KR20150092516A - 차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 측정 장치 및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

외부인자를 측정하는 장치가 개시된다. 실시예들은 외부인자에 의해 빛을 발생시키는 발광부, 발생된 빛에 의해 전하 밀도가 변하는 차지 스토리지 메모리, 및 전하 밀도의 변화에 따라 저장되는 정보가 변경되도록 바이아스 전압을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 측정 장치 및 측정 방법{MEASURING DEVICE USING STRUCTURE OF CHARGE STORAGE MEMORY AND MEASURING METHOD THEREOF}
아래 실시예들은 외부인자를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 전자기기에서 발생하는 전자파, 음식물로부터 방출되는 방사능, 주거 지역의 소음 등 다양한 외부인자들이 인체에 미치는 영향에 대한 관심이 급속히 증가하고 있다. 또한, 공정 효율(process efficiency), 폐기물 재순환(waste recycling), 모조 검출(counterfeit detection), 및 환경 오염 모니터링(environmental pollution monitoring) 등 다양한 산업 공정 모니터링 시스템에서도 높은 감지도(sensitivity)와 높은 선택도(selectivity)를 가지는 센서(sensor)들 내지 탐지기(detector)들이 요구된다. 나아가, 고급(advanced) 이미지 시스템은 높은 해상도와 빠른 신호 처리 속도를 요구한다. 전술한 응용(application)들은 낮은 공정 비용과 빠른 개발 사이클을 만족하면서, 더 복잡한 기능과 더 효율적인 신호 처리 능력을 가지는 센서들 및 탐지기들을 필요로 한다.
그러나, 측정하고자 하는 외부인자마다 측정 원리가 상이하므로, 각기 다른 측정 기법(measurement scheme), 각기 다른 신호 처리(signal processing) 기술 및 다양한 측정 장비가 요구된다. 이로 인하여, 측정 시스템 및 공정 모니터링 시스템은 크고 무거워질 수 있고, 실용성이 떨어질 수 밖에 없다. 또한, 새로운 제품을 개발하는 데 소요되는 개발 사이클이 길어지고, 제품의 가격은 더 비싸진다.
실시예들은 플래시 메모리(flash memory)로 대표되는 차지 스토리지 (charge storage) 메모리 기반의 새로운 센서 플랫폼을 제시한다. 센서 플랫폼은 모노리틱(monolithic) 또는 하이브리드(hybrid)한 센서 구성(configuration)을 가지는 소형(compact) 패키지로 구현될 수 있다. 센서 플랫폼은 효율적인 센서 신호 추출(extraction), 센서 신호 수집(collection), 센서 신호 처리(processing), 및 데이터 분석(data analysis) 기능을 제공할 수 있다.
차지 스토리지 메모리 기반 센서 플랫폼의 픽셀 하나 하나는 극도로 작은 디멘션(dimension)을 가질 수 있다. 센서 플랫폼은 빌트인(built-in) 센싱 엘리먼트들의 어레이로 제작될 수 있다. 이러한 센서 어레이들로 인하여 기존 측정 장비들 대비 획기적으로 높은 공간 해상도가 성취될 수 있다. 특히, 차지 스토리지 메모리 기반 센서 플랫폼은 의료 이미지 시스템 등 대규모(extensive) 신호 처리와 데이터 분석을 위한 센서들 및 감지기들에 적용될 수 있다.
실시예들은 빛을 받으면 서브스트레이트의 전하 밀도가 변하는 차지 스토리지 메모리의 바이아스 전압을 제어함으로써, 서브스트레이트 내 전하 밀도의 변화를 측정하는 기술을 제공한다.
실시예들은 외부인자에 의해 빛을 내는 중간 물질과 빛을 받으면 서브스트레이트의 전하 밀도가 변하는 차지 스토리지 메모리를 결합함으로써, 외부인자를 간접적으로 측정하는 기술을 제공한다. 또한, 실시예들은 외부인자에 의해 전하를 생성하는 반응부와 차지 스토리지 메모리를 결함합으로써, 외부인자를 간접적으로 측정하는 기술을 제공한다. 실시예들은 중간 물질을 이용하는 간접적인 측정 기법이면서, 측정부와 중간 물질이 일체를 이루는 모노리틱(monolithic) 구조의 측정 장치를 제공한다. 또한 실시예들은 실리콘 기반의 차지 스토리지 메모리로 구성된 측정부와 비실리콘계 중간 물질을 결합하여 하이브리드(hybrid) 구조의 측정 장치로 응용될 수 있다.
실시예들은 외부인자의 종류에 관계없이 동일한 원리를 이용하여 외부인자를 측정하는 플랫폼을 제공한다. 실시예들은 차지 스토리지로의 전하의 유입량과 차지 스토리지로부터의 전하의 유출량으로 외부인자의 영향을 종합적으로 판단하는 기술을 제공한다. 실시예들은 전하의 유입/유출 정도만을 이용해 외부인자를 측정하므로, 다양한 중간 물질과의 조합에 따라 다양한 종류의 외부인자를 측정하도록 응용된다.
실시예들은 매우 작고 저렴한 반도체 소자로 제작되어 휴대하기 용이한 형태로 구현될 수 있고, 기존에 알려진 비휘발성 특성을 그대로 이용하므로 누적적인 외부인자 측정 기술을 제공한다.
센서 플랫폼의 센서 동작 제어 및 신호 처리를 위하여 잘 성립된(well-established) 차지 스토리지 메모리 제어 소프트웨어 및 하드웨어가 직접적으로 활용될 수 있다. 센서 플랫폼은 획기적으로 절감된 개발 비용 및 공정 비용으로 높은 감지도와 높은 선택도를 가지는 센서들과 탐지기들로 생산될 수 있다.
일 측에 따른 외부인자를 측정하는 측정 장치는 상기 외부인자에 의해 빛을 발생시키는 발광부; 서브스트레이트-상기 서브스트레이트의 전하 밀도는 상기 빛에 의하여 변함-를 포함하는 차지 스토리지 메모리 셀; 및 상기 전하 밀도의 변화에 따라 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보가 변경되도록 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 바이아스 전압을 제어하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 빛이 상기 서브스트레이트에 의해 흡수되면 상기 서브스트레이트 내에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되고, 상기 전자 또는 정공에 의한 전하는 상기 바이아스 전압에 의하여 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함된 차지 스토리지 방향으로 이동할 수 있다.
또한, 상기 발광부는 상기 외부인자로부터 제공된 자극에 의해 상기 빛을 방출하는 적어도 하나의 발광체를 포함할 수 있다. 상기 외부인자는 전자파, 고 에너지 입자, 압력, 소리, 화학반응, 및 열 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전하 밀도는 상기 빛에 의해 증가할 수 있다. 상기 전하 밀도가 증가할수록 상기 서브스트레이트로부터 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함된 차지 스토리지로 전하가 터널링되는 확률이 증가할 수 있다.
또한, 상기 빛은 300nm와 1100nm 사이 파장의 빛을 포함할 수 있다. 상기 서브스트레이트는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보는 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함되는 차지 스토리지에 저장되는 전하량을 포함할 수 있다. 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보가 변경되는 민감도는 상기 바이아스 전압, 상기 서브스트레이트의 종류, 상기 발광부에 포함되는 발광체의 종류, 및 상기 서브스트레이트 내 상기 발광체가 배치된 구조 중 적어도 하나에 따라 결정될 수 있다. 상기 차지 스토리지에 전하가 유입되거나 상기 차지 스토리지로부터 전하가 유출되는 민감도는 상기 바이아스 전압에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 발광부는 상기 서브스트레이트를 향하여 상기 빛을 방출하도록 상기 서브스트레이트와 결합할 수 있다. 상기 발광부는 상기 서브스트레이트의 일 측면에 배치될 수 있다. 상기 발광부는 상기 서브스트레이트에 미리 정해진 패턴으로 가공된 복수의 구멍들에 배치될 수 있다.
또한, 상기 발광부는 외부인자의 스펙트럼에 대응하는 복수의 발광체들; 및 복수의 외부인자들에 대응하는 복수의 발광체들 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정 장치는 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들을 포함하고, 상기 제어부는 미리 정해진 복수의 측정 모드들 중 어느 하나로 동작하며, 상기 미리 정해진 복수의 측정 모드들은 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들에 동일한 바이아스 전압을 제공하는 제1 측정 모드 및 상기 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들 중 적어도 일부에 상이한 바이아스 전압을 제공하는 제2 측정 모드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 일 측에 따른 외부인자를 측정하는 측정 방법은 차지 스토리지 메모리 셀에 저장된 정보를 초기화하는 단계; 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함되는 서브스트레이트의 전하 밀도의 변화에 따라 상기 초기화된 정보가 변경되도록 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 바이아스 전압을 제어하는 단계; 및 상기 외부인자를 측정하기 위하여 상기 변경된 정보를 리드(read)하는 단계를 포함한다. 상기 외부인자에 의해 상기 서브스트레이트에 삽입된 발광체에서 빛이 발생되고, 상기 발생된 빛에 의해 상기 전하 밀도가 변할 수 있다.
이 때, 상기 외부인자는 전자파, 고 에너지 입자, 압력, 소리, 화학반응, 및 열 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전하 밀도는 상기 빛에 의해 증가할 수 있다. 상기 전하 밀도가 증가할수록 상기 서브스트레이트로부터 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함된 차지 스토리지로 전하가 터널링되는 확률이 증가할 수 있다.
또한, 상기 빛은 300nm와 1100nm 사이 파장의 빛을 포함할 수 있다. 상기 서브스트레이트는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 변경된 정보는 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함되는 차지 스토리지에 저장되는 전하량을 포함하고, 상기 차지 스토리지에 전하가 유입되거나 상기 차지 스토리지로부터 전하가 유출되는 민감도는 상기 바이아스 전압에 따라 결정될 수 있다. 상기 초기화된 정보가 변경되는 민감도는 상기 바이아스 전압, 상기 서브스트레이트의 종류, 상기 발광체의 종류, 및 상기 서브스트레이트 내 상기 발광체가 삽입된 구조 중 적어도 하나에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 발광체는 상기 서브스트레이트를 향하여 상기 빛을 방출하도록, 상기 서브스트레이트에 미리 정해진 패턴으로 가공된 복수의 구멍들에 배치될 수 있다.
또 다른 일 측에 따른 센서는 외부인자에 반응하여 전자-정공 쌍을 생성하는 반응부; 상기 반응부를 서브스트레이트로 이용하는 차지 스토리지 메모리 셀; 및 상기 전자-정공 쌍에 의한 전하가 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 차지 스토리지 방향으로 이동하도록 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 바이아스 전압을 제어하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 외부인자는 전자파, 고 에너지 입자, 압력, 소리, 화학반응, 및 열 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 일 측에 따른 센서는 전극 레이어; 외부인자에 반응하여 전하를 생성하는 반응 레이어; 및 상기 전하를 저장하는 차지 스토리지 메모리 레이어를 포함한다. 상기 전극 레이어와 상기 차지 스토리지 메모리 레이어 사이에 인가되는 전압에 의하여 상기 전하가 상기 차지 스토리지 메모리 레이어 방향으로 이동될 수 있다.
이 때, 상기 센서는 상기 전하가 상기 차지 스토리지 메모리 레이어에 저장되도록 상기 전극 레이어와 상기 차지 스토리지 메모리 레이어 사이에 인가되는 전압을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응 레이어는 광전 물질 코팅(photoconductive material coating)을 포함할 수 있다. 상기 차지 스토리지 메모리 레이어는 픽셀레이트된(pixelated) 차지 스토리지 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 상기 전극 레이어는 메쉬(mesh) 형태의 전극을 포함할 수 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 장치를 나타내는 블록도.
도 1b는 일 실시예에 따른 차지 스토리지 메모리 셀을 설명하는 도면.
도 2는 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치에 포함된 전압 생성부를 나타내는 블록도.
도 3a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치에 포함된 적어도 하나의 차지 스토리지 메모리 칩의 동작을 설명하는 도면들.
도 5는 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치에 포함된 컨트롤러를 나타내는 블록도.
도 6은 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치의 동작 모드를 설명하는 도면.
도 7은 일 실시예에 따른 차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 방법을 나타내는 동작 흐름도.
도 8은 일 실시예에 따른 전자파 측정 방법에 포함되는 복수의 단계들 각각에서 변경되는 플래시 메모리 칩의 문턱 전압의 분포를 설명하는 도면.
도 9는 일 실시예에 따른 차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 측정 장치를 나타낸 블록도.
