KR100315769B1 - 냉음극전자방출장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은 전계에 의해 반도체층의 형(type)을 반전시키는 반전층(inversion layer)을 발생시켜 미세판채널(shallow channel)을 형성하고, 이 미세 판채널로부터 효율적으로 전자를 방출(electron emission)시키는, 냉음극 전자방출장치에 관한 것이다. 본 발명은 제 1도전형 기판 상부의 일정위치에 소정 모양으로 제 1도전형의 전자방출영역이, 그리고 전자방출영역 주위에 이격되어 제 2 도전형의 접촉영역이 형성된다. 접촉영역 상부에는 절연층이 형성되고, 이 절연층 상부에 반전층을 생성시키기 위한 게이트금속층이 형성되어 냉음극소자가 구성된다. 그리고, 이 게이트금속층 상부에는 애노드(anode, 양극)가 추가된다. 따라서, 본 발명은 전계에 의해 반전층을 형성하여 전자를 순간적으로 방출하므로 예열이 불필요하고, CRT(음극선관), FED(Field Emission Display, 전계방출표시장치), 마이크로파소자, 전자빔식자장치(e-beam lithography), 레이저, 센서 등 광범위한 분야에 응용될 수 있으며, 반도체기판(substrate) 형성부분에 논리회로, 신호처리 및 기억소자 등을 함께 집적시켜 응용하므로써, 각종장치의 경박단소화, 고기능화 및 고효율화를 이루는 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 전자를 방출하는 냉음극(cold cathode)소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전계에 의해 반도체의 형(type)을 반전시키는 반전층(inversion layer)을 발생시켜 미세판채널(shallow channel)을 형성하고, 이 미세판채널로부터 효율적으로 전자를 방출(electron emission)시키는, 냉음극 전자방출장치에 관한 것이다.
일반적으로 디스플레이 장치로 많이 이용하는 음극선관(CRT) 등은, 전자가 방출되는 금속을 예열시킨 후 전자를 방출시키는 열이온음극(themionic cathode)을 사용한다. 이와는 달리 최근에는 전자기술 및 반도체 공정기술이 발달함에 따라 외부에서 전계(electric field)를 가해 전자방출금속의 일함수를 낮춤으로써, 예열을 하지 않고 짧은 시간에 전자를 방출시키는 냉음극(cold cathode)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1은 종래 냉음극소자를 보여준다. 도시한 바와 같이, 종래의 냉음극소자는 소자제작의 기초가 되는 p형 기판(p-type substrate, 11)을 구비하고 있다. 이 p형 기판(11) 상부에는 p+영역(12)이 형성되고, 이 p+영역(12) 주위에는 p+ 영역 (12)과 이격된 상태로 n+영역(13)이 형성된다.
이후 p+영역(12) 상부에는, 이 p+영역(12)을 중심으로 n+영역(13)과 연결된 n++미세판채널(shallow channel, 14)이 형성된다. 이 n++미세판채널(14)은 도핑(doping) 등에 의해 전자들을 많이 함유하고 있다. 그리고, 이 n++미세판채널(14) 상부에는 n++미세판채널(14) 상부와 일정거리 이격되어 방출전자들이 충돌 또는 흡수되는 애노드(anode, 양극, 20)가 위치한다.
n+영역(13)과 애노드(20)사이에는 전압 VA가, n+영역(13)과 p형 기판(11) 사이에는 전압 VB가 인가된다. 전압 VA는 n++미세판채널(14)의 표면으로부터 전자를 방출시키기 위한 것으로, 약 400∼500볼트 정도의 고전압이며, 이전압(VA)은 전자 방출소자의 특성 및 진공도, 제작에 쓰인 반도체물질의 종류 등에 따라 조절될 수 있는 값이다. 전압 VB는 p++영역(12)과 n++미세판채널(14)에 의해 형성되는 pn접합에 인가하는 전압으로서 약 5∼10볼트 정도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 전압 VB가 p형 기판(11) 및 n+형 영역(13)을 통해 인가되면, n++미세판채널(14) 및 p+영역(12)에서의 pn접합은 역방향 바이어스(reverse bias)상태가 되고, n++미세판채널(14)에서는 애벌런치항복(avalanche breakdown)현상이 발생한다. 애벌런치항복이란 인가된 역바이어스전압에 의해 고농도로 도핑된 반도체물질내에서, 전자들의 연쇄적인 충돌에 의하여 새로 생성된 다수의 전자들이 전류전도에 기여하는 현상이다. 이렇게 생성된 많은 전자들은, n++미세판채널(14)의 재료인 반도체물질의 일함수(work function)를 극복할 수 있는 에너지를 가지고 가속되어 진공중으로 방출(emission)된다. 이때 n++미세판채널(14)상부를 일함수가 적은 물질로 표면처리할 경우, p형 기판(11) 및 n+영역(13)에 순방향전압을 인가하더라도 전자가 방출된다.
