KR100883531B1 - 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 및 이의제조방법 - Google Patents

실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 및 이의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 실리콘과 금속촉매를 합성하여 전기전도성이 우수한 실리사이드를 형성하고 금속의 확산을 통해 실리사이드 나노와이어를 성장시켜 디스플레이 및 고효율램프 분야에 적용가능한 전계방출소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 금속촉매를 이용하여 우수한 결정질로 성장된 고전도성의 나노소재를 이용하여 전계 방출 소자를 제조하였으며, 이는 도핑과정과 뾰족한 형상을 만들기 위한 과정을 생략하여 생산공정 단축으로 생산비를 절감시킬 수 있으며, 적은 전압으로 방출전류를 증대시킬 수 있어 성능의 향상을 도모하였고, 물리적증착과 화학적증착방법 모두를 적용하여 실리사이드 나노와이어를 성장시킬 수 있으므로 적용범위를 확장시킬수 있다. 나노와이어 성장의 기저층을 형성하는 니켈 실리사이드층은 전기적으로 전도가 우수함으로 이를 전도성 전극으로 사용할 수 있으므로, 회로구성에 용이성을 제공할 수 있으며, 절연기판을 사용할 시에도 부가적인 전극의 형성이 필요없이 실리사이드층을 사용하면 전계방출특성을 확보할 수 있어 디스플레이 및 고효율램프 분야에 적용가능한 유용한 제품 및 제조방법을 제공할 수 있다.
실리사이드, 나노와이어, 금속촉매, 전계방출소자

