JP4425878B2 - カルコゲナイド系元素を含む光伝導層を有するフォト薄膜トランジスタ及びこれを用いたイメージセンサの単位セル - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜トランジスタに係り、さらに詳細には、高い光伝導性を有するフォト薄膜トランジスタ及びこれを用いたイメージセンサの単位セルに関する。
一般的に、情報通信技術の発達につれて高速処理及び大容量保存などの技術発展も共に進められている。情報保存に使われている素子としては、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）として知られている光情報保存素子、及びＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの電気メモリ素子が挙げられる。前記情報保存及び処理分野に用いられる素子としては、フォト薄膜トランジスタやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサが挙げられる。前記フォト薄膜トランジスタは、通常、ＣＭＯＳ工程を用いて製造される。
図１は、一般的なＣＭＯＳ工程を用いて製造されるフォト薄膜トランジスタ構造の概念図である。
具体的に、不純物がドーピングされたシリコン基板１００上に非晶質シリコン膜１０５が形成されている。前記非晶質シリコン膜１０５の両側には、オーミックコンタクトのためのソース及びドレインオーミックコンタクト部１１５、１１０が形成されている。前記オーミックコンタクト部１１５、１１０は、前記非晶質シリコン膜の一部に不純物をイオン注入して形成する。前記ソース及びドレインオーミックコンタクト部１１５、１１０には、それぞれソース電極１２５及びドレイン電極１２０が連結されている。前記非晶質シリコン膜１０５、オーミックコンタクト部１１５、１１０、ソース及びドレイン電極１２５、１２０上にゲート絶縁膜１３０が形成されている。前記ゲート絶縁膜１３０は、酸化膜を用いて形成する。前記ゲート絶縁膜１３０上には、ゲート電極１３５を金属膜を用いて形成する。
ところが、図１のフォト薄膜トランジスタは、前記非晶質シリコン膜１０５が光に対して反応する光伝導度が低くて、性能が良くないという短所がある。
そして、図１のフォト薄膜トランジスタをＣＭＯＳ工程を用いて製造する時、高温、例えば５００ないし１０００℃程度の製造工程を要求する。さらに、図１のＣＭＯＳ工程を用いて製造されるフォト薄膜トランジスタは、高価のシリコン基板やイオン注入工程を絶対的に必要とする。これによって、図１のＣＭＯＳ工程を採用したフォト薄膜トランジスタの製造コストは非常に上昇する。
本発明が達成しようとする技術的課題は、光伝導効率に優れたなカルコゲナイド系元素を含む光伝導層を有するフォト薄膜トランジスタを提供することにある。
本発明が達成しようとする他の技術的課題は、前記した高温及び高価のＣＭＯＳ製造工程を利用しないフォト薄膜トランジスタを提供することにある。
本発明が達成しようとするさらに他の技術的課題は、光伝導効率に優れたカルコゲナイド系元素を含む光伝導層を有するイメージセンサの単位セルを提供することにある。
前記技術的課題を解決するために、本発明のフォト薄膜トランジスタは、ガラス基板上にカルコゲナイド系元素を含むＧＳＴ膜で形成され、光を吸収して光電流を発生させうる光伝導層と、前記光伝導層の両側に形成され、前記光伝導層と連結されて前記光により発生する光電流の導通のために形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記光伝導層上に形成されたカルコゲナイド系絶縁膜であるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記光電流のオンオフのために形成されたゲート電極と、を備えてなる。
また、本発明のイメージセンサの単位セルは、ガラス基板上にカルコゲナイド元素を含むＧＳＴ膜で形成され、光を吸収して光電流を発生させうる光伝導層と、
前記光伝導層の両側に形成され、前記光伝導層と連結されて前記光により発生する光電流の導通のために形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記光伝導層上に形成されたカルコゲナイド系絶縁膜であるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記光電流のオンオフのために形成されたゲート電極と、を備えてなる。
前記光伝導層の両側に形成され、前記光伝導層と連結されて前記光により発生する光電流の導通のために形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記光伝導層上に形成されたカルコゲナイド系絶縁膜であるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記光電流のオンオフのために形成されたゲート電極と、を備えてなる。
