KR20000007778A - 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조 - Google Patents

강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조 Download PDF

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KR20000007778A
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Abstract

본 발명은 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조에 관한 것으로서, 본 발명의 전계 발광소자 구조는 실리콘 기판위에 형성되며, 실리콘과의 접합성이 좋고 고온까지도 그 절연 특성이 유지되는 제 1 절연층과, 상기 제 1 절연층 상부에 금속성 막으로 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극에 일정 주기를 가지는 양전압과 음전압의 펄스 전압을 인가할 경우, 그 표면에서 많은 양의 전자가 발생되는 전자 발생원으로 동작하는 강유전체층이 상기 제 1 전극 위에 형성되며, 상기 강유전체층 상부에 일정 간격을 두고 형성된 제 2 전극과, 상기 제 2 전극 사이에 상기 강유전체층의 상부와 진공없이 접하여 형성되며, 상기 강유전체층에서 전자가 발생될 때, 그 전자가 상기 강유전체층과의 접면을 통해 주입되며, 그 전자에 의해 여기되어 발광하는 전계 발광체층과, 상기 제 2 전극 및 전계 발광체층 상부에 형성된 제 2 절연층과, 상기 제 2 절연층 상부에 증착되며, 외부에서 인가된 양전압에 의해 상기 전계 발광체층에 주입된 전자를 가속화하여, 상기 전계 발광체층을 발광시키도록 하는 투명 전극과, 상기 투명 전극 상부에 형성된 보호막으로 구성되어, 낮은 동작 전압에서도 안정된 큰 전류를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Description