도 10, 도 11a 및 도 11b는 발광부와 서브스트레이트가 결합되는 실시예들을 설명하는 도면들.
도 12는 일 실시예에 따른 제어부의 구체적인 구성을 나타내는 블록도.
도 13a 내지 도 13f는 일 실시예에 따른 외부인자를 측정하는 측정 방법을 설명하는 도면들.
도 14는 일 실시예에 따른 복수의 센싱 픽셀들을 포함하는 센서를 설명하는 도면.
도 15a 및 도 15b는 복수의 센싱 픽셀들을 포함하는 센서의 다양한 응용들을 설명하는 도면들.
도 16 및 도 17은 일 실시예에 따른 전하를 생성하는 반응부를 이용하는 측정 장치를 설명하는 도면들.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
일 실시예에 따른 전자파 측정 기법
도 1a는 일 실시예에 따른 차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 장치를 나타내는 블록도이다. 도 1a를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치(100)는 차지 스토리지 메모리 칩(110), 전압 생성부(120), 및 컨트롤러(130)를 포함한다. 여기서, 전자파 측정 장치(100)는 차지 스토리지(charge storage)를 이용하여 데이터를 저장하는 비휘발성 저장 장치이다.
차지 스토리지 메모리 칩(110)은 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들을 포함할 수 있고, 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들을 이용하여 데이터를 비휘발적으로 저장할 수 있다. 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 저장되는 정보는 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들 각각의 차지 스토리지에 저장되는 전하량을 포함할 수 있다. 차지 스토리지에 저장되는 전하는 음전하, 양전하, 또는 이들의 조합일 수 있다. 도 1b를 참조하면, 차지 스토리지 메모리 셀(115)은 컨트롤 게이트(control gate)(116), 차지 스토리지(117), 및 서브스트레이트(substrate)(118)를 포함할 수 있다. 차지 스토리지(117)는 음전하, 양전하, 또는 이들의 조합을 저장할 수 있다.
전압 생성부(120)는 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 제공되는 바이아스(bias) 전압을 생성할 수 있다. 여기서, 바이아스 전압은 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 포함되는 차지 스토리지 메모리 셀의 컨트롤 게이트와 서브스트레이트 사이에 인가되는 전압을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1b를 참조하면, 바이아스 전압은 컨트롤 게이트(116)와 서브스트레이트(118) 사이에 인가되는 전압일 수 있다.
전압 생성부(120)는 외부로부터 입력 받는 VDD와 VSS를 이용하여 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 제공하기 위한 다양한 전압들을 생성할 수 있다. 전압 생성부(120)에 대한 보다 상세한 사항들은 후술한다. 이 때, 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 저장되는 정보는 전압 생성부(120)로부터 인가되는 바이아스 전압 및 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 방사되는 전자파에 의하여 변경될 수 있다. 예를 들어, 특정 바이아스 전압이 인가되는 도중 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 전자파가 방사되면, 전자파의 전기장 성분의 영향으로 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 포함되는 차지 스토리지에 전하가 유입되거나, 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 포함되는 차지 스토리지로부터 전하가 유출 될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 차지 스토리지 메모리 칩(110)이 전자파에 노출되기 전 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 저장된 정보와 차지 스토리지 메모리 칩(110)이 전자파에 노출된 후 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 저장된 정보를 비교함으로써, 전자파의 세기와 전자파의 방향이 측정될 수 있다. 이로 인하여, 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치(100)는 방사되는 전자파의 성분 주파수에 관계없이 차지 스토리지로의 전하의 유입량과 차지 스토리지로부터의 전하의 유출량으로 전자기 방사의 영향을 종합적으로 판단할 수 있다.
일 실시예에 따른 전자파 측정 장치(100)는 전하의 유입/유출 정도만을 이용하여 전자파의 세기 및 방향을 측정하기 때문에 모든 종류의 전자파의 전체적인 영향을 측정할 수 있다. 뿐만 아니라, 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치(100)는 매우 작고 저렴한 반도체 소자로 제작될 수 있고, 기존에 알려진 비휘발성 특성을 그대로 이용함으로써, 누적적인 전자기 조사량을 측정할 수 있다.
또한, 컨트롤러(130)는 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 저장되는 정보가 전자파에 의하여 영향을 받도록 전압 생성부(120)를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 컨트롤러(130)는 전압 생성부(120)에 의해 생성되는 바이아스 전압을 전자파 측정에 적합한 수치가 되게끔 전압 생성부(120)를 제어할 수 있다. 이러한 전자파 측정에 적합한 바이아스 전압과 관련된 보다 상세한 사항들은 후술한다.
차지 스토리지 메모리는 차지 스토리지의 형태에 따라 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 차지 스토리지 메모리는 플로팅 게이트(floating gate) 구조의 플래시 메모리, 또는 차지 트래핑(charge trapping) 구조의 플래시 메모리 등을 포함할 수 있다. 플로팅 게이트 구조의 플래시 메모리는 일반적인 플로팅 게이트 트랜지스터를 이용하는 플래시 메모리, FAMOS(Floating-gate Avalanche Metal Oxide Semiconductor)를 이용하는 플래시 메모리, 스택 게이트(stacked gate) 트랜지스터를 이용하는 플래시 메모리 등을 포함할 수 있다. 차지 트래핑 구조의 플래시 메모리는 전하를 저장하기 위해 플로팅 게이트 구조가 아니라 절연체인 질화 규소 필름(silicon nitride film)을 사용할 수 있다. 차지 트래핑 구조의 플래시 메모리는 SONOS(Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor)를 이용하는 플래시 메모리, MNOS(Metal Nitride Oxide Semiconductor)를 이용하는 플래시 메모리 등을 포함할 수 있다. 전술한 다양한 형태의 차지 스토리지 메모리는 전자파 측정 장치(100)에 포함되는 차지 스토리지 메모리 칩(110)에 적용될 수 있다.
또한, 차지 스토리지 메모리는 낸드(NAND) 구조 또는 노어(NOR) 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전자파 측정 장치(100)는 패키지(package) 형태로 제조된 낸드 플래시 메모리 또는 노어 플래시 메모리 등을 포함할 수 있다. 전자파 측정 장치(100)는 일반적인 플래시 메모리들과 마찬가지로 이레이즈(erase) 동작, 프로그램(program) 동작, 및 리드(read) 동작을 수행할 수 있다. 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 차지 스토리지 메모리 칩(110), 전압 생성부(120), 및 컨트롤러(130)를 이용하여 이레이즈 동작, 프로그램 동작, 및 리드 동작을 용이하게 수행시킬 수 있음은 자명하다.
이하 도 2 내지 도 8에서, 설명의 편의를 위하여, 전자파 측정 장치(100)가 플로팅 게이트 구조의 플래시 메모리를 이용하여 구현되는 경우를 예로 들어 설명한다. 이 경우, 플래시 메모리는 차지 스토리지 메모리에 대응하고, 플로팅 게이트 트랜지스터는 차지 스토리지 메모리 셀에 대응하며, 플로팅 게이트는 차지 스토리지에 대응할 수 있다. 또한, 이 경우 플로팅 게이트에는 음전하가 저장된다. 이하, 음전하는 전자라고 지칭될 수 있으며 따라서 차지 스토리지에 저장된 전하량은 플로팅 게이트에 저장된 전자의 수로 지칭될 수 있다. 그러나, 실시예들은 다른 형태의 차지 스토리지 메모리를 이용하는 경우에도 그대로 적용될 수 있다. 예를 들면 차지 스토리지에 저장하는 전하로 양전하를 사용하는 변형의 경우에도 위의 실시예를 그대로 적용할 수 있다. 이 경우, 양전하는 정공이라고 지칭될 수 있으며 따라서 차지 스토리지에 저장된 전하량은 정공의 수로 지칭될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 장치에 포함된 전압 생성부를 나타내는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 전압 생성부(220)는 차지 펌프(221), 게이트 컨트롤(222), 및 서브스트레이트 컨트롤(223)을 포함한다.
차지 펌프(221)는 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 장치로, 예를 들어 에너지 저장 장치인 축전기를 이용하여 입력 전압보다 더 높거나 입력 전압보다 더 낮은 출력 전압을 생성하는 직류-직류 변환 장치 등을 포함할 수 있다. 차지 펌프(221)는 플래시 메모리 칩(210)에 저장된 정보를 초기화 하기 위한 이레이즈 전압(Verase), 플래시 메모리 칩(210)에 원하는 정보를 저장하기 위한 프로그램 전압(Vprogram)과 베리파이 전압(Vverify), 및 플래시 메모리 칩(210)에 저장된 정보를 읽기 위한 리드 전압(Vread)을 생성할 수 있다. 더 나아가, 차지 펌프(221)는 플래시 메모리 칩(210)을 이용하여 전자파를 측정하기 위한 스캔 전압(Vscan)을 생성할 수 있다.
다른 실시예에 따른 차지 펌프(221)는 입력 전압을 그대로 출력 전압으로 전달하게끔 구현될 수 있다. 예를 들어, 플래시 메모리 칩(210)을 이용하여 전자파를 측정하기 위한 스캔 전압(Vscan)이 외부에서 생성되어 차지 펌프(221)로 제공되고, 차지 펌프(221)는 제공된 스캔 전압(Vscan)을 그대로 출력할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 플래시 메모리 칩(210)을 이용하여 전자파를 측정하기 위한 스캔 전압(Vscan)이 외부에서 생성되어 차지 펌프(221)를 거치지 않고 곧장 제공될 수 있다.
게이트 컨트롤(222)은 플래시 메모리 칩(210)에 포함된 플로팅 게이트 트랜지스터의 컨트롤 게이트(211)에 인가되는 전압을 선택하는 장치이다. 게이트 컨트롤(222)은 도 1a의 컨트롤러(130)로부터 전송되는 제어 신호를 이용하여 플로팅 게이트 트랜지스터의 컨트롤 게이트(211)에 인가되는 전압을 선택할 수 있다. 예를 들어, 게이트 컨트롤(222)은 도 1a의 컨트롤러(130)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 프로그램 전압(Vprogram), 베리파이 전압(Vverify), 리드 전압(Vread), 스캔 전압(Vscan), VDD 및 VSS 중 어느 하나의 전압을 플로팅 게이트 트랜지스터의 컨트롤 게이트(211)에 제공할 수 있다.
서브스트레이트 컨트롤(223)은 플래시 메모리 칩(210)에 포함된 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트(212)에 인가되는 전압을 선택하는 장치이다. 서브스트레이트 컨트롤(223)은 도 1a의 컨트롤러(130)로부터 전송되는 제어 신호를 이용하여 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트(212)에 인가되는 전압을 선택할 수 있다. 예를 들어, 서브스트레이트 컨트롤(223)는 도 1a의 컨트롤러(130)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 이레이즈 전압(Verase), 스캔 전압(Vscan), VDD 및 VSS 중 어느 하나의 전압을 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트(212)에 제공할 수 있다.
게이트 컨트롤(222)을 통해 컨트롤 게이트(211)에 스캔 전압(Vscan)이 인가되고 서브스트레이트 컨트롤(223)을 통해 서브스트레이트(212)에 VSS가 인가되면 플래시 메모리 칩(210)에는 양(+)의 바이아스 전압이 제공되고, 서브스트레이트 컨트롤(223)을 통해 서브스트레이트(212)에 스캔 전압(Vscan)이 인가되고 게이트 컨트롤(222)을 통해 컨트롤 게이트(211)에 VSS가 인가되면 플래시 메모리 칩(210)에는 음(-)의 바이아스 전압이 제공될 수 있다. 이하, 도 3a 내지 도 4c를 참조하여 이러한 스캔 전압(Vscan)을 이용하여 전자파를 측정하는 보다 상세한 사항들을 설명한다.
도 3a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 장치에 포함된 적어도 하나의 플래시 메모리 칩의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 스캔 전압(Vscan)을 이용한 전자파 측정 방법에 대하여 설명하기에 앞서, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 일 실시예에 따른 플로팅 게이트 구조를 가지는 플래시 메모리 칩의 구조와 동작 특성을 간략히 설명한다.