本発明のフォト薄膜トランジスタ及びこれを用いたイメージセンサの単位セルは、カルコゲナイド系元素を含む非晶質状態のＧＳＴ膜を光伝導層として用いて、非常に高い光伝導性を有することができる。
本発明のフォト薄膜トランジスタ及びこれを用いたイメージセンサの単位セルは、通常のＣＭＯＳ製造工程と比較して低温工程が可能であり、低コストのガラス基板の利用が可能であり、イオン注入が不要なので、低コストで具現することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、次に例示する本発明の実施形態は多様な形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現される。本発明の実施形態は、当業者に、本発明をより完全に説明するために提供される。図面において、膜または領域の大きさ及び厚さは、明細書の明確性のために誇張して示されている。
本発明者らは、情報保存分野あるいは次世代不揮発性メモリ素子の素材として使われうるカルコゲナイド系元素を含む物質膜を光電素子、例えばフォト薄膜トランジスタやイメージセンサの単位セルの光伝導層として利用できるということを発見した。
前記カルコゲナイド系元素を含む物質膜として、本発明者らは、ＧｅＴｅ−Ｓｂ２Ｔｅ２膜(以下、“ＧＳＴ膜”と称する)を採用し、前記ＧＳＴ膜の孤立電子対を光伝導層に用いた。前記カルコゲナイド系元素を含む物質として一つの例を挙げたか、本発明はこれに限定されるものではない。前記カルコゲナイド系元素を含む物質膜の特有の光学的性質を利用すれば、相対的に高い効率の光伝導性を有しつつ、低コスト及び低温工程でフォト薄膜トランジスタやイメージセンサの単位セルを形成できる。
図２は、本発明によるフォト薄膜トランジスタ及びこれを用いたイメージセンサの単位セルを説明するために示した断面図である。
具体的に、本発明のフォト薄膜トランジスタは、ガラス基板２００上に光伝導層２０５が形成されている。前記ガラス基板２００は、後述する本発明の構成要素が高温工程が不要な素材で構成されているため、低温工程基板に適しており、特に、光に対して透明なために、光を用いた素子製作に適切である。
前記光伝導層２０５は、光伝導効率に非常に優れたカルコゲナイド元素を含むＧｅＴｅ−Ｓｂ２Ｔｅ３膜(ＧＳＴ膜)で構成する。前記光伝導層２０５は、光に対して反応し、光を吸収して光電流を発生させる光伝導性の薄膜である。前記光伝導層２０５を構成するＧＳＴ膜は、レーザあるいは熱エネルギーによって、非晶質から結晶質、結晶質から非晶質への相変化が可能な薄膜であるが、ここでは初期蒸着された非晶質状態の薄膜を利用する。
前記光伝導層２０５と連結されて、前記ガラス基板２００上には、それぞれソース電極２１５及びドレイン電極２１０が形成されている。前記ソース電極２１５及びドレイン電極２１０は、金属膜、例えば金膜やアルミニウム膜で構成する。前記ソース電極２１５及びドレイン電極２１０は、光伝導層２０５で発生した光電流の電気的導通のためのものである。
前記光伝導層２０５上には、ゲート絶縁膜２２０が形成されている。前記ゲート絶縁膜２２０は、カルコゲナイド系絶縁膜、例えばＡｓ２Ｓ３膜や、有機物である高分子ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙ Ｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈｃｒｙｌａｔｅ）膜で構成する。前記ゲート絶縁膜２２０を構成する有機物高分子ＰＭＭＡ膜は、透明な膜質である。前記ゲート絶縁膜２２０は、前記光伝導層２０５を構成するＧＳＴ膜との良い接触を維持し、製造工程中にＧＳＴ膜の性質を変化させない役割を行う。
前記ゲート絶縁膜２２０上には、前記光伝導層２０５に流れる光電流をオンオフさせる役割を行うゲート電極２２５が形成されている。前記ゲート電極２２５は、金属膜、例えば金がやアルミニウム膜で構成される。前記ゲート電極２２５やソース電極２１５及びドレイン電極２１０を構成する金属膜は、透明でないが、透明な金属膜を使用してもよい。
ここで、図２の構造は、一つのフォト薄膜トランジスタを示し、説明したものである。図２のフォト薄膜トランジスタは、平面上で横方向及び縦方向に複数配列して素子を構成できる。そして、前記図２の一つのフォト薄膜トランジスタは、イメージセンサの単位セルに構成されうる。前記図２のようなイメージセンサの単位セルを平面上で横方向及び縦方向に複数配列すれば、光を吸収し、オンオフしつつ光を伝達できるイメージセンサを具現できる。さらに、図２の構造を利用する場合、前記フォト薄膜トランジスタによってイメージを形成し、保存も可能な光メモリトランジスタを製作することができる。
以下、フォト薄膜トランジスタを代表的な例を挙げて説明する。もちろん、前記フォト薄膜トランジスタをイメージセンサの単位セルとして利用できる。
