KR100889746B1 - 칼코젠 박막 트랜지스터 어레이를 포함하는 전자의료영상장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 전통적인 필름 방식의 X-ray 판독기를 대체할 수 있도록, 칼코젠(chalcogen) 소재를 이용하여 X-ray 신호로부터 전기신호를 생성하고 저장할 수 있는 박막 트랜지스터 어레이를 이용한 전자의료 영상장치를 개시한다. 본 발명의 전자의료 영상장치는, 외부에서 조사되는 광 에너지를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍들이 형성되는 신호 생성부, 전자-정공 쌍들을 분리하고 그 극성에 따라 신호 생성부 내의 서로 반대 측에 밀집되도록, 신호 생성부의 일면에 접촉하여 전기 신호를 인가하는 전원, 신호 생성부에 접촉하며, 분리된 전하 중의 한 종류를 유입하여 저장하는 신호 저장부, 및 신호 저장부에 접촉하며, 신호 저장부에 제어신호를 인가하여 신호 저장부에 저장된 전하에 의한 전기 신호를 전달받아 영상신호로 변환하는 신호 변환부를 포함한다. 신호 생성부는 칼코젠 소재 중 하나인 비정질 셀레늄(amorphous selenium, a-Se)을 사용하거나 칼코젠을 이용한 화합물 소재인 CdTe 또는 CdZnTe를 사용할 수 있다. 또한, 신호 저장부는 GST를 포함하는 박막 트랜지스터 어레이, 혹은 CIS를 이용한 박막 트랜지스터 어레이를 포함하여 구성할 수 있다.
칼코젠(chalcogene), GST, CIS, 박막 트랜지스터, X-선, 영상장치
Description
도 1은 본 발명에 따른 전자의료 영상장치(10)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 신호 생성부의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 신호 저장부의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 1의 신호 저장부와 신호 변환부의 연결상태를 도시한 회로도이다.
도 5는 도 1의 신호 저장부에 형성되는 정 스테거드형 박막 트랜지스터를 도시하는 단면도이다.
도 6은 도 1의 신호 저장부에 형성되는 역 스테거드형 박막 트랜지스터를 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS 액티브층의 제조방법의 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 전자의료 영상장치 100: 신호 생성부
110: 제1 전극 120: 절연층
130: 흡수층 150: 전원
200: 신호 저장부 210: 차폐층
220: 제2 전극 230: 기판
240: 소자층 250: 박막트랜지스터
300: 신호 변환부 310: 신호인가 회로
320: 신호증폭소자 330: 멀티플랙서
340: 아날로그 디지털 변환부
본 발명은 전자의료 영상장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 칼코젠 계열의 반도체 원소들을 포함하는 박막 트랜지스터를 이용하여 광신호를 전기적 디지털 신호로 변환할 수 있는 전자의료 영상장치에 관한 것이다.
의료업계에서는 X-선 촬영기는 다양한 진단, 예를 들어, 뼈의 골절여부 또는 장기의 손상 여부의 진단을 위하여 사용되고 있다. 통상적으로, X-선 촬영은 매체, 예를 들어 인체에 X-선을 조사하고, 인체의 기관에 따라 X-선의 투과, 굴절, 또는 반사 등에 의하여 변하는 강도에 의한 이미지를 X-선용 필름(film)을 감광하는 방법을 사용한다. 이러한 필름을 이용한 방법은 고가이며 일회용의 X-선 필름을 사용하여야 하며, 이미지의 확대, 여러 이미지의 저장, 또는 이미지의 저장을 위해서는 물리적인 방법을 사용하여야 하는 한계가 있어, 공간적 및 시간적인 비용 요소가 투입되어야 하는 단점이 있다. 또한, 일회용의 X-선 필름을 사용 또는 폐기에 있어서, 자원의 낭비와 환경오염이라는 부수적인 문제도 함께 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전통적인 필름 방식의 X-ray 판독기를 대체할 수 있도록, X-ray 신호로부터 전기신호를 생성하고 저장할 수 있는 칼코젠 계열의 반도체 원소들을 포함한 박막 트랜지스터 어레이를 이용하여 제작된 박막 트랜지스터 어레이를 이용한 전자의료 영상장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자의료 영상장치는, 외부에서 조사되는 광 에너지를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍들이 형성되는 신호 생성부; 상기 전자-정공 쌍들을 분리하고 그 극성에 따라 상기 신호 생성부 내의 서로 반대 측에 밀집되도록, 상기 신호 생성부의 일면에 접촉하여 전기 신호를 인가하는 전원; 상기 신호 생성부에 접촉하며, 상기 분리된 전하 중의 한 종류를 유입하여 저장하는 신호 저장부; 및 신호 저장부에 접촉하며, 상기 신호 저장부에 제어신호를 인가하여 상기 신호 저장부에 저장된 전하에 의한 전기 신호를 전달받아 영상신호로 변환하는 신호 변환부를 포함한다.
상기 신호 생성부, 신호 저장부, 및 신호 변환부는 순차적으로 형성된 층상구조일 수 있다.
