KR100225729B1 - 광전변환소자 - Google Patents
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Abstract
저 전도성 물질로 제조된 차광층이 절연기판상에 제공된다. 차광층은 광이 광전 변환층의 역표면에 직접 도달되지 않도록 절연기판을 거쳐 광전 변환층의 역표면쪽으로 통과하는 광을 차광한다.
Description
제1도는 종래의 광전변환소자의 단면도.
제2도는 제1도에 도시한 종래의 광전변환소자의 회로도.
제3도는 본 발명에 따른 광전변환소자의 단면도.
제4도는 제3도에 도시한 광전변환소자의 회로도.
제5a도 내지 제5d도는 본 발명에 따른 광전변환소자의 제조 단계를 나타내는 단면 도식도.
제6도는 본 발명에 따른 광전변환소자의 제조에 사용된 장치를 나타내는 단순 개념 도식도.
제7도 내지 제11도는 본 발명에 따른 광전변환소자의 작동을 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101 : 유리기관 102 : 차광층
103 : 절연층 104 : 광전 변환층
105 : 저 저항성층 106 : 전극
109 : 광전변환소자 162 : 진공챔버
163 : 서셉터 164 : 유리기판
166 : 배기밸브
[발명의 배경]
본 발명은 팩시밀리기(facsimile machines), 디지탈형 복사기(digital copy machine)등에 사용된 광전변환소자의 완전 결합 형태에 대한 광전변환소자에 관한 것이다.
[발명의 배경]
종래의 광전변환소자는 투명기판, 기판의 역표면(reverse surface)에 결합된 광원, 광전 변환층과 광전 변환층 상에 제공된 전극을 구비한다.
작동에 있어서, 종이(paper)의 복사표면쪽으로 투과된 광은 기판을 통과하며, 복사표면으로부터 광전 변환층의 검출표면으로 반사된다. 광전 변환층에 의해 수용된 광에 반응하여 대응하는 전기 신호가 발생된다. 종이쪽으로 광이 투과될 때 광의 일부가 광전 변환층의 역표면쪽으로 향하게 되는데 이것은 방지되어야 한다.
종래의 광전변환소자에 따르면, 광전 변환층의 역표면쪽으로 나아가는 광을 차광하기 위하여 차광층으로서 게이트 전극이 사용되었다. 게이트전극은 센서(광전변환소자)자체와 동일한 방법으로 제조된다. 그러나 광전 변환시에 광전 전하가 발생될 때 게이트 전극에서 일시적으로 전하(charge-up)조건이 발행된다. 그러므로, 게이트 전극과 소오스 전극 그리고 게이트 전극과 드레인 전극사이에 캐패시티가 만들어지며, 특히 게이트 전극의 포텐셜에 근거한 광전 전하가 MIS표면상에 축적된다. 축적된 광전 전하는 출력 신호를 낮추고 반응시간을 늦춘다.
따라서, 개선된 광전변환소자가 일본 특허공개공보 소 63-161683호에 개시되어 있으며, 게이트와 드레인 전극이 게이트와 소스 스테이블(source stable)간의 전위를 유지하기 위해 서로에 대해 단락된다. 상기 광전변환소자에 따르면 기생 캐패시티가 게이트와 드레인 사이에 만들어지지 않으나 일정의 기생 캐패시티가 게이트와 소스 사이에 만들어지며, 그리하여 대수대 대수의 광강도의 전류 구배인 γ값이 감축되어 신속한 반응이 아직 상기 기술에 의해 실현되지 않는다.
[발명의 개요]
따라서, 본 발명의 목적은 투사(incident)에 반응하여 신속하게 작동되며 고수준의 전기출력을 제공하는 개선된 광전변환소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 관점에 따르면, 절연 기판상에 제공된 차광층은 광이 광전 변환층의 역표면에 직접 도달하지 않도록 절연기판을 거쳐 광전 변환층의 역표면쪽으로 통과하는 광을 차광하기 위하여 비전도성 유기 고분자 물질로 제조된다.
