KR100769721B1 - 수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR100769721B1
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Abstract

본 발명은 수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 우선, 기판 상에 형성된 버퍼층과, 질화물계 반도체로 이루어져 있으며 상기 버퍼층 상의 소정 영역에 형성된 애노드 전극과, 질화물계 반도체로 이루어져 있으며, 상기 애노드 전극이 형성되지 않은 버퍼층 상에 상기 애노드 전극과 이격되어 형성된 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극으로부터 뻗어나와 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터 및 상기 버퍼층 상에 형성되어 있으며, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 하나 이상의 게이트 전극을 포함하는 수평구조 전계방출소자를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 수평구조 전계방출소자의 제조방법을 제공한다.
전계방출소자(FED), 수평구조, 캐소드전극, 에미터, 질화물계

Description

수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법{VERTICALLY STRUCTURED FIELD EMISSION DISPLAY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 일반적인 수직구조 전계방출소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 구조를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자의 I-V 특성을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자의 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의한 특성을 나타낸 그래프.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정사시도.
도 6은 도 5c에 도시된 공정사시도를 더욱 상세하게 설명하기 위해 나타낸 평면사진.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 구조를 나타낸 사시도.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정사시도.
도 9는 도 8d에 도시된 공정사시도를 더욱 상세하게 설명하기 위해 나타낸 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 기판 110 : 버퍼층
120 : 질화물 반도체층 122 : 캐소드 전극
123 : 에미터 125 : 애노드 전극
130 : 절연층 140 : 장벽막
본 발명은 수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질화물계 물질로 이루어진 에미터를 갖는 수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
냉음극을 전자 방출원으로 사용하여 이미지 형성을 하는 장치인 전계방출소자(FED; Field Emission Display)는, 전자 방출층인 에미터(emitter)의 특성에 따라 소자 전체의 품질을 크게 좌우받게 된다.
지금까지의 기술 동향에 의하면, 상기 에미터로는 카본계 물질 가령, 그라파이트(graphite), 다이아몬드(diamond), DLC(diamond like carbon), C60(Fullerene) 또는 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nano Tube), 질화물계 물질(AlXGa1 - XN) 등이 적합한 것으로 알려져 있으며, 이 중 특히 질화물계 물질은 다른 물질들에 비하여 비교적 낮은 전자친화도(대략 2.7eV≤X≤3.3eV)를 가지며 n형 도전성 도핑이 가능한 동시에 에너지 밴드갭이 넓으므로 방사광에 대한 내성이 강하고 열적, 화학적, 기계적 내성이 매우 우수하여 전계방출소자의 에미터로서 가장 이상적인 물질로 기대되고 있다.
한편, 이러한 질화물계 물질로 이루어진 에미터를 갖는 대부분의 전계방출소자는 GaN을 식각하는 것이 어렵기 때문에 울자이츠(wurtzite) 구조의 장점을 살려 선택적 성장을 통한 피라미드 구조 즉, 수직구조 방식으로 형성되고 있다.
그러면, 이하 도 1을 참조하여 선택적 성장을 통한 피라미드 구조의 에미터를 갖는 전계방출소자에 대하여 설명한다.
도 1은 일반적인 수직구조 전계방출소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이, 전계방출소자의 각 화소는 전면기판(F)에 배열된 발광부와 배면기판(R)에 배열된 전계방출부로 구성된다.
먼저, 상기 전계방출부는 캐소드 전극(cathode; K)과 이로부터 피라미드 구조로 돌출 형성된 에미터(emitter; E) 그리고 상기 캐소드 전극과 절연층(I)으로 구획된 게이트 전극(gate; G)으로 구성되어 있으며, 상기 에미터(E)는 상기 게이트 전극(G)과 절연층(I)으로 인해 형성된 대략 원통형의 홀 내에 배치되어 있다.
한편, 상기 발광부는 ITO 등의 투명전극으로 형성된 애노드 전극(anode; A)와 그 상부에 대략 원통형으로 도포된 형광층(P)으로 구성되어 있다.