상기 신호 생성부는, 상기 전원의 전기신호를 상기 신호 생성부에 인가되도록 상기 전원과 전기적으로 연결된 제1 전극; 상기 제1 전극의 하면에 형성되어 상기 전원으로부터 유입되는 전하를 차단하는 절연층; 및 상기 절연층의 하면에 형성되어, 상기 외부에서 조사되는 광 에너지를 흡수하여 전자-정공 쌍들이 생성되고, 상기 전원에서 인가된 전기신호에 의하여 전자-정공 쌍들이 서로 분리되어 서로 반대 측에 밀집되는 흡수층을 포함한다.
상기 흡수층은 칼코젠을 포함할 수 있다. 상기 흡수층은 비정질(amorphous)의 순수한 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 흡수층은 CdTe 또는 CdZnTe을 포함할 수 있다.
상기 신호 저장부는, 상기 신호 생성부 내에서 분리된 전하들 중 한 종류의 전하만의 유입을 허용하는 차폐층; 상기 차폐층과 전기적으로 접촉된 제2 전극; 상기 제2 전극과 전기적으로 접촉되고 상기 차폐층을 통하여 유입된 한 종류의 전하를 저장하는 캐패시터와 상기 캐패시터와 연결된 트랜지스터로 구성된 단위 셀을 복수 개 포함하는 소자층; 상기 차폐층, 상기 제2 전극 및 상기 소자층이 형성된 기판을 포함한다.
상기 기판은 유리(glass) 또는 석영(quartz)를 포함할 수 있다.
상기 단위 셀은 하나 또는 그 이상의 전기적 단위 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 소자층은 상기 단위 셀을 가로 및 세로방향으로 각각 복수 개 배열된 2차원 어레이를 포함할 수 있다.
상기 소자층에 포함된 상기 트랜지스터는, 상기 기판 상에 칼코젠(chalcogen) 물질을 포함하여 형성된 액티브층(active layer); 상기 액티브층의 양측에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극; 상기 액티브층 상에 형성된 게이트 절연막; 및 상기 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극을 포함한다. 상기 액티브층 에 포함된 칼코젠 물질은 Ge2Sb2Te5(GST) 또는 CuInSe2(CIS)를 포함할 수 있다.
상기 소자층에 포함된 상기 트랜지스터는, 상기 기판의 일부 영역 상에 형성된 게이트 전극; 상기 기판과 상기 게이트 전극을 덮는 절연막; 상기 게이트 전극이 형성된 영역 상을 덮도록 상기 절연막 상에 형성된 칼코젠 물질을 포함하여 형성된 액티브층; 및 상기 액티브층의 양측에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다. 상기 액티브층에 포함된 칼코젠 물질은 Ge2Sb2Te5(GST) 또는 CuInSe2(CIS)를 포함할 수 있다.
상기 액티브층은 각각 In2Se3과 Cu2Se3을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 액티브층의 도전형은 In2Se3과 Cu2Se3의 상대적인 몰(mole) 비율에 따라 결정할 수 있다. 상기 In2Se3과 Cu2Se3의 상대적인 몰 비율이 0.1 내지 0.5의 범위인 경우에는, 상기 CIS막은 p-형의 도전형을 가질 수 있다. 반면, 상기 In2Se3과 Cu2Se3의 상대적인 몰 비율이 0.6 내지 0.9의 범위인 경우에는, 상기 CIS막은 n-형의 도전형을 가질 수 있다.
상기 신호 변환부는, 상기 신호 저장부의 트랜지스터에 제어신호를 인가하는 신호인가회로부; 상기 제어신호에 의하여 상기 트랜지스터를 통해 전달되는 전기 신호를 증폭하는 신호증폭소자; 상기 신호증폭소자에서 증폭된 신호를 멀티플렉싱(multiflexing)하는 멀티플랙서(multiflexer); 및 멀티플랙싱된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부(analog-digital converter, ADC)를 포함 한다.
본 발명은 주기율표상의 6족에 해당하는 칼코젠 소재를 이용한 전자부품소자, 예를 들어 박막 트랜지스터를 사용하여 구성되며, 이와 관련한 종래 기술들을 검토하기로 한다.
[종래기술1]
이상수, 김경암, 송기봉, 조두희, 서정대, "레이저 어닐링을 이용한 GST 박막 기반의 스위칭 소자 개발," Photonics Conference, 2006.
종래기술1은 Ge2Sb2Te5(GST)의 단일 박막상에 레이저 어닐링을 통해 형성한 p+-p-p+ 형의 MOS-형 박막 트랜지스터를 개시한다. 또한, 제작된 소자의 전류-전압특성은 일반적인 트랜지스터와 유사한 스위칭 성능을 가짐을 보여준다. 본 명세서에서 설명하는 본 발명의 일 실시예의 구성부분에서, 특히 신호 저장부에서 상술한 종래기술1에서 개시된 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다.
[종래기술2]
김경암, 조규만, 송기봉, "CuInSe2를 이용한 광 박막 형 트랜지스터의 제작 및 특성," 광정보처리기술 워크샵, p63-65, 2006.
