KR100216695B1 - Enhanced electron emitter - Google Patents

Enhanced electron emitter Download PDF

Info

Publication number
KR100216695B1
KR100216695B1 KR1019940005295A KR19940005295A KR100216695B1 KR 100216695 B1 KR100216695 B1 KR 100216695B1 KR 1019940005295 A KR1019940005295 A KR 1019940005295A KR 19940005295 A KR19940005295 A KR 19940005295A KR 100216695 B1 KR100216695 B1 KR 100216695B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
diamond
electron emitter
electron
carbon
defects
Prior art date
Application number
KR1019940005295A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
재스키 제임스이.
Original Assignee
비센트 비. 인그라시아
모토로라 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 비센트 비. 인그라시아, 모토로라 인코포레이티드 filed Critical 비센트 비. 인그라시아
Priority to KR1019940005295A priority Critical patent/KR100216695B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100216695B1 publication Critical patent/KR100216695B1/en

Links

Abstract

다이아몬드형 카본층으로 형성된 전자 방출기는 방출 위치에 전기적으로 활성적인 결함을 가지는 다이아몬드 결합 구조를 가진다. 전기적으로 활성적인 결함은 개선된 포화 전류를 포함하여, 매우 낮은 일함수 및 개선된 전류 특성을 가지는 매우 얇은 전자 방출기처럼 동작한다.The electron emitter formed of the diamond-like carbon layer has a diamond bonding structure having an electrically active defect at the emission position. Electrically active defects behave like very thin electron emitters with very low work function and improved current characteristics, including improved saturation current.

Description

개선된 전자 방출기Improved electron emitter

제1도는 다이아몬드형 카본의 격자 구조를 도시한 도면.1 is a diagram showing a lattice structure of diamond-like carbon.

제2도는 다이아몬드형 재료에서 카본의 적층 구조를 도시한 도면.2 shows a lamination structure of carbon in a diamond-like material.

제3도는 전기적으로 활성 결함을 형성하는 제1타입의 진위(위치 이탈)(dislocation)를 가지는 다이아몬드형 카본의 격자 구조(lattice structure)를 도시한 도면.FIG. 3 shows a lattice structure of diamond-like carbon with a first type of authenticity that forms an electrically active defect.

제4도는 전기적으로 활성적인 결함(defect)을 형성하는 제2타입의 전위를 가지는 다이아몬드형 카본의 격자 구조를 도시한 도면.4 shows a lattice structure of diamond-like carbon having a second type of dislocation that forms an electrically active defect.

제5도는 다이아몬드 결합에서 나선(screw) 결함의 개략도.5 is a schematic representation of screw defects in diamond bonds.

제6도는 전기적으로 활성 결함을 가지는 다이아몬드형 카본층의 확대 단면도.6 is an enlarged cross-sectional view of a diamond-like carbon layer having electrically active defects.

제7도 및 제8도는 종래의 전계 방출 장치와 제6도의 장치의 전자 방출 특성을 각각 도시한 그래프.7 and 8 are graphs showing electron emission characteristics of the conventional field emission device and the device of FIG. 6, respectively.

제9도는 방출기의 반경의 변화에 따른, 다이아몬드형 카본층 표면에 결함이 있는 제6도의 장치와 유사한 장치와, 종래의 전계 방출 장치의 전자 방출을 비교하는 그래프.9 is a graph comparing the electron emission of a device similar to that of FIG. 6 with a defect in the diamond-like carbon layer surface with a change in the radius of the emitter, and a conventional field emission device.

제10도는 다이아몬드형 카본의 수소처리된 표면의 격자 구조를 도시한 도면.10 shows a lattice structure of the hydrotreated surface of diamond-like carbon.

제11도는 전기적으로 활성 결함을 가지는 다이아몬드형 카본의 수소처리된 층을 이용하는 전계 방출 장치의 단면도.11 is a cross-sectional view of a field emission device using a hydrotreated layer of diamond-like carbon with electrically active defects.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 격자 구조 20 : 환형(annulus)10 lattice structure 20 annulus

50 : 전계 방출 장치50: field emission device

본 발명은 개선된 전자 방출기 특히, 전계 방출 장치(field emission device)와 같은 장치에서 개선된 전류 특성을 가지는 전자 방출기에 관한 것이다.The present invention relates to improved electron emitters, in particular electron emitters having improved current characteristics in devices such as field emission devices.

[발명의 배경][Background of invention]

다이아몬드는 음의 전자 친화력을 가지고 있다고 알려져 있다. 또한, 다이아몬드는 음의 전자 친화력 때문에 전자를 방출하며, 몰리브덴이나 텅스텐과 같은 다른 통상적인 전자 방출기보다 훨씬 낮은 전계에서 전자를 방출한다고 알려져 있다. 이것은 현재 제어가능한 기능은 아니다. 방출기 전류는 종종 예측된 것보다 훨씬 더 낮으며 방출에 대한 모든 기준(criteria)을 가지는 것처럼 보이는 몇몇 샘플들도 종종 전자를 전혀 방출하지 않는 경우가 있다.Diamonds are known to have negative electron affinity. Diamonds are also known to emit electrons because of their negative electron affinity and emit electrons at much lower electric fields than other conventional electron emitters such as molybdenum or tungsten. This is not currently a controllable function. Emitter current is often much lower than expected and some samples that appear to have all the criteria for emission often emit no electrons at all.

가전자대와 전도대 사이의 큰 에너지 밴드갭(5.5eV) 때문에 다이아몬드 반도체내의 캐리어(carrier)의 수는 실온에서 당연히 적다. 현재 알려져 있는 도펀트들은 다이아몬드내의 이온화 에너지(1eV 정도)가 매우 크므로, +250℃ 이하에서는 전도에 거의 영향을 미치지 않는다. 그러므로, 다이아몬드의 유효 일함수가 양이고, 0.2eV 내지 0.7eV 사이에 있는 어느 일함수라고 할지라도(비록 전자 친화력이 음이라 해도) 그것의 포화 전류는 낮다. 포화 전류를 상승시키는 것이 해결해야 할 주 과제이다.Because of the large energy bandgap (5.5 eV) between the valence and conduction bands, the number of carriers in the diamond semiconductor is naturally small at room temperature. Currently known dopants have a very large ionization energy (about 1 eV) in diamond, so they have little effect on conduction below + 250 ° C. Therefore, even if the effective work function of diamond is positive and any work function between 0.2 eV and 0.7 eV (even if electron affinity is negative), its saturation current is low. Raising the saturation current is a major challenge to solve.

