KR100882679B1 - 발광표시장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토 다이오드를 포함하는 발광표시장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발광표시장치는 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결되어 배치된 발광소자가 형성된 기판 상에 외부로부터 입사되는 광을 수용하여 전기적 신호를 출력하는 포토 다이오드를 포함한다. 여기서, 상기 포토 다이오드는 N형 도핑영역, P형 도핑영역 및 상기 N형 도핑영역과 상기 P형 도핑영역 사이에 진성 영역으로 형성되며, 상기 진성 영역은 비정질 실리콘으로 이루어진다.
포토 다이오드, 비정질 실리콘, 이온 주입

Description

발광표시장치 및 그의 제조방법{Light Emitting Display Device and Fabrication Method for the same}
본 발명은 발광표시장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 포토 다이오드를 포함하는 발광표시장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
포토 다이오드(Photo Diode:PD)는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 광신호로부터 전기적 신호(전류 또는 전압)를 얻는 일종의 광센서로서, 다이오드의 접합부에 광 검출 기능이 부여된 소자이다. 이러한 포토 다이오드는 기본적으로, 광 흡수에 의해 전자 또는 정공이 생성됨으로써 포토 다이오드로부터 전기적 신호가 출력된다는 원리를 이용한다.
전술한 특성을 이용하여 포토 다이오드를 디스플레이 분야 등에 적용시키기 위한 연구가 계속되고 있다. 포토 다이오드는 발광소자가 발광하는 빛 또는 외부광을 수광하여 빛의 세기를 감지한다. 또한, 포토 다이오드는 빛의 세기에 따라 전기적 신호로 출력하여, 제어부를 통해 발광소자의 휘도를 조절한다.
그러나, 포토 다이오드는 유기 전계 발광소자에 적용됨에 따라, 공정 단순화를 위해 반도체층과 함께 다결정 실리콘으로 형성되는데, 다결정 실리콘은 비정질(amorphous) 실리콘에 비해 빛에 대한 감응도가 낮게 나타나 수광 효율이 저하된다. 이에 따라, 포토 다이오드로부터 출력되는 전기적 신호가 충분히 출력되지 않아 포토 다이오드를 이용하여 발광소자의 휘도를 조절하는데 한계점이 있었다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점들을 해소하기 위해 도출된 발명으로, 포토 다이오드의 수광 효율을 증대시킬 수 있는 발광표시장치 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 발광표시장치는 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결되어 배치된 발광소자가 형성된 기판 상에 외부로부터 입사되는 광을 수용하여 전기적 신호를 출력하는 포토 다이오드를 포함한다. 여기서, 상기 포토 다이오드는 N형 도핑영역, P형 도핑영역 및 N형 도핑영역과 P형 도핑영역 사이에 진성 영역으로 형성되며, 상기 진성 영역은 비정질 실리콘으로 이루어진다.
이때, 상기 비정질 실리콘 영역은 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2) 및 실란(SiH4)을 포함하는 군에서 선택된 하나의 원소를 포함할 수 있으며, 상기 포토 다이오드는 상기 기판 상에 상기 박막 트랜지스터와 이격 배치될 수 있다. 또한, 상 기 포토 다이오드로부터 출력된 전기적 신호에 따라 상기 발광소자에 인가되는 전압을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 발광표시장치의 제조방법은 기판 상에 제1 다결정 실리콘층 및 제2 다결정 실리콘층을 배치하는 단계; 상기 제1 다결정 실리콘층에는 N형 도핑영역, P형 도핑영역 및 상기 N형 도핑영역과 상기 P형 도핑영역 사이에 진성 영역이 포함된 포토 다이오드가 형성되고, 상기 제2 다결정 실리콘층에는 소스 영역, 드레인 영역 및 상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 채널 영역이 포함된 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 반도체층과 상기 포토 다이오드가 형성된 기판 전면에 감광막을 형성하는 단계; 상기 진성 영역과 대응되는 감광막을 식각하여 상기 진성 영역을 외부로 노출시키는 단계; 및 불순물 원소가 도핑되어 상기 다결정 실리콘으로 이루어진 진성 영역이 비정질 실리콘화되는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 불순물 원소는 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2) 및 실란(SiH4)을 포함하는 군에서 선택된 하나일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 포토 다이오드의 수광부를 비정질 실리콘으로 형성하여 포토 다이오드의 수광 효율을 증대시킬 수 있다. 따라서, 포토 다이오드를 이용하여 발광표시장치의 주변 광을 보다 효과적으로 감지할 수 있다. 이에 따라, 발광표시장치를 주변 광량에 따라 발광소자의 휘도를 조절할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 먼저 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광표시장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(110) 상에는 박막 트랜지스터가 배치된다. 박막 트랜지스터는 반도체층(130), 게이트 전극(150) 및 소스/드레인 전극(170a 및 170b)이 포함된다. 또한, 박막 트랜지스터 상에는 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결된 유기 전계 발광소자가 배치된다.