상기 전계방출부와 발광부 사이는 도시된 바와 같이, 공간으로 이격되어 있으나, 구조에 따라서는 그 사이에 절연층이 구비될 수도 있다.
상기와 같은, 전계방출소자는 상기 캐소드 전극(K)에 수백 ~ 수천 V의 충분한 전압을 일정하게 인가하고 에미터(E)에 0 또는 (-)수십 V, 게이트 전극(G)에 (+)수십 V의 전압을 인가하게 되면, 게이트 전극(G)과 에미터(E) 간에 강한 전계가 형성되어 다량의 전자(-)들이 에미터(E)에서 방출되고, 방출된 전자(-)들은 고압이 인가되는 애노드 전극(A)에 의해 가속되어 형광층(P)에 충돌됨으로써, 이를 발광시켜 상기 형광층(P)으로부터 가시광선(L)을 방출시키게 된다.
그런데, 상기 캐소드 전극(K)으로부터 피라미드 구조로 돌출 형성된 즉, 수직구조의 에미터(E)는 최근 전계방출소자가 박형화되어 감에 따라, 높이에 대한 제한이 주어지며, 애노드 전극(A)으로 전압을 인가해 주기 위한 게이트 전극(G)의 삽입 공간 마진 확보가 어려운 문제가 있다.
따라서, 당 기술분야에서는 에미터의 높이에 대한 제한을 최소화하고 게이트 전극의 삽입 공간 마진을 확보할 수 있는 새로운 방안이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 캐소드 전극과 애노드 전극을 한 평면에 즉, 수평구조로 형성하여 상기 캐소드 전극으로부 터 돌출 형성되는 에미터의 크기 및 형상을 자유롭게 디자인함으로써, 전극 간의 간격을 최소화하는 동시에 다수의 게이트 전극 삽입 공간을 확보할 수 있는 수평구조 전계방출소자를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 수평구조 전계방출소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판 상에 형성된 버퍼층과, 질화물계 반도체로 이루어져 있으며, 상기 버퍼층 상의 소정 영역에 형성된 애노드 전극과, 질화물계 반도체로 이루어져 있으며, 상기 애노드 전극이 형성되지 않은 버퍼층 상에 상기 애노드 전극과 이격되어 형성된 캐소드 전극과, 상기 캐소드 전극으로부터 뻗어나와 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터 및 상기 버퍼층 상에 형성되어 있으며, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 하나 이상의 게이트 전극을 포함하는 수평구조 전계방출소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 수평구조 전계방출소자에서, 상기 질화물 반도체는 AlXGa1-XN (0≤X<1) 조성물로 이루어진 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 n형 도전형 불순물이 도핑되어 전자의 방출을 용이하게 한다.
또한, 상기 본 발명의 수평구조 전계방출소자에서, 상기 에미터는 상기 애노드 전극과 인접한 부분이 상기 애노드 전극을 향하여 날카로운 형상을 가지게 형성 된 것이 바람직하다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 상에 버퍼층 및 질화물계 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계 및 상기 질화물계 반도체층을 선택적 식각하여 상기 버퍼층 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 캐소드 전극은 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터를 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 수평구조 전계방출소자의 제조방법에서, 상기 질화물 반도체층은 AlXGa1 - XN (0≤X<1) 조성물로 형성하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 n형 도전형 불순물을 도핑하여 전자의 방출을 용이하게 하게 할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 수평구조 전계방출소자의 제조방법에서, 상기 에미터는, 상기 애노드 전극과 인접한 부분이 상기 애노드 전극을 향하여 날카로운 형상을 가지게 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 또 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성된 절연층과, 상기 절연층 상에 형성되어 있으며, 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성 영역을 정의하는 장벽층 및 질화물계 반도체로 이루어져 있으며, 상기 장벽막을 통해 정의된 상기 절연층 상에 형성된 캐소드 전극과, 애노드 전극 및 게이트 전극을 포함하고, 상기 캐소드 전극은 이로부터 뻗어나와 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터을 가지게 형성된 것 을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 수평구조 전계방출소자에서, 상기 버퍼층과 상기 절연층은, GaN으로 이루어지고, 상기 장벽층은, 실리콘질화막을 이용하여 형성된 것이 바람직하다.
