KR102227637B1 - 적외선 감지 소자, 적외선 감지 소자를 포함하는 적외선 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
적외선 감지 소자, 적외선 감지 소자를 포함하는 적외선 센서 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
적외선 감지 소자는 기판, 기판 상에 형성되는 광 차단막, 광 차단막과 전기적으로 접속되고 광 차단막 상에 형성되는 하부 전극, 광 차단막 상에 형성되는 하부 절연막, 하부 절연막 상에 형성되고, 아연 및 질소를 포함하며, 적외선에 반응하여 전하들을 발생시키는 제1 반도체막, 제1 반도체막의 일부 영역 상에 형성되는 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극, 제1 반도체막 상에 형성되는 상부 절연막 및 상부 절연막 상에 형성되고 하부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 게이트 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 광 감지 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 적외선 감지 소자, 적외선 감지 소자를 포함하는 적외선 센서 및 적외선 센서의 제조 방법 에 관한 것이다.
적외선 센서는 다양한 파장의 광 중에서 적외선 영역(예를 들어, 약, 780 nm 내지 약, 1500 nm)의 파장을 갖는 광을 감지하는 센서이며, 적외선에 의해 온도가 변화되면, 이로 인한 물리적 변화를 측정하여 적외선을 감지하는 열형 적외선 센서(thermal infrared sensor)와 적외선에 반응하여 광전류를 발생시키는 반도체 재료를 사용하여 적외선을 감지하는 광자형 적외선 센서(photoelectric infrared sensor)로 분류된다. 특히, 광자형 적외선 센서는 열형 적외선 센서에 비해 빠른 응답 속도와 높은 감지 능력을 가지고 있어 널리 사용된다. 또한, 최근 표시 장치의 기술이 향상됨에 따라 터치 입력 기능이나 이미지 센싱 기능을 추가로 갖는 표시 장치가 활발히 연구되고 있으며, 이러한 기능을 부여하기 위해, 광자형 적외선 센서를 표시 장치와 결합하는 기술이 제안되었다. 그러나, 빠르고 정확한 터치 입력 기능 및 이미지 센싱 기능을 갖기 위해서는 더욱 향상된 광자형 적외선 센서가 필요하다. 광자형 적외선 센서는 적외선을 감지하여 광전류를 발생시키는 적외선 감지 소자를 포함하는데, 특히, 적외선 감지 소자에 포함되는 반도체막은 밴드갭(band gap)이 상대적으로 큰 실리콘 또는 비정질 실리콘으로 형성되기 때문에, 적외선에 민감하게 반응할 수 없고, 적외선에 의해 형성된 전하들의 이동도(mobility)가 상대적으로 낮아 소자의 응답 속도도 낮은 단점이 있다.
본 발명의 일 목적은 적외선 감지 능력 및 응답 속도가 향상된 적외선 감지 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 적외선 감지 소자를 포함하는 적외선 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 적외선 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 감지 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 광 차단막, 상기 광 차단막과 전기적으로 접속되고 상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 전극, 상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 절연막, 상기 하부 절연막 상에 형성되는 제1 반도체막, 상기 제1 반도체막의 일부 영역 상에 형성되는 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극, 상기 제1 반도체막 상에 형성되는 상부 절연막 및 상기 상부 절연막 상에 형성되고 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 게이트 전극을 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체막은 아연 및 질소를 포함할 수 있고, 적외선에 반응하여 전하들을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막은 상기 아연을 46 % 내지 60 % 의 원자백분율(atomic percent)로 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막은 산소를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막은 상기 질소 및 상기 산소를 1:0.01 내지 1:2의 원자비율(atomic ratio)로 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막은 100 옹스트롬(Å) 내지 1000 옹스트롬(Å)의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 스위칭 소자 및 상기 기판 상에 형성되고, 상기 스위칭 소자와 전기적으로 연결되는 적외선 감지 소자를 포함할 수 있다. 상기 적외선 감지 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성되는 광 차단막, 상기 광 차단막과 전기적으로 접속되고 상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 전극, 상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 절연막, 상기 하부 절연막 상에 형성되는 제1 반도체막, 상기 제1 반도체막의 일부 영역 상에 형성되는 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극, 상기 제1 반도체막 상에 형성되는 상부 절연막 및 상기 상부 절연막 상에 형성되고 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 게이트 전극을 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체막은 아연 및 질소를 포함할 수 있고, 적외선에 반응하여 전하들을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 스위칭 소자는 제2 반도체막, 제2 소스 전극, 제2 드레인 전극 및 제2 게이트 전극을 구비하는 박막 트랜지스터를 포함하고, 상기 제2 반도체막은 상기 제1 반도체막과 동일하게 상기 아연 및 상기 질소를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 상기 아연을 46 % 내지 60 %의 원자백분율(atomic percent)로 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 산소를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 상기 질소 및 상기 산소를 1:0.01 내지 1:2의 원자비율(atomic ratio)로 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 100 옹스트롬(Å) 내지 1000 옹스트롬(Å)의 두께로 형성될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 하부 절연막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 상기 실리콘 산화물과 상기 실리콘 질화물의 복합물 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 상부 절연막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 상기 실리콘 산화물과 상기 실리콘 질화물의 복합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 하부 절연막은 제1 하부 절연막 및 제2 하부 절연막을 포함하고, 상기 상부 절연막은 제1 상부 절연막 및 제2 상부 절연막을 포함할 수 있다. 상기 제1 하부 절연막은 상기 광 차단막을 덮도록 상기 기판 상에 형성되고, 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 상기 제2 하부 절연막은 상기 제1 하부 절연막 상에 형성되고, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 상부 절연막은 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막을 덮도록 상기 기판 상에 형성되고, 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 상기 제2 상부 절연막은 상기 제1 상부 절연막 상에 형성되고, 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서의 제조 방법은 기판 상에 광 차단막을 형성하는 단계, 상기 광 차단막의 일 영역 상에 하부 전극을 형성하는 단계, 상기 광 차단막 상에 하부 절연막을 형성하는 단계, 상기 하부 절연막 상에 아연 및 질소를 사용하여 제1 반도체막 및 제2 반도체막을 형성하는 단계, 상기 제1 반도체막의 일 영역 상에 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극을 형성하고, 상기 제2 반도체막의 일 영역 상에 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 소스 전극, 상기 제1 드레인 전극, 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극을 덮도록 상부 절연막을 형성하는 단계 및 상기 제1 반도체막을 덮으며, 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 상부 절연막 상에 제1 게이트 전극을 형성하고, 상기 제2 반도체막을 덮도록 상기 상부 절연막 상에 제2 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 상기 아연을 46 % 내지 60 %의 원자백분율(atomic percent)로 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 산소를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 상기 질소 및 상기 산소를 1:0.01 내지 1:2의 원자비율(atomic ratio)로 포함할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 상기 아연을 타겟 물질로 사용하고, 상기 질소 가스 및 아르곤 가스를 삽입하여 스퍼터링 공정으로 형성할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 100 옹스트롬(Å) 내지 1000 옹스트롬(Å)의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 적외선 감지 소자는 향상된 적외선 감지 능력 및 높은 전하 이동도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서는 작은 적외선 신호를 감지 할 수 있고, 빠른 응답 속도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서의 제조 방법은 작은 적외선 신호도 감지 할 수 있고, 빠른 응답 속도를 가지는 적외선 감지 센서를 제공할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서를 나타내는 회로도이다.
