KR101021748B1 - 금속 산화물 나노 구조체를 갖는 전자 소자, 이의 제조 방법 및 이를 구비하는 전자 장치 - Google Patents

금속 산화물 나노 구조체를 갖는 전자 소자, 이의 제조 방법 및 이를 구비하는 전자 장치 Download PDF

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Abstract

금속 산화물 나노 구조체를 갖는 전자 소자가 제공된다. 상기 전자 소자는 기판 상에 금속을 함유하는 비단결정층들을 포함한다. 상기 비단결정층들 사이의 상기 기판 상에 단결정의 씨드층들과 상기 씨드층들 상에 선택적으로 형성되는 로드들(rods)을 갖는 금속 산화물 나노 구조체들이 배치된다. 상기 전자 소자의 제조 방법 및 이를 구비하는 전자 소자가 또한 제공된다.
전계 방출 소자, 금속 산화물, 선택적 단결정 형성

Description

금속 산화물 나노 구조체를 갖는 전자 소자, 이의 제조 방법 및 이를 구비하는 전자 장치{Electric element with metal oxide nanostructure, method of fabricating the same and electronic device having the same}
본 발명은 전자 소자, 이의 제조 방법 및 이를 갖는 전자 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 산화물 나노 구조체를 갖는 전자 소자, 이의 제조 방법 및 이를 갖는 전자 장치에 관한 것이다.
전계 방출 소자는 일반적으로 뾰족한 팁(tip)을 갖는 나노 구조체를 갖는 소자로서 나노 구조체에 인가된 전기장에 의해 팁으로부터 전자 방출을 유도하는 전자 소자이다. 전계 방출 소자는 다양한 전자 장치로 응용되고 있으며, 예를 들어, 전계 방출 디스플레이(field emission display), X-레이 소스, 빔 레이저, 마이크로웨이브 파워 증폭기 또는 다양한 센서들에 채택되고 있다. 이러한 다양한 응용 제품에서 전계 방출 소자는 저전압에서도 용이하게 전자가 터널링하도록 구현되어야 한다. 즉, 나노 구조체의 팁의 반경 및 팁 표면의 일함수를 최소화할 수 있는 나노 구조체로 제작될 필요가 있다.
이를 실현하기 위해, 나노 구조체의 구조 및 재질에 대하여 다양한 연구가 진행 중에 있으며, 이러한 연구 결과, 탄소 나노 튜브(또는 와이어) 또는 금속 산화물 반도체가 나노 구조체의 재료로 주목받고 있다. 상술한 소재들은 우수한 기계적, 열적, 전기적 안정성을 가지고 있는 관계로 각광을 받고 있다. 그러나, 탄소나노튜브 등의 경우에 다양한 성장 방법이 제시되고 있음에도 불구하고, 탄소나노튜브 등을 수직 배향하는데 많은 어려움을 갖고 있다. 아울러, 탄소나노튜브는 금속 산화물 반도체에 비해 낮은 어스펙트 비(aspect ratio)와 아울러서 낮은 열적, 기계적 안정성을 가진다.
한편, 금속 산화물 반도체를 이용한 수직형 나노 구조체는 예컨대, 금속 촉매제를 이용하여 에피택시 성장(epitaxi growth)을 할 수 있다. 이러한 성장 방법은 실리콘 기판 상에 소정의 금속, 예컨대 산화물 나노선 제작에 널리 쓰이는 금(Au)등의 금속 촉매제를 사진공정을 이용하여 패터닝 한 후에, 실리콘 기판 상에 아연 함유 전구체를 공급함으로써 나노 구조체들을 성장시키는 것이다. 상기의 에피택시는 화학기상증착(Chemical Vapor Depostion; CVD) 공정을 이용한 에피택시 성장으로써 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 메카니즘에 의해 형성될 수 있다. 상술한 방법에 의하면, 나노 구조체들이 성장함에 따라 씨앗을 이루는 금이 나노 와이어들의 팁(tip) 부분으로 이동되고, 아연이 하단으로 이동되는 경향을 가진다. 금속촉매제는 비발광 재결합으로 인한 광학적 특성의 저하, 나노선의 전도도에 대한 제어의 곤란성, 나노선의 배향성 저하 등의 문제점을 야기한다. 이를 해결하기 위해 다양한 방법들이 시도되고 있으며, 예컨대 다음과 같은 종래의 방법으로 나노 와이어들 이 제조될 수 있다. VS(Vapor-Solid) 메카니즘이 적용되는 유기금속 화학기상증착(Chemical Vapor Depostion; MOCVD) 공정을 이용한 에피택시이며, 이 공정은 금속 촉매제의 사용을 배제하여 나노 와이어의 성장을 진행시킬 수 있다. 그러나, 유기금속 화학기상증착 공정이 진행되는 온도에 따라 나노 와이어의 성장 방향 및 자발적인 계면층의 형성에 영향을 미칠 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 금속 산화물 나노 구조체를 사용하는 전계 방출 소자의 제조 과정으로서 저온에서 수행된 경우의 공정 개념도들이다. 도 1a 내지 도 1c의 종래 방법은 약 400 내지 450℃의 온도로 진행되는 경우를 예로 든 것이다. 도 2a 내지 도 2c는 도 1b의 방법보다 고온인 약 500℃의 온도로 진행되는 경우를 예로 든 것이다.
도 1a를 참조하면, 실리콘 기판(10) 상에 아연 함유 전구체(14)를 공급하여 서로 이격된 핵들(12)이 형성된다. 이 경우에, 핵들(12)은 화학기상증착 공정의 금속 씨앗들보다 더 작은 사이즈를 갖는 층들로써 원자 단위 수준의 사이즈를 갖는다.
도 1b를 참조하면, 핵들(12; nuclei)을 갖는 실리콘 기판(10) 상에 아연 함유 전구체(14)를 공급하는 과정에서 핵들(12)은 확산하여 인접한 핵들(14)과 합쳐져 씨드층의 사이즈보다 큰 성장핵들(12a)로 응집될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 아연 함유 전구체와 산소 가스를 포함하는 소스 가스(15)를 공급하며, 공정 진행 온도는 400 내지 450℃로 유지된다. 그 결과, 소스 가스(15)의 공급에 의해 성장핵들(12a)은 상부로 성장하여 고밀도의 나노 구조체들(18)이 형성된다. 이 방법에 따를 경우, 나노 구조체들(18)이 기판(10)에 수직되게 성장될 수 있으나, 나노 구조체들(18)의 생성 과정에서 실리콘 기판(10)과 나노 구조체들(18) 사이에 자발적인 계면층들(16)이 형성될 수 있다. 여기서, 자발적인 계면층들(16)은 나노 구조체들(18)의 하단에서 전위와 같은 디펙트(defect)가 집중되어 있는 곳이다. 이에 따라, 소자구동 시, 나노 구조체들(18) 내에서 전자 이동을 저해시킨다.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 금속 산화물 나노 구조체를 사용하는 전계 방출 소자의 제조 과정으로서 고온에서 수행된 경우의 공정 개념도들이다. 도 2a 내지 도 2c의 종래 방법은 상술한 온도보다 높은 약 500℃의 온도로 진행되는 경우를 예로 든 것이다.
