KR101413273B1 - 광 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

광 검출 장치는 베이스 기판 위에 구비되어 외부로부터 제공되는 자외선을 가시광선으로 변경시키는 신틸레이터, 상기 가시광선을 제공받아 양단부에 서로 다른 극성으로 도전되는 광전소자, 상기 광전소자와 전기적으로 연결되어 상기 광전소자를 바이어싱하는 바이어스 라인, 및 상기 광전소자로부터 제공되는 전류를 외부로 제공하는 배선을 포함한다. 상기 광전소자는 적어도 하나의 비결정질 반도체층 및 각각 100 옹스트롬 이하의 직경을 갖는 다수의 결정을 포함하는 적어도 하나의 결정질 반도체층이 구비된 진성 반도체층, 진성 반도체층을 사이에 두고 서로 마주보는 위치에 제 1 도전형 반도체 및 제 2 도전형 반도체를 포함한다. 결정질 반도체층 및 비결정질 반도체층은 상호 교호적으로 위치하여 결정질 반도체층에서 반사된 광은 비결정질 반도체층에서 광전효과를 일으키는데 사용될 수 있다. 그 결과 광전소자의 광전효율이 향상되고, 상기 광전소자를 포함하는 상기 광 검출 장치의 광 감지 효율이 향상될 수 있다.

Description

광 검출 장치{LIGHT DETECTING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 포토 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 결정실 실리콘층의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 포토 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 포토 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 5은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광검출 장치의 평면도이다.
도 6은 도 5의 I-I'을 절취한 부분을 나타낸 단면도이다.
도 7는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광검출 장치의 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광검출 장치의 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 -- 결정질 실리콘층 160 -- 비결정질 실리콘층
200a -- 진성 실리콘층 300 -- P형 실리콘층
400 -- N형 실리콘층 450 -- 반사층
500a -- 포토 다이오드 600 -- 베이스기판
610 -- 게이트전극 640 -- 제 1 전극
630 -- 제 2 전극 670 -- 절연층
700 -- 신틸레이터 705 -- 광 튜브
730 -- 도광필름 740 -- 반투과판
1000a -- 광검출 장치 PE_P -- 광전부
ROL -- 리드아웃 라인 GL -- 게이트라인
T -- 박막 트랜지스터
본 발명은 광전소자를 포함하는 광검출 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광 감지 효율이 향상된 광검출 장치에 관한 것이다.
광전소자는 광에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로, 상기 광전소자는 외부로부터 제공되는 광의 에너지를 흡수하여 광전효과를 일으키는 반도체층을 구비한다. 상기 광전소자의 광전효율은 상기 광전소자에 제공되는 광의 양 대비 상기 광전소자에 의해 생성되는 전류의 양으로 결정될 수 있다.
한편, 광검출 장치에는 다수의 광전부들이 구비되고, 각 광전부는 상기 광전소자를 구비하여 상기 광전소자로부터 제공되는 전기신호를 리딩하여 외부로부터 상기 광전부에 제공되는 광을 검출한다. 상기 광검출 장치가 의료 진단용 장치로 사용되는 경우, 상기 광검출 장치에는 엑스선을 제공받아 상기 엑스선을 가시광선 파장대의 광으로 변화시키는 신틸레이터를 더 포함할 수 있다.
상기 광검출 장치의 광을 감지하는 광검출 효율은 상기 신틸레이터의 광변환 효율과 상기 광전소자의 광전효율에 의해 결정될 수 있다. 특히, 상기 광전효율은 상기 광전소자에 제공되는 광의 에너지를 어느 정도 효율로 흡수하고, 또한 흡수된 광을 어느 정도의 효율로 광전효과를 일으키는데 사용되는지의 여부에 따라 결정된다.
본 발명의 목적은 광 감지 효율이 향상된 광검출 장치를 제공하는 데 있다.
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상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 광검출 장치는 베이스기판, 상기 베이스기판 위에 구비되고 외부로부터 광을 제공받아 양단부에 서로 다른 극성으로 도전되는 광전소자, 상기 광전소자를 바이어싱하는 바이어스 라인, 및 상기 광전소자로부터 제공되는 전류를 외부로 제공하는 배선을 포함한다.
