KR101882856B1 - 고감도 전자센서용 트랜지스터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판과 반도체 접합면에 존재하는 공핍층에서 확산전류가 흐르는 원리를 이용하여 센서의 기능에 따라서 요구되는 다양한 패턴 제작이 가능한 고감도 전자센서용 트랜지스터 구조에 관한 것으로서, 기판; 상기 기판 위에 형성되는 게이트 전극; 상기 기판과 상기 게이트 전극 위에 형성되는 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 위에 서로 이격하여 형성되는 소스 전극부; 및 드레인 전극부;를 포함하고, 상기 소스 전극부와 드레인 전극부는, 상기 게이트 절연막 위로 상기 게이트 전극 좌우에 배치되는 소스 대표전극 및 드레인 대표전극과, 상기 소스 대표전극 및 드레인 대표전극 사이에 복수개의 소스 서브전극과 드레인 서브전극을 배열한 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터를 제공한다.

Description

고감도 전자센서용 트랜지스터{Transistor for high sensitivity electronic sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 고감도 센서제작을 위한 전기적인 신호 발생에 필요한 트랜지스터 구조에 관한 것으로서, 기판과 반도체 접합면에 존재하는 공핍층에서 확산전류가 흐르는 원리를 이용하여 센서의 기능에 따라서 요구되는 다양한 패턴 제작이 가능한 고감도 전자센서용 트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명은 확산전류를 이용한 전자센서 장치 및 전자센서 장치를 제작하기 위한 방법과 관련된다. 여기서 확산전류를 이용한 전자센서 장치들은 반도체 절연막으로써 SiOC 반도체 특성을 이용한 소자와 장치들을 말한다.
반도체 소자의 크기가 작아지면서 누설전류, 신호간섭 등으로 전력소비가 증가하는 등 SiO2 박막 절연물질의 한계로 인해 발생하는 현상들을 극복하고 nm 수준급의 반도체 크기에 맞는 THz 수준의 감도를 가질 수 있는 전자센서를 제작하기 위해서는 절연막이 비정질이어야 하고 누설전류가 낮아야 한다. SiO2 박막 절연물질의 한계로 인해 발생하는 누설전류는 공핍층을 만들어서 차단할 수 있는데, 이에 따라 공핍층으로부터 자연스럽게 형성되는 전위차에 의해서 공핍층 내에서 확산전류가 흐르게 된다. 따라서 고감도 전자센서의 개발에서 확산전류를 이용하는 것은 필수적이다.
확산전류는 SiO2 박막 절연물질의 한계를 극복할 수 있는 절연막인 SiOC 박막이 분극성을 감소시켜 유전상수가 낮아지는 효과가 있음을 이용할 수 있다. 이를 위하여, SiOC 박막을 공핍층으로 적용하여 확산전류가 발생할 수 있도록 한다.
SiOC 박막 위에 소스, 드레인 및 게이트 전극을 형성하여 트랜지스터 전자소자를 설계하면, 상기 SiOC 박막에 게이트 전압에 (-)을 걸면 반대편에 소스 드레인 전극이 있는 쪽에 (+)확산전류가 흐르고, 반대로 게이트 전압에 (+)전압을 걸면 소스 드레인 전극이 있는 반대편에 (-)확산전류가 흐르는 유전체의 자발적인 분극특성을 이용하여 전류가 통하는 양방향성 전달특성의 고감도 전자센서를 제작하는데 유용하다.
일반적으로 센서의 감도를 높이기 위해서는 미세전류감지 센서가 필요하며, THz 수준의 센서 제작에 필요한 전기신호 발생기로서 트랜지스터의 크기가 nm 수준으로 제작되어야 한다. 그러나 트랜지스터의 이동도와 문턱전압이동의 문제는 채널을 구성하는 물질의 특성에 의존하기 때문에 채널을 사용하게 되면 트랜지스터의 이동도와 문턱전압이동의 문제를 근본적으로 해결할 수 없다.
