KR100851553B1 - 반도체 소자 및 그 구동방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 소자 및 그 구동방법이 제공된다. 상기 반도체 소자는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상의 터널 절연막, 상기 터널 절연막 상의 광반응층, 상기 광반응층 상의 블로킹 절연층 및 상기 블로킹 절연층 상의 게이트 전극을 포함하는 광반응 트랜지스터를 포함한다.
반도체 소자, 광반응층, 광반응성 전하트랩층,
Description
도 1 및 2는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 반도체 소자에 사용되는 다양한 물질의 에너지 밴드를 비교한 도면이다.
도 4는 Si3N4과 GaN을 전하 트랩층으로 사용할 때의 반도체 소자에 저장된 데이터의 내구성(endurance)을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 프로그램 방법을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 프로그램 전압에 따른 문턱 전압의 변동을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소거 방법을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소거 전압에 따른 문턱 전압의 변동을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 대한 빛이 조사된 경우와 빛이 조사되지 않은 경 우의 터널링 전류를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10 및 11은 각각 광반응층이 GaN 및 ZnO인 경우의 터널링 전류를 나타낸 그래프이다.
도 12은 본 발명의 실시예에 따른 빛의 파장에 대한 GaN의 광흡수도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 GaN에 대한 C-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 14a 내지 14d는 빛의 파장에 따라 문턱 전압의 변동을 측정한 그래프이다.
도 15a 및 15b는 본 발명의 실시예에 따른 빛의 세기에 대한 문턱 전압의 변동을 설명하기 위한 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110: 터널 절연막 120: 광반응층
130: 블로킹 절연층 140: 게이트 전극
본 발명은 반도체 소자 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광반응층을 포함하는 반도체 소자 및 그 구동방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 이미지 센서와 비휘발성 메모리 소자를 포함한다. 이미지 센 서는 광학적 이미지를 전기적 신호로 변경시키는 소자이다. 상기 이미지 센서는 크게 씨모스(CMOS) 이미지 센서와 씨씨디(CCD) 이미지 센서로 구분될 수 있다. 상기 씨모스 이미지 센서의 픽셀 유닛(pixel unit)은 빛을 받아들이는 포토 다이오드와 상기 포토 다이오드들로부터 입력된 영상 신호를 제어하는 3~4개의 트랜지스터를 구비한다. 상기 3~4개의 트랜지스터는 픽셀 유닛의 크기를 감소시키는데 있어서 장벽으로 작용한다.
비휘발성 메모리 소자 중 플래시 메모리 소자는 프로그램 및 소거가 가능한 이피롬(EPROM:Erasable Programmable Read Only Memory)과 전기적으로 프로그램 및 소거가 가능한 이이피롬(EEPROM:Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)의 장점을 조합하여 개발된 고집적 장치이다. 플래시 메모리 소자의 데이터 보유 상태에서 전하 트랩층으로부터 반도체 기판 또는 게이트 전극 방향으로 발생되는 누설 전류(leakge current)가 문제되고 있다. 또한, 플래시 메모리 소자의 전하 트랩층은 큰 메모리 창(memory window)과 빠른 프로그램 및 소거 동작 특성을 가지고 있어야 한다. 이에 따라, 우수한 특성을 가지는 전하 트랩층을 포함하는 비휘발성 메모리 소자가 연구되고 있다.
본 발명의 목적은 집적도가 향상된 반도체 소자 및 그 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 우수한 특성을 가지는 전하 트랩층을 포함하는 반도체 소자 및 그 구동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예는 반도체 소자 및 그 구동방법을 제공한다. 상기 반도체 소자는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 상의 터널 절연막, 상기 터널 절연막 상의 광반응층, 상기 광반응층 상의 블로킹 절연층 및 상기 블로킹 절연층 상의 게이트 전극을 포함하는 광반응 트랜지스터를 포함한다.