실제로 감지될 매체의 표면으로부터 반사된 광을 수용하는 광전변환소자는 절연기판과, 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 공급하는 수용표면으로 제공되며 수용된 광을 전기신호로 변환시키는 광전 변환층과, 절연기판상에 제공되며 광이 광전 변환층의 역표면에 직접 도달되지 않도록 절연기판을 거쳐 광전 변환층의 역표면쪽으로 통과하는 광을 차광하기 위한 차광층과, 차광층과 광전 변환층사이에 제공된 절연층과, 광전 변환층상에 제공된 전극과, 상기 전극을 광전 변환층에 오옴 접속하기 위해 광전 변환층과 전극사이에 제공된 저 저항성층을 포함한다.
[적합한 실시예의 설명]
본 발명의 명확한 이해를 위하여 먼저 제1도 및 제2도와 관련한 종래기술이 개시된다. 종래의 광전변환소자의 TFT형태는 투명한 유리기판(31)과, 상기 유리기판 (31)의 역 표면상에 결합된 광원(도시않음)과, 비전도성 유기 고분자 물질로 제조되며 유리기판(31)상에 제공된 차광층(32)과, 유리기판(31)과 차광층(32)의 구조 위에 제공된 절연층(33)과, 절연층(33)상에 제공된 광전 변환층(34)과, 광전 변환층(34)상에 제공된 저 저항성층(35)과 저 저항성층(35)상에 제공된 전극(36)을 구비한다. 게이트 전극과 드레인 전극은 게이트와 소스 사이의 전위를 유지하기 위해 서로 단락되었다.
종이의 복사표면(37)쪽으로 투사된 광은 유리기판(31)과 절연층(33)을 통과하며 복사표면(37)으로부터 광전 변환층(34)의 상부표면으로 반사된다. 광전 변환층(34)에 의해 수용된 광에 반응하여 대응전기 신호가 발생된다. 광이 종이쪽으로 투사될 때 광전 변환층(34)의 역표면쪽으로 나아가는 광의 일부는 차광층(32)에 의해 차광된다.
상술된 종래의 광전변환소자에 따르면, 게이트와 드레인 사이에 기생 캐패시티가 만들어지지 않으나 게이트와 소스사이에 일부의 기생 캐패시티가 만들어져서 γ갑이 감축되며 신속한 반응이 아직까지 상기 기술에 의해 실현되지 않는다.
제3도 및 제4도에는 본 발명의 제1실시예에 따른 광전변환소자(109)를 나타내며, 광전변환소자는 투명한 유리기판(101), 폴리피롤(polypyrrole)로 제조되며 유리기판(101)상에 제공된 차광층(102)과, 차광층(102)과 유리기판(101)위에 제공된 절연층(103)과, 절연층(103)상에 제공된 광전 변환층(104)과, 광전 변환층(104)상에 제공된 저 저항성층(105)과, 저 저항층(105)상에 제공된 전극(106)을 구비한다. 광전 변환층(104)과 전극(106)은 서로 오옴 접속되어 있다.
제조시, 2%의 도데실(dodecile)벤젠 술폰산 메탄을 용액이 스피너에 의해 유리기판(101)상에 코팅된다. 도데실 벤젠술폰산 메탄올을 가지는 유리기판(164)은 제6도에 도시된 바와 같이 진공 챔버(162)에 둘러싸인 서셉터(163)상에 배치된다. 진공챔버(162)는 배기밸브(166)에 의해 100mTorr(토르)로 진공으로 되며, 증발기 소스(161)내에 저장된 피롤 용액을 증발시키기 위해 공급밸브(165)가 개방된다. 이때에 진공 챔버(162)는 배기 밸브(166)에 의해 실온 및 100mTorr에서 조절된다. 폴리피롤 층의 두께는 증발 시간에 비례하여 변화된다. 증착 시간은 10 내지 20Å/sec이며, 폴리피롤층은 5000Å의 두께를 가지도록 제조된다.