이를 보다 구체적으로 살펴보면, 기판(110) 상에 버퍼층이 배치된다. 버퍼층 상에는 반도체층(130)이 배치된다. 반도체층(130)은 소스 영역(131), 드레인 영역(132) 및 소스 영역(131)과 드레인 영역(132) 사이에 채널 영역(133)이 형성된다. 반도체층(130)이 배치된 버퍼층 전면에는 제1 절연층(140)이 형성된다. 채널 영역(133)과 대응되는 제1 절연층(140)에는 게이트 전극(150)이 배치된다. 게이트 전극(150)이 배치된 제1 절연층(140) 전면에는 제2 절연층(160)이 형성된다. 제2 절연층(160) 상에는 소스 전극(170b) 및 드레인 전극(170a)이 배치되며, 소스 전극(170b) 및 드레인 전극(170a)은 제1 절연층(140) 및 제2 절연층(160)에 형성된 컨택홀에 의해 소스 영역(131)과 드레인 영역(132)에 각각 연결된다. 또한, 박막 트랜지스터가 형성된 기판(110) 전면에 제3 절연층이 형성되고, 제3 절연층 상에 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결된 유기 전계 발광소자가 배치된다. 유기 전계 발광소자는 통상의 유기 전계 발광소자와 동일하다.
한편, 유기 전계 발광소자는 주변 광 변화와 관계없이 미리 설정된 휘도로만 발광되어 소비전력이 낭비되는 문제점이 있었다. 이에 따라, 본 실시예에서는 유기 전계 발광표시장치(100)에 포토 다이오드(120)를 배치하여 포토 다이오드(120)로부터 출력된 전압 값을 이용하여 유기 전계 발광소자의 휘도를 조절할 수 있는 제어부를 포함하도록 한다. 또한, 포토 다이오드(120)는 공정을 단순화시켜며 빛의 수광 효율을 향상시키기 위해, 반도체층(130)과 함께 다결정 실리콘으로 형성된 후, 다결정 실리콘으로 형성된 진성 영역(123:intrinsic region)에 불순물을 주입하여 비정질 실리콘화시킨다.
포토 다이오드(120)는 비발광 영역의 기판(110)과 유기 전계 발광소자 사이에 배치될 수 있는데, 본 실시예에서는 박막 트랜지스터와 일정 간격 이격된 버퍼층 상에 배치된다. 이는 포토 다이오드(120)의 형성 단계를 단순화시키기 위해, 반도체층(130)이 형성될 때 사용되는 다결정 실리콘을 포토 다이오드(120)에 적용시키기 위해서이다.