강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조
본 발명은 전계 발광소자 구조에 관한 것으로서, 특히, 강유전체를 전자 방출원으로 사용하고, 그 강유전체와 진공을 유지하지 않은 상태에서 강유전체 상부에 전계 발광체(EL:electroluminesence)를 형성한 후, 강유전체에서 방출된 전자를 전계발광체에 주입시켜 발광시킴으로써, 낮은 동작 전압에서도 안정된 큰 전류를 얻을 수 있도록 하는 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조에 관한 것이다.
이와 같이 전계에 의해 빛을 발생시키기 위한 방법으로 종래에는 전자방출원으로 사용되는 강유전체와 발광체층 사이에 진공이 형성된 미세 진공 소자를 사용하였으며, 상기 미세 진공 소자는 미소 냉 전자원, 진공 미세 구조 및 제어 전극을 단일 집적화한 것으로서, 초고속 소자와 평판 패널 표시기(flat panel display), 센서(sensor) 등의 각종 고성능 소자의 실현을 목표로 하로 하고 있다.
이러한 미세 진공 소자를 실현하기 위해서는 고체로부터 진공 중에 전자를 방출하는 고성능의 전자원 개발이 필요하며, 이러한 전자원으로서 열적 여기를 필요로 하지 않는 냉 전자원, 즉 터널링 에미터(tunneling emitter)의 개발이 필수적인데, 현재는 고체의 뾰쪽한 끝으로부터 전자를 방출하는 필드 에미터(field emitter)와 열전자 에미터(hot electron emitter)등의 개발이 진행되고 있으며, 그 중에서도 가장 활발한 연구를 하고 있는 것은, 뾰쪽한 끝을 가진 에미터(emitter)와 인출 전극을 일체화시킨 전계 방출 표시기(FED:Field Emission Display)이다.
그러나 현재의 제조공정에서는 금속, 다이아몬드, 실리콘의 팁(tip)을 균일하게 제조하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 소자가 동작하는데 초고진공(~10-7Torr)이 필요하며 큰 전류 밀도를 얻는데도 어려움이 있다. 또한, 전계발광(electroluminesence) 기술에서 전자방출원으로서 금속전극에서 주입된 전자를 얇은 절연막을 통해서 형광체(electroluminesence)에 가속시키기 위해서는 높은 전압이 필요하다는 단점이 있다.
따라서, 상기와 같은 단점을 해소하기 위해, 본 발명에서는 강유전체를 전자 방출원으로 사용하고, 그 강유전체와 진공을 유지하지 않은 상태에서 강유전체 상부에 전계 발광체(EL:electroluminesence)를 형성한 후, 강유전체에서 방출된 전자를 전계발광체에 주입시켜 발광시킴으로써, 낮은 동작 전압에서도 안정된 큰 전류를 얻을 수 있도록 하는 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조를 제공하고자 한다.
본 발명에서 제공하는 전계 발광소자는 실리콘 기판위에 형성되며, 실리콘과의 접합성이 좋고 고온까지도 그 절연 특성이 유지되는 제 1 절연층과, 상기 제 1 절연층 상부에 금속성 막으로 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극에 일정 주기를 가지는 양전압과 음전압의 펄스 전압을 인가할 경우, 그 표면에서 많은 양의 전자가 발생되는 전자 발생원으로 동작하는 강유전체층이 상기 제 1 전극 위에 형성되며, 상기 강유전체층 상부에 일정 간격을 두고 형성된 제 2 전극과, 상기 제 2 전극 사이에 강유전체층의 상부와 진공없이 접하여 형성된 전계 발광체층으로 구성되며, 상기 강유전체층에서 전자가 발생될 때, 그 전자가 상기 강유전체층과의 접면을 통해 주입되며, 그 전자에 의해 여기되어 발광하는 전계 발광체층과, 상기 제 2 전극 및 전계 발광체층 상부에 형성된 제 2 절연층과, 상기 제 2 절연층 상부에 증착되며 외부에서 인가된 양전압에 의해 상기 전계 발광체층에 주입된 전자를 가속화하여, 상기 전계 발광체층을 발광시키도록 하는 투명 전극과, 상기 투명 전극 상부에 형성된 보호막으로 구성되어, 낮은 동작 전압에서도 안정된 큰 전류를 얻을 수 있다는 특성이 있다.
도 1a∼도 1e는 본 발명에 의한 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조에 대한 공정도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 규소 기판 (silicon substrate)
2 : 제 1 절연층(dielectric layer)
3 : 제 1 전극 (first electrode)
4 : 강유전체 박막층(ferroelectric thin film layer)
5 : 제 2 전극 (second electrode)
6 : 전계발광체 (electroluminescence)
7 : 제 2 절연층(dielectric layer)
8 : 제 3 전극 (third electrode)
9 : 보호막(Protecting layer)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하고자 한다.
도 1a∼도 1e는 본 발명에 의한 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조에 대한 공정도로서, 먼저, 도 1a를 참조하면, 본 발명의 전계 발광소자가 발광하도록 하기 위해, 실리콘 기판(1) 위에 제 1 절연층(2)과, 제 1 전극(3)과, 전자 발생원인 강유전체층(4)과, 일정간격으로 형성된 제 2 전극(5)을 순차적으로 형성한 후, 상기 제 1 전극(3)에 100㎳∼1㎲의 주기를 가지는 양전압과 음전압의 펄스 전압을 인가하여, 상기 강유전체층(4)에서 전자를 발생시킨 것으로서, 상기 제 1 전극(3)에서 인가된 펄스 전압이 음전압일 때만 상기 강유전체층(4)에서 전자가 발생하도록 하기 위해, 상기 제 2 전극(5)은 접지시켰다. 이처럼 발생된 전자는 상기 제 2 전극(5) 사이의 공간(5a)으로 방출된다.
이 때, 상기 제 1 절연층(2)은 실리콘과의 접합성이 좋고 고온까지도 그 절연 특성이 유지되는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 이와 유사한 절연막으로 구성되고, 상기 제 1 전극(3) 및 제 2 전극(5)은 백금(Pt), 산화 루테늄(RuO2), 산화 이리듐(IrO2), 구리(Cu)와 같은 금속성 막으로 형성된다. 또한, 전자 발생원인 강유전체층(4)은 일반적으로 많이 연구되고 있는 PZT(Lead Zirconium Titanium :PbTiO3- PbZrO3), PLZT(Lead Lanthanum Zirconium Titanium :PbTiO3-PbZrO3-La2O3)와 같은 페로브스카이트계와 SBT(Strontium Bismuth Tantalum :SrBi2Ta2O9)와 같은 스트론튬-비스무스-탄탈륨 산화막으로 구성된다.
한편, 도 1b를 참조하면, 상기 전자가 방출되는 제 2 전극(5)의 사이의 공간(5a)에 전계 발광체층(6)이 형성되고, 도 1c를 참조하면, 상기 제 2 전극(5)과 전계 발광체층(6)의 상부에 제 2 절연층(7)을 형성한다. 또한, 도 1d를 참조하면, 상기 제 2 절연층(7) 상부에 투명전극(8)을 증착하고, 도 1e와 같이 상기 투명 전극(8) 상부에 얇은 보호막(8)을 형성한다.
상기와 같은 본 발명의 전계 발광소자를 구성하는 방법을 실시예로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 실리콘 기판 상에 1000℃의 습식 열산화법으로 200㎚ 두께의 산화막을 형성한 후에 스퍼터링법에 의해 제 1 전극 Pt를 100㎚ 형성하고, 질소 분위기에서 400℃에서 열처리하여 결정화시킨다. 그리고, 상기 형성된 Pt 전극 위에 PLZT 박막을 솔-젤(sol-gel)법으로 300㎚ 두께로 도포한 다음 650℃에서 열처리하며, 제 2 전극 Pt를 스퍼터링법에 의해 100∼200㎚ 형성한 후 건식식각에 의해 패터닝하고, 그 위에 ALE(Atomic Layer Epitaxy)법에 의해 ZnS:Mn(적색), ZnS:Tb(녹색), CaS:Pb(청색)를 두께 100∼350㎚로 형성한다.
그리고, 상기 구조물 위에 스퍼터링법에 의한 실리콘 산화막을 200㎚ 두께로 형성하고, 투명전극 ITO(Indium Tin Oxide; InSnO3)막도 같은 방법으로 300㎚의 두께 증착하며, 마지막으로 보호막은 플라즈마 증착법에 의해 질화산화막을 200㎚ 두께 증착한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 전계 발광소자 구조의 동작은 다음과 같다.
먼저, 상기 제 1 전극층(3)에 100㎳∼1㎲의 주기를 가지는 양전압과 음전압의 교류적인 펄스전압을 인가하면, 상기 강유전체층(4) 표면에서 많은 양의 전자가 발생되어, 상기 전계발광체층(6)의 표면으로 주입된다. 또한, 상기 제 3 전극(8)에 강한 양전압을 인가하면 이로 인해 강한 전계가 발생하고, 상기 전계에 의해 상기 전계 발광체층(6)의 표면으로 주입된 전자는 가속을 받게 되며, 이 가속된 전자는 상기 전계발광체(6)를 여기시켜서 발광하게 한다. 이 때, 제 2 전극(5)은 접지되어 펄스 전압이 음으로 인가 될 때만 전자가 발생하게 된다.
상기와 같은 본 발명은 강유전체 박막을 전자방출원으로 사용하여 낮은 동작 전압(~40V)에서도 안정된 큰 전류(~50A/cm2)를 얻을 수 있으므로, 차세대 평판 디스플레이와 같은 미세 진공소자에 활용이 가능하며, 현재 FED 기술에서는 에미터와 형광체 사이를 초고진공(~10-7Torr)에서 동작시켜야 하는데 비하여 이 구조는 전계발광체를 전자 방출원인 강유전체 위에 바로 부착을 시킨 구조이므로 전혀 진공시스템이 필요가 없다. 아울러 전류 밀도가 낮고 균일성이 좋지 못한 특성을 해결할 수 있으며, 전계 발광소자에서와 같이 고전압 인가로 인한 절연막의 열화 또는 파괴와 같은 현상이 없다.