도 2는 도 1의 적외선 센서를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 적외선 센서를 A-B, C-D 및 E-F선을 따라 각각 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 적외선 센서가 구비하는 적외선 감지 소자의 제1 게이트 전극과 제1 소스 전극의 전위차에 따른 제1 드레인 전극에서 제1 소스 전극으로 흐르는 전류의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3의 적외선 센서가 구비하는 적외선 감지 소자의 밴드갭 에너지 변화를 나타낸 밴드 다이어그램들이다.
도 6은 도 3의 적외선 센서를 구비하는 표시 패널을 나타낸 단면도 이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8a 내지 도 8g는 도 7의 적외선 센서의 제조 방법에 따라 적외선 센서가 제조되는 일 예를 나타내는 단면도들이다.
도 2는 도 1의 적외선 센서를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 2의 적외선 센서를 A-B, C-D 및 E-F선을 따라 각각 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 적외선 센서가 구비하는 적외선 감지 소자의 제1 게이트 전극과 제1 소스 전극의 전위차에 따른 제1 드레인 전극에서 제1 소스 전극으로 흐르는 전류의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 도 3의 적외선 센서가 구비하는 적외선 감지 소자의 밴드갭 에너지 변화를 나타낸 밴드 다이어그램들이다.
도 6은 도 3의 적외선 센서를 구비하는 표시 패널을 나타낸 단면도 이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8a 내지 도 8g는 도 7의 적외선 센서의 제조 방법에 따라 적외선 센서가 제조되는 일 예를 나타내는 단면도들이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복되는 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서를 나타내는 회로도이고, 도 2는 도 1의 적외선 센서를 나타낸 평면도이며, 도 3은 도 2의 적외선 센서를 A-B, C-D 및 E-F선을 따라 각각 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 적외선 센서(10)는 적외선 감지 소자(100), 스위칭 소자(200) 및 스토리지 커패시터(300)를 포함할 수 있다. 적외선 센서(10)는 적외선(infrared)을 감지하여 적외선이 감지된 위치 및 적외선의 세기 등에 관한 정보를 제공할 수 있다. 일반적으로, 적외선 센서는 적외선에 의해 온도가 변화되면, 이로 인한 물리적 변화를 측정하여 적외선을 감지하는 열형 적외선 센서(thermal infrared sensor)와 적외선에 반응하여 광전류를 발생시키는 반도체 재료를 사용하여 적외선을 감지하는 광자형 적외선 센서(photoelectric infrared sensor)로 분류된다. 본 실시예들에 따른 적외선 센서(10)는 광자형 적외선 센서이며, 본 명세서에서, 적외선 센서는 광자형 적외선 센서를 의미한다. 적외선 센서(10)는 다양한 장치에 응용될 수 있으며, 예를 들어, 적외선 센서(10)는 표시 패널의 터치 입력 장치로 적용될 수 있다. 구체적으로, 적외선 센서(10)는 x방향 및 y방향을 따라 일정한 간격으로 배치되는 복수의 적외선 감지 소자(100)들, 스위칭 소자(200)들 및 스토리지 커패시터(300)들을 포함할 수 있으며, 이들은 행렬을 구성할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(600)상에는 구동 회로와 연결되는 제1 신호선(420), 제1 신호선(420)과 교차하는 제2 신호선(440)이 배치되고, 스위칭 소자(200)는 제1 신호선(420) 및 제2 신호선(440)과 연결될 수 있으며, 적외선 감지 소자(100) 및 스토리지 커패시터(300)는 스위칭 소자(200)와 연결될 수 있다. 적외선이 적외선 감지 소자(100)에 입사되면, 적외선 감지 소자(100)에 전하들(즉, 전자(electron)들 및 정공(hole)들)이 발생하고, 상기 전하들에 의해 광전류가 발생한다. 이렇게 발생된 광전류에 의해 스토리지 커패시터(300)의 전압이 제3 신호선(VB1)과 관련하여 변하게 되고, 제2 신호선(440)에 게이트 신호가 인가되면 스위칭 소자(200)가 작동하면서 스토리지 커패시터(300)가 데이터 전압으로 충전된다. 이때, 제4 신호선(VB2)에는 적외선 감지 소자(100)를 동작시키기 위한 게이트 신호가 인가된다. 표시 패널에 구비된 별도의 터치 입력 분석부는 상기와 같이 충전되는 스토리지 커패시터(300)에 대한 x좌표 및 y좌표를 검출하여 터치 입력이 인가된 위치를 찾을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 적외선 감지 소자(100)는 기판(600)상에 배치되는 광 차단막(110), 광 차단막(110) 상에 형성되는 하부 전극(130), 광 차단막(110) 상에 형성되는 하부 절연막(120), 하부 절연막 상에 형성되는 제1 반도체막(140), 제1 반도체막(140)의 일부 영역 상에 형성되는 제1 소스 전극(150) 및 제1 드레인 전극(160), 제1 반도체막(140) 상에 형성되는 상부 절연막(170) 및 상부 절연막(170) 상에 형성되는 제1 게이트 전극(180)을 포함할 수 있다.