도 3a를 참조하면, 일 실시예에 따른 노어 구조의 플래시 메모리 칩은 적어도 하나의 메모리 블록(301)을 포함한다. 적어도 하나의 메모리 블록(301)은 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 후술할 낸드 구조의 플래시 메모리 칩과 달리 노어 구조의 플래시 메모리 칩에 포함된 단일 트랜지스터(302)는 랜덤하게 액세스될 수 있다. 도 1a의 컨트롤러(130)로부터 전송되는 제어 신호는 로우 어드레스(row address)와 칼럼 어드레스(column address)를 포함할 수 있다. 플래시 메모리 칩에 포함된 로우 디코더(row decoder)는 로우 어드레스를 이용하여 복수의 워드 라인들(word lines)(303) 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 또한, 플래시 메모리 칩에 포함된 칼럼 디코더(column decoder)는 칼럼 어드레스를 이용하여 복수의 비트 라인들(bit lines)(304) 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 이 때, 메모리 블록(301) 내의 셀 배열(cell array)은 복수의 셀들(예를 들어, 복수의 트랜지스터들)로 구성될 수 있다. 복수의 셀들 각각은 셀 배열 구조 상에서 고유한 위치를 차지할 수 있다. 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치는 복수의 셀들 각각을 이용하여 해당 셀이 차지한 위치에서의 전자파의 크기와 방향을 측정할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 일 실시예에 따른 낸드 구조의 플래시 메모리 칩은 적어도 하나의 메모리 블록(310)을 포함한다. 적어도 하나의 메모리 블록(310)은 적어도 하나의 페이지(313)를 포함하고, 적어도 하나의 페이지(313)는 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치는 전자파 측정을 위하여 4개의 블록들을 이용할 수 있다. 이 경우, 4개의 블록들 각각은 8개의 페이지들을 포함할 수 있다. 도 1a의 컨트롤러(130)로부터 전송되는 제어 신호는 로우 어드레스(row address)와 칼럼 어드레스(column address)를 포함할 수 있다. 플래시 메모리 칩에 포함된 로우 디코더(row decoder)는 로우 어드레스를 이용하여 복수의 워드 라인들(word lines)(311) 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 또한, 플래시 메모리 칩에 포함된 칼럼 디코더(column decoder)는 칼럼 어드레스를 이용하여 복수의 비트 라인들(bit lines)(312) 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 이 때, 메모리 블록(310) 내의 셀 배열(cell array)은 복수의 셀들(예를 들어, 복수의 트랜지스터들)로 구성될 수 있다. 복수의 셀들 각각은 셀 배열 구조 상에서 고유한 위치를 차지할 수 있다. 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치는 복수의 셀들 각각을 이용하여 해당 셀이 차지한 위치에서의 전자파의 크기와 방향을 측정할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치는 셀 배열 내의 전체 셀들에 대한 전자파의 크기와 방향 정보를 종합함으로써, 해당 셀 배열이 위치한 공간에서의 전자파의 전체 윤곽(contour)과 관련된 정보를 획득하는 기술을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전자파 측정 장치가 직진하는 단일 주파수의 정현 전자파만이 영향을 미치는 이상적인 공간에 위치하는 경우, 해당 전자파의 진폭, 주파수, 위상을 측정할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 일 실시예에 따른 플로팅 게이트 트랜지스터는 적어도 두 개의 상태(state)들을 가진다. 예를 들어, 컨트롤 게이트(321)에 VSS가 인가되고, 서브스트레이트(322)에 이레이즈 전압(Verase)인 20V가 인가되면, 플로팅 게이트(323)에 있는 전자들이 유출 될 수 있다.
이렇게 플로팅 게이트(323)에 있는 전자들이 유출 된 상태(이하, "L1 상태"라고 한다)에서, 플로팅 게이트 트랜지스터는 I-V 곡선(324)와 같은 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, L1 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터는 VTH -1의 문턱 전압을 경계로 온/오프 되는 스위치와 같이 동작할 수 있다.
이 때, 문턱 전압 분포 그래프(325)는 L1 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터가 가지는 문턱 전압의 분포를 나타낸다. 문턱 전압 분포 그래프(325)에서 x축은 문턱 전압이고, y축은 해당 문턱 전압을 가지는 플로팅 게이트 트랜지스터의 수이다. 예를 들어, L1 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터는 문턱 전압 분포 그래프(325)가 x축 방향으로 분포된 범위 내에서 문턱 전압을 가질 수 있다.
또한, 컨트롤 게이트(331)에 프로그램 전압(Vprogram)인 20V가 인가되고, 서브스트레이트(332)에 VSS가 인가되면, 플로팅 게이트(333)로 전자들이 유입 될 수 있다. 이렇게 플로팅 게이트(333)에 전자들이 유입 된 상태(이하, "L0 상태"라고 한다)에서, 플로팅 게이트 트랜지스터는 I-V 곡선(334)와 같은 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, L0 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터는 VTH -0의 문턱 전압을 경계로 온/오프 되는 스위치와 같이 동작할 수 있다.
이 때, 문턱 전압 분포 그래프(335)는 L0 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터가 가지는 문턱 전압의 분포를 나타낸다. 문턱 전압 분포 그래프(335)에서 x축은 문턱 전압이고, y축은 해당 문턱 전압을 가지는 플로팅 게이트 트랜지스터의 수이다. 예를 들어, L0 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터는 문턱 전압 분포 그래프(335)가 x축 방향으로 분포된 범위 내에서 문턱 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, L0 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터는 L1 상태의 플로팅 게이트 트랜지스터에 비하여 더 높은 문턱 전압을 가질 수 있다.
도 4a를 참조하면, 일 실시예에 따른 스캔 전압(Vscan)은 전자파의 방사 없이는 F-N 터널링 현상이 실질적으로 발생하지 않는 범위 내에서 결정된다. 여기서, F-N 터널링 현상이란, 플로팅 게이트와 서브스트레이트 사이에서 전자의 유입 또는 유출이 일어나는 현상이다. F-N 터널링 현상이 발생될 확률은 플로팅 게이트와 서브스트레이트 사이의 전위차, 즉 바이아스 전압에 의존한다.
보다 구체적으로, F-N 터널링 현상에 의해 플로팅 게이트로 전자가 유입될지 또는 플로팅 게이트로부터 전자가 유출될지 여부는 바이아스 전압의 부호에 의존한다. 또한, 바이아스 전압의 크기가 클수록, F-N 터널링 현상에 의해 전자의 유입 또는 유출이 일어날 확률이 높아진다. 예를 들어, 스캔 전압(Vscan)이 0V인 경우(410) F-N 터널링 현상이 발생될 확률은 스캔 전압(Vscan)이 6V인 경우(420) F-N 터널링 현상이 발생될 확률보다 낮다. 또한, 스캔 전압(Vscan)이 6V인 경우(420) F-N 터널링 현상이 발생될 확률은 스캔 전압(Vscan)이 12V인 경우(430) F-N 터널링 현상이 발생될 확률보다 낮다.
다만, 스캔 전압(Vscan)이 프로그램 전압(Vprogram)이나 이레이즈 전압(Verase)보다 낮은 전압으로 설정되는 이상, 스캔 전압(Vscan) 만으로는 F-N 터널링 현상이 실질적으로 발생하지 않을 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 스캔 전압(Vscan)이 12V인 경우(430), 스캔 전압(Vscan)이 0V 또는 6V인 경우(410, 420)에 비하여 F-N 터널링 현상이 발생될 확률이 높다. 하지만, 스캔 전압(Vscan)이 12V인 경우(430)에도 스캔 전압(Vscan)이 프로그램 전압(Vprogram)인 20V보다 낮으므로, 스캔 전압(Vscan)을 인가하는 것 만으로 F-N 터널링 현상이 실질적으로 발생되지는 아니한다.
따라서, 도 4a의 문턱 전압 분포 그래프들을 참조하면, 스캔 전압(Vscan)이 0V인 경우(410), 스캔 전압(Vscan)이 6V인 경우(420) 및 스캔 전압(Vscan)이 12V인 경우(430) 모두 플로팅 게이트 트랜지스터가 동일한 문턱 전압의 분포를 가질 수 있다. 이하, 도 4b 및 도 4c를 참조하여, 스캔 전압(Vscan)의 값이 전자파 측정에 미치는 영향을 설명한다.
도 4b와 도 4c를 참조하면 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치에 포함된 플로팅 게이트 트랜지스터는 스캔 전압(Vscan)과 전자파 측정 장치에 가해진 전자파의 전기장 성분에 의하여 문턱 전압이 변경된다. 우선, 전기장이 플로팅 게이트로부터 서브스트레이트 방향으로 가해진 경우(450, 460) 플로팅 게이트로 전자가 유입될 수 있다. 반면, 전기장이 서브스트레이트로부터 플로팅 게이트 방향으로 가해진 경우(480, 490) 플로팅 게이트로부터 전자가 유출될 수 있다. 이 경우, 플로팅 게이트에 저장된 전자의 수에 따라 플로팅 게이트 트랜지스터의 문턱 전압이 변경되므로, 전자파 방사 전/후 문턱 전압이 얼마 증가하였는지 또는 얼마 감소하였는지 여부에 따라 전자파의 방향 및 크기와 관련된 정보가 획득될 수 있다.
더 나아가, 플로팅 게이트 트랜지스터의 플로팅 게이트에 전자가 유입되거나 플로팅 게이트로부터 전자가 유출되는 민감도는 바이아스 전압(예를 들어, 스캔 전압)에 의존할 수 있다. 여기서, 플로팅 게이트에 전자가 유입되거나 플로팅 게이트로부터 전자가 유출되는 민감도는 플로팅 게이트에 전자가 유입되거나 플로팅 게이트로부터 전자가 유출될 확률을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 바이아스 전압(예를 들어, 스캔 전압)이 양(+)의 값인 경우 플로팅 게이트에 전자가 유입될 민감도(예를 들어, 확률)가 증가하고, 바이아스 전압(예를 들어, 스캔 전압)이 음(-)의 값인 경우 플로팅 게이트로부터 전자가 유출될 민감도(예를 들어, 확률)가 증가할 수 있다. 예를 들어, 스캔 전압(Vscan)이 0V인 경우(440) 플로팅 게이트에 전자가 유입될 민감도(예를 들어, 확률)는 나머지 두 경우들(450, 460)에 비하여 낮다. 반대로, 스캔 전압(Vscan)이 12V인 경우(460) 플로팅 게이트에 전자가 유입될 민감도(예를 들어, 확률)는 나머지 두 경우들(440, 450)에 비하여 높다.
따라서, 동일한 세기와 동일한 방향의 전자파에 동일한 시간 동안 노출된 결과, 스캔 전압(Vscan)이 0V인 경우(440) 플로팅 게이트에 전자가 유입되지 아니하고, 스캔 전압(Vscan)이 12V인 경우(460) 플로팅 게이트에 다수의 전자가 유입될 수 있다. 그 결과, 스캔 전압(Vscan)이 12V인 경우(460) 전자파에 노출된 이후 플로팅 게이트 트랜지스터의 문턱 전압이 증가될 수 있다.
마찬가지로, 스캔 전압(Vscan)이 0V인 경우(470) 플로팅 게이트로부터 전자가 유출될 민감도(예를 들어, 확률)는 나머지 두 경우들(480, 490)에 비하여 낮다. 반대로, 스캔 전압(Vscan)이 -12V인 경우(490) 플로팅 게이트로부터 전자가 유출될 민감도(예를 들어, 확률)는 나머지 두 경우들(470, 480)에 비하여 높다.
따라서, 동일한 세기와 동일한 방향의 전자파에 동일한 시간 동안 노출된 결과, 스캔 전압(Vscan)이 0V인 경우(470) 플로팅 게이트로부터 전자가 유출되지 아니하고, 스캔 전압(Vscan)이 -12V인 경우(490) 플로팅 게이트로부터 다수의 전자가 유출될 수 있다. 그 결과, 스캔 전압(Vscan)이 -12V인 경우(490) 전자파에 노출된 이후 플로팅 게이트 트랜지스터의 문턱 전압이 감소될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 플로팅 게이트 트랜지스터에 인가되는 스캔 전압(Vscan)과 플로팅 게이트 트랜지스터의 변경된 문턱 전압의 크기를 전자파의 방향과 전자파의 세기에 맵핑(mapping) 시킴으로써, 전자파를 측정하는 기술을 제공할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 장치에 포함된 컨트롤러를 나타내는 블록도이다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 컨트롤러(500)는 I/O 컨트롤러(510), 로직 컨트롤러(520), 레지스터(530) 및 제어 신호 생성부(540)를 포함한다.