종래기술2는 태양전지에 널리 사용되고 있는 CuInSe2(CIS)와 InSe을 이용하여 p-n 접합을 형성하고, 이러한 p-n 접합을 이용하여 광 반응성이 우수한 박막 트랜지스터 소자의 설계 및 제작에 관하여 개시한다. 본 명세서에서 설명하는 본 발명의 일 실시예의 구성부분에서, 특히 신호 저장부에서 상술한 종래기술2에서 개시 된 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다.
[종래기술3]
송기봉 외, 한국특허출원 제2005-124174호, 미국특허출원 제11/481599호, "칼코제나이드계 원소를 포함하는 칼코젠 Photo-TFT,"
종래기술3은 칼코젠 원소를 이용한 MOS 구조의 박막 트랜지스터를 구성하는 방법을 개시한다. 이에 따라 제작된 TFT 소자는 빛의 조사에 의한 전류-전압특성의 변화가 뚜렷하게 나타났다. 본 발명에서의 결과물의 구성부 중, 신호 저장부는 상기 기술에서 제안한 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/ 또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전자의료 영상장치(10)의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전자의료 영상장치(10)는 신호 생성부(100), 신호 생성부(100)의 일면에 접촉하여 전기 신호를 인가하는 전원(150), 신호 생성부(100)와 접촉하는 신호 저장부(200), 및 신호 저장부(200)와 접촉하는 신호 변환부(300)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 상기 신호 생성부(100), 신호 저장부(200), 및 신호 변환부(300)는 순차적으로 형성된 층상구조일 수 있으며, 신호 생성부(100)부터 신호 저장부(200), 그리고 신호 변환부(300)의 순서로 적층되도록 형성하거나 또는 그 반대의 순서로 적층되도록 형성할 수 있다. 신호 생성부(100), 신호 저장부(200), 및 신호 변환부(300)의 구조 및 작용에 관한 상세한 설명은 각각 분리하여 하기에 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 신호 생성부(100)의 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 신호 생성부(100)는 제1 전극(110), 절연층(120), 및 흡수층(130)을 포함한다. 제1 전극(110)은 신호 생성부(100)에 전기 신호를 인가하는 전원(150)과 접촉된다. 절연층(120)은 제1 전극(110)의 하측에 형성되어, 외부로부터 신호 생성부(100) 내에 유입되는 전자-정공을 차단한다. 예를 들어, 전원(150)에서 인가된 전기 신호에 의하여 제1 전극(110)에 유입된 전자 또는 정공이 절연층(120) 하측에 형성된 흡수층(130)으로 유입되는 것을 방지한다. 그러나, 전원(150)에서 인가된 전기 신호에 의한 외부 전기장이 흡수층(130)에 영향을 미치도록 한다. 이는 통상적인 캐패시터(capacitor)의 원리와 유사하다.
흡수층(130)은 외부에서 조사된 광, 예를 들어 X-선을 흡수한다. 그러므로, 상술한 제1 전극(110) 및 절연층(120)은 조사된 광, 예를 들어 X-선이 투과할 수 있도록 이에 적절한 재료 또는 구조를 가져야 한다. 따라서, 전자의료 영상장치(10)의 신호 생성부(100)에 광, 예를 들어 X-선이 조사되면, 흡수층(130)은 상기 광 에너지를 흡수하여 전자-정공 쌍들(electron-hole pairs)을 생성한다. 흡수층(130)은 비정질(amorphous)의 순수한 셀레늄(Se)을 포함할 수도 있고, 또는 주기율표 상의 VIB 족인 칼코젠(chalcogen)을 포함하는 화합물, 예를 들어 CdTe 또는 CdZnTe을 포함할 수 있다.
흡수층(130)에서 광조사에 의하여 생성된 전자-정공 쌍들은 상술한 바와 같이 전원(150)으로부터 제1 전극(110)에 인가된 전기 신호에 의하여 서로 분리되어 흡수층(130)의 상측과 하측으로 각각 이동하게 된다. 예를 들어, 전원(150)의 +극이 제1 전극(110)에 연결된 경우에는, 흡수층(130)의 전자-정공 쌍들 중에 전자는 흡수층(130)의 상방으로 이동하고, 정공은 흡수층(130)의 하방으로 이동한다. 이러한 전자-정공의 이동은 도 2에 개략적으로 도시되어 있다.
도 3은 도 1의 신호 저장부(200)의 개략적인 단면도이다.
