KR19990045417A - 전계 방출형 냉음극 장치 - Google Patents

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Abstract

전계 방출형 냉음극 장치에 있어서, 관내 진공도가 10-8Pa 내지 10-4Pa일 때 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운과 게이트 전극 사이의 방전 전류치가 5 mA를 초과하지 않도록 제어된다.

Description

전계 방출형 냉음극 장치
본 발명은 냉음극 장치에 관한 것으로, 특히 전계 방출 냉음극 소자군 아래의 방전 전류 제어 디바이스를 구비한 전계 방출형 냉음극 장치에 관한 것이다.
종래의 전계 방출형 냉음극 장치는 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운(cone)과 에미터 코운의 선단부를 둘러싸는 게이트 전극을 구비하고 있다. 에미터 코운의 전위와 같은 전위의 반도체 기판과 게이트 전극은 절연체에 의해 상호 절연된다. 게이트와 에미터 사이의 방전 전류를 억제하기 위한 기술은 제공되어 있지 않다.
몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운은 스핀법이라 명명되는 회전 피착법에 의해 형성된다. 이 방법은 간략하게 설명될 것이다. 게이트 전극층은 절연체를 통해 반도체 기판상에 존재하고, 공동부(hollow portion)로 역할하는 게이트 홀(hole)은 게이트 상위 표면으로부터 반도체 기판으로 확장되어 형성된다. 예를 들면, 알루미늄으로 만들어진 희생층(sacrifice layer)은 게이트 전극의 측벽에 충분히 부착되도록 회전 경사 피착법(rotational oblique deposition)에 의해 형성된다.
에미터 코운을 형성하기 위하여 몰리브덴이 기판상에 수직으로 피착되어 형성될 때, 홀 지름을 줄이기 위하여 몰리브덴이 게이트 전극의 측벽에 부착된다. 따라서, 몰리브덴층은 게이트 지름을 투영하는 동안 반도체층 상에 적층되고, 이리하여 원뿔 형상을 형성한다. 희생층은 전계 방출형 냉음극 장치를 완성하기 위하여 리프트-오프(lift-off)로 에칭된다. 도 1에서 도시된 종래의 전계 방출형 냉음극 장치에서, 방전 전류 제어 기능은 소자군 내부에 제공되어 있지 않다.
종래에는, 게이트와 에미터 사이의 방전 전류를 억제하기 위한 방전 제어 장치가 제공되지 않았고, 초기 방전에 의해 회로-단락 브레이크다운이 자주 발생한다.
이것은 아래의 이유로부터 기인한다. 종래에는, 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운의 선단부를 용융시키지(fusing) 않을 정도의 게이트와 에미터 사이의 방전 전류치가 계산될 수 없었다. 방전 전류를 제어하기 위하여 전류 제어 디바이스가 전계 방출형 냉음극 장치의 외부에 부착된다하더라도 효과를 얻을 수 없었고, 초기 방전의 원인이 밝혀지지 않았다.
본 발명자는 방전 전류 억제 효과가 냉음극 장치 내부에 전류 제어 기술을 제공함으로써 획득되었음을 발견하였다. 이는 방출된 전하를 축적하는 부분이 음극 기판과 게이트 사이의 기생 용량(parasitic capacitance)이기 때문이다. 따라서, 어떻게 몰리브덴 코운(에미터 코운)이 용융되는지에 대한 메카니즘(mechanism) 및 방전 전류치가 종래에는 명확히 밝혀질 수 없었다. 본 발명에 따르면, 포화 전류 특성을 가진 소자가 소자군 아래에 형성될 수 있기 때문에 이러한 문제들이 명확히 밝혀진다. 이 전류 제어 디바이스는 장치 파라미터를 전환함으로써 포화 전류치를 임의로 선택할 수 있고, 용융 메카니즘 및 용융 전류치의 특정화가 가능하도록 한다.
본 발명은 종래 기술의 상황에 대한 고찰로부터 이루어졌고, 그 목적은, 전계 방출 냉음극 소자군의 한 소자로부터의 방전 전류치를 제어함으로써 코운의 선단부의 용융이 방지되고 초기 평가시의 불량과 애플리케이션에서의 초기 불량이 없는 긴 수명의 전계 방출형 냉음극 장치를 제공하는 것이다.