I/O 컨트롤러(510)는 메모리의 주소 또는 메모리에 저장된 데이터 등의 입출력을 제어할 수 있다. 로직 컨트롤러(520)는 칩 이네이블(chip enable, CE) 또는 라이트 이네이블(write enable, WE) 등 전자파 측정 장치의 동작을 위한 각종 이네이블 신호들을 처리할 수 있다. 레지스터(530)는 전자파 측정 장치의 상태를 지시(indicating)하는 상태 레지스터(status register), 전자파 측정 장치의 플래시 메모리 주소를 위한 주소 레지스터(address register), 전자파 측정 장치의 설정을 위한 설정 레지스터(configuration register) 및 전자파 측정 장치의 동작을 위한 명령 레지스터(command register) 등을 포함할 수 있다. 제어 신호 생성부(540)는 로직 컨트롤러(520) 또는 레지스터(530)로부터 전송 받은 신호를 기초로 하여 도 1a의 전압 생성부(120)와 플래시 메모리 칩(110)을 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 장치의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자파 측정 장치는 휴지(idle) 모드(610), 이레이즈(erase) 모드(620), 프로그램(program) 모드(630), 리드(read) 모드(640) 및 스캔(scan) 모드(650) 각각으로 동작할 수 있다.
보다 구체적으로, 전자파 측정 장치는 리셋(reset) 입력에 반응하여 휴지 모드(610)로 동작할 수 있다. 나아가, 전자파 측정 장치는 이레이즈 동작, 프로그램 동작, 리드 동작 및 스캔 동작 중 어느 하나에 대응되는 입력을 수신함에 반응하여 해당 모드로 전환될 수 있다. 이 때, 스캔 모드(650)는 전자파를 측정하는 모드로, 복수의 전자파 측정 모드들을 포함할 수 있다.
미리 정해진 복수의 전자파 측정 모드들은 플래시 메모리 칩에 포함된 복수의 블록들에 동일한 바이아스 전압(예를 들어, 스캔 전압)을 제공하는 제1 전자파 측정 모드, 복수의 블록들에 상이한 바이아스 전압(예를 들어, 스캔 전압)을 제공하는 제2 전자파 측정 모드, 복수의 블록들 각각에 포함된 복수의 페이지들에 상이한 바이아스 전압(예를 들어, 스캔 전압)을 제공하는 제3 전자파 측정 모드 또는 플래시 메모리 칩에 포함된 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들에 상이한 바이아스 전압(예를 들어, 스캔 전압)을 제공하는 제4 전자파 측정 모드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전자파 측정 장치는 제2 전자파 측정 모드에서, 복수의 블록들 각각마다 상이한 스캔 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 전자파 측정 장치는 복수의 블록들을 그룹 지은 뒤, 그룹별로 상이한 스캔 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 전자파 측정 장치는 복수의 블록들 중 일부에는 6V의 스캔 전압을 인가하고, 나머지 블록들에는 -6V의 스캔 전압을 인가할 수 있다. 또한, 전자파 측정 장치는 복수의 블록들 중 일부에는 6V의 스캔 전압을 인가하면서, 나머지 블록들은 스캔 전압을 인가하지 않고 플로트(float) 시킬 수 있다.
또한, 전자파 측정 장치는 제3 전자파 측정 모드에서, 동일한 블록 내 복수의 페이지들 각각마다 상이한 스캔 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 전자파 측정 장치는 동일한 블록 내 복수의 페이지들을 그룹 지은 뒤, 그룹별로 상이한 스캔 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 전자파 측정 장치는 복수의 페이지들 중 일부에는 6V의 스캔 전압을 인가하고, 나머지 페이지들에는 -6V의 스캔 전압을 인가할 수 있다. 또한, 전자파 측정 장치는 복수의 페이지들 중 일부에는 6V의 스캔 전압을 인가하면서, 나머지 페이지들은 스캔 전압을 인가하지 않고 플로트 시킬 수 있다.
또한, 전자파 측정 장치는 제4 전자파 측정 모드에서, 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들 각각마다 상이한 스캔 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들은 제1 플로팅 게이트 트랜지스터와 제2 플로팅 게이트 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 때, 전자파 측정 장치는 제1 플로팅 게이트 트랜지스터에는 6V의 스캔 전압을 인가하고, 제2 플로팅 게이트 트랜지스터에는 -6V의 스캔 전압을 인가할 수 있다. 또한, 전자파 측정 장치는 제1 플로팅 게이트 트랜지스터에는 6V의 스캔 전압을 인가하면서, 제2 플로팅 게이트 트랜지스터에는 스캔 전압을 인가하지 않고 플로트 시킬 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 전자파 측정 방법은 제1 초기화 단계(erase)(710), 제2 초기화 단계(program)(720), 전자파 검출 단계(scan)(730) 및 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(750)를 포함한다.
제1 초기화 단계(erase)(710)는 초기화 신호의 수신에 반응하여 플래시 메모리에 포함된 적어도 하나의 플래시 메모리 칩에 저장된 정보를 초기화할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 초기화 단계(erase)(710)는 이레이즈(erase) 동작에 대응되는 바이아스 전압을 상기 플래시 메모리 칩에 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 초기화 단계(erase)(710)는 플래시 메모리 칩에 포함된 플로팅 게이트들로부터 전자를 유출시킴으로써, 이전 단계의 프로그램 동작 또는 스캔 동작 등에 의해 변경된 전자의 개수를 초기화할 수 있다.
또한, 제2 초기화 단계(program)(720)는 프로그램(program) 동작에 대응되는 바이아스 전압을 상기 플래시 메모리 칩에 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 초기화 단계(program)(720)는 플로팅 게이트들에 미리 설정된 양의 전자를 유입시킬 수 있다. 이 때, 제2 초기화 단계(program)(720)는 구현에 따라 플래시 메모리를 위한 프로그램 동작을 그대로 이용할 수 있고, 모든 블록 모든 페이지를 한꺼번에 프로그램 하는 새로운 동작을 추가함으로써 구현될 수 있다.
플로팅 게이트에 유입되는 전자의 양은 베리파이 전압(Vverify)으로 설정할 수 있다. 제2 초기화 단계(program)(720)는 기존에 알려진 ISPP(Incremental step pulse programming) 기법을 이용하여 전자를 주입하려고 하는 모든 플로팅 게이트 트랜지스터들의 문턱 전압이 Vverify 이상이 될 때까지 프로그램 동작 및 베리파이 동작을 반복할 수 있다.
또한, 전자파 검출 단계(scan)(730)는 초기화 된 정보가 전자파에 의해 변경되도록 플래시 메모리 칩의 바이아스 전압을 미리 정해진 시간 동안 제어할 수 있다. 이 때, 단계(730)은 미리 정해진 시간을 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 미리 정해진 시간은 플래시 메모리 칩이 전자파에 노출되는 시간인 노출 시간을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계(730)은 사용자로부터 노출 시간을 입력 받을 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 단계(730)은 전자파 측정을 위한 센서(예를 들어, 플래시 메모리 칩)의 구현에 따라 노출 시간을 결정할 수 있다. 또한, 전자파 검출 단계(scan)(730)는 복수의 블록들에 포함된 복수의 페이지들 각각에 바이아스 전압으로써 스캔 전압(Vscan)을 인가함으로써, 전자파 스캐닝의 민감도를 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전자파 검출 단계(scan)(730)는 전자가 플로팅 게이트에 주입되기 쉽도록 구성 하고 싶으면 양(+)의 스캔 전압을 인가하고, 전자가 플로팅 게이트로부터 빠져 나오기 쉽도록 구성하고 싶으면 음(-)의 스캔 전압을 인가할 수 있다. 이 때, 스캔 전압은 외부 전자파의 효과가 없는 경우, 스캔 전압만으로는 실질적으로 전자가 주입되거나 빠져 나오지 않는 범위에서 설정될 수 있다. 스캔 전압은 플래시 메모리의 파라미터를 설정하는 통상적인 방법에 의해 설정될 수 있다.
전자파 검출 단계(scan)(730)는 미리 정해진 시간 동안 플래시 메모리 칩을 전자파 측정 환경에 노출시키며, 노출 시간은 스캔 전압과 측정 환경 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 전자파 검출 단계(scan)(730)는 미리 정해진 시간 동안 스캔 전압을 변경하지 않고 동일한 전압으로 유지할 수 있다.
스캔 종료 조건 만족여부를 판단하는 단계(740)는 미리 정해진 시간(예를 들어, 설정된 노출 시간)이 경과하였는지 여부를 판단할 수 있다. 나아가, 단계(740)은 미리 정해진 시간(예를 들어, 설정된 노출 시간)이 경과하지 않았다는 판단에 따라 바이아스 전압을 전자파 검출 단계(730)에서와 동일하게 유지할 수 있다. 또한, 단계(740)은 미리 정해진 시간(예를 들어, 설정된 노출 시간)이 경과하였다는 판단에 따라 바이아스 전압을 변경할 수 있다. 보다 구체적으로, 단계(740)은 미리 정해진 시간(예를 들어, 설정된 노출 시간)이 경과된 경우, 더 이상 전자파에 의하여 플래시 메모리에 저장된 정보가 변경되지 않도록 바이아스 전압을 변경할 수 있다.
단계(740)에 의해 전자파 검출 작업이 완료되었다고 판단되면, 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(750)는 플래시 메모리 칩에 저장된 정보를 리드하고 리드된 정보를 기초로 전자파의 세기와 관련된 정보 및 전자파의 방향과 관련된 정보를 획득할 수 있다. 이 때, 전자파의 세기와 관련된 정보 및 전자파의 방향과 관련된 정보 각각의 해상도(resolution)는 미리 정해진 시간(예를 들어, 설정된 노출 시간)에 의존할 수 있다. 예를 들어, 촬영된 사진의 품질이 카메라의 렌즈를 빛에 노출시키는 정도에 의존하는 것과 같은 원리로, 일 실시예에 따른 전자파 측정 해상도는 전자파 센서(예를 들어, 플래시 메모리 칩)를 전자파에 노출시키는 노출 시간에 의존할 수 있다. 이러한 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(750)와 관련된 보다 상세한 사항들은 도 8을 참조하여 후술한다.
도 8은 일 실시예에 따른 플래시 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 방법에 포함되는 복수의 단계들 각각에서 변경되는 플래시 메모리 칩의 문턱 전압의 분포를 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 플래시 메모리에 포함된 플로팅 게이트 트랜지스터의 문턱 전압 분포는 플래시 메모리의 구조를 이용한 전자파 측정 방법의 각 단계에 따라 변경된다.
도 8의 제1 초기화 단계(erase)(810)에서 플로팅 게이트 트랜지스터의 문턱 전압 분포는 도 3c를 참조하여 전술한 L1 상태의 문턱 전압 분포로 변경될 수 있다. 이어서, 제2 초기화 단계(program)(820)에서 플로팅 게이트 트랜지스터의 문턱 전압 분포는 베리파이 전압(Vverify) 이상의 값을 가지는 문턱 전압 분포로 변경될 수 있다. 또한, 전자파 검출 단계(scan)(830)에서 플로팅 게이트 트랜지스터의 문턱 전압 분포는 도 4b 및 도 4c를 참조하여 전술한 바와 같이, 스캔 전압(Vscan), 전자파의 세기 및 전자파의 방향에 따라 변경될 수 있다. 마지막으로, 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(840)는 초기화 된 정보와 관련된 문턱 전압(Vverify)과 리드 된 정보와 관련된 문턱 전압(Vread - end)을 기초로 전자파의 세기와 관련된 정보 및 전자파의 방향과 관련된 정보를 계산할 수 있다. 예를 들어, 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(840)는 전자파 노출에 의하여 플로팅 게이트 트랜지스터들의 문턱 전압 분포가 초기 설정된 베리파이 전압(Vverify)으로부터 얼마나 이동하였는지 판단할 수 있다. 이 때, 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(840)는 기존에 알려진 무빙 리드(moving read) 기법을 이용할 수 있다.
보다 구체적으로, 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(840)는 초기화 된 정보와 관련된 문턱 전압(Vverify)으로부터 리드 된 정보와 관련된 문턱 전압(Vread - end)을 차감한 값의 부호를 기초로 전자파의 방향과 관련된 정보를 계산할 수 있다. 나아가, 전자파의 세기/방향 정보 획득 단계(840)는 초기화 된 정보와 관련된 문턱 전압(Vverify)과 리드 된 정보와 관련된 문턱 전압(Vread - end)의 차이를 기초로 전자파의 세기와 관련된 정보를 계산할 수 있다. 예를 들어, Vverify - Vread - end값이 음(-)인 경우 전자가 유입된 것이고, 양(+)의 값인 경우 전자가 유출된 것으로 전자파의 방향을 알 수 있으며, 두 값 차이의 절대값에 의해 외부 전자파의 세기를 측정할 수 있다. 여기서, 전자파 세기의 측정 단위는 터널링 옥사이드(tunneling oxide)의 두께와 유전체의 용량(capacitance) 등을 이용하여 전계강도(E=V/m)로 환산될 수 있다.