도 3을 참조하면, 신호 저장부(200)는 그 내부에 차폐층(blocking layer, 210), 제2 전극(220), 및 소자층(230)을 포함한다. 차폐층(210), 제2 전극(220), 및 소자층(230)은 기판(240)으로부터 통상적인 적층방법에 의하여 형성될 수 있다. 기판(240)은 투명한 재질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 유리(glass) 기판 또는 석영(quartz) 기판을 사용할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위하여 차폐층(210), 제2 전극(220), 및 소자층(230)의 역할을 중심으로 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 신호 저장부(200)는 신호 생성부(100)의 하측에 위치할 수 있다. 즉, 신호 저장부(200)의 최 상측에 형성된 차폐층(210)이 신호 생성부(100)의 최 하측에 형성된 흡수층(130)의 하측에 위치한다. 차폐층(210)과 흡수층(130)의 사이에는 다른 기능을 제공하는 하나 또는 그 이상의 제3 층이 더 형성될 수도 있다. 차폐층(210)은 신호 생성부(100)의 흡수층(130)에서 광 에너지, 예를 들어 X-선 에너지를 흡수하여 형성되고 전원(150)에서 인가된 전기 신호에 의하여 분리된 전자-정공쌍 중의 한 종류의 전하만을 신호 저장부(200) 내로 유입되도록 다른 종류의 전하를 차폐한다. 예를 들어, 차폐층(210)은 신호 저장부(200)내로 전자의 유입은 차폐하고 정공의 유입만을 허용할 수 있다. 또는 그 반대로 정공의 유입은 차폐하고 전자의 유입만을 허용할 수 있다. 제2 전극(220)은 차폐층(210)과 소자층(230)과의 전기적 접촉을 위하여 형성되며, 차폐층(210)을 통해 유입된 전하, 예를 들어 정공이 제2 전극(220)을 통하여 소자층(230)내의 캐 패시터(232)에 저장된다.
도 3에서는 차폐층(210)과 제2 전극(220)을 소자층(230)의 표면으로부터 돌출된 형상으로 도시되고, 소자층(230)의 일부 영역이 노출된 형상으로 신호 저장부(200)가 도시되어 있으나, 이는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 3의 신호 저장부(200)는 본 발명의 특징을 명확하게 설명하기 위하여, 하기에 설명하는 단위 셀(235)에 대응하여 기능하는 차폐층(210)과 제2 전극(220)을 분리하여 도시하였다. 즉, 차폐층(210)과 제2 전극(220)이 형성되지 않은 소자층(230)의 노출된 영역 상에는 예를 들어 통상적인 소자분리막과 같은 구조가 형성되어, 차폐층(210)과 제2 전극(220)과 함께 평탄한 표면을 형성할 수도 있다.
소자층(230)은 기판(240) 상에 형성된 복수의 단위 셀(235)을 포함한다. 도 3에서 점선으로 도시된 단위 셀(235)은 하나의 캐패시터(232)와 하나의 트랜지스터(234)를 포함한다. 그러나, 이는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 하나의 단위 셀(235)은 트랜지스터, 캐패시터, 또는 저항 등의 전기적 단위 소자를 더 포함할 수도 있다. 또한, 트랜지스터(234)는 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)일 수 있다. 이러한 트랜지스터(234)는 Ge2Sb2Te5(GST) 또는 CuInSe2(CIS)를 포함하는 박막 트랜지스터일 수 있으며, 이에 대한 형성 방법은 하기에 상세하게 설명하기로 한다. 또한, 상술한 단위 셀(235)은 기판(240)의 평면 상에서 가로 및 세로방향으로 복수개 배열한 2차원 어레이(array)를 구성하도록 형성될 수 있다. 또한, 상술한 2차원 어레이는 반드시 모든 단위 셀(235)이 동일한 평면 상에 형성되는 것으로 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 제2 전극(220)을 통하여 캐패시터(232)에 저장된 전하, 예를 들어 정공은 제어 신호에 의하여 스위칭되는 트랜지스터(234)를 통해 신호 저장부(200) 하측에 위치하는 신호 변환부(300)로 전달된다.
도 4는 도 1의 신호 저장부(200)와 신호 변환부(300)의 연결상태를 도시한 회로도이다.
도 4를 참조하면, 신호 변환부(300)는 신호 저장부(200) 내의 단위 셀, 즉 트랜지스터(234)에 제어 신호를 인가하는 신호인가회로부(310), 상기 제어신호에 의하여 트랜지스터(234)를 통해 전달되는 전기 신호를 충분한 크기로 증폭하는 신호증폭소자(320), 신호증폭소자(320)로부터 출력되는 신호를 멀티플랙싱(multiflexing)하는 멀티플랙서(multiflexer, 330), 및 멀티플랙싱된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부(analog-digital converter, ADC, 340)를 포함한다.
도 4를 참조하여, 신호 변환부(300)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 신호인가회로부(310)는 신호 저장부(200)의 트랜지스터(234) 어레이 내의 트랜지스터(234)에 제어신호를 제1 라인(312)을 통하여 각각 인가하여, 각각의 트랜지스터(234)에 대응하는 캐패시터(234)에 저장된 전하, 예를 들어 정공을 제2 라인(322)을 통하여 신호증폭소자(320)로 전달한다. 제1 라인(312)은 통상적인 어드레스 라인(address line), 및 제2 라인은 비트 라인(bit line)과 유사한 기능을 수행할 수 있다. 신호증폭소자(320)는 전달받은 상기 전기 신호를 충분한 크기로 증 폭하여 멀티플랙서(330)로 전송하고, 멀티플랙서(330)는 상기 증폭된 신호를 아날로그-디지털 변환부(340)로 전송한다. 아날로그-디지털 변환부(340)는 전송받은 전기 신호, 즉 아날로그 신호를 디지털 신호로 인코딩함에 의하여 영상신호로 변경하여, 출력장치(미도시), 예를 들어 디스플레이 장치, 인쇄 장치, 저장 장치 등으로 전송한다.
