノード電極およびゲート電極をすべて異なる面に設けてもよい。
【００１９】
ゲート電極を使用してカソード電極とアノード電極との間の電流を制御することができる。例えば、制御ユニットは、カソードの一定の照射を保持するとともに、ゲートへの印加電圧を変化させることによりカソードとアノードとの間の電流に作用するように動作する（カソードとアノードとの間の電位差は一定に保持したままで）。
【００２０】
電極構成は、離間配置されるとともにカソード電極とアノード電極とから電気的に絶縁されたゲート電極のアレイを含んでもよい。当該装置は例えば、様々な論理回路を実装するか、あるいは様々な電気回路を連続的にスイッチするよう動作可能である。
【００２１】
通常、本電極構成は、例えば容量を低下させるよう構成されたテトロード（tetrode）、ペントード（pentode）等、適宜任意の構成とすることができる。
【００２２】
この電極構成は、カソード電極およびゲート電極の対と関連付けられたアノード電極のアレイを含んでもよい。例えば、制御ユニットは、カソード電極の一定の照射を保持するとともに、ゲート電極への印加電圧を変化させることによりカソード電極とアノード電極との間の電流を制御するように動作する。
【００２３】
照射アセンブリは１つ以上の光源を含んでもよいし、および／または周囲光を利用してもよい。いくつかの非制限的な例では、照射アセンブリは、低圧放電ランプ（例えばＨｇランプ）、および／または高圧放電ランプ（例えばＸｅランプ）、および／または連続波レーザ装置、および／またはパルスレーザ装置（例えば高周波）、および／または少なくとも１つの非線形水晶、および／または少なくとも１つの発光ダイオードを含んでもよい。
【００２４】
カソード電極およびアノード電極は、それぞれの磁気モーメント方向が逆である点で異なる強磁性体から構成することができ、これによりスピンバルブを実現することができる（非特許文献７）。したがって、本装置は、カソード電極およびアノード電極のいずれかをスピンアップ状態とスピンダウン状態との間で移行させることにより、非動作位置と動作位置との間を移行することができる。この目的のために、本装置は、電極構成に対し外部磁界を印加するよう動作可能な磁界発生源を含む。外部磁界の印加により、電極の１つをスピンアップ状態とスピンダウン状態との間で移行させる。
【００２５】
カソード電極は、非強磁性の金属または半導体から構成することができ、アノード電極は強磁性体から構成することができる。この場合、照射アセンブリは、円偏光光を生成し、カソードからスピン偏極電子の放出を引き起こすよう構成され、動作することができる。本装置は、カソードを照射する光の偏光を変化させることにより、またはアノード電極をスピンアップ高透過状態とスピンダウン高透過状態との間で移行させることにより動作位置と非動作位置との間を移行することができる。照射光の偏光の変化は、特定の偏光の光を発光する１つ以上の光源と、発光光の光路において偏光回転子（例えばλ／４板）とを使用することにより、またはそれぞれ異なる偏光の光を発光する光源を使用して選択的にこれらの光源のいずれかを動作させることにより、実現することができる。
【００２６】
カソード電極は、カソード電極を励起するのに使用される波長範囲に対して透明な基板上に設置することができる。この場合、照射アセンブリは、この透明基板を通してカソード電極を照射するように方向付けることができる。代替的または追加的に、アノード電極（そして、可能性としてカソード電極も）を搭載する基板は透明であって、カソードの面から離間した面に設置することができ、これによりアノード外部のアノード搭載基板の領域を通して（または場合に応じて、アノード搭載基板とアノードとを通して）カソードの照射を行うことができる。
【００２７】
全般的にはナノテクノロジーの最近の発展により、特に光リソグラフィの最近の発展により、本発明の装置は、低コストのサブミクロン構造として製造することができる。電極構成は、カソード電極とアノード電極とを搭載する第１基板層と第２基板層と、第１基板層と第２基板層との間のスペーサ層構造とを含む集積化構造である。スペーサ層構造は、カソード電極およびアノード電極の間のギャップを画定するようにパターン化される。スペーサ層構造は少なくとも１つの誘電材料層を含んでよい。例えば、スペーサ層構造は、第１誘電体層と第２誘電体層とそれらの間の導電層（ゲート）とを含む。第１基板および第２基板のいずれか、または両方は、励起波長範囲に対して透明な材料から構成され、これによりカソードの照射を可能にする。
【００２８】
電極構成は、サブユニットのアレイを画定するよう構成された集積化構造であってもよい。各サブユニットは、上述のように構成される。すなわちこの集積化構造は、離間されたカソード電極のアレイを搭載する第１基板層と、離間されたアノード電極のアレイを搭載する第２基板層と、第１基板層と第２基板層との間のスペーサ層構造とを含む。スペーサ層構造は、第１の電極アレイと第２の電極アレイとの間の離間されたギャップのアレイを画定するようにパターン化される。
【００２９】
本発明の別の態様によると、離間配置された少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。当該装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより当該カソード電極から電子放出を引き起こすよう構成されるとともに、カソード電極とアノード電極との間の電流に作用することにより光電子放出スイッチング装置として動作可能である。上記スイッチングは、カソード電極の照射を変化させるかまたはカソード電極とアノード電極との間の電界を変化させることで実現される。
【００３０】
上記電界は、カソード電極とアノード電極との間の電位差を変化させることにより、または、少なくとも１つのゲート電極を使用する場合はゲート電極への印加電圧を変化させることにより変化させることができる。
【００３１】
本発明のさらに別の態様によると、離間配置された、少なくとも１つのカソード電極と、少なくとも１つのアノード電極と、少なくとも１つの追加の電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。本装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより少なくとも照射された１つのカソード電極から少なくとも１つのアノード電極へ電子放出を引き起こすよう構成される。本装置は、カソード電極とアノード電極との間の電流に作用することにより光電子放出スイッチング装置として動作可能である。上記スイッチングは、カソード電極の照射を変化させるかまたはカソード電極とアノード電極との間の電界を変化させることで実現される。
【００３２】
本発明のさらに別の態様によると、少なくとも１つのカソード電極と、少なくとも１つのアノード電極とを含む電極構成であって、カソード電極およびアノード電極がそれらの間のガス媒体ギャップにより間隔をおいて配置された電極構成を有する電子放出装置が提供される。本装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより少なくとも照射された１つのカソード電極から電子放出を引き起こすよう構成されるとともに、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３３】
本発明のさらに別の態様によると、離間配置された、少なくとも１つのカソード電極と、少なくとも１つのアノード電極と、少なくとも１つの追加の電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。本装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより少なくとも照射された１つのカソード電極から少なくとも１つのアノード電極へ電子放出を引き起こすよう構成され、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３４】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出ユニットとして動作可能な少なくとも１つの構造を含む集積化装置が提供される。上記少なくとも１つの構造は、第１基板層と第２基板層とによりそれぞれ搭載される少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含み、第１基板層と第２基板層とは少なくとも１つの誘電体層を含むスペーサ層構造により相互に離間され、上記スペーサ層構造は、カソード電極とアノード電極との間のギャップを画定するようにパターン化され、第１基板および第２基板の少なくともいずれかが、ある励起放射に対し透明な材料よりなる。これにより少なくとも１つのカソード電極の照射を可能にし、これより電子放出を引き起こす。本装置は、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３５】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出ユニットとして動作可能な少なくとも１つの構造を含む集積化装置が提供される。上記少なくとも１つの構造は、第１基板層と第２基板層とによりそれぞれ搭載される少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含み、第１基板層と第２基板層とは第１誘電体層と第２誘電体層とこれらの誘電体層間の導電層とを含むスペーサ層構造により相互に離間される。上記スペーサ層構造は、カソード電極とアノード電極との間のギャップを画定するようにパターン化され、第１基板および第２基板の少なくともいずれかは、ある励起放射に対し透明な材料で構成されることによりカソード電極の照射を可能にし、そこから電子放出を引き起こす。本装置は光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３６】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出ユニットとして動作可能な構造のアレイを有する集積化装置が提供される。本装置は、離間されたカソード電極のアレイを搭載する第１基板層と、離間されたアノード電極のアレイを搭載する第２基板層と、上記第１基板と第２基板との間のスペーサ層構造とを含む。上記スペーサ層構造は、少なくとも１つの誘電体層を含むとともに、それぞれのカソード電極とアノード電極との間に存在するギャップのアレイを画定するようにパターン化される。上記第１基板および第２基板の少なくともいずれかが、ある励起放射に対し透明な材料で構成されることによりカソード電極の照射を可能にし、そこから電子放出を引き起こす。本装置は光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３７】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出装置を光電子放出スイッチング装置として動作させる方法が提供される。本方法は、ある励起放射によりカソード電極を照射してカソード電極からアノード電極へ電子放出を引き起こす工程と、カソードの照射を制御可能に変化させることおよびカソード電極とアノード電極との間の電界を制御可能に変化させることの少なくともいずれかを行うことでスイッチングに作用する工程とを有する。
【００３８】
上に示したように、カソード電極およびアノード電極は、ガス媒体ギャップ（例えば空気、不活性ガス）により相互に離間されてよい。この装置は、光電効果を利用しても利用しなくてもよい。したがって、本装置は「ガスナノテクノロジー」と称する新技術に基づく。この技術は、真空マイクロエレクトロニクスの欠点がなく、既存の半導体に基づいたエレクトロニクスとは反対に、大きなエネルギー散逸を蒙ることがなく、しかも放射に対して頑強である。本発明のこのようなガスナノ装置により、空気または別のガス環境における電子の通路が提供される。本装置は、スイッチング装置または表示装置として構成され、動作可能である。
【００３９】
