KR100629232B1 - 전송 게이트를 포함하는 ｐｍｏｓｆｅｔ형 광검출기 - Google Patents

전송 게이트를 포함하는 ｐｍｏｓｆｅｔ형 광검출기 Download PDF

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KR100629232B1
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신장규
서상호
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 가변하는 광 감도를 갖기 위하여 전송 게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 상기 전송게이트에 바이어스를 인가함으로서 광검출기 내부 채널의 에너지 밴드를 보다 용이하게 변화시킬 수 있고, 상기 바이어스를 인가하는 시간을 조절함으로서, 어두운 입력광도 감지할 수 있는 민감한 광출력을 갖는 광검출기를 제안하고자 한 것이다.
광검출기, 전송게이트, PMOSFET

Description

전송 게이트를 포함하는 ＰＭＯＳＦＥＴ형 광검출기{PMOSFET-Type Photodetector with a Transfer Gate}
도 1은 전송 게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기의 단면도이다.
도 2는 전송게이트에 양의 바이어스를 인가하였을 때, 광검출기의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸 것이다.
도 3은 전송게이트에 음의 바이어스를 인가하였을 때, 광검출기의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸 것이다.
도 4는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기를 이용하여 설계된 단위픽셀의 회로도이다.
도 5는 드레인 공통모드에서 입사광의 세기를 변수로 하여 측정한 PMOSFET형 광검출기의 광특성(드레인 전류 특성)을 나타낸 것이다.
도 6은 상기 도 4와 같이 설계된 단위픽셀에 있어서, 광검출기의 입사광에 따른 출력 전압의 변화를 나타낸 것이다.
*도면의 주요부분 설명*
100 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기
11 p-기판(p-substrate), 12 n-우물(n-well)
13 소스(p+ -source), 14 드레인(p+ -drain)
15 다결정실리콘 게이트(polysilicon gate)
16 게이트와 연결된 높게 도핑된 n+-반도체
17 광차단막(Light Blocking), 18 실리콘 산화막
20 다결정실리콘 전송게이트(polysilicon Transfer gate)
본 발명은 가변하는 광 감도를 갖기 위하여 전송 게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기에 관한 것이다.
최근 디지털 카메라 시장의 확대로 인해 CCD(Charge-coupled device, 전하결합소자)와 CIS(CMOS Image Sensor,CMOS 이미지 센서)와 같은 이미지 검출 소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 상기 CCD는 큰 이득을 갖는 장점 및 CIS에 비해 성능이 좋은 잡음특성을 갖는 장점이 있으나, 특별한 공정을 통해 제조되어야만 하는 단점이 있다. 반면, 상기 CIS는 낮은 전압으로 구동이 가능하고, 일반 CMOS 제조공정을 통해서도 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 이미지 센서(Image Sensor)의 관련 기술분야에서 현재 이슈화 되고 있는 것은 광검출기의 동적 범위(dynamic range)와 광감도이다. 상기 이미지 센서가 사용되는 분야는 광범위하기 때문에, 어떠한 조건하에서도 좋은 이미지를 추출하기 위해서는 광검출기의 넓은 동적 범위 및 높은 광감도가 필수적이다. 그러나, 일반적인 이미지 센서의 광검출기로서 사용되는 포토다이오드(photodiode)는 넓은 동적 범위를 갖는 반면 광감도가 낮은 단점이 있다. 또한 광전류 증폭의 기능을 갖는 광검출기는 높은 광감도를 갖는 반면, 동적 범위가 매우 제한되는 단점이 있다.
종래의 이미지 센서가 넓은 동적 범위와 높은 광감도를 갖기 위해서는 광전류 증폭의 기능을 갖는 광검출기의 사용과 동시에 추가적으로 광감도를 조절하기 위한 전송 MOSFET(Transfer MOSFET)이 필요한데, 상기와 같이 전송 MOSFET을 구성한 이미지 센서는 집적도가 떨어지는 단점이 있었다.