상기 광전소자는 진성 반도체층, 상기 진성 반도체층의 일면 위에 구비되는 제 1 도전형 반도체층, 및 상기 진성 반도체층을 사이에 두고 상기 제 1 도전형 반도체층과 마주보는 제 2 도전형 반도체층을 포함하되, 상기 진성 반도체층은 적어도 하나의 비결정질 반도체층 및 각각 100 옹스트롬 이하의 직경을 갖는 다수의 결정을 포함하는 적어도 하나의 결정질 반도체층을 포함한다.
상기한 구성 요소를 포함하는 상기 광전소자는, 앞서 상술한 바와 같이, 광전효율이 향상되고, 또한, 상기 광전소자를 구비하는 상기 광검출 장치는 광감지 효율이 향상된다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 살펴보기로 한 다. 상기한 본 발명의 목적, 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련된 실시예들을 통해서 용이하게 이해될 것이다. 다만 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다양한 형태로 응용되어 변형될 수도 있다. 오히려 아래의 실시예들은 본 발명에 의해 개시된 기술 사상을 보다 명확히 하고 나아가 본 발명이 속하는 분야에서 평균적인 지식을 가진 당업자에게 본 발명의 기술 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것이다. 따라서 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다. 한편, 하기 실시예와 함께 제시된 도면은 명확한 설명을 위해서 다소 간략화되거나 과장된 것이며, 도면상에 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 포토 다이오드를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 포토 다이오드(500a)는 진성 실리콘층(200a) 및 상기 진성 실리콘층(200a)을 사이에 두고 서로 마주보는 P형 실리콘층(300) 및 N형 실리콘층(400)으로 이루어진다.
상기 P형 실리콘층(300)은 비결정질 실리콘에 붕소(B)를 도핑하여 정공(hole)의 숫자가 증가되도록 형성되고, 상기 P형 실리콘층(300)의 두께(W1)는 200 내지 1000 옹스트롬으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 N형 실리콘층(400)은 비결정질 실리콘에 인(P)을 도핑하여 전자의 숫자가 증가되도록 형성되고, 상기 N형 실리콘층(400)의 두께(W2)는 200 내지 1000 옹스트롬으로 형성되는 것이 바람직하다.
외부로부터 상기 포토 다이오드로 조사되는 광의 에너지가 최대한 손실되지 않고 상기 진성 실리콘층(200a)에서 광전효과를 일으킬 수 있도록 상기 P형 실리콘층(300)의 밴드갭 에너지는 상기 진성 실리콘층(200a)의 밴드갭 에너지보다 큰 것이 바람직하다. 상기 P형 실리콘층(300)의 밴드갭 에너지가 상기 진성 실리콘층(200a)의 밴드갭 에너지보다 크게 하기 위하여 상기 P형 실리콘층(300)에는 수소화물(hydride) 또는 탄소가 더 첨가될 수 있다.
상기 진성 실리콘층(200a)은 비결정질 실리콘층(160) 및 결정질 실리콘층(100)으로 이루어진다. 상기 결정질 실리콘층(100)은 다결정 실리콘층이되, 상기 다수의 결정들 각각은 100 옹스트롬 이하의 직경을 갖는다. 상기 결정질 실리콘층(100)에 대한 보다 상세한 설명은 도 2를 참조하여 설명된다.
본 발명의 일례에서는, 상기 비결정질 실리콘층(160)은 상기 결정질 실리콘층(100) 보다 광 에너지 흡수율이 약 3배 정도 우수하다. 그 이유는, 상기 비결정질 실리콘층(160)은, 상기 결정질 실리콘층(100)과는 달리, 결정면을 갖지 않기 때문이다. 반면, 상기 결정질 실리콘층(100)은 결정면을 가져 상기 결정면에서 광을 반사하기 때문에 광 에너지 흡수율이 상기 비결정질 실리콘층(100)보다 낮지만, 실리콘층에 흡수된 광 에너지를 이용하여 광전효과를 일으키는 효율, 소위 광전 효율은 상기 결정질 실리콘층(100)이 상기 비결정질 실리콘층(160) 보다 8배 내지 9배 정도 우수하다.
한편, 상기 비결정질 실리콘층(160)의 두께(W3)의 최대값은 1㎛ 인 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 비결정질 실리콘층(160)의 두께(W3)가 1㎛ 보다 클 때, 상기 비결정질 실리콘층(160)은 광의 대부분을 흡수할 수 있기 때문이다. 즉, 상기 비결정질 실리콘층(160)은 1㎛ 이상의 두께를 가지더라도, 상기 비결정질 실리콘층(160)이 갖는 두께에 비해 상기 비결정질 실리콘층(160)의 광전효율이 크게 향상되지 않으므로 상기 비결정질 실리콘층(160)을 1㎛ 이상의 두께를 갖도록 형성할 필요가 없다.
