KR20030056571A - 전계 방출 소자 - Google Patents

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KR20030056571A
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황치선
송윤호
이진호
조경익
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 각 픽셀에 연결되는 전계 방출 게이트 전극에 저항체를 설치함으로써, 고전압으로 동작되는 전계 방출 소자에 게이트 전극과 에미터간의 전기적인 연결에 의해 누설 전류가 발생되는 것을 억제하여 소비 전력을 낮추고, 소자의 동작 특성을 향상시킬 수 있는 전계 방출 소자가 개시된다.

Description

전계 방출 소자{Field emission device}
본 발명은 전계 방출 소자에 관한 것으로, 특히 높은 동작 전압으로 인하여 발생되는 게이트 전극과 에미터간의 전기적인 연결에 의해 누설 전류가 발생되는 것을 억제할 수 있는 전계 방출 소자에 관한 것이다.
전계 방출 소자는 전계 방출형 표시장치 등에 이용되는데, 전계 방출형 표시장치는 TFT-LCD의 뒤를 잇는 차세대 평판 표시 장치로 연구되고 있는 장치이다.
전계 방출 소자는 크게 삼극형(Triode-Type)과 이극형(Diode-Type)으로 구분된다. 이때, 삼극형은 에미터와 게이트 전극으로 이루어진 양극부와 양극부 상부에 설치된 음극부(에노드)로 이루어진다. 에미터는 전자를 방출시키며, 일반적으로,팁의 형태로 이루어진다. 게이트 전극은 인가되는 전압에 따라 에미터에서 발생되는 전자의 량을 조절하는 역할을 한다. 한편, 이극형은 양극부에 하나의 전극만이 존재한다.
본 발명은 삼극형으로 이루어진 전계 방출 소자에 관한 것으로, 삼극형 전계 방출 소자의 종래 기술을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 따른 전계 방출 소자를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전계 방출 소자는 전자를 방출시키며 팁의 형태로 이루어진 에미터(104)와, 인가되는 전압에 따라 에미터(104)에서 발생되는 전자의 량을 조절하기 위한 게이트 전극(105)와, 게이트 전극(105) 상부에 형성된 에노드(107)을 기본 구성으로 하며, 에노드(107)는 에노드 단자(108)와 연결되고, 게이트 전극(105)은 게이트 단자(106)와 연결된다.
한편, 에미터(104)에는 에미터(104)에 전류를 선택적으로 공급하기 위한 스위칭 수단(103)이 연결된다. 스위칭 수단(103)은 트랜지스터로 이루어지며, 트랜지스터의 게이트 전극(102)에 인가되는 전압에 따라 소오스 전극(101)로 공급되는 전류를 선택적으로 에미터(104)에 공급한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 에미터(104)의 주변에는 전계 방출 소자의 게이트 전극(105)이 형성되며, 에미터(104)에서 전자를 방출시키기 위하여 게이트 전극(105)에는 고전압이 인가된다. 여기서, 에미터(104)와 게이트 전극(105)이 전기적으로 연결될 경우, 에미터(104)와 게이트 전극(105) 사이에는 충분한 전압차가 형성되지 못하여 전자가 방출되지 않을 뿐만 아니라, 누설 전류가 발생되어 소비전력이 급격하게 증가된다.
또한, 전기적인 원인이나 공정 상의 원인으로 인하여, 전계 방출 소자의 게이트 전극(105)이 트랜지스터의 게이트, 소오스 또는 드레인과 연결되면, 마찬가지로 누설 전류가 형성되면서 에미터(104)와 전계 방출 소자의 게이트 전극(105) 사이에는 충분한 전압차가 형성되지 못하여 전자가 정상적으로 방출되지 못한다.
상기와 같이 누설 전류가 형성되게 되면, 이에 따라 에미터(104)와 전계 방출 소자의 게이트 전극(105)간의 전압차가 줄어들게 되며, 이 양은 누설전류와 저항의 곱에 비례하게 된다. 따라서, 누설 전류가 형성된 영역의 근처에 형성된 전계 방출 소자의 게이트 전극(105)에는 충분한 전압이 인가되지 못하기 때문에 정상적인 동작이 이루어지지 않는다.
