KR20170123929A - 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법은, 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극, 및 소스 전극과 드레인 전극 사이에 형성된 전이금속 이셀레니드몰리브덴의 채널 영역을 포함하는 센서 박막 트랜지스터를 포함하는 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서를 구동하기 위한 방법으로서, 게이트 전극에 제 1 게이트 전압을 인가하는 단계, 센서 박막 트랜지스터의 드레인 전류를 측정하는 단계, 및 입사되는 광에 의해 변화되는 드레인 전류의 크기가 제 1 게이트 전압에서보다 작은 미리 설정된 제 2 게이트 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광 검출시 발생하는 광전도도 유지 현상을 효과적으로 억제함으로써, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 고속 동작을 구현할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 전이금속 칼코겐화합물 기반의 광센서 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차원 전이금속 이셀레니드몰리브덴 물질을 이용한 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)의 구동 방법에 관한 것이다.
최근 차세대 디스플레이에 관한 연구로서 플렉시블 디스플레이, 투명 디스플레이, 3D 디스플레이 및 고해상도 디스플레이에 관한 연구가 매우 활발히 진행 중에 있다.
이러한 차세대 디스플레이 구현을 위해, 현재 비결정질 실리콘(a-Si), LTPS(low temperature poly silicon) 등의 박막형 필름을 채널물질로 사용한 박막 트랜지스터(Thin Film Ttransistor; TFT)가 사용되고 있다.
그런데, 이와 같은 채널 물질을 이용한 TFT는 고온 증착시 플렉시블 기판의 기계적 변형, 구부러지는 동안 쉽게 깨지는 특성, 불투명성 등의 문제점을 가지고 있으며, 무엇보다도 가장 큰 단점인 물질의 이동도가 낮아 고해상도를 위해 적용되기에는 한계를 나타낸다.
또한, 최근에는 사용자와 기기가 소통을 증대할 수 있는 양방향 대면적 디스플레이에 관한 연구도 활발히 진행 중이다. 양방향 디스플레이는 원격 터치 스크린(Remote Touch Screen) 기능을 포함하는 전자 칠판이나 TV 등의 디스플레이 장치를 의미하는 것으로, 이를 구현하기 위해서는 사용자에 의해 수행되는 광입력을 효과적으로 인식할 수 있는 광센서 어레이 구조가 요구된다.
이러한 광센서 어레이 구조는 영상 디스플레이를 수행하기 위한 TFT와 다른 판에 설치될 수도 있지만 동일한 판(plane)에 설치될 수도 있으며, 광센서 소자와 광센서 소자를 선택하기 위한 스위치 소자로 구성된 픽셀 구조를 포함하고 있어 개별 소자들은 물론 어레이 구조 전체로서도 우수한 성능 및 효율적인 제작 특성이 요구된다. 도 1은 액정 디스플레이 백플레인에 디스플레이 트랜지스터와 센서 트랜지스터가 함께 형성된 예가 도시된 도면이다.
이러한 요구를 충족하기 위해, 최근 광센서를 전이금속 칼코겐화합물을 기반으로 하는 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)를 이용하여 구현하려는 시도가 계속되고 있다. 전이금속 칼코겐화합물 기반 광센서 TFT 소자는 빛에 노출되었을 시 다크 대비 높은 광전류 특성을 보인다. 도 2는 전이금속 칼코겐화합물 기반 박막 트랜지스터의 광노출 상태와 다크 상태 광전류 특성을 도시한 그래프이다.
이와 같이 높은 광전도도 특성을 갖는 광센서로의 활용을 위해서, 게이트에 음의 전압을 인가하는 경우 높은 다크 대비 광전류 특성비로 인해 효과적인 읽기 (Read) 동작을 수행할 수 있게 된다. 도 3은 전이금속 칼코겐화합물 기반 TFT의 광전류 특성을 이용하여 광센서의 읽기(Read) 동작을 수행하는 예가 도시된 그래프이다.