일 실시예에 따른 외부인자 측정 플랫폼
도 9는 일 실시예에 따른 차지 스토리지 메모리의 구조를 이용한 측정 장치를 나타낸 블록도이다. 도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 측정 장치(900)는 측정부(905) 및 제어부(930)를 포함한다. 측정부(905)는 발광부(910) 및 차지 스토리지 메모리 셀(920)을 포함할 수 있다. 측정부(905)는 발광부(910) 및 차지 스토리지 메모리 셀(920)의 조합을 이용하여, 외부인자에 의한 영향을 전하의 형태로 저장할 수 있다. 도면에 표시하지 않았으나, 측정부(905)는 복수의 발광부들 및 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들로 구성될 수 있다.
제어부(930)는 외부인자의 측정을 위하여 측정부(905)를 제어할 수 있다. 일 예로, 제어부(930)는 도 1a의 컨트롤러(130)와 전압 생성부(120)로 구성될 수 있다. 제어부(930)는 측정부(905)에 포함된 차지 스토리지 메모리 셀(920)에 인가되는 바이아스 전압을 제어할 수 있다. 제어부(930)는 외부로부터 입력된 VDD 및 VSS를 이용하여, 바이아스 전압을 생성할 수 있다. 또한, 제어부(930)는 측정부(905)에 제어신호를 송신하고, 측정부(905)로부터 데이터를 송수신할 수 있다. 제어부(930)는 외부로부터 입력된 I/O 신호 및 이네이블(enable) 신호에 기초하여, 제어신호를 생성할 수 있다.
발광부(910)는 외부인자에 의해 빛을 발생시킬 수 있다. 발광부(910)에 의해 발생된 빛은 차지 스토리지 메모리 칩(920)으로 제공될 수 있다. 차지 스토리지 메모리 칩(920)에 포함된 서브스트레이트가 빛을 받으면, 서브스트레이트의 전하 밀도가 변할 수 있다. 서브스트레이트는 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs) 등으로 구성될 수 있다. 일반적으로 빛은 가시광선 영역의 전자파를 의미하나, 이하에서 빛은 가시광선 영역의 전자파뿐 아니라 서브스트레이트에 의해 잘 흡수되는 파장의 전자파를 지칭하는 것으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 서브스트레이트가 실리콘으로 구성되는 경우, 서브스트레이트는 300nm 와 1100nm 사이 파장의 전자파를 흡수할 수 있다. 이 경우, 빛은 300nm 와 1100nm 사이 파장의 전자파를 지칭하는 것으로 해석될 수 있다. 제어부(930)는 서브스트레이트의 전하 밀도의 변화에 따라 차지 스토리지 메모리 칩(920)에 저장되는 정보가 변경되도록, 차지 스토리지 메모리 칩(920)에 제공되는 바이아스 전압을 제어할 수 있다.
발광부(910)는 외부인자로부터 제공되는 자극에 의해 빛을 방출하는 발광체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 발광부(910)는 루미네센스(luminescence) 현상을 일으키는 물질로 구성될 수 있다. 루미네센스 물질은 섬광체(scintillator)라고도 지칭될 수 있다. 실시예들에 따른 발광부(910)가 외부자극에 의해 빛을 방출하는 원리는 루미네센스 현상에 국한되지 않는다. 일 예로, 발광부(910)는 업 컨버전(up conversion) 현상이나 다운 컨버전(down conversion) 현상을 이용할 수 있다. 업 컨버전 현상은 빛을 흡수한 물질이 흡수한 빛보다 짧은 파장의 빛을 방출하는 현상이다. 다운 컨버전 현상은 빛을 흡수한 물질이 흡수한 빛보다 긴 파장의 빛을 방출하는 현상이다. 다른 예로, 발광부(910)는 열에 의해 빛을 발생시키는 흑체 복사 현상을 이용할 수 있다.
루미네센스 물질은 다양한 외부인자에 의해 빛을 방출한다. 일 예로, 루미네센스 물질은 전자파, 고 에너지 입자, 압력, 소리, 화학반응, 또는 열에 의해 자극을 받을 수 있다. 루미네센스 물질은 외부인자의 자극에 반응하여 빛을 방출할 수 있다. 일 예로, 루미네센스 물질은 외부인자의 자극에 의한 에너지를 흡수하여 바닥 상태(ground state)에서 들뜬 상태(excited state)로 천이될 수 있다. 루미네센스 물질은 들뜬 상태에서 바닥 상태로 복귀하면서 일정 파장의 빛을 방출할 수 있다. 방출되는 빛의 파장은 가시광선 영역에 속할 수 있다. 루미네센스 물질은 자극을 제공하는 외부인자의 종류에 따라 다양하게 분류될 수 있다.
포토루미네센스(photoluminescence) 물질은 전자파(electromagnetic wave)의 양자(photon)에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 루미네센스 물질이다. 포토루미네센스 물질은 양자로부터 에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 된다. 흥분 상태의 포토루미네센스 물질은 다시 바닥 상태로 돌아오는데, 이 때 들뜬 상태와 바닥 상태 사이의 에너지 준위 차이에 해당하는 빛이 발생될 수 있다. 포토루미네센스 물질마다 흡수하는 전자파의 파장 및 방출하는 빛의 파장이 각각 상이할 수 있다. 일 예로, BaFBr:Eu2+/CdTe 나노 복합 소재(nanocomposite) 또는 LaF3:Ce/CdTe 나노 복합 소재는 X-ray에 반응하여 빛을 발생시킨다. BaFBr:Eu2+/CdTe 나노 복합 소재(nanocomposite) 또는 LaF3:Ce/CdTe 나노 복합 소재에 의해 방출되는 빛의 파장은 400nm 내지 1100nm 대역에 집중될 수 있다. CdTe 나노 복합 소재로부터 방출되는 형광성의(fluorescent) 빛의 파장은 CdTe 입자의 크기에 따라 결정될 수 있다.
라디오루미네센스(radioluminescence) 물질은 이온화 방사(ionizing radiation)에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 루미네센스 물질이다. 예를 들어, 라디오루미네센스 물질은 알파 입자(alpha particle), 베타 입자(beta particle), 중성자(neutron)와 같은 고 에너지 입자로부터 에너지를 흡수하여 빛을 방출할 수 있다. 또는, 라디오루미네센스 물질은 감마선(gamma ray)과 같이 고 에너지 전자파로부터 에너지를 흡수하여 빛을 방출할 수 있다. 라디오루미네센스 물질마다 흡수하는 고 에너지 입자의 종류, 흡수하는 고 에너지 전자파의 파장 및 방출하는 빛의 파장이 각각 상이할 수 있다. 발광부(910)가 라디오루미네센스 물질로 구성되는 경우, 실시예들은 방사능 측정에 이용될 수 있다.
피에조루미네센스(piezoluminescence) 물질은 압력에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 루미네센스 물질이다. 피에조루미네센스 물질마다 흡수하는 압력의 크기 및 방출하는 빛의 파장이 각각 상이할 수 있다. 또한, 소노루미네센스(sonoluminescence) 물질은 음파 또는 소리에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 루미네센스 물질이다. 소노루미네센스 물질마다 흡수하는 소리의 주파수 및 방출하는 빛의 파장이 각각 상이할 수 있다. 또한, 일렉트로루미네센스(electroluminescence) 물질은 전기장 또는 전류에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 루미네센스 물질이다. 일렉트로루미네센스 물질마다 흡수하는 전기장의 세기 및 방출하는 빛의 파장이 각각 상이할 수 있다. 또한, 케미루미네센스(chemiluminescece) 물질은 화학반응에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 루미네센스 물질이다. 케미루미네센스 물질마다 반응하는 화학반응의 종류 및 방출하는 빛의 파장이 각각 상이할 수 있다. 또한, 써모루미네센스(themoluminescence) 물질은 열에 의해 자극을 받아 빛을 방출하는 루미네센스 물질이다. 써모루미네센스 물질마다 흡수하는 열의 온도 및 방출하는 빛의 파장이 각각 상이할 수 있다.
차지 스토리지 메모리 칩(920)에 포함된 서브스트레이트는 발광부(910)에 의해 발생된 빛을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 서브스트레이트가 실리콘으로 구성되는 경우, 서브스트레이트는 300nm 와 1100nm 사이 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 특히, 실리콘으로 구성된 서브스트레이트는 적외선 근처(Near-Infrared, NIR) 영역인 700nm 와 1100nm 사이 파장의 빛을 잘 흡수할 수 있다. 서브스트레이트에 빛이 흡수되면 서브스트레이트의 전하 밀도가 증가할 수 있다. 예를 들어, 서브스트레이트에 빛이 흡수되면, 캐리어 제너레이션(carrier generation) 또는 캐리어 멀티플리케이션(carrier multiplication)에 의해 서브스트레이트의 전하 밀도가 증가할 수 있다.
일 예로 진성 반도체(intrinsic semiconductor)가 이용되는 경우, 발광부(910)에 의해 발생되는 빛의 에너지가 서브스트레이트 내 원자가 밴드(valence band)의 전하를 비어있는 전도 밴드(conduction band)로 올릴 만큼 충분히 크도록, 발광부(910)에 의해 발생되는 빛의 파장이 디자인(design)될 수 있다. 다른 예로 p형 반도체(p-type semiconductor)가 이용되는 경우, 발광부(910)에 의해 발생되는 빛의 에너지가 서브스트레이트 내 원자가 밴드의 전하를 억셉터 레벨(acceptor level)로 올릴 만큼 충분히 크도록, 발광부(910)에 의해 발생되는 빛의 파장이 디자인될 수 있다. 또 다른 예로 n형 반도체(n-type semiconductor)가 이용되는 경우, 발광부(910)에 의해 발생되는 빛의 에너지가 서브스트레이트 내 도너(donar)의 전하를 전도 밴드로 올릴 만큼 충분히 크도록, 발광부(910)에 의해 발생되는 빛의 파장이 디자인될 수 있다.
서브스트레이트에 빛이 흡수되면, 서브스트레이트에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성된다. 이러한 메커니즘을 캐리어 제너레이션이라고 한다. 또한, 단일 광자(single photon)에 의하여 다수의 전자-정공 쌍이 생성되는 메커니즘을 캐리어 멀티플리케이션이라고 한다.
전자-정공 쌍이 생성되면, 서브스트레이트 내 전하 밀도가 증가한다. 뿐만 아니라, 생성된 전자-정공 쌍은 바이아스 전압에 의하여 분리되고, 반대 방향으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 생성된 전자-정공 쌍의 전자는 양(+)의 바이아스 전압에 의하여 차지 스토리지 메모리 셀의 차지 스토리지 방향으로 이동할 수 있다. 이 경우, 서브스트레이트 내 차지 스토리지 근처의 전하 밀도가 집중적으로 증가할 수 있다.
차지 스토리지 근처의 전하 밀도 증가는 서브스트레이트와 차지 스토리지 근처에서 바이아스 전압에 의한 전기장의 분포를 변화시켜 컨트롤 게이트와 서브스트레이트 사이의 전위차, 즉 서브스트레이트에 인가되는 바이아스 전압을 변화시킨다. 예를 들면, 양(+)의 바이아스 전압에 의한 전자의 이동은 서브스트레이트에 더 큰 바이아스 전압이 인가되는 효과를 낳는다. 결과적으로, 서브스트레이트의 전하 밀도가 증가하면, 서브스트레이트로부터 차지 스토리지로 전하가 터널링되는 확률이 높아진다. 실시예들은 서브스트레이트의 전하 밀도가 증가함에 따라 차지 스토리지로의 터널링 확률이 증가하는 현상을 이용하여, 다양한 외부인자를 간접적으로 측정하는 기술을 제공할 수 있다. 예를 들어, 서브스트레이트의 전하 밀도가 증가함에 따라 차지 스토리지로의 터널링 확률이 증가되는 경우, 차지 스토리지에 저장되는 전하량이 증가할 수 있다. 실시예들은 차지 스토리지에 저장된 전하량에 기초하여 서브스트레이트의 전하 밀도의 변화를 역으로 추정할 수 있다. 나아가, 서브스트레이트의 전하 밀도는 발광부(910)로부터 발생된 빛에 의해 증가하므로, 실시예들은 차지 스토리지에 저장되는 전하량에 기초하여 발광부(910)를 자극하는 외부인자를 간접적으로 측정할 수 있다. 이로 인하여, 실시예들은 발광부(910)와의 조합을 통해 다양한 종류의 외부인자를 간접적으로 측정하는 측정 플랫폼을 제공할 수 있다.