상기한 또 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 기판 상에 버퍼층과 절연층 및 장벽층을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 장벽층 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성 영역을 정의하는 마스크를 형성하는 단계와, 상기 마스크를 식각마스크로 하여 상기 장벽층을 선택적 식각하여 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극의 형성 영역을 정의하는 단계 및 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극의 형성 영역이 정의된 절연층 상에 질화물계 반도체를 성장시켜 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 캐소드 전극의 형성 영역은 상기 애노드 전극 형성 영역을 향하여 돌출 형성된 에미터를 가지게 정의하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 수평구조 전계방출소자의 제조방법에서, 상기 버퍼층과 절연층은, GaN으로 형성하며, 상기 장벽층은, 실리콘질화막을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설 명한다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
[ 실시예 1]
우선, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법에 대하여 도 2 내지 도 6을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
수평구조 전계방출소자의 구조
도 2를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 구조에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 구조를 나타낸 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자는, 기판(100) 상에 버퍼층(110)이 형성되어 있다.
상기 기판(100)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(100)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은 GaN로 형성되며, 생략 가능하다.
상기 버퍼층(110) 상에 질화물 반도체로 이루어진 캐소드 전극(122)과 애노드 전극(125)이 서로 마주보도록 이격되어 형성되어 있다. 이때, 상기 질화물 반도체는, AlXGa1 - XN (0≤X<1) 조성물로 이루어진 것이 바람직하며, 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN 등으로 이루어질 수 있다. 이는 GaN 또는 AlN로 구성되는 화합물 간에 삼원계(AlXGa1-XN) 연속 합금을 형성하여 음의 전자친화도를 형성할 수 있는 동시에 에너지 밴드갭이 넓으므로 방사광에 대한 내성이 강하고, 열적, 화학적, 기계적 내성이 우수한 캐소드 전극(122)을 형성하는 것을 가능케 한다.
특히, 본 발명에 따른 상기 질화물 반도체는 n형 도전형 불순물이 도핑되어 있는 것이 바람직하며, 이에 따라, 전계방출소자의 전자 방출을 용이하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 캐소드 전극(122)은 이로부터 뻗어나와 상기 애노드 전극(125)을 향하여 돌출 형성된 에미터(123)를 가지도록 형성되어 있으며, 상기 에미터(123)는 상기 애노드 전극(125)과 인접한 부분이 상기 애노드 전극(125)을 향하여 날카로운 형상을 가지게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명은 상기 캐소드 전극(122)과 상기 애노드 전극(125) 사이의 일측에 해당하는 상기 버퍼층(100) 상에 형성된 게이트 전극을 더 포함하고 있으며, 상기 게이트 전극은 캐소드 전극(122) 및 애노드 전극(125)의 크기와 디자인 및 공정 조건에 따라 하나 이상 형성될 수 있다.
이와 같은 수평구조 전계방출소자는 도 3 및 도 4를 통해 전계 방출 소자의 역할을 할 수 있음을 증명하고 있다. 도 3은 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자의 I-V 특성을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자의 파울러-노드하임(Fowler-Nordheim) 법칙에 의한 특성을 나타낸 그래프이다.
보다 상세하게, 도 3은 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자의 캐소드 전극(122)과 애노드 전극(125) 사이의 다이오드 전류-전압(I-V) 특성을 나타낸 것으로, 턴온 전압이 약 35V이고, 애노드 전극(125)에 인가되는 전압이 100V일 때, 약 580nA/10tips의 방출 전류를 나타냄을 알 수 있다.