본 발명 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 특징에 따르면, 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운과 게이트 전극사이의 방전 전류치가 관내(in-tube) 진공도가 10-8Pa 내지 10-4Pa일 때, 5 mA보다 크지 않도록 제어되는 전계 방출형 냉음극 장치가 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 제1 특징의 방전 전류치의 하한이 소자의 포화-저항 영역 내의 전류치로 설정된다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 온-저항 영역 내의 저항치가 포화-저항 영역 내의 저항치보다 낮다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 제1 특징의 방전 전류치를 제어하기 위한 전류 제어 디바이스는 전계 방출 냉음극 소자군 아래에 형성되고, 상기 제어 전류 장치의 제어 전류치는 소자군 단위로 결정된다.
본 발명의 제5 특징에 따르면, 제4 특징의 전류 제어 디바이스가 하나 이상 제공될 수 있다.
본 발명의 제6 특징에 따르면. 전계 방출 냉음극 소자군과 제4 특징의 전류 제어 디바이스가 한 쌍으로 형성된다.
상기 특징으로부터 명확한 바와 같이, 본 발명의 전계 방출형 냉음극 장치에서, 게이트와 에미터 사이의 방전 전류치가 전류 제어에 의해 5 mA보다 더 작거나 같도록 억제될 때, 전계 방출 냉음극 소자군 내의 한 소자의 방전에 의해 야기되는 코운 선단부의 용융 및 회로 단락이 발생하지 않는다. 결과적으로, 초기 평가시의 불량 및 애플리케이션의 초기 불량이 없어짐으로써 서비스 기간이 연장된다. 더 구체적으로는, 전계 방출 냉음극 소자군 내의 전류 제어 디바이스가 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운을 용융시키지 않는 전류치로 방전 전류치를 제어하기 때문에, 게이트 전극과 에미터 코운 사이에서 방전이 발생한다하더라도, 양 단자가 용융되지 않는다.
이 후의 상세한 설명, 및 본 발명의 원리을 포함하는 바람직한 실시예가 도식화된 예로서 도시된 첨부 도면을 참조할 때, 상기 본 발명의 여러 목적, 특징 및 장점이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에게 명확해질 것이다.
도 1은 종래의 전계 방출형 냉음극 장치를 도시하는 개략적인 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출형 냉음극 장치를 도시하는 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 전계 방출형 냉음극 장치에 사용되는 전류 제어 디바이스의 예를 도시하는 개략적인 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 전류 제어 디바이스의 포화 전류 특성을 도시하는 전류-전압 그래프.
도 5는 도 3에 도시된 전류 제어 디바이스의 포화 전류에 대한 에미터 코운 선단부의 용융률(fusion rate)을 도시하는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 전계 방출형 냉음극 장치에 사용되는 전류 제어 디바이스의 다른 예를 도시한 개략적인 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 반도체 기판
3 : 절연막
4 : 게이트 전극
5 : 에미터 코운
8 : 방전
9 : 전류 제어 디바이스
10 : 기생 용량
11 : 트렌치(trench)
12 : 제어 영역
13 : 공핍층
22 : 슬릿부
본 발명의 몇몇 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조로 설명될 것이다.
본 발명에 따르면, 전류 제어 디바이스는 전계 방출 냉음극 장치 소자군과 일련으로 접속되고, 전류 제어 디바이스의 전류 제어치가 소자의 에미터 코운을 구성하는 몰리브덴을 용융시키지 않을 정도인 5 mA와 같거나 더 작도록 제어되어, 소자의 게이트와 에미터 간의 단락으로 인한 브레이크다운이 방지된다. 각 소자군 및 대응하는 전류 제어 디바이스는 하나의 단위 블록을 형성하고 각 블록은 상호 병렬로 배치된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전계 방출형 냉음극 장치를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기생 용량(10)이 반도체 기판(1)과 게이트 전극(4)사이에 형성된다. 기생 용량(10)에 축적된 전하가 게이트 전극(4)과 에미터 코운(5) 사이에서 방전되기 시작할 때, 게이트 전극(5)에 직렬로 접속된 전류 제어 디바이스(9)는 에미터 코운(5)의 용융을 방지하기 위하여 방전 전류를 제어한다.