그런데, 이와 같이 전이금속 칼코겐화합물 기반 TFT는 게이트에 음의 전압을 인가하고, 소오스에 접지(ground), 드레인에 양의 전압을 인가한 상태에서 소자에 빛을 인가(light pulse)하는 경우, 우수한 다크 대비 광전류 특성과 함께 빛을 차단한 이후에도 지속적으로 광전도도가 유지되는 특성을 보인다. 도 4는 전이금속 칼코겐화합물 기반 TFT에서의 광전도도 유지 특성이 도시된 그래프이다.
이러한 광전도도 유지(persistent photoconductivity; PPC) 특성은 원래 상태로 복원되는 시간이 통상 수십 초에서 수일이 소요되며, 고속 동작을 요구하는 광센서 소자에서 반드시 해결해야 하는 기술적 이슈로 부각되고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 고속 동작을 위해 광 검출시 발생하는 광전도도 유지 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법은, 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극, 및 소스 전극과 드레인 전극 사이에 형성된 전이금속 이셀레니드몰리브덴의 채널 영역을 포함하는 센서 박막 트랜지스터를 포함하는 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서를 구동하기 위한 방법으로서, 게이트 전극에 제 1 게이트 전압을 인가하는 단계, 센서 박막 트랜지스터의 드레인 전류를 측정하는 단계, 및 입사되는 광에 의해 변화되는 드레인 전류의 크기가 제 1 게이트 전압에서보다 작은 미리 설정된 제 2 게이트 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광 검출시 발생하는 광전도도 유지 현상을 효과적으로 억제함으로써, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 고속 동작을 구현할 수 있게 된다.
이때, 제 1 게이트 전압 인가시 드레인 전극에 제 1 드레인 전압을 인가하는 단계, 및 제 2 게이트 전압 인가시 드레인 전극에 제 1 드레인 전압과 다른 미리 설정된 제 2 드레인 전압을 인가할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 더욱 신속하게 억제할 수 있게 된다.
또한, 입사되는 광에 의해 변화되는 드레인 전류의 크기가 제 1 게이트 전압에서보다 작고, 제 1 게이트 전압을 차감한 값이 제 2 게이트 전압에서 제 1 게이트 전압을 차감한 값과 반대 극성을 가지는 미리 설정된 제 3 게이트 전압을 인가할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 더욱 신속하게 억제할 수 있게 된다.
또한, 제 2 게이트 전압 인가시 드레인 전극에 제 1 드레인 전압을 차감한 값이 2 드레인 전압에서 제 1 드레인 전압을 차감한 값과 반대 극성을 가지는 미리 설정된 제 3 드레인 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 더욱 신속하게 억제할 수 있게 된다.
또한, 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서는 센서 박막 트랜지스터와 다른 게이트 전압 공급부에 게이트 전극이 연결되고, 센서 박막 트랜지스터와 직렬 연결되는 스위치 박막 트랜지스터를 더 포함하며, 스위치 박막 트랜지스터가 오프(off) 상태에서 센서 박막 트랜지스터의 게이트 전극에는 제 1 게이트 전압이 인가될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 스위치 트랜지스터의 성능이 나빠 오프 상태에서 누설 전류가 발생하는 경우 보다 우수한 성능을 제공할 수 있게 된다.
이때, 제 1 게이트 전압 인가시 센서 박막 트랜지스터의 드레인 전극에 제 1 드레인 전압을 인가하는 단계, 및 제 2 게이트 전압 인가시 센서 박막 트랜지스터의 드레인 전극에 제 1 드레인 전압보다 작은 미리 설정된 제 2 드레인 전압을 인가할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 더욱 신속하게 억제하면서도, 스위치 트랜지스터의 성능이 나빠 오프 상태에서 누설 전류가 발생하는 경우 보다 우수한 성능을 제공할 수 있게 된다.
또한, 제 1 게이트 전압은 0보다 작은 음의 전압일 수 있고, 제 2 게이트 전압은 0보다 큰 양의 전압일 수 있다.