도 4는 도 3의 전류-전압의 데이터를 전압 대 전류의 역수로 나타낸 파울러-노드하임 특성 곡선으로, 애노드 전극(125)에 인가되는 전압이 35V 이상일 때 거의 선형적인 특성을 가짐을 나타내고 있으며, 이는 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자의 순방향 전류가 전계 방출 전류임을 확인시켜 주고 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자가 종래 기술에 따른 수직구조 전계방출소자에 비하여 비교적 낮은 턴온 전압과 높은 방출 전류 특성을 나타냄을 알 수 있다. 이는 질화물 반도체 즉, AlXGa1 - XN (0≤X<1) 조성물로 이루어진 캐소드 전극 및 애노드 전극이 다른 물질로 이루어진 전극에 비하여 전자친화도가 작고, 애노드 전극과 캐소드 전극을 동일면 상에 수평으로 배치함으로써, 전극 간의 간극을 줄이고 캐소드 전극으로부터 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터의 크기를 크게 형성할 수 있어 전계강화효과를 나타내는 종횡비(aspect ratio)를 높일 수 있기 때문이다.
수평구조 전계방출소자의 제조방법
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 제조 방법에 대하여 도 5a 내지 5c를 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정사시도이다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 버퍼층(110) 및 질화물 반도체층(120)을 순차적으로 형성한다.
여기서, 상기 기판(100)은 바람직하게는, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성하며, 사파이어 이외에, 기판(100)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride, AlN)로 형성할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(110)은, 상기 기판(100) 상에 질화물 반도체층(120)을 성장시키기 전에 상기 기판(100)과 질화물 반도체층(120)의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, GaN으로 형성할 수 있으며, 이는 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.
또한, 상기 질화물 반도체층(120)은 AlXGa1 - XN 조성물(여기서, 0≤x≤1임)을 갖는 질화갈륨계 반도체 물질일 수 있으며, MOCVD 및 MBE 공정과 같은 공지의 질화 물 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
그런 다음, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체층(120) 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극을 정의하는 마스크(200)를 형성한다. 이때, 상기 캐소드 전극은 이로부터 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터를 가지도록 정의하고, 상기 게이트 전극은 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극의 크기 및 디자인에 따라 하나 이상 형성되게 정의하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명에 따른 수평구조 전계방출소자는 2극 내지 5극 이상의 전극을 확장 형성하는 것이 가능하다.
상기 마스크(200)는 포토리소그라피(photolithography) 공정을 통해 광반응 폴리머를 소정 두께로 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 형성할 수 있다.
이어서, 상기 마스크(200)를 식각마스크로 이용하여 도 5c에 도시된 바와 같이 그 하부에 위치하는 질화물 반도체층(120)을 선택적 식각하여 캐소드 전극(122)과 애노드 전극(125) 및 게이트 전극(도시하지 않음)을 형성한 다음, 상기 마스크를 제거한다.
특히, 상기 캐소드 전극(122)으로부터 상기 애노드 전극(125)을 향하여 돌출되게 형성하는 에미터(123)는 상기 애노드 전극(125)과 인접한 부분이 상기 애노드 전극(125)을 향하여 날카로운 형상을 가지게 형성하는 것이 바람직하다(도 6 참조). 여기서, 도 6은 도 5c에 도시된 공정사시도를 더욱 상세하게 설명하기 위해 나타낸 평면사진이다.
[ 실시예 2]
본 발명의 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자 및 그 제조방법에 대하여 도 7 내지 도 9를 참고로 하여 상세하게 설명한다.
수평구조 전계방출소자의 구조
도 7을 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자는 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 절연층(130) 상에 캐소드 전극(122)과 애노드 전극(125) 및 게이트 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있으며, 상기 캐소드 전극(122)과 애노드 전극(125) 및 게이트 전극 사이에 이들의 형성 영역을 정의하는 장벽층(140)이 더 형성되어 있다는 점만 제1 실시예와 다르다.
상기 절연층(130)은 GaN으로 이루어져 있으며, 상기 장벽층(140)은 실리콘질화막(Si3N4)으로 이루어져 있다.