[발명의 개요][Overview of invention]

본 발명의 목적은 개선된 전류 특성을 가지는 전자 방출기를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an electron emitter having improved current characteristics.

본 발명의 또다른 목적은 개선된 전류 특성을 가지는 다이아몬드 또는 다이아몬드형 카본 전자 방출기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a diamond or diamond-like carbon electron emitter having improved current characteristics.

본 발명의 다른 목적은 개선된 포화 전류를 가지는 다이아몬드 또는 다이아몬드형 카본 전자 방출기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a diamond or diamond shaped carbon electron emitter with improved saturation current.

본 발명의 또 다른 목적은 개선된 전류 특성을 가지는 다이아몬드 또는 다이아몬드형 방출기를 구비한 전계 방출 장치를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a field emission device having a diamond or diamond shaped emitter having improved current characteristics.

상기 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 방출 위치에 구조상 전기적으로 활성적인 결함(defect)이 있는 소정의 구조를 가지는 재료층으로 형성된 전자 방출기를 제공한다.In order to solve the above problems and achieve the above object, the present invention provides an electron emitter formed of a layer of material having a predetermined structure with a structurally electrically active defect at an emission position.

상기 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 방출 위치에 전기적으로 활성적인 결함이 있는 다이아몬드 결합 구조를 갖춘 다이아몬드 또는 다이아몬드형 카본을 포함한 재료층으로 형성된 전자 방출기를 제공한다.In order to solve the above problems and achieve the above object, the present invention provides an electron emitter formed of a material layer comprising diamond or diamond-like carbon having a diamond bonding structure having an electrically active defect at the emission position.

상기 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전자 방출기를 규정하는 전기적으로 활성적인 결함을 가지는 다이아몬드 결합 구조를 갖춘 다이아몬드 또는 다이아몬드형 카본의 표면상에 형성된 다이아몬드 또는 다이아몬드형 카본을 포함한 재료층을 갖춘 지지 기판을 구비하는 전계 방출 장치를 제공한다.In order to solve the above problems and achieve the above object, the present invention provides a material comprising diamond or diamond-like carbon formed on the surface of the diamond or diamond-like carbon having a diamond bonding structure having an electrically active defect defining an electron emitter. A field emission device having a support substrate with layers is provided.

[양호한 실시예에 대한 기술]DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

제1도에는, 다이아몬드형 카본의 격자 구조(10)내의 사면체(tetrahedral)결합 원자가 도시되어 있다. 본 명세서에 있어서 다이아몬드형 카본은 일반적으로 SP3사면체 결합의 여유도(abundance)로 지칭되는 다이아몬드 결합으로 결합된 카본 원자에 의해 결함이 형성되는 카본으로 정의되며, 다이아몬드 뿐만 아니라 상기 다이아몬드 결합을 가지는 다른 어떠한 재료도 포함한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 흑연형 카본은 일반적으로 SP2결합의 여유도로 지칭되는 공지된 흑연 결합으로 결합된 카본 원자에 의해 격자 구조가 형성되는 결정체의 카본으로 정의되고, 흑연 뿐만 아니라 흑연 결합을 포함하는 다른 어떠한 재료도 포함한다.In FIG. 1, tetrahedral bonding atoms in the lattice structure 10 of diamond-like carbon are shown. In the present specification, diamond-like carbon is defined as carbon in which defects are formed by carbon atoms bonded by diamond bonds generally referred to as abundance of SP 3 tetrahedral bonds, and diamonds as well as other diamond-containing carbon bonds. It includes any material. In the present specification, the graphite-like carbon is typically a graphite bonds is defined as the carbon in the crystal is a lattice structure formed, as well as the graphite by a carbon atom that is bonded in a known graphite bond, it referred to free the road for SP 2 bond It includes any other material that contains.

다이아몬드와 같은 카본의 공간 격자 구조는 면심입방(face-centered cubic. fcc)이다. 상기 격자의 가장 기본 셀은 각 격자점과 연관된 0. 0. 0 과 1/4. 1/4. 1/4에서의 두 개의 동일한 카본 원자이다. 이것은 사면체 결합을 제공하며, 각 카본 원자의 가장 인접한 원자는 4개이고 다음으로 인접한 원자는 12개이며, 단위 입방체 내에는 8개의 카본 원자가 존재한다. 이러한 구조는 공유 결합의 결과이다.The spatial lattice structure of carbon such as diamond is face-centered cubic fcc. The most basic cell of the grid is 0. 0 and 1/4. 1/4. Two identical carbon atoms at 1/4. This provides tetrahedral bonds, with the closest atom of each carbon atom being four and the next adjacent atom being twelve, with eight carbon atoms present in the unit cube. This structure is the result of covalent bonds.

이러한 공유 결합 구조에 있어서, 특정 원자들 사이에는 유한한 링크(definite link)가 존재하며, 공유 전자들은 두 개의 공유 원자(즉, 확률파가 상기 원자사이에서 가장 조밀함)사이의 영역내에서 대부분의 시간을 소비한다. 이것은 음전하가 집중되어 이루어지는 결합을 생성하므로 인접한 결합은 서로 반발한다. 카본과 같은 원자가 몇 개의 결합(다이아몬드에서는 4)을 가질 때, 상기 결합은 서로에 대하여 동일한 각도로 발생하는데, 다이아몬드의 경우 상기 각은 109° 이다. 상기 공유 결합은 유도 결합(directed bond)이며 매우 강하다. 다이아몬드에서 카본 원자의 구속 에너지는 고립된 중성 원자의 경우 7.3eV이다.In this covalent bond structure, there is a finite link between certain atoms, and the covalent electrons are mostly in the region between two covalent atoms (ie, the probability wave is the most dense between the atoms). Spend time. This creates bonds where the negative charge is concentrated, so adjacent bonds repel each other. When atoms such as carbon have several bonds (4 in diamond), the bonds occur at the same angle with respect to each other, which is 109 ° for diamond. The covalent bond is a directed bond and is very strong. The confinement energy of carbon atoms in diamond is 7.3 eV for isolated neutral atoms.