다음에, 폴리피롤층상에 제조된 반응 제품 및 제2반응 제품이 메탄올 용액에 의해 세척되고, 포토리쏘그라피법이 수행되고 난 후 제5a도에 도시한 바와 같이 차광층(102)을 제조하기 위해 건조에칭법에 의해 폴리피롤층이 패턴화된다. 에칭법은 200mTorr의 가스 압력에서 40SCCM의 산소 가스 유동량과 15분 동안의 5.70㎽/㎠의 방전 출력으로 수행된다. 상술한 바와 같이 차광층(102)은 플라즈마 CVD 및 스퍼터링 처리법에 비교하여 볼 때 용이하게 대량생산될 수 있다.
다음에, 제5b도에 도시한 바와 같이, 3000Å의 두께를 가지도록 유리기판 (101)과 차광층(102)에 걸쳐 실리콘 산화물층(절연층)(103)이 제조된다. 상기 단계에서, 폴리피롤이 절연되도록 진공으로된 부가적 가열 챔버내에서 300℃로 상기 구조체가 가열되며, 유리기판이 공기에 노출됨이없이 산화물층이 제조된다.
계속하여, 4000Å의 두께를 가지도록 무정형 실리콘 층이 광전 변환층(104)을 위해 형성되며, 400Å의 두께를 가지도록 제5b도에 도시한 바와 같이 저 저항성층(105)을 위해 n+실리콘층이 형성된다. 무정형 실리콘층은 고립되며 크롬이 저 저항성층(105)상에 스퍼터링되고 난후 전극(106)이 포토리쏘그라피법에 의해 형성된다. 다음에, 광전 변환층(104)상에 형성된 n+층은 제5c도에 도시한 바와 같이 건조 에칭된다. 실리콘 질화물로 구성된 보호층(117)은 제5d도에 도시한 바와 같이 완전한 소자를 제조하도록 전체 구조에 걸쳐 제공된다.
제7도에 있어서, 라인(A)는 폴리피롤의 투과율을 나타낸다. 상술한 광전변환 소자에 따르면, 반응시간은 각각의 온 오프에 대해 0.5 내지 0.95msec이며, 광전류대 암전류 비율(Ip/Id)의 값은 광 입사 윈도우가 L=500㎛, W=8㎛인 경우 평균 1,000이상이다.
다음, 본 발명에 따른 제2실시예가 개시되는데, 제2실시예는 차광층이 폴리아닐린으로 제조되고 다른 성분은 제1실시예와 동일하다. 폴리아닐린의 차광층의 제조에 있어서, 1mol/l의 아닐린이 1mol/l의 파라톨루엔-술폰산용액에 용해되고 동일 몰(mol)의 암모늄 중크롬산염이 산화 물질로서 그 안에 부가되고 난후 흑색 폴리아닐린을 제조하도록 2시간 동안 0℃에서 용액이 교반된다. 폴리아닐린은 암모니아수로 세척되고 난후 여과되어 N-메틸필로리돈이 부가된다. 폴리아닐린 용액을 만들기 위해 용액으로부터 비 용해성분이 여과된다. 그 후 0.1몰%의 염화수소산이 폴리아닐린 용액의 단량체유닛안으로 부가되며 그 용액은 스피너에 의해 유리기판상에 코팅되고, 코팅기판은 150℃ 및 100mTorr에서 어닐링된다. 폴리아닐린층은 그 층이 5000Å의 두께를 가지도록 10분 동안 30rpm, 30분 동안 400rpm, 55분 동안 1000rpm으로 스피너에 의해 형성된다. 두께분포는, 150×150㎜의 유리 기판상에 5150±3%이며, 투과율의 분포는 570nm의 파장을 가지는 광에 대해 0.01% 이하이다. 300 내지 800nm의 파장을 가지는 광에 대해 5000Å의 두께를 가지는 차광층의 투과율이 제7도의 라인(B)에 의해 도시되었다.
