KR19980083829A

KR19980083829A - 강유전체 적외선 검출기 및 그 작동 방법

Info

Publication number: KR19980083829A
Application number: KR1019970019303A
Authority: KR
Inventors: 유인경
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 1998-12-05

Abstract

본 발명은 강유전체를 게이트 산화물로 이용한 전계 효과 트랜지스터(FET; field effect transistor)를 적외선 검출기(infrared detector)로 사용하는 적외선 검출기 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 적외선 검출기는, 반도체 양자 우물이 형성된 트랜지스터 기판; 상기 양자 우물 상에 적층된 강유전체층; 상기 강유전체층 상에 적층된 전극; 상기 전극 상에 적층된 적외선 흡수층; 및 상기 순차 적층된 강유전체층, 전극 및 적외선 흡수층의 가장자리와 상기 반도체 양자 우물 양쪽의 도핑 영역 상에 형성된 트랜지스터 전극을 각각 격리하기 위한 절연층; 을 구비한다.

Description

강유전체 적외선 검출기 및 그 작동 방법

본 발명은 강유전체를 이용한 적외선 검출기 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 특히 강유전체를 게이트 산화물로 이용한 전계 효과 트랜지스터(FET; field effect transistor)를 적외선 검출기(infrared detector)로 사용하는 방법에 관한 것이다.

열전하 물질을 응용하는 대표적인 소자들로는 적외선 망원경, 온도 조절기 등 주로 빛이나 열을 감지하는 센서(sensor)들이 있다. 이 센서들의 동작 원리는 열전하 물질이 빛이나 열을 받아 자체 온도 변화가 유도될 때 발생되는 전하들을 검출하여 입사되는 열이나 빛의 세기를 측정하는 것으로, 주로 캐패시터(capacitor)의 형태로 제작하여 두 전극 사이의 전압을 측정하는 방식이 채택된 것들이다. 이 소자(device)들은 구조, 형상, 물질 특성에 따라 검출 기능이 결정되는데, 이를 평가하기 위하여 최적치(figure of merit)라는 수치를 측정하여 최적화한다. 불행히도 물질의 특성들은 상호 상쇄효과가 있어 최적화에 어려움이 있다. 예를들면, 열감지 소자의 일종으로 초전성 적외선 검출기(焦電性赤外線檢出器; Pyroelectric infrared detector)가 있다. 이 초전성 적외선 검출기에 있어서 가장 중요한 것은 검출감도(detectivity)이다. 이는 전압 응답도(voltage responsivity) 및 전류 응답도(current responsivity)에 비례하는데 각 응답도는 열전하물질의 자발분극량(spontaneous polarization)에 비례하면서 유전율에 반비례한다. 그러나 대부분의 경우 자발분극이 크면 유전율도 증가하게 되어 상쇄효과에 의해 감도를 좋게하는 것이 용이하지 않아 물질의 선택이 어렵다는 데에 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 검출 감도가 우수한 적외선 검출기 및 그 작동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 MFS(Metal-Ferroelectric-Semiconductor)형 적외선 검출기의 단면도로서,

도 1a는 국소면 전극(Partial face electrode) 적외선 검출기의 단면도,

도 1b는 전면 전극(Full face electrode) 적외선 검출기의 단면도,

도 1c는 가장자리 전극(Edge electrode) 적외선 검출기의 단면도,

도 2a 내지 도 2c는 MFMIS (Metal ferroelectric metal insulator (dielectrics or paraelectrics) semiconductor)형 적외선 검출기의 단면도로서,