포토 다이오드(120)는 N형 도핑영역(121), P형 도핑영역(122) 및 N형 도핑영역(121)과 P형 도핑영역(122) 사이에 진성 영역(123)으로 형성된다. 이때, 진성 영역(123)은 빛에 대한 수광 효율을 증대시키기 위해 비정질 실리콘으로 형성된다. 이는 비정질 실리콘이 도 3에 나타난 바와 같이 다결정 실리콘보다 빛에 대한 감응도(sensitivity)가 크게 나타나 빛의 수광 효율이 뛰어나기 때문이다.
또한, 포토 다이오드(120) 상부에는 N형 도핑영역(121)과 P형 도핑영역(122)에 전압을 인가하기 위한 각각의 N형 및 P형 전극(180a 및 180b)이 배치된다.
이러한, 포토 다이오드(120)는 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 반도체 소자로써, 그 구동 방법은 아래와 같다.
포토 다이오드(120)는 N형 전극(180b)를 통해 N형 도핑영역(121)에 양(+)의 전압이 인가되고, P형 전극(180a)을 통해 P형 도핑영역(122)에 음(-)의 전압이 인가될 때, 진성 영역(123)에 빛이 입사되면, 빛 에너지에 의해 진성 영역(123)에 전자 및 전공이 생성된다. 또는, N형 도핑영역(121) 및 P형 도핑영역(122)에 생성된 전자나 정공이 진성 영역(123)으로 확산된다. 이때, 진성 영역(123)은 역방향 전계에 의해 전류가 흐르게 된다. 이와 같이 포토 다이오드(120)의 수광부 즉, 진성 영역(123)이 비정질 실리콘으로 형성됨에 따라 포토 다이오드(120)에 더 많은 전류가 흐르게 된다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광표시장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 기판(110) 상에 버퍼층이 형성된다. 버퍼층 상에 포토 다이오드 및 반도체층을 배치시키기 위해, 패터닝되어 형성된 제1 및 제2 다결정 실리콘층(120,130)이 각각 형성된다.
도 2b를 참조하면, 제1 다결정 실리콘층(120)의 양측에 N형 및 P형 불순물 이온 주입 공정으로 P형 도핑영역(122)과 N형 도핑영역(121)을 형성하고, P형 도핑영역(122)과 N형 도핑영역(121) 사이에 다결정 실리콘 영역인 진성 영역(123a)이 형성된다. 또한, 제2 다결정 실리콘층(130)의 양측에 소스 영역(131)과 드레인 영역(132), 소스 영역(131)과 드레인 영역(132) 사이에 채널 영역(133)이 형성된다.
이에 따라, 제1 다결정 실리콘층(120)은 포토 다이오드(120)로, 제2 다결정 실리콘층(130)은 반도체층(130)으로 형성된다. 또한, 다결정 실리콘층을 이용하여 포토 다이오드(120)와 반도체층(130)을 모두 형성함으로써, 공정이 단순화될 수 있다.
도 2c를 참조하면, 포토 다이오드(120)의 빛 수광부인 진성 영역(123a)을 비정질 실리콘화시키기 위해서는 우선, 포토 다이오드(120) 및 반도체층(130)이 형성된 버퍼층 전면에 감광막(190)이 도포된다. 이때, 감광막(190)은 마스크 등을 이용하여 진성 영역(123a) 상부에 형성된 감광막(190)을 식각한다. 이에 따라, 진성 영역(123a)은 외부로 노출된다.
이후, 다결정 실리콘으로 이루어진 진성 영역(123a)을 비정질 실리콘화시키기 위해, 진성 영역(123a)에 불순물을 도핑하여 비정질 실리콘화 시킨다. 이에 따라, 다결정 실리콘으로 이루어진 진성 영역(123a)은 빛에 대한 감응도가 높은 비정질 실리콘으로 변환된다.
예를 들어, 다결정 실리콘으로 이루어진 진성 영역(123a)에 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2) 및 실란(SiH4)을 포함하는 군에서 선택된 하나의 이온을 주 입(implantation)시킨다. 이에 따라, 다결정 실리콘의 일 부분이 물리적(physical)으로 손상(damage)되어 격자 부분이 비정질화 된다.
