Field Emission Behavior of DLC Films

카본계열의 전계방출 거동

카본계열은 기존의 다른 물질들에 비해 전계방출 소자로서 좋은 특성을 가지고 있지만 재현성에 아직 더 많은 연구가 필요하다. 이러한 재현성을 높이기 위해서는 전계방출의 거동에 대한 확실한 이해가 필요하다. 현재까지 전계방출 거동에 대한 설명으로는 다이아몬드의 경우 표면에 수소가 결합하여 음의 전자친화성에 기인한다는 연구가 있으며 이 외에도 결정질 다이아몬드의 입계, 표면결함 또는 도핑에 의한 밴드갭 내의 에너지 준위, 그리고 다이아몬드 내의 sp2결합으로 인한 결함구조등으로 설명하고자 하는 보고가 발표되었다. 다이아몬드상 카본의 경우 질소첨가 또는 고온에 의한 열처리가 전계방출 특성을 개선한다는 보고가 있다. 카본계열 물질의 전계방출 기구를 이해하기 위해 카본내의 sp2 또는 sp3의 결합구조에 따른 전계방출의 특성변화를 조사하는 것은 중요하다.

다이아몬드상 카본 박막의 전계방출 특성

일반적으로 다이아몬드상 카본 박막을 성장시키는 방법으로는 Chemical Vapor Deposition(CVD)방법 또는 Ion Beam Sputtering (IBS)등 다양한 방법이 있다. 벤젠(C6H6)또는 메탄(CH4)을 사용하는 CVD방법은 수소가 함유된 다이아몬드상 카본 박막이 합성되며 카본 타겟을 사용하는 IBS방법은 수소를 함유하지 않은 다이아몬드상 카본 박막이 합성된다. 아직 명확한 이유가 알려지지는 않지만 박막내 수소함량이 감소할 수록 좋은 전계방출 거동을 보여주며 CVD의 경우 질소가 함유되면 전계방출 거동을 증진시키는 결과를 보여주었다.

CVD 방법으로 증착한 DLC 박막의 전계방출 거동

p-type Si(001)웨이퍼에 rf-PACVD(radio-frequency Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) 를 이용하여 다이아몬드상 카본 박막을 증착시켰다. 가스는 C6H6를 사용하였으며 질소를 함유한 다이아몬드상 카본 박막은 합성도중에 N2 가스를 첨가 시켜 증착하였다.

질소를 함유한 DLC 박막과 순수한 DLC박막의 전계방출 거동

질소가 함유된 다이아몬드상 카본 박막의 전계방출이 순수한 다이아몬드상 카본 박막보다 더 우수한 전계방출 특성을 보여주고 있다. (Lee et al. Journal De Physique III, Vol 6, 1996, C5-91)

다이아몬드상 카본 박막을 코팅한 실리콘 팁의 전계방출 거동

실리콘 또는 몰리브데늄을 이용하여 뾰족한 팁을 제작하는 기술은 오랫동안 계속해서 발달해온 반도체 공정기술을 이용하여 매우 안정되어 있다. 실리콘을 이용하여 제작한 소자의 경우 전계방출을 일으키기 위해서는 높은 전압이 필요하고 물리적 경도 가 약해 팁 끝이 쉽게 무뎌지는 단점을 가지고 있다. 따라서 물리적 경도 및 열전도도가 우수한 다이아몬드상 카본 박막을 코팅하여 소자의 안정성 및 전계방출 특성을 개선하고자 하였다. (Lee et al. J. Vac. Sci. Technol. B 15(2), 1997, 457)

그림(a) 는 반도체 공정기술을 이용해 제작한 실리콘 팁의 SEM사진이다. 그림 (b)는 다이아몬드상 카본 박막을 코팅하기 전에 Ar을 이용하여 표면을 cleaning한 SEM 사진이며 그림 (c), 그림 (d)는 그림 (b)와 같은 시편에 각각 다른 두께의 다이아몬드상 카본 박막을 코팅한 후의 SEM사진이다. 그림 (d)의 경우 너무 두껍게 다이아몬드상 카본 박막을 코팅되어 팁끝이 매우 무뎌졌다. 그림 (b)를 보면 Ar 이온 충돌에 의해 실리콘 팁의 aspect ratio가 매우 증가 되었음을 알 수 있으며 약 5분 동안 코팅한 경우인 그림 (c)를 보면 Aspect ratio는 증가 하였으며 끝부분에 공 모양으로 다이아몬드상 카본이 증착되었다.