제1도에 도시된 다이아몬드형 격자 구조(10)는 상기 구조내의 (111)평면이 밀포 육면체(hexagonal closely packed)(hcp) 구조의 기본 평면과 같으므로 매우 중요하다. 제2도에 있어서, (111)층(A로 표시된 원자들)이 제공되는데, 제2유사층(B로 표시된 원자)이 상부에 배열되며, 이 구조는 hcp와 차이가 없다. 즉, 상기 구조는 면심입방 또는 밀포 육면체가 된다. 제3층(C로 표시된 원자)이 상기 구조상에 놓이면, hcp 구조인지 fcc 구조인지 결정된다. 상기 제3층이 제1층과 동일한 위치에 있는 구조상에 놓이면, 즉, C 원자가 Z방향으로 변위되지 않고 A 원자 바로 위에 위치하면, 상기 구조는 hcp 구조 또는 흑연이다. 이러한 구조의 층들은 ABABABAB 구조로 표현될 수 있다. 제3층이 X, Y, Z 방향에서 A 및 B 원자로부터 변위된 제2의 가능한 위치상에 놓이면(제2도 참조). 상기 구조는 fcc 구조 또는 다이아몬드가 된다. 제2도의 상기 층은 ABCABCABC 구조로 표현될 수 있다. 상기 두 구조(제2도의 흑연 및 다이아몬드 구조)에서. 가장 인접한 근방계의 수는 4이다. 결합 에너지가 가장 인접한 근방계 결합에만 의존한다면, fcc 다이아몬드 구조와 hcp 흑연 구조 사이의 차이점은 없다. 그러나, 흑연층내의 원자들은 1.4떨어져서 강력한 공유 결합으로 속박되지만, 층들 사이에 있는 원자간 거리는 3.3이며, 약한 반 데르 발스(van der Waals) 힘만이 존재한다. 흑연에 대한 공유 결합은 평면 결합, 즉, 90°로 분할된 평면내의 결합이다.The diamond grating structure 10 shown in FIG. 1 is very important because the (111) plane in the structure is the same as the basic plane of the hexagonal closely packed (hcp) structure. In FIG. 2, a (111) layer (atoms denoted by A) is provided, with a second similar layer (atoms denoted by B) arranged above, the structure being no different from hcp. In other words, the structure becomes a face centered cubic or a close hexahedron. When the third layer (atomic indicated by C) is placed on the structure, it is determined whether it is an hcp structure or an fcc structure. If the third layer lies on a structure at the same position as the first layer, that is, if the C atoms are located directly above the A atoms without being displaced in the Z direction, the structure is a hcp structure or graphite. Layers of this structure may be represented by the ABABABAB structure. If the third layer is on a second possible position displaced from A and B atoms in the X, Y and Z directions (see also FIG. 2). The structure becomes an fcc structure or diamond. The layer of FIG. 2 may be represented by an ABCABCABC structure. In both structures (graphite and diamond structures of FIG. 2). The number of nearest neighbors is four. If the binding energy depends only on the closest near-field coupling, there is no difference between the fcc diamond structure and the hcp graphite structure. However, the atoms in the graphite layer are 1.4 Apart, bound by strong covalent bonds, but the interatomic distance between the layers is 3.3 Only weak van der Waals forces are present. Covalent bonds to graphite are planar bonds, ie bonds in a plane divided by 90 °.

다이아몬드 및 흑연의 전기적 특성은 매우 다르다. 붕소로 자연스럽게 도핑된 IIb 형인 다이아몬드는 1014 의 저항률을 가지는데, 진성 다이아몬드의 경우에는 이보다 1014 정도 더 큰 저항률을 가진다. 흑연은 137510-6 의 전도도를 가지는 금속 전도체이다. 이것은 크기에 있어서 적어도 7차수의 차이를 가지며, 진성 특성에 대해서는 20차수 정도의 차이를 가진다. 흑연은당 약 51018의 캐리어를 갖는 반-금속(semi-metal)이다. 흑연의 전기 전도도는 육각형 평면에 평행한 방향으로는 아주 크고 수직 방향(C축)으로는 작다. 부수적으로 상이한 에너지 레벨을 가지는 공유 결합의 상이한 배향(orientation)은 효과적인 전기전도 경로처럼 작용한다. 그러므로, 흑연과 다이아몬드 사이의 결정 구조에서 매우 작은 변화에 대하여 전기적 특성이 크게 달라질 수 있다.The electrical properties of diamond and graphite are very different. Type IIb diamond naturally doped with boron is 10 14 It has a resistivity of 10 14 for intrinsic diamonds. It has a much higher resistivity. Graphite 1375 10 -6 It is a metal conductor with a conductivity of. It has at least seven orders of magnitude difference in magnitude and about 20 orders of magnitude for intrinsic properties. Graphite About 5 per It is a semi-metal having a carrier of 10 18 . The electrical conductivity of graphite is very large in the direction parallel to the hexagonal plane and small in the vertical direction (C axis). Incidentally, different orientations of covalent bonds with different energy levels act like effective conduction pathways. Therefore, the electrical properties can vary greatly for very small changes in the crystal structure between graphite and diamond.