したがって、本発明のさらに別の態様によれば、離間配列された、少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを有する少なくとも１つのユニットを含む電極構成を有する電子放出装置であって、アノード電極およびカソード電極が、ガス媒体中の電子の平均自由行程を実質的に超過しないガス媒体ギャップにより相互に離間された電子放出装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明を理解し本発明が実際どのようにして実行できるかを見るために、ここでは、非制限的な例としてのみであるが添付図面を参照し好ましい実施の形態を説明する。
【００４１】
図１を参照すると、本発明の一実施の形態に従って構成された電子装置１０が概略的に例示されている。本装置は電子光電子放出スイッチング装置として構成され動作可能である。本例では、当該装置はダイオード構造の構成を有する。装置１０は、第１のカソード電極１２Ａと第２のアノード電極１２Ｂとにより形成された電極構成１２を有する。第１のカソード電極１２Ａおよび第２のアノード電極１２Ｂは、それらの間のギャップ１５により、基板１４上に離間配置される。本装置は、カソード１２Ａを励起放射に曝し、そこからアノードへの電子放出を引き起こすよう構成される。本例に示すように、本装置は、少なくともカソード電極１２Ａを照射することによりカソードからアノードへの電子放出を引き起こすように方向付けられ動作可能である照射器アセンブリ２０を含む。
【００４２】
上記スイッチング（すなわち、カソードとアノードとの間の電流に対する作用）は、カソード電極の照射と、アノード電極およびカソード電極の間への適切な電界の印加とにより制御される。例えば、カソードおよびアノードは、一定の電位差に保持されてもよく、スイッチングは、照射強度を変化させることで実現される。スイッチングを実現するための別の例は、一定の照射強度を保持しながら、電極間の電位差を変化させることによる。さらに別の例では、上記照射および電極間の電位差の両方を変化させる。照射を変化させることは、例えば発光アセンブリの動作モードを変化させること、発光光の偏光または位相を変化させること、など様々な方法で達成できることに注意されたい。装置１０は、特に、カソード電極およびアノード電極に電圧を印加するための電源ユニット２２Ａと、照射器２０を動作させる適切な照射制御ユーティリティ２２Ｂとを含む制御ユニット２２と関連付けられている。
【００４３】
カソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂは、金属または半導体の材料より作成してよい。カソード電極１２Ａは、仕事関数が低減された電極であることが好ましい。負電子親和力（ＮＥＡ）材料（例えばダイヤモンド）を使用してもよく、これにより、光電子放出を誘起するのに必要な光子エネルギー（励起エネルギー）を低減させることができる。仕事関数を低減させる別の方法は、仕事関数を低減させる有機または無機の材料（図面で点線により示された被覆１６）によりカソード電極１２Ａを被覆またはドープすることである。例えば、これは、セシウムで被覆またはドープされた、金属、マルチアルカリ、バイアルカリ、任意のＮＥＡ材料、もしくはガリウム砒素の電極を用いることができ、これにより約１〜２ｅＶの仕事関数を得ることができる。有機または無機の被覆は、カソード電極の汚染を防止する役割を果たす。
【００４４】
照射器アセンブリ２０は、装置に使用されるカソード電極用の励起照射の波長範囲を含む波長範囲で動作可能な１つ以上の光源を含むことができる。限定するものではないが、これは、低圧放電ランプ（例えばＨｇランプ）、他のランプ（例えば、高圧放電Ｘｅランプ）、連続波（ＣＷ）またはパルスレーザ装置（例えば高周波パルス）、１つ以上の非線形水晶、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）、他の光源、もしくは複数光源の組合せを用いてよい。
【００４５】
照射器アセンブリ２０により生成された光は、電極に対して直接または透明な基板１４（同図では点線で示される）を介して印加することができる。
【００４６】
カソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂは、真空またはガス媒体（例えば空気、不活性ガス）のギャップ１５により相互に離間されてよい。同図では点線で示されるように、装置１０全体、またはその電極構成だけを封入し、ガスで充填してもよい。そのガス圧力は、カソードからアノードに加速する電子の平均自由行程がカソード電極とアノード電極との間の距離（ギャップ１５の長さ）より大きいということを保証するために十分低いので、当該電極間を真空にする必要を無くすか、または少なくともその真空要件を著しく軽減することに注意されたい。例えば、カソード層とアノード層との間が１０ミクロンのギャップに対しては、数ｍＢａｒのガス圧力を使用してよい。換言すれば、電極１２Ａ、１２Ｂ間のギャップ１５の長さは、実質的にガス環境における電子の平均自由行程を超過しない。
【００４７】
しかしながら、本発明の原理（カソード照射）は、従来の真空ベースの電界放出装置において有利に用いることができ、従ってカソード電極材料の低仕事関数、および／または形状に対する要件を著しく軽減し、および／または高電界の必要性を軽減することに注意されたい。
【００４８】
図１に点線で示すように、カソード電極１２Ａは、例えば断面寸法が実質６０ｎｍを越えない（例えば約３０ｎｍ未満の半径の）非常に鋭い端部１７を有するように設計することができる。通常、このようなカソードの設計は、平らな端部のカソードと比較してより低い電位での装置動作を可能とするのに利用される。しかしながら、カソードの照射を利用することにより、鋭端部を有するカソードを作る必要が実質無くなることにも注意されたい。本発明の装置（カソードの照射が利用される）を特定種の従来の装置と比較すると、本発明の装置は、より優れた電流安定性、電極の表面効果の変化に対する低感応性、カソードとアノードとの間のより大きな距離での効果的な装置動作の実現の可能性、低電界印加、およびカソードの鋭端部の不要性等により特徴付けられる。カソードの照射を使用することにより、より低い電圧での動作が可能となる。すなわち、アノードに到達する電子のエネルギーはより低く、これによりスパッタリングや蒸着等、アノード電極に好ましくない効果が防止される。
【００４９】
図２は、トライオード構造として構成された本発明の電子光電子放出スイッチング装置１００を概略的に示す。理解を容易にするため、本発明のすべての例で共通な構成要素を識別するために同一の参照符号が用いられる。装置１００は、ギャップ１５（真空ギャップまたはガス媒体ギャップ）により相互に離間されたカソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂにより形成された電極構成１２、ならびにカソード電極およびアノード電極から電気的に絶縁されたゲート電極１２Ｃを含む。本例では、ゲート電極１２Ｃは、アノード１２Ｂ上に設置され、絶縁体１８によって離間されている。電子抽出装置（照射器）２０は、少なくともカソード電極を、直接に（同図に示すように）、または光学的に透明な基板１４を介して照射するように適合されつつ設けられる。
【００５０】
図２の構成では、電極１２Ｂおよび１２Ｃは、それぞれアノードおよびスイッチング制御素子としての機能を果たす。より具体的には、カソードおよびアノードの間の電流の変化は、カソードの一定の照射と、カソードおよびアノードの間の一定の電位差を保持しながらゲートへ選択的に電圧を印加することとにより作用される。
【００５１】
しかしながら、スイッチングは別の構成を利用することによっても実現できることに注意されたい。例えば、電極１２Ｂ、１２Ｃを入れ替えることにより、電極１２Ｂ、１２Ｃを並べて配置することにより、「ゲート」電極１２Ｃを除去するとともに電極１２Ｂ、１２Ｃ間の電圧印加によりその間の電流を制御することにより（図１の構成に示す）、および／または照射強度を変化させることにより、実現できる。
【００５２】
説明を要するまでもないが、図３Ａ〜図３Ｃは、装置１００に用いて好適な電極構成設計の複数の可能な例、但し非限定的な例を示す。
【００５３】
図４は、全体的に参照符号２００で示された、本発明の電子光電子放出スイッチング装置の別の構成を示す。ここで電極構成１２は、カソード電極１２Ａと、（通常少なくとも２つの）離間されたアノード電極１２Ｂのアレイとを含む。本例では、円弧状または円形のアレイに配置されたこのような４つのアノード電極が示される。アノード電極１２Ｂは上述のように、その間に真空またはガス媒体のギャップが用いられるかどうかに依存してカソード電極１２Ａから適切に離間される。照射器２０は、カソード層を照射するように適合され、これは本例ではカソード電極をその上に搭載する光学的に透明な基板１４を介して実現される。カソード電極およびアノード電極のそれぞれは、電源によって別々にアドレスされる。装置の動作中、制御ユニット２２は、カソード電極の一定の照射を保持する（または、制御可能に変化させる）ことによりカソード電極からの電子抽出を可能にするとともに、一定の電位差をカソード電極と各アノード電極との間へ選択的に印加させるように照射器を動作させる。これにより、データストリーム系列の作成／多重化が可能である。
【００５４】
さらに本発明の電子光電子放出スイッチング装置３００の別の構成を概略的に示す図５を参照されたい。装置３００は、電極構成１２と照射器２０とを含む。電極構成１２は、カソード電極１２Ａと、単一のアノード電極および複数のゲート電極または単一のゲート電極および複数のアノード電極のいずれかと、を含む。本例では、ゲート電極１２ＣとＮ個のアノード電極のアレイとが用いられる。５個のこのようなアノード電極１２Ｂ（１）〜１２Ｂ（５）が同図では示されている。照射器２０はカソード電極１２Ａを照射するように適合される。本例では、当該装置は、透明な基板１４を通したカソード照射が可能となるよう構成される。データストリーム系列は、カソード電極およびアノード電極に対する一定の電圧印加を保持するとともにカソード電極１２Ａの一定の照射を保持しながら（または、制御可能に照射を変化させながら）、ゲート１２Ｃへの電圧印加を変化させることにより、作成／多重化することができる。ゲート１２Ｃの電圧の変化が、カソードからアノード電極への電子の経路を決定する。ゲート１２Ｃの負電圧の絶対値を増加させることにより、電子がカソードからそれぞれアノード電極１２Ｂ（１）、１２Ｂ（２）、１２Ｂ（３）、１２Ｂ（４）、１２Ｂ（５）へ順次通過する。
【００５５】
図６は、図１で説明した装置１０として構成された電子放出装置の動作実験結果を示す。グラフＧは、照射アセンブリ（図１の参照符号２０）を動作（光オン）位置と非動作（光オフ）位置との間で移行させつつ、当該装置を流れる電流の時間変動を示す。本例では、カソード電極およびアノード電極は、互いに４５ｎｍ離間され、それらの間には４．５Ｖの電位差が保持される。
【００５６】
本発明の特徴を例示する別の実験結果を示す図７Ａ〜図７Ｃを参照されたい。
【００５７】
図７Ａは、単純な平面トライオード構造として構成された本発明の電子光電子放出スイッチング装置４００を示す。該装置は真空封止されており、光源アセンブリ（照射器）２０は、光学的に透明な基板１４を介し外部から半透明なフォトカソード１２Ａを照射するのに用いられた。電極構成１２は、さらにアノード電極１２Ｂと、カソードおよびアノードの間のグリッド形態のゲート電極１２Ｃとを含む。
【００５８】
基板１４は厚さ５００ｕｍの融解石英ガラスである。フォトカソード１２Ａは、基板１４の表面上に光電子放出被覆として作成される。フォトカソードは、Ｅビーム蒸着（０．１ｎｍ／秒）により基板上に堆積した厚さ１５ｎｍのＷ−Ｔｉ（９０％−１０％）である。ゲートグリッド１２Ｃは、径５０μｍ、ワイヤ間（中心間）スペーシング１５０μｍで離間された平行な金属ワイヤのアレイにより形成される。アノード電極１２Ｂは、銅で構成され、１０ｍｍの厚さを有する。光源２０は、有効範囲（２４０〜２８０ｎｍ）において１００ｍＷの光出力電力を有するＵＶ源（超高圧水銀ランプ）である。特別な液体導光体２１により光をフォトカソードの背面上に誘導した。電極構成１２は、セラミックの外囲器内に封止され、測定に先立って空気を外囲器から汲み出し（簡単な真空ポンプを用いて）、１０−５Ｔｏｒｒの圧力を得た。測定中、フォトカソード１２Ａは接地状態を維持した。
【００５９】