그림 (a)에 보인 실리콘 팁의 전계방출 거동과 그림 (c)에서 보인 다이아몬드상 카본 박막이 코팅된 실리콘 팁의 전계방출 거동을 비교하였다. 실리콘 팁보다는 다이아몬드상 카본 박막을 코팅한 경우 전계방출 거동이 증진되었다. 아직 명확한 이유는 알려져 있지 않지만 실리콘 팁에서 방출된 전자가 진공중으로 방출되기 전에 카본 입자들 사이를 hoping하여 다이아몬드상 카본 박막의 표면에 도달하게 된다는 가능성을 제시하며 또한 다이아몬드상 카본 박막이 유전체로 작용하여 실리콘 팁에서 방출된 전자가 다이아몬드상 카본 박막을 통과하며 ballistic하게 흐른다는 결과가 보고 되기도 하였다. (Huang et al. Appl. Phys. Lett. 67. 1235(1995)) 이런 경우 다이아몬드상 카본 박막이 코팅된 실리콘 팁은 이온 충돌에 의해 더욱 뾰족해져서 더 우수한 전계방출 특성을 보여주었을 가능성 또한 있다.

다이아몬드 상 카본이 코팅된 실리콘 팁과 게이트가 있는 구조

유전파괴에 의한 전계방출 거동 변화

다이아몬드상 카본 박막의 전계방출 거동에서 가장 잘 나타나는 특징중 하나는 양극과 음극사이의 전기장에 의해 발생하는 유전파괴 현상이 전계방출 전류를 현저히 증가시킨다는 점이다. 유전파괴에 의한 손상부위가 발생하면 전계방출의 일어나는 임계전압(On-Set Voltage)이 낮아지고, 전계방출 거동도 매우 안정적이 되었다. 유전파괴에 의해 손상된 부위의 조성과 구조를 조사한 결과 결함이 많은 실리콘 카바이드(SiC) 화합물이 형성되어 있음을 확인하였고, 전계방출의 증진은 손상된 부위의 기하학적 변화와 밀접한 관계가 있음을 확인하였다.

전계방출 측정 도중 유전파괴에 의해 표면이 변화한 모습의 SEM 사진

전류-전압 특성곡선과 Fowler-Nordheim 곡선

유전파괴 현상이 일어난 후 전류-전압 특성 곡선을 보면 파괴된 형상이 넓은 경우 전계방출 거동은 다른 경우에 비해 매우 증진됨을 알 수 있다. 전기적 유전파괴에 의한 전계방출 전류의 증가는 크게 두가지로 그 원인을 생각해 볼 수 있다. 첫째, 고온 고압에 의한 새로운 표면 구조의 변화와 둘째, 역시 고온 고압에 의한 화학적 조성비의 변화이다. 즉, 순간적으로 발생한 전기적 유전파괴 현상에 의해 음극과 양극 사이에 고온과 고압의 분위기가 형성되어 시편의 카본기와 수소기 또는 기판의 실리콘등 모든 화학적 성분들이 다시 재조합을 하게 된다. Auger 분석을 통해 유전파괴가 일어난 곳에서는 SiC (실리콘 카바이드)가 검출되었다. 유전파괴 이후 전계방출 거동이 증가하는 또 다른 이유로 기하학적 모양의 변화도 제시할 수 있다. (Lee et al. Thin Solid Films 290-291 (1996) 171-175)