도 2a를 참조하면, 실리콘 기판(10) 상에 아연 함유 전구체(14)를 공급하여 서로 이격된 핵들(20)이 형성된다. 이 경우에, 핵들(20)은 실리콘 기판(10) 상에서 빠른 확산 및 이동성을 가져 주변의 더 많은 핵들과 응집될 수 있다. 이에 따라, 고온 공정의 핵들(20)은 저온 공정의 핵들보다 더 큰 사이즈를 갖는 핵들로 성장되어 갈 수 있다.
도 2b를 참조하면, 아연 함유 전구체(14)를 공급하는 과정에서 핵들(20)은 더 활발하게 핵성장함으로써 결국 씨앗 수준의 사이즈를 갖는 씨드층(22)으로 성장된다.
도 2c를 참조하면, 이러한 씨드층(22) 상에 아연 함유 전구체 및 산소 가스를 포함하는 소스 가스(23)를 공급함으로써 나노 구조체(24)가 형성될 수 있다. 고온 공정에서 진행되는 경우에, 저온 공정에서 형성된 자발적인 계면층들은 형성되지 않는 반면에, 씨드층(22)을 구성하는 핵들의 성장 방위에 따라 하나의 응집된 씨드층(22)은 다양한 결정 방위를 가질 수 있다. 따라서, 나노 구조체(24)의 성장 방향이 실리콘 기판(10) 상에 수직되게 성장되지 않을 뿐만 아니라, 하나의 씨드층에서 다양한 성장 방위를 갖는 방사형의 나노 구조체(24)로 성장될 수 있다.
상술한 전자 장치에 사용되는 전계 방출 소자는 전형적으로 전자들의 방향성 있는 방출을 요구하고 있다. 이에 따라, 나노 구조체(24)가 수직하지 않게 성장하는 것은 이러한 요구에 부합되지 않는다. 또한, 나노 구조체(24)가 수직 정렬되지 않음으로 인하여 후속 공정의 진행에 곤란을 초래할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수직적으로 배향되며, 전계 방출 특성을 향상시키데 기여하는 전자 소자를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 다른 과제는 수직적으로 배향되며, 전계 방출 특성을 향상시키데 기여하는 전자 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 다른 과제는 수직적으로 배향되며, 전계 방출 특성을 향상시키데 기여하는 전자 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 전자 소자가 제공된다. 상기 전자 소자는 기판 상에 금속을 함유하는 비단결정층들을 포함한다. 상기 비단결정층들 사이의 상기 기판 상에 단결정의 씨드층들과 상기 씨드층들 상에 선택적으로 형성되는 로드들(rods)을 갖는 금속 산화물 나노 구조체들이 배치된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 씨드층들 및 상기 비단결정층들은 제1 금속 및 제2 금속 및 산소를 함유하는 삼원계 합금막을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 다결정상 또는 비정질상이 형성되며, 상기 씨드층들은 제1 금속을 주성분으로 채택하는 합금막이고, 상기 비단결정층들은 제2 금속을 주성분으로 채택하는 합금막일 수 있다. 상기 제1 및 제2 금속들은 각각 아연 및 마그네슘일 수 있다. 상기 씨드층들은 ZnxMg1-xO(0<x
Figure 112009048206889-pat00001
1) 합금막을 포함하되, 상기 씨드층들은 0.6
Figure 112009048206889-pat00002
x
Figure 112009048206889-pat00003
0.8의 값을 가질 수 있다. 상기 비단결정층들은 ZnxMg1-xO(0
Figure 112009048206889-pat00004
x<1) 합금막을 포함하되, 상기 비단결정층들은 0.3
Figure 112009048206889-pat00005
x<0.5의 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 로드들은 ZnxMg1-xO(0<x
Figure 112009048206889-pat00006
1) 합금막을 포함하되, 상기 로드들은 0.7
Figure 112009048206889-pat00007
x
Figure 112009048206889-pat00008
0.9의 값을 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 나노 구조체들은 우르짜이트(wurtzite) 결정 구조를 가질 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 나노 구조체들은 기판 상에 수직되는 [0001] 방위와 아울러서 5 내지 15 nm의 폭을 가질 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 전자 소자의 제조 방법이 제공된다. 상기 전자 소자의 제조 방법은 기판 상에 서로 이격되며 제1 금속을 함유하는 제1 핵들을 형성하는 것을 구비한다. 상기 제1 핵들 사이의 상기 기판 상에 제2 금속을 함유하는 제2 핵들이 형성되되, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 다결정상 또는 비정질상을 형성하는 금속이다. 상기 기판 상에 반응 가스를 공급하여 상기 제1 및 2 핵들은 각각 단결정의 씨드층들과 비단결정층들로 변환된다. 상기 씨드층들 상에 선택적으로 성장하는 로드들(rods)이 형성된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 씨드층들 및 상기 비단결정층들은 제1 금속 및 제2 금속 및 반응 가스를 함유하는 삼원계 합금막을 포함하도록 형성되고, 상기 씨드층들은 제1 금속을 주성분으로 채택하는 합금막으로 형성되고, 상기 비단결정층들은 제2 금속을 주성분으로 채택하는 합금막으로 형성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 제1 및 제2 금속들은 각각 아연 및 마그네슘을 함유하는 전구체로 사용하여 형성될 수 있다. 이 경우에, 상기 아연 함유 전구체는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트[Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나이며, 상기 마그네슘 함유 전구체는 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg), 이오딘화메틸마그네슘 (MeMgI) 및 디메틸마그네슘(Et2Mg) 으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 핵들의 형성은 각각 20 내지 40초의 시간 동안 400 내지 600℃의 온도에서 1torr 미만의 압력으로 진행될 수 있다.
이에 더하여, 상기 로드들을 형성하는 것은 상기 씨드층들 및 상기 비단결정층들을 갖는 기판 상에 상기 아연 함유 전구체, 상기 마그네슘 함유 전구체와 산소 함유 기체를 소스 가스로 공급할 수 있다.