이로 인하여, 소비 전력이 증가하고 소자의 신뢰성이 저하되는 문제점이 발생된다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 전계 방출 소자의 게이트 전극에 저항체를 접속시켜 공정상이나 동작상의 이유로 게이트 전극이 에미터 혹은 다른 전극와 전기적으로 연결되어 위험 수준 이상의 누설 전류가 흐르는 것을 방지함으로써, 소비 전력이 증가하는 것을 방지하고 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전계 방출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 전계 방출 소자는 게이트 전극, 에미터 및 에노드로 이루어진 전계 방출 소자에 있어서, 게이트 전극에 접속되며, 게이트 전극 및 에미터간의 누설 전류를 차단할 수 있는 저항체를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기에서, 저항체는 저항을 사용하거나 특정 부분이 얇게 형성되어 큰 저항 값을 갖는 금속 배선을 사용한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전계 방출 소자를 설명하기 위한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전계 방출 소자를 설명하기 위한 구성도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 각각의 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101, 201 : 소오스 단자102, 202 : 트랜지스터의 게이트 전극
103, 203 : 스위칭 수단104, 204 : 에미터
105, 205 : 전계 방출 소자의 게이트 전극
106, 206 : 전계 방출 소자의 게이트 단자
107, 207 : 에노드108, 208 : 에노드 단자
209 : 저항체301, 401, 501 : 기판
302, 402, 502 : 트랜지스터의 게이트 전극
303 , 403, 503: 게이트 절연막304, 404, 504 : 활성층
305, 405, 505 : 소오스/드레인306, 406, 506 : 소오스/드레인 전극
307, 407, 507 : 절연층308, 408, 508 : 에미터
309 : 전계 방출 소자의 게이트 전극
310 : 금속 배선311 : 저항체
409 : 전계 방출 소자의 제 1 게이트 전극
410 : 전계 방출 소자의 제 2 게이트 전극
509 : 전계 방출 소자의 게이트 전극
510 : 게이트 전극의 식각 영역
본 발명에서 제안하는 전계 방출 소자는 삼극형 전계 방출 소자에서 전계 방출 전극의 픽셀 연결 부위에 저항체가 포함된 구조로 이루어진다. 이때, 저항체의 저항 특성은 정상적인 동작하에서는 전계 방출 특성에 영향을 주지 않을 만큼 작아야 하며 전계 방출 전극이 다른 전극에 전기적 연결이 형성된 상황에서는 발생하는 누설 전류의 양을 제어할 수 있을 만큼 커야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 더 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 전계 방출 소자를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전계 방출 소자는 전자를 방출시키며 팁의 형태로 이루어진 에미터(204)와, 인가되는 전압에 따라 에미터(204)에서 발생되는 전자의 량을 조절하기 위한 게이트 전극(205)와, 게이트 전극(205) 상부에 형성된 에노드(207) 및 게이트 전극(205)에 접속된 저항체(209)로 이루어지며, 에노드(207)는 에노드 단자(208)와 연결되고, 게이트 전극(205)은 저항체(209)를통해 게이트 단자(206)와 연결된다.
한편, 에미터(204)에는 에미터(204)에 전류를 선택적으로 공급하기 위한 스위칭 수단(203)이 연결된다. 스위칭 수단(203)은 트랜지스터로 이루어지며, 트랜지스터의 게이트 전극(202)에 인가되는 전압에 따라 소오스 전극(201)로 공급되는 전류를 선택적으로 에미터(204)에 공급한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 에미터(204)의 주변에는 전계 방출 소자의 게이트 전극(205)이 형성되며, 에미터(204)에서 전자를 방출시키기 위하여 게이트 전극(205)에는 고전압이 인가된다.
이때, 에미터(204)와 게이트 전극(205)이 제조 공정 상의 이유나 동작 상의 이유로 인하여 전기적으로 연결되더라도 게이트 전극(205)에 접속된 저항체(209)에 의해 누설 전류가 발생되는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 에미터(204)와 게이트 전극(205) 사이에는 충분한 전압차가 유지되어 에미터(204)로부터 전자를 원활하게 방출시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소비 전력이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
상기에서, 저항체(209)는 일반적인 저항을 사용하거나, 특정 부분을 얇게 만들어 큰 저항 값을 갖는 금속 배선을 저항체(209)로 사용할 수도 있다.
또한, 저항체(209)의 저항값은 전계 방출 소자의 게이트 전극(205)에서 게이트 전극의 단자(206)까지의 저항값보다는 약 10배 이상 크고, 에미터(104)의 구동 축전 용량과의 곱으로 표시되는 특성 시간이 구동하고자 하는 속도의 역수보다는 작은 조건을 만족하는 값을 갖도록 한다.