図７Ｂおよび図７Ｃは測定結果を示し、図７Ｂは、ゲートグリッド１２Ｃ上の異なる電圧に対しアノード（図７Ａ内の１２Ｂ）で測定された電圧電流特性を示し、図７Ｃは、アノード１２Ｂ上の異なる電圧に対するゲート電圧の関数としてのアノード電流を示す。図７ＢのグラフＨ１〜Ｈ１３は、０．４Ｖ、０．２Ｖ、０．０Ｖ、−０．２Ｖ、−０．４Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、−１．０Ｖ、−１．２Ｖ、−１．４Ｖ、−１．６Ｖ、−１．８Ｖ、および−２．０Ｖのゲート電圧値にそれぞれ対応する。図７ＣのグラフＲ１〜Ｒ１０は、アノード電圧１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、７０Ｖ、８０Ｖ、９０Ｖ、１００Ｖにそれぞれ対応する。
【００６０】
発明者らは、Ｗ−Ｔｉフォトカソードを例えばＣｓ−Ｓｂのようなより効率的な光電子放出材料に置き換えることにより、６桁高い電流を得ることができ、同時に可視スペクトル範囲内でＵＶ光源の代わりに簡単なＬＥＤの使用が可能となることを示した。
【００６１】
ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の別の実施の形態をさらに例示する図８Ａ〜図８Ｅを参照されたい。このような装置は様々な既知の半導体技術により製作することができる。図８Ａは、図８Ｂに示された複合ユニット装置６００の基本ユニットを示す装置５００を示す。図８Ｃ〜図８Ｅは、図８Ａの装置の動作の静電気シミュレーションを示す。
【００６２】
図８Ａに示されるように、装置５００は、電極構成１２と照射器２０とを含む。電極構成１２は、スペーサ層構造により画定されたギャップ１５により離間されたカソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂを画定する多層（スタック）構造２３であり、本例のトランジスタ構成ではゲート電極１２Ｃを含む。
【００６３】
構造２３は、高導電材料（例えば、アルミニウムまたは金）で構成されるアノード層１２Ｂを搭載する基板層Ｌ１（絶縁体材料（例えばガラス））と、誘電材料層Ｌ２（例えば約１．５μｍ厚のＳｉＯ２）と、例えば約２μｍ厚の高導電材料（例えば、アルミニウムまたは金）で構成されるゲート電極層Ｌ３と、さらなる誘電材料層Ｌ４（例えば約１．５μｍ厚のＳｉＯ２）と、励起放射のスペクトル範囲において光に対して透明な材料（例えば石英）から構成されるとともに、半透明の光電子放出材料から構成されたカソード層１２Ａ（例えば数十ナノメータの厚さ）を搭載する上部基板層Ｌ５とを含む。スペーサ層構造（誘電体およびゲート層Ｌ２〜Ｌ４）は、カソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂの間のギャップ１５を画定し、ゲートグリッド電極１２Ｃを画定するようにパターン化される。本例では、ギャップ１５は、約３μｍ幅と、高さ約５μｍの真空の溝である。
【００６４】
基板Ｌ１を搭載するアノードは透明であってもよく、また、照射はギャップ１５を介して装置のアノード側から反射性のカソードへ印加してもよいことに注意されたい。アノードがカソードの下の基板Ｌ１の全表面を占める場合、アノードも光学的に透明とされる。そうでなければ、照射は、アノード搭載領域外の基板Ｌ１の領域を介してカソードに方向付けられる。
【００６５】
装置５００は（図８Ｂの装置６００もまた同様に）他の様々な構成を用いて構成できることに注意されたい。例えば、アノードとカソードの位置を入れ替えてもよく、アノードおよびカソードのいずれか１つまたは双方が、対応する基板の全面を覆ってもよい（しかし、これははるかに高い電極間容量、したがって高周波では性能の劣化をもたらす）。上部基板層Ｌ５とその上の電極層（本例ではカソード層１２Ａ）は、ウェーハボンディング、フリップチップまたは他の技術により誘電体層Ｌ４上に配置することができる。各層の厚さおよびギャップ１５の幅は、装置の基本的な機能を損なうことなく、相互に大きく変えることができる。すべての寸法は、数桁の大きさに亘り拡大、縮小することができ、それでもなお本装置の同じ動作原理を保持することができる。
【００６６】
より高い出力電流を電子放出装置から得るためには、幾つかのこのような空洞５００を並列に、例えば４個のサブユニット５００により形成された装置６００を例示する図８Ｂに示すように一緒に接続することができる。
【００６７】
溝１５は、比較的広い（水平面に沿った寸法）、例えば数ミリメータに構成できることに注意されたい。並設されたこのような広い溝を数千個含む装置６００全体は、約１ｃｍ２の面積を占有してもよく、したがって比較的高い電流値をもたらす。積算される電流出力を獲得するためは、アノード電極１２Ｂ、カソード電極１２Ａおよびゲート電極１２Ｃは、すべて並列に接続される（同図では相互接続は示されない）。あるいは、上記の装置ユニットは、例えばフェーズドアレイを生成するために個々にアクセスすることもできる。照射器２０は単一の光源アセンブリを含んでもよく、光はユニット５００へ（例えばファイバーを介して）適切に誘導されることも注意すべきである。
【００６８】
図８Ｃ〜図８Ｅは、装置５００または装置６００のサブユニットの動作の静電気シミュレーションを示す。図解を容易にするため、電極のみ、すなわちフォトカソード１２Ａ、アノード１２Ｂおよびゲート１２Ｃが示されている。これらのシミュレーションでは、フォトカソード１２Ａは照射されて０Ｖに保持され、アノード１２Ｂは５Ｖに保持される。図８Ｃは、ゲート電圧が０Ｖのときの電子軌道（全アノード電流（full Anode current））を示す。図８Ｄは、ゲート電圧が０．７Ｖの状況を示し、図８Ｅは、−１Ｖのゲート電圧に対応する（アノード電流無し（no Anode current））。電子は、０．１５ｅＶのエネルギーＥｋで放出される。
【００６９】
トランジスタ構造におけるスピントロニック効果を利用して構成され動作可能な本発明の装置の別の実施の形態をさらに例示する図９Ａ〜図９Ｃを参照されたい。
【００７０】
図９Ａは、電極構成１２（カソード１２Ａ、アノード１２Ｂおよびゲート１２Ｃ）により形成されたトランジスタ構造と、照射器２０と、磁界源３０とを含む本発明の電子光電子放出スイッチング装置７００Ａを示す。カソード電極およびアノード電極は、それらの磁気モーメント方向が逆である点で異なる強磁性体から構成され、スピンバルブを実現している。カソードおよびアノードの両電極のスピンアップ（ＳＰＩＮ  ＵＰ）状態での動作により、信号対雑音の改善が得られる。磁界源３０を動作させて外部磁界を電極構成へ印加することにより、カソード電極またはアノード電極をスピンアップ状態とスピンダウン（ＳＰＩＮ  ＤＯＷＮ）状態との間で移行させ、こうしてトランジスタをオン状態とオフ状態との間で移行させる。
【００７１】
図９Ｂおよび図９Ｃは、カソードが非強磁性金属または半導体から構成され、アノードが強磁性体から構成された電子光電子放出スイッチング装置７００Ｂ、７００Ｃを示す。この場合、照射器２０を適切に構成し動作させ選択的に異なる偏光光をカソードに印加するとき、スピン偏極電子をカソードから放出することができる。図９Ｂの例に示されるように、照射器２０は、偏光回転子２０Ｂ（例えばλ／４板）を備えた単一の光源アセンブリ２０Ａを含む。図９Ｃの例では、照射器２０は、異なる偏光Ｐ１、Ｐ２の光を出力する２つの光源アセンブリ（ＬＳ）２１Ａ、２１Ｂをそれぞれ含む。これらの例では、トランジスタをオン状態とオフ状態との間で移行させることは、照射光の偏光を変化させることにより（すなわち、図９Ｂの例において照射光の光路にある偏光回転子２０Ｂを選択的に動作させ、または図９Ｃの例における光源２１Ａ、２１Ｂのいずれかを選択的に動作させ）、またはアノード電極をスピンアップ高透過状態とスピンダウン高透過状態との間で移行させることにより、達成される。
【００７２】
カソードとアノードとの間の電流を制御するために、図９Ｃの装置構成を用いてもよいことに注意されたい。この場合、光源２１Ａ、２１Ｂは異なる比で動作される。さらに、上述のすべての装置において、２つ以上のカソード、アノード、ゲートおよび光源を用いることができる。
【００７３】
上に示したように、カソード電極およびアノード電極の間のギャップは、真空ギャップではなくガス媒体ギャップ（例えば空気、不活性ガス）であってよい。ガス媒体ギャップの長さは、実質的にガス環境における電子の平均自由行程を超過しない。例えば、ギャップの長さは、数十ナノメータ（例えば５０ｎｍ）から数百ナノメータ（例えば８００ｎｍ）の範囲にある。
【００７４】
カソードとアノードとの間にガス媒体ギャップを有し、光電効果を持たない（例えば図１または図２の照射器２０が無い）装置構成を考えると、スイッチングは、カソード電極とアノード電極との間の電位差に作用することにより、そしてそれらの間の電流に作用することにより、またはカソードおよびアノードを一定の電位差に保持してゲートへの電圧印加に作用することにより、達成することができる。図９Ａへ戻ると、同原理は、スピンバルブを実現する光電効果を持たないこのようなガス媒体に基づいた装置に適用できるということに注意されたい。
【００７５】
当業者は、添付の請求項において、またその請求項により定義された範囲を逸脱することなく、これまで説明された本発明の実施の形態に対し様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施の形態による、ダイオード構造として動作可能な電子光電子放出スイッチング装置の概略図である。
【図２】トライオード構造として設計された本発明の別の実施の形態による電子光電子放出スイッチング装置の概略図である。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、図２の装置で使用するのに好適な電極構成設計のいくつかの例を示す。
【図４】本発明の電子光電子放出スイッチング装置の別の構成をさらに例示し、ここでは電極構成が、共通のカソード電極と関連付けられたアノード電極構成を含む。
【図５】本発明の電子光電子放出スイッチング装置のさらに別の構成を概略的に例示する。
【図６】図１の装置として構成された本発明の電子放出装置の動作実験結果を例示する。
【図７Ａ】本発明の特徴を例示する別の実験結果を示し、単純な平面トライオード構造として設計された本発明の電子光電子放出スイッチング装置を示す。
【図７Ｂ】本発明の特徴を例示する別の実験結果を示し、単純な平面トライオード構成として設計された本発明の電子光電子放出スイッチング装置の測定結果を示し、ゲートグリッドの異なる電圧に対してアノードで測定された電圧電流特性を示す。
【図７Ｃ】本発明の特徴を例示する別の実験結果を示し、単純な平面トライオード構成として設計された本発明の電子光電子放出スイッチング装置の測定結果を示し、異なるアノード電圧に対するゲート電圧の関数としてのアノード電流を示す。
【図８Ａ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ｂの複合ユニット装置の基本ユニットを表す装置を示す。
【図８Ｂ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示する。
【図８Ｃ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ａの装置の動作の静電シミュレーションを示す。
【図８Ｄ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ａの装置の動作の静電シミュレーションを示す。
【図８Ｅ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ａの装置の動作の静電シミュレーションを示す。
【図９】図９Ａ〜９Ｃは、トランジスタ構造におけるスピントロニクス効果を利用することにより構成され、動作可能な本発明の電子光電子放出スイッチング装置のさらに別の例を示す。
【図１】
2007534138.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
2007534138.tif 000012
【図８Ｂ】
2007534138.tif 000013
【図８Ｃ】
2007534138.tif 000014
【図８Ｄ】
2007534138.tif 000015
【図８Ｅ】