이와 같이, 다결정 실리콘으로 이루어진 진성 영역(123a)은 이온 주입 공정을 통해, 비정질 실리콘화 됨으로써, 감도(dynamic range-on/off current ratio)가 증가되어 빛에 대한 감응도가 증대된다. 이에 따라, 포토 다이오드(120)는 유기 전계 발광표시장치(100) 주변의 광량을 보다 정확히 감지하여, 주변 광에 따라 유기 전계 발광소자의 휘도를 조절할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 감광막(190)이 제거되어 반도체층(130) 및 포토 다이오드(120)가 외부로 노출된다. 반도체층(130) 및 포토 다이오드(120)가 형성된 버퍼층 전면에 제1 절연층(140)이 형성된다. 또한, 반도체층(130)의 채널 영역(133)과 대응되는 제1 절연층(140) 상에 게이트 전극(150)이 형성된다.
도 2e를 참조하면, 게이트 전극(150)이 배치된 제1 절연층(140) 전면에 제2 절연층(160)이 형성된다. 반도체층(130)의 소스 영역(131)과 드레인 영역(132) 상부에 형성된 제1 절연층(140)과 제2 절연층(160)이 식각되어 소스 영역(131)과 드레인 영역(132)이 노출되도록 콘택홀이 형성되고, 제2 절연층(160) 상에는 콘택홀을 통해 소스 영역(131)과 드레인 영역(132)에 연결되는 소스 전극(170b) 및 드레인 전극(170a)이 형성된다.
또한, 포토 다이오드(120)의 N형 도핑영역(121)과 P형 도핑영역(122) 상부에 형성된 제1 절연층(140)과 제2 절연층(160)이 식각되어 N형 도핑영역(121)과 P형 도핑영역(122)이 노출되도록 콘택홀이 형성되고, 제2 절연층(160) 상에는 콘택 홀을 통해 N형 도핑영역(121)과 P형 도핑영역(122)에 연결되는 N형 및 P형 전극(180a 및 180b)이 형성된다.
도 3은 비정질 포토 다이오드와 다결절 포토 다이오드의 감도를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, X축은 포토 다이오드에 인가되는 전압(Photo Diode(V))을 나타내며, Y축은 포토 다이오드에 인가되는 전압에 따라 변화되는 포토 다이오드의 역전류(Reverse Current(A)) 값을 나타낸다.
일반적으로, 포토 다이오드는 -0.5 내지 -2.0(V)의 전압이 인가된 상태에서 외부 광이 측정된다. 이에 따라, 포토 다이오드에 -0.5 내지 -2.0(V)의 전압이 인가될 때, 포토 다이오드의 역전류 값을 측정한다. 또한, 포토 다이오드의 빛에 대한 감응도를 측정하기 위해서는 감도(dynamic range-on/off current ratio)가 측정되어야 하는데, 감도란, 동일한 전압이 포토 다이오드로 인가되었을 때, 외부 조도가 0Lux(dark)일 때 나타나는 포토 다이오드의 역전류 값과 외부 조도가 0Lux 이상(본 발명에서는 2000Lux)의 조도일 때 나타나는 역전류 값 사이의 범위를 말한다.
즉, 포토 다이오드는 온/오프 역 전류 값 사이의 범위를 나타내는 감도가 크게 나타나야 빛에 대한 감응도가 증가된다. 또한, 포토 다이오드는 감응도가 증가됨에 따라, 포토 다이오드의 주변 광을 보다 정확히 측정할 수 있다.
예를 들어, -0.5 내지 -2.0(V)의 전압이 인가된 다결정 실리콘 포토 다이오드의 감도는 대략 1 내지 1.5 오더(v/decade)를 나타내며, 비정질 실리콘 포토 다 이오드의 감도는 대략 1.5 내지 1.8 오더를 나타낸다. 여기서, 1 오더란 10-1(A)을 나타내고 , 2 오더란 10-2(A)를 나타낸다.