또한, 아날로그-디지털 변환부(340)는 디지털 시그널 프로세서(digital signal processor, DSP)를 포함할 수 있고, 상술한 아날로그 신호는 디지털 시그널 프로세서에 의하여 처리되어 출력장치로 전송될 수 있다. 디지털 시그널 프로세서는 명칭 그대로 디지탈 신호를 처리하기 위해 만든 중앙처리장치(central processing unit, CPU)로서 빠른 속도의 아날로그 신호를 디지털적으로 처리하기 위해서 만들어진 마이크로 프로세서이다. 일반적으로 통칭되는 마이크로 프로세서가 디지탈 신호만을 처리할 수 있는 것에 비해, 디지털 시그널 프로세서는 아날로그 신호를 고속으로 처리할 수 있도록 여러 가지 장치가 있으며, 예를 들어 내부에 곱셉기, 부동소숫점 연산기를 하드웨어적 설계로 포함할 수 있다. 또한, 아날로그 신호도 직접 처리할 수 있도록 아날로그 입출력 포트를 칩 속에 내장할 수도 있다. 따라서, 고속의 아날로그 신호 처리가 가능함을 강조하기 위하여, 비록 마이크로 프로세서의 일종이기는 하나 디지털 신호만을 처리할 수 있는 통상적인 마이크로프로세서와 구별하여 디지털 시그널 프로세서라 부른다. 디지털 시그널 프로세서의 사용방법이나 프로그래밍 방법도 마이크로 프로세서와 거의 같으나, 프로그램에 의해 하나하나의 명령이 패치되면서 해석되고 움직이는 특징이 있다. 디지털 시그널 프로세서의 가장 큰 특징은 실시간으로 매우 빠른 연산을 수행할 수 있다는 것이다. 특히 매우 많은 정수 및 부동소수점 수치의 연산이 필요한 디지털 신호처리의 경우에 많이 사용된다. 하나의 클록에 하나 이상의 명령의 실행이 가능하고, 명령을 고속으로 처리하기 위하여 RISC 설계 및 하바드 구조를 사용하고 있다. 또한 명령처리 효율을 높이기 위해 내부에 레지스터를 많이 가지고 있으며, 대부분의 연산이 상기 레지스터를 중심으로 수행되는 구조의 특징을 가진다. 또한, 내부에 2단계 메모리 구조를 가지고 있어 처리속도를 더 빠르게 할 수 있다.
이하에서는, 신호 저장부(200)에 포함된 트랜지스터(234)의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 상술한 바와 같이, 트랜지스터(234)는 칼코젠 원소를 포함하여 형성할 수 있으며, 예를 들어 Ge2Sb2Te5(GST) 또는 CuInSe2(CIS)를 포함하는 박막 트랜지스터일 수 있다. 또한, 트랜지스터(234)는 상술한 종래기술1 내지 종래기술3에 개시된 박막 트랜지스터 및 그 제조방법을 적용하여 형성한 트랜지스터일 수 있다.
이하에서는, 트랜지스터(234)의 적용 가능한 예로서 GST를 포함하는 정 스테거드형(normal staggered type) 박막 트랜지스터 및 CIS를 포함하는 역 스테거드형(inverted staggered type) 박막 트랜지스터 및 그 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 또한, 이는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 따라서 CIS를 포함하는 정 스테거드형 박막 트랜지스터 및 GST를 포함하는 역 스테거드형 박막 트랜지스터도 하기에 기술하는 형성방법에 의하여 구현 가능하며, 또한 본 발명 의 사상적 범위에 포함됨은 명백할 것이다. 여기서 정 스테거드형은 기판에 대하여 광전도층 상에 게이트 전극이 형성된 것이며, 역 스테거드형은 기판에 대하여 게이트 전극 상에 광전도층이 형성된 것이다.
도 5는 도 1의 신호 저장부에 형성되는 정 스테거드형 박막 트랜지스터(234a)를 도시하는 단면도이다.
정 스테거드형 박막 트랜지스터(234a)는 기판(500) 상에 액티브층(active layer, 510)이 형성된다. 기판(500)은 투명한 재료로 형성할 수 있으며, 예를 들어 유리(glass) 기판 또는 석영(quartz) 기판을 사용할 수 있다. 특히, 유리 기판은 하기에 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.
이하에서 설명하는 기판(500) 상에 형성되는 여러 층들은 일반적으로 상술한 통상의 증착방법 및 패터닝 방법을 이용하여 형성할 수 있음은 본 발명의 기술 분야의 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 특징을 명확하고 간결하게 개시하기 위하여 생략하기로 한다.
액티브층(510)은 소스 및 드레인 간의 채널이 형성되는 층으로서 칼코게나이드 원소를 포함하는 GeTe-Sb2Te3(GST)막으로 구성하며, 상기 GST막은 광전도 효율이 매우 우수하므로 광전도층이라 부르기도 한다. 즉, 광전도층은 광에 대해 반응하고 광을 흡수하여 광전류를 발생시키는 광전도성 박막이다. GST막은 레이저 혹은 열에너지에 의해 비정질 상태(amorphous state)에서 결정질 상태(crystalline state), 또는 그 반대로의 상변화가 가능한 박막으로 형성할 수 있다.