이에 더하여, 상기 반응 가스는 산소 함유 가스이되, 상기 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 산소 함유 가스는 20 내지 40초의 시간 동안 400 내지 600℃의 온도 및 1torr 미만의 압력에서 50 ~ 100sccm의 유량으로 공급할 수 있다. 이 경우에, 상기 씨드층들 및 상기 비단결정층은 ZnxMg1-xO(0<x<1) 삼원계 합금막을 포함하도록 변환되되, 상기 씨드층들은 0.6
Figure 112008075217688-pat00009
x
Figure 112008075217688-pat00010
0.8의 값을 갖도록 형성되며, 상기 비단결정층들은 0.3
Figure 112008075217688-pat00011
x<0.5의 값을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 로드들은 ZnxMg1-xO(0<x
Figure 112008075217688-pat00012
1) 합금막을 포함하도록 형성되되, 상기 로드들은 0.7
Figure 112008075217688-pat00013
x
Figure 112008075217688-pat00014
0.9의 값을 갖도록 형성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 로드들의 성장은 유기금속 화학기상증착법, 기상 에피택시 및 분자빔 에피택시로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 수행될 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전자 장치가 제공된다. 상기 전자 장치는 캐소드 전극(cathode electrode)을 갖는 제1 기 판을 구비한다. 상기 제1 기판과 서로 이격되며 애노드 전극(anode electrode)을 갖는 제2 기판이 배치된다. 상기 캐소드 전극 상에 전자 소자가 배치된다. 상기 전자 소자는 기판 상에 금속을 함유하는 비단결정층들을 포함한다. 상기 비단결정층들 사이의 상기 기판 상에 단결정의 씨드층들과 상기 씨드층들 상에 선택적으로 형성되는 로드들(rods)을 갖는 금속 산화물 나노 구조체들이 배치된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 애노드 전극은 상기 캐소드 전극과 서로 마주보도록 배치되되, 상기 애노드 전극 상에 형광층이 배치될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 캐소드 전극 상에 이와 다른 방향으로 신장되어 교차되는 게이트 전극이 배치될 수 있다. 상기 전자 소자는 상기 게이트 전극과 서로 중첩되지 않도록 위치되지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판 표면에 제1 및 제2 금속을 각각 함유하는 전구체들을 기판 상에 순차적으로 공급하여 제1 핵들 및 제2 핵들을 형성시킨다. 이 경우에, 제2 금속은 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 다결정상 또는 비정질상을 형성되는 금속이다. 이어서, 산소 기체와 같은 반응 가스를 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 공급하는 동안, 제1 및 제2 핵들은 각각 확산 및 이동되어 단결정의 씨드층들 및 비단결정층들로 구별되어 형성된다. 그 결과, 고온에서 공정이 진행되더라도 제1 핵들이 과도하게 큰 사이즈를 갖는 씨드층들로 성장하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 씨드층들 상에 선택적으로 생성되는 나노 구조체들은 미세한 폭을 가지면서 기판에 수직되게 성장된다. 아울러, 고온 공정으로 진행됨으로써 기판과 나노 구조체들 사이에 자발적인 계면층이 생성되지 않는다. 결론적으로, 전자 소자의 전계 방출 특성이 향상될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 소자(element) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.
이하, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 개념도들이다.
도 3a를 참조하면, 기판(100)을 제공한다. 기판(100)은 예를 들어, 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 이어서, 기판(100)에 대하여 초음파 세정을 진행시키며, 초음파 세정은 예컨대, 아세톤 및 메탄올으로 화학적 세정을 진행하고, 이후 순수로 세정할 수 있다. 계속해서, 기판(100)을 소정 온도의 오븐에서 건조시킬 수 있다.
다음으로, 세정된 기판(100)을 소정의 온도로 유지되는 챔버(미도시)에 로딩시킨 후에, 챔버 내의 샤워 헤드(미도시)와 같은 분사 부재를 통하여 기판(100)에 대하여 제1 금속을 함유한 전구체(precursor; 104)를 공급한다. 챔버 내의 온도 조절은 간접 가열 방식인 인덕션 코일을 사용하여 제어할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 제1 금속을 아연을 예로 들어 설명한다. 이 경우에, 아연을 함유한 유기 금속물을 전구체(104)로 채택하며, 이러한 전구체(104)로는 예컨대, 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트[Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
아연 함유 전구체(104)의 공급 과정은 20 내지 40초의 시간 동안 400 내지 600℃의 온도에서 진행될 수 있다. 이 경우에, 챔버 내의 온도인 400 내지 600℃는 아연을 단결정상으로 생성시킬 수 있는 온도이다. 아울러, 상기 공급은 1torr 미만의 압력으로 진행될 수 있으며, 바람직하게는 0.001 torr 이하로 진행될 수 있다. 이에 더하여, 챔버 내로 공급되는 아연 함유 전구체(104)는 5 ~ 10μmol/min의 유 량으로 공급될 수 있다.
그 결과, 아연이 함유된 제1 핵들(nuclei) 즉, 아연 핵들(102)이 기판(100)의 단결정 영역들(A)을 차지하면서 형성됨으로써 서로 이격되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 아연 핵들(102) 사이에 노출된 기판(100)의 부분은 비단결정 영역들(B)로 구성될 수 있다. 한편, 아연 핵들(102)은 원자 단위의 수준으로 생성될 수 있다. 이에 더하여, 핵들(102)은 소정의 방위를 갖도록 형성될 수 있으며, 예컨대, [0001] 방위를 가질 수 있다. 이는 기판(100)의 주 표면과 수직된 방위를 의미한다.
도 3b를 참조하면, 아연 핵들(102)을 갖는 기판(100) 상에 제2 금속을 함유한 전구체(108)를 샤워헤드를 통하여 분사시킬 수 있다. 제2 금속은 제1 금속의 단결정 온도 이상보다 높은 온도에서 다결정상 또는 비정질상이 형성되는 금속일 수 있다. 본 명세서에서, 비단결정은 다결정상 또는 비정질상을 의미한다. 본 실시예에서와 같이 아연을 씨드층으로 사용하는 경우를 예로 들면, 비단결정층의 금속은 마그네슘을 채택할수 있다. 이 경우에, 마그네슘 함유 전구체(108)는 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg), 이오딘화메틸마그네슘 (MeMgI) 및 디메틸마그네슘(Et2Mg) 으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 마그네슘 함유 전구체(108)의 공급은 20 내지 40초의 시간 동안 400 내지 600℃의 온도에서 진행될 수 있다. 아울러, 마그네슘 함유 전구체(108)의 공급 과정은 아연 함유 전구체(104)의 경우와 마찬가지로, 1torr 미만의 압력으로 진행될 수 있으며, 바람직하 게는 0.001 torr 이하로 진행될 수 있다. 이에 더하여, 챔버 내로 공급되는 마그네슘 함유 전구체(108)는 아연 함유 함구체(104)에 비해 적은 양으로 공급되며, 예를 들어, 1 ~ 5μmol/min의 유량으로 공급될 수 있다.