2007534138.tif 000016
【図９】
2007534138.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月21日(2003.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの光電子放出カソード電極（１２Ａ）と少なくとも１つのアノード電極（１２Ｂ）とを離間配置してなる電極構成（１２）を有し、
前記少なくとも１つの光電子放出カソード電極を照射アセンブリ（２０）から到来する励起照射に曝して前記カソード電極から電子放出を引き起こすよう構成され、
前記照射アセンブリおよび前記電極構成の一方または両方に動作可能に連結され、（ｉ）前記カソードの照射を制御可能に変化させることと、（ｉｉ）前記電極構成内の電界を制御可能に変化させることと、の一方または両方をそれぞれ実行することによりカソード電流に作用することによりスイッチング機能に作用する制御ユニットを有する、電子スイッチ装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ）。
【請求項２】
前記カソード電極および前記アノード電極は、ガス媒体ギャップにより離間配置される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記カソード電極および前記アノード電極は、真空ギャップにより離間配置される、請求項１記載の装置。
【請求項４】
ガス圧力は、前記カソードから前記アノードに加速する電子の平均自由行程が前記カソード電極と前記アノード電極との間のギャップ長より大きくなるよう十分低く選択される、請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記電極構成は、離間配置された前記アノード電極のアレイを有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記電極構成は、離間配置されたカソード電極のアレイを有する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記カソードおよび前記アノードの間の電位差を制御可能に変化させることにより前記アノード電流を作用する、請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記電極構成は、前記カソード電極と前記アノード電極とから電気的に絶縁された少なくとも１つの追加の電極を含む、請求項１から請求項７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記追加の電極は、前記カソード電極および前記アノード電極の間に配置されグリッドとして構成される、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記追加の電極は、前記カソード電極と前記アノード電極とが配置された面から離間された面に収容される、請求項８または請求項９記載の装置。
【請求項１１】
各電極は異なる面に配置される、請求項８または請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの追加の電極への印加電圧を制御可能に変化させることにより前記アノード電流に作用し、これにより前記電界を制御可能に変化させるよう構成され動作可能である、請求項８から請求項１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記カソードの照射ならびに前記カソード電極および前記アノード電極の間の一定の電位差を保持するよう構成され動作可能である、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記カソードの照射を制御可能に変化させ、これにより前記アノード電流に作用するよう構成され動作可能である、請求項１２記載の装置。
【請求項１５】
前記カソード電極は、鋭端部を有する部分とともに形成される、請求項１から請求項１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記カソードから電子放出を引き起こす前記励起照射を含む波長範囲で動作可能な照射アセンブリを有する、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記照射アセンブリは、低圧放電ランプ、高圧放電ランプ、連続波レーザ装置、パルスレーザ装置、少なくとも１つの非線形水晶、および少なくとも１つの発光ダイオードのうち少なくともいずれかを含む、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記照射アセンブリは、Ｈｇランプを含む、請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記照射アセンブリは、Ｘｅランプを含む、請求項１７記載の装置。
【請求項２０】
前記カソード電極は、有機または無機の材料により被覆またはドープされる、請求項１から請求項１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
各電極は、金属材料よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
各電極は、半導体材料よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
前記カソード電極および前記アノード電極の一方は金属よりなり、他方は半導体材料よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２４】
前記カソード電極および前記アノード電極の一方は金属よりなり、他方は金属および半導体の混合物よりなる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２５】
前記カソード電極および前記アノード電極は、反対の磁気モーメント方向を有する点で異なる強磁性体よりなり、これにより前記装置は、スピンバルブとして動作可能であり、前記カソード電極および前記アノード電極の一方を、スピンアップ状態とスピンダウン状態との間で移行させることにより前記装置を非動作位置と動作位置との間で移行させる、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２６】
前記カソードおよび前記アノードの相互に対する磁化を移行させることにより異なるモード間で移行可能となるよう構成される、請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
前記電極に外部磁界を印加するよう動作可能な磁界発生源を有し、前記外部磁界の印加により、前記カソード電極および前記アノード電極の一方の磁化を変化させる、請求項２５または請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
前記カソード電極は、非強磁性の金属または半導体よりなり、前記アノード電極は、強磁性体よりなり、前記装置は、前記照射の偏光を変化させることにより動作位置と非動作位置との間を移行可能である、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
前記励起照射を含む波長範囲で動作可能な前記照射アセンブリを有し、前記照射アセンブリは、様々な偏光光を生成するよう構成される、請求項２８記載の装置。
【請求項３０】
前記カソード電極は、非強磁性の金属または半導体よりなり、前記アノード電極は、強磁性体よりなり、前記装置は、前記アノード電極の磁化をスピンアップ高透過状態とスピンダウン高透過状態との間で移行させることにより異なる動作モード間を移行可能である、請求項１から請求項２０のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
前記カソード電極は、前記カソードからの電子放出を引き起こす励起照射を含む波長範囲に対し透明な基板上に配置され、これにより前記透明基板を通して前記カソード電極の照射を可能にする、請求項１から請求項３０のいずれかに記載の装置。
【請求項３２】
前記アノード電極は、前記カソードからの電子放出を引き起こす励起照射を含む波長範囲に対し透明な基板上に設置され、これによりアノード電極外部のアノード搭載基板の領域を通して前記カソード電極の照射を可能にする、請求項１から請求項３１のいずれかに記載の装置。
【請求項３３】
前記アノード電極は、前記カソードからの電子放出を引き起こす励起照射を含む波長範囲に対して透明であり、これにより前記アノード電極を通して前記カソード電極の照射を可能にする、請求項１から請求項３２のいずれかに記載の装置。
【請求項３４】
前記電極構成は、前記カソード電極および前記アノード電極をそれぞれ搭載するための第１基板層および第２基板層と、前記カソード電極および前記アノード電極の間にギャップを画定するようパターン化された、前記第１基板層および前記第２基板層の間のスペーサ層構造と、を有する集積化構造である、請求項１から請求項３３のいずれかに記載の装置。
【請求項３５】
前記第１基板は、離間配置された前記カソード電極のアレイを搭載する、請求項３４記載の装置。
【請求項３６】
前記第２基板は、離間配置された前記アノード電極のアレイを搭載する、請求項３４または請求項３５記載の装置。
【請求項３７】
前記スペーサ層構造は、少なくとも１つの誘電材料層を有する、請求項３４から請求項３６のいずれかに記載の装置。
【請求項３８】
前記スペーサ層構造は、第１誘電体層および第２誘電体層と、前記第１誘電体層および前記第２誘電体層の間の導電層と、を有し、パターン化された前記導電層は、追加の電極を画定する、請求項３７記載の装置。
【請求項３９】
前記スペーサ層構造は、それぞれの前記カソード電極および前記アノード電極の間で各々離間されたギャップのアレイを画定するようパターン化される、請求項３３から請求項３８のいずれかに記載の装置。
【請求項４０】
前記カソード電極および前記アノード電極の間の前記ギャップの長さは、実質８００ｎｍを超過しない、請求項４から請求項３９のいずれかに記載の装置。
【請求項４１】
前記カソード電極および前記アノード電極の間の前記ギャップの長さは、約数十ナノメータである、請求項４から請求項３９のいずれかに記載の装置。
【請求項４２】
前記カソード電極および前記アノード電極の間の前記ギャップの長さは、数十ナノメータから数百ナノメータである、請求項４から請求項３９のいずれかに記載の装置。
【請求項４３】
電子放出装置（１０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ）を光電子放出スイッチング装置として動作させる方法であって、
前記電子放出装置に光電子放出カソード電極（１２Ａ）を設ける工程と、
一定の励起放射により前記光電子放出カソード電極（１２Ａ）を照射して前記カソード電極からアノード電極（１２Ｂ）への電子放出を制御する工程と、
前記電子放出装置の電極間の電界を制御する工程と、
前記カソードの照射を制御可能に変化させることと、前記電極構成内の電界を制御可能に変化させることと、の少なくともいずれかにより前記アノードでの電流に作用することにより前記装置の光電子スイッチング機能に作用する工程と、を有する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイオードまたはトライオード構造等の電子放出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイオードおよびトライオードの装置はエレクトロニクスにおいて広く使用されている。これら装置の中のある分類においては、真空マイクロエレクトロニクスの原理が利用される。すなわち、その動作は、真空における電子の軌道運動（ballistic movement）に基づく（非特許文献１、非特許文献２）。真空マイクロエレクトロニクスの原理によると、非常に高い電界（１Ｖ／ｎｍ以上）が局部的に印加されると、電界放射により電子がカソード電極から放出され障壁電位を通り抜ける（非特許文献３）。
【０００３】