이하, 저항체를 구비한 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 유리 기판(301) 상부에 소정의 패턴으로 트랜지스터의 게이트 전극(302)이 형성되고, 게이트 전극(302)을 포함한 전체 상부에는 게이트 절연막(303)이 형성된다. 게이트 전극(302) 상부의 게이트 절연막(303) 상부 및 주변 영역에는 활성층(304)이 형성되며, 활성층(304)의 가장 자리에는 n+ 도핑층으로 이루어진 소오스/드레인(305a 및 305b)이 각각 형성된다. 이로써, 에미터로 전류를 선택적으로 공급하여 전자의 방출을 제어하기 위한 트랜지스터가 유리 기판(301) 상부에 제조된다. 상기와 같이, 트랜지스터는 게이트 전극(302), 게이트 절연막(303), 활성층(304), 소오스/드레인(305a 및 305b), 소오스/드레인 전극(306a 및 306b)으로 이루어지며, 비정질 실리콘 트랜지스터의 일반적인 구조체인 인버티드 스태거드 형태로 이루어진다.
이후, 소오스/드레인(305a 및 305b)을 포함한 게이트 절연막(303)의 상부에는 소정의 패턴으로 소오스/드레인 전극(306a 및 306b)이 각각 형성된다. 소오스/드레인 전극(306a 및 306b)이 형성되면, 전체 상부에 절연층(307)을 형성한 후 절연층(307)을 식각하여 드레인 전극(306b)의 소정 영역을 노출시키는 홀을 형성한다. 홀을 통해 노출된 드레인 전극(306b)의 상부에는 팁 형태로 에미터(308)가 형성된다.
에미터(308)가 형성된 후 절연층(307)에 형성된 홀 주변의 절연층(307) 상부에 전계 방출 소자의 게이트 전극(309)이 형성된다. 이후, 게이트 전극(309)에는 전압을 인가하거나 주변 소자와의 전기적인 연결을 위하여 금속 배선(310)이 형성된다. 이때, 금속 배선(310)은 게이트 전극(309)과 일정한 간격을 두고 형성되며, 게이트 전극(309)과 금속 배선(310)은 저항체(311)를 통해 연결된다. 이때 저항체(311)는 저항이 비교적 큰 도핑된 반도체 혹은 도체로 이루어지며, 증착 공정 및 패터닝 공정을 통해 형성된다.
이로써, 전계 방출 소자의 게이트 전극(309)에 저항체(311)가 접속된 전계 방출 소자가 제조된다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 설명한 방법과 동일한 방법을 통해 게이트 전극(402), 게이트 절연막(403), 활성층(404), 소오스/드레인(405a 및 405b) 및 소오스/드레인 전극(406a 및 406b)을 포함하여 이루어진 트랜지스터가 유리 기판(401) 상부에 형성되면, 전체 상부에 절연층(407)을 형성한 후 절연층(407)을 식각하여 드레인 전극(406b)의 소정 영역을 노출시키는 홀을 형성한다. 홀을 통해 노출된 드레인 전극(406b)의 상부에는 팁 형태로 에미터(408)가 형성된다.
에미터(408)가 형성된 후 절연층(407)에 형성된 홀 주변의 절연층(407) 상부를 포함한 절연층(407) 상부에 금속 배선으로 이루어진 전계 방출 소자의 제 1 게이트 전극(409)이 소정의 패턴으로 형성된다. 이후, 제 1 게이트 전극(409) 상부의소정 영역을 제외한 나머지 영역에는 제 2 게이트 전극(410)이 형성된다.
이로써, 제 2 게이트 전극(410)이 형성되지 않은 영역의 제 1 게이트 전극(409)이 저항체 역할을 함으로써, 저항체가 접속된 전계 방출 소자가 제조된다.