도 2a는 국소면 전극(Partial face electrode) 적외선 검출기의 단면도,

도 2b는 전면 전극(Full face electrode) 적외선 검출기의 단면도,

도 2c는 가장자리 전극(Edge electrode) 적외선 검출기의 단면도,

도 3a 내지 도 3c는 MFS형 적외선 검출기의 동작 상태를 설명하기 위한 설명도로서,

도 3a는 정상 상태를 나타내는 설명도,

도 3b는 적외선 인가시의 동작 상태를 나타내는 설명도,

도 3c는 적외선 흡수후 흡수 당시의 상태가 휘발된 것을 나타내는 설명도,

도 4a 내지 도 4c는 MFMIS형 적외선 검출기의 동작 상태를 설명하기 위한 설명도로서,

도 4a는 정상 상태를 나타내는 설명도,

도 4b는 적외선 인가시의 동작 상태를 나타내는 설명도,

도 4c는 적외선 흡수후 흡수 당시의 상태가 휘발되지 않은 것을 나타내는 설명도,

도 5a 및 도 5b는 MFS형 적외선 검출기의 제조 단계별 공정의 발췌 사시도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. 적외선 흡수물질 (absorber) 2. 상부 전극

3. 강유전체 4. 하부 전극

5. 유전체 6. 절연체

7. 확산층(diffusion layer)

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적외선 검출기는, 반도체 양자 우물이 형성된 트랜지스터 기판; 상기 양자 우물 상에 적층된 강유전체층; 상기 강유전체층 상에 적층된 전극; 상기 전극 상에 적층된 적외선 흡수층; 및 상기 순차 적층된 강유전체층, 전극 및 적외선 흡수층의 가장자리와 상기 반도체 양자 우물 양쪽의 도핑 영역 상에 형성된 트랜지스터 전극을 각각 격리하기 위한 절연층; 을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 적외선 흡수층은 상기 강유전체층과 직접 접촉되는 영역을 가질 수도 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적외선 검출기의 작동 방법은, 반도체 양자 우물이 형성된 반도 기판 상에 강유전체층, 전극 및 적외선 흡수층을 구비하여 된 적외선 검출기를 작동하는 방법에 있어서, 상기 전극 및 상기 양자 우물 간에 소정의 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 적외선 검출기는, 반도체 양자 우물이 형성된 트랜지스터 기판; 상기 양자 우물 상에 적층된 유전체층; 상기 유전체층 상에 적층된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 적층된 강유전체층; 상기 강유전체층 상에 적층된 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 적층된 적외선 흡수층; 및 상기 순차 적층된 유전체층, 하부 전극, 강유전체층, 상부 전극 및 적외선 흡수층의 가장자리와 상기 반도체 양자 우물 양쪽의 도핑 영역 상에 형성된 트랜지스트 전극을 각각 격리하기 위한 절연층; 을 구비하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 적외선 흡수층은 상기 강유전체층과 직접 접촉되는 영역을 갖을 수도 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 적외선 검출기의 작동 방법은, 반도체 양자 우물이 형성된 반도 기판 상에 유전체층, 하부 전극, 강유전체층, 상부 전극 및 적외선 흡수층을 구비하여 된 적외선 검출기를 작동하는 방법에 있어서, 상기 상부 전극 및 상기 양자 우물 간에 소정의 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조 하면서 본 발명에 따른 적외선 검출기 및 그 작동 방법을 설명한다.

본 발명에서는 앞서 설명한 바와 같은 상쇄 변수를 줄이는 동시에 종래의 개념과는 다른 검출방법을 제시하고자 한다. 즉, 본 발명에서는 MOS 트랜지스터를 이용하여 열전하를 검출하는 적외선 검출기를 제안한다.

MOS 트랜지스터를 이용한 적외선 검출기의 제1실시예로 MFS(Metal-Ferroelectric-Semiconductor)형 적외선 검출기가 도 1a 내지 도 1c에 도시되고, 제2실시예로 MFMIS(Metal-ferroelectric-metal-insulator(dielectrics or paraelectrics)-semiconductor)형 적외선 검출기에 도시되어 있다. 여기서, 도 1a는 국소면 전극(Partial face electrode) 적외선 검출기의 단면도, 도 1b는 전면 전극(Full face electrode) 적외선 검출기의 단면도, 도 1c는 가장자리 전극(Edge electrode) 적외선 검출기의 단면도이고, 도 2a는 국소면 전극(Partial face electrode) 적외선 검출기의 단면도, 도 2b는 전면 전극(Full face electrode) 적외선 검출기의 단면도, 도 2c는 가장자리 전극(Edge electrode) 적외선 검출기의 단면도이다. 이들 MSF형 및 MFMIS형 적외선 검출기는 종래의 한 트랜지스터 강유전체 메모리에 적외선 흡수막(IR absorber)을 부착한 것이 특징이다. 종래의 초전 검출기(pyroelectric detector)는 강유전체 외에 초전(pyroelectric) 물질도 사용될 수 있으나, 본 발명의 MOS 트랜지스터를 이용한 적외선 검출기에서는 강유전 물질로 한정한다.