그 결과, 비단결정 영역들(B)의 기판(100) 상에 마그네슘이 함유된 제2 핵들인 마그네슘 핵들(106)이 형성될 수 있다. 마그네슘 핵들(106)은 원자 단위의 수준으로 생성됨과 아울러서 아연에 비해 높은 흡착 에너지를 가짐으로써 초기 성장핵을 이루는 과정에서 아연 핵들(102)보다 더 넓은 영역을 차지하도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 금속을 함유하는 핵들의 예로 아연과 마그네슘을 예로 들고 있으나, 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 당업자는 상술한 조건을 만족하는 금속을 임의로 선택할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 마그네슘 핵들(106)을 갖는 기판(100) 상에 반응 가스(110)를 샤워헤드를 통하여 분사시킬 수 있다. 이 경우에, 반응 가스(110)로서 산소 함유 가스를 사용할 수 있으며, 산소 함유 가스(110)는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 이에 더하여, 반응 가스(110)은 아연 함유 전구체 및 마그네슘 함유 전구체를 더 첨가할 수 있다. 상기 반응 가스(110)의 공급 과정은 마그네슘 함유 전구체(108)의 공급시 공정 조건과 실질적으로 동일하게 진행될 수 있다. 이에 더하여, 챔버 내로 공급되는 반응 가스(110)인 산소 함유 가스는 50 ~ 100sccm의 유량으로 공급될 수 있다. 이에 더하여, 캐리어 가스로서 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 동시에 기판(100) 상에 제공할 수 있다.
한편, 챔버 내의 400 내지 600℃의 온도는 아연을 단결정상으로 생성시키나, 마그네슘을 다결정상 또는 비정질상으로 생성시키는 온도이다. 이에 따라, 아연 핵들(102)은 핵성장하여 단결정 영역들(A)에서 단결정의 씨드층들(102a)로 상변환될 수 있고, 마그네슘 핵들(106)은 핵성장하여 비단결정층들(106a)로 상변환될 수 있다. 이 경우에, 씨드층들(102a) 및 비단결정층들(106a)은 수 nm의 두께를 갖도록 분자 단위 수준일 수 있다. 도면에서는 설명의 편의상 과장되게 도시되었다.
또한, 반응 가스(110)의 공급 과정에서 챔버 내에 잔존하는 아연 함유 전구체와 마그네슘 함유 전구체로 인하여 씨드층들(102a)은 아연을 주 성분으로 하는 삼원계 합금막을 포함하도록 형성되고, 비단결정층들(106a)은 마그네슘을 주 성분으로 하는 삼원계 합금막을 포함하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 반응 가스로 산소 함유 가스를 포함하는 경우에, 씨드층들(102a) 및 비단결정층들(106a) 모두 아연, 마그네슘 및 산소를 함유하는 삼원계 합금막들을 포함하도록 변환될 수 있다. 주 성분의 의미를 산소를 제외한 금속 성분들 중 상대적으로 가장 많이 함유된 금속이라고 정의할 경우에, 씨드층들(102a)은 마그네슘에 비해 아연을 상대적으로 더 함유하며, 비단결정층들(106a)은 아연에 비해 마그네슘을 상대적으로 더 함유한다. 이에 따라, 씨드층들(102a)은 아연 핵들(102)과 동일한 방위를 갖도록 형성될 수 있으며, 예컨대, [0001] 방위를 가질 수 있다. 이는 기판(100)의 주 표면과 수직된 방위를 의미한다.
이에 더하여, 반응 가스(110)의 공급 과정에서 반응 가스(110)의 유량, 챔버 내의 압력 및 온도 등의 공정 조건에 따라 비단결정층들(106a)은 씨드층들(102a)에 비해 더 넓은 면적을 차지하도록 형성될 수 있다. 이는 상술한 바와 같이, 마그네슘이 아연에 비해 높은 흡착에너지를 갖는데 기인하여 비단결정층들(106a)이 씨드층들(102a)에 비해 더 많은 면적을 차지할 수 있다. 이에 따라, 씨드층들(102a)의 폭이 증가되는 것을 억제할 수 있다.
도 3d를 참조하면, 씨드층들(102a) 및 비단결정층들(106a)을 갖는 기판(100) 상에 아연 함유 전구체, 마그네슘 함유 전구체 및 산소 함유 가스를 포함하는 소스 가스(116)를 공급시킬 수 있다. 상기 전구체들 및 산소 함유 가스는 각각 도 3a 및 도 3c에서 열거된 가스들일 수 있으며, 아연 함유 전구체, 마그네슘 함유 전구체 및 산소 함유 가스의 유량은 각각 5 ~ 10μmol/min, 1 ~ 5μmol/min 및 50 ~ 100sccm일 수 있다. 이에 더하여, 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 캐리어 가스로 공급할 수 있으며, 불활성 가스는 10 내지 100sccm의 유량으로 챔버에 유입될 수 있다. 상기 소스 가스 등의 공급 과정은 20 내지 40분 동안 400 내지 600℃의 온도에서 약 1torr의 압력으로 진행될 수 있다. 아울러, 상기의 전구체들 및 산소 함유 가스의 공급은 당업자에게 자명하게 공지된 다양한 순서로 진행될 수 있다.
그 결과, 씨드층들(102a) 상에 선택적으로 로드들(112)이 성장되어 씨드층들(102a)과 함께 금속 산화물 나노 구조체들(114)을 구성한다. 로드들(112)은 씨드층들(102a)과 동일한 성분을 갖는 합금막 및 동일한 결정 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 로드들(112)은 ZnxMg1-xO(0<x
Figure 112008075217688-pat00015
1) 삼원계 합금막을 포함하며, 우르짜이트(wurtzite) 결정 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 더 자세하게는, 로드 들(112)은 ZnxMg1-xO(0<x
Figure 112008075217688-pat00016
1) 삼원계에서 0.7
Figure 112008075217688-pat00017
x
Figure 112008075217688-pat00018
0.9(이는 70atomic%
Figure 112008075217688-pat00019
x
Figure 112008075217688-pat00020
90atomic%를 의미한다)의 값을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우에, 씨드층들(102a)은 0.6
Figure 112008075217688-pat00021
x
Figure 112008075217688-pat00022
0.8의 값을 갖도록 형성되며, 비단결정층들(106)은 0.3
Figure 112008075217688-pat00023
x<0.5의 값을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 로드들(112)은 도 3e에서와 같이, 씨드층들(102a)과 동일한 성장 방위를 갖도록 성장되어 기판(100)의 주 표면과 수직을 이루는 [0001] 방위를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 상술한 바와 같이, 비단결정층들(106a)의 빠른 성장이 고온의 공정 과정에서 씨드층들(102a)의 성장을 억제시킴으로 인하여 씨드층들(102a)이 작은 사이즈로 형성되는데 기인한다. 이에 따라, 작은 사이즈를 갖는 씨드층들(102a) 상에 로드들(112)은 다른 방위를 갖지 않고 [0001] 방위로 성장할 수 있다. 이에 더하여, 로드들(112)은 5 내지 15 nm인 폭을 갖고 형성될 수 있다. 이에 따라, 기판(100) 상의 금속 산화물 나노 구조체들(114) 및 비단결정층들(106a)을 포함하는 전자 소자가 완성된다.