상기 진성 실리콘층(200a)은 전자와 정공의 개수가 거의 비슷한 상태로 형성되고, 상기 진성 실리콘층(200a)은 외부로부터 광을 제공받으면, 상기 진성 실리콘층(200a)을 구성하는 실리콘 원자는 광의 에너지를 흡수한다. 상기 실리콘 원자가 광을 흡수하면, 상기 실리콘 원자의 최외곽 전자는 여기되어 자유전자가 된다. 또한, 상기 자유전자가 생성된 상태에서 상기 P형 실리콘층(300)이 음극이 되고 상기 N형 실리콘층(400)이 양극이 되도록 상기 포토 다이오드(500a)를 바이어싱하면, 상기 자유전자는 상기 N형 실리콘층(400)으로 이동한다.
상기 진성 실리콘층(200a)에서 발생되는 광전효과의 메카니즘을 보다 상세히 설명하면, 외부로부터 제 1 광(A1)이 상기 비결정질 실리콘층(160)에 조사되면, 상기 비결정질 실리콘층(160)은 상기 제 1 광(A1)의 에너지를 흡수하여 제 1 차 광전효과를 일으켜 자유전자를 생성한다. 또한, 상기 비결정질 실리콘층(160)에 흡수되지 않고 상기 결정질 실리콘층(100) 측으로 진행하는 제 2 광(A2)은 상기 결정질 실리콘층(100)에서 제 2 차 광전효과를 일으켜 자유전자를 생성한다. 또한, 상기 결정질 실리콘층(100)에서 흡수되지 않고 상기 결정질 실리콘층(100)에서 반사된 제 3 광(A3)은 상기 비결정질 실리콘층(160)에서 제 3 차 광전효과를 일으켜 자유전자를 생성한다.
즉, 상기 포토 다이오드(500a)는 상기 비결정질 실리콘층(160)에서 흡수되지 않는 광을 이용하여 상기 결정질 실리콘층(100)에서 광전효과를 발생시킬 수 있고, 또한, 상기 결정질 실리콘층(100)에서 반사되는 광을 이용하여 상기 비결정질 실리콘층(160)에서 광전효과를 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드(500a)는 비결정질 실리콘층 또는 결정질 실리콘층의 단일층으로 이루어지는 진성 실리콘을 포함하는 포토 다이오드보다 광전 효율이 향상된다.
도 2는 도 1에 도시된 결정실 실리콘층의 부분 확대도이다.
도 2를 참조하면, 결정질 실리콘(100)은 다수의 결정들로 이루어지고, 상기 다수의 결정들 각각은 결정입계(grain boundry, 101)에 의해 서로 구분된다. 상기 결정입계(101)는 결정축(crystal axis)의 방위가 서로 다른 결정들이 만나면서 생성되고, 상기 결정입계(101)는 서로 인접한 결정의 도메인을 구분하는 경계이다.
예컨대, 제 1 실리콘 결정(102) 및 제 2 실리콘 결정(103)에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 실리콘 결정(102,103)은 서로 동일한 구조의 결정격자(crystal lattice)를 갖는다. 하지만, 상기 제 1 및 제 2 실리콘 결정(102,103) 각각의 결정축의 방위는 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 결정질 실리콘(100)을 구성하는 각 결정의 직경은 100 옹스트롬 이하이다. 예컨대, 상기 제 1 실리콘 결정(102)의 제 1 직경(D1) 및 상기 제 2 실리콘 결정(103)의 제 2 직경(D2)은 100 옹스트롬 이하이다. 상기 각 결정의 직경의 크기는 비결정질 실리콘에 대해 열처리 공정을 진행하여 상기 비결정질 실리콘을 결정화시킬 때, 상기 열처리 공정의 공정온도에 의해 조절될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 포토 다이오드를 나타낸 도면이다. 도 3을 설명함에 있어서, 앞선 실시예에서 설명된 동일한 구성요소에 대해서는 도면부호를 병기하고, 중복된 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 포토 다이오드(500b)의 진성 실리콘층(200b)은 제 1 비결정질 실리콘층(170), 제 2 비결정질 실리콘층(175), 제 1 결정질 실리콘층(110) 및 제 2 결정질 실리콘층(115)으로 이루어진다. 상기 제 1 및 제 2 결정질 실리콘층(110,115)은, 앞선 본 발명의 제 1 실시예의 결정질 실리콘층(도2의 100)과 같이, 100 이하의 직경을 갖는 결정으로 이루어진다.