제1실시예인 MSF형 적외선 검출기는, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 반도체 양자 우물 구조(8) 상에 강유전체층(3), 전극(2) 및 적외선 흡수층(1; Absorber)이 순차로 적층된 구조에 트랜지스터의 전극(소스 전극 및 드레인 전극)과의 전기적 절연을 위한 절연층(6)이 가장자리에 형성된 구조로 되어있다. 제2실시예인 MFMIS형 적외선 검출기는, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 반도체 양자 우물 구조(8) 상에 유전체층(5), 하부 전극(4), 강유전체층(3), 상부 전극(2) 및 적외선 흡수층(1)이 순차로 적층된 구조에 트랜지스터의 전극(소스 전극 및 드레인 전극)과의 전기적 절연을 위한 절연층(6)이 가장자리에 형성된 구조로 되어있다.

이상과 같은 구조의 MFS형 및 MFMIS형 적외선 검출기는 상부 전극(2)을 약간 노출시키고 적외선 흡수층(1)을 증착하는 국소면 전극(partial face electrode) 구조와, 상부 전극(2)을 흡수층(1)으로 완전히 덮고 흡수층(1)을 노출시키는 전면 전극(full face electrode) 구조 및 열전하 물질을 흡수층(1)으로 직접 강유전체층(3)에 덮는 가장자리 전극(edge electrode) 구조가 있다. 가장자리 전극(edge electrode) 구조는 적외선 흡수율이 높겠지만 국소 혹은 전면 전극(face electrode) 구조 보다는 공정이 어려울 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 MFS형 적외선 검출기의 동작 상태(적외선 검출 원리)를 설명하기 위한 설명도이다. 도 3a에 도시된 바와 같은, 정상 상태에서는 강유전체의 양단 즉 전극과 양자 우물 간에 소정의 전압을 인가하여 강유전체를 한 쪽 방향으로 분극시켜 놓는다. 이 때 Si 내부 즉 양자우물(채널)에는 강유전체 분역(domain)과 균형(balance)을 유지하기 위하여 전하들이 유도된다. 이를 유도 전하(induced charge)라 하는데, 사실상 속박 전하(bound charge)에 해당한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 적외선이 입사되면 강유전체층(3)의 온도가 변화되고 열전하가 방출되면서 양자 우물(8; channel)의 전하량에도 변화가 온다. 따라서, 채널(8)에 흐르는 전류량도 변하게 되어 트랜지스터가 적외선을 감지하게 되는 것이다. 적외선 세기의 변화는 곧 양자우물(8; 채널)에 흐르는 전류량의 크기의 변화로 나타난다. 적외선이 조사된 후에는 다시 정상상태가 되어 채널(8)의 상태가 원래대로 된다. 즉, MFS형 적외선 검출기는 휘발성을 갖게되는 특성이 있다.

한편, 도 4a 내지 도 4c는 MFMIS형 적외선 검출기의 동작 상태(검출 원리)를 설명하기 위한 설명도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 먼저 정상 상태에서는 상부 전극과 Si 양자 우물(채널) 간에 소정의 전압을 인가하여 강유전체를 한 쪽 방향으로 분극시켜 놓는다. 이와 같이 하면, 전술한 바와 같이 Si 내부 즉 채널에는 강유전체 분역(domain)과 균형(balance)을 유지하기 위하여 전하들이 유도된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 적외선이 입사되면 강유전체층(3)의 온도가 변화되고 열전하가 방출되면서 양자 우물(8; channel)의 전하량에도 변화가 온다. 그리고 도 4c에 도시된 바와 같이, 적외선을 쪼인 후 유도 전하(induced charge)가 채널에서 감소되면서 삽입층으로서의 하부전극(4)에 속박 전하가 형성되므로 정상 상태가 되더라도 채널(8)의 유도 전하는 원상 복귀가 되지 않는다. 이는 비휘발성 메모리(nonvolatile memory)와 같은 효과를 갖는 것이므로, 적외선 영상에 있어 마지막 영상을 보관할 수 있는 비휘발성 적외선 검출기(nonvolatile IR detector) 혹은 비휘발성 적외선 영상(nonvolatile IR image)으로서 적외선 카메라(IR camera)에 응용할 수 있다.