실시예들은 발광부(910)의 특성, 서브스트레이트의 특성 및 바이아스 전압에 따라 차지 스토리지 메모리 칩(920)에 저장되는 정보를 외부인자의 측정치로 변환할 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 특정 외부자극에 의해 발광부(910)가 방출하는 빛의 대역, 해당 대역의 빛을 흡수할 때 서브스트레이트의 전하 밀도가 변화하는 정도, 및 바이아스 전압과 전하 밀도의 변화에 따라 차지 스토리지에 저장되는 전하량의 변화를 종합함으로써, 차지 스토리지에 저장되는 전하량을 외부인자의 측정치로 변환할 수 있다.
제어부(930)에는 도 1a 내지 도 8을 통하여 기술한 사항들이 그대로 적용될 수 있다. 실시예들에 따르면, 제어부(930)는 전자파에 의해 직접적으로 차지 스토리지 메모리 칩(920)에 저장되는 정보가 변경되도록 바이아스 전압을 제어하는 대신, 서브스트레이트의 전하 밀도의 변화에 따라 차지 스토리지 메모리 칩(920)에 저장되는 정보가 변경되도록 바이아스 전압을 제어할 수 있다.
실시예들에 따르면, 측정하고자 하는 외부인자의 종류 및 서브스트레이트에 의해 흡수되는 빛의 파장에 따라 발광체가 선택될 수 있다. 예를 들어, 서브스트레이트가 실리콘이고, 측정하고자 하는 외부인자가 X-ray인 경우, BaFBr:Eu2+/CdTe 나노 복합 소재 또는 LaF3:Ce/CdTe 나노 복합 소재가 발광체로 선택될 수 있다. 전술한 바와 같이, BaFBr:Eu2+/CdTe 나노 복합 소재 또는 LaF3:Ce/CdTe 나노 복합 소재는 X-ray에 의해 자극을 받고, 실리콘 서브스트레이트에 의해 흡수되는 400nm 내지 1100nm 대역의 빛을 방출하기 때문이다.
이하, 설명의 편의를 위하여, 차지 스토리지 메모리 중 대표적인 플로팅 게이트 구조의 플래시 메모리를 이용하는 경우를 예로 들어 설명한다. 이 경우, 차지 스토리지 메모리 셀(920)은 플로팅 게이트 트랜지스터로 구성되고, 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트는 실리콘(Si)으로 구성되며, 발광부(910)는 실리콘(Si)에 의하여 흡수 가능한 파장의 빛을 방출할 수 있다. 그러나, 실시예들은 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트가 실리콘(Si) 이외의 물질로 구성되는 경우에도 적용될 수 있다. 이 경우, 발광부(910)는 해당 서브스트레이트에 의해 잘 흡수되는 파장의 빛을 방출하도록 설계될 수 있다. 또한, 실시예들은 다른 형태의 차지 스토리지 메모리 셀이 이용되는 경우에도 그대로 적용될 수 있다.
도 10 내지 도 11b는 측정부에 포함된 발광부 및 플로팅 게이트 트랜지스터가 다양한 형태로 결합하는 실시예들을 설명하는 도면들이다. 도 10은 발광부가 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트에 삽입되는 실시예를 설명하는 도면이다. 도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 측정부(1000)는 서브스트레이트(1010), 플로팅 게이트(1020), 및 컨트롤 게이트(1030)를 포함한다. 서브스트레이트(1010), 플로팅 게이트(1020), 및 컨트롤 게이트(1030)는 플로팅 게이트 트랜지스터를 구성할 수 있다. 설명의 편의를 위하여 도 10에는 단일 플로팅 게이트 트랜지스터만 도시되었으나, 측정부(1000)는 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 일 예로, 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들은 낮은 지연시간(latency)를 가지고 랜덤 액세스가 가능하도록 도 3a와 같이 노어(NOR) 구조로 구성될 수 있다. 다른 예로, 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들은 단위 면적당 픽셀의 숫자를 늘리기 위해 도 3b와 같이 낸드(NAND) 구조로 구성될 수 있다. 측정부(1000)에 포함되는 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들은 복수의 페이지들 또는 복수의 블록들을 구성할 수 있다.
일 실시예에 따른 발광부(1040)는 서브스트레이트(1010)에서 빛이 효율적으로 흡수되도록 서브스트레이트(1010)와 임의의 패턴으로 결합될 수 있다. 일 예로, 도 11a를 참조하면, 발광부(1110)는 서브스트레이트(1010)를 향하여 빛을 방출하도록 서브스트레이트(1010)의 일 측면에 배치될 수 있다.
또는, 발광부(1040)는 발광부(1040)에 의해 발생된 빛이 서브스트레이트(1010)에 효율적으로 흡수되도록 서브스트레이트(1010)에 삽입될 수 있다. 발광부(1040)가 서브스트레이트(1010)에 삽입되는 형태는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 11b를 참조하면, 발광부(1120)는 미리 정해진 패턴에 따라 서브스트레이트(1010)에 가공된 구멍들을 채우는 형태로 삽입될 수 있다. 서브스트레이트(1010)의 구멍들은 Deep RIE(Reactive Ion Etching)를 통하여 가공될 수 있다. 또한, 발광부(1120)는 Deep RIE를 통하여 기 가공된 구멍들에 채워질 수 있다. 발광부(1040)와 서브스트레이트(1010) 사이의 구조적 배치는 발광부(1040)에 의해 발생된 빛이 서브스트레이트(1010)에 흡수되는 효율, 측정부(1000)에 포함된 플로팅 게이트 트랜지스터의 제조 공정, 서브스트레이트(1010)의 물성, 발광부(1040)의 물성 등을 고려하여 결정될 수 있다.
이처럼 실시예들은 발광부(1040)와 같은 중간 물질을 이용하는 간접적인 측정 기법이면서, 중간 물질과 차지 스토리지 메모리 셀이 일체를 이루어 측정부를 구성하는 모노리틱(monolithic) 구조의 측정 장치를 제공한다. 실시예들은 모노리틱 구조로 인하여 더욱 정밀한 측정 결과를 제공할 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 공정 단계에서 측정 장치를 구성하는 모든 구성요소들에 대한 파라미터들을 정확하게 세팅할 수 있다. 이로 인하여, 측정 장치의 신뢰도가 향상될 수 있다. 또한 실시예들은 실리콘 기반의 차지 스토리지 메모리와 비실리콘계 중간 물질을 결합하여 하이브리드(hybrid) 구조의 측정 장치로 응용될 수 있다. 실시예들은 하이브리드 구조로 인하여 더욱 유연한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 서로 다른 비실리콘계 중간 물질의 결합을 이용하여 기존 센서 대비 더 넓은 측정 스펙트럼을 제공하는 측정 장치를 제공할 수 있다.
실시예들은 플래시 메모리 기반의 새로운 센서 플랫폼을 제시한다. 센서 플랫폼은 모노리틱(monolithic) 또는 하이브리드(hybrid)한 센서 구성(configuration)을 가지는 소형(compact) 패키지로 구현될 수 있다. 센서 플랫폼은 효율적인 센서 신호 추출(extraction), 센서 신호 수집(collection), 센서 신호 처리(processing), 및 데이터 분석(data analysis) 기능을 제공할 수 있다. 센서 플랫폼의 센서 동작 제어 및 신호 처리를 위하여 잘 성립된(well-established) 플래시 메모리 제어 소프트웨어 및 하드웨어가 직접적으로 활용될 수 있다. 이로 인하여, 플래시 메모리 기반 센서 플랫폼은 높은 감지도, 높은 선택도, 및 높은 동작 안정성을 가지면서, 획기적으로 절감된 개발 비용 및 공정 비용으로 개발 및 생산될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 측정부(1000)에 포함된 복수의 플로팅 게이트 트랜지스터들은 동일한 종류의 발광체와 구조적으로 결합될 수 있고, 경우에 따라 서로 다른 종류의 발광체와 구조적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 외부인자의 스펙트럼 분석을 위하여, 외부인자의 스펙트럼에 대응하는 복수의 발광체들이 이용될 수 있다. 또는, 복수의 외부인자들을 동시에 측정하기 위하여, 복수의 외부인자들에 대응하는 복수의 발광체들이 이용될 수 있다. 각각의 발광체들은 서로 다른 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트와 구조적으로 결합될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 제어부의 구체적인 구성을 나타내는 블록도이다. 도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 제어부(1200)는 컨트롤러(1210) 및 전압 생성부(1220)를 포함한다. 전압 생성부(1220)는 차지 펌프(1221), 게이트 컨트롤(1222), 및 서브스트레이트 컨트롤(1223)을 포함한다.
차지 펌프(1221)는 입력 전압으로부터 출력 전압을 생성하는 장치로, 예를 들어 에너지 저장 장치인 축전기를 이용하여 입력 전압보다 더 높거나 입력 전압보다 더 낮은 출력 전압을 생성하는 직류-직류 변환 장치 등을 포함할 수 있다. 차지 펌프(1221)는 측정부(1230)에 저장된 정보를 초기화 하기 위한 이레이즈 전압(Verase), 측정부(1230)에 원하는 정보를 저장하기 위한 프로그램 전압(Vprogram)과 베리파이 전압(Vverify), 및 측정부(1230)에 저장된 정보를 읽기 위한 리드 전압(Vread)을 생성할 수 있다. 또한, 차지 펌프(1221)는 측정부(1230)을 이용하여 외부인자를 간접적으로 측정하기 위한 센스 전압(Vsense)을 생성할 수 있다.
다른 실시예에 따른 차지 펌프(1221)는 입력 전압을 그대로 출력 전압으로 전달하게끔 구현될 수 있다. 예를 들어, 측정부(1230)을 이용하여 외부인자를 간접적으로 측정하기 위한 센스 전압(Vsense)이 외부에서 생성되어 차지 펌프(1221)로 제공되고, 차지 펌프(1221)는 제공된 센스 전압(Vsense)을 그대로 출력할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 측정부(1230)을 이용하여 외부인자를 측정하기 위한 센스 전압(Vsense)이 외부에서 생성되어 차지 펌프(1221)를 거치지 않고 곧장 제공될 수 있다.
게이트 컨트롤(1222)은 측정부(1230)에 포함된 플로팅 게이트 트랜지스터의 컨트롤 게이트(1231)에 인가되는 전압을 선택하는 장치이다. 게이트 컨트롤(1222)은 컨트롤러(1210)로부터 전송되는 제어 신호를 이용하여 플로팅 게이트 트랜지스터의 컨트롤 게이트(1231)에 인가되는 전압을 선택할 수 있다. 예를 들어, 게이트 컨트롤(1222)은 컨트롤러(1210)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 프로그램 전압(Vprogram), 베리파이 전압(Vverify), 리드 전압(Vread), 센스 전압(Vsense), VDD 및 VSS 중 어느 하나의 전압을 플로팅 게이트 트랜지스터의 컨트롤 게이트(1231)에 제공할 수 있다.
서브스트레이트 컨트롤(1223)은 측정부(1230)에 포함된 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트(1232)에 인가되는 전압을 선택하는 장치이다. 서브스트레이트 컨트롤(1223)은 컨트롤러(1210)로부터 전송되는 제어 신호를 이용하여 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트(1232)에 인가되는 전압을 선택할 수 있다. 예를 들어, 서브스트레이트 컨트롤(1223)는 컨트롤러(1210)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 이레이즈 전압(Verase), 센스 전압(Vsense), VDD 및 VSS 중 어느 하나의 전압을 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트(1232)에 제공할 수 있다.
게이트 컨트롤(1222)을 통해 컨트롤 게이트(1231)에 센스 전압(Vsense)이 인가되고 서브스트레이트 컨트롤(1223)을 통해 서브스트레이트(1232)에 VSS가 인가되면 측정부(1230)에는 양(+)의 바이아스 전압이 제공되고, 서브스트레이트 컨트롤(1223)을 통해 서브스트레이트(1232)에 센스 전압(Vsense)이 인가되고 게이트 컨트롤(1222)을 통해 컨트롤 게이트(1231)에 VSS가 인가되면 측정부(1230)에는 음(-)의 바이아스 전압이 제공될 수 있다.