제1실시예와 동일한 방법으로 포토리쏘그라피법 후에, 폴리아닐린층은 200mTorr의 가스 압력에서 50SCCM의 산소 가스 유동량과 7.0분 동안 5.20㎽/㎠의 방전 출력으로 건조 에칭에 의해 패턴화된다. 패턴화후에, 실리콘 산화물층은 스퍼터링 장치의 가열 진공 챔버에서 20분 동안 150℃까지 가열에 의해 2000Å의 두께를 가지도록 폴리아닐린층상에 형성된다. 광전변환소자를 제조하기 위한 다음 단계가 제1실시예와 동일하기 때문에 본원에 개시하지 않는다. 상술한 광전변환소자에 따르면, 각각의 온 오프에 대해 반응시간이 0.5 내지 1.0msec이며, 광전류대 암전류의 비율(Ip/Id) 값은 1000 이상이다. 상술한 바와 같이 폴리아닐린층은 단순한 혼합법에 의해 용이하게 제조될 수 있다.
다음에, 차광층을 위해 실리콘이 사용된 본 발명에 따른 제3실시예가 설명된다. 제조에 있어서, 무정형 실리콘층의 n+또는 p+타임이 유리기판에 형성되고 난후 적합한 광흡수 계수를 얻기 위해 그 안에 인 또는 붕소가 도핑된다. 차광층이 3500Å이상의 두께를 가지고 570nm의 파장을 가지는 광에 대해 광흡수 계수가 2×105(㎝-1)이면 차광층의 광투과율은 0.1%이하이다. 제8도는 광흡수 계수와 도핑농도간의 관계를 나타낸다. 라인(A)에 의해 지시된 B2H6의 층과 라인(B)에 의해 지시된 PH3의 층은 각각 0.6% 및 1%이상의 도핑 농도의 경우에 2×105(㎝-1)이상의 광흡수 계수를 갖는다. 차광층의 두께는 3700Å이다.
광전변환소자를 제조하기 위한 다음 단계가 제1실시예와 유사하기 때문에 본원에 상술하지 않는다. 상술한 광전변환소자에 따르면, 반응시간은 각각의 온 오프에 대해 1.0msec 이하이며, 광전류대 암전류의 비율(Ip/Id)의 값은 1000 이상이다. 상술한 바와 같이, 반도체 차광층은 플라즈마 CVD법에 의해 제조되므로, 다른 단계를 위한 머신이 차광층을 제조하기 위해서도 사용될 수 있다.
다음에 차광층을 위해 크롬 산화물이 사용된 본 발명에 따른 제4실시예가 기술된다. 제조에 있어서, 크롬 산화물은 유리기판상에 220℃의 기판에서 아르곤 및 산소 가스와 1.6×10-3Torr에서의 유동량과 3000Å의 두께를 가지도록 15㎝/min의 공급 속도에서 5SCCM과 8SCCM의 아르곤 및 산소가스로 스퍼터링된다. 크롬 산화물층은 200mTorr의 가스압력과 18.0분 동안 5.0㎽/㎠의 방전 출력(discharge output)에서 50SCCM과 30SCCM의 메탄 테트라-플르오르화물과 산소 가스로 포토 레지스트 (photo-resist)패턴을 사용하여 건조에칭에 의해 패턴화된다.
광전변환소자를 제조하는 다음 단계가 제1실시예와 유사하기 때문에 본원에 상술하지 않는다. 상술한 광전변환소자에 따르면, 반응시간은 각각의 온 오프에 대해 1.0msec 이하이며, 광전류대 암전류의 비율(Ip/Id)의 값은 1000 이상이다. 상술한 바와 같이, 반도체 차광층은 전극을 제조하는 종래의 장치로 스퍼터링에 의해 제조된다. 또한 차광층은 불순물 문제에 대해 용이하게 반응한다.