따라서 초소형의 고감도 센서를 제작하기 위해서는 확산전류가 흐르는 터널링 트랜지스터를 이용하는 것이 바람직한데, 확산전류는 매우 낮아서 실제 회로를 설계하고 제작하는데 한계가 있다.
KR 10-2016-0101350 A (2016.08.25. 공개) KR 10-1607136 B1 (2016.03.23. 등록) KR 10-1587129 B1 (2016.01.14. 등록)
따라서 전술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고감도 전자센서에 활용할 수 있도록 트랜지스터의 전류를 증가시킬 수 있는 고감도 전자센서용 트랜지스터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 확산전류 트랜지스터의 소스와 드레인 전극을 다양한 형태로 배열하여 전류를 증가시키고 감도를 높임으로써 전자센서로 활용할 수 있는 고감도 전자센서용 트랜지스터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 확산전류를 이용한 트랜지스터의 구조를 미시적인 관점에서 변경함으로써, 투명하고, 높은 이동성과 안정성을 갖는 웨어러블 전자소자, 메모리, 디스플레이, 투명디스플레이, OLED, 터치패널, 전력반도체, 통신용 반도체, 투명반도체 소자에 필요한 고감도 전자센서용 트랜지스터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고감도 전자센서에 필요한 전기신호 발생기가 nm 수준으로 작아짐에 따라, 확산전류가 흐르는 절연막과 접하는 전극배선을 이용하여 특수한 용도에 맞게 설계가 가능한 맞춤형 센서회로 제작에 필요한 다양한 금속전극패턴을 이용하여 전기신호를 만들어내는 고감도 전자센서용 트랜지스터를 제공하는데 있다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 고감도 전자센서에 필요한 전기적인 신호 발생기의 낮은 전기신호를 크게 증가시키고, 특정 목적에 맞는 센서에 적합하면서 제어 가능한 전기신호 발생을 위하여 소스 및 드레인 전극의 패턴을 직렬, 병렬, 헤어콤, 나선형 등 다양한 형태로 재구성하여 전기신호를 발생하는 고감도 전자센서용 트랜지스터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 소스 및 드레인 전극배선을 직렬, 병렬, 헤어콤 구조로 만들어서 확산전류를 크게 증폭시키는 트랜지스터로서, 게이트 절연막으로 SiOC 박막 위에 소스 및 드레인 전극이 있고, 박막 아래에 게이트 전극이 있는 구조이며, 센서가 요구되는 특성에 따라서 전류를 증가시키거나 on/off 특성을 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 전도성이 없는 플라스틱기판 혹은 유리인 경우에는 (SiOC/ITO/기판)구조 또는 전도성이 있는 실리콘 혹은 SiC 기판인 경우에는 (SiOC/기판)구조로 게이트 절연막 위에 제작되는 소스 및 드레인 전극배선이 절연막과 접합면에서 공핍층이 형성되어 확산전류가 흐르는데 있어서, 센서의 감도를 높이기 위해서 직렬, 병렬, 헤어콤, 나선형 패턴을 포함하는 다양한 전극패턴 구조로 제작되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 게이트 절연막으로 유전상수 1.0-2.5의 SiOC 박막으로 이루어져, 상기 게이트 절연막의 내부 전위장벽으로 자연 발생하는 전위차에 의한 확산전류가 양방향성 터널링 전달특성을 나타냄으로써, 높은 이동도와 고 안정성을 갖는 고감도 전자센서로 활용이 가능하다.