기판(600)은 적외선 감지 소자(100) 및 스위칭 소자(200)를 지지하며, 수분 및 산소의 침투를 차단한다. 기판(600)은 투명 유리(glass), 투명 고분자 수지 및/또는 금속 시트로 형성될 수 있다. 투명 고분자 수지는 예를 들어, 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르이미드(polyether imide: PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate: PEN), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 시트는 예를 들어, 알루미늄(Al)시트, 알루미늄 합금 시트, 구리(Cu) 시트, 또는 구리 합금 시트 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
광 차단막(110)은 기판(600)상에 형성되고, 제1 반도체막(140)에 적외선을 제외한 다른 광들(예를 들어, 가시광선, 자외선 등)이 입사되는 것을 차단할 수 있다. 제1 반도체막(140)은 적외선에 반응하여 전하들을 발생시키지만, 적외선 이외에 가시광선에도 영향을 받을 수 있다. 따라서, 광 차단막(110)은 적외선을 제외한 다른 광을 차단하여 적외선 감지 소자(100)의 적외선 감지 능력을 향상 시킬 수 있다. 광 차단막(110)은 적외선을 제외한 다른 광을 효율적으로 차단할 수 있는 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 비정질 게르마늄(α-Ge), 실리콘 게르마늄(SiGe) 및/또는 이들의 화합물을 포함할 수 있다.
하부 전극(130)은 광 차단막(110)의 일 영역 상에 형성될 수 있고, 광 차단막(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 하부 전극(130)은 제1 게이트 전극(180)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 하부 전극(130)상에 배치되는 하부 전극 패드(136) 및 하부 전극 컨택부(132)를 통해 제1 게이트 전극(180)과 연결될 수 있다. 따라서, 광 차단막(110)에는 하부 전극(130)을 통해 제1 게이트 전극(180)에 인가되는 전압과 동일한 전압이 인가되고, 광 차단막(110)이 전기적으로 플로팅(floating)되는 것을 방지 할 수 있다. 하부 전극(130)은 금속, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하부 전극(130)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 은(Ag), 은 합금, 텅스텐(W), 구리, 구리 합금, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브데늄(Mo), 몰리브데늄 합금, 티타늄(Ti), 백금(Pt), 인듐 주석 산화물(ITO), 주석 산화물(SnOx), 인듐 산화물(InOx), 갈륨 산화물(GaOx), 인듐 아연 산화물(IZO) 등을 포함할 수 있다. 하부 전극(130)은 상기 금속, 도전성 금속 산화물 및/또는 투명 도전성 물질을 포함하는 단층 구조 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
하부 절연막(120)은 광 차단막(110) 및 하부 전극(130)을 덮도록 기판(600)상에 배치될 수 있다. 하부 절연막(120)은 기판(600)의 평탄도를 향상시키고, 제1 반도체막(140)을 형성하는 과정에서 불순물들이 확산되는 현상을 방지할 수 있다. 하부 절연막(120)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx) 및 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 복합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하부 절연막(120)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 단층 구조로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 하부 절연막(120)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 절연막(120)은 광 차단막(110)을 덮으며, 실리콘 질화물을 포함하는 제1 하부 절연막 및 제1 하부 절연막 상에 형성되고, 실리콘 산화물을 포함하는 제2 하부 절연막을 포함할 수 있다.
하부 절연막(120) 상에 제1 반도체막(140)이 배치될 수 있다. 제1 반도체막(140)은 아연(Zn)및 질소(N)를 포함하고, 적외선에 반응하여 전하들을 발생시킬 수 있다. 즉, 적외선이 입사되면, 제1 반도체막(140)의 가전자대(valence band)에 존재하는 전자들이 전도대(conduction band)로 이동할 수 있으며, 상대적으로 정공들은 전도대에서 가전자대로 이동할 수 있다.
일반적인 적외선 감지 소자의 반도체막은 비정질 실리콘(α-Si) 또는 실리콘 게르마늄(SiGe)을 포함한다. 적외선 감지 소자가 적외선을 민감하게 감지하기 위해서는 적외선이 입사될 때, 많은 전하들이 생성되어야 한다. 이러한 전하들은 전도대와 가전자대의 에너지 차이(즉, 밴드갭)가 작을수록 잘 형성될 수 있다. 비정질 실리콘의 밴드갭(band gap)은 약, 1.8 전자볼트(electronvolt: eV)이며, 비정질 실리콘을 포함한 반도체막에 게르마늄(Ge)을 불순물로 첨가하면 밴드갭을 줄일 수 있다. 그러나, 게르마늄이 일정비율 이상 첨가되면, 적외선 감지 소자의 특성이 파괴될 수 있다. 즉, 게르마늄의 비율이 증가 될수록 반도체막 내부에 결함(defect)들이 발생될 수 있으며, 전하들이 이러한 결함들에 속박(trap)될 수 있다. 이 경우, 적외선 감지 소자가 적외선에 제대로 반응하지 못할 수 있다. 특히, 반도체막에 게르마늄이 실리콘에 비해 원자 비율(atomic ratio)로 두배 이상 포함될 경우, 그 반도체막은 적외선 감지 소자로서 기능을 상실하게 된다. 따라서, 실리콘을 기반으로 한 반도체막의 밴드갭을 줄이는데 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예들에 따른 적외선 감지 소자(100)는 아연 및 질소를 포함하는 제1 반도체막(140)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 반도체막(140)은 질화 아연(zinc nitride: ZnxNy)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체막(140)은 아연을 약, 46 % 내지 약, 60 %의 원자 백분율(atomic percent)로 포함하는 질화 아연을 포함할 수 있다. 질화 아연은 상대적으로 낮은 밴드갭을 가지므로, 적외선에 민감하게 반응할 수 있으며, 반도체의 특성을 가지므로 적외선 감지 소자로서 적합하다. 일 실시예에서, 제1 반도체막(140)은 적외선 감지 소자의 응답 속도를 향상시키기 위해 산소(O)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제1 반도체막(140)은 산질화 아연(zinc oxynitride)을 포함하는 산화물 반도체일 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체막(140)은 아연을 약, 46 % 내지 약, 60 %의 원자 백분율(atomic percent)로 포함하는 산질화 아연을 포함할 수 있다. 산화물 반도체의 경우 전하의 이동도(mobility)가 실리콘 기반의 반도체막에 비해 충분히 높아 소자의 응답 속도가 증가 될 수 있다. 따라서, 적외선 감지 소자(100)의 제1 반도체막(140)이 산질화 아연을 포함할 경우, 적외선 감지 소자(100)의 적외선에 대한 응답 속도가 더욱 향상될 수 있고, 이러한 적외선 감지 소자(100)가 표시 패널의 터치 입력 장치에 적용될 경우, 터치 입력을 보다 빠르게 감지할 수 있다. 산소가 많이 포함될수록, 소자의 응답 속도는 상승될 수 있으나, 반도체막의 밴드갭은 상대적으로 증가 될 수 있다. 따라서, 상대적으로 빠른 응답 속도와 상대적으로 낮은 밴드갭을 유지하기 위해, 적외선 감지 소자(100)의 반도체막(140)은 질소 및 산소를 소정의 비율로 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체막(140)은 질소 및 산소를 약, 1:0 내지 약, 1:2의 원자비율(atomic ratio)로 포함할 수 있다. 여기서, 질소 및 산소의 비율이 1:0인 경우는 반도체막(140)이 산소를 포함하지 않는 질화 아연으로 구성된 경우를 뜻한다. 본 실시예에 따르면, 반도체막(140)의 밴드갭은 약, 1.5 eV이하로 유지되고, 적외선 감지 소자(10)의 응답 속도는 실리콘 기반의 적외선 감지 소자 보다 빠르게 할 수 있다.