特許文献１は、電界放射冷陰極を有する真空マイクロ装置を開示している。この装置は第１電極と第２電極とを備え、第１電極は、鋭端部を有する突出部を有する。絶縁膜は、突出部の鋭端部を除く第１電極の領域に形成され、第２電極は、突出部の鋭端部を除く絶縁膜上の領域に形成される。構造基板は、第１電極の下面に接合され、第１電極の下面との接合面に凹部を有する。当該凹部は、第１電極の下面に形成された突出部の鋭端部を反映する凹部を覆うのに十分な大きさを有する。構造基板に形成された凹部の内部は、装置外部の大気と連通している。支持構造は、第２電極の表面に形成され、第１電極に形成された各突出部を包囲する。この構造により、空洞による特性変動を抑制できるとともに長時間にわたり優れた信頼性を実現できる真空マイクロ装置を提供することができる。
【０００４】
別分類のトライオード（トランジスタ）は、「固体マイクロエレクトロニクス」の原理に基づいた半導体装置であり、電荷キャリアが固体内に閉じ込められ、格子との相互作用による損傷を受ける（非特許文献４）。この種の装置においては、電流は半導体内で伝導されるので、電子の移動速度は結晶格子またはその内部の不純物に作用される。半導体に基づくアクティブ電子装置の根本的な欠点は、電子の搬送が半導体結晶格子により妨害されることであり、これにより装置の小型化とスイッチング速度とが制限される。
【０００５】
真空マイクロ電子装置は、固体マイクロ電子装置を上回る潜在的な利点を有する。真空マイクロ電子装置は、金属および誘電体のみに基づくものであるため、危険な環境条件（温度、照射など）に対し高い耐性を有する。これらの装置においては、電子速度が格子との相互作用により制限を受けないため、非常に高い動作周波数を得ることができる（非特許文献５）。一般に、真空マイクロ電子装置は、低出力コンダクタンス、高電圧および高電力処理能力等の優れた出力回路（電力供給ループ）特性を有する。しかしながら、これらの入力回路（制御ループ）特性は比較的劣悪であり、低い電流能力、低トランスコンダクタンス、高変調／ターンオン電圧、および劣悪な雑音特性を有する。この結果、当該分野における膨大な研究努力にもかかわらず、これらの装置は、特にＲＦ信号増幅器およびＲＦ信号源としての、極めて少数の応用を見出したのみである（非特許文献６）。
【０００６】
現在のエレクトロニクスのほとんどは、Ｓｉまたは化合物半導体ベースの構造からなる装置に基づいている。これらの装置の固有抵抗のため、当該装置中の電子の伝送により熱が生じる。この熱は、与えられた面積当たりの集積回路内のトランジスタの数を最大化する際に主要な障害となる。
【０００７】
マイクロチップ（microtip）型真空トランジスタを利用する半導体装置が開発されている。ここでは、電子は真空を移動し、従って高速に移動する。それ故、真空トランジスタは超高速動作が可能である。しかしながら、これらの装置は不安定であり、寿命が比較的短く、かつその動作には比較的高電圧を要とするという不利な点がある。
【０００８】
特許文献２は、真空電界トランジスタ（ＶＦＴ：Vacuum Field Transistor）を表しＭＯＳＦＥＴに似た平面型または縦型のトランジスタ構造を開示している。ここでは、電子が真空自由空間を移動することにより、この構造を使用する装置の高速動作を実現している。この平面型構造は、導体からなるソースおよびドレインであって、これらの間の真空チャネルを有する薄いチャネル絶縁体上に所定の距離離れて位置するソースおよびドレインと、上記ソースおよびドレインの下に、所定の幅を持って形成された、導体からなるゲートであって、チャネル絶縁体がソースとドレインとからゲートを絶縁させるように機能するゲートと、チャネル絶縁体とゲートとを下支えするための基部として機能する絶縁体とから形成される。真空電界トランジスタは、ソースと真空チャネルとの間、およびドレインと真空チャネルとの間の接触領域において低仕事関数の材料を有する。縦型構造は、チャネル絶縁体上に形成され、空洞を中心とした導電性の連続した円周状のソースと、チャネル絶縁体下に形成され、ソースを横切って延伸する導電性のゲートと、ゲートとチャネル絶縁体とを支持する基部としての機能を果たす絶縁体と、ソースを見下ろすように立ち、閉真空チャネルを形成する絶縁壁と、真空チャネル上に形成されたドレインとを有する。上記両タイプでは、適切なバイアス電圧をゲート、ソース、ドレイン間に印加することにより、電子をソースから真空チャネルを介してドレインまで電界放射することができる。
【０００９】
特許文献３は、気体または蒸気で充填された光電池を開示している。この電池は、充填物内の電子の平均自由行程以下の、カソードからの距離にグリッドを有する。アノードは、光が通過するリングから構成される。グリッドは、電子がカソードへ戻るのを防ぐように１０Ｖ以下の電位まで上げられる（好ましくは１〜５Ｖ）。充填物は、１ｍｍの水銀圧のアルゴンまたはネオンであってよい。
【００１０】
特許文献４は、非常に高速な集積化マイクロエレクトロニクス管を開示している。集積化マイクロエレクトロニクス管のアレイは、その上に鋭い針状のカソード電極が配置された板状の基板を含む。アレイの各管は、カソード電極から離間されたアノード電極を含む。各管は、約１／１００気圧から１気圧の気体を含んでおり、カソード電極の先端とアノード電極との間のスペーシングは、約０．５μｍ以下である。これらの管は、カソード電極およびアノード電極の間の気体中を移動する電子の平均自由行程がカソード電極の先端とアノード電極との間のスペーシング以上となるような電圧で動作する。
【００１１】
特許文献５は、固体電子増幅器を開示している。この微細な電圧制御型電界放射電子増幅器装置は、当該装置の電界放射電流を変調制御するために使用されそれぞれカソードインピーダンスを有する電界放射カソードの高密度なアレイから構成される。これらのインピーダンスは、光、Ｘ線、赤外線または粒子照射のような外部からの刺激に対する感応性を有するように選択されるので、電界放射電流は、制御刺激の強度に比例して空間的に変化する。この装置は、燐スクリーンまたは他の好適な反応性素子を設ける場合に固体イメージ変換器または固体イメージ増強器として機能する。
【００１２】
特許文献６は、感光性表面上に印刷する光学プリンター用の電界放射ＣＲＴを利用するプリントヘッドを開示している。アノードの開口内のカソード放射円錐体からなる複数の小さな電子セットにより、雰囲気中の電子の平均自由行程より小さいギャップを形成する。これらの電子セットは、実質的に円柱状のビームを形成するように密接に配置されることが好ましい。第３の電極は、カソードから分離されたビームを加速し整えることが好ましい。次に、このビームは、励起された蛍光膜に入射し、光を生成する。この光は、光ファイバー面材のような透過性の面材を貫通して伝送され、そこではその感光性材上に入射する。
【特許文献１】米国特許第５，８３４，７９０号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４３７，３６０号明細書
【特許文献３】英国特許第３４７５４４号明細書
【特許文献４】米国特許第４，７２１，８８５号明細書
【特許文献５】米国特許第４，９９０，７６６号明細書
【特許文献６】国際公開第９６／１０８３５号パンフレット
【非特許文献１】Brodie, Keynote address to the first international vacuum microelectronics conference, June 1988, IEEE Trans. Electron Devices, 36, 11 pt. 2 2637, 2641 (1989)
【非特許文献２】I. Brodie, C.A. Spindt, in "Advances in Electronics and Electron Physics", vol. 83 (1992), p. 1-106
【非特許文献３】R.H. Fowler, L.W. Nordheim, Proc. Royal Soc. London A119 (1928), p. 173
【非特許文献４】S.M. Sze, Physics of semiconductor devices, Interscience, 2nd edition, New York
【非特許文献５】T. Utsumi, IEEE Trans. Electron Devices, 38,10,2276 (1991)
【非特許文献６】S. Iannazzo, Solid State Electronics, 36,3,301 (1993)
【非特許文献７】Phys Rev. B, Vol.50, pp. 13054, 1994
【発明の開示】
【００１３】
新規な電子放出装置を提供することにより、一般的な電子装置の性能、特にトランジスタの性能を著しく改善するとともに、これらの装置の製造および操作を容易にする必要が当該技術分野にはある。
【００１４】
本発明による電子放出装置は新技術に基づく。この新技術により、装置内の真空環境の要件を無くすまたは少なくとも同要件を著しく軽減することが可能となり、上述の従来の同種装置と比較して、カソード電極およびアノード電極の間の距離がより大きくなり効果的な装置動作が可能となり、より安定的かつ高い電流動作が可能となり、また、実質的に大きなエネルギー散逸の影響を受けず、しかも放射に対して頑強となる。これは光電効果を利用することで実現される。これによれば、光子は、光子エネルギーが個体導電材料の仕事関数を越えることを条件としてこの導電材料から電子を放出させるために用いられる。
【００１５】
本発明の装置は電子放出スイッチング装置として構成される。「スイッチング」なる語は、当該装置を流れる電流（カソードおよびアノードの間における電流）の変化に対する作用を意味し、動作モードおよび非動作モードの間の切り替え、電流を変化させること、ならびに電流を増幅させること等の作用を含む。このようなスイッチングは、装置電極間に一定の電位差を保持しながらカソードの照射を変化させることにより、またはカソードの照射を保持しながら装置電極間の電位差を変化させることにより、またはこれら手法の組合せにより実現することができる。
【００１６】
本発明の広範な一態様によると、少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。カソード電極とアノード電極とは離間配置され、当該装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことによりカソード電極から電子放出を引き起こすよう構成され、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００１７】
第１電極と第２電極との間のギャップは、ガス媒体ギャップ（例えば空気）または真空ギャップである。上記ギャップにおけるガス圧力は、カソードからアノードへ加速する電子の平均自由行程が、カソード電極とアノード電極との間の距離より大きい（ギャップ長より長い）ということを保証するために十分低い。
【００１８】
上記電極は、金属材料または半導体材料よりなる。カソード電極は、比較的低い仕事関数または負電子親和力を有する（ダイヤモンドおよびセシウムで被覆されたガリウム砒素表面のように）ことが好ましい。これは、適切な材料で電極を作成することにより、または／およびカソード電極上に有機または無機の被覆を設ける（仕事関数を低減するダイポール層を表面上に作成する）ことにより、実現される。
【００１９】
カソード電極は、例えば、断面寸法が実質６０ｎｍを越えない（例えば半径３０ｎｍの）鋭端部を有する部分を有することができる。
【００２０】
当該装置は、スイッチング機能を実現させるよう動作する制御ユニットと関連付けられる。制御ユニットは、カソード電極の照射を保持し、カソード電極とアノード電極との間の電位差を変化させてスイッチングに作用し、これにより電極間の電流に作用するよう動作することができる。あるいは、制御ユニットは、照射アセンブリを適切に動作させることによりスイッチング機能に作用し、これにより照射の変化を引き起こし電流に作用することができる。
【００２１】
電極構成は、１つ以上のアノード電極に関連付けられた（少なくとも２つの）カソード電極のアレイ、または同じカソード電極に関連付けられた（少なくとも２つの）アノード電極のアレイを含んでよい。例えば複数のアノードと単一のカソードとの構成を考えると、制御ユニットは、カソード電極の照射を保持するとともに、カソード電極と各アノード電極との間の電位差を変化させることによりその間の電流を制御するように動作可能である。一般的には、本発明の装置では、カソード電極とアノード電極との様々な組合せを使用することができ、例えば、その電極構成は画素化構造の形態でよい。カソード電極およびアノード電極は、共有の面に収容してもよいし、異なる面にそれぞれ収容してもよい。