Description

실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 및 이의 제조방법{The Field Emission with Silicide Nanowires and the Device Fabrication Method}
본 발명은 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 실리콘과 금속촉매를 합성하여 전기전도성이 우수한 금속 실리사이드를 형성하고 금속의 확산을 통해 실리사이드 나노와이어를 성장시켜 디스플레이 및 고효율램프 분야에 적용가능한 전계방출소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
정보통신 기술의 급속한 발달과 다양화되는 정보의 시각화 요구에 따라 전자 디스플레이의 수요는 더욱 증가하고, 요구되는 디스플레이의 모습 또한 다양해지고 있으며, 최근에는 전계방출을 이용한 소자가 디스플레이 분야에 적용되면서 크기 및 전력 소모를 감소시키면서도 높은 해상도를 제공하는 박막 디스플레이의 개발이 활발해지고 있다.
상기 전계방출소자 디스플레이는 전극 구조가 간단하고, CRT와 같은 원리로 고속동작이 가능하며, 무한대의 칼라, 무한대의 그레이 스케일, 높은 휘도, 높은 비디오(video rate) 속도 등 디스플레이가 가져야 할 장점들을 고루 갖추고 있다.
이러한 디스플레이네 적용되는 전계방출소자는 전자 방출 원인 에미터와 방출된 전자가 충돌하여 발광하는 애노드 부, 상기 에미터에 전원을 공급하는 캐소드 전극을 포함하여 구성된다.
이와같이 전자를 방출하기 위한 에미터의 형성은 전도성이 낮은 물성을 이용할 시 필수적으로 도핑과정이 이루어져야 하고 또한 뾰족한 형상을 만들기 위한 공정이 추가적으로 이루어져야 한다. 즉, 전도성이 낮은 물질을 전계방출소자에 적용하기 위해서는 물리적 공정을 통하여 뾰족한 형상을 만들며 효율을 높이기 위한 도핑이 필수적이다. 따라서, 많은 공정을 필요치 않고도 원하는 전계 방출 소자의 형상을 가지는 일차원 나노소재 (1-Dimensional nanostructure)가 전계 방출소자로서 주목을 받고 있다. 또한 도전성이 좋은 금속성의 나노소재를 이용할 경우 효율을 높이기 위해 사용되는 도핑 공정 혹은 금속코팅의 과정을 필요로 하지 않으므로, 공정의 간편화 및 전계 방출소자-에미터(Emitter) 의 손상을 줄일 수 있으므로 공정 및 신뢰성을 향상할 수 있어 금속성 나노소재를 이용한 전계방출소자에 대한 연구가 필요하다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 및 이의 제조방법은,
기판과 애노드가 구비되어 디스플레이 분야와 고효율 램프에 사용하는 전계방출소자의 제조방법에 있어서, 기판 상부에 금속촉매를 코팅하는 단계와; 상기 금속촉매를 실리콘과 반응시켜 금속 실리사이드층을 형성하는 단계와; 상기 금속실리사이드 층위에 금속확산으로 실리사이드 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 방법에 의해 제조된 나노와이어를 갖는 전계방출소자는 성장된 나노와이어가 실리사이드층과 접하는 하단은 넓은면을 갖고, 성장된 상단부는 뾰적한 원뿔형태로 형성된다.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 및 이의 제조방법은,
금속촉매를 이용하여 우수한 결정질로 성장된 고전도성의 나노소재를 이용하여 전계 방출 소자를 제조하였으며, 이는 도핑과정과 뾰족한 형상을 만들기 위한 과정을 생략하여 생산공정 단축으로 생산비를 절감시킬 수 있으며, 적은 전압으로 방출전류를 증대시킬 수 있어 성능의 향상을 도모하였고, 물리적증착과 화학적증착방법 모두를 적용하여 실리사이드 나노와이어를 성장시킬 수 있으므로 적용범위를 확장시킬수 있다. 나노와이어 성장의 기저층을 형성하는 니켈 실리사이드층은 전기적으로 전도가 우수함으로 이를 전도성 전극으로 사용할 수 있으므로, 회로구성에 용이성을 제공할 수 있으며, 절연기판을 사용할 시에도 부가적인 전극의 형성이 필요없이 실리사이드층을 사용하면 전계방출특성을 확보할 수 있어 디스플레이 및 고효율램프 분야에 적용가능한 유용한 제품 및 제조방법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실리사이드 나노와이어(50)를 갖는 전계방출소자(10) 제조방법은 도 1과 2를 참조한 바와같이 기판(20) 상부에 금속촉매를 코팅하는 단계와; 상기 금속촉매를 실리콘과 반응시켜 금속 실리사이드층(30)을 형성하는 단계와; 상기 금속 실리사이드 층위에 금속확산으로 실리사이드 나노와이어(50)를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 기판(20)은 도전체나 비도전체 모두 사용가능하며, 기판(20)의 상부에 는 전도성이 우수한 니켈, 철, 코발트, 백금, 몰리브덴, 텅스텐, 이트륨, 금, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종선택한 금속이 포함된 금속촉매를 코팅한다.
여기서 상기 기판(20)은 실리콘 웨이퍼를 사용하는 것 이외에는 상부면에 실리콘층을 형성하여 상기 실리콘층이 금속촉매와 반응하여 전도성이 우수한 금속 실리사이드층(30)을 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 반응은 안정적인 실리사이드 형상 (Phase)을 확보하며, 금속 실리사이드층의 Ohmic 특성을 확보하기 위해서 200 ~ 900℃ 온도하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실리사이드 나노와이어(50)의 성장방식은 물리적 방식 (PVD, physical vapor deposition) 및 화학적 방식 (CVD, chemical vapor deposition) 에 의하여 성장될 수 있다. 예컨대 상기 CVD 의 경우 SiH4; 실란, 및 Si2H6 디실란을 이용하며 1 - 500 SCCM 의 가스 유입속도록 반응을 시키며, 이때 온도는 200 - 500 ℃에서 실리사이드 나노와이어를 성장시킨다. 또한, PVD 의 경우에는 고체 실리콘 Source 를 스퍼터링등의 물리적 방식을 이용하여, 400 - 700 ℃ 의 온도에서 나노파티클 형태로 공급하여 반응시켜 성장이 이루어지도록 한다.
상기한 바와같이 금속 실리사이드층(30) 위에 성장된 실리사이드 나노와이어(50)는 금속 실리사이드층과 접하는 하단이 넓은면을 갖고, 성장된 상단부는 뾰적한 원뿔형태로 형성되어 첨두에서의 전계인가를 증가시킨 우수한 전계방출소자가 된다. 전자 방출을 위한 회로는 실리사이드 나노와이어로부터 방출된 전자가 애노드(40)로 집속하는 형태로 구동된다. 저저항의 금속 실리사이드층(30)은 도전성의 캐소드로 사용될 수 있으므로, 도전성 기판 뿐만 아니라 비도전성의 기판을 사용가능하게 한다. 도전성 기판의 경우는 금속 실리사이드층과 기판이 오믹접합이 이루어져 기판(20)자체 또는 금속 실리사이드층(30)을 캐소드로 이용할 수 있으며, 비도전성의 기판의 경우에는 금속 실리사이드층(30)을 캐소드로 이용할 수 있으므로, 기판의 이용 및 선택성을 향상시킬 수 있다.
도 3a는 비도전성인 Si(SiO2 -coated)기판위에 실리사이드 나노와이어를 성장시킨 이미지이고, 도 3b는 도전성인 텅스텐(W) 기판위에 실리사이드 나노와이어를 성장시킨 이미지로서, 기판의 종류와 상관없이 실리사이드 나노와이어가 성장됨을 알 수 있다.
도 4는 도 3a와 도 3b의 각각 기판에서 성장된 실리사이드 나노와이어에 대한 X-ray 스펙트럼 분석 그래프로서, 서로 다른 기판의 성분을 명확히 보여주고 있다.
도 5는 본 발명에 의해 제작된 실리사이드 나노와이어의 전계 방출 특성을 보이고 있다. 전계증배개수(Field enhancement factor)는 일반적인 실리콘 팁을 사용하였을 때 보다 크게 증대되어 도전 기판의 경우 3180, 비도전 기판의 경우에도 3002 를 갖는다. 또한 이렇게 균일한 수치의 전계증배개수는 실리사이드 나노와이어의 균일성에서 기인한다고 볼 수 있다. 도전성기판 혹은 금속 실리사이드 층을 캐소드로 사용하였을 경우에는 비도전성의 기판을 캐소드로 사용하였을 때 보다 방출임계전압(Turn-on voltage)이 크게 감소되었고 방출전류에서는 큰 증가를 보였다. 이는 비도전성 기판을 이용하면 전계 방출시에는 Oxide/semiconductor 에서 생기는 전압강하로 인한 손실이 발생하여 방출전계의 감소 결과를 가져오지만, 도전성기판 혹은 금속 실리사이드 층을 사용할 경우에는 Metal/Oxide/Semiconductor 의 구조에서 발생되는 Oxide층 및 기판에서의 전압감압이 발생되지 않기 때문이다.
한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 제조과정의 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자의 제조공정도.
도 3a와 도 3b는 성장된 실리사이드 나노와이어의 이미지.
도 4는 도 3a와 도 3b의 나노와이어의 X-ray 스펙트럼 분석 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 나노와이어의 전기장에 따른 전류밀도를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전계방출소자 20 : 기판
30 : 금속 실리사이드층 40 : 애노드
50 : 실리사이드 나노와이어