일 실시예에서, 반도체막(140)은 약, 100Å 내지 약, 1000Å의 두께를 가질 수 있다. 반도체막(140)이 약, 100Å 이하의 두께를 갖는 경우, 반도체막(140)의 채널이 균일하게 형성되기 어렵고, 반도체막(140)이 약, 1000Å 이상의 두께를 갖는 경우, 적외선 감지 소자(100)의 소형화에 적합하지 않다.
도 4는 도 3의 적외선 센서가 구비하는 적외선 감지 소자의 제1 게이트 전극과 제1 소스 전극의 전위차에 따른 제1 드레인 전극에서 제1 소스 전극으로 흐르는 전류의 세기를 나타낸 그래프이고, 도 5a 내지 도 5c는 도 3의 적외선 센서가 구비하는 적외선 감지 소자의 밴드갭 에너지 변화를 나타낸 밴드 다이어그램들이다.
도 4를 참조하면, 산질화 아연을 포함하는 반도체막(140)은 적외선 입사시 충분한 광전류를 발생시킴을 알 수 있다. 여기서, 도 4의 반도체막(140)은 아연, 산소 및 질소를 약, 60:24:24의 원자 비율로 포함(즉, Zn60O24N24를 포함)하며, 약, 500Å의 두께를 갖는다. 또한, 도 4의 반도체막(140)은 사각형 모양의 면을 가지며, 폭(width)과 길이(length)의 비율(W/L)은 약, 50/6으로 형성하였다. 입사된 적외선은 약, 850 나노미터(nm)의 파장(wave length)을 가지며, 제1 드레인 전극과 제1 소스 전극의 전위차(Vds)는 약, 5.1V로 유지하였다. 본 실시예들에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체막(140)에 적외선이 입사된 경우, 제1 게이트 전극과 제1 소스 전극 사이의 전위차(Vgs)가 약, -5 V 내지 약, -25 V 인 범위에서 제1 드레인 전극에서 제1 소스 전극으로 흐르는 전류(Ids)가 적외선이 입사되지 않은 상태(즉, 암전 상태)의 반도체막(140)에 비해 약, 101.5 배 증가함을 알 수 있다. 일반적으로, 적외선 감지 소자의 적외선 감지 능력은 Vgs가 음(-)의 전압을 가질 때, 적외선이 입사된 상태와 암전 상태의 Ids 전류량 차이로 결정된다. 즉, 적외선이 입사된 상태의 Ids 전류량과 암전 상태의 Ids 전류량의 차이가 클수록 적외선 감지 능력이 좋은 것이다. 본 실시예들에 따르면, 도 4의 반도체막(140)은 적외선이 입사된 상태의 Ids 전류량이 암전 상태의 Ids 전류량보다 약, 10배 이상의 차이가 발생하므로, 충분한 적외선 감지 능력을 가지고 있음을 알 수 있다. 특히, 도 4의 반도체막(140)의 전하 이동도는 약, 42.6 cm2V-1s-1 이며, 실리콘 게르마늄을 포함하는 반도체막의 전하 이동도인 약, 0.05 cm2V-1s-1에 비해 약, 40배 이상 빠르다. 여기서, 전하 이동도는 단위 시간(즉, 1초: 1s)당 단위 전압(즉, 1V)당 전하가 이동한 면적(즉, 제곱센티미터: cm2)을 의미한다. 따라서, 본 실시예들에 따른 반도체막(140)은 충분한 적외선 감지 능력을 가지면서 높은 전하 이동도를 가지고 있으므로, 적외선 감지 소자(100)의 적외선 감지 능력을 향상 시키고, 응답 속도를 향상시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 질소가 반도체막(140)의 밴드갭에 미치는 영향을 알 수 있다. 즉, 질소의 함량이 증가함에 따라 반도체막(140)의 밴드갭이 감소됨을 알 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 산화 아연(zinc oxide)을 포함하는 반도체막은 밴드갭이 약, 3.2eV로 상대적으로 높고, 가전자대 최대값(valence band maximum: VBM) 근처에 산소의 공공(vacancy)에 의한 에너지 공공(Vo)이 존재한다. 이 경우, 적외선에 의해 생성된 전하들은 암전 상태에서도 에너지 공공(Vo)에 남을 수 있으며, 암전 상태에서도 광전류가 계속 유지될 수 있다. 즉, 산화 아연을 포함하는 반도체막은 적외선에 즉각적으로 반응할 수 없다. 따라서, 산화 아연은 적외선 감지 소자의 재료로 적합하지 않다. 그러나, 도 5b 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 질소가 첨가됨에 따라, 에너지 공공(Vo)의 농도는 줄어들며, 밴드갭이 감소되므로, 상기와 같은 문제는 해소될 수 있다. 즉, 밴드갭이 약, 1.5eV 이하로 줄어들 수 있으며, 에너지 공공(Vo)의 농도도 줄어들어 암전 상태에서는 광전류가 더 이상 발생하지 않는다. 따라서, 아연과 질소를 포함하는 반도체막(140)은 적외선에 즉각적으로 반응할 수 있으며, 적외선 감지 소자(100)의 적외선 감지 능력을 더욱 향상 시킬 수 있다. 산소 및 질소의 함량에 따른 반도체막(140)의 특성 변화는 Kim, H. et al. Anion control as a strategy to achieve high-mobility and high-stability oxide thin-film transistors. Sci. Rep. 3, 1459; DOI:10.1038/srep01459(2013)의 논문을 통해 상세히 알 수 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
다시 도 3을 참조하면, 제1 반도체막(140)의 일부 영역 상에 제1 소스 전극(150) 및 제1 드레인 전극(160)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 소스 전극(150) 및 제1 드레인 전극(160)은 제1 반도체막(140)의 양 끝부분에 배치될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 소스 전극(150)과 제1 드레인 전극(160)은 요철 모양으로 제1 반도체막(140)의 일부 영역을 덮도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제1 반도체막(140)의 영역 중 제1 소스 전극(150)과 제1 드레인 전극(160)이 배치되지 않은 영역은 채널 영역으로 기능할 수 있다. 제1 소스 전극(150)과 제1 드레인 전극(160)은 금속, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 소스 전극(150)과 제1 드레인 전극(160)은 알루미늄, 알루미늄 합금, 은, 은 합금, 텅스텐, 구리, 구리 합금, 니켈, 크롬, 몰리브데늄, 몰리브데늄 합금, 티타늄, 백금, 인듐 주석 산화물, 주석 산화물, 인듐 산화물, 갈륨 산화물, 인듐 아연 산화물 등을 포함할 수 있다. 제1 소스 전극(150)과 제1 드레인 전극(160)은 상기 금속, 도전성 금속 산화물 및/또는 투명 도전성 물질을 포함하는 단층 구조 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
제1 소스 전극(150) 및 제1 드레인 전극(160)을 덮도록 상부 절연막(170)이 배치될 수 있다. 상부 절연막(170)은 하부 절연막(120)과 실질적으로 동일한 절연물을 포함할 수 있다. 즉, 상부 절연막(170)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 복합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상부 절연막(170)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 단층 구조로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 절연막(170)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 절연막(170)은 제1 반도체막(140)을 덮도록 기판(600) 상에 형성되고, 실리콘 질화물을 포함하는 제1 상부 절연막 및 제1 상부 절연막 상에 형성되고, 실리콘 산화물을 포함하는 제2 상부 절연막을 포함할 수 있다.