다음에 차광층을 위해 크롬 산화물이 사용된 본 발명에 따른 제5실시예가 설명된다. 제조에 있어서, 1000Å의 두께를 가지도록 스퍼터링에 의해 유리기판상에 크롬층이 형성되고 난후 포토리쏘그라피법에 의해 크롬층이 패턴화된다. 그 후에 그 구조체는 10%의 산소를 가지는 질화물 기지(basis)의 분위기에서 방치되어 크롬층상에 300 내지 500Å의 두께를 가지는 크롬 산화물층을 형성하도록 1시간동안 350℃로 가열된다.
제10도는 어닐링 시간에 대해 크롬 산화물층의 저항율의 변화를 나타낸다. 열 산화에 의해 크롬층상에 형성된 크롬 산화물층은 105내지 106Ω㎝의 저항율을 가진다. 실리콘 질화물층, 무정형 실리콘층과 n+층은 제1실시예와 유사하게 제공된다.
제1실시예와 크기가 동일하게 제조될 상술한 광전변환소자에 따르면, 반응시간은 각각의 온 오프를 위해 0.8m/sec이하이며, 광전류대 암전류의 비율(Ip/Id)의 값은 1000 이상이다. 크롬 산화물층은 크롬 산화물 타겟을 사용하여 형성되며, 차광이 양호하며, 종래의 TFT머신이 공통으로 사용된다. 제4 및 제5실시예에서, 게이트 전극은 차광층의 형성후에 적합하게 형성된다.
제1 내지 제5실시예는 광전변환소자뿐만 아니라 TFT들 같은 스위치 소자에도 적용할 수 있다. 제1 내지 제3실시예의 TFT제조에 대해서, 게이트 전극은 크롬-스퍼터링에 의해 형성되고 난후 전극이 패턴화되고, 유기층, p+또는 n+층이 형성된다. 게이트 전극은 유기층, P+또는 n+층이 형성되고 난후 형성된다.
제1 내지 제5실시예에 있어서, 차광층을 불순물의 발생과 이탈로부터 방지하기 위해 차광층이 형성된 후에 절연산화물층 또는 질화물층을 형성하는 것이 바람직하다.
제11도는 암전류와 시간간의 관계를 나타낸 것으로, 라인(A)은 3000Å의 두께를 가지는 실리콘 산화물층이 차광층 상에 형성된 경우를 나타낸 것이고, 라인(B)는 광전 변환층이 차광층상에 직접 형성된 경우를 나타낸 것이다. 라인(B)의 경우에 대해, 차광 및 광전 변환층간의 표면으로부터 광전 변환층으로 불순물이 나아간 후에 광전 변환층의 특성이 변화된다. 절연층으로 질소 산화물층과 탄소를 함유하는 층이 사용된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 차광층의 포텐셜 전압은 차광층이 비금속 또는 비전도성 물질로 제조되기 때문에 광전 변환층의 소스 또는 드레인에 영향을 주지 않는다. 그러므로 1msec이하의 반응시간과 1000이상의 휘도율이 성취된다.
차광층을 위해 유기 중합체가 사용될 때, 스퍼터링과 CVD법에 의해 형성될 다른 물질과 비교해 볼 때 그 층이 용이하게 형성되며 중합체가 다른 물질과 용이하게 혼합되는 잇점이 있다. 특히 폴리피롤에 대해 배치처리가 이용가능하며, 폴리아닐린에 대해 다른 물질과 용이하게 혼합된다.
고광 흡수층을 제조하기 위해 포스핀 또는 디보란으로 도핑될 실리콘 시스템 반도체층이 사용될 때 TFT 및 다이오드같은 반도체층을 제조하기 위해 최초로 사용된 머신에 의해 소자가 제조될 수 있다는 잇점이 있다.