유전파괴가 일어난 형상의 SEM 사진과 Auger분석결과

유전파괴 현상에 의해 박막이 손상된 부분들의 SEM 사진

Ion-Beam Sputtering 방법으로 증착한 DLC 박막의 전계방출 거동

왼쪽의 그림은 Ion-Beam Sputtering 장비의 모식도이다. 이온 건은 3 cm Kaufman-type이며 스퍼터링을 위한 이온 건은 카본 타겟을 향하여 이온을 발생하며 다른 이온 건은 시편의 표면 세척 및 보조 이온의 공급을 위해 직접 기판으로 향하고 있다. Ion-Beam Sputtering 방법으로 증착된 다이아몬드상 카본 박막은 스퍼터링 이온빔의 에너지가 작은 경우 박막내에 sp3결합이 많이 분포하며 이온 빔 에너지의 증가에 따라 sp2에 대한 sp3결합이 점차 감소하게 된다. 따라서 증착된 박막의 비저항은 10^-3Ωcm정도이며 일반적인 수소함유 다이아몬드상 카본 박막에 비해 매우 큰 값을 갖는다. 이는 박막 내부의 sp2결합에도 기인하지만 그 외에 W, Fe 등 이온건으로부터 탈착된 금속불순물도 함유하기 때문이다.

CVD 방법으로 다이아몬드상 카본 박막을 증착하면 그 표면은 Laser-ablation방법으로 증착한 박막에 비해 매우 flat하다. 역시 이온빔 스퍼터링방법을 이용하여 박막을 증착하면 Laser-Ablation에 비해서는 flat하지만 CVD보다는 거칠 게 된다. 따라서 CVD보다는 기하학적 인자가 전계방출에 더 용이하게 됨을 알 수 있다. 게이트 전극이 없는 이극구조에서 전계방출 거동이 일어나는 전기장은 약 6.7 V/μm이며 전류 밀도는 1.6 mA/cm² 이었다. 유전파괴 현상은 발생하지 않았으며 반복된 측정에도 똑같은 전류-전압 특성을 보여주었다.

게이트 전극을 부착한 삼극구조에서는 게이트의 전압이 50 V에서 전류가 측정되기 시작하였으며 120 V 이상 초과했을 경우 게이트와 음극사이에서 유전파괴 현상이 발생하여 시편이 파괴되었다. (Lee et al. ultramicroscopy 73, 1998, 17-22)

흑연, 유리화 비정질 카본 가루, 다이아몬드 가루의 전계방출 거동 비교

박막 내의 sp2 결합과 sp3결합이 전계방출에 미치는 거동을 조사하기 위하여 흑연과 유리화 비정질 카본 그리고 다이아몬드의 전계방출의 거동을 조사하였다. 각각 결합구조(sp2, sp3)와 결정구조(결정, 비정질)에서 명확한 특성차이를 보여주는 카본계 물질로서 가루를 사용하여 스크린 프린팅 방법으로 시편을 제작하였다.

전계방출 거동은 박막내의 sp2 결합구조가 많은 흑연의 경우 가장 우수한 전계방출 거동을 보여주었다. 이는 흑연이 가지고 있는 높은 전도도에 기인한 것으로 생각된다. 즉, 전원으로부터 시편의 표면까지 전자가 원활하게 이동할 수 있는 통로가 sp2를 통해 형성되며 이 통로를 통해 안정적인 전자방출이 이루어지기 때문에 전류-전압특성곡선도 매우 안정적으로 나오는 것으로 판단된다. 다이아몬드의 경우 전계방출의 원인으로 잘 알려져 있는 음의 전자친화도보다 전기전도도가 전계방출에 더 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다.

흑연의 경우 발광이미지를 조사해보면 시편 전체에서 발광이 이루어지지 않고 국부적으로 발광하는 것을 보여준다. 전자가 기판에서 시편의 표면으로 흐를 수 있는 전기통로는 한번 형성되면 다른 전자 통로를 만들기 보다는 이미 형성된 전자통로를 통해 전자는 이동하려고 하기 때문이며 전면발광을 위해서 기판과 음극물질 사이에 절연층을 증착하여 시편 전체 면적에서의 전기 전도도의 차이를 줄이는 방법이 제시되기도 하였다. (KVS Journal, 9(2) 122-129 (2000))

전류 인가에 따른 발광이미지 변화

1. 소 개

2. 전계방출이란?

3. 카본계열의 전계방출 거동