그리고 도 5a 및 도 5b는 MFS형 적외선 검출기의 제조 단계별 공정의 발췌 사시도이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 MOS transistor를 이용한 적외선 검출기는 열전하 효과에 의해 강유전체 FET의 채널에 흐르는 전류로 감지하므로 전류 응답도(current responsivity)만 고려하고, 전압 응답도(voltage responsivity)는 고려할 필요가 없어, 사용 물질의 선택이 보다 용이하게 된다. 물론, 이는 강유전체 물질 보다는 열전하 물질의 군(群)이 넓기 때문이지만, 일반적으로 우수한 열전하 물질은 대부분 강유전체에 속한다.

또한, 종래의 적외선 검출기는 상부 전극과 하부 전극간의 전압 차이나 전류를 측정하는 것으로 열전하 물질 자체의 캐패시턴스(capacitance)가 응답도(responsivity)를 줄이는 요인이 되는데 반하여, 본 발명에 따른 MOS 트랜지스터를 이용한 적외선 검출기에서는 채널을 통해 흐르는 전류를 측정하기 때문에, 측정 전류도 상대적으로 높아서 응답도도 높고 노이즈도 덜 타게 된다. 결국 종래의 적외선 검출기로서는 사용이 어려운 강유전체도 MOS 트랜지스터에 적용할 경우 적외선 검출기로 사용할 수 있게 된다.

Claims

반도체 양자 우물이 형성된 트랜지스터 기판;

상기 양자 우물 상에 적층된 강유전체층;

상기 강유전체층 상에 적층된 전극;

상기 전극 상에 적층된 적외선 흡수층; 및

상기 순차 적층된 강유전체층, 전극 및 적외선 흡수층의 가장자리와 상기 반도체 양자 우물 양쪽의 도핑 영역 상에 형성된 트랜지스터 전극을 각각 격리하기 위한 절연층; 을

구비하여 된 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
제1항에 있어서,

상기 적외선 흡수층은 상기 강유전체층과 직접 접촉되는 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 트랜지스터는 MOS FET인 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
반도체 양자 우물이 형성된 반도 기판 상에 강유전체층, 전극 및 적외선 흡수층을 구비하여 된 적외선 검출기를 작동하는 방법에 있어서,

상기 전극 및 상기 양자 우물 간에 소정의 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기의 작동 방법.
반도체 양자 우물이 형성된 트랜지스터 기판;

상기 양자 우물 상에 적층된 유전체층;

상기 유전체층 상에 적층된 하부 전극;

상기 하부 전극 상에 적층된 강유전체층;

상기 강유전체층 상에 적층된 상부 전극;

상기 상부 전극 상에 적층된 적외선 흡수층; 및

상기 순차 적층된 유전체층, 하부 전극, 강유전체층, 상부 전극 및 적외선 흡수층의 가장자리와 상기 반도체 양자 우물 양쪽의 도핑 영역 상에 형성된 트랜지스트 전극을 각각 격리하기 위한 절연층; 을

구비하여 된 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
제5항에 있어서,

상기 적외선 흡수층은 상기 강유전체층과 직접 접촉되는 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 트랜지스터는 MOS FET인 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
반도체 양자 우물이 형성된 반도 기판 상에 유전체층, 하부 전극, 강유전체층, 상부 전극 및 적외선 흡수층을 구비하여 된 적외선 검출기를 작동하는 방법에 있어서,

상기 상부 전극 및 상기 양자 우물 간에 소정의 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기의 작동 방법.