차광층으로서 크롬 산화물층이 사용될 때, 크롬 자체는 용이하게 산화되며 105Ω㎝ 이상의 고저항을 가지는 점에 잇점이 있다. 산화를 위해, 크롬층은 전극을 제공하기 위한 방법으로 산화될 수 있다. 또한 스퍼터링이 산소 혼합을 수행한다면 동일 장치가 공통으로 사용될 수 있다.
본 발명이 특정 실시예의 수행과 개시에 대해 기술하였지만, 첨부된 청구범위는 이에 제한되는 것이 아니고 당업자에 의한 모든 변경 및 대안적인 구조를 구성하는 것이다.
Claims (7)
- 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 수용하는 광전변환소자에 있어서, 절연기판과, 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 공급하는 수용 표면이 제공되며 수용된 광을 전기 신호로 변환시키는 광전 변환층과, 상기 절연기판상에 제공되며 광이 광전 변환층의 역표면에 직접 도달하지 않도록 절연기판을 거쳐 광전 변환층의 역표면쪽으로 통과하는 광을 차광하기 위한 차광층과, 상기 차광층과 광전 변환층 사이에 제공된 절연층과, 상기 광전 변환층상에 제공된 전극들과, 상기 전극들을 상기 광전 변환층에 오옴 접속하기 위해 광전 변환층과 각각의 전극 사이에 제공된 저 저항성층들을 구비하고, 상기 차광층은 비전도성 유기 고분자인 폴리피롤인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
- 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 수용하는 광전변환소자에 있어서, 절연기판과, 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 공급하는 수용 표면이 제공되는 수용된 광을 전기 신호로 변환시키는 광전 변환층과, 상기 절연기판상에 제공되며 광이 광전 변환층의 역표면에 직접 도달하지 않도록 절연기판을 거쳐 광전 변환층의 역표면쪽으로 통과하는 광을 차광하기 위한 차광층과, 상기 차광층과 광전 변환층 사이에 제공된 절연층과, 상기 광전 변환층상에 제공된 전극들과, 상기 전극들을 광전 변환층에 오옴 접속하기 위해 상기 광전 변환층과 각각의 전극 사이에 제공된 저 저항성층을 구비하고, 상기 차광층은 비전도성 유기 고분자인 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
- 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 수용하는 광전변환소자에 있어서, 절연기판과, 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 공급하는 수용 표면이 제공되며 수용된 광을 전기 신호로 변환시키는 광전 변환층과, 상기 절연기판상에 제공되며 광이 광전 변환층의 역표면에 직접 도달하지 않도록 절연기판을 거쳐 광전 변환층의 역표면쪽으로 통과하는 광을 차광하기 위한 차광층과, 상기 차광층과 광전 변환층 사이에 제공된 절연층과, 상기 광전 변환층상에 제공된 전극들과, 상기 전극들을 광전 변환층에 오옴 접속하기 위해 광전 변환층과 각각의 전극 사이에 제공된 저 저항성층을 구비하고, 상기 차광층은 주로 실리콘으로 구성된 반도체인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
- 제3항에 있어서, 상기 반도체는 n 타입인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
- 제3항에 있어서, 상기 반도체는 P 타입인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
- 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 수용하는 광전변환소자에 있어서, 절연기판과, 감지될 매체 표면으로부터 반사된 광을 공급하는 수용 표면이 제공되며 수용된 광을 전기 신호로 변환시키는 광전 변환층과, 상기 절연기판상에 제공되며 광이 광전 변환층의 역표면에 직접 도달하지 않도록 절연기판을 거쳐 광전 변환층의 역표면쪽으로 통과하는 광을 차광하기 위한 차광층과, 상기 차광층과 광전 변환층 사이에 제공된 절연층과, 상기 광전 변환층상에 제공된 전극들과, 상기 전극들을 광전 변환층에 오옴 접속하기 위해 상기 광전 변환층과 각각의 전극 사이에 제공된 저 저항성층을 구비하고, 상기 차광층은 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
- 제6항에 있어서, 상기 금속 산화물은 크롬 산화물인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
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