상부 절연막(170) 상에 제1 게이트 전극(180)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 게이트 전극(180)은 제1 반도체막(140)에 인접하는 상부 절연막(170) 상에 배치될 수 있다. 즉, 제1 게이트 전극(180)은 제1 반도체막(140)과 중첩되도록 배치될 수 있다. 제1 게이트 전극(180)은 하부 전극(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 게이트 전극(180)은 제1 게이트 컨택부(182)를 통해 하부 전극(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 게이트 전극(180)에 인가된 전압이 하부 전극(130)에 동일하게 인가되므로 광 차단막(110)이 전기적으로 플로팅(floating)되는 현상이 방지될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 게이트 전극(180)은 상부 절연막(170) 및 하부 절연막(120)을 관통하여 직접 하부 전극(130)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 게이트 전극(180)은 하부 전극(130)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 제1 게이트 전극(180)은 금속, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 게이트 전극(180)은 알루미늄, 은, 텅스텐, 구리, 니켈, 크롬, 몰리브데늄, 티타늄, 백금, 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물 등을 포함할 수 있다. 제1 게이트 전극(180)은 상기 금속, 도전성 금속 산화물 및/또는 투명 도전성 물질을 포함하는 단층 구조 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
상기와 같은 적외선 감지 소자(100)는 아연 및 질소를 포함한 제1 반도체막(140)을 포함하므로, 적외선 감지 능력이 향상될 수 있고, 소자의 응답 속도가 향상되어 빠른 적외선 감지가 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(200)는 적외선 감지 소자(100)와 전기적으로 연결되며, 제2 반도체막(240), 제2 소스 전극(250), 제2 드레인 전극(260)및 제2 게이트 전극(280)을 포함할 수 있다.
스위칭 소자(200)는 예를 들어, 박막 트랜지스터(thin film transistor: TFT)일 수 있다. 스위칭 소자(200)는 제2 게이트 전극(280)이 제2 반도체막(240) 상부에 배치되는 탑 게이트(top gate)방식의 박막 트랜지스터 또는 제2 게이트 전극이 제2 반도체막 하부에 배치되는 바텀 게이트(bottom gate)방식의 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다.
제2 반도체막(240)은 하부 절연막(120) 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 반도체막(240)은 제1 반도체막(140)과 동일하게 아연 및 질소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 반도체막(240)은 제1 반도체막(140)과 상이하게 폴리실리콘(polysilicon), 불순물을 포함하는 폴리실리콘, 비정질 실리콘, 불순물을 포함하는 비정질 실리콘, 산화물 반도체, 불순물이 포함된 산화물 반도체 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제2 반도체막(240)의 일부 영역 상에 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)은 제2 반도체막(240)의 양 끝부분에 배치될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 소스 전극(250)과 제1 드레인 전극(260)은 요철 모양으로 제2 반도체막(240)의 일부 영역을 덮도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 반도체막(240)의 영역 중 제2 소스 전극(250)과 제2 드레인 전극(260)이 배치되지 않은 영역은 채널 영역으로 기능할 수 있다. 제2 소스 전극(150) 및 제2 드레인 전극(260)은 제1 소스 전극(150)및 제1 드레인 전극(160)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있으며, 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
제2 게이트 전극(280)은 제2 반도체막(240)에 인접하는 상부 절연막(170) 상에 배치될 수 있다. 즉, 제2 게이트 전극(280)은 제2 반도체막(240)과 중첩되도록 배치될 수 있다. 따라서, 제2 게이트 전극(280)과 중첩되는 제2 반도체막(240)의 영역은 채널 영역으로 기능할 수 있다. 제2 게이트 전극(280)은 제1 게이트 전극(180)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있으며, 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스토리지 커패시터(300)는 적외선 감지 소자(100) 및 스위칭 소자(200)와 전기적으로 연결되고, 커패시터 상부 전극(320) 및 커패시터 하부 전극(340)을 포함할 수 있다. 커패시터 상부 전극(320)은 제3 신호선(VB1)과 전기적으로 연결되며, 커패시터 하부 전극(340)은 스위칭 소자(200) 및 적외선 감지 소자(100)와 연결될 수 있다. 커패시터 상부 전극(320) 및 커패시터 하부 전극(340)은 금속, 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질 등을 포함할 수 있다.
도 6은 도 3의 적외선 센서를 구비하는 표시 패널을 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 표시 패널(20)은 하부 기판(500), 하부 기판(500) 상부에 배치되는 화소 소자(700, 800), 하부 기판(500)에 대향하는 상부 기판(500), 상부 기판(500) 하부에 배치되는 스위칭 소자(200) 및 상부 기판(500) 하부에 배치되는 적외선 감지 소자(100)를 포함할 수 있다.