기판(500) 상에는 액티브층(510)과 연결되도록 소스/드레인 전극(520)이 형성되어 있다. 소스/드레인 전극(520)은 금속막, 예를 들어 금(Au) 또는 알루미늄(Al)을 포함하는 금속막일 수 있다. 액티브층(510) 상에는 게이트 절연막(530)이 형성된다. 게이트 절연막(530)은 칼코게나이드계 절연막, 예컨대 As2S3막 또는 유기물막으로 구성될 수 있으며, 예를 들어 투명한 PMMA(poly methyl methcrylate)막일 수 있다. 게이트 절연막(530)은 상기 액티브층(510)을 구성하는 GST막과의 좋은 접촉을 유지하고, 제조 공정중에 GST막의 성질을 변화시키지 않는 역할을 수행한다.
게이트 절연막(530) 상에는 광전도층(510)에 흐르는 광전류의 온-오프(on-off)하는 게이트 전극(540)이 형성된다. 게이트 전극(540)은 금속막, 예를 들어 금(Au) 또는 알루미늄(Al)을 포함하는 금속막일 수 있다. 게이트 전극(540)이나 소스/드레인 전극(520)을 구성하는 금속막은 일반적으로 불투명하지만, 투명한 금속막을 사용할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 광전도층(510)을 구성하는 재료로 GST 대신 CIS를 사용할 수도 있고, 광전도층(510)은 하기에 기술하는 방법에 의하여 형성된 n-형 CIS층과 p-형 CIS층의 복합막을 포함할 수도 있다.
도 6은 도 1의 신호 저장부에 형성되는 역 스테거드형 박막 트랜지스 터(234b)를 도시하는 단면도이다.
이하에서 설명하는 기판(600) 상에 형성되는 여러 층들은 일반적으로 상술한 통상의 증착방법 및 패터닝 방법을 이용하여 형성할 수 있음은 본 발명의 기술 분야의 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 특징을 명확하고 간결하게 개시하기 위하여 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 기판(600) 상에 게이트 전극(610)을 형성한다. 기판(600)은 투명한 재료로 형성할 수 있으며, 예를 들어 유리(glass) 기판 또는 석영(quartz) 기판을 사용할 수 있다. 게이트 전극(610)은 도전성을 가지는 물질, 예를 들어, 도전성 폴리 실리콘, ITO(indium-tin oxide), 또는 금(Au)이나 알루미늄(Al) 등의 금속 등을 증착하여 형성할 수 있다.
게이트 전극(610) 및 기판(600)의 노출된 영역 상에 절연층(620)을 형성되어 있다. 절연층(620)은 예를 들어 실리콘 산화물(SiO2)로 형성될 수 있으며, 또는 유기물 고분자 PMMA(poly methyl methcrylate)으로 형성할 수도 있다. 절연층(620)은 게이트 전극(610)과 이후에 형성되는 CIS을 포함하는 액티브층(630)과의 좋은 접촉을 유지하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 실리콘 산화물(SiO2)로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 절연층(620)의 두께는 2000 내지 5000Å의 범위일 수 있다. 그러나, 절연층(620)을 형성하는 재료와 그 두께는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
절연층(620) 상에 패터닝되고 CIS를 포함하는 액티브층(630)이 형성되어 있 다. 도 6에는 다른 도전형을 갖는 복수의 액티브층(630)으로 도시되어 있으나, 이는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 액티브층(630)이 도전형을 갖지 않거나, 또는 하나의 도전형만을, 예를 들어 n-형 또는 p-형을 가질 수 있다. 또한, 제1 도전형 액티브층(632)이 n-형이고 제2 도전형 액티브층(634)이 p-형이거나, 또는 그 반대일 수도 있다. 액티브층(630)을 형성하는 방법, 특히 선택한 도전형을 갖는 액티브층(630)을 형성하는 방법은 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 액티브층(630)과 노출된 절연층(620)을 덮는 도전층(650)이 형성되어 있다. 도전층(650)은 도전성을 가지는 물질, 예를 들어, 도전성 폴리 실리콘, ITO(indium-tin oxide), 또는 금(Au)이나 알루미늄(Al) 등의 금속 등을 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 도전층(650)의 두께는 500 내지 4000Å의 범위일 수 있다. 그러나, 도전층(650)을 형성하는 재료와 그 두께는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 게이트 전극(610)에 대응하는 위치에 액티브층(630)을 노출하도록 트렌치(655)가 형성된다. 트렌치(655)에 의하여, 도전층(650)은 분리되어 소스/드레인 전극(650)을 형성한다.
상기 액티브층(630)은 전기적인 채널이 형성되는 층으로서, 일반적인 트랜지스터와같이 게이트 전극에 전압을 가함에 의하여 채널이 형성된다. 또한, 상기 CIS를 이용한 박막 트랜지스터(234b)는 상기 액티브층(630)은 광을 조사함에 의하여 채널이 형성될 수도 있다. 이는 CIS가 가지는 우수한 광 반응성에 기인하는 것으로서, 상기 액티브층(630)에서 빛 에너지를 흡수하여 전자-정공 쌍들(electron- hole pairs)이 생성되고 이동하여, 소스/드레인 전극(650) 간의 전기적인 저항을 감소시키기 때문이다. 또한, 상술한 바와 같이, 액티브층(630)을 구성하는 재료로 CIS 대신 GST를 사용할 수도 있다.