즉, 제1 실시예는 상기 버퍼층 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극이 동일면 상에 형성되어 있는 것을 예시한 것이며, 제2 실시예는 상기 버퍼층 상에 더 형성된 GaN으로 이루어진 절연층 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극이 동일면 상에 형성되어 있는 것을 예시한 것이다.
즉, 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자 또한, 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극이 AlXGa1-XN 조성물(여기서, 0≤x≤1임)로 이루어져 있으며, 동일면 상에 형성되어 있으므로, 제1 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.
수평구조 전계방출소자의 제조방법
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 제조 방법에 대하여 도 8a 내지 8d를 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수평구조 전계방출소자의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정사시도이다.
먼저, 도 8a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 버퍼층(110)과 절연층(120) 및 장벽층(140)을 순차적으로 형성한다.
여기서, 상기 기판(100)은 바람직하게는, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성하며, 사파이어 이외에, 기판(100)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride, AlN)로 형성할 수 있 다.
또한, 상기 버퍼층(110)은, 상기 기판(100) 상에 캐소드 전극 및 애노드 전극을 형성하기 위한 질화물 반도체층을 성장시키기 전에 상기 기판(100)과 질화물 반도체층의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, GaN으로 형성할 수 있으며, 이는 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.
또한, 상기 절연층(120)은, GaN에 철 또는 탄소 등의 원소를 주입하여 형성할 수 있으며, 이는 상기 버퍼층(110)과 상기 절연층(120) 상에 형성될 캐소드 전극 및 애노드 전극을 절연하는 역할을 한다.
또한, 상기 장벽층(140)은, 실리콘질화막(Si3N4)으로 이루어져 있으며, 이는 후속 식각 공정을 통해 상기 절연층(130) 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성 영역을 정의하는 역할을 한다.
그런 다음, 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 장벽층(140) 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성 영역을 정의하는 마스크(200)를 형성한다. 이때, 상기 마스크(200)는 상기 장벽층(140) 상의 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성 영역을 제외한 나머지 영역을 덮어 차단하고 있다.
여기서, 본 발명에 따른 상기 캐소드 전극 형성 영역은 이로부터 상기 애노드 전극 형성 영역을 향하여 돌출 형성된 에미터를 가지도록 정의하고, 상기 게이트 전극 형성 영역은 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극의 크기 및 디자인에 따라 하나 이상 형성되게 정의하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명에 따른 수평 구조 전계방출소자는 2극 내지 5극 이상의 전극을 확장 형성하는 것이 가능하다.
상기 마스크(200)는 포토리소그라피(photolithography) 공정을 통해 광반응 폴리머를 소정 두께로 도포한 후, 노광 및 현상 공정을 진행하여 형성할 수 있다.
이어서, 상기 마스크(200)를 식각마스크로 이용하여 도 8c에 도시된 바와 같이 그 하부에 위치하는 장벽층(140)을 선택적 식각하여 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성영역을 정의한다. 즉, 상기 장벽층(140)을 통해 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성영역에 해당하는 절연층(130)의 일면만을 노출시킨다.
그 다음, 도 8d에 도시된 바와 같이, 노출된 상기 절연층(130)을 재성장시켜 상기 절연층(130) 상에 AlXGa1 - XN 조성물(여기서, 0≤x≤1임)로 이루어진 캐소드 전극(122)과 애노드 전극(125) 및 게이트 전극(도시하지 않음)을 형성한다.
이때, 상기 캐소드 전극(122)으로부터 상기 애노드 전극(125)을 향하여 돌출되도록 형성되는 에미터(123)는 상기 장벽층(140)을 통해 상기 절연층(130)으로 부터 선택적으로 재성장되는 바, 제1 실시예에 비하여 상기 애노드 전극(125)과 인접한 부분을 보다 날카롭게 형성됨을 도 9를 통해 확인할 수 있다. 여기서, 도 9는 도 8d에 도시된 공정사시도를 더욱 상세하게 설명하기 위해 나타낸 사진으로, "A"부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 질화물계로 이루어진 캐소드 전극과 애노드 전극을 한 평면에 수평구조로 형성함으로써, 상기 캐소드 전극으로부터 돌출 형성되는 에미터의 크기 및 형상을 자유롭게 디자인할 수 있다.