다이아몬드에서 발생될 수 있는 결함에는 몇가지 형태가 있는데, 이들은 본 발명의 유용한 특성을 생성한다. 첫 번째 결함은 나선 전위(screw dislocation)이며, 이에 대한 두 가지 실시예가 제3도 및 제4도에 도시되어 있다. 또한, 연장된 망을 쉽게 형성할 수도 있는 60°전위(위치 이탈)(dislocation)와 많은 다른 전위 및 변형이 있다. 다이아몬드 격자에는, 3개의 슬립면 즉, (001). (110). (111) 면이 존재한다. (111)면은 가장 중요한 슬립면이며, 그것은 가장 특이한 상황을 제외한 어떤 상황에서 발생하는 유일한 슬립면으로 나타난다.There are several forms of defects that can occur in diamonds, which create useful properties of the present invention. The first defect is a screw dislocation, two embodiments of which are shown in FIGS. 3 and 4. There are also 60 ° dislocations and many other dislocations and variations that may easily form an extended network. The diamond grating has three slip faces, namely (001). (110). There is a (111) plane. The (111) plane is the most important slip plane, and it appears as the only slip plane that occurs in any situation except the most unusual ones.

상기 격자를 고찰함에 있어서, 다이아몬드 격자내의 임의의 2개의 카본 원자 사이의 가장 짧은 천이 거리(transitional distance)는 110 방향(특히, 1/2. 1/2. 0 즉 입방면의 대각선의 중간)을 따른다. 110 방향의 버거스(Burgers) 백터를 가지는 전위가 가장 안정(최저 자유 에너지)하다. 상기 격자에서 임의의 방향은 연속하는 110 방향의 합으로 간주될 수 있으며, 따라서, 단일 전위는 이들의 축에 대하여 동일 방향을 가진다. 버거스 벡터와 110방향을 따르는 축을 가지는 단일 전위의 3가지 형태는 나선 전위, (상기 전위 축에 대해 60° 버거스 백터를 가지는) 60° 전위 및 (100) 미끄럼면을 가지는 엣지형 전위이다. 이들 모든 전위는 전기적 활성 결함으로써 사용된다.In considering the lattice, the shortest transitional distance between any two carbon atoms in the diamond lattice is in the 110 direction (especially 1/2. 1 / 2.0 or the middle of the diagonal of the cube). Follow. The potential with Burgers vector in the 110 direction is the most stable (lowest free energy). Any direction in the grating can be regarded as the sum of consecutive 110 directions, so that a single potential has the same direction with respect to their axis. Three types of single potentials with Burgers vectors and axes along the 110 direction are spiral potentials, 60 ° potentials (with 60 ° Burgers vector to the potential axis) and edge type potentials with (100) sliding surfaces. All these potentials are used by electrically active defects.

제5도는, 다이아몬드 격자내의 나선 결함을 개략적으로 도시하고 있다. 나선 결함은 일반적으로 전단 변형(shear)의 결과이고, 이것은 다이아몬드 재료의 성장 또는 증착 과정에서 발생한다. 다른 전위와 마찬가지로 상기 전위는 주변 결정에서 탄성 스트레인 전계(응력장)를 생성한다. 이것을 설명하기 위해, 반경 r. 두께 dr 및 단위 길이를 가지는 환형(annulus)이 축방향으로의 세기(strength)가 b이고 b만큼 환형(20)의 전단을 발생시키는 나선 전위를 중심으로 배치되었다면, 평균 전단 변형은 b/2π 이고 변형 스트레스는5 schematically shows spiral defects in a diamond lattice. Spiral defects are generally the result of shearing, which occurs during the growth or deposition of diamond material. Like other dislocations, this dislocation creates an elastic strain field (stress field) in the surrounding crystal. To illustrate this, the radius r. If an annulus having a thickness dr and a unit length is arranged around the helical potential that causes the strength of the annulus 20 by b with an axial strength of b, then the average shear strain is b / 2π Strain stress

이다. to be.

여기서 G는 변형율이다. 상기 스트레스는 1/r로 감소하므로 상기 스트레인은 롱 레인지(long range)임을 주지한다. 단위 길이당 환형(20)의 스트레인 에너지는Where G is the strain rate. Note that the strain is long range since the stress is reduced to 1 / r. The strain energy of the annulus 20 per unit length

이다. to be.

단위 전위 길이당 다이아몬드 결정체의 스트레인 에너지는The strain energy of diamond crystals per unit potential length

이며, 여기서, R0및 R은 각각 하한 및 상한이다. R0는 상기 적분에 대한 하한 즉, 후크의 법칙이 적용되지 않으며 상기 재료가 원자처럼 동작하는 낮은 레벨이다. R0에 대한 값은 에너지가 그것의 대수함수이므로 크게 중요하지 않다. 상위레벨 R은 결정체의 경계 또는 다른 전위가 스트레스 전계를 상쇄하는 점이다. 상기 전위(dislocation)에 의해 생성된 스트레인 전계의 에너지는 버거스 벡터 b의 제곱의 함수이므로, 다중 전위를 단위 전위로 분할하면 결정체의 자유 에너지는 최소화된다. 버거스 벡터 b1및 b2를 가지는 2개의 전위가 버거스 벡터 b3를 가지는 하나의 전위로 결합될 때, 비가역에서의 변화(TΔs)가 크지 않다고 가정하면, 자유 에너지의 증가는 ΔEΔEe1이다. 이것은 재편성(reorganization)이 없는 탄성 스트레인 전계에서 적절한 가정이다. ΔEe1은 (b3 2- b2 2- b1 2)에 비례한다. ΔEe1이 양이면, 전위는 불안정하며, 전위 1과 2는 서로 반발한다. ΔEe1이 음이면, 상기 전위는 안정하며, 전위 1과 2는 서로 끌어당긴다. 탄성 에너지에서 버거스 벡터 크기의 제곱항 때문에 어떤 위치에서는 다중 전위(예를 들면, Eb3(Eb2+ Eb1))가 거의 존재하지 않는다.Wherein R 0 and R are the lower limit and the upper limit, respectively. R 0 is a low level at which the lower limit for the integration, namely Hook's law, is not applied and the material behaves like an atom. The value for R 0 is not critical because energy is its algebraic function. The upper level R is the boundary or other potential of the crystal that cancels the stress field. Since the energy of the strain field generated by the dislocation is a function of the square of the Burgers vector b, dividing the multiple potential into unit potential minimizes the free energy of the crystal. When two potentials with Burgers vectors b 1 and b 2 are combined into one potential with Burgers vector b 3 , assuming that the change in irreversibility (TΔs) is not large, the increase in free energy is ΔE ΔE e1 . This is a reasonable assumption in an elastic strain field without reorganization. ΔE e1 is proportional to (b 3 2 -b 2 2 -b 1 2 ). If ΔE e1 is positive, the potentials are unstable, and potentials 1 and 2 repel each other. If ΔE e1 is negative, the potential is stable and potentials 1 and 2 are attracted to each other. Due to the squared term of the Burgers vector size in the elastic energy, there are few multipotentials (eg, E b3 (E b2 + E b1 )) at any location.