한편, 씨드층들(102a) 및 로드들(112)의 성장은 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition: MOCVD)을 이용한 에피택셜 성장(epitaxial growth)을 예로 들어 설명하였으나, 이에 제한되지 않고, 당업자가 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 방법으로 에피택셜 성장을 수행할 수 있다. 예를 들어, 기상 에피택시 또는 분자빔 에피택시의 공정으로 진행될 수 있다.
이하, 다시 도 3d를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자에 대하여 설명한다.
전자 소자는 기판(100)의 단결정 영역들(A) 상에 차례로 형성되는 단결정의 씨드층들(102a) 및 로드들(112)을 갖는 금속 산화물 나노 구조체들(114)이 위치된다. 기판(100)은 예를 들어, 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
금속 산화물 나노 구조체들(114)은 서로 이격되어 형성되고, 동일한 결정 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 씨드층들(102a) 및 로드들(112)은 1 금속 및 제2 금속 및 산소를 함유하는 삼원계 합금막이며, 금속 산화물 형태의 우르짜이트 단결정 구조를 가질 수 있다. 이 경우에, 제2 금속은 상기 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 다결정상 또는 비정질상이 형성되는 금속이며, 상기 씨드층들(102a)은 제1 금속을 주성분으로 갖는 합금막일 수 있다. 여기서, 주성분이라 함은 산소를 제외한 금속들 중 상대적으로 많은 양을 갖는 금속의 성분을 의미한다. 이러한 조건들을 만족하는 제1 및 제2 금속의 예로는 아연 및 마그네슘일 수 있으며, 씨드층들(102a) 및 로드들(112)은 ZnxMg1-xO(0<x
Figure 112009048206889-pat00024
1) 삼원계 합금막일 수 있다. 이 삼원계 합금막에서, 씨드층들(102a)은 0.6
Figure 112009048206889-pat00025
x
Figure 112009048206889-pat00026
0.8의 값을 가질 수 있고, 로드들(112)은 0.7
Figure 112009048206889-pat00027
x
Figure 112009048206889-pat00028
0.9의 값을 가질 수 있다. 이에 더하여, 금속 산화물 나노 구조체들(114)은 도 3e에서와 같이, 기판(100)의 주 표면과 수직을 이루는 [0001] 방위를 갖도록 성장되어 형성될 수 있으며, 로드들(112)은 5 내지 15nm의 폭을 갖도록 미세하게 형성될 수 있다.
씨드층들(102a) 사이의 기판(100) 즉, 비단결정 영역들(B) 상에 비단결정층들(106a)이 형성된다. 비단결정층들(106a)은 씨드층들(102a)과 동일한 성분을 갖는 삼원계 합금막으로서 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 ZnxMg1-xO(0
Figure 112008075217688-pat00029
x<1) 합금막일 수 있다. 마그네슘을 주 성분으로 채택함으로써 비단결정층들(106a)은 방법 실시예들에서 설명한 바와 같이, 씨드층들(102a)이 단결정으로 형성되는 과정에서 비단결정상을 가질 수 있다. 비단결정층들(106a)은 ZnxMg1-xO(0
Figure 112008075217688-pat00030
x<1) 합금막에서 0.3
Figure 112008075217688-pat00031
x<0.5의 값을 가질 수 있다.
본 실시예에서는 삼원계 씨드층들(102a) 및 삼원계 비단결정층들(106a)이 각각 아연 및 마그네슘을 함유하는 것으로 예를 들었으나, 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 당업자는 상술한 조건을 만족하는 금속을 임의로 선택할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전자 소자를 구비하는 전자 장치에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자를 채택하는 전자 장치의 단면도이다.
본 발명에서 언급되는 전자 장치는 상기 전자 소자가 적용되는 응용 소자로서 예컨대, 전계 방출 디스플레이(field emission display; FED), 플라즈마 디스플레이(PDP), 마이크로웨이브 증폭기, 반도체 제조 장치에 사용되는 레이저 빔 또는 바이오 센서 등일 수 있다. 이 중, 디스플레이 장치 및 마이크로웨이브 증폭기는 캐소드 전극과 이에 이격되게 배치되는 애노드 전극을 구비하며, 캐소드 전극 상에 상기 전자 소자를 포함하는 구조를 갖는다. 이들 중에서도 도면에서는 전계 방출 디스플레이를 일례로 도시하였으며, 본 발명인 전자 장치는 전계 방출 디스플레이를 예로 들도록 한다. 한편, 전계 방출 디스플레이는 이극관(diode) 구조(즉, 캐소드-애노드 구조) 또는 삼극관(triode) 구조(즉, 캐소드-게이트-애노드 구조)로 구성될 수 있다. 게이트 전극의 사용은 전계 방출의 제어에 더 적합하여 선호된다. 결론적으로, 본 명세서에서는 삼극관 구조의 전계 방출 디스플레이를 예로 들어 설명하기로 한다.
이러한 디스플레이인 전자 장치(200)는 캐소드 전극(cathode electrode; 204)을 갖는 제1 기판(202) 및 이와 대향되게 배치됨과 아울러서 애노드 전극(anode electrode; 218)을 갖는 제2 기판(216)을 구비한다. 제1 기판(202)은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있으며, 제2 기판(216)은 투명 기판으로서 ITO일 수 있다. 제1 및 제2 기판들(202, 216) 사이를 지지하는 스페이서들(미도시)이 다수 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 기판들(202, 216) 사이는 진공에 가까운 분위기로 형성되어 있다. 아울러, 캐소드 전극(204)은 제1 기판(202) 상에 제1 방향을 따라 다수의 스트라이프 패턴으로 배치될 수 있다.
제1 기판(202) 상에는 개구부들(210)을 갖는 절연층들(206)이 배치되며, 절연층들(206) 상에 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 신장되는 다수개의 게이트 전 극들(208)이 배치될 수 있다. 상기 개구부들(210)을 통해 노출된 캐소드 전극(204) 상에 금속 산화물 나노 구조체들(214)이 형성된다. 금속 산화물 나노 구조체들(214)은 도 2d의 실시예들에서 언급된 것과 동일하여 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 아울러, 상기 나노 구조체들(214) 사이의 상기 캐소드 전극(204) 상에 비단결정층들(212)이 형성된다. 비단결정층들(212) 역시 도 2d의 실시예들에서 언급된 사항이어서 생략하기로 한다. 즉, 개구부들(210)에 의해 노출된 캐소드 전극(204) 상에 전자 소자들이 배치된다.