상기 제 1 비결정질 실리콘층(170)의 두께(W4) 및 상기 제 2 비결정질 실리콘층(175)의 두께(W5)의 합의 최대값은 1㎛인 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 제 1 비결정질 실리콘층(170)의 두께(W4) 및 상기 제 2 비결정질 실리콘층(175)의 두께(W5)의 합이 1㎛ 이상의 두께를 가질 때, 상기 제 1 및 제 2 비결정질 실리콘층(170,175)에 조사되는 광의 대부분을 흡수할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 제 1 결정질 실리콘층(110)의 두께와 상기 제 2 결정질 실리콘층(115)의 두께의 합은 상기 제 1 비결정질 실리콘층(170)의 두께(W4) 및 상기 제 2 비결정질 실리콘층(175)의 두께(W5)의 합과 동일하거나 다를 수 있다. 즉, 상기 제 1 및 제 2 결정질 실리콘층(110,115)의 두께와 상기 제 1 및 제 2 비결정질 실리콘층(170,175)의 두께의 비율을 조절하여 상기 제 1 및 제 2 결정질 실리콘층(110,115)에서 발생되는 광전효과에 의해 생성되는 전자의 양과 상기 제 1 및 제 2 결정질 실리콘층(110,115)에서 발생되는 광전효과에 의해 생성되는 전자의 양을 조절할 수 있다.
상기 진성 실리콘층(200b)에서 발생되는 광전효과의 메카니즘을 보다 상세히 설명하면, 외부로부터 제 1 광(B1)이 상기 제 1 비결정질 실리콘층(170)에 조사되면, 상기 제 1 비결정질 실리콘층(170)은 상기 제 1 광(B1)의 에너지를 흡수하여 제 1 차 광전효과를 일으켜 자유전자를 생성한다. 또한, 상기 제 1 비결정질 실리콘층(170)에 흡수되지 않고 상기 제 1 결정질 실리콘층(110) 측으로 진행하는 제 2 광(B2)은 상기 제 1 결정질 실리콘층(110)에서 제 2 차 광전효과를 일으켜 자유전자를 생성하고, 상기 제 1 결정질 실리콘층(110)에서 반사되어 상기 제 1 비결정질 실리콘층(170) 측으로 진행하는 제 3 광(B3)은 상기 제 1 비결정질 실리콘층(170)에서 제 3 차 광전효과를 일으켜 자유전자를 생성한다.
또한, 상기 제 1 결정질 실리콘층(110)에서 흡수되지 않고 제 2 결정질 실리콘층(115) 측으로 진행하는 제 4 광(B4)은 상기 제 2 비결정질 실리콘층(175)에서 일부 흡수되어 제 4 차 광전효과를 일으키고, 상기 제 4 광(B4)의 일부는 상기 제 2 결정질 실리콘층(115)에서 흡수되어 제 5 차 광전효과를 일으킨다. 또한, 상기 제 2 결정질 실리콘층(115)에서 반사된 제 5 광(B5)은 상기 제 2 비결정질 실리콘층(175)에서 흡수되어 제 6 차 광전효과를 일으켜 자유전자를 생성한다.