또한, 스위치 박막 트랜지스터는 센서 트랜지스터와 동일 구조의 이셀레니드몰리브덴 기반 트랜지스터이고, 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서는 스위치 박막 트랜지스터의 채널 영역으로 입사되는 광을 차단하고 센서 박막 트랜지스터의 채널 영역으로 입사되는 광을 통과시키기 위한 차광부를 더 포함하며, 스위치 박막 트랜지스터의 오프(off) 상태는 스위치 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 제 1 게이트 전압이 인가되는 상태일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 동일한 특성의 스위치 박막 트랜지스터와 센서 박막 트랜지스터를 동일 공정에서 제조할 수 있기 때문에 광센서 어레이의 제조 및 동작 제어를 보다 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광 검출시 발생하는 광전도도 유지 현상을 효과적으로 억제함으로써, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 고속 동작을 구현할 수 있게 된다.
또한, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 더욱 신속하게 억제할 수 있게 된다.
또한, 스위치 트랜지스터의 성능이 나빠 오프 상태에서 누설 전류가 발생하는 경우 센서 픽셀 구조가 보다 우수한 성능을 제공할 수 있게 된다.
또한, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 더욱 신속하게 억제하면서도, 스위치 트랜지스터의 성능이 나빠 오프 상태에서 누설 전류가 발생하는 경우 센서 픽셀 구조가 보다 우수한 성능을 제공할 수 있게 된다.
또한, 센서 트랜지스터는 입사광에 따라 드레인 전류의 양이 크게 차이나는 영역에서, 스위치 트랜지스터는 입사광에 관계없이 많은 드레인 전류가 흐르는 영역에서 각각 게이트 전압을 인가함으로써, 보다 효과적으로 전체 센서 픽셀 구조를 동작시킬 수 있게 된다.
또한, 동일한 특성의 스위치 박막 트랜지스터와 센서 박막 트랜지스터를 동일 공정에서 제조할 수 있기 때문에 광센서 어레이의 제조 및 동작 제어를 보다 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
도 1은 액정 디스플레이 백플레인에 디스플레이 트랜지스터와 센서 트랜지스터가 함께 형성된 예가 도시된 도면.
도 2는 전이금속 칼코겐화합물 기반 박막 트랜지스터의 광노출 상태와 다크 상태 광전류 특성을 도시한 그래프.
도 3은 전이금속 칼코겐화합물 기반 TFT의 광전류 특성을 이용하여 광센서의 읽기(Read) 동작을 수행하는 예가 도시된 그래프.
도 4는 전이금속 칼코겐화합물 기반 TFT에서의 광전도도 유지 특성이 도시된 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 이셀레니드몰리브덴 기반 박막 트랜지스터 일 실시예의 개략적인 단면도.
도 6은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 그래프.
도 7은 2차원 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 TFT에 대한, 다크 상태와 빛에 노출되었을 전류-전압 특성을 도시한 그래프.
도 8은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 9는 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 3 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 10은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 4 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 11과 도 12는 각각 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 5 실시예와 제 6 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 13은 센서와 스위치로 구성된 센서 픽셀의 개략적인 회로도.
도 14 내지 17은 제 1 실시예서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 18 내지 21은 제 2 실시예서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 22 및 도 23은 각각 제 3 실시예, 및 제 5 실시예에서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 24 및 도 25는 제 6 실시예에서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 26은 도 13의 센서 픽셀의 스위치 박막 트랜지스터를 센서 트랜지스터와 동일 구조의 이셀레니드몰리브덴 기반 트랜지스터로 구현한 픽셀 구조의 개략적인 단면도.
도 2는 전이금속 칼코겐화합물 기반 박막 트랜지스터의 광노출 상태와 다크 상태 광전류 특성을 도시한 그래프.
도 3은 전이금속 칼코겐화합물 기반 TFT의 광전류 특성을 이용하여 광센서의 읽기(Read) 동작을 수행하는 예가 도시된 그래프.
도 4는 전이금속 칼코겐화합물 기반 TFT에서의 광전도도 유지 특성이 도시된 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 이셀레니드몰리브덴 기반 박막 트랜지스터 일 실시예의 개략적인 단면도.
도 6은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 그래프.
도 7은 2차원 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 TFT에 대한, 다크 상태와 빛에 노출되었을 전류-전압 특성을 도시한 그래프.
도 8은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 9는 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 3 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 10은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 4 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 11과 도 12는 각각 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 5 실시예와 제 6 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도.
도 13은 센서와 스위치로 구성된 센서 픽셀의 개략적인 회로도.