스트레인 에너지에 대한 상기 방정식에 대입될 수 있는 통상적인 값은Typical values that can be substituted into the equation for strain energy are

G= 108psi (매우 보전적)G = 10 8 psi (very conservative)

b= 2.5 b = 2.5

Ro= 1bRo = 1b

R= 1uMR = 1 uM

이다, 스트레인의 최대 반경(R)은 1uM으로 임의적으로 선택된다. 실제 최대 반경은 결정체의 경계까지이다. 실제로는, 결정 결함으로부터 스트레인 전계의 범위는 일반적으로 자신의 스트레인 전계로 상기 스트레인 전계를 상쇄하는 다른 결함까지의 거리이다.The maximum radius R of the strain is optionally chosen to be 1 uM. The actual maximum radius is up to the boundary of the crystal. In practice, the range of crystal fields from strain defects is generally the distance from other strains that cancel the strain field with its strain field.

스트레인 전계의 에너지는 R과 R0에 대해 비교적 민감하지 않다. 상기 에너지는 최대 전계 반경과 최소 전계 반경(재료가 원자처럼 동작하기 전)의 비에 대한 함수로써 변화한다. 전술한 숫자를 사용한 상기 예는 격자의 가능한 동작을 추정하는데 이용되는 에너지 크기에 대한 계산이다. 상기 숫자를 대입하면, 스트레인 에너지는 44.4eV 또는 결합 길이당 17.8eV/가 된다. 이것은 다이아몬드 격자의 공유 결합을 파괴하고, 국부적으로 재편성하기에 충분한 에너지이다. 따라서 단일 결합과 심지어 이중 결합까지도 파괴되어 재편성될 수 있다. 상기 결합을 평면내에 남아있는 공유 결합으로 재구성하면, 흑연형 재료의 분자막이 그 특성과 함께 형성된다. 그 다음에, 상기 흑연 구조의 박막이 상기 특성이 다이아몬드의 구조에 더해져서 전기적으로 활성적인 결함이 형성된다.The energy of the strain field is relatively insensitive to R and R 0 . The energy varies as a function of the ratio of the maximum field radius and the minimum field radius (before the material behaves like an atom). The above example using the aforementioned numbers is a calculation of the magnitude of energy used to estimate the possible behavior of the grating. Substituting this number, the strain energy is 44.4 eV or 17.8 eV / bond length Becomes This is enough energy to break the covalent bonds of the diamond lattice and regroup locally. Thus single bonds and even double bonds can be broken and regrouped. When the bond is reconstituted with covalent bonds remaining in the plane, a molecular film of graphite material is formed with its properties. The thin film of graphite structure is then added to the diamond structure so that an electrically active defect is formed.

제6도에는 전기적으로 활성적인 결함(32)을 가지는 다이아몬드형 재료층(30)이 도시되어 있다. 일반적으로 층(30)내의 결함(32)은 얇은 (10) 다이아몬드로 코팅된 금속 전도체의 팁(tip)(반경이 10)으로 형성된 전자 방출기와 유사하게 동작한다. 종래의 전계 방출 장치에 대한 상기 구조의 우수성은 제7도 내지 제9도에 도시되어 있다. 제7도, 제8도는 일반적으로 스핀트(Spindt) 방출기라 지칭되는 팁(tip)과 같은 종래의 전계 방출 장치와 제6도의 장치의 전자 방출 특성을 각각 도시한 그래프이다. 제7도는 방출된 전류(I)대 전압 또는 상기 팁에 인가된 전계 전위에 대한 그래프이다. 제7도에서는 반경이 200이고 재료의 일함수가 4.5eV인 통상적인 종래의 팁(tip)이 사용되었다. 제8도의 그래프에서, 제6도의 방출기가 반경이 10이고 재료의 일함수가 0.2eV인 방출기 팁처럼 동작함을 알 수 있다. 또한, 인가된 전압 또는 전계 전위가 비교적 적을 때, 제6도의 방출기의 전자 방출이 더 크다.6 shows a diamond-like material layer 30 having an electrically active defect 32. Generally, defects 32 in layer 30 are thinner (10 ) Tip of metal conductor coated with diamond (radius 10 It works similarly to an electron emitter formed of The superiority of this structure over a conventional field emission device is shown in FIGS. 7 and 8 are graphs showing electron emission characteristics of a conventional field emission device such as a tip, generally referred to as a Spindt emitter, and the device of FIG. 6, respectively. 7 is a graph of the emitted current (I) vs. the voltage or field potential applied to the tip. In Figure 7, the radius is 200 And a conventional conventional tip having a work function of 4.5 eV was used. In the graph of FIG. 8, the emitter of FIG. 6 has a radius of 10 And the work function of the material behaves like an emitter tip with 0.2 eV. Also, when the applied voltage or field potential is relatively low, the electron emission of the emitter of FIG. 6 is larger.