즉, 상기 포토 다이오드(500b)의 진성 실리콘층에는 비결정질 실리콘층과 결정질 실리콘층이 상호 교호적으로 구비되고, 그 결과 어느 하나의 실리콘층에 도달한 광이 상기 실리콘층에서 광전효과를 일으키지 못하고 상기 광이 방사되거나 투과될 때, 상기 실리콘층의 주변에 위치한 다른 실리콘층은 상기 실리콘층 주변으로 방사되는 광을 이용하여 광전효과를 발생시킬 수 있다. 따라서, 상기 포토 다이오드(500b)는 광전효과에 의해 발생되는 전자의 수가 증가하여 광전효율이 향상된다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 포토 다이오드를 나타낸 도면이다. 도 4를 설명함에 있어서, 앞선 실시예에서 설명된 동일한 구성요소에 대해서는 참조번호를 병기하고, 중복된 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 상기 포토 다이오드(500c)는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 포토 다이오드(도3의 500b)의 구성 요소를 동일하게 포함하되, 상기 N형 실리콘층(400)을 사이에 두고 제 2 결정질 실리콘층(115)과 마주보는 반사층(450)을 더 포함한다. 상기 반사층(450)은 광을 반사하는 금속으로 이루어질 수 있고, 상기 반사층(450)의 상기 N형 실리콘층(400)을 향하는 표면은 반사 효율을 향상시키기 위하여 엠보싱 구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 반사층(450)은 제 2 결정질 실리콘층(115)으로부터 상기 N형 실리콘층(400) 측으로 진행하는 제 6 광(B6)을 반사시키고, 그 결과 상기 제 6 광(B6)은 상기 제 2 결정질 실리콘층(115)에서 광전효과를 일으킬 수 있다. 따라서, 상기 진성 실리콘층(200b)에는 제 1 광 내지 제 5 광(B1~B5)에 의한 광전효과 외에, 상기 반사층(450)에서 반사된 제 6 광(B6)에 의한 광전효과가 더 발생한다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광검출 장치의 평면도이다. 상기 광검출 장치에는 외부의 광을 이용하여 광전효과를 일으키는 다수의 광전부들이 구비되지만, 상기 다수의 광전부들은 서로 동일한 구조로 이루어지므로 도 5에서는 하나의 광전부만 예로 들어 설명함으로써 나머지 광전부들에 대한 설명은 생략한다. 또 한, 도 5를 설명함에 있어서, 앞선 실시예에서 설명된 동일한 구성요소에 대해서는 참조번호를 병기하고, 중복된 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 상기 광검출 장치(1000a)에는 다수의 광전부들, 리드아웃 라인(ROL), 바이어스 라인(BL) 및 게이트 라인(GL)이 구비된다. 또한 각 광전부(PE_P)는 신틸레이터(scintillator,700), 박막 트랜지스터(T) 및 포토 다이오드(500c)을 포함한다.
상기 신틸레이터(700)는 외부로부터 엑스선을 제공받아 상기 엑스선을 가시광선이 갖는 파장의 광으로 변경시켜 출사시킨다. 따라서, 외부의 피사체의 밀도에 따라 상기 신틸레이터(700)에 조사되는 엑스선의 광량이 변하면, 상기 신틸레이터(700)에 조사되는 엑스선의 광량에 대응하여 상기 신틸레이터(700)로부터 출사되는 가시광선의 양도 변화된다.
상기 포토 다이오드(500c)는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 포토 다이오드(도4의 500c)와 동일한 구성을 갖는다. 상기 포토 다이오드(500c)는 상기 신틸레이터(700)의 하부에 위치하여 상기 신틸레이터(700)로부터 광을 제공받고, 상기 광의 에너지를 이용하여 광전효과를 일으킨다. 그 결과, 상기 포토 다이오드(500c)에 전자들이 생성되고, 상기 바이어스 라인(BL)이 상기 포토 다이오드(500c)를 음의 전압으로 바이어싱하면, 상기 전자들은 상기 포토 다이오드와 전기적으로 연결된 제 1 전극(640)에 축적된다. 또한, 상기 게이트라인(GL)으로부터 게이트 전극(610)에 게이트 신호가 인가되면, 상기 제 1 전극(640)에 축적된 전하는 액티브 패턴(620) 및 제 2 전극(640)을 통해 상기 리드아웃 라인(ROL)으로 제공된다.
도 6은 도 5의 I-I'을 절취한 부분을 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 베이스기판(600) 위에 박막 트랜지스터(T)가 구비된다. 상기 박막 트랜지스터(T)는 게이트 절연막(615)에 의해 커버되는 게이트전극(610), 상기 게이트전극(610)과 오버랩되는 액티브 패턴(620), 상기 액티브 패턴(620)의 양단부와 각각 오버랩되는 제 1 전극(640) 및 제 2 전극(630)을 포함한다.