도 14 내지 17은 제 1 실시예서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 18 내지 21은 제 2 실시예서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 22 및 도 23은 각각 제 3 실시예, 및 제 5 실시예에서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 24 및 도 25는 제 6 실시예에서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도.
도 26은 도 13의 센서 픽셀의 스위치 박막 트랜지스터를 센서 트랜지스터와 동일 구조의 이셀레니드몰리브덴 기반 트랜지스터로 구현한 픽셀 구조의 개략적인 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 이셀레니드몰리브덴 기반 박막 트랜지스터 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 도 5에서, 광 TFT는 소스 전극(110), 드레인 전극(120), 게이트 전극(130), 소스 전극(110)과 드레인 전극(120) 사이에 형성된 전이금속 이셀레니드몰리브덴의 2차원 물질 채널 영역(140), 및 채널 영역상에 형성된 에치스토퍼(Etch stopper; 160)를 포함하고 있다.
도 5에는 바텀게이트(Botton Gate) TFT 구조가 도시되어 있지만, 광 TFT는 탑게이트(Top Gate) 구조로서 형성될 수도 있으며, Top gate TFT 구조의 경우 Top gate는 투명전극으로 형성될 수 있다. 또한, 도 5에서의 에치스토퍼(160)는 선택적인 구성으로서, 다른 실시예에서는 제거될 수도 있다.
도 6은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 1 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 그래프이다.
도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 게이트 전극에 제 1 게이트 전압을 인가한다. 이때 제 1 게이트 전압은 광입사시 다크 상태 대비 높은 광전류 특성을 가지도록 영역에서 설정된 전압이고, 드레인 전압은 양의 전압(예를 들어 10V), 소스 전압은 접지 전압(ground)이 각각 인가된다.
도 7은 2차원 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 TFT에 대한, 다크 상태와 빛에 노출되었을 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다. 도 7에는 드레인 소스 전압이 10V인 경우 게이트 전압에 따른 드레인 전류가 도시되어 있다. 도 7에서, 다크 상태 대비 광입사시 드레인 전류는 게이트 전압이 0보다 작은 음의 전압에서 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제 1 게이트 전압은 0보다 작은 음의 전압(예를 들어, -7V)에서 설정되는 것이 바람직할 것이다.
이후, 센서 박막 트랜지스터의 드레인 전류를 측정하여 광입력 여부를 읽어낸다(Read). 도 6에서 드레인 전류는 광입력과 함께 크게 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 도 6의 읽기(Read) 구간에서 드레인 전류를 측정함으로써 광입력 여부를 읽어내는 것을 확인할 수 있다.
이후, 입사되는 광에 의해 변화되는 드레인 전류의 크기가 제 1 게이트 전압에서보다 작은 미리 설정된 제 2 게이트 전압을 인가한다. 도 7에서 입사되는 광에 의해 변화되는 드레인 전류의 크기가 상대적으로 작은 게이트 전압의 영역은 0보다 큰 양의 전압임을 확인할 수 있다. 따라서, 제 2 게이트 전압은 0보다 큰 양의 전압(예를 들어, 10V)에서 설정되는 것이 바람직할 것이다. 또한, 이때의 제 2 게이트 전압은 드레인 전류의 보다 확실한 재설정(reset) 효과를 위해 1ms이상 인가되는 것이 바람직하다.
즉, 제 1 실시예에서는 이셀레니드몰리브덴 기반 광 TFT의 PPC 현상을 제거하기 위해, 광센서의 읽기 동작 이후에 광 TFT의 게이트에 양의 재설정 펄스(reset pulse)를 인가하는 방식으로 PPC 이슈를 해결한다.
이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광 검출시 발생하는 광전도도 유지 현상을 효과적으로 억제함으로써, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 고속 동작을 구현할 수 있게 된다. 이러한 효과는 도 6에서 확인할 수 있으며, 도 4에서와는 달리 도 6에서는 제 2 게이트 전압 인가 이후 드레인 전류가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도이다.
도 8에서 다른 조건은 제 1 실시예와 동일하며, 추가적으로 제 2 게이트 전압 인가시 드레인 전극에 이미 인가된 제 1 드레인 전압과 다른 미리 설정된 제 2 드레인 전압을 인가하는 것임을 확인할 수 있다.