전자 소자들과 상응하는 애노드 전극(218) 하부에는 형광층들(220)이 배치될 수 있다. 형광층들(220)은 백색 형광층으로 이루어지거나, 적색, 녹색 및 청색 형광층들이 조합된 구성으로 이루어질 수 있다.
상술한 전자 소자가 본 발명인 전자 장치(200)에 적용되는 경우에, 수직으로 정렬됨과 아울러서 미세한 폭을 갖는 금속 산화물 나노 구조체들(214)은 우수한 전계 방출 효과를 가져 디스플레이인 전자 장치(200)는 향상된 전기적 특성을 가질 수 있다.
이하, 실험예들 및 비교예들을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실험예들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아님으로 이해되어야 한다.
<실험예들: examples>
도 5a 내지 도 5c는 종래의 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 SEM(Scanning Eelectron Microscope) 사진이고, 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 SEM 사진이다. 도 6는 종래의 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 TEM(Transmission Eelectron Microscope) 사진들이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 TEM 사진들이다.
실험예들에서 본 실시예인 전자 소자는 다음과 같이 제조되었다. 실리콘 기판에 대하여 아세톤, 메탄올 및 순수의 순서로 초음파 세정을 5분간 실시한 후에, 약 80℃의 온도의 오븐에서 건조 과정을 거쳤다. 이어서, 기판을 챔버 내에 위치시켜 간접 가열 방식인 인덕션 코일을 사용하여 챔버의 온도를 500℃로 유지하였고, 챔버 내의 압력은 0.001torr로 유지시켰다. 다음으로, 챔버 내로 아연 함유 전구체인 디메틸아연[Zn(CH3)2]을 5 ~ 10μmol/min의 유량으로 30초 동안 공급하고, 이후 30초 동안에 마그네슘 함유 전구체인 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg)을 1 ~ 5μmol/min의 유량으로 공급하였다. 연속적으로, 챔버 내로 산소 가스를 30초간 50 ~ 100sccm의 유량으로 공급하였다. 이후, 챔버의 압력을 1Torr로 증가시키나, 온도는 계속 유지한 상태로 디메틸아연과 6N 농도의 산소 가스를 30분간 챔버로 공급하였다. 이와 동시에, 6N의 아르곤 가스를 챔버 내에서 캐리어 가스로 사용하였다.
본 실시예와 대비되는 종래의 방법에 따른 비교예들은 다음과 같이 제작되었다. 실리콘 기판에 대하여 본 실시예에서 실시된 초음파 세정을 거친 후에 챔버 내 에 위치시켰다. 챔버 내의 압력은 1torr로 유지하면서 챔버 내로 디메틸아연을 먼저 공급한 후에 디메틸아연과 더불어 6N의 산소 가스를 각각 5 ~ 10μmol/min 및 50 ~ 100sccm의 유량들로 30분간 공급하였다. 이와 동시에, 6N의 아르곤 가스를 챔버 내로 유입시켜 캐리어 가스로 사용하였다. 다만, 비교예들에서는 상술한 조건들을 동일하게 유지하면서 챔버 내 온도를 400℃, 450℃ 및 500℃로 조절하면서 세 개의 비교예들을 제작하였다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 각각 400℃, 450℃ 및 500℃의 챔버 온도에서 제작된 비교예들이며, 도 5d는 500℃의 챔버 온도에서 제작된 실시예들이다. 도 4a 및 도 4b에서 알 수 있듯이, 도 5a 및 도 5b의 비교예들은 실리콘 기판의 주 표면에 수직 정렬되게 형성되었으나, 참조 번호 "502"에서와 같이, 실리콘 기판과 씨드층들 사이에 자발적인 계면층들이 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 도 5c의 비교예에서는 자발적인 계면층들이 형성되지 않았으나, 실리콘 기판의 주 표면에서 방사형으로 형성된 것으로 관찰되었다. 한편, 도 5d의 실시예에서는 실리콘 기판의 주 표면에서 수직 성장됨과 아울러서 참조 번호 "504"에서 나타난 바와 같이, 자발적인 계면층들이 형성되지 않음이 관찰되었다.
이에 더하여, 도 5c의 비교예에서는 어스펙트 비(aspect ratio)가 104.4로 관찰되었고, 도 5d의 실시예에서는 311.1의 어스펙트 비를 갖는 것으로 관찰되었다.
한편, 도 6는 도 5c의 비교예에 관한 TEM 사진들이다. 구체적으로, 도 6a는 나노 구조체들이 방사형으로 성장한 것을 나타내고 있으며, 도 6b는 씨드층 부근의 부분 및 상기 부분의 회절 패턴을 나타내고 있다. 또한, 도 6c는 나노 구조체들이 형성되지 않은 실리콘 기판 영역을 나타내고 있으며, 도 6d는 나노 구조체의 로드층의 부분 및 이 부분의 회절 패턴을 나타내고 있다.
도 6b에서 알 수 있듯이, 씨드층이 우르짜이트 결정 구조를 가지면서 기판의 주 표면에 수직되게 형성된 것으로 관찰되나, 도 6d에서와 보여진 바와 같이, 로드층은 기판의 주 표면과 수직되지 않은 방향으로 성장된 것으로 관찰된다. 이는 도 6b 및 도 6d의 우측 상단 사진들에서도 로드층들의 성장 방향이 씨드층들의 성장 방향과 다른 것으로 관찰되었다.
이에 더하여, 도 7은 도 5d의 실시예에 관한 TEM 사진들이다. 구체적으로, 도 7a는 나노 구조체들이 수직 정렬되어 성장한 것을 나타내고 있으며, 도 7b는 나노 구조체의 로드층의 부분 및 상기 부분의 회절 패턴을 나타내고 있으며, 도 7c는 씨드층 부근의 부분 및 이 부분의 회절 패턴을 나타내고 있다. 이에 더하여, 도 7d는 나노 구조체들이 형성되지 않은 실리콘 기판 영역을 나타내고 있다.
도 7b 및 도 7c의 우측 상단 사진들에서 알 수 있듯이, 씨드층이 우르짜이트 결정 구조를 가지면서 기판의 주 표면에 수직되게 형성되고, 로드층 역시 씨드층과 동일한 결정 방향을 가져 수직 정렬되게 성장한 것으로 관찰되었다.
아울러, 도 5d의 실시예에서 제작된 나노 구조체는 종래에 비해 높은 어스펙트 비를 가짐으로써 도 7b 및 도 7c에서 보듯이, 나노 구조체들의 폭이 약 10nm로 형성된 것으로 확인되었다.