상기 광반응층은 광반응성 전하트랩층을 포함한다. 상기 광반응층은 상기 반도체 기판보다 전자 친화도이 큰 물질을 포함한다. 상기 광반응층은 GaN 또는 ZnO을 포함할 수 있다. 상기 광반응층은 나노 결정을 포함할 수 있다.
상기 블로킹 절연층은 SiO2, HfO, ZrO, LaAlO 또는 AlO을 포함할 수 있다. 상기 게이트 전극은 광투과성 물질을 포함할 수 있다. 상기 광투과성 물질은 ITO 또는 ZnO를 포함할 수 있다.
상기 광반응층은 상기 게이트 전극에 인접하는 상기 반도체 기판 상으로 연장될 수 있다.
상기 광반응 트랜지스터는 상기 게이트 전극에 인접하는 상기 반도체 기판에 형성된 한 쌍의 불순물 영역들을 더 포함할 수 있다.
상기 광반응 트랜지스터는 복수개로 배열되고, 서로 인접하는 광반응 트랜지스터들은 상기 불순물 영역들을 공유할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 구동방법은 상기 반도체 소자의 광반응 트랜지스터에 빛을 조사하여, 상기 광반응층에 전자-홀 쌍을 생성하는 것 그 리고 상기 게이트 전극에 프로그램 전압을 인가하는 것에 의하여, 상기 홀을 상기 반도체 기판으로 방출하고 상기 전자는 상기 광반응층에 트랩하도록 하여, 상기 광반응 트랜지스터의 문턱 전압을 변경하는 것을 포함한다.
상기 반도체 소자의 구동방법에 있어서, 상기 프로그램 전압은 상기 홀은 상기 반도체 기판으로 터널링되는 반면, 상기 전자는 상기 게이트 전극으로 터널링되지 않도록 할 수 있다.
상기 반도체 소자의 구동방법에 있어서, 상기 문턱 전압의 변경은 실질적으로 상기 빛의 세기에 대응할 수 있다.
상기 반도체 소자의 구동방법에 있어서, 상기 불순물 영역들 사이에 전위차를 형성하고 상기 불순물 영역들 사이에 흐르는 전류를 측정하는 것에 의하여, 상기 광반응 트랜지스터의 문턱 전압을 검출할 수 있다. 상기 검출된 문턱 전압에 따라 상기 광반응 트랜지스터에 조사된 빛의 세기를 센싱할 수 있다.
상기 반도체 소자의 구동방법은 상기 게이트 전극에 소거 전압을 인가하는 것에 의하여, 상기 홀은 상기 게이트 전극으로 방출하고 상기 전자는 상기 반도체 기판으로 방출하도록 하여, 상기 광반응 트랜지스터의 상기 광반응층에 트랩된 전자를 소거하는 것을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자 및 그 구동방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 및 2는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자를 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 반도체 소자에 사용되는 다양한 물질의 에너지 밴드를 비교한 도면이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 터널 절연막(110)이 제공된다. 상기 터널 절연막(110)은 실리콘 산화막(SiO2)을 포함할 수 있다. 상기 터널 절연막(110)은 3.5~5.5nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 터널 절연막(110)은 상기 반도체 기판(100)의 전도 대역(conduction band)보다 약 3.5eV 높은 전도 대역을 가진다. 즉, 상기 터널 절연막(110)은 상기 반도체 기판(100)보다 전자 친화도(electron affinity)가 작다. 여기서, 전자 친화도(electron affinity)는 진공 준위로 전자를 방출할 수 있는 에너지이다.