소스 및 드레인 전극(650) 및 트렌치(655)의 내부를 덮는 패시베이션층(660)을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 도 6의 CIS를 포함하는 액티브층(630)을 형성하는 일 방법을 예시적으로 상세하게 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS를 포함하는 액티브층(630)의 제조방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 먼저 통상의 텅스텐(W) 보트를 포함하는 열증착 장치 내에 인듐(In)과 셀레륨(Se)을 포함하는 제1 합금과 구리(Cu)와 셀레늄(Se)을 포함하는 제2 합금을 준비한다(S10). 상기 제1 합금은 예를 들어 예를 들어 In2Se3일 수 있으며, 상기 제2 합금은 Cu2Se3일 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 열증착 장치 내에 기판을 탑재한다(S20).
이어서, 상기 기판의 온도를 제1 온도로 가열하여 유지한다(S30). 상기 제1 온도로 유지되는 상기 기판 상에 제1 박막을 형성하기 위하여, 상기 제1 합금을 증발시킨다(S40). 상기 제1 온도는 150 내지 350℃의 범위일 수 있다. 이에 따라 상기 기판 상에는 상기 제1 합금을 포함하는 박막, 예를 들어 In2Se3을 포함하는 박막이 형성된다.
이어서, 상기 기판의 온도를 제2 온도로 가열하여 유지한다(S50). 상기 제2 온도로 유지되는 상기 기판 상에 CuInSe2(CIS) 박막을 형성하기 위하여, 상기 제2 합금을 증발시킨다(S60). 상기 제2 온도는 상기 제1 온도와 같거나 또는 높을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 온도는 400 내지 550℃의 범위일 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 바와 같이 상기 제2 합금은 Cu2Se3일 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 합금을 포함하는 박막, 예를 들어 In2Se3 박막이 형성된 상기 기판 상에는 증발된 제2 합금이 상기 제1 합금과 반응하여 CIS 박막, 즉 액티브층(630)을 형성한다.
이어서, 상기 기판을 냉각하면서 상기 제1 합금을 다시 증발시킨다(S70). 이는 상기 기판의 표면에 Cu2 - xSe의 형성을 방지하기 위하여 수행하는 선택적인 공정이다. 이 경우에 다시 증발시키는 제1 합금의 양은 이전 단계에서 증발되는 제1 합금의 양에 비하여 상대적으로 매우 소량이다. 상술한 공정을 수행하여, 박막형 트랜지스터 및 광 박막형 트랜지스터에 적용하기에 적합한 얇은 n-형 CIS 및/또는 p-형 CIS 박막이 형성된다. 그러나, 상술한 n-형 CIS막 및 p-형 CIS막의 형성방법은 예시적이며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 제조방법에 의하여 형성되는 CIS 박막은 상기 제1 합금과 제2 합금의 상대적인 비율에 따라 다른 전도도를 가지게 된다. 즉, 제1 합금과 제2 합금의 상대적인 비율, 예를 들어 In2Se3/Cu2Se3 비율이 0.1 내지 0.5의 범위(0.1≤ In2Se3/Cu2Se3 비율≤0.5)인 경우에는 상기 CIS 박막은 p-형의 전도도를 가진다. 반면, In2Se3/Cu2Se3 비율이 0.6 내지 0.9의 범위(0.6≤In2Se3/Cu2Se3 비율≤0.9)인 경우에는 상기 CIS 박막은 n-형의 전도도를 가진다. 즉, In2Se3의 상대적 양이 많을수록 n-형 반도체가 될 수 있는 경향이 증가하며, Cu2Se3의 양이 많을 수 록 p-형 반도체가 될 수 있는 경향이 증가한다. 이에 따라, 형성된 박막의 캐리어 종류 및 농도가 달라진다. 상술한 바와 같이, In2Se3/Cu2Se3 비율에 따라 형성되는 CIS의 캐리어 종류 및 농도에 대한 실험값이 표 1에 정리되어 있다.
| 일련번호 | In2Se3/Cu2Se3 비율 | 도핑 형태 | 캐리어 농도 |
| 1 | 0.75 | n-형 | -5x1011 |
| 2 | 0.6 | n-형 | - |
| 3 | 0.5 | p-형 | +5.2x1016 |
| 4 | 0.33 | p-형 | +7x1016 |
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명의 전자의료 영상장치는, X-선 신호를 흡수하는 신호흡수층을 Se이나 CdTe, CdZnTe등의 칼코젠 소재를 사용하여 형성하고, 또한, X-선 정보를 저장하는 신호 저장부를 구성하는 박막 트랜지스터를 GST 또는 CIS 등의 칼코젠 물질을 이용 하여 형성한다.