한편, 도 7c에서 나타난 바와 같이, 씨드층 및 로드층은 EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 측정 결과, ZnxMg1-xO(0<x
Figure 112008075217688-pat00032
1) 삼원계 합금막으로 이루어진 것을 알 수 있었고, 이들 층들의 마그네슘의 함량은 각각 36atomic% 및 10atomic%로 측정되었다. 또한, 도 7d에서 알 수 있듯이, 비결정층 역시 EDX 측정 결과, ZnxMg1-xO(0
Figure 112008075217688-pat00033
x<1) 삼원계 합금막으로 이루어진 것을 알 수 있었고, 이 층의 마그네슘의 함량은 위치에 따라 64atomic% 및 67atomic%로 측정되었다.
도 5 내지 도 7에서 도출된 결과를 정리하자면, 종래의 방법에 의할 경우 공정 온도가 낮을수록 계면층들이 관찰되었으며, 이러한 계면층들은 나노 구조체들과 기판 사이의 전자의 이동을 방해하는 사이트로 작용된다. 반면에, 공정 온도가 높을수록 금속 산화물 나노 구조체들이 방사형으로 성장되는 것으로 확인되었다. 이를 극복하기 위해, 도 5d의 실시예에서는 도 5a 및 도 5b의 비교예들에 비해 고온으로 진행됨에도 불구하고 계면층이 존재하지 않음과 아울러서 나노 구조체가 수직 정렬되게 성장된다. 이에 따라, 종래의 방법으로 제작된 전자 소자에 비해 본 실시예에 의한 전자 소자는 우수한 전계 방출 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 8은 종래 및 본 실시예의 방법들에 의해 제작된 전자 소자들의 전류 밀도 및 턴 온 필드값을 나타내는 그래프이다.
도 8에 있어서, 가로축은 에미터 역할하는 나노 구조체에 인가되는 전기장의 세기를 나타내고, 세로축은 나노 구조체에서 방출되는 전류 밀도를 나타낸다.
참조번호"802"로 표시된 데이터들은 도 5a의 비교예(400℃의 산화 아연계 나노 구조체)에 대하여 측정된 전류 밀도를 나타낸다. 참조번호"804"로 표시된 데이 터들은 도 8c의 비교예(500℃의 산화 아연계 나노 구조체)에 대하여 측정된 전류 밀도를 나타낸다. 참조번호"806"으로 표시된 데이터들은 도 5d의 실시예(500℃의 산화 아연 마그네슘계 나노 구조체)에 대하여 측정된 전류 밀도를 나타낸다.
전류 밀도의 측정은 다음과 같이 진행되었다. 나노 구조체가 성장된 2cmㅧ2cm 크기의 n형 실리콘을 알루미늄 전극판에 소량의 실버페이스트로 고정시켰다. 전류를 공급하기 위한 캐소드 전극과 애노드 전극 역할은 알루미늄 전극판을 사용하였다. 캐소드 전극 위 실리콘 기판의 두께와 실리콘 기판 상에 성장된 나노 구조체의 길이에 따라 나노 구조체인 에미터와 상판의 에노드 전극판 사이에 소정의 갭(gap)으로 이격시켜 제작되었다. 이는 에미터 특성평가에 중요한 변수로 작용하기 때문이다. 상기 에미터와 에노드 전극 사이의 갭을 만들기 위해서 비전도체인 글래스 스페이서(glass spacer)를 사용하며, 글래스 스페이서는 케소드와 에노드 알루미늄 전극 사이에 개재되도록 배치되었다. 이 또한 나노 구조체인 에미터와 에노드 전극사이의 갭을 고려해 정확히 가공된 얇은 글레스를 사용하였다.
도 8의 그래프로부터 알 수 있듯이, 도 5c의 비교예에서 턴-온 필드값 및 전류 밀도는 각각 4.6V/μm 및 0.4mA/cm2로 측정되었다. 이는 나노 구조체를 통해 방출되는 전자의 전류 밀도가 0.4mA/cm2 이상이 되기 위해 필요한 전기장이 4.6V/μm 이상임을 의미한다. 한편, 도 5d의 실시예에서는 턴-온 필드값 및 전류 밀도는 각각 3.3V/μm 및 2.0mA/cm2로 측정되었다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 전자 소자가 비교예에 비해 상대적으로 높은 전계 방출 특성을 가짐을 확인하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자에 형광체를 적용하여 전계 방출 특성의 실제를 보여주는 사진이다.
실제 형광체를 이용하여 진행된 나노 구조체의 에미터의 밝기 측정은 도 8에서 언급된 에노드 알루미늄 전극판 대신 ITO가 코팅된 글레스로 제작된 시편을 사용하였다. 이때 ITO 글레스에는 녹색의 형광체가 도포되었다.
도 9에서 보는 바와 같이, 광이 면형태로서 발하고 있음이 확인되었다. 전계 방출 특성이 낮은 에미터의 경우에 광이 점형태로 방출되나, 본 실시예에 따른 나노 구조체를 채택하는 시편에서는 전 영역에서 전계 방출이 관찰되었다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 금속 산화물 나노 구조체를 사용하는 전계 방출 소자의 제조 과정으로서 저온에서 수행된 경우의 공정 개념도들이다.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 금속 산화물 나노 구조체를 사용하는 전계 방출 소자의 제조 과정으로서 고온에서 수행된 경우의 공정 개념도들이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 개념도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자를 채택하는 전자 장치의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 종래의 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 SEM(Scanning Eelectron Microscope) 사진이고, 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 SEM 사진이다.
도 6은 종래의 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 TEM(Transmission Eelectron Microscope) 사진들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 전자 소자의 TEM 사진들이다.
도 8은 종래 및 본 실시예의 방법들에 의해 제작된 전자 소자들의 전류 밀도 및 턴 온 필드값을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자에 형광체를 적용하여 전계 방출 특성의 실제를 보여주는 사진이다.

Claims (33)

  1. 기판 상에 금속을 함유하는 비단결정층들; 및
    상기 비단결정층들 사이의 상기 기판 상에 단결정의 씨드층들과 상기 씨드층들 상에 선택적으로 형성되는 로드들(rods)을 갖는 금속 산화물 나노 구조체들을 포함하는 전자 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 씨드층들 및 상기 비단결정층들은 제1 금속 및 제2 금속 및 산소를 함유하는 삼원계 합금막을 포함하되, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 다결정상 또는 비정질상이 형성되며, 상기 씨드층들은 제1 금속을 주성분으로 채택하는 합금막이고, 상기 비단결정층들은 제2 금속을 주성분으로 채택하는 합금막인 전자 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속들은 각각 아연 및 마그네슘인 전자 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 씨드층들은 ZnxMg1-xO(0<x
    Figure 112008075217688-pat00034
    1) 합금막을 포함하되, 상기 씨드층들은 0.6
    Figure 112008075217688-pat00035
    x
    Figure 112008075217688-pat00036
    0.8의 값을 갖는 전자 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 비단결정층들은 ZnxMg1-xO(0
    Figure 112008075217688-pat00037
    x<1) 합금막을 포함하되, 상기 비단결정층들은 0.3
    Figure 112008075217688-pat00038
    x<0.5의 값을 갖는 전자 소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 로드들은 ZnxMg1-xO(0<x
    Figure 112008075217688-pat00039
    1) 합금막을 포함하되, 상기 로드들은 0.7
    Figure 112008075217688-pat00040
    x
    Figure 112008075217688-pat00041
    0.9의 값을 갖는 전자 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체들은 우르짜이트(wurtzite) 결정 구조를 갖는 전자 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체들은 기판 상에 수직되는 [0001] 방위와 아울러서 5 내지 15 nm의 폭을 갖는 전자 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 전자 소자.