상기 베이스기판(600) 위에는 상기 박막 트랜지스터(T)와 인접하여 앞서 상술한 본 발명의 제 3 실시예에 따른 포토 다이오드와 동일한 구성을 갖는 포토 다이오드(500c)가 구비된다. 상기 포토 다이오드(500c)의 P형 실리콘층(300) 위에는 투명 도전층으로 형성된 상부 전극(660) 및 층간 절연막(650)이 구비되고, 상기 층간 절연막(650)이 부분적으로 제거되어 상기 상부 전극(660)은 상기 바이어스 라인(BL)과 전기적으로 연결된다. 또한, 상기 N형 실리콘층(450)은 상기 박막 트랜지스터(T)의 제 1 전극(640)과 전기적으로 연결되어 상기 포토 다이오드(500c)에서 생성된 전자들은 상기 제 1 전극(640)을 통해 리드아웃 라인(도5의 ROL) 측으로 제공될 수 있다.
상기 포토 다이오드(500c)는, 앞서 상술한 바와 같이, 비결정질 실리콘층과 결정질 실리콘층이 상호 교호적으로 형성된 진성 실리콘층으로 이루어져 향상된 광전효율을 갖는다. 상기 포토 다이오드(500c)의 광전효율이 향상되면, 상기 광검출 장치(도5의 1000a)는 광감지 효율이 향상된다. 또한, 상기 광검출 장치가 상기 광검출 장치로부터 제공되는 신호에 대응하여 영상을 표시하는 표시장치를 더 포함하는 경우에, 상기 광검출 장치는 감지되는 광에 대응하여 표시되는 영상의 대비도가 향상된다.
상기 광검출 장치의 광전효과에 따른 메카니즘을 보다 상세히 살펴보면, 외부로부터 엑스선(705)이 상기 신틸레이터(700) 측으로 조사되면, 상기 엑스선(705)은 상기 신틸레이터(700)에 의해 가시광선이 갖는 파장대의 광으로 변경되어 상기 포토 다이오드(500c)에 조사된다. 상기 광이 상기 포토 다이오드(500c)에 조사되면, 상기 진성 실리콘층(200b)은 상기 광의 에너지를 흡수하여 광전효과를 일으키고, 그 결과 상기 진성 실리콘층(200b)에 전자와 정공이 생성된다.
한편, 상기 바이어스 라인(BL)은 상기 포토 다이오드(500c)를 음의 전압으로 바이어싱하여 상기 전자를 상기 N형 실리콘층(400)으로 유도하고, 상기 전자는 상기 N형 실리콘층(400)과 전기적으로 연결된 상기 제 1 전극(640)으로 이동한다. 상기 게이트전극(610)에 게이트 신호가 인가되면, 상기 제 1 전극(640)에 모인 전자는 액티브 패턴(620) 및 제 2 전극(630)을 통해 리드아웃 라인(도 5의 ROL) 측으로 제공된다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 광검출 장치의 단면도이다. 도 7을 설명함에 있어서, 앞선 실시예에서 설명된 동일한 구성요소에 대해서는 도면부호를 병기하고 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 상기 광검출 장치(1000b)는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광검출 장치(1000a)가 갖는 구성요소를 모두 포함하되, 신틸레이터(700) 및 절연층(670) 사이에 구비되는 도광필름(730)을 더 포함한다.
상기 도광필름(730)은 제 1 영역(C1)에 형성된 제 1 도광부(728), 제 2 영 역(C2)에 형성된 제 2 도광부(725a) 및 제 3 영역(C3)에 형성된 제 3 도광부(725b)를 포함한다. 상기 제 1 영역(C1)은 상기 포토 다이오드(500c)가 형성된 영역과 동일 평면에 놓이는 영역으로 정의된다. 또한, 상기 제 2 및 제 3 영역(C2,C3)은 상기 포토 다이오드(500c)가 형성되지 않은 영역과 동일 평면에 놓이지 않는 영역으로 정의되되, 상기 제 2 영역(C2) 및 상기 제 3 영역(C3)은 상기 제 1 영역(C1)을 기준으로 서로 구분되는 영역이다.
한편, 상기 제 1 도광부(728), 상기 제 2 도광부(725a) 및 상기 제 3 도광부(725b) 각각은 서로 다른 물질로 형성되어 상기 제 1 도광부(728), 상기 제 2 동광부(725a) 및 상기 제 3 도광부(725b) 각각을 투과한 광의 진행 방향은 서로 다르다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 도광부(728)는 투명한 물질로 형성되고, 상기 제 1 도광부(728)는 상기 신틸레이터(700)로부터 출사되어 상기 베이스기판(600)과 수직하는 방향으로 진행하는 광의 진행 방향을 유지시켜 상기 포토 다이오드(500c)에 조사시킨다. 반면, 상기 제 2 도광부(725a) 및 상기 제 3 도광부(725b) 각각은 상기 제 1 도광부(728)보다 굴절율이 큰 물질로 형성되어 상기 제 2 및 제 3 영역(C2,C3) 측으로 진행하는 광의 진행 방향을 상기 포토 다이오드(500c) 측으로 변경시킨다.