제6도의 구조가 날카로운 팁형 방출기로 나타나므로 대안의 구조도 또한 존재한다. 전기적으로 활성적인 결함(32)이 결함(32) 내의 자유 전자가 다이아몬드층 없이 자유 공간을 보도록 (즉, 층(30)의 표면에) 위치되면, 결함(32)은 단순한 전계 방출기로 나타난다. 제9도는 종래의 전계 방출 장치(곡선 35)에 대해 전술한(곡선 36)표면 결함의 전자 방출을 비교하는 그래프이다. 곡선(35, 36)은 팁 반경 함수로써 전기장내의 자유 입봉(standing rod)에 대한 전자 방출을 도시하며, 곡선(35)에 대하여는 일함수가 4.5eV 인 몰리브데늄 봉이 사용되고, 곡선(36)에 대하여는 일함수가 0.5eV인 전술한 표면 결함이 사용된다. 지름이 작을수록, 표면 결함의 더 낮은 일함수의 이점이 날카로운 팁에서는 천천히 소실한다. 입봉이 충분히 날카로우면, 일함수는 중요하지 않게 된다. 작은 일함수가 여전히 바람직하지만, 방출기 지름 축소로 개선된 방출에 대한 필요성이 적어진다. 전술한 결함(즉, 다이아몬드의 표면에서의 결함)은 종래의 어떠한 전계 방출기 팁보다 날카롭기 때문에, 일함수와 반경 모두에 있어서 실질적인 장점을 가진다.Alternative structures also exist because the structure of FIG. 6 appears to be a sharp tip-shaped emitter. If the electrically active defect 32 is located such that the free electrons in the defect 32 see the free space without the diamond layer (ie, on the surface of the layer 30), the defect 32 appears as a simple field emitter. 9 is a graph comparing electron emission of the above-described surface defects (curve 36) with respect to the conventional field emission device (curve 35). Curves 35 and 36 show electron emission for a free rod in the electric field as a function of tip radius, and for curve 35 molybdenum rods with a work function of 4.5 eV are used, curve 36 For the above, the above-described surface defect having a work function of 0.5 eV is used. The smaller the diameter, the slower the benefits of the lower work function of surface defects are lost at the sharp tip. If the mouthpiece is sharp enough, the work function becomes insignificant. Although a small work function is still desirable, reducing the emitter diameter reduces the need for improved emissions. The aforementioned defects (i.e. defects on the surface of the diamond) are sharper than any conventional field emitter tips, and therefore have substantial advantages in both work function and radius.

전도 소자의 터널 장벽을 낮추면 방출된 전류는 증대한다. 일함수에서의 상기 변화는 중요한 결과이며, 그것은 다이아몬드 표면 결함의 거동(행동)을 연결한다. 바꾸어 말하면, 다이아몬드의 표면이 오염되거나 비-다이아몬드 구조로 변형 재구성되면(상기 예는 제외), 이득은 소실된다. 다이아몬드층이 표면에서도 다이아몬드 결합 구조를 가지도록 하기 위하여, 수소화로 알려진 공정이 노출된 표면상에서 수행된다. 제10도에, 상기 공정이 단순화된 다이아몬드 결합으로 도시되어 있다. 여기서, 수소화되지 않은 카본원자(40,41)는 벌크의 팽창이 아닌, 따라서 벌크(bulk)의 특성을 갖지 않는 안정된 저에너지 구조로 재구성됨을 알 수 있다. 주변의 단일 결합보다 더 강한 이중 결합이 카본 원자(40, 41)사이에 형성되었고, 따라서 카본 원자들(40, 41)이 약간 더 가깝게 서로를 끌어당긴다. 카본 원자(40, 41)로 형성된 저에너지 구조는 빈약한 전자 방출기이며, 상기 다이아몬드로부터 이러한 특성을 요구하는 장치에는 바람직하지 않다.Lowering the tunnel barrier of the conducting element increases the emitted current. The change in work function is an important result, which links the behavior of diamond surface defects. In other words, if the surface of the diamond is contaminated or strain reconstituted into a non-diamond structure (except for the above example), the gain is lost. In order for the diamond layer to have a diamond bonding structure at the surface, a process known as hydrogenation is carried out on the exposed surface. In FIG. 10, the process is shown as a simplified diamond bond. Here, it can be seen that the non-hydrogenated carbon atoms 40, 41 are not bulk expanded, and thus are reconstituted into a stable low energy structure that does not have bulk characteristics. Stronger double bonds were formed between the carbon atoms 40, 41 than the surrounding single bonds, and thus the carbon atoms 40, 41 attract each other slightly closer. The low energy structure formed by the carbon atoms 40 and 41 is a poor electron emitter, which is undesirable for devices requiring such properties from the diamond.

카본 원자(42, 43, 44)는 수소화되는데, 즉, 수소 원자(45, 46, 47)가 각각 단일 결합으로 부착된다. 그러므로, 카본 원자(42, 43, 44)로 형성된 격자 구조는 상기 표면에서 동일하게 나타나므로, 벌크의 팽창으로 나타나게 된다. 카본 원자(42, 43, 44)의 격자 구조는 벌크의 팽창이므로 벌크의 특성을 가지며, 따라서 양호한 전자 방출기이다.The carbon atoms 42, 43, 44 are hydrogenated, that is, the hydrogen atoms 45, 46, 47 are each attached by a single bond. Therefore, the lattice structure formed of carbon atoms 42, 43, 44 appears the same on the surface, and thus appears as bulk expansion. The lattice structure of the carbon atoms 42, 43, 44 has bulk characteristics because it is bulk expansion, and thus a good electron emitter.

