KR100744547B1 - 칼코게나이드계 원소를 포함하는 광전도층을 가지는 포토박막트랜지스터 및 이를 이용한 이미지 센서의 단위 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리 기판 상에 칼코게나이드계 원소를 포함하는 비정질의 GST막으로 형성되고 광을 흡수하여 광전류를 발생하는 광전도층과, 상기 광전도층의 양측에 형성되고, 상기 광전도층과 연결되어 상기 광에 의해 발생하는 광전류의 도통을 위해 형성된 소오스 전극 및 드레인 전극과, 상기 광전도층 상에 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막 상에 형성되고 상기 광전류의 온오프를 위해 형성된 게이트 전극을 포함하여 이루어진다. 이상과 같이 본 발명은 칼코나이드계 원소를 포함하는 비정질 상태의 GST막을 광전도층으로 이용하여 아주 높은 광전도성을 가질 수 있다.

Description

칼코게나이드계 원소를 포함하는 광전도층을 가지는 포토 박막트랜지스터 및 이를 이용한 이미지 센서의 단위 셀{Photo thin film transistor having photoconductive layer including chalcogenide element and unit sell of image cell using the same}
도 1은 일반적인 CMOS 공정을 이용하여 제조되는 포토 박막트랜지스터 구조의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 의한 포토 박막트랜지스터 및 이를 이용한 이미지 센서의 단위셀을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 포토 박막트랜지스터에서 광전도도를 간단하게 측정하기 위하여 게이트 전극을 형성하지 않은 상태의 도면이다.
도 4는 도 3의 포토 박막 트랜지스터의 광전도도를 측정한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 포토 박막트랜지스터의 광전도도를 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 포토 박막 트랜지스터의 광전도도를 측정한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
200: 유리 기판, 206: 광전도층, 215: 소오스 전극, 210: 드레인 전극, 220: 게이트 절연막, 225: 게이트 전극
본 발명은 박막트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 광전도성을 가지는 포토 박막트랜지스터 및 이를 이용한 이미지 센서의 단위셀에 관한 것이다.
일반적으로, 정보 통신 기술이 발달함에 따라 고속 처리 및 대용량 저장 등의 기술발전도 함께 이루어지고 있다. 정보 저장에서 사용되는 있는 소자로는 CD, DVD로 알려져 있는 광 정보 저장 소자, 및 DRAM 등의 전기 메모리 소자를 들 수 있다. 상기 정보 저장 및 처리 분야에 이용되는 소자들에는 포토 박막트랜지스터나 CMOS 이미지 센서를 들 수 있다. 상기 포토 박막트랜지스터는 통상적으로 CMOS 공정을 이용하여 제조된다.
도 1은 일반적인 CMOS 공정을 이용하여 제조되는 포토 박막트랜지스터 구조의 개념도이다.
구체적으로, 불순물이 도핑된 실리콘 기판(100) 위에 비정질 실리콘막(105)이 형성되어 있다. 상기 비정질 실리콘막(105)의 양측에는 오믹 콘택을 위한 소오스 및 드레인 오믹 콘택부(115, 110)가 형성되어 있다. 상기 오믹 콘택부(115, 110)는 상기 비정질 실리콘막의 일부에 불순물을 이온주입하여 형성한다. 상기 소오스 및 드레인 오믹 콘택부(115, 110)에는 각각 소오스 전극(125) 및 드레인 전극 (120)이 형성되어 있다. 상기 비정질 실리콘막(105), 오믹 콘택부(115, 110), 소오스 및 드레인 전극(125, 120) 상에 게이트 절연막(130)이 형성되어 잇다. 상기 게이트 절연막(130)은 산화막을 이용하여 형성한다. 상기 게이트 절연막(130) 상에는 게이트 전극(135)을 금속막을 이용하여 형성한다.
그런데, 도 1의 포토 박막트랜지스터는 상기 비정질 실리콘막(105)이 광에 대해 반응하는 광전도도가 낮아 성능이 좋지 못한 단점이 있다.
그리고, 도 1의 포토 박막트랜지스터를 CMOS 공정을 이용하여 제조할 때 고온, 예컨대 500 내지 1000℃ 정도의 제조 공정을 요구한다. 더욱이, 도 1의 CMOS 공정을 이용하여 제조되는 포토 박막트랜지스터는 고가의 실리콘 기판이나 이온 주입 공정을 절대적으로 필요로 한다. 이에 따라, 도 1의 CMOS 공정을 채용한 포토 박막 트랜지스터의 제조 비용은 매우 높아지게 된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광전도 효율이 우수한 칼코게나이드계 원소를 포함하는 광전도층을 갖는 포토 박막트랜지스터를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 고온 및 고가의 CMOS 제조 공정을 이용하지 않는 포토 박막트랜지스터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광전도 효율이 우수한 칼코게나이드계 원소를 포함하는 광전도층을 갖는 이미지 센서의 단위셀을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 포토 박막트랜지스터는 유리 기판 상에 칼코게나이드 원소를 포함하는 비정질의 GST막으로 형성되고 광을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있는 광전도층과, 상기 광전도층의 양측에 형성되고, 상기 광전도층과 연결되어 상기 광에 의해 발생하는 광전류의 도통을 위해 형성된 소오스 전극 및 드레인 전극과, 상기 광전도층 상에 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막 상에 형성되고 상기 광전류의 온오프를 위해 형성된 게이트 전극을 포함하여 이루어진다.
상기 게이트 절연막은 유기물인 고분자 PMMA막으로 구성될 수 있다. 상기 게이트 절연막은 칼코게나이드 절연막으로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 이미지 센서의 단위셀은 유리 기판 상에 칼코게나이드 원소를 포함하는 비정질의 GST막으로 형성되고 광을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있는 광전도층과, 상기 광전도층의 양측에 형성되고, 상기 광전도층과 연결되어 상기 광에 의해 발생하는 광전류의 도통을 위해 형성된 소오스 전극 및 드레인 전극과, 상기 광전도층 상에 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막 상에 형성되고 상기 광전류의 온오프를 위해 형성된 게이트 전극을 포함하여 이루어진다.
이상과 같이 본 발명은 칼코나이드계 원소를 포함하는 비정질 상태의 GST막을 광전도층으로 이용하여 아주 높은 광전도성을 가질 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.
본 발명자들은 정보저장 분야에서 활발하게 혹은 차세대 비휘발성 메모리 소자의 소재로 사용될 수 있는 칼코게나이드(CHALCOGENIDE)계 원소를 포함하는 물질막을 광전 소자, 예컨대 포토 박막트랜지스터나 이미지 센서의 단위셀의 광전도층으로 이용할 수 있음을 알게 되었다.
상기 칼코게나이드계 원소를 포함하는 물질막으로 본 발명자들은 GeTe-Sb2Te3막(이하, "GST막"으로 칭함)을 채용하고, 상기 GST막의 고립 전자쌍을 광전도층에 이용하였다. 상기 칼코게나이드계 원소를 포함하는 물질로 한 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 칼코게나이드계 원소를 포함하는 물질막의 독특한 광학적 성질을 이용하면 상대적으로 높은 효율의 광전도성을 가지는 저가 및 저온공정으로 포토 박막 트랜지스터나 이미지 센서의 단위셀을 만들 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 포토 박막트랜지스터 및 이를 이용한 이미지 센서의 단위셀을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
구체적으로, 본 발명의 포토 박막트랜지스터는 유리 기판(200) 상에 광전도층(205)이 형성되어 있다. 상기 유리 기판(200)은 후에 설명되는 본 발명의 구성 요소들이 고온 공정이 필요 없는 소재들로 구성되어 있기 때문에 저온 공정 기판으로 적합하며, 특히 빛에 대해 투명하기 때문에 광을 이용한 소자 제작에 적절하다.
상기 광전도층(205)은 광전도 효율이 매우 우수한 칼코게나이드 원소를 포함하는 GeTe-Sb2Te3막(GST막)으로 구성한다. 상기 광전도층(205)은 광에 대해 반응하고 광을 흡수하여 광전류를 발생하는 광전도성 박막이다. 상기 광전도층(205)을 구성하는 GST막은 레이저 혹은 열에너지에 의해 비정질에서 결정질, 결정질에서 비정질 상으로의 상변화가 가능한 박막이나, 여기서는 초기증착된 비정질 상태의 박막을 이용한다.
상기 광전도층(205)과 연결되어 상기 유리 기판(200) 상에는 각각 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210)이 형성되어 있다. 상기 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210)은 금속막, 예컨대 금막이나 알루미늄막으로 구성한다. 상기 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210)은 광전도층(205)에서 발생한 광전류의 전기적 도통을 위한 것이다.
상기 광전도층(205) 상에는 게이트 절연막(220)이 형성되어 있다. 상기 게이트 절연막(220)은 칼코게나이드계 절연막, 예컨대 As2S3막이나, 유기물인 고분자 PMMA막으로 구성한다. 상기 게이트 절연막(220)을 구성하는 유기물 고분자 PMMA(poly methyl methcrylate)막은 투명한 막질이다. 상기 게이트 절연막(220)은 상기 광전도층을 구성하는 GST막과의 좋은 접촉을 유지하고, 제조 공정중에 GST막의 성질을 변화시키지 않는 역할을 수행한다.
상기 게이트 절연막(220) 상에는 상기 광전도층(205)에 흐르는 광전류를 온오프하는 게이트 전극(225)이 형성되어 있다. 상기 게이트 전극(225)은 금속막, 예컨대 금이나 알루미늄막으로 구성된다. 상기 게이트 전극(225)이나 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210)을 구성하는 금속막은 투명하지 않으나, 투명한 금속막을 사용할 수 도 있다.
여기서, 도 2의 구조는 하나의 포토 박막트랜지스터를 도시하고 설명한 것이다. 도 2의 포토 박막트랜지스터는 평면상에서 가로 및 세로 방향으로 복수개 배열하여 소자를 구성할 수 있다. 그리고, 상기 도 2의 하나의 포토 박막 트랜지스터는 이미지 센서의 단위셀로 구성될 수 있다. 상기 도 2와 같은 이미지 센서의 단위셀을 평면상에서 가로 방향 및 세로 방향으로 복수개 배열하면 광을 흡수하고 온오프하면서 광을 전달할 수 있는 이미지 센서를 구현할 수 있다. 더하여, 도 2의 구조를 이용할 경우 상기 포토 박막트랜지스터에 의해 이미지를 형성하고 저장까지 가능한 광 메모리 트랜지스터틀 제작할 수도 있다.
이하에서는, 포토 박막트랜지스터를 대표적인 예로 들어 설명한다. 물론, 상기 포토 박막 트랜지스터를 이미지 센서의 단위셀로 이용할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 포토 박막트랜지스터에서 광전도도를 간단하게 측정하기 위하여 게이트 전극을 형성하지 않은 상태의 도면이고, 도 4는 도 3의 포토 박막 트랜지스터의 광전도도를 측정한 도면이다. 도 3에서, 도 2와 동일한 참조번 호는 동일한 부재를 나타낸다.
구체적으로, 도 3은 유리 기판(200) 상에 GST막으로 광전도층(205)을 형성하고, 상기 광전도층(205)의 양측에 상기 광전도층(205)의 광전류의 전기적 도통을 위한 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210)만 형성한 상태의 도면이다. 도 3에서, 도 1의 게이트 전극(225)은 형성하지 않은 상태이다. 도 4는 도 3의 구조의 포토 박막 트랜지스터가 빛에 대해 반응하는 광전도도를 간단하게 측정한 결과이다.
도 4에서, X축은 소오스 드레인 전압을 나타내며, Y축의 나노 암페어의 단위의 드레인 전류를 나타낸다. 도 4에서, a는 비교를 위해 도 3의 구조에서 광전도층(205)을 비정질 실리콘막으로 만든 경우이고, b 및 c는 광전도층(205)을 GST막으로 구성한 경우이다. 도 4에 보듯이, 본 발명과 같이 광전도층(205)을 GST막으로 구성할 경우 드레인 전류가 비정질 실리콘막으로 구성한 경우에 비하여 아주 높아 광전도도 좋음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 포토 박막트랜지스터의 광전도도를 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 5의 포토 박막 트랜지스터의 광전도도를 측정한 도면이다. 도 5에서, 도 2와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 6에서, X축은 소오스 드레인 전압을 나타내며, Y축의 나노 암페어의 단위의 드레인 전류를 나타낸다.
구체적으로, 도 5는 유리 기판(200) 상에 GST막으로 광전도층(205)을 형성하고, 상기 광전도층(205)의 양측에 상기 광전도층(205)의 전기적 도통을 위한 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210)을 형성하고, 상기 광전도층(205) 상에 게이트 절연막(220) 및 게이트 전극(225)을 형성한 상태의 도면이다. 도 5의 구조에 광전도도를 측정하기 위하여 가시광선(230)을 입사시킨다.
도 6은 가시광선(도 5의 230)을 쬔 상태에서 포토 박막트랜지스터의 게이트 전압에 따른 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210) 사이의 전류를 도시한 것이다. 도 5의 구조에 빛의 정렬과정 없이 가시광선, 예컨대 파장 632nm의 빛을 입사하고 빛이 입사된 상태에서 게이트 전압을 0V 내지 2V까지 변화시키면 소오스 전극과 드레인 전극 사이에 전류를 측정한 것이다. 도 6에서, a는 게이트 전압을 0V인가한 것이고, b는 게이트 전압을 1V인가한 것이고, c는 게이트 전압을 2V인가한 것이다.
도 6에서, 상기 소오스 전극(215) 및 드레인 전극(210) 사이의 전압은 입사되는 빛의 세기에 따라 그 차이가 다르게 나타나기 때문에 수치는 절대적이지 않다. 또한, 도 6에서 게이트 전압의 변화에 따라 광전도층의 반응정도가 달라 드레인 전류가 다르게 나타남을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 포토 박막트랜지스터 및 이를 이용한 이미지 센서의 단위셀은 칼코나이드계 원소를 포함하는 비정질 상태의 GST막을 광전도층으로 이용하여 아주 높은 광전도성을 가질 수 있다.
본 발명의 포토 박막트랜지스터 및 이를 이용한 이미지 센서의 단위셀은 통상의 CMOS 제조 공정과 비교하여 저온 공정이 가능하고, 저가의 유리 기판 이용이 가능하고, 이온 주입이 필요하지 않아 저가격으로 구현할 수 있다.

Claims (8)

  1. 유리 기판 상에 칼코게나이드계 원소를 포함하는 비정질의 GST막으로 형성되고 광을 흡수하여 광전류를 발생하는 광전도층;
    상기 광전도층의 양측에 형성되고, 상기 광전도층과 연결되어 상기 광에 의해 발생하는 광전류의 도통을 위해 형성된 소오스 전극 및 드레인 전극;
    상기 광전도층 상에 형성된 게이트 절연막; 및
    상기 게이트 절연막 상에 형성되고 상기 광전류의 온오프를 위해 형성된 게이트 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토 박막트랜지스터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 게이트 절연막은 유기물인 고분자 PMMA막인 것을 특징으로 하는 포토 박막트랜지스터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 게이트 절연막은 칼코게나이드계 절연막인 것을 특징으로 하는 포토 박막트랜지스터.
  5. 유리 기판 상에 칼코게나이드 원소를 포함하는 비정질의 GST막으로 형성되고 광을 흡수하여 광전류를 발생하는 광전도층;
    상기 광전도층의 양측에 형성되고, 상기 광전도층과 연결되어 상기 광에 의해 발생하는 광전류의 도통을 위해 형성된 소오스 전극 및 드레인 전극;
    상기 광전도층 상에 형성된 게이트 절연막; 및
    상기 게이트 절연막 상에 형성되고 상기 광전류의 온오프를 위해 형성된 게이트 전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위셀.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, 상기 게이트 절연막은 유기물인 고분자 PMMA막인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위셀.
  8. 제5항에 있어서, 상기 게이트 절연막은 칼코게나이드계 절연막인 것을 특징으로 하는 이미지센서의 단위셀.
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