따라서 전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 기판; 상기 기판 위에 형성되는 게이트 전극; 상기 기판과 상기 게이트 전극 위에 형성되는 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 위에 서로 이격하여 형성되는 소스 전극부; 및 드레인 전극부;를 포함하고, 상기 소스 전극부와 드레인 전극부는, 상기 게이트 절연막 위로 상기 게이트 전극 좌우에 배치되는 소스 대표전극 및 드레인 대표전극과, 상기 소스 대표전극 및 드레인 대표전극 사이에 복수개의 소스 서브전극과 드레인 서브전극을 배열한 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 상기 복수개의 소스 서브전극과 드레인 서브전극이 상기 소스 대표전극 및 드레인 대표전극 사이에 소스 서브전극, 드레인 서브전극이 서로 이격하여 배열되되, 복수개의 소스 서브전극과 드레인 서브전극이 번갈아가며 반복하여 직렬패턴을 형성하며 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 상기 복수개의 소스 서브전극이 서로 이격되어 상기 소스 대표전극에 병렬로 배열되고, 상기 복수개의 드레인 서브전극이 서로 이격되어 상기 드레인 대표전극에 병렬로 배열되며, 상기 병렬로 배열된 복수의 소스 서브전극 및 복수의 드레인 서브전극이 서로 이격하여 대칭으로 병렬패턴을 형성하며 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 상기 복수개의 소스 서브전극이 서로 이격되어 상기 소스 대표전극에 병렬로 배열되고, 상기 복수개의 드레인 서브전극이 서로 이격되어 상기 드레인 대표전극에 병렬로 배열되되, 상기 병렬로 배열된 복수의 소스 서브전극 및 복수의 드레인 서브전극이 번갈아가며 반복하여 직렬패턴을 형성하도록 서로 이격된 공간에 삽입되어 헤어콤패턴을 형성하며 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터에 있어서, 상기 기판은, 규소(Si), 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphtalate), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌 술폰산염(Polyethylene sulfonate), 아릴라이트(Arylite), 폴리이미드(Polyimide), 폴리노르보넨(Polynorbonene) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 전극은, 알루미늄(Al), 나노와이어, 그래핀, ITO, 투명전도성 산화물(TCO)기반 투명전극, AZO, ZTO, IGZO, ZITO, SiZO, 하이브리드(복합소재) 투명전극, CNT 기반 투명전극 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 절연막의 허용 누설전류의 범위는 10-14 - 10-10 A인 것이 바람직하고, 상기 드레인 전극의 바이어스는 10-4 - 1V 범위의 전압을 인가하는 것이 바람직하며, 상기 게이트 절연막의 허용 유전상수는 0.1-2.5인 것이 바람직하다.
본 발명은 nm 수준의 회로 설계가 가능하여 THz 범위의 신호를 감지하고 전기적인 신호를 발생시키는 트랜지스터를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전극패턴을 다양하게 변형함으로써 특수한 목적의 전자센서를 비롯한 고감도 센서를 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 게이트 절연막 위에 소스와 드레인 신호선을 직렬형태로 배열하여 전기신호를 증폭시켜 전자센서의 감도를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저온에서 제조공정이 가능하며, 투명 기판을 사용하여 투명하고 플렉서블한 전자소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 누설전류감소, 높은 이동도, 문턱전압 이동현상을 제어할 수 있는 안정성을 확보함으로써, 양방향성 터널링 전달특성을 갖는 안정된 인버터와 메모리소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 상면도,
도 2는 도 1의 제1실시 예에 따른 소스 드레인 전극패턴,
도 3은 도 1의 제1실시 예에 따른 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 병렬패턴 확산전류 트랜지스터의 상면도,
도 5는 도 4의 제2실시 예에 따른 소스 드레인 전극패턴,
도 6은 본 발명의 제3실시 예에 따른 헤어콤패턴 확산전류 트랜지스터의 상면도,
도 7은 단일층 게이트 절연막을 사용한 양방향성 트랜지스터의 전달특성 그래프,
도 8은 본 발명의 제1실시 예에 따른 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성 그래프,
도 9는 도 8의 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성을 로그스케일로 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 제2실시 예에 따른 병렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성 그래프,
도 11은 도 10의 병렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성을 로그스케일로 나타낸 그래프,
도 12는 본 발명의 제3실시 예에 따른 헤어콤패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성 그래프,
도 13은 도 12의 헤어콤패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성을 로그스케일로 나타낸 그래프.