제11도는 전기적으로 활성적인 결함(53, 54, 55)을 가지는 다이아몬드형 카본의 수소화된 층(52)을 사용하는 전계 방출 장치(50)의 단면을 도시하고 있다. 층(52)의 수소화는 상기 표면상의 층(56)으로 도시된다. 전기적으로 활성적인 결함(53, 54, 55)은 어떤 각도로 조금씩 변하고 간격에 있어 약간의 차이가 있긴 하지만, 일반적으로 일정한 간격으로 상기 면에 거의 수직하게 나타난다. 예를 들면, 연장된 결함은 가장 양호한 결과를 얻기 위하여 다이아몬드 카본의 표면에 대하여 어떠한 각을 이루어야 한다. 또한, 연장된 결함이 상기 표면에 대하여 45° 내지 90° 범위의 각도를 이루면 가장 양호한 것으로 여겨진다.11 shows a cross section of a field emission device 50 using a hydrogenated layer 52 of diamond-like carbon with electrically active defects 53, 54, 55. Hydrogenation of layer 52 is shown by layer 56 on the surface. The electrically active defects 53, 54, 55 vary little by little at an angle and with slight differences in spacing, but generally appear almost perpendicular to the plane at regular intervals. For example, extended defects should be angled with respect to the surface of the diamond carbon to obtain the best results. It is also considered best if the extended defects make an angle in the range of 45 ° to 90 ° with respect to the surface.

장치(50)는 지지 기판(57)을 더 구비하고, 상기 기판의 표면상에는 전도층(58)이 형성되어 있다. 전도층(58) 또는 전도층들은 결함(53, 54, 55)과 전기적으로 교통하는 수단을 제공한다. 따라서, 도시된 바와 같이, 전도층(58)내에서 소스(도시되지 않음)로부터의 전류 흐름은 결함(53, 54, 55)에 의해 층(56)상의 자유 공간으로 방출된다.The device 50 further comprises a support substrate 57, on which a conductive layer 58 is formed. Conductive layer 58 or conductive layers provide a means of electrically communicating with defects 53, 54, 55. Thus, as shown, current flow from a source (not shown) in conductive layer 58 is discharged into free space on layer 56 by defects 53, 54, 55.

불완전한 격자에는 빈 격자점(vacancies). 간극(interstitials). 불순물 (impurities). 전위(dislocations). 셀룰러 및 리니지 구조 (cellular and lineage structure). 결정 입자 경계(grain boundaries) 및 표면 등의 많은 종류가 있다. 격자내의 공간은 결정의 자유 에너지를 실제로 낮아지게 할 수 있고 따라서 평형 상태에서 존재한다. 전위는 결정의 자유 에너지를 낮추지 않고 오히려 증가시킨다. 따라서, 전위는 비평형 타입의 결함이며, 일반적으로 결정의 성장동안 비평형 상태에서만 형성될 수 있다. 전위를 효과적으로 일으키는 데에는 몇 가지 타입의 잘못들이 있다. 즉, (a) 외부로부터 가해진 역학적 근원의 스트레스와 (b) 열적으로 유도된 스트레스와 (c) 불순물의 농도 증감에 따른 국부적인 스트레스와 (d) 충분한 공간의 응축과 (e) 유도된 국부적인 스트레스의 혼입 (f) 성장 과정에서의 잘못들이 있다. 상기 다이아몬드 결합에서 외부적으로 인가된 역학적 스트레스는 재료의 강도 때문에 일반적으로 제거된다. 성장 과정에서 열적으로 유기된 스트레스 및 성정과정에서의 잘못들은 다이아몬드 물질내의 전위를 야기하는 두가지 주요 원인이며, 이를 이용하여 소망의 결함들을 생성한다. 성장에서의 잘못은 일반적으로 성장하여 충돌하는 결정 입자들을 시딩하는(seeding)복수의 핵 형성 위치에 의해 발생된다. 두 개의 핵 형성 위치가 배향에 있어, 충분히 분리되거나 다르다면, 결국 성장하는 결정이 만나 다결정 재료에서 상이한 입자들이 된다. 두 시드의 배향이 동일하지는 않지만 충분히 비슷하다면, 상기 성장 격자는 만나서 결국 나선 전위를 이루게 된다.Incomplete grids have empty vacancies. Interstitials. Impurities. Dislocations. Cellular and lineage structure. There are many kinds, such as grain boundaries and surfaces. The space in the lattice can actually lower the free energy of the crystal and therefore exists at equilibrium. The potential increases rather than lowers the free energy of the crystal. Thus, dislocations are defects of non-equilibrium type and can generally only be formed in an unequilibrium state during crystal growth. There are several types of errors in effectively causing dislocations. That is, (a) stress from mechanical sources applied externally, (b) thermally induced stress, (c) local stress due to increasing or decreasing concentrations of impurities, (d) sufficient space condensation, and (e) induced local Incorporation of stress (f) There are errors in the growth process. Externally applied mechanical stresses in the diamond bonds are generally removed due to the strength of the material. Thermally induced stresses and growth errors in the growth process are the two main causes of dislocations in the diamond material, which create the desired defects. Mistakes in growth are generally caused by multiple nucleation sites seeding growing and colliding crystal grains. If the two nucleation sites are sufficiently separated or different in orientation, eventually growing crystals meet and become different particles in the polycrystalline material. If the orientations of the two seeds are not identical but sufficiently similar, the growth lattice will meet and eventually form a spiral potential.

과거에는 전도성의 n형 다이아몬드 재료를 만들기 위해 카본 C+의 이온 주입이 사용됐다. 상기 이온 주입은 결정 격자내의 변화된 결합 구조 때문에 전도성 결함을 생성하도록 사용될 수 있다. 현재 상기 기술이 전자 방출에 대하여 가장 양호한 긴 전도성 필라멘드 결함을 생성하지는 않지만, 몇몇 잇점이 상기 기술로부터 얻어질 수 있으며, 이것은 본 발명의 범주내에 포함됨을 주지한다.In the past, ion implantation of carbon C + was used to make conductive n-type diamond materials. The ion implantation can be used to create conductive defects due to the altered bonding structure in the crystal lattice. Note that although the present technology does not produce the best long conductive filament defects for electron emission, several advantages can be obtained from the technology, which are included within the scope of the present invention.