図３は、本発明によるフォト薄膜トランジスタにおける光伝導度を簡単に測定するためにゲート電極を形成していない状態の図面であり、図４は、図３のフォト薄膜トランジスタの光伝導度を測定した図面である。図３において、図２と同じ参照番号は同じ部材を示す。
具体的に、図３は、ガラス基板２００上にＧＳＴ膜で光伝導層２０５を形成し、前記光伝導層２０５の両側に前記光伝導層２０５の光電流の電気的導通のためのソース電極２１５及びドレイン電極２１０のみを形成した状態の図面である。図３において、図１のゲート電極２２５は形成していない状態である。図４は、図３の構造のフォト薄膜トランジスタが光に対して反応する光伝導度を簡単に測定した結果である。
図４において、Ｘ軸は、ソースドレイン電圧を示し、Ｙ軸は、ナノアンペア単位のドレイン電流を示す。図４において、ａは、比較のために図３の構造で光伝導層２０５を非晶質シリコン膜で形成した場合であり、ｂ及びｃは、光伝導層２０５をＧＳＴ膜で構成した場合である。図４に示すように、本発明のように光伝導層２０５をＧＳＴ膜で構成する場合、ドレイン電流が非晶質シリコン膜で構成した場合に比べてはるかに高くて、光伝導度も良いということが分かる。
図５は、本発明によるフォト薄膜トランジスタの光伝導度を測定する過程を説明するための図面であり、図６は、図５のフォト薄膜トランジスタの光伝導度を測定した図面である。図５において、図２と同じ参照番号は同じ部材を示す。図６において、Ｘ軸は、ソースドレイン電圧を示し、Ｙ軸は、ナノアンペア単位のドレイン電流を示す。
具体的に、図５は、ガラス基板２００上にＧＳＴ膜で光伝導層２０５を形成し、前記光伝導層２０５の両側に前記光伝導層２０５の電気的導通のためのソース電極２１５及びドレイン電極２１０を形成し、前記光伝導層２０５上にゲート絶縁膜２２０及びゲート電極２２５を形成した状態の図面である。図５の構造に光伝導度を測定するために可視光線２３０を入射させる。
図６は、可視光線２３０(図５)を照射した状態でフォト薄膜トランジスタのゲート電圧によるソース電極２１５及びドレイン電極２１０間の電流を示した図面である。図５の構造に光の整列過程なしに可視光線、例えば波長６３２ｎｍの光を入射し、光が入射された状態でゲート電圧を０Ｖないし２Ｖまで変化させながら、ソース電極２１５及びドレイン電極２１０の間の電流を測定した。図６において、ａは、ゲート電圧を０Ｖ印加したものであり、ｂは、ゲート電圧を１Ｖ印加したものであり、cは、ゲート電圧を２Ｖ印加したものである。
図６において、前記ソース電極２１５及びドレイン電極２１０間の電圧は、入射される光の強度によってその差が異なるために、数値は絶対的なものではない。また、図６において、ゲート電圧の変化によって光伝導層２０５の反応程度が違って、ドレイン電流が異なって現れることが分かる。
本発明は、情報処理関連の技術分野に好適に用いられる。
２００ ガラス基板
２０５ 光伝導層
２１０ ドレイン電極
２１５ ソース電極
２２０ ゲート絶縁膜
２２５ ゲート電極
２０５ 光伝導層
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Claims (4)
- ガラス基板上にカルコゲナイド系元素を含むＧＳＴ膜で形成され、光を吸収して光電流を発生させうる光伝導層と、
前記光伝導層の両側に形成され、前記光伝導層と連結されて前記光により発生する光電流の導通のために形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記光伝導層上に形成されたカルコゲナイド系絶縁膜であるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記光電流のオンオフのために形成されたゲート電極と、を備えてなることを特徴とするフォト薄膜トランジスタ。 - 前記光伝導層を構成するＧＳＴ膜は、非晶質膜で構成されることを特徴とする請求項１に記載のフォト薄膜トランジスタ。
- ガラス基板上にカルコゲナイド元素を含むＧＳＴ膜で形成され、光を吸収して光電流を発生させうる光伝導層と、
前記光伝導層の両側に形成され、前記光伝導層と連結されて前記光により発生する光電流の導通のために形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記光伝導層上に形成されたカルコゲナイド系絶縁膜であるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、前記光電流のオンオフのために形成されたゲート電極を備えてなることを特徴とするイメージセンサの単位セル。 - 前記光伝導層を構成するＧＳＴ膜は、非晶質膜で構成されることを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサの単位セル。
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