이하에서는 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 고감도 센서제작을 위한 전기신호 발생에 필요한 트랜지스터 구조에 관한 것으로서 채널층이 없는 트랜지스터의 매우 낮은 전류값으로 인해 실용화가 어려운 점을 극복하기 위하여 소스 드레인 금속전극의 구조 및 제조방법과 관련된 것이다.
일반적인 트랜지스터의 구조는 소스와 드레인 전극이 게이트 전극과 게이트 절연막에 의해서 분리되어 있으며, 소스와 드레인 사이에 채널이 형성되는 구조를 갖는다. 또한, 전류 값의 변경은 채널에 의해서 주로 제어 가능하다. 따라서 소스와 드레인 전극을 직렬, 병렬 형태로 배열하여 트랜지스터를 구성할 수가 없다.
채널층이 없는 트랜지스터는 공핍층 혹은 비정질 절연막으로 인한 전위장벽에 의한 전위차로부터 발생되는 자발분극에 의한 확산전류가 발생하면서 전자센서가 동작하게 된다. 확산전류의 전달특성으로 게이트 절연막으로서 SiOC 절연막에 (-)전압을 걸면 반대편에 (+)확산전류가 흐르고, 반대로 (+)전압을 걸면 반대편에 (-)확산전류가 흐르는 유전체의 자발적인 분극특성을 이용하여 트랜지스터의 게이트 절연막을 SiOC 박막을 사용할 경우 게이트 전극의 변화에 따라서 트랜지스터가 동시에 가능한 양방향성 트랜지스터를 얻을 수 있다.
(+)전압을 걸면 반대편에 (-)전류가 흐르는 유전체의 자발적인 분극특성은 확산전류를 형성하며, 확산전류는 드리프트 전류의 방향과 반대방향으로 작용하기 때문에 내부 전위차를 감소시키는 효과가 있다. 따라서 저 유전상수를 갖는 유전체의 자발적인 분극 특성은, 금속접촉에 의한 저항의 증가가 문제가 될 수 있는 금속/반도체 계면 사이에 SiOC 절연막을 사용할 경우, 절연막에 의한 전위장벽이 확산전류 발생시키고 확산전류는 금속에 인가되는 드리프트 전류의 방향과 반대로 작용하기 때문에 금속 접촉시 저항이 증가하는 효과가 사라지게 되며 결과적으로 금속접촉을 통하여 많은 전류가 흐르게 된다.
따라서 공핍층 수준으로 물리적 화학적 전기적으로 안정된 물성을 갖는 절연물질을 사용할 경우 확산전류는 안정적으로 발생하며, 양방향성 전달특성의 트랜지스터는 고감도 전자센서로 만들기 쉬워진다. 이러한 특성을 갖고 있는 절연막으로 SiOC 박막은 절연성이 뛰어나고 물리적 화학적 특성이 안정된 차세대 절연박막이로 낮은 분극에 의한 전위장벽으로 쇼키접합을 쉽게 형성하며, 따라서 계면에서의 접촉저항 감소효과를 극대화할 수 있어서 더 많은 확산전류가 흐르면서 전자센서의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 SiOC 게이트 절연막에 흐르는 확산전류를 이용한 고감도 전자센서용 트랜지스터에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 상면도이고, 도 2는 도 1의 제1실시 예에 따른 소스 드레인 전극패턴이며, 도 3은 도 1의 제1실시 예에 따른 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 게이트 절연막(100) 위에 소스와 드레인 신호선을 설치할 경우 전기신호(전압)를 증폭시키고 감도를 높일 수 있도록 소스 대표전극(201)과 드레인 대표전극(202) 사이에 금속배선을 드레인(211), 소스(212), 드레인(221), 소스(222), 드레인(231), 소스(232) …… 구조의 직렬형태로 소스와 드레인 전극이 번갈아 반복적으로 배열한 것을 보여준다.