  10. 기판 상에 서로 이격되며 제1 금속을 함유하는 제1 핵들을 형성하고,
    상기 제1 핵들 사이의 상기 기판 상에 제2 금속을 함유하는 제2 핵들을 형성하되, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 다결정상 또는 비정질상을 형성하는 금속이고,
    상기 기판 상에 반응 가스를 공급하여 상기 제1 및 2 핵들을 각각 단결정의 씨드층들과 비단결정층들로 변환시키고
    상기 씨드층들 상에 선택적으로 성장하는 로드들(rods)을 형성하는 것을 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 씨드층들 및 상기 비단결정층들은 제1 금속 및 제2 금속 및 반응 가스를 함유하는 삼원계 합금막을 포함하도록 형성되고, 상기 씨드층들은 제1 금속을 주성분으로 채택하는 합금막으로 형성되고, 상기 비단결정층들은 제2 금속을 주성분으로 채택하는 합금막으로 형성되는 전자 소자의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속들은 각각 아연 및 마그네슘을 함유하는 전구체로 사용하여 형성되는 전자 소자의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 아연 함유 전구체는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트[Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나이며, 상기 마그네슘 함유 전구체는 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg), 이오딘화메틸마그네슘 (MeMgI) 및 디메틸마그네슘(Et2Mg) 으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나인 전자 소자의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 핵들의 형성은 각각 20 내지 40초의 시간 동안 400 내지 600℃의 온도에서 1torr 미만의 압력으로 진행되는 전자 소자의 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 로드들을 형성하는 것은 상기 씨드층들 및 상기 비단결정층들을 갖는 기판 상에 상기 아연 함유 전구체, 상기 마그네슘 함유 전구체와 산소 함유 기체를 소스 가스로 공급하는 전자 소자의 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 반응 가스는 산소 함유 가스이되, 상기 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나이고, 상기 산소 함유 가스는 20 내지 40초의 시간 동안 400 내지 600℃의 온도 및 1torr 미만의 압력에서 50 ~ 100sccm의 유량으로 공급되는 전자 소자의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 씨드층들 및 상기 비단결정층은 ZnxMg1-xO(0<x<1) 삼원계 합금막을 포함하도록 변환되되, 상기 씨드층들은 0.6
    Figure 112008075217688-pat00042
    x
    Figure 112008075217688-pat00043
    0.8의 값을 갖도록 형성되며, 상기 비단결정층들은 0.3
    Figure 112008075217688-pat00044
    x<0.5의 값을 갖도록 형성되는 전자 소자의 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 로드들은 ZnxMg1-xO(0<x
    Figure 112008075217688-pat00045
    1)합금막을 포함하도록 형성되되, 상기 로드들은 0.7
    Figure 112008075217688-pat00046
    x
    Figure 112008075217688-pat00047
    0.9의 값을 갖도록 형성되는 전자 소자의 제조 방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 씨드층들 및 상기 로드들은 우르짜이트(wurtzite) 결정 구조를 갖는 전자 소자의 제조 방법.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 로드들은 기판 상에 수직되는 [0001] 방위와 아울러서 5 내지 15 nm의 폭을 갖는 전자 소자의 제조 방법.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 로드들의 성장은 유기금속 화학기상증착법, 기상 에피택시 및 분자빔 에피택시로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 수행되는 전자 소자의 제조 방법.
  23. 캐소드 전극(cathode electrode)을 갖는 제1 기판;
    상기 제1 기판과 서로 이격되게 배치됨과 아울러서 애노드 전극(anode electrode)을 갖는 제2 기판; 및
    상기 캐소드 전극 상에 배치되는 전자 소자를 포함하되,
    상기 전자 소자는 상기 기판 상에 금속을 함유하는 비단결정층들; 및
    상기 비단결정층들 사이의 상기 기판 상에 단결정의 씨드층들과 상기 씨드층들 상에 선택적으로 형성되는 로드들(rods)을 갖는 금속 산화물 나노 구조체들을 포함하는 전자 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 씨드층들 및 상기 비단결정층들은 제1 금속 및 제2 금속 및 산소를 함유하는 삼원계 합금막을 포함하되, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속의 단결정 생성 온도에서 다결정상 또는 비정질상이 형성되며, 상기 씨드층들은 제1 금속을 주성분으로 채택하는 합금막이고, 상기 비단결정층들은 제2 금속을 주성분으로 채택하는 합금막인 전자 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속들은 각각 아연 및 마그네슘인 전자 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 씨드층들은 ZnxMg1-xO(0<x
    Figure 112010070360258-pat00048
    1) 합금막을 포함하되, 상기 씨드층들은 0.6
    Figure 112010070360258-pat00071
    x
    Figure 112010070360258-pat00072
    0.8의 값을 갖는 전자 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 비단결정층들은 ZnxMg1-xO(0
    Figure 112008075217688-pat00049
    x<1) 합금막을 포함하되, 상기 비단결정층들은 0.3
    Figure 112008075217688-pat00050
    x<0.5의 값을 갖는 전자 장치.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 로드들은 ZnxMg1-xO(0<x
    Figure 112008075217688-pat00051
    1) 합금막을 포함하되, 상기 로드들은 0.7
    Figure 112008075217688-pat00052
    x
    Figure 112008075217688-pat00053
    0.9의 값을 갖는 전자 장치.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 나노 구조체들은 우르짜이트(wurtzite) 결정 구조를 갖는 전자 장치.
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 나노 구조체들은 기판 상에 수직되는 [0001] 방위와 아울러서 5 내지 15 nm의 폭을 갖는 전자 장치.
  31. 제 23 항에 있어서,
    상기 제1 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 유리 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 전자 장치.
  32. 제 23 항에 있어서,
    상기 애노드 전극은 상기 캐소드 전극과 서로 마주보도록 배치되되, 상기 애노드 전극 상에 형광층을 더 포함하는 전자 장치.
  33. 제 23 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극 상에 이와 다른 방향으로 신장되어 교차되는 게이트 전극을 더 포함하되, 상기 전자 소자는 상기 게이트 전극과 서로 중첩되지 않도록 위치되는 전자 장치.
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