이와 같은 결과에 따르면, 비정질 실리콘 포토 다이오드는 다결정 실리콘 포토 다이오드보다 0.3 내지 0.8 오더 높은 감도를 나타낸다. 즉, 포토 다이오드는 감도가 크게 나타나야 빛에 대한 감응도가 높아져 외부 광을 정확히 측정할 수 있는데, 비정질 실리콘으로 형성된 포토 다이오드는 다결정 실리콘으로 형성된 포토 다이오드보다 0.3 내지 0.8 오더 높은 감도를 나타냄으로써, 빛에 대한 감응도가 뛰어난 것을 알 수 있다.
또한 비정질 실리콘 포토 다이오드는, 다결정 실리콘 포토 다이오드에 비해 커런트(current)값 자체가 대략 3배 정도 높게 나타났는데, 이것은 포토 다이오드의 면적이 3배 넓어진 효과와 같다. 즉, 다결정 실리콘 포토 다이오드를 비정질 실리콘 포토 다이오드화 시키면, 감도 및 다이오드 면적이 넓어진 효과로 빛에 대한 감응도가 더욱 증가되는 것을 알 수 있다.
이상 본 발명을 상세히 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광표시장치의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광표시장치의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 비정질 포토 다이오드와 다결절 포토 다이오드의 감도를 나타내는 그래프이다.
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
110 : 기판 120 : 포토 다이오드
130 : 반도체층 140 : 제1 절연층
150 : 게이트 전극 160 : 제2 절연층
170a 및 170b : 소스 및 드레인 전극 180a 및 180b : N형 전극 및 P형 전극

Claims (6)

  1. 박막 트랜지스터와 전기적으로 연결되어 배치된 발광소자가 형성된 기판;
    상기 기판 상에 외부로부터 입사되는 광을 수용하여 전기적 신호를 출력하는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드로부터 출력된 전기적 신호에 따라 상기 발광소자의 휘도를 조절하는 제어부;를 포함하며,
    상기 포토 다이오드는 N형 도핑영역, P형 도핑영역 및 상기 N형 도핑영역과 상기 P형 도핑영역 사이에 진성 영역으로 형성되며, 상기 진성 영역은 비정질 실리콘으로, 상기 N형 도핑영역과 P형 도핑영역은 다결정 실리콘으로 이루어지는 발광표시장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 비정질 실리콘은 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2) 및 실란(SiH4)을 포함하는 군에서 선택된 하나의 이온을 포함하는 발광표시장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 포토 다이오드로부터 출력된 전기적 신호에 따라 상기 발광소자에 인가되는 전압을 조절하는 제어부를 더 포함하는 발광표시장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 포토 다이오드는 상기 기판 상에 상기 박막 트랜지스터와 이격 배치되는 발광표시장치.
  5. 기판 상에 제1 다결정 실리콘층 및 제2 다결정 실리콘층을 배치하는 단계;
    상기 제1 다결정 실리콘층에는 N형 도핑영역, P형 도핑영역 및 상기 N형 도핑영역과 상기 P형 도핑영역 사이에 진성 영역이 포함된 포토 다이오드가 형성되고, 상기 제2 다결정 실리콘층에는 소스 영역, 드레인 영역 및 상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 채널 영역이 포함된 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 반도체층과 상기 포토 다이오드가 형성된 기판 전면에 감광막을 형성하는 단계;
    상기 진성 영역과 대응되는 감광막을 식각하여 상기 진성 영역을 외부로 노출시키는 단계; 및
    불순물 이온이 도핑되어 상기 다결정 실리콘으로 이루어진 진성 영역을 비정질 실리콘화시키는 단계를 포함하는 발광표시장치의 제조방법.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 불순물 이온은 아르곤(Ar), 수소(H2), 질소(N2) 및 실란(SiH4)을 포함하는 군에서 선택된 하나인 발광표시장치의 제조방법.
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