상기와 같이, 전계 방출 소자의 게이트 전극은 제 1 및 제 2 게이트 전극(409 및 410)이 적층된 구조로 이루어진다. 여기서, 제 1 게이트 전극(409)은 게이트 전극의 역할뿐만 아니라, 외부 단자용 전극 및 연결 부분으로써의 역할을 한다. 한편, 제 2 게이트 전극(410)은 픽셀 내의 게이트 전극 및 외부의 단자 역할만을 한다. 이때, 제 1 게이트 전극(409)은 저항이 큰 물질로 형성하고, 제 2 게이트 전극(410)은 저항이 작은 물질로 형성함으로써, 픽셀 내부 및 외부의 게이트 전극의 저항은 작게 하면서 연결부위의 저항을 높일 수가 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전계 방출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도 3에서 설명한 방법과 동일한 방법을 통해 게이트 전극(502), 게이트 절연막(503), 활성층(504), 소오스/드레인(505a 및 505b) 및 소오스/드레인 전극(506a 및 506b)을 포함하여 이루어진 트랜지스터가 유리 기판(501) 상부에 형성되면, 전체 상부에 절연층(507)을 형성한 후 절연층(507)을 식각하여 드레인 전극(506b)의 소정 영역을 노출시키는 홀을 형성한다. 홀을 통해 노출된 드레인 전극(506b)의 상부에는 팁 형태로 에미터(508)가 형성된다.
에미터(508)가 형성된 후 절연층(507)에 형성된 홀 주변의 절연층(507) 상부를 포함한 절연층(507) 상부에 금속 배선으로 이루어진 전계 방출 소자의 게이트 전극(509)을 형성한다. 이후, 사진 공정 및 식각 공정을 통해 게이트 전극(509)의 소정 영역을 목표 두께만큼 식각하여 소정 영역의 게이트 전극(510)을 얇게 형성하되, 부분 식각 후 남겨진 부위의 두께를 이용하여 저항의 크기를 조절한다. 이 방법의 경우, 단일 물질을 이용하여 저항체를 형성한다는 점에서 공정의 단순화를 이룰 수 있다.
이로써, 얇게 형성된 게이트 전극(510)이 저항체 역할을 함으로써, 저항체가 접속된 전계 방출 소자가 제조된다.
상기와 같이, 본 발명에서는 삼극형 전계 방출 소자의 게이트 전극에 저항체가 접속된다. 접속되는 위치는 외부 단자에서 픽셀 내의 게이트 전극으로 연결되는 부위이다. 이렇게 저항체가 삽입된 경우 픽셀 내부에서 게이트 전극과 에미터, 혹은 픽셀 내의 다른 전극과 전기적인 연결이 형성된다 하더라도 그 누설전류의 양이 저항체에 의하여 제한된다.
누설 전류의 량을 최소화하기 위해서는, 저항체를 제외한 게이트 전극의 외부 단자로터 픽셀 내부로까지의 저항값보다 저항체의 저항값을 10배 이상 크게 하여야 한다. 한편, 저항체의 저항값이 지나치게 클 경우에는 구동 속도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 저항체의 저항의 크기는 에미터의 구동 축전 용량과의 곱으로 표시되는 특성 시간이 구동하고자 하는 속도의 역수보다 작은 것이 바람직하다.
저항체를 구비함으로써 얻을 수 있는 또 하나의 효과로는, 픽셀 주위의 게이트 전극에 전압 강하가 발생되는 것을 방지할 수 있다는 것이다. 특히, 능동 구동형 전계 방출 소자의 경우 게이트 전극이 전 소자영역에 걸쳐 공통된 전극의 형태로 구성되는 것이 일반적인데, 이러한 경우에도 하나의 픽셀에서 발생한 손상이 다른 픽셀에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전계 방출 소자의 게이트 전극에 저항체를 연결하여 누설 전류가 발생되는 것을 억제함으로써, 소비 전력이 증가하는 것을 방지하고 소자의 신뢰성을 향상시켜 수율을 증가시킨다.

Claims (5)

  1. 게이트 전극, 에미터 및 에노드로 이루어진 전계 방출 소자에 있어서,
    상기 게이트 전극에 접속되며, 상기 게이트 전극 및 상기 에미터간의 누설 전류를 차단할 수 있는 저항체를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항체는 저항으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항체는 특정 부분이 얇게 형성되어 큰 저항 값을 갖는 금속 배선인 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속 배선은 저항이 큰 제 1 금속 배선과, 상기 제 1 금속 배선보다 저항이 작으며 상기 제 1 금속 배선의 양단에 각각 부착되는 제 2 금속 배선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항체는 상기 게이트 전극 및 상기 게이트 전극의 단자까지의 저항값보다는 약 10배 이상 크고, 상기 에미터의 구동 축전 용량과의 곱으로 표시되는 특성 시간이 구동하고자 하는 속도의 역수보다는 작은 조건을 만족하는 저항값을 갖는 것을 특징으로 하는 전계 방출 소자.
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