발광부(1240)는 외부인자에 의해 빛을 발생시킬 수 있다. 발광부(1240)에 의해 발생된 빛에 의해 서브스트레이트(1232) 내 전자 구름(electron cloud)이 생성될 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 서브스트레이트(1232)에 빛이 흡수되면, 복수의 전자-정공 쌍들이 생성될 수 있다. 생성된 전자-정공 쌍은 바이아스 전압에 의하여 분리되고, 반대 방향으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 생성된 전자-정공 쌍의 전자는 양(+)의 바이아스 전압에 의하여 플로팅 게이트 트랜지스터의 플로팅 게이트 방향으로 이동할 수 있다. 이 경우, 서브스트레이트 내 플로팅 게이트 근처의 전자 밀도가 집중적으로 증가할 수 있다. 이렇게 플로팅 게이트 근처에 형성된 전자들의 집합을 전자 구름이라고 지칭할 수 있다. 전자 구름의 형성은 서브스트레이트와 터널링 옥사이드 사이에서 전기장의 세기를 증가시키며 결과적으로 서브스트레이트에 더 큰 전압이 인가되게 한다. 이로 인하여, 서브스트레이트(1232)로부터 플로팅 게이트(1233)로 전자가 터널링되는 확률이 높아진다.
측정부(1230)에 저장되는 정보가 변경되는 민감도는 바이아스 전압, 서브스트레이트(1232)의 종류, 발광부(1240)에 포함되는 발광체의 종류, 또는 서브스트레이트(1232) 내 발광체가 배치된 구조에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 서브스트레이트의 종류, 발광체의 종류, 및 발광체의 배치 구조는 측정 장치가 제작될 때 미리 결정되는 요소들일 수 있다. 이러한 요소들은 외부 인자에 의해 생성되는 전자 구름의 크기를 결정하고, 측정부에 저장된 정보를 외부 인자의 크기로 환원할 때 사용될 수 있다. 예를 들어, 발광체의 종류에 의하여 반응하는 외부인자의 종류 및 발광체에 의해 발광되는 빛의 파장, 세기 등이 결정될 수 있다. 또한, 서브스트레이트의 종류에 의하여 수용되는 빛의 파장이나 생성되는 전자 구름의 크기 등이 결정될 수 있다.
또한, 바이아스 전압은 서브스트레이트에 생성된 전자 구름으로부터 플로팅 게이트로 이동되는 전자의 양을 결정함으로써, 측정부에 저장되는 정보가 변경되는 민감도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 더 큰 양(+)의 바이아스 전압이 인가되는 경우, 실질적으로 동일한 크기의 전자 구름이 생성되더라도 더 작은 양(+)의 바이아스 전압이 인가되는 경우에 비하여 더 많은 전자가 플로팅 게이트로 이동될 수 있다. 반대로, 음(-)의 바이아스 전압이 인가되는 경우, 플로팅 게이트에 저장된 전자가 서브스트레이트로 이동되거나 서브스트레이트에 형성된 정공이 플로팅 게이트로 이동될 수 있다.
도 13a는 일 실시예에 따른 외부인자를 측정하는 측정 방법을 나타내는 동작 흐름도이다. 도 13a를 참조하면, 일 실시예에 따른 측정 방법은 측정부에 저장된 정보를 초기화하는 단계(1310), 외부인자를 검출하는 단계(1320), 및 외부인자의 세기 정보를 획득하는 단계(1330)를 포함한다.
측정부에 저장된 정보를 초기화하는 단계(1310)에서 초기화를 위하여 측정부에 저장된 정보가 리셋될 수 있다. 또는, 측정부에 저장된 정보를 초기화하는 단계(1310)에서 초기화를 위하여, 측정부에 저장된 정보가 리셋된 뒤 미리 정해진 값으로 설정될 수 있다. 특히, 노어(NOR) 플래시의 경우 칩에 저장된 정보를 리셋하는 도중 메모리 셀의 문턱 전압이 음(-)의 전압을 가지게 되는 오버 이레이즈(Over Erase) 현상이 발생될 수 있다. 오버 이레이즈 현상은 측정 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 오버 이레이즈 현상을 방지하기 위하여, 도 7의 단계(720)과 같이 미리 프로그래밍(Programming)을 수행함으로써 모든 셀의 문턱 전압을 균일하게 만들 수 있다.
외부인자를 검출하는 단계(1320)에서, 도 13b를 참조하면, 외부인자에 반응하여 빛을 내는 발광부에 의해 서브스트레이트에 전자-전공 쌍이 생성된다. 이 때, 도 13c를 참조하면, 서브스트레이트에 생성된 전자-정공 쌍은 센스 전압(Vsense)에 의해 서로 분리된다. 여기서, 센스 전압(Vsense)은 서브스트레이트에 생성된 전자-정공 쌍을 분리하는 바이아스 전압이다. 이 때, 전자-정공 쌍의 전자는 플로팅 게이트 근처로 이동하여 전자 구름을 형성한다. 센스 전압(Vsense)은 미리 정해진 시간만큼 컨트롤 게이트에 인가되며, 이 시간 동안 생성된 전자는 지속적으로 플로팅 게이트 근처로 모인다. 다만, 플로팅 게이트로의 터널링은 아직 발생하지 않을 수 있다. 도 13d를 참조하면, 정해진 센싱 시간이 지난 후 컨트롤 게이트에 프로그램 전압(Vprogram)이 인가되면 전자 구름을 구성하는 전자의 일부 또는 전체가 터널링을 통해 플로팅 게이트로 이동한다. 여기서, 프로그램 전압(Vprogram)은 터널링을 위한 바이아스 전압이다. 프로그램 전압(Vprogram)의 크기는 미리 정해진 민감도에 의해 변경될 수 있다. 예를 들어, 더 큰 프로그램 전압(Vprogram)이 인가되는 경우, 더 많은 전자가 플로팅 게이트로 이동될 수 있다.
외부인자의 세기 정보를 획득하는 단계(1330)에서 측정부에 저장된 정보가 리드될 수 있다. 일 예로, 도 13e를 참조하면, 컨트롤 게이트(1331)에 리드 전압(Vread)을 인가함으로써 측정부에 저장된 정보가 리드될 수 있다. 여기서, 측정부에 저장된 정보는 차지 스토리지(1332)에 저장된 전자의 수일 수 있다. 또한, 측정부에 저장된 정보는 기존에 알려진 무빙 리드(moving read) 기법을 이용하여 리드될 수 있다.
다른 예로, 도 13f를 참조하면, 측정부에 저장된 정보는 정보가 저장된 플로팅 게이트 트랜지스터에서 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 크기 변화를 이용하여 리드될 수 있다. 보다 구체적으로, 단계(1310)에서 초기화된 이후 컨트롤 게이트에 리드 전압(Vread)을 인가하는 경우 플로팅 게이트 트랜지스터에 흐르는 전류의 크기는 I0(1333)일 수 있다. 단계(1320)에 의해 플로팅 게이트에 제1 센싱 정보가 저장된 이후 컨트롤 게이트에 리드 전압(Vread)을 인가하는 경우 플로팅 게이트 트랜지스터에 흐르는 전류의 크기는 I1(1334)일 수 있다. 반면, 단계(1320)에 의해 플로팅 게이트에 제2 센싱 정보가 저장된 이후 컨트롤 게이트에 리드 전압(Vread)을 인가하는 경우 플로팅 게이트 트랜지스터에 흐르는 전류의 크기는 I2(1335)일 수 있다. 따라서, 제1 센싱 결과는 I0(1333) - I1(1334)로 표현되고, 제2 센싱 결과는 I0(1333) - I2(1335)로 표현될 수 있다. 읽혀진 전류의 크기는 아날로그-디지털 컨버터를 거쳐 디지털 신호로 변환된 뒤, 제어부에 전달될 수 있다.
리드된 정보는 외부인자를 측정한 측정치로 변환될 수 있다. 경우에 따라, 리드된 정보는 외부기기로 전송될 수 있다. 외부기기는 어플리케이션에 따라 리드된 정보를 처리할 수 있다. 예를 들어, 외부기기는 리드된 정보를 외부인자의 측정치로 변환하고, 변환된 측정치를 이용자에게 표시할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 복수의 센싱 픽셀들을 포함하는 센서를 설명하는 도면이다. 도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른 센서(1400)는 복수의 센싱 픽셀들을 포함한다. 여기서, 센서(1400)는 픽셀레이티드 어레이 센서(pixelated array sensor)로 제작될 수 있다. 픽셀레이티드 어레이 센서의 픽셀 하나 하나는 극도로 작은 디멘션(dimension)을 가질 수 있다. 이러한 픽셀레이티드 어레이 센서에 포함되는 센서 어레이들로 인하여 기존 측정 장비들 대비 획기적으로 높은 공간 해상도가 성취될 수 있다. 특히, 플래시 메모리 기반 센서 플랫폼은 의료 이미지 시스템 등 대규모(extensive) 신호 처리와 데이터 분석을 위한 센서들 및 감지기들에 적용될 수 있다.
센싱 픽셀(1410)은 발광부와 플로팅 게이트 트랜지스터로 구성된다. 발광부는 외부인자의 자극에 반응하여 플로팅 게이트 트랜지스터의 서브스트레이트로 빛을 방출할 수 있다. 서브스트레이트에 발광부에 의해 방출된 빛이 흡수되면 전자-정공 쌍이 생성되어 서브스트레이트의 전자 밀도가 증가한다. 전자-정공 쌍의 전자는 바이아스 전압에 의하여 플로팅 게이트 방향으로 이동할 수 있다. 센싱 픽셀(1410)에는 도 9 내지 도 13f를 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
센서(1400)는 복수의 픽셀들을 어레이 형태 또는 매트릭스 형태로 포함할 수 있다. 센서(1400)는 다양한 응용(application)에 적용될 수 있다. 일 예로, 도 15a를 참조하면, 센서(1510)는 X-ray 측정 장비에 적용될 수 있다. 센서(1510)는 사람의 몸을 투과한 이후의 X-ray의 세기를 측정함으로써, 기존 X-ray 측정 장비를 대체할 수 있다. 전술한 바와 같이 센서(1510)는 기존 X-ray 측정 장비에 비하여 낮은 가격으로 제작될 있고, 나아가 기존 X-ray 측정 장비에 비하여 높은 해상도를 지원할 수 있다. 다른 예로, 도 15b를 참조하면, 센서(1520)는 일반적인 플래시 메모리 패키지 형태로 제작될 수 있다. 센서(1520)는 이동 단말(1521)에 삽입되어 동작될 수 있다. 센서(1520)는 방사능 측정에 적합하게 제작되거나, 전자파 측정에 적합하게 제작되는 등 다양하게 변형될 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 전하를 생성하는 반응부를 이용하는 측정 장치를 설명하는 도면이다. 도 16을 참조하면, 일 실시예에 따른 측정 장치(1600)는 전극 레이어, 반응 레이어, 및 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)를 포함한다. 전극 레이어는 전극 그리드(electrode grid)(1611)로 구성될 수 있고, 반응 레이어는 외부인자에 반응하여 전하를 생성하는 반응부로 구성될 수 있으며, 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)는 픽셀레이트된(pixelated) 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들로 구성될 수 있다. 각각의 차지 스토리지 메모리 셀들은 정보를 저장할 수 있다. 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보는 반응부에 생성된 전하에 의하여 변경될 수 있다. 예를 들어, 반응부의 전하 밀도는 외부인자에 반응하여 증가할 수 있다. 전극 그리드(1611) 및 차지 스토리지 메모리 셀의 컨트롤 게이트 사이에 인가되는 전압에 의하여, 반응부에서 생성된 전하가 차지 스토리지 메모리 셀의 차지 스토리지 주변으로 이동함에 따라 차지 스토리지 주변의 전하 밀도가 증가될 수 있다. 증가된 전하 밀도로 인하여, 차지 스토리지 메모리 셀에 전하가 유입되는 확률이 증가할 수 있다.
일 예로, 반응부는 광전 물질 코팅 층(photoconductive material coating layer)(1612)으로 구성될 수 있다. 이 때, 광전 물질 코팅 층(1612)은 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)의 서브스트레이트 층(substrate layer)(1621)의 일면에 적층될 수 있다. 전극 그리드(1611)는 광전 물질 코팅 층(1612)의 일면에 적층될 수 있다. 전극 그리드(1611)는 메쉬(mesh) 등 다양한 형태로 적층될 수 있다. 서브스트레이트 층의 다른 일면에는 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)를 구성하는 복수의 차지 스토리지들 및 복수의 컨트롤 게이트들이 적층될 수 있다.