하지만 위와 같이 종래 냉음극소자는 고농도도핑(high doping)상태를 유지시켜 전자가 방출되는 n++미세판채널(14)을 물리적으로 제작하더라도, 많은 전자들을 효율적으로 방출시키기 위해서는 n++미세판채널(14)의 상부를 세슘(Cs) 등과 같이 일함수가 적은 물질로 표면처리해 주어야 한다. 그러나, 이러한 표면처리물질은 전자방출시 방출된 전자들과 함께 증기화되어 증발하기 때문에, 처음의 표면처리상태를 유지한다는 것은 곤란한다. 아울러, n++미세판채널(14)과 상부의 애노드(20) 사이는 약 10-9∼10-11torr의 고진공상태를 유지시켜야 하는데 이 역시 매우 어려운 문제이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 전계(eletric field)에 의해 전자방출금속의 일함수를 낮추는 쇼트키(shottky)효과를 이용하고, 이 전계에 의해 형성된 반전층(inversion layer)으로 미세판채널을 형성하여, 동작이 안정되고 효율적으로 전자를 방출시키는, 냉음극 전자방출장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래 냉음극소자를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 전계에 의해 반전층을 형성하는 냉음극 전자방출장치의 구조도,
도 3은 본 냉음극 전자방출장치의 동작을 설명하기 위한 전원인가방법을 도시한 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : P형 기판(P-substrate) 12 : p+방출영역(cathode,캐소드)
13 : n+영역 14 : n++미세판채널(shallow channel)
20 : 애노드(anode, 양극)
51 : P형 반도체기판(P-substrate) 52 : p+방출영역(cathode,캐소드)
53 : n+접촉영역 54 : 절연층
55 : 게이트금속층
56 : 반전채널층(shallow channel)
60 : 애노드(anode, 양극)
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉음극 전자방출장치는, 전자를방출하기 위한 냉음극 전자방출장치에 있어서, 제 1도전형의 기판과, 상기 기판 상부의 일정위치에 소정 모양으로 형성된 제 1도전형의 전자방출영역과, 상기 전자방출영역 주위에 이격되어 형성된 제 2도전형의 접촉영역, 및 상기 전자방출영역 상부의 일정부분을 개방한 형태로 상기 기판 및 접촉영역 상부와 절연되고, 일정거리이격되어 형성된 게이트영역을 포함하며, 상기 게이트영역 및 기판간에 인가된 전압에 의해 상기 전자방출영역을 중심으로 제 2도전형의 미세반전채널층을 형성하도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전계에 의해 반전층을 형성하는 냉음극전자방출장치의 구조도이고, 도 3은 본 냉음극 전자방출장치의 동작을 설명하기 위한 전원인가방법을 도시한 도면이다.
도 2에 나타낸 냉음극 전자방출장치는 소자의 제작의 기초가 되는 p형기판(51) 상부의 중앙부분에 전자를 방출시키기 위한 캐소드(cathode, 음극)로서 p+형 전자방출영역(52)이 형성하고, 이 p+형캐소드(cathode, 52) 주위에는 n+형 접촉영역(53)을 형성한다. 이후, p+형캐소드(cathode, 52) 상부가 개방되도록, p형 반도체기판(p-substrate, 51) 및/또는 n+형 접촉영역(53)상부에 절연층(54)을 형성하고, 이 절연층(54)의 상부에는 게이트금속층(55)을 위치시킨다. 게이트금속층(55)상부로부터 일정거리 이격된 위치에는, 방출된 전자가 방향성을 가지고 충돌 및 흡수되는 애노드(anode,양극, 60)가 형성된다.
도 3은, 본 냉음극소자의 p+형 전자방출영역(52) 상부에 반전층을 형성하기 위하여 각 부분에 인가해야 할 전원(VA, VG, VB)을 표시한 것이다. 이하, 첨부한 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
먼저, 반전층을 형성하기 위하여 도 3에 도시한 바와 같이, 냉음극소자의 각 부분에 전원(VA, VG, VB)을 각각 인가한다. VG는 약 300볼트정도의 전압이다. 이 전압은 효과적인 반전층(56)형성 및 효율적인 전자방출이라는 주된 목적하에 의해 변화될수 있다. 전원VA및 VB는 전술한 바와 같다. 게이트금속층(55)과 n+형 접촉영역(53)간의 전위차 VG및, 게이트금속층(55)과 p형 반도체기판(p-substrate, 51)간의 총전위차(VG+VB)에 의해서, p+형 전자방출영역(52) 상부에 미세판채널(shallow channel)이라 부르는 n++반전층(inversion layer, 56)이 발생한다. 이 n++반전층(inversion layer, 56)에는 고농도의 전자가 존재한다. 이렇게 하여 n++반전층(inversion layer, 56)과 p+형 전자방출영역(52) 사이에는 p-n접합이 형성된다. p-n접합에는 전압 VB에 의해 공핍층(depletion layer)이 생성되고, 이 공핍층에서 가속된 전자는, p+형 전자방출영역(52)의 일함수(work function)를 극복하는 에너지를 가지게 된다. 이 전자들은 p+형 전자방출영역(52) 표면으로 이동하면서 미세판채널(shallow channel)에서 애벌런치항복(avalanche breakdown)을 일으키며, 마침내 진공(방출영역상부)으로 전자를 방출하게 된다.