【００２２】
上記電極構成は、カソード電極とアノード電極とから電気的に絶縁された少なくとも１つの追加の電極（ゲート）を含んでよい。ゲート電極は板状でもよいし板状でなくとも（例えば円筒形状）よい。ゲート電極は、カソード電極とアノード電極との間に配置されたグリッドとして構成することができる。ゲート電極は、カソード電極とアノード電極との設置面から離間されかつ当該設置面に平行な面に収容してもよい。あるいはカソード電極、アノード電極およびゲート電極をすべて異なる面に設けてもよい。
【００２３】
ゲート電極を使用してカソード電極とアノード電極との間の電流を制御することができる。例えば、制御ユニットは、カソードの一定の照射を保持するとともに、ゲートへの印加電圧を変化させることによりカソードとアノードとの間の電流に作用するように動作する（カソードとアノードとの間の電位差は一定に保持したままで）。
【００２４】
電極構成は、離間配置されるとともにカソード電極とアノード電極とから電気的に絶縁されたゲート電極のアレイを含んでもよい。当該装置は例えば、様々な論理回路を実装するか、あるいは様々な電気回路を連続的にスイッチするよう動作可能である。
【００２５】
通常、本電極構成は、例えば容量を低下させるよう構成されたテトロード（tetrode）、ペントード（pentode）等、適宜任意の構成とすることができる。
【００２６】
この電極構成は、カソード電極およびゲート電極の対と関連付けられたアノード電極のアレイを含んでもよい。例えば、制御ユニットは、カソード電極の一定の照射を保持するとともに、ゲート電極への印加電圧を変化させることによりカソード電極とアノード電極との間の電流を制御するように動作する。
【００２７】
照射アセンブリは１つ以上の光源を含んでもよいし、および／または周囲光を利用してもよい。いくつかの非制限的な例では、照射アセンブリは、低圧放電ランプ（例えばＨｇランプ）、および／または高圧放電ランプ（例えばＸｅランプ）、および／または連続波レーザ装置、および／またはパルスレーザ装置（例えば高周波）、および／または少なくとも１つの非線形水晶、および／または少なくとも１つの発光ダイオードを含んでもよい。
【００２８】
カソード電極およびアノード電極は、それぞれの磁気モーメント方向が逆である点で異なる強磁性体から構成することができ、これによりスピンバルブを実現することができる（非特許文献７）。したがって、本装置は、カソード電極およびアノード電極のいずれかをスピンアップ状態とスピンダウン状態との間で移行させることにより、非動作位置と動作位置との間を移行することができる。この目的のために、本装置は、電極構成に対し外部磁界を印加するよう動作可能な磁界発生源を含む。外部磁界の印加により、電極の１つをスピンアップ状態とスピンダウン状態との間で移行させる。
【００２９】
カソード電極は、非強磁性の金属または半導体から構成することができ、アノード電極は強磁性体から構成することができる。この場合、照射アセンブリは、円偏光光を生成し、カソードからスピン偏極電子の放出を引き起こすよう構成され、動作することができる。本装置は、カソードを照射する光の偏光を変化させることにより、またはアノード電極をスピンアップ高透過状態とスピンダウン高透過状態との間で移行させることにより動作位置と非動作位置との間を移行することができる。照射光の偏光の変化は、特定の偏光の光を発光する１つ以上の光源と、発光光の光路において偏光回転子（例えばλ／４板）とを使用することにより、またはそれぞれ異なる偏光の光を発光する光源を使用して選択的にこれらの光源のいずれかを動作させることにより、実現することができる。
【００３０】
カソード電極は、カソード電極を励起するのに使用される波長範囲に対して透明な基板上に設置することができる。この場合、照射アセンブリは、この透明基板を通してカソード電極を照射するように方向付けることができる。代替的または追加的に、アノード電極（そして、可能性としてカソード電極も）を搭載する基板は透明であって、カソードの面から離間した面に設置することができ、これによりアノード外部のアノード搭載基板の領域を通して（または場合に応じて、アノード搭載基板とアノードとを通して）カソードの照射を行うことができる。
【００３１】
全般的にはナノテクノロジーの最近の発展により、特に光リソグラフィの最近の発展により、本発明の装置は、低コストのサブミクロン構造として製造することができる。電極構成は、カソード電極とアノード電極とを搭載する第１基板層と第２基板層と、第１基板層と第２基板層との間のスペーサ層構造とを含む集積化構造である。スペーサ層構造は、カソード電極およびアノード電極の間のギャップを画定するようにパターン化される。スペーサ層構造は少なくとも１つの誘電材料層を含んでよい。例えば、スペーサ層構造は、第１誘電体層と第２誘電体層とそれらの間の導電層（ゲート）とを含む。第１基板および第２基板のいずれか、または両方は、励起波長範囲に対して透明な材料から構成され、これによりカソードの照射を可能にする。
【００３２】
電極構成は、サブユニットのアレイを画定するよう構成された集積化構造であってもよい。各サブユニットは、上述のように構成される。すなわちこの集積化構造は、離間されたカソード電極のアレイを搭載する第１基板層と、離間されたアノード電極のアレイを搭載する第２基板層と、第１基板層と第２基板層との間のスペーサ層構造とを含む。スペーサ層構造は、第１の電極アレイと第２の電極アレイとの間の離間されたギャップのアレイを画定するようにパターン化される。
【００３３】
本発明の別の態様によると、離間配置された少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。当該装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより当該カソード電極から電子放出を引き起こすよう構成されるとともに、カソード電極とアノード電極との間の電流に作用することにより光電子放出スイッチング装置として動作可能である。上記スイッチングは、カソード電極の照射を変化させるかまたはカソード電極とアノード電極との間の電界を変化させることで実現される。
【００３４】
上記電界は、カソード電極とアノード電極との間の電位差を変化させることにより、または、少なくとも１つのゲート電極を使用する場合はゲート電極への印加電圧を変化させることにより変化させることができる。
【００３５】
本発明のさらに別の態様によると、離間配置された、少なくとも１つのカソード電極と、少なくとも１つのアノード電極と、少なくとも１つの追加の電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。本装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより少なくとも照射された１つのカソード電極から少なくとも１つのアノード電極へ電子放出を引き起こすよう構成される。本装置は、カソード電極とアノード電極との間の電流に作用することにより光電子放出スイッチング装置として動作可能である。上記スイッチングは、カソード電極の照射を変化させるかまたはカソード電極とアノード電極との間の電界を変化させることで実現される。
【００３６】
本発明のさらに別の態様によると、少なくとも１つのカソード電極と、少なくとも１つのアノード電極とを含む電極構成であって、カソード電極およびアノード電極がそれらの間のガス媒体ギャップにより間隔をおいて配置された電極構成を有する電子放出装置が提供される。本装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより少なくとも照射された１つのカソード電極から電子放出を引き起こすよう構成されるとともに、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３７】
本発明のさらに別の態様によると、離間配置された、少なくとも１つのカソード電極と、少なくとも１つのアノード電極と、少なくとも１つの追加の電極とを含む電極構成を有する電子放出装置が提供される。本装置は、少なくとも１つのカソード電極を励起照射に曝すことにより少なくとも照射された１つのカソード電極から少なくとも１つのアノード電極へ電子放出を引き起こすよう構成され、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３８】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出ユニットとして動作可能な少なくとも１つの構造を含む集積化装置が提供される。上記少なくとも１つの構造は、第１基板層と第２基板層とによりそれぞれ搭載される少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含み、第１基板層と第２基板層とは少なくとも１つの誘電体層を含むスペーサ層構造により相互に離間され、上記スペーサ層構造は、カソード電極とアノード電極との間のギャップを画定するようにパターン化され、第１基板および第２基板の少なくともいずれかが、ある励起放射に対し透明な材料よりなる。これにより少なくとも１つのカソード電極の照射を可能にし、これより電子放出を引き起こす。本装置は、光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００３９】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出ユニットとして動作可能な少なくとも１つの構造を含む集積化装置が提供される。上記少なくとも１つの構造は、第１基板層と第２基板層とによりそれぞれ搭載される少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを含み、第１基板層と第２基板層とは第１誘電体層と第２誘電体層とこれらの誘電体層間の導電層とを含むスペーサ層構造により相互に離間される。上記スペーサ層構造は、カソード電極とアノード電極との間のギャップを画定するようにパターン化され、第１基板および第２基板の少なくともいずれかは、ある励起放射に対し透明な材料で構成されることによりカソード電極の照射を可能にし、そこから電子放出を引き起こす。本装置は光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００４０】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出ユニットとして動作可能な構造のアレイを有する集積化装置が提供される。本装置は、離間されたカソード電極のアレイを搭載する第１基板層と、離間されたアノード電極のアレイを搭載する第２基板層と、上記第１基板と第２基板との間のスペーサ層構造とを含む。上記スペーサ層構造は、少なくとも１つの誘電体層を含むとともに、それぞれのカソード電極とアノード電極との間に存在するギャップのアレイを画定するようにパターン化される。上記第１基板および第２基板の少なくともいずれかが、ある励起放射に対し透明な材料で構成されることによりカソード電極の照射を可能にし、そこから電子放出を引き起こす。本装置は光電子放出スイッチング装置として動作可能である。
【００４１】
本発明のさらに別の態様によれば、電子放出装置を光電子放出スイッチング装置として動作させる方法が提供される。本方法は、ある励起放射によりカソード電極を照射してカソード電極からアノード電極へ電子放出を引き起こす工程と、カソードの照射を制御可能に変化させることおよびカソード電極とアノード電極との間の電界を制御可能に変化させることの少なくともいずれかを行うことでスイッチングに作用する工程とを有する。
【００４２】
上に示したように、カソード電極およびアノード電極は、ガス媒体ギャップ（例えば空気、不活性ガス）により相互に離間されてよい。この装置は、光電効果を利用しても利用しなくてもよい。したがって、本装置は「ガスナノテクノロジー」と称する新技術に基づく。この技術は、真空マイクロエレクトロニクスの欠点がなく、既存の半導体に基づいたエレクトロニクスとは反対に、大きなエネルギー散逸を蒙ることがなく、しかも放射に対して頑強である。本発明のこのようなガスナノ装置により、空気または別のガス環境における電子の通路が提供される。本装置は、スイッチング装置または表示装置として構成され、動作可能である。