전류 제어 디바이스(9)는 전계 방출 냉음극 소자군과 직렬로 접속되어 하나의 블록을 형성한다. 이런 방법으로 형성된 각각의 블록은 상호 병렬로 접속된다. 전계 방출형 냉음극 장치는 하나 이상의 블록에 의해 구성된다. 몰리브덴이 에미터 코운(5)을 형성하기 위해 사용될 경우, 제어 목표가 되는 전류치가 실험에 의하여 획득된다. 실험 결과로부터, 에미터의 몰리브덴을 용융시키지 않는 게이트와 에미터 간의 방전 전류의 전류치는 5 mA 내지 10 mA이다. 전류치의 이러한 변동은 방전시간의 변동에 의해 야기된다고 추정된다. 따라서, 전류 제어 디바이스(9)에 의해 블록 단위에서 제어될 전류치는 5 mA와 같거나 작아야한다. 방전 시간은 진공관 내의 진공도에 따른다. 5 mA 이하의 전류치는 진공도가 10-8Pa 내지 10-4Pa 이내일 때 획득된다.
전류 제어 디바이스로서, 전계 방출 냉음극 소자군 아래의 기판 내에 형성되는 트렌치(trench)에 의해 둘러싸인 원주형 블록으로 구성된 디바이스 또는 동일한 방법으로 기판 아래에 형성되는 매몰 영역(buried area)에 의해 둘러싸인 원주형 블록으로 구성된 디바이스가 사용될 수 있다. 이러한 디바이스는 포화 전류 특성을 나타낸다. 동작 영역 내의 전류치는 디바이스의 크기를 적절하게 설계함으로써 제어될 수 있다. 즉, 단지 하나의 저항도 동작 영역 내의 몰리브덴을 용융시키지 않는 저항치를 가진다면 제어 디바이스로써 역할할 수 있다.
이는 실제적인 예를 통해 설명될 것이다.
도 3은 한 트렌치 블록의 단면도이다. n-형 반도체 기판(1)에서, 제어 영역(12)은 복수의 전계 방출형 냉음극 소자를 가진 소자군 아래의 트렌치(11)에 의해 둘러싸여진다. 도면 부호(13)는 트렌치(11)와 제어 영역 사이에 형성되는 공핍층을 나타낸다.
방전(8)이 임의의 게이트와 에미터 사이에서 발생할 때 실행되는 동작이 간략하게 설명될 것이다.
이 전류 제어 디바이스의 전류-전압 특성은 도 4에 도시된 바와 같이 포화 전류 특성을 가지고 있다. 이 특성들은 에미터 코운 대신 AL 전극을 구비한 TEG로 측정된다.
정전압이 AL 전극에 인가될 때, 공핍층이 낮은 저항에 의해 넓혀진 전류 통로를 수축하기 위하여 트렌치의 측벽으로부터 확장하기 시작한다. 따라서, 전류가 흐르기 어렵게 되어 포화 전류 특성을 나타낸다. 도 3에서, 방전(8)이 발생할 때, 대응하는 게이트 전극(4)과 에미터 코운(5)은 높은 게이트 전압을 트렌치 블록의 상위 표면으로 인가하기 위하여 즉각적으로 낮은 저항 상태로 설정된다. 그 다음, 도 4에 도시된 TEG의 포화 전류 특성에 기인하여, 방전 전류는 포화 전류치로 억제된다. 포화 전류치가 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운(5)을 용융시키지 않는 값으로 설계된다면, 에미터 코운(5)은 용융되지 않는다. 따라서, 초기 평가시의 불량이 개선되고, 애플리케이션시의 초기 동작 불량이 개선되고, 서비스 기간이 연장된다.
포화 전류치는 트렌치 블록의 크기, n-형 반도체 기판의 불순물 농도, 및 트렌치(11)의 깊이에 따른다. 도 4를 참조하면, 브레이크다운 전압이 90 V 및 100 V 사이에 위치한다. 측정 결과에 따르면, 실제 소자에서는 게이트 전극(4)과 에미터 코운(5)이 방전에 의해 용융되어 단락되는 최소 게이트 전압이 약 120 V임을 나타낸다. 이는 방전의 시작시에 방전부에 의해 야기되는 전압 강하가 20 V 내지 30 V인 방전 저항이 있다는 것을 의미한다.