이에 본 발명은 별도의 MOSFET(전송 MOSFET)을 추가하지 않고도 가변 광감도의 기능을 수행할 수 있도록, 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한 상기 전송게이트의 바이어스를 조절하는 것을 통해 소스와 드레인 사이에 형성되는 채널의 에너지 밴드를 용이하게 변화시킴으로서 가변 광감도의 기능을 수행할 수 있는 PMOSFET형 광검출기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 전송게이트에 인가하는 바이어스의 종류, 크기 및 시간 등의 조절을 통해 보다 민감한 광특성을 갖는 PMOSFET형 광검출기를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, p-형 반도체로 구성하는 p-기판(substrate); 상기 p-기판내에 위치하고 n-형 반도체로 구성된 n-우물(n-well); 상기 n-우물안에 일정 거리 이격되어 위치하고, 높게 도핑된 p+ 반도체로 구성된 소스 및 드레인; 상기 n-우물의 표면에 위치하는 실리콘 산화막; 상기 소스와 드레인 사이의 간격위에 형성된 실리콘 산화막 위에 위치하고, 다결정 실리콘으로 구성된 게이트; 상기 n-우물 내에 위치하고, 상기 게이트와 연결된 높게 도핑된 n+반도체; 및 상기 소스와 드레인 사이의 간격 위에 형성된 실리콘 산화막 위에, 상기 게이트와 일정 간격 이격되어 위치하며, 높은 농도로 도핑된 다결정 실리콘으로 구성되는 전송게이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기를 제안한다.
상기 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기는 상기 전송게이트에 바이어스를 인가함에 따라 소스와 드레인 사이에 형성되는 채널의 에너지 밴드가 변화하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 전송게이트에 인가하는 양의 바이어스는 전원전압이하인 것일 수 있으며, 상기 전송게이트에 인가하는 음의 바이어스는 0V이상인 것일 수 있다.
또한 광검출기에 인식되는 빛의 밝기에 따라, 상기 전송게이트에 바이어스를 인가하는 시간을 달리하는 것이 바람직하다. 상기 광검출기에 인식되는 빛의 밝기가 어두울수록, 상기 전송게이트에 오랜 시간동안 바이어스를 인가하는 것이 더욱 바람직하다.
이하에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 설명하도록 한다.
도 1은 전송 게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기(100)의 단면도이다. 도 2는 전송게이트에 양의 바이어스를 인가하였을 때, 광검출기의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸 것이다. 도 3은 전송게이트에 음의 바이어스를 인가하였을 때, 광검출기의 에너지 밴드 다이아그램을 나타낸 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 전송 게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기(100)는 p-형 반도체로 구성되는 기판(substrate)(11), 상기 p-기판(11) 안에 어느 일부분에 구분되어 위치하며 n-형 반도체로 구성되는 n-우물(n-well)(12), 상기 n-우물 내에 위치하며 높게 도핑된 p+ 반도체로 구성되는 소스(13) 및 드레인(14), 상기 n-우물 표면에 위치하는 실리콘 산화막(18), 상기 소스(13)와 드레인(14) 사이 간격에 구성된 실리콘 산화막(18) 위에 위치하고 다결정 실리콘으로 구성되는 게이트(15), 상기 소스(13) 또는 드레인(14)과 일정거리 이격하여 n-우물(12) 내에 위치하며 높게 도핑된 n+반도체(16)를 포함하는 구성으로 이루어지며, 특히, 상기 소스(13)와 드레인(14) 사이의 n-우물(12) 표면에 형성된 실리콘 산화막(18) 위에 게이트(15)와 일정거리 이격되어 위치하며 높은 농도로 도핑된 다결정 실리콘으로 구성되는 전송게이트(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 게이트(15)와 전송게이트(20)는 n-우물(12)위에 형성되는 실리콘 산화막(18) 위에 일정거리 이격되어 위치하며, 또한 소스(13)와 드레인(14) 사이에 위치함으로서, 소스(13)와 드레인(14) 사이에 생성되는 채널 위에 위치하여, 상기 채널의 에너지 대역에 영향을 미치도록 구성한다. 이에 상기 광검출기를 상부에서 바라보면, 소스(13), 전송게이트(20), 게이트(15) 및 드레인(14)이 겹쳐지거나 또는 일정거리 이격되어 위치하는 것으로 보여지며, 또한 상기 드레인(14)과 일정거리 이격되어 n-우물(12) 내에 위치하는 n+반도체(16)는 게이트(15)와 연결되어 구성된다. 또한, 상기 실리콘 산화막(18)은 게이트(15)와 전송게이트(20)를 n-우물(12)과 구분시키는 절연막이 된다.
상기 n-우물(12)은 진성반도체로서 페르미 준위가 금지대(forbidden band) 내에 위치하는 반면, 상기 절연체를 사이에 두고 상기 n-우물(12) 표면 상부에 위치하는 게이트(15)는 높은 농도로 도핑된 다결정 실리콘으로 구성되므로, 상기 게이트(15)의 페르미 준위는 축퇴(degeneration)되어 전도대(conduction band)내에 위치하게 된다. 따라서, 평형상태(equilbrium)에서 상기 n-우물과 게이트 사이의 페르미 준위를 일정하게 맞추기 위하여, n-우물(12) 표면 근처에서 에너지 대역이 휘어지게 되며, 이에 내장 전장(built-in field)이 형성되게 된다.
덧붙여, 도 1에 도시한 바와 같이, 상기 광검출기의 상부에는 게이트(15)를 제외한 다른 부분이 빛에 의해 영향을 받지 않도록 하기 위한 광차단막(17)을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제안하는 PMOSFET형 광검출기(100)는 게이트(15)와 n-우물(12)이 n+ 반도체(16)를 통해 연결되어 있으며, 특히, 입사된 광에 의해 생성되는 광전류를 제어할 수 있는 또 하나의 게이트인 전송게이트(20)를 포함하는 구조로 구성된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에서 제안하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기(100)의 에너지 밴드 다이아그램이다. 상기 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기(이하, 광검출기)의 동작원리는 다음과 같다.
상기 광검출기가 광에 노출되면, 게이트를 통해 광자가 광검출기 내부로 들어온다.
상기 들어온 광자는 광검출기 내부에 에너지를 인가하게 되며, 상기 인가된 에너지에 의해 광검출기 내부의 전자가 이동하여 소스(13)와 드레인(14) 사이의 채널근처 및 n-우물(12)과 p-기판(11) 사이의 공핍층에서 전자-정공쌍(Electron-Hole Pair: EHP)이 생성된다.
상기 채널 근처에서 생성된 전자-정공쌍(EHP)은 상기 게이트(15)와 n-우물(12)의 에너지 대역 차이에 의해 발생한 내장 전장(built-in field)에 의해 전자와 정공으로 분리되고, 상기 분리된 정공은 채널을 향하여, 상기 분리된 전자는 n-우물(12)의 중성부분은 n-우물(12)의 바닥을 향해 이동한다. 상기 채널에 들어간 정공은 소스(13)와 드레인(14) 사이의 전압차이에 의해 낮은 전위를 갖는 드레인(14) 측으로 표동(drift)한다. 그러나 상기 n-우물(12) 바닥으로 이동하는 전자는 상기 정공에 비해 상대적으로 오랜 시간 채널 근처에 머무르게 되므로, 채널 근처에 축적(accumulation)되는 효과가 발생된다. 이에, 앞서 설명한 PMOSFET형 광검출기의 동작 원리는 일반적인 이종 접합 쌍극성 트랜지스터(hetero-junction bipolar transistor)와 유사한 것을 알 수 있다.
또한 상기 n-우물(12) 바닥과 p-기판(11) 사이에 형성되는 공핍층에서 생성되는 전자-정공쌍은 전자와 정공으로 분리시키되, 상기 n-우물(12)에 쌓인 전자들에 의해 확산효과가 발생하여, 상기 분리된 전자-정공쌍은 수직방향으로 분리된다.
바람직하게는, 상기 전자-정공쌍(EHP)의 거의 대부분은 상기 채널근처에서 생성된다.
상기와 같은 과정을 통해 n-우물(12)에 축적된 전자는 소스(13)-채널 사이의 정공에 대한 장벽(barrier)을 낮추게되고, 상기와 같이 장벽이 낮아짐에 따라 추가적으로 소스(13)로부터 드레인(14)측으로 정공이 이동(drift)하게 된다. 즉, 상기 게이트(15)를 통해 소자 내부로 입사된 광자로 인하여 발생한 광전류 외에 추가적인 채널 전류가 발생한다. 상기 추가적인 채널 전류를 통해 증폭이 이루어진다.
또한, 본 발명에서 제안하는 PMOSFET형 광검출기(100)는 소스(13)와 드레인(14) 사이에 형성되는 채널의 에너지 밴드를 변화시킬 수 있는 전송게이트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같이, 전송게이트(20)에 인가하는 바이어스에 의해 채널의 에너지 밴드가 변화되면, 상기 추가적인 채널전류의 흐름을 손쉽게 제어할 수 있어, 광검출기에 의해 인지되는 빛의 밝기에 따라 상기 전류의 흐름을 손쉽 게 제어할 수 있으므로, 빛의 밝기가 변화됨에 따라 발생하는 잡음을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 발생한다.
상기 전송게이트(20)에 인가되는 바이어스에 따라 채널의 에너지 밴드가 변화되는 것은 도 2 및 도 3에 도시하였다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 전송게이트(20)에 양의 바이어스를 인가하면, 소스(13)와 드레인(14)이 p+-형반도체이므로, 에너지 밴드가 아래로 휘게 된다. 이에 따라, 소스(13)에서 생성된 추가적인 드레인(14) 전류가 상기 전송게이트(20)에 인가된 양의 바이어스에 의해 변형된 에너지 밴드에 의해 막혀서 드레인(14) 측으로 흐르지 않게 된다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 전송게이트(20)에 음의 바이어스를 인가하면, PMOSFET형 동작원리에 따라, 전송게이트(20) 부분의 에너지밴드가 위로 휘게 된다. 이에 따라, 전송게이트(20)에 양의 바이어스를 인가한 경우(도 2)에서와는 달리, 소스(13)에서 생성된 추가적인 드레인(14) 전류가 잘 흐르게 된다.
도 4는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기(100)를 이용하여 설계된 단위픽셀의 회로도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 전송게이트(20)를 포함하는 PMOSFET형 광검출기(100)를 이용하여 설계한 단위 픽셀은, 상기 전송게이트(20)를 포함하는 PMOSFET형 광검출기(100) 및 4개의 NMOSFET으로 구성되어 있다. 상기 4개 의 NMOSFET 중 하나는 2차원 픽셀 어레이에서 부하기능을 수행한다. 상기 PMOSFET 광검출기의 면적은 3.8㎛×5.7㎛이며, 단위 픽셀의 면적은 7.2㎛×8.1㎛으로 설계되었다.
도 5는 드레인 공통모드에서 입사광의 세기를 변수로 하여 측정한 PMOSFET형 광검출기의 광특성(드레인 전류 특성)을 나타낸 것이다. 상기 입사광은 He-Ne 레이저를 사용하였으며, 상기 He-Ne 레이저의 파장(λ)은 632.8㎚이다.
상기 광검출기의 광특성은 앞서 언급한 바와 같이, 같은 VDS조건하에서 입사광의 세기에 따른 IDS의 변화를 살펴봄으로서 알 수 있다. 이는 드레인 공통 모드에서 상기 입사광은 PMOSFET의 게이트 바이어스의 역할을 수행하기 때문이다. 입사광이 게이트 바이어스의 역할을 수행하기 때문에, 상기 입사광의 세기에 따라, 상기 광검출기 내부의 두 접합에서 생성되는 전자-정공쌍(EHP)의 양과 상기 전자-정공쌍(EHP)의 양으로부터 비롯되는 전자의 양 및 상기 전자의 양으로 인하여 추가적인 드레인 전류가 변화된다.
도 5의 상부에 도시한 것은 전송게이트(20)에 음의 바이어스를 인가한 경우이며, 하부에 도시한 것은 전송게이트(20)에 양의 바이어스를 인가한 경우이고, 입사광의 세기가 각각 Dark, 0.5㎽, 1.0㎽, 1.5㎽ 및 2.0㎽일 때의 광검출기의 광특성을 각각 나타낸 것이다.
전송게이트(20)에 음의 바이어스를 인가한 경우에는 입사광의 세기가 커질수록, 같은 VDS 조건일 때, IDS의 크기가 커지지만(도 5 상부), 전송게이트(20)에 양의 바이어스를 인가한 경우에는 입사광의 세기가 커지더라도 IDS는 커지지 않는 것을 알 수 있다.(도 5 하부) 이는, 전송게이트(20)에 양의 바이어스를 인가하게 되면, 전송게이트(20) 부분의 에너지 밴드가 상승하여 광검출기의 내부에서 전류가 흐르지 않으므로, 입사광의 세기가 커지더라도 IDS가 변화하지 않기 때문이다.
도 6은 상기 도 4와 같이 설계된 단위픽셀에 있어서, 광검출기의 입사광에 따른 출력 전압의 변화를 나타낸 것이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 전송게이트(20)에 양의 바이어스(VTX=3.3V)를 인가할 경우에는 출력전압(VOUT)이 0V에 근접한 반면, 음의 바이어스(0V)를 인가할 경우에는 출력전압(VOUT)이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
보다 상세하게는, 전송게이트(20)에 음의 바이어스(VTX=0V)를 인가할 경우에, 입력광의 파장에 따라 각기 다른 출력 전압(VOUT)이 나타나게 된다. 파장이 클 수록 더 높은 출력전압(VOUT)이 나타나며(30lux), 파장이 작을 수록 더 낮은 출력 전압(VOUT)이 나타나고(10lux), 암흑(Dark)의 경우에는 출력전압(VOUT)이 0V에 근접하며 상승하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
입사 광자의 개수가 작을수록(즉, 입사광의 빛이 어두울수록), 출력전압(VOUT)은 낮은 값을 가지며, 이에 따라 출력전압(VOUT)의 상승도 또한 낮다. 따라서, 빛이 어두울수록 상기 전송게이트(20)에 음의 바이어스(VTX=0V)를 인가하는 시간은 길어져야만 상기 출력전압(VOUT)의 변화를 인지할 수 있게 될 것이다. 따라서 빛이 어둡더라도, 음의 바이어스(VTX=0V)를 인가한 전송 게이트 및 상기 음의 바이어스를 인가하는 시간을 조절함으로서, 상기 빛 속에 존재하는 광자를 통해 변화하는 출력전압(VOUT)으로 상기 빛을 인지할 수 있게 된다.
반면, 입사광의 빛이 밝을수록(즉, 입사 광자의 개수가 많을수록), 출력전압(VOUT)은 높은 값을 가지며, 출력전압(VOUT)의 상승도 또한 높다. 따라서 빛이 밝다면, 상기 전송게이트(20)에 음의 바이어스(VTX=0V)를 인가하는 시간이 짧아도 출력전압(VOUT)의 변화를 인지할 수 있다.
본 발명은 PMOSFET형 광검출기에 있어서, 전송게이트를 포함하도록 함으로써, 상기 전송게이트에 인가하는 바이어스를 통해 광검출기 내부의 채널의 에너지밴드의 변화를 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 보다 상세하게는 상기 전송게이트에 양의 바이어스를 인가함으로서, 광검출기에서 광을 인지하더라도 광출력이 나타나지 않도록 제어할 수 있고, 음의 바이어스를 인가함으로서 광검출기에서 광을 인지하였을 때, 민감한 광특성이 나타나도록 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한 빛의 밝기에 따라 상기 전송게이트에 바이어스를 인가하는 시간을 조절함으로서, 빛의 밝기에 의한 잡음을 제어할 수 있는 장점이 있다. 보다 상세하게 는, 광검출기에 노출된 빛이 어두울 때에 상기 전송게이트에 바이어스를 인가하는 시간을 늘림으로서 출력전압이 작은 값이라도 상승할 수 있는 시간을 부여함으로서 보다 민감한 광출력을 갖는 PMOSFET형 광검출기를 제안함으로서, 민감한 광출력을 갖는 단위 픽셀을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. p-형 반도체로 구성하는 p-기판(substrate);
    상기 p-기판내에 위치하고 n-형 반도체로 구성된 n-우물(n-well);
    상기 n-우물안에 일정 거리 이격되어 위치하고, 높게 도핑된 p+ 반도체로 구성된 소스 및 드레인;
    상기 n-우물의 표면에 위치하는 실리콘 산화막;
    상기 소스와 드레인 사이의 간격위에 형성된 실리콘 산화막 위에 위치하고, 다결정 실리콘으로 구성된 게이트;
    상기 n-우물 내에 위치하고, 상기 게이트와 연결된 높게 도핑된 n+ 반도체; 및
    상기 소스와 드레인 사이의 간격 위에 형성된 실리콘 산화막 위에, 상기 게이트와 일정 간격 이격되어 위치하며, 높은 농도로 도핑된 다결정 실리콘으로 구성되는 전송게이트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전송게이트에 바이어스를 인가함에 따라 소스와 드레인 사이에 형성되 는 채널의 에너지 밴드가 변화하는 것을 특징으로 하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전송게이트에 인가하는 양의 바이어스는 전원전압이하인 것을 특징으로 하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전송게이트에 인가하는 음의 바이어스는 0V이상인 것을 특징으로 하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기.
  5. 제 1항에 있어서,
    광검출기에 인식되는 빛의 밝기에 따라, 상기 전송게이트에 바이어스를 인가하는 시간을 달리하는 것을 특징으로 하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광검출기에 인식되는 빛의 밝기가 어두울수록, 상기 전송게이트에 오랜 시간동안 바이어스를 인가하는 것을 특징으로 하는 전송게이트를 포함하는 PMOSFET형 광검출기.
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