Claims (6)

  1. 강유전체를 전자 방출원으로 사용하고, 그 강유전체와 진공을 유지하지 않은 상태에서 상기 강유전체 상부에 전계 발광체(EL:electroluminesence)를 형성한 후, 강유전체에서 방출된 전자를 전계발광체(EL:electroluminesence)에 주입시켜 발광시킴으로써, 낮은 동작 전압에서도 안정된 큰 전류를 얻을 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실리콘 기판과,
    상기 실리콘 기판위에 형성되며, 실리콘과의 접합성이 좋고 고온까지도 그 절연 특성이 유지되는 제 1 절연층과,
    상기 제 1 절연층 상부에 금속성 막으로 형성된 제 1 전극과,
    상기 제 1 전극위에 형성되며, 상기 제 1 전극에 일정 주기를 가지는 양전압과 음전압의 펄스 전압을 인가할 경우, 전자 발생원으로 동작하는 강유전체층과,
    상기 강유전체층 상부에 일정 간격을 두고 형성된 제 2 전극과,
    상기 제 2 전극 사이에 상기 강유전체층의 상부와 진공없이 접하여 형성되며, 상기 강유전체층에서 전자가 발생될 때, 그 전자가 상기 강유전체층과의 접면을 통해 주입되며, 그 전자에 의해 여기되어 발광하는 전계 발광체층과,
    상기 제 2 전극 및 전계 발광체층 상부에 형성된 제 2 절연층과,
    상기 제 2 절연층 상부에 증착되며, 외부에서 인가된 양전압에 의해 상기 전계 발광체층에 주입된 전자를 가속화하여, 상기 전계 발광체층을 발광시키도록 하는 투명 전극과,
    상기 투명 전극 상부에 형성된 보호막으로 구성된 것을 특징으로 하는 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광체층은 ALE(Atomic Layer Epitaxy)법에 의해 형성되며,
    ZnS:Mn(적색), ZnS:Tb(녹색), CaS:Pb(청색)을 가진 것을 특징으로 하는 강유전체 전자방출원을 가진 전계 발광소자 구조.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 절연층은
    실리콘 산화막, 실리콘 질화막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 강유전체 전자 방출원을 가진 전계 발광소자 구조.
  5. 제 2 항에 있어서,
    제 1 전극 또는 제 2 전극은
    백금(Pt), 산화 루테늄(RuO2), 산화 이리듐(IrO2)과 같은 금속성 막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 강유전체 전자 방출원을 가진 전계 발광소자 구조.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 강유전체층은
    페로브스카이트계인 PZT, PLZT 또는 스트론튬-비스무스-탄탈륨(SBT) 산화막인 것을 특징으로 하는 강유전체 전자 방출원을 가진 전계 발광소자 구조.
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KR100448184B1 (ko) * 2001-05-29 2004-09-13 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 박막 전계 발광 소자

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KR100448184B1 (ko) * 2001-05-29 2004-09-13 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 박막 전계 발광 소자

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