본 발명의 제1실시예에 따른 확산전류를 이용한 전기신호 발생장치인 트랜지스터를 고감도 전자센서 디바이스의 측면에서 살펴보면, 기판(300) 위에 투명전극(200)이 올려지고, 그 위에 SiOC 게이트 절연막(100)로 구성된 전자센서기판에 소스 대표전극(201)과 드레인 대표전극(202) 및 다수의 직렬형태를 갖는 드레인 및 소스 전극이 번갈아가며 반복적으로 배치된 상태를 보여준다.
본 발명에 따른 트랜지스터는 채널층이 있는 기존의 트랜지스터와 달리 채널층 없이 상기 게이트 절연막(100) 위에 소스 전극(201, 212, 222, 232, 242, 252, 262)과 드레인 전극(202, 211, 221, 231, 241, 251, 261)이 적층이 되는 구조로 이루어져 있다. 이때, 상기 게이트 절연막(100)은 SiOC 박막으로 이루어지며, 유전상수는 1.0-2.5 인 것이 바람직하다.
또한, SiOC 박막을 사용한 확산전류를 이용하여 반도체 트랜지스터를 제작하는데 있어서 고감도 전자센서를 제작하기 위해서는 게이트 절연막(100)이 누설전류의 범위는 10-14-10-10 A 이면서 분극의 특성이 없기 위해서는 비정질 특성이어야 하는 것이 필수적이다.
도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 병렬패턴 확산전류 트랜지스터의 상면도이고, 도 5는 도 4의 제2실시 예에 따른 소스 드레인 전극패턴이며, 도 6은 본 발명의 제3실시 예에 따른 헤어콤패턴 확산전류 트랜지스터의 상면도이고, 도 7은 도 6의 제3실시 예에 따른 헤어콤패턴 확산전류 트랜지스터의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 확산전류를 이용한 전기신호 발생장치인 트랜지스터의 금속전극 배선을 병렬패턴으로 제작한 전자센서를 나타낸 것으로, 소스 대표전극(201)과 드레인 대표전극(202) 사이에 금속배선을 소스 전극들과 드레인 전극들을 병렬형태로 배열하여 제작한 전자센서를 보여준다.
전술한 직렬형태와 유사하게, 게이트 절연막(100) 위에 소스와 드레인 신호선을 설치할 경우 전기신호(전류)를 증폭시키고 감도를 높일 수 있도록 소스 대표전극(201) 측에 드레인 전극(211, 221, 231, 241, 251, 261, ……) 전극을, 드레인 대표전극(202) 측에 소스 전극(212, 222, 232, 242, 252, 262, ……)의 병렬형태로 소스와 드레인 전극이 반복적으로 배열한 것을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 확산전류를 이용한 전기신호 발생장치인 트랜지스터의 헤어콤(Hair Comb)패턴 금속전극을 갖는 전자센서를 나타낸 것으로, 소스 전극과 드레인 전극 사이에 금속배선을 헤어콤 형태로 배열하여 제작한 전자센서를 보여준다.
전술한 직렬 및 병렬형태와 유사하게, 게이트 절연막(100) 위에 소스와 드레인 신호선을 설치할 경우 전기신호(전압 및 전류)를 증폭시키고 감도를 높일 수 있도록 소스 대표전극(201) 측에 드레인 전극(211, 221, 231, 241, 251, 261, ……) 전극을, 드레인 대표전극(202) 측에 소스 전극(212, 222, 232, 242, 252, 262, ……)의 병렬형태와 이들을 헤어콤 형태로 결합하여, 드레인(211), 소스(212), 드레인(221), 소스(222), 드레인(231), 소스(232) ? 구조의 직렬형태도 함께 형성시킨 배열한 것을 보여준다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 게이트 절연막으로 사용할 SiOC 박막의 분극을 없애고 유전상수가 낮은 절연막을 제작하기 위해서 스퍼터 방법, ICP-CVD 방법, PE-CVD 방법이 있을 수 있으며, 스퍼터 방법에 의한 SiOC 박막의 제조방법의 일 실시 예는 하기와 같다.