상기 터널 절연막(110) 상에 광반응층(120)이 제공된다. 상기 광반응층(120)은 광반응성 전하 트랩층을 포함할 수 있다. 상기 광반응층(120)은 상기 반도체 기판(100)보다 전자 친화도이 큰 물질을 포함한다. 예컨대, 상기 광반응층(120)은 GaN 또는 ZnO를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 상기 GaN은 상기 반도체 기판(100)의 전도 대역보다 약 0.65eV 낮은 전도 대역을 가질 수 있다. 상기 ZnO는 상기 반도체 기판(100)의 전도 대역보다 약 0.85eV 낮은 전도 대역을 가질 수 있다. 반면, Si3N4의 전도 대역은 Si의 전도 대역보다 2.4eV 정도 높다. 이에 따라, GaN과 ZnO는 Si3N4에 비하여 깊은 양자 우물(quantum well)을 제공하는 전하 트랩층으로 사용될 수 있다. 상기 GaN 또는 ZnO와 같이, 상기 반도체 기판(100)의 전도 대역보다 낮은 전도 대역을 가지는 물질은 NCBO(Negative Conduction Band Offset) 물질로 정의될 수 있다. 즉, NCBO 물질은 상기 반도체 기판(100)보다 전자 친화도(electron affinity)가 큰 물질이다. 상기 광반응층(120)은 우수한 데이터 보유 시간의 장점을 가질 수 있다. 우수한 데이터 보유 시간의 장점은 상기 반도체 기판(100)의 전도 대역보다 더 낮은 상기 광반응층(120)의 전도 대역으로 인하여 전자(electron)가 깊은 에너지 준위에 포획된다는 사실에 의하여 설명될 수 있다. 상기 광반응층(120)은 4~10nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 광반응층(120)은 얇은 박막(thin film) 또는 나노 결정(nano crystal)의 형태를 가질 수 있다.
상기 광반응층(120) 상에 블로킹 절연층(130)이 제공된다. 상기 블로킹 절연층(130)은 실리콘 산화막(SiO2), 하프늄 산화막(HfO), 지르코늄 산화막(ZrO), 란타늄 알루미늄 산화막(LaAlO) 또는 알루미늄 산화막(AlO)을 포함할 수 있다. 상기 블로킹 절연층(130)은 10~20nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 블로킹 산화막(130) 상에 게이트 전극(140)이 제공된다. 상기 게이트 전극(140)은 광투과성 물질을 포함 할 수 있다. 상기 광투과성 물질을 통과한 빛(hυ)에 의하여 상기 광반응층(120)에 전자-홀 쌍(Electron-Hole Pair:EHP)이 생성될 수 있다. 상기 광투과성 물질은 예컨대, 투명한 전도성 물질인 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ZnO을 포함할 수 있다. 상기 광투과성 물질이 ZnO인 경우, 상기 ZnO는 N-type의 게이트 전극일 수 있다. 상기 터널 절연막(110)과 인접한 상기 반도체 기판(100)에 한 쌍의 불순물 영역들(102)이 제공될 수 있다. 광반응 트랜지스터는 상기 터널 절연막(110), 광반응층(120), 블로킹 절연층(130), 게이트 전극(140) 및 한 쌍의 불순물 영역(102)을 포함한다. 상기 광반응 트랜지스터는 복수개로 배열될 수 있으며, 서로 인접하는 광반응 트랜지스터들은 상기 불순물 영역(102)을 공유할 수 있다.
도 2를 참조하면, 광반응층(120a)은 상기 게이트 전극(140)에 인접하는 상기 반도체 기판(100) 상에 연장되어 제공될 수 있다. 상기 광반응층(120a)과 접하는 블로킹 절연층(130a)과 터널 절연막(110a)은 상기 광반응층(120a)과 동일하게 상기 게이트 전극(140)에 인접하는 상기 반도체 기판(100) 상에 연장되어 제공될 수 있다. 상기 광반응층(120a)이 제공됨으로써, 상기 게이트 전극(140)은 투명한 물질을 포함하지 않을 수 있다.
도 4는 Si3N4과 GaN을 전하 트랩층으로 사용할 때의 반도체 소자에 저장된 데이터의 내구성(endurance)을 비교한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 횡축은 프로그램과 지우기 횟수를 나타내고, 종축은 문턱전압의 변동을 나타낸다. 터널 절연막은 35Å의 두께를 갖는 실리콘 산화막이며, 블로킹 절연층은 200Å의 두께를 갖는 하프늄 산화막이고, 게이트 전극은 알루미늄막인 경우이다. 전하 트랩층으로 일반적으로 사용되는 Si3N4과 비교할 때, GaN은 105 이상의 프로그램과 지우기 횟수에서 문턱 전압의 변화없이 우수한 내구성을 보이고 있다. 이는 GaN는 Si3N4에 비하여 깊은 양자 우물(quantum well)을 제공하기 때문이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 프로그램 방법을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 5를 참조하면, 상기 반도체 소자의 광반응 트랜지스터는 P형 반도체 기판, P형 반도체 기판 상의 터널 절연막, 터널 절연막 상의 광반응층, 광반응층 상의 블로킹 절연층, 블로킹 절연층 상의 게이트 전극을 포함한다. 예컨대, 상기 광반응층은 ZnO인 경우이다. 상기 광반응층의 전도 대역은 상기 반도체 기판의 전도 대역보다 약 0.8eV 낮다. 예를 들면, 상기 터널 절연막은 SiO2이고, 블로킹 산화막은 HfO이며, 게이트 전극은 N-type의 ZnO인 경우이다. 상기 광반응 트랜지스터의 게이트 전극에 프로그램 전압이 인가된다.
상기 광반응 트랜지스터에 빛(hυ)이 조사되면 상기 광반응층에 전자 홀 쌍(electron hole pair)이 생성된다(①). 프로그램 전압(양의 전압)이 인가된 상태에서 상기 광반응층에 생성된 홀(h)은 낮은 장벽 높이(~1.2eV)로 인하여 상기 반도체 기판으로 빠져나가는(escape) 경향이 있다(②). 반면, 상기 광반응층에 생성된 전자(e)는 상대적으로 더 높은 장벽 높이(~2.5eV)와 블로킹 절연층의 두꺼운 두께 때문에 게이트 전극으로 빠져나가기 어렵다. 상기 프로그램 전압은 상기 광반응층의 홀은 상기 반도체 기판으로 터널링되는 반면, 상기 광반응층의 전자는 상기 게 이트 전극으로 터널링되지 않도록 조절될 수 있다. 한편, 반도체 기판에 존재하는 전자는 상기 프로그램 전압에 의하여 상기 광반응층으로 터널링될 수 있다(③). 상기 게이트 전극으로부터 홀(h)이 터널링될 수 있다(④). 상기 광반응층으로 유입된 전자와 홀은 재결합(recombination)을 발생시킬 수 있다. 결과적으로, 비대칭(asymmetric) 터널링이 발생하여, 상기 광반응층에 음의 전하가 축적되며, 문턱 전압(threshold voltage:Vth) 또는 평탄 대역(flat band:Vfb)을 변경시킬 수 있다. 상기 문턱 전압의 변경은 실질적으로 상기 빛의 세기에 대응할 수 있다.
상기 광반응 트랜지스터에 빛(hυ)이 조사되지 않는 경우, 프로그램 과정에서 게이트 전극으로부터 홀이 유입되며(④), 프로그램 전압에 의하여 상기 광반응층으로 반도체 기판의 전자가 터널링된다(③). 상기 광반응층으로 유입된 전자와 홀은 재결합(recombination)을 발생시키며, 평탄 대역은 변동되지 않는다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 읽기는 상기 광반응 트랜지스터의 불순물 영역들에 전위차를 형성하고 불순물 영역들 사이에 흐르는 전류를 측정하는 것에 의하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 광반응 트랜지스터의 문턱 전압을 검출하는 것이다. 상기 검출된 문턱 전압에 대응되도록, 상기 광반응 트랜지스터에 조사된 빛의 세기를 센싱할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 프로그램에 따른 문턱 전압의 변동을 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 횡축은 게이트 전극에 인가된 프로그램 전압을 나타내고 종축은 문턱 전압의 변동을 나타낸다. 이 실험치는 터널 절연막이 약 35Å이고, GaN은 100Å이며, 하프늄 산화막은 200Å인 경우의 결과이다. 도 3에서 설명한 경우와 같이, 빛이 조사된 경우에 상기 광반응층에 축적된 전자로 인하여 문턱 전압이 상승한다. 그러나, 빛이 조사되지 않으면, 문턱 전압이 변하지 않는 것이 확인된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소거 방법을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 7을 참조하면, 광반응 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자는 도 3의 경우와 동일한 구성요소를 가진다. 상기 게이트 전극에 소거 전압(음의 전압)이 인가된다. 상기 광반응 트랜지스터에 빛(hυ)이 조사되면, 상기 광반응층에 전자-홀 쌍(electron hole pair)이 생성된다(①). 상기 광반응층의 전자(e)는 터널 절연막의 얇은 두께로 인하여 상기 반도체 기판으로 터널링된다(②). 상기 광반응층의 홀(h)은 소거 전압에 의하여 게이트 전극으로 터널링된다(③). 결과적으로, 소거시에는 비대칭 터널링이 존재하지 않으므로, 상기 광반응층에 축적된 전자가 존재하지 않는다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 소거 동작에 따른 문턱 전압의 변동을 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 횡축은 게이트 전극에 인가된 소거 전압을 나타내며 종축은 문턱 전압의 변동을 나타낸다. 소거 전압이 증가함에 따라 문턱 전압이 감소한다. 빛의 조사 여부에 관계없이 문턱 전압이 동일하게 감소하는 것이 확인된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 대한 빛이 조사된 경우와 빛이 조사되지 않은 경우의 터널링 전류를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, 종축은 터널링 전류(Ig)를 나타내고 횡축은 게이트 전압(Vg)을 나타낸다. 빛이 조사되지 않으면, 일정 전압까지 게이트 전압이 증가하여도 터널링 전류는 동일하다. 빛이 조사되면, 터널링 전류는 게이트 전압의 증가에 따라 증가한다. 예컨대, 게이트 전압이 20V인 경우에는 0V인 경우보다 약 1000배 증가한다. 터널링 전류의 증가하는 수준은 모든 파장에 대하여 거의 동일한 것이 확인된다.
도 10 및 11은 각각 광반응층이 GaN 및 ZnO인 경우의 터널링 전류를 나타낸 그래프이다. 실선이 빛이 조사된 경우를 나타내며, 점선이 빛이 조사되지 않는 경우를 나타낸다. 도 10 및 11을 참조하면, 종축은 터널링 전류(Ig)를 나타내고 횡축은 게이트 전압(Vg)을 나타낸다. 빛이 조사되지 않는 경우, GaN 또는 ZnO의 터널링 전류는 깊은 양자 우물로 인하여 일정 전압까지 게이트 전압이 증가하여도 동일하다. 빛이 조사되는 경우, GaN 또는 ZnO의 터널링 전류는 게이트 전압의 증가에 따라 민감하게 증가하고 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 빛의 파장에 대한 GaN의 광흡수도를 설명하기 위한 그래프이다. 도 12를 참조하면, 횡축은 빛의 파장(wavenumber)을 나타내고 종축은 광흡수도(absorbance)를 나타내고 있다. 광반응층이 GaN인 경우의 광흡수도가 설명된다. 광반응 트랜지스터는 반도체 기판 상의 실리콘 산화막, 실리콘 산화막 상의 GaN, GaN 상의 하프늄 산화막으로 구성된 경우이다. 상기 실리콘 산화막은 약 35Å이고, 상기 하프늄 산화막은 약 200Å이다. 실선은 두꺼운 GaN(약 5000Å)인 경우를 표현하며, 점선은 얇은 GaN(약 100Å)인 경우를 표현한다. GaN은 가시광선 영역부터 자외선 영역까지 모두 흡수가 일어나고 있다. 결과적으로, 모든 파장 영역의 빛을 조사하여 프로그램 동작이 수행될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 GaN에 대한 C-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 횡축은 인가된 전압을 나타내고 종축은 커패시턴스(capacitance)를 나타낸다. 왼쪽의 곡선은 소거 상태와 빛이 조사되지 않은 상태에 서 프로그램하는 경우를 나타내며, 오른쪽 곡선은 빛이 조사된 상태에서 프로그램하는 경우를 나타낸다. 프로그램 전압은 12V이며, 조사된 빛은 파장이 650nm인 적색광(Red), 파장이 550nm인 녹색광(Green), 파장이 440nm인 청색광(Blue), 파장이 364nm인 자외선(UV)이다. 소거 상태에서의 C-V 곡선과 빛이 조사되지 않은 상태에서의 C-V 곡선은 거의 동일하다. 즉, 빛이 조사되지 않는 경우에는 문턱 전압의 변동이 일어나지 않는다. 빛이 조사된 경우, 각 파장에 대한 문턱 전압의 변동은 모든 파장에서 거의 동일하다.
도 14a 내지 14d는 빛의 파장에 따라 문턱 전압의 변동을 측정한 그래프이다. 종축은 커패시턴스(capacitance)를 나타내고 횡축은 인가된 전압을 나타낸다. 도 14a 내지 14d를 참조하면, 도 14a에서 조사된 빛은 파장이 650nm인 적색광이며, 도 14b에서 조사된 빛은 파장이 550nm인 녹색광이며, 도 14c에서 조사된 빛은 파장이 440nm인 청색광이며, 도 14d에서 조사된 빛은 파장이 365nm인 자외선이다. 게이트 전압은 11V이다. 빛이 조사되지 않는 경우, 소거 상태와 비교할 때 문턱 전압의 변동은 없다. 이것은 반도체 기판으로부터 터널링된 전자와 게이트 전극으로부터 유입된 홀이 재결합하기 때문이다. 소거 상태 또는 빛이 조사되지 않는 경우에 비하여 빛이 조사되는 경우, 문턱 전압의 변동은 거의 모든 파장에서 약 4.7V이다.
도 15a 및 15b는 본 발명의 실시예에 따른 빛의 세기에 대한 문턱 전압의 변동을 설명하기 위한 그래프이다. 도 15a을 참조하면, 종축은 커패시턴스(capacitance)를 나타내고 횡축은 인가된 전압을 나타낸다. 문턱 전압은 빛의 세기가 증가함에 따라 증가한다. 이는 빛의 세기가 증가함에 따라 광반응층에 더 많은 전자가 축적되기 때문이다. 도 15b를 참조하면, 종축은 문턱 전압의 변동을 나타내고 횡축은 빛의 세기를 나타낸다. 조사된 빛은 파장이 650nm인 적색광이다. 통상적으로 알려진 반도체 소자의 포화 수준(saturation level)은 마이크로 미터당 전자 3000개이다. 반면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 마이크로 미터당 전자 45000개의 우수한 포화 수준을 가진다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자는 양자 효율(quantum efficiency)이 80% 이상이다. 여기서, 양자 효율(Quantum Efficiency:Q.E)은 시간당 입사된 광자(photon)의 개수에 대한 시간당 발생된 전자의 수를 의미한다.
W: optical power(J/s)
hc/λ: 광자 하나의 에너지(J)
ΔI: 빛이 조사된 경우와 조사되지 않은 경우의 전류 차이
q: 전하량
수학식 1에서 W/(hc/λ)은 시간당 입사하는 광자의 개수를 의미하며, ΔI/q은 시간당 발생된 전자의 수를 의미한다. 통상적으로 알려진 반도체 소자는 양자 효율이 약 40% 수준이므로 본 발명의 양자 효율이 훨씬 높다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광반응층에 축적된 전자에 의하여 광반응 트랜지스터의 문턱 전압이 증가한다. 또한, 전자 친화도이 큰 물질을 포함하는 광반응층에 의하여 반도체 소자의 데이터 보유 시간이 향상된다. 또한, 반도체 소자의 내구성(endurance)이 향상된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 소자의 포화 수준(saturation level)이 향상된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 소자의 양자 효율(quantum efficiency)이 80% 수준까지 향상된다.
이에 따라, 광반응 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자는 픽셀 유닛의 크기를 감소시킬 수 있다.
Claims (17)
- 반도체 기판;상기 반도체 기판 상의 터널 절연막;상기 터널 절연막 상의 광반응층;상기 광반응층 상의 블로킹 절연층; 및상기 블로킹 절연층 상의 게이트 전극을 포함하는 광반응 트랜지스터를 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 광반응층은 광반응성 전하트랩층을 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 광반응층은 상기 반도체 기판보다 전자 친화도이 큰 물질을 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 3에 있어서,상기 광반응층은 GaN 또는 ZnO을 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 4에 있어서,상기 광반응층은 나노 결정을 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 블로킹 절연층은 SiO2, HfO, ZrO, LaAlO 또는 AlO을 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 게이트 전극은 광투과성 물질을 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 7에 있어서,상기 광투과성 물질은 ITO 또는 ZnO를 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 광반응층은 상기 게이트 전극에 인접하는 상기 반도체 기판 상으로 연장하는 반도체 소자.
- 청구항 1에 있어서,상기 광반응 트랜지스터는 상기 게이트 전극에 인접하는 상기 반도체 기판에 형성된 한 쌍의 불순물 영역들을 더 포함하는 반도체 소자.
- 청구항 10에 있어서,상기 광반응 트랜지스터는 복수개로 배열되고, 서로 인접하는 광반응 트랜지스터들은 상기 불순물 영역들을 공유하는 반도체 소자.
- 청구항 10의 반도체 소자를 구동하는 방법으로,상기 반도체 소자의 광반응 트랜지스터에 빛을 조사하여, 상기 광반응층에 전자-홀 쌍을 생성하는 것; 그리고상기 게이트 전극에 프로그램 전압을 인가하는 것에 의하여, 상기 홀을 상기 반도체 기판으로 방출하고 상기 전자는 상기 광반응층에 트랩하도록 하여, 상기 광반응 트랜지스터의 문턱 전압을 변경하는 것을 포함하는 반도체 소자의 구동방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 프로그램 전압은 상기 홀은 상기 반도체 기판으로 터널링되는 반면, 상기 전자는 상기 게이트 전극으로 터널링되지 않도록 하는 반도체 소자의 구동방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 문턱 전압의 변경은 상기 빛의 세기에 대응하는 반도체 소자의 구동방법.
- 청구항 14에 있어서,상기 불순물 영역들 사이에 전위차를 형성하고 상기 불순물 영역들 사이에 흐르는 전류를 측정하는 것에 의하여, 상기 광반응 트랜지스터의 문턱 전압을 검출하는 반도체 소자의 구동방법.
- 청구항 15에 있어서,상기 검출된 문턱 전압에 따라 상기 광반응 트랜지스터에 조사된 빛의 세기를 센싱하는 반도체 소자의 구동방법.
- 청구항 12에 있어서,상기 게이트 전극에 소거 전압을 인가하는 것에 의하여, 상기 홀은 상기 게이트 전극으로 방출하고 상기 전자는 상기 반도체 기판으로 방출하도록 하여, 상기 광반응 트랜지스터의 상기 광반응층에 트랩된 전자를 소거하는 것을 포함하는 반도체 소자의 구동방법.
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