본 발명에 따른, 냉음극 전자방출장치는, 전계에 의해 반전층을 형성시키고, 이러한 반전층 상부에서 전자를 효율적으로 방출시키는 것이 핵심내용이다. 게이트금속층(55)상부에 위치한 애노드(anode,양극, 60)는 p+형 전자방출영역(52)에서 전자의 방출효율을 높이고 방출전자의 방향성을 갖도록 하기 위해 추가된 양극이다.이 애노드(60)는 본 냉음극소자를 이용하여 화면표시(display)장치를 제작할 경우, 발광물질 등을 도포하는 곳이다. 애노드(anode, 60)가 없다면, 방출된 전자는 거의 대부분 게이트금속(55)에 흡수될 것이다.
또한, 전술한 p+형 전자방출영역(52), 절연층(54) 및 게이트금속층(55)은 동작효율을 증가시키기 위하여 다양한 형태로 제작될 수 있다. 즉 p+형 전자방출영역(52)이 사각형태라면, 이 주위에 형성되는 n+ 접촉영역은 사각형태의 골격을 유지하며 제작될 것이고, 절연층(54) 및 게이트금속층(55)은 동작의 효율을 위해 사각의 골격을 유지해야 할 것이다. 그러나, 반드시 같은 형태로 골격을 맞추어야 하는 것은 아니며, 전자를 효율적으로 방출시킨다는 큰 전제하에서 다양한 형태로 제작될 수 있을 것이다. 또한, 밴드갭에너지(band-gap energy, Eg)가 크고 일함수가 작은 물질로 p+형 전자방출영역(52) 상부에 형성되는 미세채널의 표면을 처리할 경우, 전자방출효율이 증가한다. 따라서 전술한 역방향전압 VB외에도, n++반전층(inversion layer, 56)과, p+형 전자방출영역(52) 및 p형 반도체기판(p-substrate, 51)이 이루는 p-n접합에 순방향전압(-VB,도 3의 VB와 반대방향)을 인가해도, 진공으로 전자를 방출시킬 수 있다. 그리고 게이트금속전압VG가 순방향으로 인가되는 경우에는 전술한 바와 같이 n형반전층(n-inversion layer)이 형성되지만, 역방향으로 인가되는 경우(도시한 VG와 반대방향)에는 p형반전층(p-inversion layer)이 형성된다. 본 발명에 따른 냉음극소자는 하부기판의 동일면 또는 배면에 논리회로, 기억소자, 신호처리, 전원인가 등을 위한 회로를 함께 형성시켜 동작시킬 경우, 동작효율의 증가, 소자의 경박단소화 및 고기능화가 가능하다. 그리고, 본 냉음극소자는 광범위한 파장의 빛에 반응하고 방향성을 가지므로 광센서를 비롯한 다양한 분야에 응용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 전계에 의해 반전층을 형성하여 전자를 순간적으로 방출하므로 예열이 불필요하고, CRT(음극선관), FED(전계방출표시장치), 마이크로파소자, 전자빔식자장치(e-beam lithography), 레이져, 센서 등 광범위한 분야에 응용될 수 있으며, 반도체기판(substrate)을 형성하는 부분에 논리회로, 신호처리 및 기억소자 등을 함께 집적시켜 이용하면, 각종장치의 경박단소화, 고기능화 및 고효율화를 이루는 효과를 제공한다.
Claims (6)
- 전자를 방출하기 위한 냉음극 전자방출장치에 있어서,제 1도전형의 기판;상기 기판 상부의 일정위치에 소정 모양으로 형성된 제 1도전영의 전자방출영역;상기 전자방출영역 주위에 이격되어 형성된 제 2도전형의 접촉영역; 및상기 전자방출영역 상부의 일정부분을 개방한 형태로 상기 기판 및 접촉영역 상부와 절연되고, 일정거리 이격되어 형성된 게이트영역을 포함하며,상기 게이트영역 및 기판간에 인가된 전압에 의해 상기 전자방출영역을 중심으로 제 2도전형의 미세반전채널층을 형성하도록 하는 것으로 특징으로 하는 냉음극 전자방출장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 냉음극 전자방출장치는, 상기 게이트영역 상부로부터 일정거리 이격되도록 형성되어 상기 방출된 전자들이 충돌하거나 흡수되는 충돌흡수층을 더 포함하는 냉음극 전자방출장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 충돌흡수층은 그 표면에 형광물질이 도포되는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자방출장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 냉음극 전자방출장치는 상기 기판 및 접촉영역에 역방향전압을 인가하여 전자를 방출시키는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자방출장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 냉음극 전자방출장치는 상기 기판 및 접촉영역에 순방향전압을 인가하여 전자를 방출하는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자방출장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전자방출영역의 상부는 전자의 방출효율을 증가시키기 위해 일함수가 작고 밴드갭에너지가 큰 물질로 표면처리하는 것을 특징으로 하는 냉음극 전자방출장치.
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