몰리브덴이 용융되지 않는 전류치가 전계 방출 냉음극 소자군 아래의, 트렌치(11)에 의해 형성된 전류 제어 디바이스로 실험적으로 측정되었다.
아래와 같은 방법으로 측정이 수행되었다. 샘플을 사용하여, 서로 다른 트렌치 블록 크기를 구비한 다수의 패턴에 따라 100 uA 및 30 mA 사이에서 변경되는 포화 전류치, 방출 전류가 진공실에서 게이트 전압을 3 시간 동안 70 V로 인가하는 동안 방전되었다. 에미터 코운(5)의 선단부가 용융되었는가는 전자현미경(SEM)으로 검사되었고, 용융률로 표현되었다. 도 5는 용융률을 도시하는 그래프이다. 에미터 코운(5) 선단부의 용융률은 전체 에미터 코운에 대한 용융된 코운 수의 퍼센트로 나타낸다. 측정이 수행되었던 진공실 내의 진공도는 10-8Pa 내지 10-4Pa의 범위 내에 있었다.
도 5는, 포화 전류치가 5 mA를 초과할 때, 에미터 코운(5)의 선단부의 용융률은 급격하게 증가하는 것을 도시한다. 방전이 임의의 게이트 전극과 이에 대응하는 에미터 코운(5)의 선단부 사이에서 발생할 때, 방전 전류치는 에미터 코운(5)하의 전류 제어 디바이스의 포화 전류치 5 mA로 억제한다. 따라서, 이 값은 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운(5)을 용융시키는 한계가 될 수 있다. 도 5에서, 방전 지속 시간이 그 때의 진공실 내의 진공도 등의 환경 차이에 따라 변경되기 때문에, 포화 전류치는 10 mA까지 변한다.
이 때 발생된, 용융된 선단부의 선단부 열량 Q1 0.1 J/s은 최소 용융 전류를 방전시의 전압 강하와 곱함으로써 얻어된다. 에미터 코운(5)의 선단부에서 몰리브덴의 저항에 의해 발생되는 열은 몰리브덴 자체의 고유 저항이 7.6 × 10-6Ωcm 만큼 매우 낮기 때문에 무시될 수 있다. 이 열량의 1/5이 몰리브덴 선단부에서 용융되어 소실되는 영역에 대응하는 선단부로부터 1000 Å으로 전달된다고 가정하면, 고진공 상태에서 약 1,800˚K의 승화 온도에서 선단부가 소실된다고 추측된다. 승화된 부분의 무게는 2 × 10-15g이다. 따라서. 승화를 발생시키기 위하여 실내 온도가 300˚K에서 1,800˚K까지 증가할 때 필요한 열량 Q2는 아래와 같다.
Q2 = 0.248(비열) × 1500 × 2 × 10-15+ 6438(승화열) × 2 × 10-15
= 1.36 × 10-11J
열전도에 의해 단위 시간당 방전되는 열량 Q3은 아래와 같다.
Q3 = 1500 / 1.07 × 10+5(비열) = 0.014 J/s
(Q1-Q3) × T = Q2로부터 방전 지속 시간 T는 2.3 ns이다.
이 계산이 정확한지는 분명하지 않다. 중요한 것은 방전 전류치가 제어될 때, 방전이 용융 또는 승화의 초기 단계에서 정지되어, 게이트 전극(4) 및 에미터 코운(5)이 단락으로 인한 동작 불능이 되지 않을 것이라는 것이다.
에미터 코운(5)의 선단부는 용융되어 소실되므로 게이트 전극(4)과 이에 대응하는 에미터 코운(5) 사이의 거리가 증가되어 방전의 시작시의 거리보다 더 커지게 되고, 방전 전류는 전류 제어 디바이스에 의해 방전 시작시의 전류치로 억제되어 방전이 계속되지 못하게 하기 때문에, 방전은 정지될 수 있다. 현재, 진공 중의 방전에 관한 다양한 형태의 모델들이 논의되고 있지만, 시시 때때로 변화하는 조건에 따라 달라지는 현상을 제어하는 요인은 아직은 명확하지 않다.
