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Field Emission Behavior of DLC Films |
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전계 방출(Field Emission) 역 사 전계방출 현상은 1897년 Wood에 의해 sharp 한 형태를 지닌 tip에서 처음 발견되었다. 그러나 이 때는 그 원리에 대해서는 이해하지 못하였으며 이론적으로 정립된 것은 그로부터 약 30년 후인 1928년 Fowler와 Nordheim에 의해 정립되었다. 양자역학의 Tunneling effect로 전계방출 현상을 설명한 이후 1953년 tip자체의 morphology에 의한 전계방출 영향에 대한 연구가 Dyke와 Dolan에 의해 확인되었고 1961년 Shoulder에 의해 처음으로 vacuum microelectronics 소자로의 응용이 제시되었다. 실제로 vacuum microelectronics소자로 제작된 것은 1968년 Spindt에 의해 제작되었는데 이 때 반도체 공정을 이용하여 금속 tip을 array한 구조로 제작한 것이 실제 전계방출 소자로의 최초 시도이다. 이후 Gray에 의해 silicon tip 이 제시되었고 silicon tip의 sharpening 공정기술들이 발달하여 현재에 이르게 되었다.
History of Vacuum Microelectronics
몰리브데늄 팁의 삼극관 구조 및 화산 형태의 삼극관 구조 Spindt et al. 물리적 배경 고체 중 금속은 페르미 에너지 준위가 전도대 안에 위치하므로 낮은 온도에서도 전자의 이동이 자유롭다. 따라서 전도도가 높고 반도체의 경우에는 일반적으로 페르미 에너지 준위가 금지대 안에 있어 가전자대에서 전도대로 이동할 수 있는 만큼의 에너지를 받은 전자만이 이동이 가능하지만 n형 불순물이 도핑된 경우 페르미 에너지 준위가 전도대의 끝에 위치하게 되어 전자의 이동이 조금 자유로워 진다. 그러나 전도에 기여하는 전자의 수가 금속( 1023/cm3) 보다 반도체( < 1019/cm3)가 더 작아서 최대 방출 전류는 작아진다.
도핑되지 않은 반도체와 도핑된 n형 반도체의 에너지 밴드 다이아그램 일반적으로 고체의 표면에서 진공으로 전자를 방출시키는 원리는 크게 3가지로 분리할 수 있다. 첫번째 열에 의해 방출 되는 열전자 방출(Thermonic electron emission or Hot electron emission)방법과 빛에 의해 방출되는 광전자 방출(Photo electron emission) 그리고 전계 효과에 의해 방출이 일어나면 냉전자 방출(Cold electron emission or Field emission)로 구분된다. 전계방출 현상을 이해하기 위해 다음의 그림을 보자
전기장이 가해지지 않았을 때와 전기장이 가해졌을 때 에너지 다이아그램 우선 고체 표면에서의 에너지 장벽을 그림과 같이 보일 수 있는데 이 때 강한 전기장이 주어지면 표면의 potential energy 장벽이 두 번째 그림처럼 휘어지고 Fermi 준위에 있던 전자들이 에너지 장벽을 뚫고 진공으로 방출된다. 전기장의 세기가 증가함에 따라 표면의 에너지 장벽을 더욱 얇아지게 되므로 전계방출 효과는 더욱 커지게 된다. 일반적으로 전계방출 현상은 전기장의 세기가 5 x 107 V/cm 이상에서 일어난다. 그러나 전기장의 세기가 5 x 105 V/cm 이상일 경우 평편한 금속 전극사이에서는 유전파괴 현상이 발생한다. 따라서 금속의 경우 전계방출을 쉽게 일어나게 하기 위해서는 뾰족한 팁의 형태로 음극을 제작해야 한다. 소자의 재료의 일함수 역시 전계방출에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 전계방출이 쉽게 일어나기 위해서는 낮은 일함수를 가져야한다. 따라서 낮은 일함수를 얻기 위해서 세슘, 바륨, 또는 다이아몬드상 카본등을 코팅하기도 한다. 이러한 전계방출 효과를 설명하는 수식을 Fowler-Nordheim 방정식이라 하고 다음과 같이 표현되며 현재 모든 전계방출 현상은 이 방정식에 의해 검증되어진다. 전계방출 효과를 최대화 하기 위한 parameter는 전기장 뿐만 아니라 일함수로 표현되는 소자의 재료, 그리고 기하학적 구조등이 있다. Folwer-Nordheim Equation 설명
여기서 전기장 E는 표면의 모양에 의해 결정되므로 기하학적 인자 β 를 이용하여 표현하면 즉, 높이 h 에 비례하고 팁의 반지름 r 과 양극과 음극사이의 거리 d 에 반비례 한다. 이를 위의 전류밀도 공식에 대입하면
와 같이 거리와 팁의 기하학적 인자와 소자의 일함수에 의해 방출되는 전자의 양을 기술할 수 있다. 재 료 기존의 전계방출에 사용되는 재료로는 실리콘과 몰리브데늄이 오랜 시간동안 확립된 제작공정과 안정성등으로 가장 많이 사용되어왔다. 그러나 전계방출을 일으키기 위해서는 높은 전압이 필요하고, 내화학성에 의한 안정성, 물성적 경도, 그리고 열전도율이 떨어져 소자의 수명이 짧아지므로 실리콘 또는 몰리브데늄의 전계방출 특성을 개선시키는 기능성 재료 또는 대체물질로 다이아몬드와 다이아몬드상 카본 그리고 최근에 발견된 카본 나노튜브 및 흑연 그리고 유리화 비정질 카본등 카본계열 물질들이 사용되고 있다. 이러한 카본계열 물질은 높은 내화학성과 경도 그리고 열전도가 우수하며 특히 카본 나노튜브의 경우 기하학적 인자 β 와 전기전도도가 매우 우수하여 전계방출 재료로 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 2. 전계방출이란 |
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금속에서의 에너지 밴드 다이아그램
Written by Seung-Hyeob Lee
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Last updated : 2001.6.18. |