Claims (7)

  1. 기판(20)과 애노드(40)가 구비되어 디스플레이 분야와 고효율 램프에 사용하는 전계방출소자의 제조방법에 있어서,
    기판(20) 상부에 금속촉매를 코팅하는 단계와;
    상기 금속촉매를 실리콘과 반응시켜 금속 실리사이드층(30)을 형성하는 단계와;
    상기 금속 실리사이드 층위에 금속확산으로 실리사이드 나노와이어(50)를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 실리사이드층(30)을 형성하는 단계는 200~900℃의 온도하에서 이루어짐을 특징으로 하는 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속촉매는 니켈, 코발트, 철 (Fe), 팔라듐 (Pd), 백금 (Pt)으 이루어진 군으로부터 선택사용됨을 특징으로 하는 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자 제조방법.
  4. 기판에 금속촉매를 코팅시키고, 이를 실리콘과 반응시켜 금속 실리사이드층을 형성하고, 이에 금속을 확산하여 실리사이드 나노와이어를 성장시킨 제조방법에 의해 제조된 기판과 애노드가 구비되는 전계방출소자에 있어서,
    상기 기판(20) 상부에 형성된 금속 실리사이드층(30)과, 상기 금속 실리사이드층 상부에 형성된 실리사이드 나노와이어(50)를 갖는 전계방출소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 실리사이드 나노와이어(50)는 금속 실리사이드층(30)과 접하는 하단은 넓은면을 갖고, 성장된 상단부는 뾰적한 원뿔형태로 형성된 것을 특징으로 하는 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 기판(20)은 비도전체를 사용하고, 금속 실리사이드층(30)을 캐소드로 사용함을 특징으로 하는 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 기판(20)은 도전체를 사용하고, 금속 실리사이드층(30)은 도전체기판과 오믹접합이 이루어져 기판과 금속 실리사이드층을 캐소드로 사용함을 특징으로 하는 실리사이드 나노와이어를 갖는 전계방출소자.
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