이상 개선된 포화 전류를 포함한 개선된 전류 특성을 가지는 다이아몬드형 카본 전자 방출기를 설명하였다. 상기 개선된 전류 특성은 전자 방출을 국부적으로 증진시킨 적기적으로 활성적인 결함을 가지므로서 실현된다. 특히, 상기 결함은 상이한 구조를 가지는 동일한 기본 재료로 형성된다. 또한 개선된 전류 특성을 가지는 다이아몬드형 방출기를 구비한 전계 방출 장치를 설명하였다. 본 명세서에서는 카본이 기술되었지만, 알루미늄 질화물과 같은 재료로 이루어진 전자 방출기가 유사한 방식으로, 즉 전기적으로 활성 결함을 가지는 방식으로 개선될 수도 있다.The diamond-like carbon electron emitter with improved current characteristics including improved saturation current has been described above. The improved current characteristics are realized by having timely active defects that locally enhance electron emission. In particular, the defects are formed of the same base material with different structures. Also described is a field emission device having a diamond-like emitter with improved current characteristics. Although carbon has been described herein, electron emitters made of materials such as aluminum nitride may be improved in a similar manner, i.e., with electrically active defects.

본 발명의 특정 실시예를 상술하였지만 본 발명에 숙련된 사람에 의해 변경 및 수정이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 상기 특정 형태에 제한되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않는 모든 변형이 첨부된 청구범위로 커버됨을 주지한다.Although specific embodiments of the invention have been described above, changes and modifications may be made by those skilled in the art. Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above specific forms, and that all modifications without departing from the spirit and scope of the present invention are covered by the appended claims.

Claims (3)

제1화학 결합을 특징으로 하는 제1위상부와, 제2화학 결합을 특징으로 하는 제2위상부를 포함하는 재료로 형성된 전자 방출기로서, 상기 제1 및 제2위상부는, 국부적으로 개선된 전자 방출이 있는 개선된 전자 방출 구조를 제공하도록 상기 두 위상부들의 특성이 혼재되는 비분리 다위상 영역을 한정하기 위해 상호 인접하게 배치되는 전자 방출기.An electron emitter formed of a material comprising a first phase portion characterized by a first chemical bond and a second phase portion characterized by a second chemical bond, wherein the first and second phase portions have a locally improved electron emission. And an electron emitter disposed adjacent to each other to define a non-isolated polyphase region in which the properties of the two phase portions are mixed to provide an improved electron emission structure. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2화학 결합은 알루미늄 질화물로 형성되는 전자 방출기.The electron emitter of claim 1, wherein the first and second chemical bonds are formed of aluminum nitride. 제1화학 결합을 특징으로 하는 제1위상부와, 제2화학 결합을 특징으로 하는 제2위상부를 포함하는 재료로 형성된 전자 방출기로서, 상기 제1 및 제2위상부는, 국부적으로 개선된 전자 방출이 있는 개선된 전자 방출 구조를 제공하도록 상기 두 위상부들의 특성이 혼재되는 비분리 다위상 영역을 한정하기 위해 상호 인접하게 배치되는 전자 방출기와, 상기 전자 방출기에 인접하게 배치되며, 상기 개선된 전자 방출 구조와 전기적으로 교통하는 도전층과, 상기 도전층을 통한 전류 흐름 및 개선된 전자 방출 구조로부터 방출 전류가 발생되도록, 상기 도전층에 접속된 소스를 포함하는 전계 방출 장치.An electron emitter formed of a material comprising a first phase portion characterized by a first chemical bond and a second phase portion characterized by a second chemical bond, wherein the first and second phase portions have a locally improved electron emission. An electron emitter disposed adjacent to each other to define a non-isolated polyphase region in which the properties of the two phase portions are mixed to provide an improved electron emission structure with the electron emitter disposed adjacent to the electron emitter, And a source connected to the conductive layer such that a conductive layer is in electrical communication with the emitting structure and a discharge current is generated from the current flow through the conductive layer and the improved electron emitting structure.
KR1019940005295A 1994-03-17 1994-03-17 Enhanced electron emitter KR100216695B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019940005295A KR100216695B1 (en) 1994-03-17 1994-03-17 Enhanced electron emitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019940005295A KR100216695B1 (en) 1994-03-17 1994-03-17 Enhanced electron emitter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100216695B1 true KR100216695B1 (en) 1999-09-01

Family

ID=19379048

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019940005295A KR100216695B1 (en) 1994-03-17 1994-03-17 Enhanced electron emitter

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100216695B1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5945778A (en) Enhanced electron emitter
EP0555076B1 (en) An electron device electron source including a polycrystalline diamond film
US5825122A (en) Field emission cathode and a device based thereon
JP3537053B2 (en) Electron source for electron emission device
EP0346464B1 (en) Silicon carbide:metal carbide alloy semiconductor
Semet et al. Field emission behavior of vertically aligned ZnO nanowire planar cathodes
US5211707A (en) Semiconductor metal composite field emission cathodes
Silva et al. Modeling of the electron field emission process in polycrystalline diamond and diamond-like carbon thin films
Underwood et al. Selective-area regrowth of GaN field emission tips
KR100216695B1 (en) Enhanced electron emitter
Chung et al. Band structure calculation of field emission from Al x Ga 1− x N as a function of stoichiometry
Ohno et al. Field-ion microscopy of GaAs and GaP
JP2010006670A (en) Nanowire structure and method for producing the same
Zakhidov et al. Statistical analysis of low-voltage electron emission from nanocarbon cathodes
Weiss et al. Fabrication of thin-film cold cathodes by a modified chemical vapor deposition diamond process
Wisitsoraat Micropatterned diamond vacuum field emission devices
US20230377828A1 (en) Electron source, plasma source and switch device
Bespalov et al. Solid-state field-emission diode
KR100324082B1 (en) Field emission
Kawamura et al. Fabrication and Characterization of Planar Diamond Electron Emitters
Milne et al. Optimisation of CNTs and ZnO nanostructures for electron sources
JPH0712022B2 (en) Semiconductor manufacturing method
Cahay et al. Cold cathodes are heating up
Mine et al. Electron emission from heavily nitrogen (N)-doped polycrystalline, homo, and heteroepitaxial CVD diamond
Yamada et al. Formation of backcontacts on diamond electron emitters

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E801 Decision on dismissal of amendment
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
AMND Amendment
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20060509

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee