KR100879013B1 - 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 센서용 포토트랜지스터에 관한 것으로, 매립형 컬렉터를 구비함으로써 포토트랜지스터에서 발생하는 암전류를 감소시켜 저조도에서의 감도를 향상시키고 인접한 픽셀과의 크로스토크나 이미지의 끌림이 없는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터는 컬렉터가 외부와 직접적으로 연결되지 않음으로써 낮은 암전류를 갖고, 저조도에서 우수한 감광 특성을 나타내며, 각각의 이미지 센서가 고립되어 있으므로 화소간의 크로스토크나 이미지 끌림이 발생하지 않는 장점이 있다.
포토트랜지스터, 매립형 컬렉터, CMOS

Description

매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터{Phototransistor having a buried collector}
도 1은 종래의 기술에 의한 적층형 포토 트랜지스터를 나타내는 도면이다.
도 2는 일반적인 포토트랜지스터의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 의한 집적형 포토 트랜지스터를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 동작시의 전자 포텐셜을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 어레이의 평면도이다.
도 7은 도 6의 실시 예에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 어레이의 단면도이다.
본 발명은 이미지 센서용 포토트랜지스터에 관한 것으로, 더 상세하게는 매 립형 컬렉터를 구비함으로써 포토트랜지스터에서 발생하는 암전류를 감소시켜 저조도에서의 감도를 향상시키고 인접한 픽셀과의 크로스토크나 이미지의 끌림이 없는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛의 강도를 측정하는데 사용되는 소자인데, 고감도의 이미지 센서는 다수개의 포토트랜지스터들로 구성되며, 일반적으로는 적층형 구조 또는 집적형 구조의 포토트랜지스터를 사용한다.
포토트랜지스터는 입사광의 강도에 비례하는 출력전류를 생성한다. 포토트랜지스터의 컬렉터와 베이스 또는 에미터와 베이스의 접합 영역에서 흡수된 광자는 pn 접합에 의해 수집되는 전자-정공 쌍을 생성한다. 접합에 의해 수집된 소수 캐리어는 베이스 전류로서 작용하며 트랜지스터 이득에 의해 다중화되어 컬렉터 전류를 생성한다. 또한 에미터 전류는 베이스 전류와 컬렉터 전류의 합이며 일반적으로 출력전류로 사용된다.
도 1은 종래의 기술에 의한 적층형 포토 트랜지스터를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와같이 종래의 적층형 포토트랜지스터는 n+의 에미터(115)와 p형 베이스(113) 및 n형 컬렉터(112)로 구성된다. 또한 에미터(115)와 베이스(113) 사이에 진성의 흡수층(114)을 더 구비할 수 있다. 이러한 구조는 p+의 에미터와 n형 베이스, p형 컬렉터로 구성될 수도 있다.
상기의 구조에서 에미터(115)와 컬렉터(112)에 전압을 인가하면 베이스(113)와 컬렉터(112) 사이에 약한 전류가 흐른다. 그러나 에미터(115)와 베이스(113)사이에는 배리어가 형성되고 상기 배리어(barrier)에 의해 전류는 제한된다. 이때 베 이스(113)에 광자가 입사되면 광자에 의하여 전자-정공 쌍(EHP, electron hole pair)이 발생되며 전자는 컬렉터(112)로 이동하게 되고, 정공은 베이스(113)에 형성된 배리어(barrier)를 채우게 된다.
따라서 정공의 수가 늘어날수록 배리어에 모인 정공에 의하여 배리어의 포텐셜이 낮아지게 되고, 이에 비례하여 에미터에서 컬렉터로 전자의 흐름이 발생하여 전류가 흐르게 된다. 따라서 컬렉터로 유입되는 전류는 빛의 입사에 의해 발생되는 전자-정공에 의한 광전류보다 항상 크게 된다. 위와 같은 과정은 도 2로 이해될 수 있다.
도 2는 일반적인 포토트랜지스터의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와같이 에미터와 컬렉터 사이에 전압이 인가되면 에미터와 베이스 사이의 영역에는 배리어(barrier)가 형성된다.(도 2의a) 이때 베이스에 빛이 입사되면 전자는 컬렉터로 이동하고 정공은 배리어(barrier)에 모이게 된다.
상기 배리어(barrier)에 모인 정공에 의해 배리어의 포텐셜이 낮아지고(도 2의b) 따라서 에미터의 전자는 쉽게 컬렉터로 이동할 수 있다. 즉 수집된 정공이 적어도 큰 전류가 흐르게 된다.
상기한 종래의 적층형 포토트랜지스터는 보통 증착과 결정성장등의 방법을 사용하여 제작되므로 이를 일반적인 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정에 적용하는 것은 매우 제한적이었다.
또한 표면에서 발생하는 암전류(dark current)등의 처리가 곤란하여 화소들 사이의 변화가 심하고, 따라서 이미지센서와 같이 균일한 화소 특성이 요구되는 소 자에는 사용하기 어렵다는 문제가 있었다.
도 3은 종래의 기술에 의한 집적형 포토 트랜지스터를 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면 종래의 집적형 포토 트랜지스터는 두 개의 전극(poly-1, poly-2)과 n+ 에미터, p형 베이스 및 n형 우물 혹은 컬렉터로 구성된다. 또한 픽셀과 픽셀을 분리하기위한 필드산화막(FOX)이 형성되어 있다.
이때 에미터에 음의 전압을 가하고 Poly-2에 음의 전압을 인가한 상태에서 p형의 베이스에 빛이 입사되면 전자-정공 쌍이 발생된다. 발생된 전자-정공쌍 중에서 전자는 n형 우물(컬렉터)로 이동하고 정공은 베이스에 머물게 되어 베이스 전위를 증가시킨다.
poly-2에 음의 전압이 인가되면 베이스에 남아있는 정공은 poly-2에 끌려오게 된다. 따라서 빛의 양에 비례하는 정공이 poly-2에 모이게 된다. 이 상태에서는 전자의 이동에 의한 전류만이 존재하여 약한 전류가 흐르게 되며 이 상태를 정공축적상태(hole accumulation state)라 한다.
이미지를 읽는 과정은 poly-2에 양(+) 또는 0의 전압을 인가하여 이루어진다. 즉, Poly-2에 양의 전압을 인가하면 포토트랜지스터의 베이스 및 에미터의 접합이 순방향 바이어스되어 정공축적상태(hole accumulation state)에서 수집된 정공이 척력에 의하여 밀려나게 된다. 이때 정공은 대부분 에미터와 컬렉터 사이에 있게 된다. 따라서 정공에 의하여 베이스와 에미터 사이의 배리어는 낮아지게 되므로 에미터와 컬렉터 사이에는 베이스에 모인 홀의 양에 관계되는 전류가 흐르게 된다.
상기의 구조를 갖는 포토트랜지스터의 베이스에 강한 빛이 입사하는 경우, 베이스 전위는 베이스와 에미터의 접합이 약하게 순방향 바이어스 될 때까지 광에 의해 발생된 정공으로 인해 빠르게 증가한다. 또한 베이스에서 발생된 정공은 poly-2 아래를 채우고 에미터로 흐르게 된다. 따라서 정공축적상태(hole accumulation state)에서 poly-1에 강한 전류가 흐르게 되는데, 이것을 오버플로우 라하고 이러한 강한 전류는 인접한 화소의 잡음으로 작용한다. 또한 강한 빛에 노출된 화소의 정공을 제거하기 어려워 밝은 빛이 끌리는 이미지지연(lag)이 발생하고 이미지의 질이 저하된다.
한편 에미터가 표면(surface)에 의하여 베이스와 연결된 상태이고, 베이스 또한 표면(surface)에 의하여 그라운드(ground)와 연결된 구조이므로 저조도 상태에서 암전류(dark current)가 발생하는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이미지 센서용 포토트랜지스터에 있어서, 매립(buried)형의 컬렉터를 구비함으로써 암전류가 작아서 어두운 상태에서도 감도가 높고, 밝은 상태에서 인접한 화소에 의한 잡음이나 이미지지연이 없는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터는 제1 도전형의 에미터, 제2 도전형의 베이스 및 상기 베이스에 매립되어 있는 제1 도전형의 컬렉터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터에 있어서, 상기 포토트랜지스터는 상기 에미터에 의하여 인접한 다른 상기 포토트랜지스터와 격리되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터에 있어서, 상기 컬렉터는 MOS에 의해 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터에 있어서, 상기 에미터는 고농도로 도핑되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터에 있어서, 상기 베이스는 저농도로 도핑되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터에 있어서, 상기 컬렉터는 저농도로 도핑되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 구조를 나타내는 도면이고 도 5는 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 동작시의 전자 포텐셜을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터는 P+ 형의 기판(410)상에 형성된 N+형의 에미터(430), P형의 베이스(440) 및 N형의 컬렉터(450)를 구비한다.
N+형의 에미터(430)는 베이스(440)와 컬렉터(450)를 감싼 형태로 인접한 다 른 포토트랜지스터와 격리된 형태를 갖는다. 또한 N형의 컬렉터(450)는 p형의 베이스(440)에 완전히 매립된 구조를 갖는다.
컬렉터(450)는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(460)에 의해 전기적으로 연결되며, 부유확산영역(470)은 리셋트랜지스터의 게이트(480)를 통해 정전압 Vdd에 연결되고, 에미터(430)는 에미터 전압(Vem)에 연결된다.
도 4에 도시된 컬렉터(450)의 한 점(a)와 P+기판(410)의 한 점(b)를 연결하는 직선상에서의 도핑 농도의 예는 도 5의(1)과 같다. 즉, P+형으로 고농도 도핑된 기판(410)상에 컬렉터(450)는 N형으로 저농도 도핑되어 있고 베이스(440)는 P형으로 저농도 도핑되어 있으며, 에미터(430)는 N+형으로 고농도 도핑되어 있음을 알 수 있다.
위와 같이 도핑 된 상태에서 외부 전압이 인가되지 않은 경우 PN 접합부분에서는 공핍영역(depletion region) 또는 공간전하영역(space charge region)이 형성되고 따라서 그 공간 전하(space charge)의 분포는 도 5의(2)와 같이 형성된다.
여기에 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(460)의 전압(Vtx), 리셋트랜지스터의 게이트(480)의 전압(Vrx) 및 정전압 Vdd의 전압이 양(+)이고, 에미터의 전압(Vem)에 0이 인가된 경우 공핍영역이 확장되면서 그 공간 전하의 분포는 도 5의(3)과 같이된다.
상기 공간전하의 분포에 의한 전기장은 도 5의(4)에 도시된 바와같이 형성되고 상기 공간전하의 분포에 의한 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)는 도 5의(5)와 같이 형성된다.
위와 같이 형성된 에너지 밴드(energy band) 상태에서 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트(460) 전압(Vtx)을 0으로 고정시키면 컬렉터(450)는 고립되며 베이스(440)와 에미터(430) 사이의 배리어(barrier)에 의하여 전류는 흐르지 않게 된다.
이 상태에서 빛이 에미터(430)와 컬렉터(450)의 영역으로 입사하는 경우 전자와 정공의 쌍이 발생되며, 일반적인 포토트랜지스터와 동일하게 전자는 컬렉터(450)로 이동하게 되고, 정공은 베이스(440)에 형성된 배리어(barrier)를 채우게 된다. 베이스(440)에 모인 정공에 의하여 베이스(440)와 에미터(430) 사이의 배리어(barrier)의 포텐셜이 낮아지므로 정공이 많이 모이는 경우 에미터(430)에서 많은 전자들이 컬렉터(450)로 유입되게 된다. 따라서 컬렉터(450)에는 광자에 의해 발생된 전자(광전자)와 에미터(430)에서 컬렉터(450)로 이동한 전자가 모이게 되어 빛의 입사에 의하여 발생한 전자보다 증폭된 개수의 전자가 존재하게 된다.
수집된 전자는 트랜스퍼 트랜지스터가 온(On) 상태가 되면 부유확산영역(470)로 이동하게 되어 포토다이오드와 동일한 과정을 거쳐서 전압으로 변환되게 된다.
상기 구조의 포토트랜지스터는 컬렉터가 베이스에 완전히 매립되어 있으므로 표면에서 발생하는 노이즈가 컬렉터로 유입되지 않아서 노이즈를 감소시킬 수 있으며, 또한 에미터에 의해 인접한 화소와 분리되어 있기 때문에 인접한 화소 간에 발생하는 크로스토크를 줄일 수 있게 된다. 또한 포토트랜지스터가 강한 빛에 노출되는 경우, 고립된 컬렉터의 전압은 빠른 속도로 0인 상태가 되어 전류가 더 이상 흐 르지 않으므로 오버플로우가 발생하지 않는다.
도 6은 본 발명에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 어레이의 평면도이고, 도 7은 도 6의 실시 예에 따른 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터의 어레이의 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 같은 열에 있는 포토다이오드의 에미터(631a, 631b)는 서로 전기적으로 연결되며, 다른 열의 에미터(631a, 632a)는 열 분리구간(620)에 의하여 분리된다.
도 7을 참고하면 도 6과 같은 배치에서 A-A', B-B', C-C'을 연결하는 단면의 구조를 알수 있다. 여기에서 열 분리구간은 STI(Shallow Trench Isolation)를 사용할 수 있다.
에미터가 단위화소의 베이스 및 컬렉터를 완전히 포함하여 인접한 화소와 분리된 구조를 가짐으로써 인접화소간의 전하의 이동에 의한 크로스토크가 발생하지 않는 구조임을 알 수 있다.
이상에서는 P형 기판상에 형성된 N+형의 에미터와 P형의 베이스, N형의 매립된(buried) 컬렉터를 갖는 포토트랜지스터에 대해 설명하였으나 N형 기판상에 P+형의 에미터와 N형의 베이스, P형의 매립된 컬렉터를 갖는 구조의 포토트랜지스터 역시 가능하다.
이상으로, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명 의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의한 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터는 매립된 컬렉터가 외부와 모스(MOS)에 의해 전기적으로 연결되므로 표면(surface)에 의한 노이즈의 발생이 적으며, 하나의 화소가 에미터 영역에 의해 인접화소와 분리된 형태이므로 일반적인 이미지센서에서 발생하는 인접한 화소에서의 전하의 이동에 의한 크로스토크가 발생하지 않는 장점이 있다.
또한 강한 빛에 노출된 경우 정공이 에미터로 유입될 때, 컬렉터는 고립되어 있으므로 컬렉터의 전압은 거의 0인 상태가 되며 더 이상의 전류는 흐르지 않으므로 포토트랜지스터에서 잡음이 발생하지 않으며, 강한 빛에 의하여 쌓인 정공은 에미터의 전압을 음(-)의 상태로 해 줌으로써 제거될 수 있으므로 강한 빛의 이미지가 끌리는 이미지지연 현상이 나타나지 않는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 포토트랜지스터에 있어서,
    제1 도전형의 에미터;
    제2 도전형의 베이스; 및
    상기 베이스에 매립되어 있는 제1 도전형의 컬렉터를 구비하는 것을 특징으로 하는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포토트랜지스터는
    상기 에미터에 의하여 인접한 다른 포토트랜지스터와 격리되는 것을 특징으로 하는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 컬렉터는
    MOS에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에미터는
    고농도로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베이스는
    저농도로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컬렉터는
    저농도로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 매립형 컬렉터를 구비하는 포토트랜지스터.
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