도 17은 도 16의 측정 장치(1600)의 단면도이다. 도 17을 참조하면, 광전 물질 코팅 층(1612)은 광전도성을 가질 수 있다. 광전도성은 광전도 현상을 일으키는 성질로, 광전도 현상은 빛에 반응하여 전류를 흐르게 하는 현상이다. 광전도 현상은 입사되는 빛의 에너지로 인하여 광전 물질의 자유 전자가 밴드 갭(band gap)을 넘거나, 입사되는 빛의 에너지로 인하여 밴드 갭 내에서 전자-정공 쌍이 생성됨으로써 발생된다. 광전 물질은 PbSe 패밀리, PbS 패밀리, ZnO 패밀리, HgCdTe 패밀리, InSb 패밀리 등을 포함한다. 광전 물질은 종류에 따라 서로 다른 특성을 가질 수 있다. 예를 들어 ZnO는 자외선 대역의 빛에 반응하고, PbS, PbSe, HgCdTe는 적외선 영역에 반응하며, InSb는 적외선 내지 테라헤르츠 대역의 빛에 반응할 수 있다. 또한, PbSe나 PbS의 주 캐리어(major carrier)는 전자가 아닌 정공일 수 있다.
일반적인 이미지 센서는 픽셀레이트된(pixelated) 포토 디텍터(photodetector)로 구성되는 것과 달리 일 실시예에 따른 측정 장치(1600)는 하나의 레이어로 구성된 광전 물질 코팅 층(1612)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 광전 물질 코팅 층(1612)에서 발생된 광전자는 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)의 픽셀레이트된 복수의 차지 스토리지 셀에 의하여 저장될 수 있다.
이로 인하여, 일 실시예에 따른 측정 장치(1600)는 일반적인 이미지 센서에 비하여 낮은 일렉트로닉 노이즈(electronic noise)를 가질 수 있다. 예를 들어, CCD 또는 CMOS와 같은 일반적인 이미지 센서의 경우, 다이렉트 리드아웃(direct readout)을 위한 회로들에 의하여 노이즈가 발생될 수 있다. 반면, 일 실시예에 따른 측정 장치(1600)의 경우 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)에 전하를 저장한다. 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)에 전하를 저장하는 동작에는 다이렉트 리드아웃을 위한 회로들이 요구되지 않으므로, 일 실시예에 따른 측정 장치(1600)는 다이렉트 리드아웃을 위한 회로들에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
일 예로, 광전 물질 코팅 층(1612)에 빛이 입사되면, 광전 물질 코팅 층(1612)에 전자-정공 쌍이 생성될 수 있다. 생성된 전자-정공 쌍은 전극 그리드(1611)에 인가되는 전압(1710)과 컨트롤 게이트(1622)에 인가되는 전압(1720)에 의하여 전자와 정공으로 분리된다. 전극 그리드(1611)와 컨트롤 게이트(1622) 사이에 인가되는 전압을 제1 바이아스 전압이라고 지칭할 수 있다. 분리된 전자들은 플로팅 게이트(1623) 근처로 모여 전자 구름을 형성한다. 형성된 전자 구름으로 인하여, 플로팅 게이트(1623)에 더 많은 전자가 저장될 수 있다.
컨트롤 게이트 1(1622)에 인가되는 전압(1720)과 컨트롤 게이트 2(1624)에 인가되는 전압(1730)은 경우에 따라 서로 동일할 수 있고, 서로 다를 수 있다. 다시 말해, 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)를 구성하는 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들마다 동일한 제1 바이아스 전압이 인가되거나, 상이한 제1 바이아스 전압이 인가될 수 있다. 각각의 차지 스토리지 메모리 셀에 인가되는 제1 바이아스 전압은 해당 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보가 변경되는 민감도를 조절할 수 있다. 또한, 서브스트레이트 층(1740)과 컨트롤 게이트(1622) 사이에 인가되는 전압을 제2 바이아스 전압이라고 지칭할 수 있다. 차지 스토리지 메모리 레이어(1620)를 구성하는 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들마다 동일한 제2 바이아스 전압이 인가되거나, 상이한 제2 바이아스 전압이 인가될 수 있다. 각각의 차지 스토리지 메모리 셀에 인가되는 제2 바이아스 전압은 해당 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보가 변경되는 민감도를 조절할 수 있다. 또한, 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보가 변경되는 민감도는 광전 물질 코팅 층(1612)을 구성하는 광전 물질의 종류, 서브스트레이트 층(1621)을 구성하는 서브스트레이트의 종류 및 두께 등에 의하여 변경될 수 있다.
이상에서 실시예들은 플로팅 게이트 구조의 플래시 메모리(예를 들어, NAND 플래시 메모리나 NOR 플래시 메모리)를 이용하여 구현될 수 있음이 설명되었으나, 해당 분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 실시예들은 전자를 저장하기 위해 플로팅 게이트 구조가 아니라 절연체인 질화 규소 필름 (silicon nitride film) 을 사용하는 SONOS(semiconductor-oxide-nitride-oxide-semiconductor) 또는 MONOS (metal-ONOS) 구조의 차지 트래핑(charge trapping) 플래시 메모리를 이용하여 구현되거나, NAND 플래시메모리의 스트링 구조를 수직으로 구축한 스택 게이트(stacked gate) 플래시 메모리를 이용하여 구현되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 이러한 실시예들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (33)

  1. 외부인자를 측정하는 측정 장치에 있어서,
    상기 외부인자에 의해 빛을 발생시키는 발광부;
    서브스트레이트-상기 서브스트레이트의 전하 밀도는 상기 빛에 의하여 변함-를 포함하는 차지 스토리지 메모리 셀; 및
    상기 전하 밀도의 변화에 따라 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보가 변경되도록 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 바이아스 전압을 제어하는 제어부
    를 포함하는 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빛이 상기 서브스트레이트에 의해 흡수되면 상기 서브스트레이트 내에서 전자-정공 쌍이 생성되고, 상기 전자-정공 쌍에 의한 전하는 상기 바이아스 전압에 의하여 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함된 차지 스토리지 방향으로 이동하는, 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는
    상기 외부인자로부터 제공된 자극에 의해 상기 빛을 방출하는 적어도 하나의 발광체
    를 포함하는, 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부인자는 전자파, 고 에너지 입자, 압력, 소리, 화학반응, 및 열 중 적어도 하나를 포함하는, 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전하 밀도는 상기 빛에 의해 증가하는, 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전하 밀도가 증가할수록 상기 서브스트레이트로부터 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함된 차지 스토리지로 전하가 터널링되는 확률이 증가하는, 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빛은 300nm와 1100nm 사이 파장의 빛을 포함하는, 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 서브스트레이트는 실리콘(Si)을 포함하는, 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보가 변경되는 민감도는 상기 바이아스 전압, 상기 서브스트레이트의 종류, 상기 발광부에 포함되는 발광체의 종류, 및 상기 서브스트레이트 내 상기 발광체가 배치된 구조 중 적어도 하나에 따라 결정되는, 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 차지 스토리지 메모리 셀에 저장되는 정보는 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함되는 차지 스토리지에 저장되는 전하량을 포함하는, 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 차지 스토리지에 전하가 유입되거나 상기 차지 스토리지로부터 전하가 유출되는 민감도는 상기 바이아스 전압에 따라 결정되는, 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 서브스트레이트를 향하여 상기 빛을 방출하도록 상기 서브스트레이트와 결합하는, 측정 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 서브스트레이트의 일 측면에 배치되는, 측정 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 서브스트레이트에 미리 정해진 패턴으로 가공된 복수의 구멍들에 배치되는, 측정 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는
    외부인자의 스펙트럼에 대응하는 복수의 발광체들; 및
    복수의 외부인자들에 대응하는 복수의 발광체들
    중 적어도 어느 하나를 포함하는, 측정 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    복수의 차지 스토리지 메모리 셀들
    을 포함하고,
    상기 제어부는 미리 정해진 복수의 측정 모드들 중 어느 하나로 동작하며, 상기 미리 정해진 복수의 측정 모드들은 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들에 동일한 바이아스 전압을 제공하는 제1 측정 모드 및 상기 복수의 차지 스토리지 메모리 셀들 중 적어도 일부에 상이한 바이아스 전압을 제공하는 제2 측정 모드 중 적어도 하나를 포함하는 측정 장치.
  17. 외부인자를 측정하는 측정 방법에 있어서,
    차지 스토리지 메모리 셀에 저장된 정보를 초기화하는 단계;
    상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함되는 서브스트레이트의 전하 밀도의 변화에 따라 상기 초기화된 정보가 변경되도록 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 바이아스 전압을 제어하는 단계; 및
    상기 외부인자를 측정하기 위하여 상기 변경된 정보를 리드(read)하는 단계
    를 포함하고,
    상기 외부인자에 의해 상기 서브스트레이트에 삽입된 발광체에서 빛이 발생되고, 상기 발생된 빛에 의해 상기 전하 밀도가 변하는, 측정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 외부인자는 전자파, 고 에너지 입자, 압력, 소리, 화학반응, 및 열 중 적어도 하나를 포함하는, 측정 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 전하 밀도는 상기 빛에 의해 증가하는, 측정 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 전하 밀도가 증가할수록 상기 서브스트레이트로부터 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함된 차지 스토리지로 전하가 터널링되는 확률이 증가하는, 측정 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 빛은 300nm와 1100nm 사이 파장의 빛을 포함하는, 측정 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 서브스트레이트는 실리콘(Si)을 포함하는, 측정 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 초기화된 정보가 변경되는 민감도는 상기 바이아스 전압, 상기 서브스트레이트의 종류, 상기 발광체의 종류, 및 상기 서브스트레이트 내 상기 발광체가 삽입된 구조 중 적어도 하나에 따라 결정되는, 측정 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 변경된 정보는 상기 차지 스토리지 메모리 셀에 포함되는 차지 스토리지에 저장되는 전하량을 포함하고, 상기 차지 스토리지에 전하가 유입되거나 상기 차지 스토리지로부터 전하가 유출되는 민감도는 상기 바이아스 전압에 따라 결정되는, 측정 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 발광체는 상기 서브스트레이트를 향하여 상기 빛을 방출하도록, 상기 서브스트레이트에 미리 정해진 패턴으로 가공된 복수의 구멍들에 배치되는, 측정 방법.
  26. 제17항 내지 제25항 중에서 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  27. 외부인자에 반응하여 전자-정공 쌍을 생성하는 반응부;
    상기 반응부를 서브스트레이트로 이용하는 차지 스토리지 메모리 셀; 및
    상기 전자-정공 쌍에 의한 전하가 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 차지 스토리지 방향으로 이동하도록 상기 차지 스토리지 메모리 셀의 바이아스 전압을 제어하는 제어부
    를 포함하는 센서.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 외부인자는 전자파, 고 에너지 입자, 압력, 소리, 화학반응, 및 열 중 적어도 하나를 포함하는, 센서.
  29. 전극 레이어;
    외부인자에 반응하여 전하를 생성하는 반응 레이어; 및
    상기 전하를 저장하는 차지 스토리지 메모리 레이어
    를 포함하고,
    상기 전극 레이어와 상기 차지 스토리지 메모리 레이어 사이에 인가되는 전압에 의하여 상기 전하가 상기 차지 스토리지 메모리 레이어 방향으로 이동되는 센서.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 전하가 상기 차지 스토리지 메모리 레이어에 저장되도록 상기 전극 레이어와 상기 차지 스토리지 메모리 레이어 사이에 인가되는 전압을 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 센서.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 반응 레이어는 광전 물질 코팅(photoconductive material coating)을 포함하는 센서.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 차지 스토리지 메모리 레이어는 픽셀레이트된(pixelated) 차지 스토리지 메모리 셀들을 포함하는 센서.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 전극 레이어는 메쉬(mesh) 형태의 전극을 포함하는 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001102559A (ja) * 1999-10-01 2001-04-13 Rohm Co Ltd 不揮発性メモリを用いた光−電気変換装置、およびこれを利用した画像装置
JP2008078597A (ja) * 2005-11-01 2008-04-03 Fujifilm Corp 放射線画像検出器
KR20090029613A (ko) * 2007-09-18 2009-03-23 최현환 나노 광 검출 소자 및 그 구동방법, 이를 구비한 이미지센서
JP2011124334A (ja) * 2009-12-09 2011-06-23 Fujifilm Corp 放射線センサおよび放射線画像撮影装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001102559A (ja) * 1999-10-01 2001-04-13 Rohm Co Ltd 不揮発性メモリを用いた光−電気変換装置、およびこれを利用した画像装置
JP2008078597A (ja) * 2005-11-01 2008-04-03 Fujifilm Corp 放射線画像検出器
KR20090029613A (ko) * 2007-09-18 2009-03-23 최현환 나노 광 검출 소자 및 그 구동방법, 이를 구비한 이미지센서
JP2011124334A (ja) * 2009-12-09 2011-06-23 Fujifilm Corp 放射線センサおよび放射線画像撮影装置

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