【００４３】
したがって、本発明のさらに別の態様によれば、離間配列された、少なくとも１つのカソード電極と少なくとも１つのアノード電極とを有する少なくとも１つのユニットを含む電極構成を有する電子放出装置であって、アノード電極およびカソード電極が、ガス媒体中の電子の平均自由行程を実質的に超過しないガス媒体ギャップにより相互に離間された電子放出装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明を理解し本発明が実際どのようにして実行できるかを見るために、ここでは、非制限的な例としてのみであるが添付図面を参照し好ましい実施の形態を説明する。
【００４５】
図１を参照すると、本発明の一実施の形態に従って構成された電子装置１０が概略的に例示されている。本装置は電子光電子放出スイッチング装置として構成され動作可能である。本例では、当該装置はダイオード構造の構成を有する。装置１０は、第１のカソード電極１２Ａと第２のアノード電極１２Ｂとにより形成された電極構成１２を有する。第１のカソード電極１２Ａおよび第２のアノード電極１２Ｂは、それらの間のギャップ１５により、基板１４上に離間配置される。本装置は、カソード１２Ａを励起放射に曝し、そこからアノードへの電子放出を引き起こすよう構成される。本例に示すように、本装置は、少なくともカソード電極１２Ａを照射することによりカソードからアノードへの電子放出を引き起こすように方向付けられ動作可能である照射器アセンブリ２０を含む。
【００４６】
上記スイッチング（すなわち、カソードとアノードとの間の電流に対する作用）は、カソード電極の照射と、アノード電極およびカソード電極の間への適切な電界の印加とにより制御される。例えば、カソードおよびアノードは、一定の電位差に保持されてもよく、スイッチングは、照射強度を変化させることで実現される。スイッチングを実現するための別の例は、一定の照射強度を保持しながら、電極間の電位差を変化させることによる。さらに別の例では、上記照射および電極間の電位差の両方を変化させる。照射を変化させることは、例えば発光アセンブリの動作モードを変化させること、発光光の偏光または位相を変化させること、など様々な方法で達成できることに注意されたい。装置１０は、特に、カソード電極およびアノード電極に電圧を印加するための電源ユニット２２Ａと、照射器２０を動作させる適切な照射制御ユーティリティ２２Ｂとを含む制御ユニット２２と関連付けられている。
【００４７】
カソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂは、金属または半導体の材料より作成してよい。カソード電極１２Ａは、仕事関数が低減された電極であることが好ましい。負電子親和力（ＮＥＡ）材料（例えばダイヤモンド）を使用してもよく、これにより、光電子放出を誘起するのに必要な光子エネルギー（励起エネルギー）を低減させることができる。仕事関数を低減させる別の方法は、仕事関数を低減させる有機または無機の材料（図面で点線により示された被覆１６）によりカソード電極１２Ａを被覆またはドープすることである。例えば、これは、セシウムで被覆またはドープされた、金属、マルチアルカリ、バイアルカリ、任意のＮＥＡ材料、もしくはガリウム砒素の電極を用いることができ、これにより約１〜２ｅＶの仕事関数を得ることができる。有機または無機の被覆は、カソード電極の汚染を防止する役割を果たす。
【００４８】
照射器アセンブリ２０は、装置に使用されるカソード電極用の励起照射の波長範囲を含む波長範囲で動作可能な１つ以上の光源を含むことができる。限定するものではないが、これは、低圧放電ランプ（例えばＨｇランプ）、他のランプ（例えば、高圧放電Ｘｅランプ）、連続波（ＣＷ）またはパルスレーザ装置（例えば高周波パルス）、１つ以上の非線形水晶、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）、他の光源、もしくは複数光源の組合せを用いてよい。
【００４９】
照射器アセンブリ２０により生成された光は、電極に対して直接または透明な基板１４（同図では点線で示される）を介して印加することができる。
【００５０】
カソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂは、真空またはガス媒体（例えば空気、不活性ガス）のギャップ１５により相互に離間されてよい。同図では点線で示されるように、装置１０全体、またはその電極構成だけを封入し、ガスで充填してもよい。そのガス圧力は、カソードからアノードに加速する電子の平均自由行程がカソード電極とアノード電極との間の距離（ギャップ１５の長さ）より大きいということを保証するために十分低いので、当該電極間を真空にする必要を無くすか、または少なくともその真空要件を著しく軽減することに注意されたい。例えば、カソード層とアノード層との間が１０ミクロンのギャップに対しては、数ｍＢａｒのガス圧力を使用してよい。換言すれば、電極１２Ａ、１２Ｂ間のギャップ１５の長さは、実質的にガス環境における電子の平均自由行程を超過しない。
【００５１】
しかしながら、本発明の原理（カソード照射）は、従来の真空ベースの電界放出装置において有利に用いることができ、従ってカソード電極材料の低仕事関数、および／または形状に対する要件を著しく軽減し、および／または高電界の必要性を軽減することに注意されたい。
【００５２】
図１に点線で示すように、カソード電極１２Ａは、例えば断面寸法が実質６０ｎｍを越えない（例えば約３０ｎｍ未満の半径の）非常に鋭い端部１７を有するように設計することができる。通常、このようなカソードの設計は、平らな端部のカソードと比較してより低い電位での装置動作を可能とするのに利用される。しかしながら、カソードの照射を利用することにより、鋭端部を有するカソードを作る必要が実質無くなることにも注意されたい。本発明の装置（カソードの照射が利用される）を特定種の従来の装置と比較すると、本発明の装置は、より優れた電流安定性、電極の表面効果の変化に対する低感応性、カソードとアノードとの間のより大きな距離での効果的な装置動作の実現の可能性、低電界印加、およびカソードの鋭端部の不要性等により特徴付けられる。カソードの照射を使用することにより、より低い電圧での動作が可能となる。すなわち、アノードに到達する電子のエネルギーはより低く、これによりスパッタリングや蒸着等、アノード電極に好ましくない効果が防止される。
【００５３】
図２は、トライオード構造として構成された本発明の電子光電子放出スイッチング装置１００を概略的に示す。理解を容易にするため、本発明のすべての例で共通な構成要素を識別するために同一の参照符号が用いられる。装置１００は、ギャップ１５（真空ギャップまたはガス媒体ギャップ）により相互に離間されたカソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂにより形成された電極構成１２、ならびにカソード電極およびアノード電極から電気的に絶縁されたゲート電極１２Ｃを含む。本例では、ゲート電極１２Ｃは、アノード１２Ｂ上に設置され、絶縁体１８によって離間されている。電子抽出装置（照射器）２０は、少なくともカソード電極を、直接に（同図に示すように）、または光学的に透明な基板１４を介して照射するように適合されつつ設けられる。
【００５４】
図２の構成では、電極１２Ｂおよび１２Ｃは、それぞれアノードおよびスイッチング制御素子としての機能を果たす。より具体的には、カソードおよびアノードの間の電流の変化は、カソードの一定の照射と、カソードおよびアノードの間の一定の電位差を保持しながらゲートへ選択的に電圧を印加することとにより作用される。
【００５５】
しかしながら、スイッチングは別の構成を利用することによっても実現できることに注意されたい。例えば、電極１２Ｂ、１２Ｃを入れ替えることにより、電極１２Ｂ、１２Ｃを並べて配置することにより、「ゲート」電極１２Ｃを除去するとともに電極１２Ｂ、１２Ｃ間の電圧印加によりその間の電流を制御することにより（図１の構成に示す）、および／または照射強度を変化させることにより、実現できる。
【００５６】
説明を要するまでもないが、図３Ａ〜図３Ｃは、装置１００に用いて好適な電極構成設計の複数の可能な例、但し非限定的な例を示す。
【００５７】
図４は、全体的に参照符号２００で示された、本発明の電子光電子放出スイッチング装置の別の構成を示す。ここで電極構成１２は、カソード電極１２Ａと、（通常少なくとも２つの）離間されたアノード電極１２Ｂのアレイとを含む。本例では、円弧状または円形のアレイに配置されたこのような４つのアノード電極が示される。アノード電極１２Ｂは上述のように、その間に真空またはガス媒体のギャップが用いられるかどうかに依存してカソード電極１２Ａから適切に離間される。照射器２０は、カソード層を照射するように適合され、これは本例ではカソード電極をその上に搭載する光学的に透明な基板１４を介して実現される。カソード電極およびアノード電極のそれぞれは、電源によって別々にアドレスされる。装置の動作中、制御ユニット２２は、カソード電極の一定の照射を保持する（または、制御可能に変化させる）ことによりカソード電極からの電子抽出を可能にするとともに、一定の電位差をカソード電極と各アノード電極との間へ選択的に印加させるように照射器を動作させる。これにより、データストリーム系列の作成／多重化が可能である。
【００５８】
さらに本発明の電子光電子放出スイッチング装置３００の別の構成を概略的に示す図５を参照されたい。装置３００は、電極構成１２と照射器２０とを含む。電極構成１２は、カソード電極１２Ａと、単一のアノード電極および複数のゲート電極または単一のゲート電極および複数のアノード電極のいずれかと、を含む。本例では、ゲート電極１２ＣとＮ個のアノード電極のアレイとが用いられる。５個のこのようなアノード電極１２Ｂ（１）〜１２Ｂ（５）が同図では示されている。照射器２０はカソード電極１２Ａを照射するように適合される。本例では、当該装置は、透明な基板１４を通したカソード照射が可能となるよう構成される。データストリーム系列は、カソード電極およびアノード電極に対する一定の電圧印加を保持するとともにカソード電極１２Ａの一定の照射を保持しながら（または、制御可能に照射を変化させながら）、ゲート１２Ｃへの電圧印加を変化させることにより、作成／多重化することができる。ゲート１２Ｃの電圧の変化が、カソードからアノード電極への電子の経路を決定する。ゲート１２Ｃの負電圧の絶対値を増加させることにより、電子がカソードからそれぞれアノード電極１２Ｂ（１）、１２Ｂ（２）、１２Ｂ（３）、１２Ｂ（４）、１２Ｂ（５）へ順次通過する。
【００５９】
図６は、図１で説明した装置１０として構成された電子放出装置の動作実験結果を示す。グラフＧは、照射アセンブリ（図１の参照符号２０）を動作（光オン）位置と非動作（光オフ）位置との間で移行させつつ、当該装置を流れる電流の時間変動を示す。本例では、カソード電極およびアノード電極は、互いに４５ｎｍ離間され、それらの間には４．５Ｖの電位差が保持される。
【００６０】
本発明の特徴を例示する別の実験結果を示す図７Ａ〜図７Ｃを参照されたい。
【００６１】
図７Ａは、単純な平面トライオード構造として構成された本発明の電子光電子放出スイッチング装置４００を示す。該装置は真空封止されており、光源アセンブリ（照射器）２０は、光学的に透明な基板１４を介し外部から半透明なフォトカソード１２Ａを照射するのに用いられた。電極構成１２は、さらにアノード電極１２Ｂと、カソードおよびアノードの間のグリッド形態のゲート電極１２Ｃとを含む。
【００６２】
基板１４は厚さ５００ｕｍの融解石英ガラスである。フォトカソード１２Ａは、基板１４の表面上に光電子放出被覆として作成される。フォトカソードは、Ｅビーム蒸着（０．１ｎｍ／秒）により基板上に堆積した厚さ１５ｎｍのＷ−Ｔｉ（９０％−１０％）である。ゲートグリッド１２Ｃは、径５０μｍ、ワイヤ間（中心間）スペーシング１５０μｍで離間された平行な金属ワイヤのアレイにより形成される。アノード電極１２Ｂは、銅で構成され、１０ｍｍの厚さを有する。光源２０は、有効範囲（２４０〜２８０ｎｍ）において１００ｍＷの光出力電力を有するＵＶ源（超高圧水銀ランプ）である。特別な液体導光体２１により光をフォトカソードの背面上に誘導した。電極構成１２は、セラミックの外囲器内に封止され、測定に先立って空気を外囲器から汲み出し（簡単な真空ポンプを用いて）、１０−５Ｔｏｒｒの圧力を得た。測定中、フォトカソード１２Ａは接地状態を維持した。