본 발명의 전자의료 영상장치는, 투시에 의하여 내부를 보려고 하는 매체에 X-선을 조사하고, 상기 매체에 의하여 변화된 X-선의 에너지를 디지털 영상신호 처리하여 디지털화된 영상신호로서 디스플레이 등에 표시할 수 있다. 이에 따라, X-선 필름을 사용할 필요가 없어 사용비용을 대폭 감소할 수 있으며, X-선에 민감하게 반응하는 칼코젠 소재를 사용하여, 보다 정밀한 투시가 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 제조 공정에 있어서, 박막 트랜지스터를 저온 공정에서 형성할 수 있고, 저가의 유리 기판을 사용할 수 있고, 이온 주입공정이 필수적이지 않으므로 경제적이다.
Claims (19)
- 외부에서 조사되는 광 에너지를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍들이 형성되는 신호 생성부;상기 전자-정공 쌍들을 전자와 정공으로 각각 분리하고 그 극성에 따라 상기 신호 생성부 내의 서로 반대 측에 밀집되도록, 상기 신호 생성부의 일면에 접촉하여 전기 신호를 인가하는 전원;상기 신호 생성부에 접촉하며, 분리된 상기 전자 또는 정공 중의 한 종류를 유입하여 저장하는 신호 저장부; 및신호 저장부에 접촉하며, 상기 신호 저장부에 제어신호를 인가하여 상기 신호 저장부에 저장된 전하에 의한 전기 신호를 전달받아 영상신호로 변환하는 신호 변환부를 포함하고,상기 신호 생성부는, 상기 외부에서 조사되는 광 에너지를 흡수하여 전자-정공 쌍들이 생성되고, 상기 전원에서 인가된 전기신호에 의하여 상기 전자-정공 쌍들을 전자와 정공으로 각각 분리되어 서로 반대 측에 밀집되고, 칼코젠을 포함하는 흡수층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 신호 생성부, 신호 저장부, 및 신호 변환부는 순차적으로 형성된 층상구조인 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 신호 생성부는:상기 전원의 전기신호를 상기 신호 생성부에 인가되도록 상기 전원과 전기적으로 연결된 제1 전극; 및상기 제1 전극의 하면에 형성되어 상기 전원으로부터 유입되는 전하를 차단하는 절연층;을 포함하고,상기 흡수층은 상기 절연층의 하면에 형성되는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 흡수층은 비정질(amorphous)의 순수한 셀레늄(Se)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 흡수층은 CdTe 또는 CdZnTe을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 신호 저장부는,상기 신호 생성부 내에서 분리된 상기 전자 또는 정공 중의 한 종류의 유입을 허용하는 차폐층;상기 차폐층과 전기적으로 접촉된 제2 전극;상기 제2 전극과 전기적으로 접촉되고 상기 차폐층을 통하여 유입된 한 종류의 전하를 저장하는 캐패시터와 상기 캐패시터와 연결된 트랜지스터로 구성된 단위 셀을 복수 개 포함하는 소자층;상기 차폐층, 상기 제2 전극 및 상기 소자층이 형성된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 기판은 유리(glass) 또는 석영(quartz)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 단위 셀은 하나 또는 그 이상의 전기적 단위 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 소자층은 상기 단위 셀을 가로 및 세로방향으로 각각 복수 개 배열된 2차원 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 소자층에 포함된 상기 트랜지스터는,상기 기판 상에 칼코젠(chalcogen) 물질을 포함하여 형성된 액티브층(active layer);상기 액티브층의 양측에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극;상기 액티브층 상에 형성된 게이트 절연막; 및상기 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 11 항에 있어서, 상기 액티브층에 포함된 칼코젠 물질은 Ge2Sb2Te5(GST) 또는 CuInSe2(CIS)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 소자층에 포함된 상기 트랜지스터는,상기 기판의 일부 영역 상에 형성된 게이트 전극;상기 기판과 상기 게이트 전극을 덮는 절연막;상기 게이트 전극이 형성된 영역 상을 덮도록 상기 절연막 상에 형성된 칼코젠 물질을 포함하여 형성된 액티브층; 및상기 액티브층의 양측에 형성된 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 액티브층에 포함된 칼코젠 물질은 Ge2Sb2Te5(GST) 또는 CuInSe2(CIS)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 액티브층은 상기 CIS를 포함하고, In2Se3과 Cu2Se3을 이용하여 형성한 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 15 항에 있어서, 상기 액티브층의 도전형은 In2Se3과 Cu2Se3의 상대적인 몰(mole) 비율에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 In2Se3과 Cu2Se3의 상대적인 몰 비율이 0.1 내지 0.5의 범위인 경우에는, 상기 액티브층은 p-형의 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 16 항에 있어서, 상기 In2Se3과 Cu2Se3의 상대적인 몰 비율이 0.6 내지 0.9의 범위인 경우에는, 상기 액티브층은 n-형의 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 신호 변환부는,상기 신호 저장부의 트랜지스터에 제어신호를 인가하는 신호인가회로부;상기 제어신호에 의하여 상기 트랜지스터를 통해 전달되는 전기 신호를 증폭하는 신호증폭소자;상기 신호증폭소자에서 증폭된 신호를 멀티플렉싱(multiflexing)하는 멀티플랙서(multiflexer); 및멀티플랙싱된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환부(analog-digital converter, ADC)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자의료 영상장치.
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