따라서, 상기 포토 다이오드(500c)는 광전효과에 이용되는 광의 양이 증가하게 되어 상기 포토 다이오드(500c)의 광전효율이 향상되고, 그 결과 상기 광검출 장치(1000b)의 광감지 효율이 향상된다.
도 8 은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 광검출 장치의 단면도이다. 도 8을 설명함에 있어서, 앞선 실시예에서 설명된 동일한 구성요소에 대해서는 참조번호를 병기하고, 중복된 설명은 생략한다.
도 8를 참조하면, 상기 광검출 장치(1000c)에는 광튜브들(705)가 형성된 신틸레이터(700), 반투과판(740) 및 표면에 엠보싱 구조를 갖는 절연층(675)을 포함한다.
상기 신틸레이터(700)의 상기 절연층(675)과 마주보는 표면에는 상기 광튜브들(705)이 형성된다. 상기 광튜브들(705)은 일정 간격 이격되어 형성되고, 상기 다수의 광튜브(705) 각각은 원통형의 형상을 가져 상기 신틸레이터(700)으로부터 출사되는 광을 베이스기판(600)과 수직한 방향으로 진행시킨다.
또한, 상기 광튜브들(705)의 단부에는 반투과판(740)이 상기 베이스기판(600)과 나란한 방향으로 구비된다. 상기 반투과판(740)은 아크릴계 유기막으로 형성될 수 있고, 상기 반투과판(740)은 상기 반투과판(740)에 수직으로 입사되는 광의 진행 방향은 변경시키지 않고, 상기 반투과판(740)에 소정의 각도로 입사되는 광을 다시 소정 각도로 반사시킨다.
한편, 상기 절연층(675)은 상기 제 2 영역(C2) 및 상기 제 3 영역(C3)에 대응하는 부분에 엠보싱부(678)가 형성된다. 상기 엠보싱부(678)는 슬릿마스크를 이용하여 상기 절연층(675) 상에 돌기들을 형성한 후, 상기 절연층(675)을 열처리하여 형성시킬 수 있다.
상기 광검출 장치(1000c)가 상기 반투과판(740) 및 상기 엠보싱부(678)를 갖 는 상기 절연층(675)을 포함하면, 제 2 영역(C2) 및 제 3 영역(C3)에 조사되는 광(718)은 상기 엠보싱부(678) 및 상기 반투과판(740)에서 다수의 반사작용을 거쳐 상기 광(718)을 포토 다이오드(500c) 측으로 유도할 수 있다. 그 결과 포토 다이오드(500c)는 광전효과에 이용되는 광의 양이 증가하게 되어 상기 포토 다이오드(500c)의 광전효율이 향상되고, 그 결과 상기 광검출 장치(1000b)의 광감지 효율이 향상된다.