즉, 제 2 실시예에서는 이셀레니드몰리브덴 기반 광 TFT의 PPC 현상을 제거하기 위해, 읽기 동작 이후에 광 TFT의 게이트에 양의 재설정 펄스(reset pulse)와 드레인에 음의 재설정 펄스(reset pulse)를 동시에 인가하는 방식으로 PPC 이슈를 해결한다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 보다 신속하게 억제할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 3 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도이다.
도 9에서 다른 조건은 제 1 실시예와 동일하며, 추가적으로 입사되는 광에 의해 변화되는 드레인 전류의 크기가 제 1 게이트 전압에서보다 작고, 제 1 게이트 전압을 차감한 값이 제 2 게이트 전압에서 제 1 게이트 전압을 차감한 값과 반대 극성을 가지는 미리 설정된 제 3 게이트 전압을 인가하는 것임을 확인할 수 있다. 이때, 제 2 게이트 전압과 제 3 게이트 전압은 연속적으로 인가되어야 하지만, 인가 순서는 바뀌는 것도 가능하다.
즉, 제 3 실시예에서는. 읽기 동작 이후에, 게이트에 양의 전압과 음의 전압을 교번해서 또는 음의 전압과 양의 전압을 교번해서(미도시) 가하는 방식으로 reset pulse를 인가하는 방식으로 PPC 이슈를 해결한다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 보다 신속하게 억제할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 4 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도이다.
도 10에서 다른 조건은 제 3 실시예와 동일하며, 추가적으로 제 2 게이트 전압 인가시 드레인 전극에 이미 인가된 제 1 드레인 전압과 다른 미리 설정된 제 2 드레인 전압을 인가하는 것임을 확인할 수 있다.
즉, 제 4 실시예에서는. 읽기 동작 이후에 게이트(VG)에 양의 전압과 음의 전압을 교번해서 또는 음의 전압과 양의 전압을 교번해서 (not shown) 가하면서 드레인 (VD)에 음의 reset pulse 또는 양의 reset pulse를 동시에 인가하는 방식으로 PPC 이슈를 해결한다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 보다 신속하게 억제할 수 있게 된다.
도 11과 도 12는 각각 본 발명 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법의 제 5 실시예와 제 6 실시예에 따른 박막 트랜지스터 각 전극에서의 전압 파형 및 드레인 전류 파형을 도시한 파형도이다.
도 11 및 도 12에서, 다른 조건은 제 4 실시예와 동일하며 추가적으로 제 2 게이트 전압 인가시 드레인 전극에 제 1 드레인 전압을 차감한 값이 제 2 드레인 전압에서 제 1 드레인 전압을 차감한 값과 반대 극성을 가지는 미리 설정된 제 3 드레인 전압을 인가하는 것임을 알 수 있다. 이때, 제 2 드레인 전압과 제 3 드레인 전압은 연속적으로 인가되지만, 인가 순서는 바뀌는 것도 가능하다.
즉, 제 5 실시예에서는. 읽기 동작 이후에 게이트(VG) 드레인(VD)에 양의 전압과 음의 전압을 교번하거나 음의 전압과 양의 전압을 교번해서(not shown) 인가하는 방식으로 reset pulse를 인가하고(같은 pulse shape, polarity가 다름), 제 6 실시예에서는 동시에 게이트(VG) 드레인 (VD)에 양의 전압과 음의 전압을 교 번하거나 음의 전압과 양의 전압을 교번해서 인가(pulse polarity는 동일, counter pulse shape)하는 방식으로 PPC 이슈를 해결한다. 이러한 구성에 의하면, 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서의 광전도도 유지 현상을 보다 신속하게 억제할 수 있게 된다.
본 발명을 실제적으로 센서 어레이로 구현하기 위해, 어드레싱(addressing)에 필요한 선택 트랜지스터(select transistor)와 센서 역할을 수행하는 광센서 트랜지스터(photo-sensor transistor)의 조합으로 센서 픽셀을 구현할 수 있다. 도 13은 센서와 스위치로 구성된 센서 픽셀의 개략적인 회로도이다. 도 13에서 센서 트랜지스터(100)와 스위치 트랜지스터(200)는 서로 다른 게이트 전압 공급라인에 연결되어 있으며, 서로 직렬 연결된 것을 확인할 수 있다.