초기조건은 10-5 Torr, 공정조건은 1.2 Torr이며, SiOC 박막의 성분비를 조절하기 위해서 산소 가스를 이용하고 SiOC 타겟(SiOx: CHx=[100-X]: X M%)을 사용한다. 여기서
Figure 112018018128801-pat00001
영역의 값을 갖는다. 플라즈마를 만들기 위해서 사용하는 산소의 유량비는 5 sccm 에서 30 sccm 으로 변화시키며, RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착시키는데 있어서 파워는 250-400W 범위에서 10분-20분 동안 증착시킨다. 바람직하게, 게이트 절연막(300)의 허용 누설전류의 범위는 10-14-10-10 A이다.
유전상수를 갖는 SiOC로 이루어진 게이트 절연막(100)의 특성에 의하여 상기 게이트 전극(203)에 인가되는 전압이 음(-)의 바이어스인 경우에는 상기 박막 트랜지스터는 (+) 소스드레인 전류가 흐르고, 상기 게이트 전극(203)에 인가되는 전압이 양(+)의 바이어스인 경우에는 (-) 소스드레인 전류가 흐르게 된다.
이에 따라, 본 발명은 유전체의 자발적인 분극특성으로 형성된 확산전류가 드리프트 전류의 방향과 반대방향으로 작용하기 때문에 내부 전위차를 감소시키는 효과가 있는데, 구체적으로는 금속전극과 기판으로 사용되는 반도체 물질 사이에 SiOC 게이트 절연막(100)으로 구성되는 구조에서는 금속전극이 채널이 아닌 절연막 위에 만들어지기 때문에, SiOC 절연막(100)내에서 발생하는 확산전류에 의한 내부 전위차가 금속에 인가되는 전류의 방향과 반대로 작용하기 때문에 금속 접촉시 저항이 증가하는 효과가 사라지게 되며 결과적으로 금속접촉을 통하여 많은 전류가 흐르게 되는 효과가 있다.
SiOC 박막 구성에 포함된 분극을 줄이기 위해서, 즉 탄소와 산소에 의해 증가될 수 있는 분극을 낮게 하기 위해서는 탄소함량을 조절해야 하는데, 이때 타켓의 탄소함량이 0.1% 이하일 경우에는 SiOC 박막 형성이 어렵게 되므로 상기 게이트 절연막(120)의 유전상수를 1.0-2.5 범위로 제한하기 위해서는 SiOC 타겟의 조성 중 탄소함량이 0.05-15% 범위인 것이 바람직하다.
도 7은 단일층 게이트 절연막을 사용한 양방향성 트랜지스터의 전달특성 그래프이고, 도 8은 본 발명의 제1실시 예에 따른 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성 그래프이며, 도 9는 도 8의 직렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성을 로그스케일로 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 단일층 게이트 절연막을 사용한 양방향성 트랜지스터의 전달특성 그래프에서는 전류가 -10-6 A 수준으로 매우 낮은 전류가 흐르고 있다. 반면에, 도 8에 도시된 바와 같이, 직렬패턴의 영향으로 -10-4 A 수준으로 전류값이 높아졌음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1실시 예에 따라 트랜지스터가 직렬배선 구조인 경우, IDS-VGS 전달특성의 선형특성은 게이트 전압이 음의 방향에서 양의 방향으로 달라질 때 드레인 전류는 양방향에서 음의 방향으로 변하면서, 양방향성을 나타낸다. 비정질 구조 유전체의 자발분극에 의한 확산전류의 터널링 현상을 나타내는 게이트 절연막(100)의 특성에 의하여 상기 게이트 전극(203)에 인가되는 전압이 음(-)의 바이어스인 경우에는 상기 박막 트랜지스터는 (+) 소스드레인 전류가 흐르고, 상기 게이트 전극(203)에 인가되는 전압이 양(+)의 바이어스인 경우에는 (-) 소스드레인 전류가 흐르게 된다.