또한, 상기 에미터의 크기 및 형상을 자유롭게 디자인함으로써, 전극 간의 간격을 최소화하는 동시에 다수의 게이트 전극 삽입 공간을 확보할 수 있어 3극, 4극, 5극 등을 사용하는 소자 구현이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 질화물계로 이루어진 캐소드 전극과 애노드 전극은 n형 도전형 불순물이 도핑되어 전계방출소자의 전자 방출을 용이하게 할 수 있다.
따라서, 본 발명은, 전계방출소자의 전계강화효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 기판 상에 형성된 버퍼층;
    질화물계 반도체로 이루어져 있으며, 상기 버퍼층 상의 소정 영역에 형성된 애노드 전극;
    질화물계 반도체로 이루어져 있으며, 상기 애노드 전극이 형성되지 않은 버퍼층 상에 상기 애노드 전극과 이격되어 형성된 캐소드 전극;
    상기 캐소드 전극으로부터 뻗어나와 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터; 및
    상기 버퍼층 상에 형성되어 있으며, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 하나 이상의 게이트 전극;을 포함하는 수평구조 전계방출소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는, AlXGa1 - XN (0≤X<1 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는, n형 도전형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에미터는, 상기 애노드 전극과 인접한 부분이 상기 애노드 전극을 향하여 날카로운 형상을 가지게 형성된 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  5. 기판 상에 버퍼층 및 질화물계 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 및
    상기 질화물계 반도체층을 선택적 식각하여 상기 버퍼층 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형성된 에미터를 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 질화물 반도체층은, AlXGa1 - XN (0≤X<1) 조성물로 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 질화물 반도체층은, n형 도전형 불순물을 도핑하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 에미터는, 상기 애노드 전극과 인접한 부분이 상기 애노드 전극을 향하여 날카로운 형상을 가지게 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  9. 기판 상에 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성된 절연층;
    상기 절연층 상에 형성되어 있으며, 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성 영역을 정의하는 장벽층; 및
    질화물계 반도체로 이루어져 있으며, 상기 장벽막을 통해 정의된 상기 절연층 상에 형성된 캐소드 전극과, 애노드 전극 및 게이트 전극;을 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 이로부터 뻗어나와 상기 애노드 전극을 향하여 돌출 형 성된 에미터을 가지게 형성된 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는, AlXGa1 - XN (0≤X<1) 조성물로 이루어진 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는, n형 도전형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 버퍼층과 상기 절연층은, GaN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 장벽층은, 실리콘질화막을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 에미터는, 상기 애노드 전극과 인접한 부분이 상기 애노드 전극을 향하여 날카로운 형상을 가지게 형성된 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자.
  15. 기판 상에 버퍼층과 절연층 및 장벽층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 장벽층 상에 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극 형성 영역을 정의하는 마스크를 형성하는 단계;
    상기 마스크를 식각마스크로 하여 상기 장벽층을 선택적 식각하여 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극의 형성 영역을 정의하는 단계; 및
    상기 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극의 형성 영역이 정의된 절연층 상에 질화물계 반도체를 성장시켜 캐소드 전극과 애노드 전극 및 게이트 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 캐소드 전극의 형성 영역은 상기 애노드 전극 형성 영역을 향하여 돌출 형성된 에미터를 가지게 정의하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는, AlXGa1 - XN (0≤X<1) 조성물로 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는, n형 도전형 불순물이 도핑된 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 버퍼층과 절연층은, GaN으로 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 에미터는, 상기 애노드 전극과 인접한 부분이 상기 애노드 전극을 향하 여 날카로운 형상을 가지게 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 장벽층은, 실리콘질화막을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 수평구조 전계방출소자의 제조방법.
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