상술한 본 발명에 따르면, 광전소자는 제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층, 및 진성 실리콘층을 포함하고, 진성 실리콘층은 적어도 하나의 비결정질 반도체층과 100 옹스트롬 이하의 직경을 갖는 결정으로 이루어진 적어도 하나의 결정질 반도체층을 포함한다. 따라서, 광 에너지의 흡수율이 우수한 비결정질 반도체층과 이동도가 우수한 결정질 반도체층의 특성 모두를 이용하여 광전소자의 광전효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 광전효율이 향상된 광전소자를 구비하는 광검출 장치의 광감지 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 위에 구비되어 외부로부터 제공되는 자외선을 가시광선으로 변경시키는 신틸레이터(scintillator);
    상기 신틸레이터와 상기 베이스 기판 사이에 구비되는 도광필름;
    상기 베이스 기판 위에 구비되고, 상기 가시광선을 제공받아 양단부에 서로 다른 극성으로 도전되는 광전소자;
    상기 베이스 기판 위에 구비되고, 상기 광전소자와 전기적으로 연결되어 상기 광전소자를 바이어싱하는 바이어스라인; 및
    상기 베이스 기판 위에 구비되어 상기 광전소자로부터 제공되는 전류를 외부로 제공하는 배선을 포함하고,
    상기 광전소자는,
    진성 반도체층;
    상기 진성 반도체층의 일면 위에 구비되는 제 1 도전형 반도체층; 및
    상기 진성 반도체층을 사이에 두고 상기 제 1 도전형 반도체층과 마주보는 제 2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 진성 반도체층은,
    적어도 하나의 비결정질 반도체층; 및
    각각 100 옹스트롬 이하의 직경을 갖는 다수의 결정을 포함하는 적어도 하나의 결정질 반도체층을 포함하고,
    상기 도광필름은
    상기 광전 소자의 위치에 대응하는 제1 영역에 배치되는 제1 도광부;
    상기 제1 영역과 구분되는 제2 영역에 배치되는 제2 도광부; 및
    상기 제1 영역과 구분되는 제3 영역에 배치되는 제3 도광부를 포함하고,
    상기 제2 및 제3 도광부들 각각은 상기 제2 및 제3 영역들 측으로 진행하는 광의 진행 방향을 상기 광전 소자 측으로 변경시키는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비결정질 반도체층의 최대 두께는 1㎛인 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체층은 P형 반도체로 이루어지고, 상기 제 2 도전형 반도체층은 N형 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 비결정질 반도체층과 상기 결정질 반도체층은 상호 교호적으로 위치하고, 상기 제 1 도전형 반도체와 인접한 부분에는 상기 비결정질 반도체층이 위치하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체층의 밴드갭 에너지는 상기 진성 반도체층의 밴드갭 에너지보다 큰 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체층, 상기 제 2 도전형 반도체층 및 상기 진성 반도체층 각각은 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체층의 두께는 200 내지 1000 옹스트롬 인 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 광전소자는 상기 제 2 도전형 반도체층을 사이에 두고 상기 진성 반도체층과 마주보는 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 진성 반도체층을 향하는 상기 반사층의 표면은 엠보싱 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 비결정질 반도체층과 상기 결정질 반도체층의 두께는 서로 다른 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 도광부는 투명한 물질을 포함하고, 상기 제2 및 제3 도광부 각각은 상기 제1 도광부보다 굴절율이 큰 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  12. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 위에 구비되어 외부로부터 제공되는 자외선을 가시광선으로 변경시키는 신틸레이터(scintillator);
    상기 신틸레이터 상에 이격되어 배치되며, 상기 신틸레이터로부터 출사되는 상기 가시광선을 상기 베이스기판과 수직한 방향으로 진행시키는 광튜브들;
    상기 베이스 기판 위에 구비되고, 상기 가시광선을 제공받아 양단부에 서로 다른 극성으로 도전되는 광전소자;
    상기 베이스 기판 위에 구비되고, 상기 광전소자와 전기적으로 연결되어 상기 광전소자를 바이어싱하는 바이어스라인;
    상기 베이스 기판 위에 구비되어 상기 광전소자로부터 제공되는 전류를 외부로 제공하는 배선;
    상기 광전소자, 상기 바이어스라인 및 상기 배선을 커버하며, 상기 광전 소자의 위치와 대응하는 제1 영역, 상기 제1 영역과 구분되는 제2 및 제3 영역들 중 상기 제2 및 제3 영역들에 배치된 엠보싱부를 갖는 절연층; 및
    상기 절연층과 상기 신틸레이터 사이에 배치되며, 상기 광튜브들을 통해 입사되어 상기 엠보싱부에서 반사되는 광을 반사시키는 반투과판을 포함하고,
    상기 광전소자는,
    진성 반도체층;
    상기 진성 반도체층의 일면 위에 구비되는 제 1 도전형 반도체층; 및
    상기 진성 반도체층을 사이에 두고 상기 제 1 도전형 반도체층과 마주보는 제 2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 진성 반도체층은,
    적어도 하나의 비결정질 반도체층; 및
    각각 100 옹스트롬 이하의 직경을 갖는 다수의 결정을 포함하는 적어도 하나의 결정질 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 반투과판은 상기 반투과판에 수직으로 입사되는 광을 투과시키고, 상기 반투과판은 상기 반투과판에 소정의 각도로 입사되는 광을 반사시키는 것을 특징으로 하는 광 검출 장치.
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