【００６３】
図７Ｂおよび図７Ｃは測定結果を示し、図７Ｂは、ゲートグリッド１２Ｃ上の異なる電圧に対しアノード（図７Ａ内の１２Ｂ）で測定された電圧電流特性を示し、図７Ｃは、アノード１２Ｂ上の異なる電圧に対するゲート電圧の関数としてのアノード電流を示す。図７ＢのグラフＨ１〜Ｈ１３は、０．４Ｖ、０．２Ｖ、０．０Ｖ、−０．２Ｖ、−０．４Ｖ、−０．６Ｖ、−０．８Ｖ、−１．０Ｖ、−１．２Ｖ、−１．４Ｖ、−１．６Ｖ、−１．８Ｖ、および−２．０Ｖのゲート電圧値にそれぞれ対応する。図７ＣのグラフＲ１〜Ｒ１０は、アノード電圧１０Ｖ、２０Ｖ、３０Ｖ、４０Ｖ、５０Ｖ、６０Ｖ、７０Ｖ、８０Ｖ、９０Ｖ、１００Ｖにそれぞれ対応する。
【００６４】
発明者らは、Ｗ−Ｔｉフォトカソードを例えばＣｓ−Ｓｂのようなより効率的な光電子放出材料に置き換えることにより、６桁高い電流を得ることができ、同時に可視スペクトル範囲内でＵＶ光源の代わりに簡単なＬＥＤの使用が可能となることを示した。
【００６５】
ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の別の実施の形態をさらに例示する図８Ａ〜図８Ｅを参照されたい。このような装置は様々な既知の半導体技術により製作することができる。図８Ａは、図８Ｂに示された複合ユニット装置６００の基本ユニットを示す装置５００を示す。図８Ｃ〜図８Ｅは、図８Ａの装置の動作の静電気シミュレーションを示す。
【００６６】
図８Ａに示されるように、装置５００は、電極構成１２と照射器２０とを含む。電極構成１２は、スペーサ層構造により画定されたギャップ１５により離間されたカソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂを画定する多層（スタック）構造２３であり、本例のトランジスタ構成ではゲート電極１２Ｃを含む。
【００６７】
構造２３は、高導電材料（例えば、アルミニウムまたは金）で構成されるアノード層１２Ｂを搭載する基板層Ｌ１（絶縁体材料（例えばガラス））と、誘電材料層Ｌ２（例えば約１．５μｍ厚のＳｉＯ２）と、例えば約２μｍ厚の高導電材料（例えば、アルミニウムまたは金）で構成されるゲート電極層Ｌ３と、さらなる誘電材料層Ｌ４（例えば約１．５μｍ厚のＳｉＯ２）と、励起放射のスペクトル範囲において光に対して透明な材料（例えば石英）から構成されるとともに、半透明の光電子放出材料から構成されたカソード層１２Ａ（例えば数十ナノメータの厚さ）を搭載する上部基板層Ｌ５とを含む。スペーサ層構造（誘電体およびゲート層Ｌ２〜Ｌ４）は、カソード電極１２Ａおよびアノード電極１２Ｂの間のギャップ１５を画定し、ゲートグリッド電極１２Ｃを画定するようにパターン化される。本例では、ギャップ１５は、約３μｍ幅と、高さ約５μｍの真空の溝である。
【００６８】
基板Ｌ１を搭載するアノードは透明であってもよく、また、照射はギャップ１５を介して装置のアノード側から反射性のカソードへ印加してもよいことに注意されたい。アノードがカソードの下の基板Ｌ１の全表面を占める場合、アノードも光学的に透明とされる。そうでなければ、照射は、アノード搭載領域外の基板Ｌ１の領域を介してカソードに方向付けられる。
【００６９】
装置５００は（図８Ｂの装置６００もまた同様に）他の様々な構成を用いて構成できることに注意されたい。例えば、アノードとカソードの位置を入れ替えてもよく、アノードおよびカソードのいずれか１つまたは双方が、対応する基板の全面を覆ってもよい（しかし、これははるかに高い電極間容量、したがって高周波では性能の劣化をもたらす）。上部基板層Ｌ５とその上の電極層（本例ではカソード層１２Ａ）は、ウェーハボンディング、フリップチップまたは他の技術により誘電体層Ｌ４上に配置することができる。各層の厚さおよびギャップ１５の幅は、装置の基本的な機能を損なうことなく、相互に大きく変えることができる。すべての寸法は、数桁の大きさに亘り拡大、縮小することができ、それでもなお本装置の同じ動作原理を保持することができる。
【００７０】
より高い出力電流を電子放出装置から得るためには、幾つかのこのような空洞５００を並列に、例えば４個のサブユニット５００により形成された装置６００を例示する図８Ｂに示すように一緒に接続することができる。
【００７１】
溝１５は、比較的広い（水平面に沿った寸法）、例えば数ミリメータに構成できることに注意されたい。並設されたこのような広い溝を数千個含む装置６００全体は、約１ｃｍ２の面積を占有してもよく、したがって比較的高い電流値をもたらす。積算される電流出力を獲得するためは、アノード電極１２Ｂ、カソード電極１２Ａおよびゲート電極１２Ｃは、すべて並列に接続される（同図では相互接続は示されない）。あるいは、上記の装置ユニットは、例えばフェーズドアレイを生成するために個々にアクセスすることもできる。照射器２０は単一の光源アセンブリを含んでもよく、光はユニット５００へ（例えばファイバーを介して）適切に誘導されることも注意すべきである。
【００７２】
図８Ｃ〜図８Ｅは、装置５００または装置６００のサブユニットの動作の静電気シミュレーションを示す。図解を容易にするため、電極のみ、すなわちフォトカソード１２Ａ、アノード１２Ｂおよびゲート１２Ｃが示されている。これらのシミュレーションでは、フォトカソード１２Ａは照射されて０Ｖに保持され、アノード１２Ｂは５Ｖに保持される。図８Ｃは、ゲート電圧が０Ｖのときの電子軌道（全アノード電流（full Anode current））を示す。図８Ｄは、ゲート電圧が０．７Ｖの状況を示し、図８Ｅは、−１Ｖのゲート電圧に対応する（アノード電流無し（no Anode current））。電子は、０．１５ｅＶのエネルギーＥｋで放出される。
【００７３】
トランジスタ構造におけるスピントロニック効果を利用して構成され動作可能な本発明の装置の別の実施の形態をさらに例示する図９Ａ〜図９Ｃを参照されたい。
【００７４】
図９Ａは、電極構成１２（カソード１２Ａ、アノード１２Ｂおよびゲート１２Ｃ）により形成されたトランジスタ構造と、照射器２０と、磁界源３０とを含む本発明の電子光電子放出スイッチング装置７００Ａを示す。カソード電極およびアノード電極は、それらの磁気モーメント方向が逆である点で異なる強磁性体から構成され、スピンバルブを実現している。カソードおよびアノードの両電極のスピンアップ（ＳＰＩＮ  ＵＰ）状態での動作により、信号対雑音の改善が得られる。磁界源３０を動作させて外部磁界を電極構成へ印加することにより、カソード電極またはアノード電極をスピンアップ状態とスピンダウン（ＳＰＩＮ  ＤＯＷＮ）状態との間で移行させ、こうしてトランジスタをオン状態とオフ状態との間で移行させる。
【００７５】
図９Ｂおよび図９Ｃは、カソードが非強磁性金属または半導体から構成され、アノードが強磁性体から構成された電子光電子放出スイッチング装置７００Ｂ、７００Ｃを示す。この場合、照射器２０を適切に構成し動作させ選択的に異なる偏光光をカソードに印加するとき、スピン偏極電子をカソードから放出することができる。図９Ｂの例に示されるように、照射器２０は、偏光回転子２０Ｂ（例えばλ／４板）を備えた単一の光源アセンブリ２０Ａを含む。図９Ｃの例では、照射器２０は、異なる偏光Ｐ１、Ｐ２の光を出力する２つの光源アセンブリ（ＬＳ）２１Ａ、２１Ｂをそれぞれ含む。これらの例では、トランジスタをオン状態とオフ状態との間で移行させることは、照射光の偏光を変化させることにより（すなわち、図９Ｂの例において照射光の光路にある偏光回転子２０Ｂを選択的に動作させ、または図９Ｃの例における光源２１Ａ、２１Ｂのいずれかを選択的に動作させ）、またはアノード電極をスピンアップ高透過状態とスピンダウン高透過状態との間で移行させることにより、達成される。
【００７６】
カソードとアノードとの間の電流を制御するために、図９Ｃの装置構成を用いてもよいことに注意されたい。この場合、光源２１Ａ、２１Ｂは異なる比で動作される。さらに、上述のすべての装置において、２つ以上のカソード、アノード、ゲートおよび光源を用いることができる。
【００７７】
上に示したように、カソード電極およびアノード電極の間のギャップは、真空ギャップではなくガス媒体ギャップ（例えば空気、不活性ガス）であってよい。ガス媒体ギャップの長さは、実質的にガス環境における電子の平均自由行程を超過しない。例えば、ギャップの長さは、数十ナノメータ（例えば５０ｎｍ）から数百ナノメータ（例えば８００ｎｍ）の範囲にある。
【００７８】
カソードとアノードとの間にガス媒体ギャップを有し、光電効果を持たない（例えば図１または図２の照射器２０が無い）装置構成を考えると、スイッチングは、カソード電極とアノード電極との間の電位差に作用することにより、そしてそれらの間の電流に作用することにより、またはカソードおよびアノードを一定の電位差に保持してゲートへの電圧印加に作用することにより、達成することができる。図９Ａへ戻ると、同原理は、スピンバルブを実現する光電効果を持たないこのようなガス媒体に基づいた装置に適用できるということに注意されたい。
【００７９】
当業者は、添付の請求項において、またその請求項により定義された範囲を逸脱することなく、これまで説明された本発明の実施の形態に対し様々な修正および変更を加えることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施の形態による、ダイオード構造として動作可能な電子光電子放出スイッチング装置の概略図である。
【図２】トライオード構造として設計された本発明の別の実施の形態による電子光電子放出スイッチング装置の概略図である。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、図２の装置で使用するのに好適な電極構成設計のいくつかの例を示す。
【図４】本発明の電子光電子放出スイッチング装置の別の構成をさらに例示し、ここでは電極構成が、共通のカソード電極と関連付けられたアノード電極構成を含む。
【図５】本発明の電子光電子放出スイッチング装置のさらに別の構成を概略的に例示する。
【図６】図１の装置として構成された本発明の電子放出装置の動作実験結果を例示する。
【図７Ａ】本発明の特徴を例示する別の実験結果を示し、単純な平面トライオード構造として設計された本発明の電子光電子放出スイッチング装置を示す。
【図７Ｂ】本発明の特徴を例示する別の実験結果を示し、単純な平面トライオード構成として設計された本発明の電子光電子放出スイッチング装置の測定結果を示し、ゲートグリッドの異なる電圧に対してアノードで測定された電圧電流特性を示す。
【図７Ｃ】本発明の特徴を例示する別の実験結果を示し、単純な平面トライオード構成として設計された本発明の電子光電子放出スイッチング装置の測定結果を示し、異なるアノード電圧に対するゲート電圧の関数としてのアノード電流を示す。
【図８Ａ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ｂの複合ユニット装置の基本ユニットを表す装置を示す。
【図８Ｂ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示する。
【図８Ｃ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ａの装置の動作の静電シミュレーションを示す。
【図８Ｄ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ａの装置の動作の静電シミュレーションを示す。
【図８Ｅ】ミクロスケールにおける本発明の電子光電子放出スイッチング装置の実施の形態を例示し、図８Ａの装置の動作の静電シミュレーションを示す。
【図９】図９Ａ〜９Ｃは、トランジスタ構造におけるスピントロニクス効果を利用することにより構成され、動作可能な本発明の電子光電子放出スイッチング装置のさらに別の例を示す。
【国際調査報告】
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