표시 패널(20)은 화소 소자(700, 800)의 종류에 따라 유기 발광 표시(organic light emitting display: OLED)패널, 액정 표시(liquid crystal display: LCD)패널, 플라즈마 표시 패널(plasma display panel: PDP)등 일 수 있다. 도 6은 표시 패널(20)의 일 예로서, 유기 발광 다이오드(800)를 포함하는 유기 발광 표시 패널을 도시한다.
하부 기판(500)은 화소 소자(700, 800)를 지지하며, 유리나 폴리 실리콘을 포함하는 무기질 기판일 수 있고, 폴리 에틸렌 테라프탈레이트(polyethylene teraphthalate: PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리이미드 등을 포함하는 플라스틱 기판일 수도 있으며, 연성을 갖는 금속이나 다른 고분자 물질을 첨가하여 유연한(Flexible) 기판일 수 있다.
화소 소자(700, 800)는 유기 발광 다이오드(800) 및 화소 트랜지스터(700)를 포함할 수 있다. 유기 발광 다이오드(800)는 화소 전극(820), 화소 전극(820)에 대향하는 대향 전극(860) 및 화소 전극(820)과 대향 전극(860) 사이에 배치되는 유기 발광층(840)을 포함할 수 있다. 유기 발광층(840)은 화소 전극(820)과 대향 전극(860)사이에 인가된 전압에 의해 특정 파장의 빛을 발광할 수 있다. 화소 트랜지스터(700)는 유기 발광 다이오드(800)와 전기적으로 연결되고, 제3 반도체막(740), 제3 반도체막(740) 상에 배치되는 게이트 절연막(770), 게이트 절연막(770) 상에 배치되는 제3 게이트 전극(780), 제3 반도체막(740)과 접속되는 제3 소스 전극(750) 및 제3 드레인 전극(760)을 포함할 수 있다. 화소 트랜지스터(700)는 도 3을 참조하여 설명한 스위칭 소자(200)와 실질적으로 동일하며 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
상부 기판(600)은 하부 기판(500)에 대향하고, 상부 기판(600) 하부에 스위칭 소자(200) 및 적외선 감지 소자(100)를 포함하는 적외선 센서가 배치될 수 있다. 즉, 적외선 센서는 표시 패널(20)의 상부 기판(600)에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 적외선 센서는 표시 패널(20)의 터치 입력 장치로 활용 될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 상부 기판(600)에 손가락과 같은 물체의 접촉이 있는 경우, 유기 발광 다이오드(800)에서 발광한 빛이 상기 물체에 의해 반사 될 수 있다. 적외선 센서는 이러한 반사된 빛 중 적외선을 감지하여 터치 유무와 터치의 위치를 감지 할 수 있다. 적외선 센서는 도 3을 참조하여 설명한 적외선 센서(10)와 실질적으로 동일하므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들에 따른 표시 패널(20)은 적외선 감지 능력이 향상되고, 응답 속도가 빠른 도 3의 적외선 센서(10)를 상부 기판(600)에 구비하고 있으므로, 터치 입력을 보다 빠르고 정확하게 인지 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 8a 내지 도 8g는 도 7의 적외선 센서의 제조 방법에 따라 적외선 센서가 제조되는 일 예를 나타내는 단면도들이다.
도 7 내지 도 8g를 참조하면, 적외선 센서(10)의 제조 방법은 기판(600) 상에 광 차단막(110)을 형성(S100)하고, 광 차단막(110)의 일 영역 상에 하부 전극(130)을 형성(S200)하고, 광 차단막(110) 상에 하부 절연막(120)을 형성(S300)하고, 하부 절연막(120) 상에 아연 및 질소를 사용하여 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)을 형성(S400)하고, 제1 반도체막(140)의 일 영역 상에 제1 소스 전극(150) 및 제1 드레인 전극(160)을 형성하고, 제2 반도체막(240)의 일 영역 상에 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)을 형성(S500)하고, 제1 소스 전극(150), 제1 드레인 전극(160), 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)을 덮도록 상부 절연막(170)을 형성(S600)하고, 제1 반도체막(140)을 덮으며, 하부 전극(130)과 전기적으로 연결되도록 상부 절연막(170) 상에 제1 게이트 전극(180)을 형성하고, 제2 반도체막(240)을 덮도록 상부 절연막(170) 상에 제2 게이트 전극(280)을 형성(S700)할 수 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 기판(600) 상에 광 차단막(110)이 형성될 수 있다. 광 차단막(110)은 비정질 게르마늄, 실리콘 게르마늄 및/또는 이들의 화합물을 사용하여, 스퍼터링 공정, 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 적층(ALD) 공정, 스핀 코팅 공정, 진공 증착 공정, 펄스 레이저 증착(PLD) 공정, 프린팅 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 광 차단막(110)의 일부 영역 상에 하부 전극(130)이 형성될 수 있다. 하부 전극(130)은 금속, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질을 사용하여, 스퍼터링 공정, 화학 기상 증착(CVD) 공정, 원자층 적층(ALD) 공정, 스핀 코팅 공정, 진공 증착 공정, 펄스 레이저 증착(PLD) 공정, 프린팅 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 광 차단막(110) 및 하부 전극(130)을 덮도록 기판(600)상에 하부 절연막(120)이 형성될 수 있다. 하부 절연막(120)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 사용하여, 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착(PECVD) 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착(HDP-CVD) 공정, 스핀 코팅 공정, 열산화 공정, 프린팅 공정 등으로 형성 될 수 있다. 일 실시예에서, 하부 절연막(120)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 단층 구조로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 하부 절연막(120)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 질화물을 사용하여 광 차단막(110)을 덮도록 제1 하부 절연막이 형성되고, 실리콘 산화물을 사용하여 제1 하부 절연막을 덮도록 제2 하부 절연막이 형성될 수 있다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 하부 절연막(120) 상에 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)이 형성될 수 있다. 제1 반도체막(140)은 광 차단막(110) 상에 형성될 수 있으며, 제1 반도체막(140)은 광 차단막(110)이 형성되는 영역에 포함되도록 형성될 수 있다. 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)은 아연 및 질소를 사용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)은 아연을 타겟 물질로 사용하고, 질소 가스 및 아르곤 가스를 삽입하여 스퍼터링 공정으로 형성될 수 있다. 구체적으로 기판(600)을 스퍼터링 장치 챔버내에 구비된 서셉터에 장착하고, 아연을 서로 대향하는 두개의 타겟으로 사용하여 두 타겟 사이에 플라즈마를 형성하고, 아르곤 가스와 질소 가스를 주입하면서 아연 이온과 질소 이온들을 생성하여 이를 기판(600)상에 증착하면 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)을 형성할 수 있다. 