In this work, new field emission device, with which can replace MOS transistor and vacuum tube in certain application, was proposed. The state-of-the-art in solid-state electronics allows high frequency operation, low power consumption, low cost, and high fabrication yield. However, there are certain applications where solid-state devices are impractical or inconvenient. Therefore one potential solution is the same vacuum technology that was abandoned nearly 50 years ago.
There are extreme applications that render traditional solid-state devices useless due to their inherent sensitivity to harsh environments (temperature, radiation, etc.). For example, the sensing electronics in nuclear and fusion reactors are subjected to high levels of radiation. Electronics in space are also inherently subjected to high levels of radiation. This radiation can generate charge carriers in the bulk of solid-state devices. This can cause transient artifacts in the operation of the device (soft errors) and, in some cases, permanent damage (hard errors).
And, conventional solid-state devices, the flow of current is conducted within semiconductors, so the moving velocity of carriers, such as electron or hole, are affected by the crystal lattices or impurities therein.
However, unlike conventional solid-state devices such as MOSFET and BJT that use a single crystalline active channel, proposed device utilizes a vacuum channel. Namely, vacuum field transistor (VFT) proposed here is a device of a new concept that electrons emitted from the source by the applied gate-to-source electric field move through the vacuum channel and enter into the drain. Thus, it is impossible to induce carrier generation through radiation. Therefore, proposed device is relatively immune to radiation damage, making them suitable for the aforementioned high radiation environments. And proposed device is inherently tolerant to high temperatures. Similar to proposed vacuum device’s inherent immunity to radiation, vacuum channel of proposed device is not susceptible to thermal induced carrier generation. And electrons move in vacuum and thus at non-limited speeds. Therefore, proposed devices can be operated at ultra high speeds.
Also, the present study adopted a MOSFET-like lateral structure, instead of conventional vertical microtip structure, so as to increase the degree of integration. And it introduced a carbon-based material to make up for poor properties of Cu (melting point, hardness, etc.)
Fundamental characteristics (I-V characteristics, Fowler-Nordheim plot) of proposed device, which were fabricated through two different materials (Copper, Copper/Diamond-like carbon), were measured and compared. Vacuum field transistors made by Cu material aren't operated by various causes (metal oxidation, Joule heating, high field effect, etc. ). Vacuum field transistors made by Copper/DLC bi-layer show electrical properties as we wanted. Namely, vacuum field transistors made by Copper/DLC bi-layer have turn-on voltage of about 29V and gate voltage of 76V can flow 10uA current.
Consequently, this work shows that proposed vacuum field transistor have possibility be replaced with MOS transistor and vacuum tube in certain application.
본 논문은 새로운 개념과 구조의 전계 방출 소자를 제안하여 특정 영역에 있어서의 반도체 소자와 vacuum tube 의 대체 가능성을 검증하였다.
최근의 solid-state electronics 는 높은 주파수에서 동작이 가능하고, 적은 전력소모, 작은 비용, 높은 수율을 가진다. 하지만 특정영역에 있어서의 solid-state device 는 비 실용적이고, 유용하지 않게 된다. 따라서 이에 대한 잠재적 해결책으로서 50 년전에 solid-state device에 의해서 대체되었던 vacuum technology 에 다시금 눈을 돌리게 된다.
전통적인 solid-state devices 는 본래적으로 온도나 radiation 과 같은 외부 유해환경에 취약해서 특정 적용처에서는 유용하지 않게 된다. 한 예로서 핵 융합 반응기의 sensing electronics 나 우주항공 관련 전자소자 (aerospace application)는 높은 수준의 radiation에 노출이 되게 된다. 이 radiation 은 solid-state device 내에 charge carrier 를 유발하게 되어서 소자의 동작에 있어서 일시적인 손상 (soft errors) 혹은 영구적인 손상 (hard errors)을 일으키게 된다. 또한 solid-state device 는 반도체 내에서 전자나 정공과 같은 charge carrier 의 이동에 의해서 전류의 흐름이 발생하기 때문에 반도체내의 다양한 scattering 현상에 의해서 carrier 의 이동도 (mobility)와 속도 (velocity)가 영향을 받게 된다. 하지만 단결정의 active channel 을 가지는 기존의 solid-state device 와는 달리 본 연구에서 제안하는 소자는 active channel 로서 진공 (vacuum)을 사용하기 때문에 앞서 언급했던 solid-state device 의 본래적인 문제점에서 자유롭게 된다. 즉, active channel 인 진공을 통해서 carrier 가 이동하기 때문에 온도나 radiation 에 의한 charge carrier 의 유발이 불가능하게 되고, 소자의 동작에 있어서도 carrier 의 이동도와 속도에 대한 제한 요소가 없기 때문에 높은 동작속도를 가지게 된다.
또한 본 연구에서는 기존의 수직형태 microtip 구조 대신 수평형태의 MOSFET 과 비슷한 구조를 구현함으로서 소자의 집적도를 높였고, 탄소기반의 물질을 도입해서 저전압 동작을 구현하였다.
본 연구에서는 전자방출 물질로서 work function 이 낮고, 전기적이니 특성(비저항, etc.)이 우수하며, 값도 싸고, 공정방법이 널리 알려져 있어 공정이 어렵지 않은 구리물질을 선택하였고, 습식 식각 공정을 통해서 뾰족한 모양의 구조를 형성하였다. 또한 전자 방출 특성 및 고온에서의 안정성등을 향상시키기 위해서 diamond-like carbon (DLC)를 도입하였다. 이렇게 구리와 DLC를 도입해서 제작한 소자에 대한 측정을 실시하였다.
구리를 사용한 구조에서는 구리 자체의 물성 (녹는점, 경도)이 좋지 않고, 측정시 낮은 진공도$(10^{-5} torr)$로 인해서 소자가 파괴되는 현상이 발생하였다. 따라서 이 문제를 해결하고자 탄소기반의 물질인 DLC를 도입해서 고온에서의 안정성과 전자방출특성의 향상을 꾀하였고, 고진공$(7\times10^{-6}torr)$의 측정장비를 구축하였다. 이렇게 제작된 소자는 29V의 turn-on전압과 76V에서 10uA의 전류를 흘릴 수 있었다. 현재는 diode로서의 동작을 확인하였고, 앞으로 triode로서의 동작을 검증해야 하는 과제가 남아있다.
결론적으로 새로운 개념과 구조의 전계 방출 소자를 제안해서, 이를 제작 및 특성평가를 통해서 전자소자로서의 가능성을 검증하였다. 또한 이를 바탕으로 특정영역에 있어서의 solid-state device 와 vacuum tube 의 대체 가능성을 살펴보았다.