일반적인 트랜지스터의 이동도를 도 9를 기준으로 해서 구해보면, 이동도가 1A cm2/Vs 정도가 나온다고 할 경우 양방향성 트랜지스터에 있어서는 n형 반도체특성과 p형 반도체 특성을 갖고 있는바, 이동도는 그의 2배인 2A cm2/Vs가 된다.
도 9는 도 8의 IDS-VGS 전달특성에 대하여 로그스케일로 변환한 이동도와 on/off 특성을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 드레인 전압이 작을수록 전달특성의 안정도가 높아지고 이동도는 증가하는 것을 나타낸다.
반도체소자의 크기가 작아지면서 채널의 두께도 얇아지게 되는데, 게이트 절연막의 경우 많이 사용하는 SiO2박막은 얇게 만드는데 한계가 있다.
게이트 절연막으로서 분극의 감소효과에 의해 두께가 얇아지더라도 절연특성이 우수하고 누설전류가 훨씬 감소된 SiOC 박막을 사용할 경우 도 3b에 도시된 바와 같이, 게이트 전압을 음의 바이어스를 가하면 p형 반도체 트랜지스터 특성이 나타나고, 게이트 전압을 양의 바이어스를 가하면 n형 반도체 트랜지스터 특성을 갖게 되어 결과적으로 인버터의 특성을 나타내게 된다.
도 9를 참조하면, 반도체와 게이트 절연막 사이의 계면에서 소수 케리어의 터널링이 이루어지기 위해서는 드레인 전압이 작을수록 유리하다. 이때, 터널링이 되기 위한 조건으로 드레인 바이어스는 10-5-1 V 범위의 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이, 드레인 전압(VD)을 인가하면 터널링이 일어나서 p형 반도체 특성과 n형 반도체특성을 모두 갖는 양방향성 트랜지스터의 특성이 나타나기 시작하고, 드레인 전압(VD)이 낮아질수록 p형 반도체 특성과 n형 반도체특성을 모두 갖는 양방향성 트랜지스터의 특성이 뚜렷해져서, 드레인 전압(VD)이 0,001V에서 보다 더 양호한 p형 반도체 특성과 n형 반도체특성을 모두 갖는 양방향성 트랜지스터의 특성이 나타난다.
반면, 드레인 전압(VD)이 증가할수록 터널링 효과는 나타나지 않고 트래핑(trapping) 효과에 의한 단방향 트랜지스터 특성이 나타나고 드레인 전압이 증가할수록 이러한 단방향 트랜지스터 특성이 더욱 뚜렷해짐을 알 수 있다.
여기에서, 상기 반도체 트랜지스터는 채널층 없이 절연체내의 확산전류와 금속전극의 전하들에 의해서 동작이 되며, 채널층이 없기 때문에 면저항이 낮아지는 효과에 있으며, 소수케리어의 전송에 의해서 이동도가 더욱 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2실시 예에 따른 병렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성 그래프이고, 도 11은 도 10의 병렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성을 로그스케일로 나타낸 그래프로서, 본 발명에 따른 병렬패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성은 선형적으로 on/off 특성이 향상되었음을 알 수 있다.
도 10에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제2실시 예에 따른 확산전류를 이용한 전기신호 발생장치인 트랜지스터가 병렬배선 구조인 경우, IDS-VGS 전달특성은 게이트 전압이 음의 방향에서 양의 방향으로 달라질 때 드레인 전류는 양방향에서 음의 방향으로 변하면서, 양방향성을 나타낸다. 또한, 도 11에 나타난 바와 같이, 드레인 전압이 작을수록 전달특성의 안정도가 높아지고 이동도는 증가하는 것을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 제3실시 예에 따른 헤어콤패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성 그래프이고, 도 13은 도 12의 헤어콤패턴 확산전류 트랜지스터의 전달특성을 로그스케일로 나타낸 그래프로서, 직렬 및 병렬패턴의 전달특성의 결과를 모두 포함하고 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 소스와 드레인 전극을 다양한 형태로 배열하여 전류를 증가시키고 감도를 높임으로써 전자센서로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고감도 전자센서용 트랜지스터는, 확산전류를 이용한 트랜지스터의 구조를 미시적인 관점에서 변경함으로써, 투명하고, 높은 이동성과 안정성을 갖는 웨어러블 전자소자, 메모리, 디스플레이, 투명디스플레이, OLED, 터치패널, 전력반도체, 통신용 반도체, 투명반도체 소자에 활용할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.
100: SiOC
201: 소스 대표전극
202: 드레인 대표전극
203: 게이트 전극
211, 221, 231, 241, 251, 261: 드레인 전극
212, 222, 232, 242, 252, 262: 소스 전극
300: 기판

Claims (9)

  1. 기판; 상기 기판 위에 형성되는 게이트 전극; 상기 기판과 상기 게이트 전극 위에 형성되는 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 위에 서로 이격하여 형성되는 소스 전극부; 및 드레인 전극부;를 포함하고,
    상기 소스 전극부와 드레인 전극부는,
    상기 게이트 절연막 위로 상기 게이트 전극 좌우에 배치되는 소스 대표전극 및 드레인 대표전극과,
    상기 소스 대표전극 및 드레인 대표전극 사이에 복수개의 소스 서브전극과 드레인 서브전극을 배열한 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 소스 서브전극과 드레인 서브전극이 상기 소스 대표전극 및 드레인 대표전극 사이에 소스 서브전극, 드레인 서브전극이 서로 이격하여 배열되되, 복수개의 소스 서브전극과 드레인 서브전극이 번갈아가며 반복하여 직렬패턴을 형성하며 배치된 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 소스 서브전극이 서로 이격되어 상기 소스 대표전극에 병렬로 배열되고, 상기 복수개의 드레인 서브전극이 서로 이격되어 상기 드레인 대표전극에 병렬로 배열되며, 상기 병렬로 배열된 복수의 소스 서브전극 및 복수의 드레인 서브전극이 서로 이격하여 대칭으로 병렬패턴을 형성하며 배치된 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수개의 소스 서브전극이 서로 이격되어 상기 소스 대표전극에 병렬로 배열되고, 상기 복수개의 드레인 서브전극이 서로 이격되어 상기 드레인 대표전극에 병렬로 배열되되, 상기 병렬로 배열된 복수의 소스 서브전극 및 복수의 드레인 서브전극이 번갈아가며 반복하여 직렬패턴을 형성하도록 서로 이격된 공간에 삽입되어 헤어콤패턴을 형성하며 배치된 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 기판은,
    규소(Si), 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphtalate), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌 술폰산염(Polyethylene sulfonate), 아릴라이트(Arylite), 폴리이미드(Polyimide), 폴리노르보넨(Polynorbonene) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 전극은,
    알루미늄(Al), 나노와이어, 그래핀, ITO, 투명전도성 산화물(TCO)기반 투명전극, AZO, ZTO, IGZO, ZITO, SiZO, 하이브리드(복합소재) 투명전극, CNT 기반 투명전극 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 절연막의 허용 누설전류의 범위는 10-14 - 10-10 A인 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 드레인 전극의 바이어스는 10-4 - 1V 범위의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 절연막의 허용 유전상수는 0.1-2.5인 것을 특징으로 하는 고감도 전자센서용 트랜지스터.
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