방전 전류가 더 낮은 한계에서 제어될 필요는 없다. 그 보다, 전계 방출형 냉음극 장치가 채용될 경우 얻어지는 동작 전류치가 방전 전류 제어치에 의해 제한된다. 하나의 방전 전류 제어 디바이스와 관련된 전계 방출 냉음극 소자군의 블록수를 방전 전류 제어 전류치와 곱함으로써 얻어지는 값이 최대 동작 전류치이다. 따라서, (동작 전류치) < (방전 전류 제어 전류치) × (블럭수) 의 제한 조건이 주어진다.
이 제한은, 40 mA의 동작 전류가 진행파관(traveling wave tube)에서 필요한 경우, 방전 전류 제어 전류치가 5 mA라면, 전계 방출형 냉음극 장치는 8개 이상의 블록으로 나누어져야 함을 의미한다. 제어 전류치가 1 mA일 경우, 전계 방출형 냉음극 장치는 40개 이상의 블록으로 나누어져야 한다. 또한, 전계 방출형 냉음극 장치는 동작 전류가 도 4에 도시된 TEG에 대해 얻어진 포화 전류 특성의 온-저항 영역 내에 있도록 설계되어야 한다.
방전 전류 제어 디바이스의 다른 예가 설명될 것이다.
도 6은 p-형 매몰층 슬릿을 이용하는 매몰형 전류 제한 디바이스가 전계 방출형 냉음극 소자군 아래에 형성된 예를 도시한다.
이 전류 제어 디바이스의 동작은 간단하게 설명될 것이다. 방전이 게이트 전극(4)과 에미터 코운(5) 사이에서 발생할 때, n-형 에피택셜 영역(1a)의 전위가 순간적으로 기판(1)상에 형성된 p-형 매몰 영역(1b)의 전위보다 더 높아져서 역 바이어스가 형성된다. 슬릿부(22)까지 연장된 공핍층은 저항을 증가시켜 전류를 억제한다. 이와 같은 방법으로, 전류 제어 디바이스는 트렌치형 장치에서와 동일하게 포화 전류 특성을 나타낸다. 만약, p-형 매몰 영역(1b)이 n-형 반도체 기판의 전위와 동일 전위로 설정된다면 그 효과는 더 향상된다.
p-형 매몰 영역(1b)의 슬릿에 대응하는 슬릿부(22)의 크기는 포화 전류치를 결정한다. 슬릿부(22)는 정사각형 또는 직사각형과 같은 사각형, 다각형, 또는 원형 또는 타원형 등의 모양을 가진다.
본 발명의 목적은, 전계 방출 냉음극 소자군의 한 소자로부터의 방전 전류치를 제어함으로써 코운의 선단부의 용융이 방지되고 초기 평가시의 불량과 애플리케이션에서의 초기 불량이 없는 긴 수명의 전계 방출형 냉음극 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명의 전계 방출형 냉음극 장치에서, 게이트와 에미터 사이의 방전 전류치가 전류 제어에 의해 5 mA보다 더 작거나 같도록 억제될 때, 전계 방출 냉음극 소자군 내의 한 소자의 방전에 의해 야기되는 에미터 코운 선단부의 용융 및 회로 단락이 발생하지 않는다. 결과적으로, 초기 평가시의 불량 및 애플리케이션의 초기 불량이 없어짐으로써 서비스 기간이 연장되는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 전계 방출형 냉음극 장치에 있어서,
    관내 진공도가 10-8Pa 내지 10-4Pa일 때 몰리브덴으로 만들어진 에미터 코운과 게이트 전극 사이의 방전 전류치가 5 mA를 초과하지 않도록 제어되는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방전 전류의 하한치가 소자의 포화-저항 영역 내의 전류치로 설정되는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    온-저항 영역 내의 저항치가 상기 포화-저항 영역 내의 저항치보다 작은 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방전 전류치를 제어하기 위한 전류 제어 디바이스가 전계 방출 냉음극 소자군 아래에 형성되고, 상기 전류 제어 디바이스의 제어 전류치가 소자군 단위로 결정되는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    하나 이상의 전류 제어 디바이스를 포함하는 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전계 방출 냉음극 소자군 및 상기 전류 제어 디바이스가 하나의 쌍을 형성하는 장치.
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