그러나, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)의 형성 방법이 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)은 스퍼터링 공정 이외에 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정, 스핀 코팅 공정, 프린팅 공정 등을 통해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)은 산소를 더 사용하여 형성될 수 있다. 즉, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)은 아연, 질소 및 산소를 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)은 아연을 타겟 물질로 사용하고, 질소 가스, 산소 가스 및 아르곤 가스를 삽입하여 스퍼터링 공정으로 형성 될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)은 서로 상이한 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체막(140)은 아연, 질소 및 산소를 사용하여 형성되고, 제2 반도체막(240)은 폴리실리콘, 불순물을 포함하는 폴리실리콘, 비정질 실리콘, 불순물을 포함하는 비정질 실리콘, 산화물 반도체, 불순물이 포함된 산화물 반도체 및/또는 이들의 조합을 사용하여 형성될 수 있다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)의 일부를 덮도록 제1 소스 전극(150), 제1 드레인 전극(160), 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)이 형성 될 수 있다. 제1 소스 전극(150), 제1 드레인 전극(160), 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)은 각각 금속, 도전성 금속 산화물, 투명 도전성 물질 등을 사용하여 형성될 수 있으며, 한번에 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속을 사용하여 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)을 덮도록 제1 도전층을 형성하고, 이를 사진 식각 공정으로 패터닝 하여 제1 소스 전극(150), 제1 드레인 전극(160), 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)을 각각 형성할 수 있다. 제1 도전층은 스퍼터링 공정, 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 원자층 적층 공정, 스핀 코팅 공정, 진공 증착 공정, 펄스 레이저 증착 공정, 프린팅 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
도 8f에 도시된 바와 같이, 제1 소스 전극(150), 제1 드레인 전극(160), 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)을 덮도록 상부 절연막(170)이 형성될 수 있다. 상부 절연막(170)은 하부 절연막(120)과 실질적으로 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 절연막(170)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 사용하여, 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정, 고밀도 플라즈마-화학 기상 증착 공정, 스핀 코팅 공정, 열산화 공정, 프린팅 공정으로 형성 될 수 있다. 일 실시예에서, 상부 절연막(170)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 단층 구조로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 절연막(170)은 산화물, 질화물, 산질화물 등을 포함한 다층 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 질화물을 사용하여 제1 소스 전극(150), 제1 드레인 전극(160), 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)을 덮도록 제1 상부 절연막이 형성되고, 실리콘 산화물을 사용하여 제1 상부 절연막을 덮도록 제2 상부 절연막이 형성될 수 있다.
도 8g에 도시된 바와 같이, 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)과 중첩되도록 상부 절연막(170)상에 제1 게이트 전극(180) 및 제2 게이트 전극(280)이 형성 될 수 있다. 제1 게이트 전극(180) 및 제2 게이트 전극(280)은 제1 소스 전극(150), 제1 드레인 전극(160), 제2 소스 전극(250) 및 제2 드레인 전극(260)의 형성 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 형성될 수 있으므로, 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
제1 게이트 전극(180) 및 제2 게이트 전극(280)을 형성하는 동안 하부 전극(130)이 노출되도록 상부 절연막(170) 및 하부 절연막(120)에 홀(hole)을 형성하고, 하부 전극(130)과 접속되는 하부 전극 패드(136)가 더 형성될 수 있다. 하부 전극 패드(136)는 접촉 저항이 상대적으로 낮고, 실리콘과 금속이 실리사이드 반응에 의해 형성되는 금속 실리사이드 막을 포함할 수 있다.
제1 게이트 전극(180) 및 제2 게이트 전극(280)을 덮으며, 상부 면을 평탄하게 하도록 평탄화 절연막이 더 형성될 수 있다. 평탄화 절연막은 투명 절연성 물질을 사용하여 스핀 코팅 공정, 프린팅 공정, 진공 증착 공정 등으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 평탄화 절연막을 부분적으로 식각하여 제1 게이트 전극(180) 및 하부 전극 패드(136)를 노출시키는 홀을 형성하고, 상기 홀을 채우면서 제1 게이트 전극(180)과 하부 전극 패드(136)를 전기적으로 연결하고, 제1 게이트 컨택부(182) 및 하부 전극 컨택부(132)를 포함하는 게이트 브릿지(132, 182)가 형성될 수 있다. 게이트 브릿지(132, 182)는 저항이 상대적으로 낮은 금속으로 형성될 수 있다. 게이트 브릿지(132, 182)가 형성되는 동안, 스위칭 소자(200)와 적외선 감지 소자(100)를 전기적으로 연결하고, 스위칭 소자(200)의 제2 드레인 전극(260)과 전기적으로 연결되는 제2 드레인 컨택부(262) 및 적외선 감지 소자(100)의 제1 소스 전극(150)과 전기적으로 연결되는 제1 소스 컨택부(152)를 포함하는 스위칭 브릿지(152, 262)가 형성될 수 있다. 게이트 브릿지(132, 182)와 스위칭 브릿지(152, 262)는 실질적으로 동일한 금속을 사용하여 한번에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 게이트 전극(180)은 게이트 브릿지(132, 182)없이 하부 전극 패드(136)와 직접 연결되고, 스위칭 소자(200)의 제2 드레인 전극(260)은 스위칭 브릿지(152, 262)없이 적외선 감지 소자(100)의 제1 소스 전극(150)과 직접 연결될 수 있다.
도 7의 적외선 센서(10) 제조 방법에 의해 적외선 센서(10)가 완성될 수 있다. 도 7의 적외선 센서(10) 제조 방법은 제1 반도체막(140) 및 제2 반도체막(240)을 실질적으로 동일한 물질로 형성할 수 있어 적외선 센서(10)의 제조 공정을 단순화 시킬 수 있다. 또한, 적외선 감지 소자(100)의 응답 속도 및 적외선 감지 능력이 향상되므로, 도 7의 적외선 센서(10) 제조 방법은 적외선을 빠르게 검출하는 적외선 센서(10)를 제조 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 감지 소자, 적외선 감지 소자를 포함하는 적외선 센서 및 이의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명하였지만, 상기 설명은 예시적인 것으로서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 수정 및 변경될 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명은 표시 패널의 입력 장치, 건물의 외부 침입을 감시하는 보안 장치, 적외선 카메라 등에 적용될 수 있다.
본 발명은 광 감지 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 표시 패널의 적외선 입력 장치, 건물의 외부 침입을 감시하는 보안 장치, 적외선 카메라 등에 적용될 수 있다.
10: 적외선 센서 20: 표시 패널
100: 적외선 감지 소자 110: 광 차단막
120: 하부 절연막 130: 하부 전극
140: 제1 반도체막 150: 제1 소스 전극
160: 제1 드레인 전극 170: 상부 절연막
180: 제1 게이트 전극 200: 스위칭 소자
240: 제2 반도체막 250: 제2 소스 전극
260: 제2 드레인 전극 280: 제2 게이트 전극
300: 스토리지 커패시터 420: 제1 신호선
440: 제2 신호선 500: 하부 기판
600: 상부 기판 700: 화소 트랜지스터
800: 유기 발광 다이오드
100: 적외선 감지 소자 110: 광 차단막
120: 하부 절연막 130: 하부 전극
140: 제1 반도체막 150: 제1 소스 전극
160: 제1 드레인 전극 170: 상부 절연막
180: 제1 게이트 전극 200: 스위칭 소자
240: 제2 반도체막 250: 제2 소스 전극
260: 제2 드레인 전극 280: 제2 게이트 전극
300: 스토리지 커패시터 420: 제1 신호선
440: 제2 신호선 500: 하부 기판
600: 상부 기판 700: 화소 트랜지스터
800: 유기 발광 다이오드
Claims (19)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 광 차단막;
상기 광 차단막과 전기적으로 접속되고 상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 전극;
상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 절연막;
상기 하부 절연막 상에 형성되고, 아연 및 질소를 포함하며, 적외선에 반응하여 전하들을 발생시키는 제1 반도체막;
상기 제1 반도체막의 일부 영역 상에 형성되는 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극;
상기 제1 반도체막 상에 형성되는 상부 절연막; 및
상기 상부 절연막 상에 형성되고 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 게이트 전극을 포함하고,
상기 제1 반도체막은 상기 아연을 46 % 내지 60 %의 원자백분율(atomic percent)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 소자. - 삭제
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 반도체막은 산소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 소자.
- 제3 항에 있어서, 상기 제1 반도체막은 상기 질소 및 상기 산소를 1:0.01 내지 1:2의 원자비율(atomic ratio)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 반도체막은 100 옹스트롬(Å) 내지 1000 옹스트롬(Å)의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 감지 소자.
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 스위칭 소자; 및
상기 기판 상에 형성되고, 상기 스위칭 소자와 전기적으로 연결된 적외선 감지 소자를 포함하고,
상기 적외선 감지 소자는,
상기 기판 상에 형성되는 광 차단막;
상기 광 차단막과 전기적으로 접속되고 상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 전극;
상기 광 차단막 상에 형성되는 하부 절연막;
상기 하부 절연막 상에 형성되고, 아연 및 질소를 포함하며, 적외선에 반응하여 전하들을 발생시키는 제1 반도체막;
상기 제1 반도체막의 일부 영역 상에 형성되는 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극;
상기 제1 반도체막 상에 형성되는 상부 절연막; 및
상기 상부 절연막 상에 형성되고 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 게이트 전극을 포함하며,
상기 제1 반도체막은 상기 아연을 46 % 내지 60 %의 원자백분율(atomic percent)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서. - 제6 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 제2 반도체막, 제2 소스 전극, 제2 드레인 전극 및 제2 게이트 전극을 구비하는 박막 트랜지스터를 포함하고,
상기 제2 반도체막은 상기 제1 반도체막과 동일하게 상기 아연 및 상기 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서. - 제7 항에 있어서, 상기 제2 반도체막은 상기 아연을 46 % 내지 60 %의 원자백분율(atomic percent)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제8 항에 있어서, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 산소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제9 항에 있어서, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 상기 질소 및 상기 산소를 1:0.01 내지 1:2의 원자비율(atomic ratio)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제7 항에 있어서, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 100 옹스트롬(Å) 내지 1000 옹스트롬(Å)의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제7 항에 있어서, 상기 하부 절연막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 상기 실리콘 산화물과 상기 실리콘 질화물의 복합물 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 상부 절연막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 상기 실리콘 산화물과 상기 실리콘 질화물의 복합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
- 제7 항에 있어서, 상기 하부 절연막은
상기 광 차단막을 덮도록 상기 기판 상에 형성되고, 실리콘 질화물을 포함하는 제1 하부 절연막; 및
상기 제1 하부 절연막 상에 형성되고, 실리콘 산화물을 포함하는 제2 하부 절연막을 포함하고,
상기 상부 절연막은
상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막을 덮도록 상기 기판 상에 형성되고, 실리콘 질화물을 포함하는 제1 상부 절연막; 및
상기 제1 상부 절연막 상에 형성되고, 실리콘 산화물을 포함하는 제2 상부 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서. - 기판 상에 광 차단막을 형성하는 단계;
상기 광 차단막의 일 영역 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 광 차단막 상에 하부 절연막을 형성하는 단계;
상기 하부 절연막 상에 아연 및 질소를 사용하여 제1 반도체막 및 제2 반도체막을 형성하는 단계;
상기 제1 반도체막의 일 영역 상에 제1 소스 전극 및 제1 드레인 전극을 형성하고, 상기 제2 반도체막의 일 영역 상에 제2 소스 전극 및 제2 드레인 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 소스 전극, 상기 제1 드레인 전극, 상기 제2 소스 전극 및 상기 제2 드레인 전극을 덮도록 상부 절연막을 형성하는 단계; 및
상기 제1 반도체막을 덮으며, 상기 하부 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 상부 절연막 상에 제1 게이트 전극을 형성하고, 상기 제2 반도체막을 덮도록 상기 상부 절연막 상에 제2 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 반도체막은 상기 아연을 46 % 내지 60 %의 원자백분율(atomic percent)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법. - 제14 항에 있어서, 상기 제2 반도체막은 상기 아연을 46 % 내지 60 %의 원자백분율(atomic percent)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
- 제15 항에 있어서, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 산소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
- 제16 항에 있어서, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 각각 상기 질소 및 상기 산소를 1:0.01 내지 1:2의 원자비율(atomic ratio)로 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
- 제14 항에 있어서, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 상기 아연을 타겟 물질로 사용하고, 질소 가스 및 아르곤 가스를 삽입하여 스퍼터링 공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
- 제14 항에 있어서, 상기 제1 반도체막 및 상기 제2 반도체막은 100 옹스트롬(Å) 내지 1000 옹스트롬(Å)의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
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