도 14 내지 17은 제 1 실시예서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도이다. 도 14 내지 17에서, 스위치 트랜지스터(200)가 온(on)되는 경우 센서 트랜지스터(100)에 제 1 게이트 전압이 인가되는 것을 확인할 수 있으며, 스위치 트랜지스터(200)가 오프(off)되는 경우 PPC 현상의 억제를 위해 센서 트랜지스터(100)에 제 2 게이트 전압이 인가되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 14 내지 17에서 입사광의 검출은 스위치 트랜지스터(200)가 온상태이고 센서 트랜지스터에 제 1 게이트 전압이 인가된 상태에서 광이 입사되는 경우 수행되며, 드레인 전류의 재설정(Reset)은 입사광 검출 이후 센서 트랜지스터(100)에 인가되는 제 2 게이트 전압에 의해 수행되는 것을 확인할 수 있다.
도 14 및 도 15에서는 제 2 게이트 전압으로 제 1 게이트 전압보다 큰 전압이 인가되고, 도 16 및 도 17에서는 제 1 게이트 전압보다 작은 전압이 인가되는 차이가 있다.
또한, 도 14 및 도 16에서는 스위치 박막 트랜지스터(200)가 오프 상태일 때 센서 박막 트랜지스터(100)의 게이트 전극에 제 2 전압이 인가되지만, 도 15 및 도 17에서는 제 1 게이트 전압이 인가된다. 이와 같, 도 15 및 도 17에서와 같은 구성에 의하면, 스위치 트랜지스터(200)의 성능이 나빠 오프 상태에서 누설 전류가 발생하는 경우 도 14 및 도 16의 구성에서보다 우수한 성능을 제공할 수 있게 된다.
도 18 내지 21은 제 2 실시예서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도이다. 도 18 내지 21은 제 1 실시예서의 도 14 내지 도 17에 각각 대응되는 도면이다.
도 18 내지 도 21에서 센서 박막 트랜지스터(100)에 제 2 게이트 전압이 인가되는 경우 센서 픽셀에 제 2 드레인 전압이 인가되는 것을 확인할 수 있다. 이때, 제 2 게이트 전압과 제 2 드레인 전압은 동시에 인가되는 것이 바람직하지만 시차를 두고 인가될 수도 있다.
도 22 및 도 23은 각각 제 3 실시예, 및 제 6 실시예에서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도이고, 도 24 및 도 25는 제 5 실시예에서의 센서 픽셀에 인가되는 드레인 전압과 각 게이트 전압의 파형을 도시한 파형도이다.
도 23에서는 센서 박막 트랜지스터(100)의 게이트와 드레인에 동일 극성의 교번 전압이 인가되고, 도 24 및 도 25에서는 센서 박막 트랜지스터(100)의 게이트와 드레인에 반대 극성의 교번 전압이 인가되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 스위치 박막 트랜지스터는 센서 트랜지스터와 동일 구조의 이셀레니드몰리브덴 기반 트랜지스터로 구현할 수 있으며, 이때, 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서는 스위치 박막 트랜지스터의 채널 영역으로 입사되는 광을 차단하고 센서 박막 트랜지스터의 채널 영역으로 입사되는 광을 통과시키기 위한 차광부를 더 포함할 수 있다.
도 26은 도 13의 센서 픽셀의 스위치 박막 트랜지스터를 센서 트랜지스터와 동일 구조의 이셀레니드몰리브덴 기반 트랜지스터로 구현한 픽셀 구조의 개략적인 단면도이다.
도 26에는 동일한 반도체 물질을 사용하면서 광에 대한 민감도를 다르게 구현하기 위해, 바텀게이트(Bottom Gate) TFT 구조의 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 박막 트랜지스터 어레이 구조에서 센서 영역(100)상에는 투명 전극(310)을 형성하고 스위치 영역(200)상에는 불투명 전극(320)을 형성한 예가 도시되어 있다.
같은 반도체 물질을 사용한 센서와 스위치이지만, 스위치 소자의 경우에는 불투명 전극(Sheild Metal; 320)을 사용함으로써 빛에 노출 여부에 무관하게 다크 상태의 전류 상태를 나타내도록 구현하는 것이다.
이 경우, 스위치 박막 트랜지스터의 오프(off) 상태는 스위치 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 제 1 게이트 전압이 인가되는 상태일 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 동일한 특성의 스위치 박막 트랜지스터와 센서 박막 트랜지스터를 동일 공정에서 제조할 수 있기 때문에 광센서 어레이의 제조 및 동작 제어를 보다 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
본 발명은 2차원 전이금속 칼코겐화합물 물질 MoSe2 기반의 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT) 구조를 이용한 광센서 기반 전자기기를 적용 대상으로 한다. 전자 칠판향 원거리 원격(Remote) 터치스크린에 응용 가능하며, 중대형 TV 향은 케이블 TV에 적합한 원격 터치 스크린(Remote Touch Screen)에 응용 가능성이 있다.
2차원 전이금속 칼코겐화합물 기반의 TFT 타입의 소자를 적용한 광센서는 궁극적으로 고감도 광반응 특성 및 전방위 가시광에 반응하는 디스플레이 목적으로 설계된 소자로서, 기기와 사용자 간의 의사소통뿐 아니라 사용자와 사용자 간의 의사소통을 가능하게 하는 인터페이스를 제공할 수 있다.
낮은 에너지 밴드 갭 (1.3-1.8eV)을 갖는 전이금속 이셀레니드몰리브덴은 전방위 가시광(1.8-3.2eV)에 반응하여, 이 소재를 이용한 TFT는 기존 비정질 실리콘 또는 산화물 반도체 기반의 광센서 기술을 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
본 발명에 의하면, 고감도 광반응 특성 및 전 방위 가시광에 반응하는 광센싱 특성을 갖는 양방향 대면적 디스플레이를 구현함으로써, 사용자와 기기가 소통을 증대할 수 있는 양방향 대면적 디스플레이의 핵심 센서 기술 확보에 기여할 수 있게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
100: 센서 박막 트랜지스터
110: 소스 전극
120: 드레인 전극
130: 게이트 전극
140: 채널 영역
160: 에치스토퍼(Etch stopper)
200: 스위치 박막 트랜지스터
300: 차광부
310: 투명 전극
320: 불투명 전극
110: 소스 전극
120: 드레인 전극
130: 게이트 전극
140: 채널 영역
160: 에치스토퍼(Etch stopper)
200: 스위치 박막 트랜지스터
300: 차광부
310: 투명 전극
320: 불투명 전극
Claims (9)
- 소스 전극, 드레인 전극, 게이트 전극, 및 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극 사이에 형성된 전이금속 이셀레니드몰리브덴의 채널 영역을 포함하는 센서 박막 트랜지스터를 포함하는 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서를 구동하기 위한 방법으로서,
상기 게이트 전극에 제 1 게이트 전압을 인가하는 단계;
상기 센서 박막 트랜지스터의 드레인 전류를 측정하는 단계; 및
입사되는 광에 의해 변화되는 상기 드레인 전류의 크기가 상기 제 1 게이트 전압에서보다 작은 미리 설정된 제 2 게이트 전압을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 게이트 전압 인가시 상기 드레인 전극에 제 1 드레인 전압을 인가하는 단계; 및
상기 제 2 게이트 전압 인가시 상기 드레인 전극에 상기 제 1 드레인 전압과 다른 미리 설정된 제 2 드레인 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 1항에 있어서,
입사되는 광에 의해 변화되는 상기 드레인 전류의 크기가 상기 제 1 게이트 전압에서보다 작고, 상기 제 1 게이트 전압을 차감한 값이 상기 제 2 게이트 전압에서 상기 제 1 게이트 전압을 차감한 값과 반대 극성을 가지는 미리 설정된 제 3 게이트 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 제 1 게이트 전압 인가시 상기 드레인 전극에 제 1 드레인 전압을 인가하는 단계; 및
상기 제 2 게이트 전압 인가시 상기 드레인 전극에 상기 제 1 드레인 전압과 다른 미리 설정된 제 2 드레인 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 제 2 게이트 전압 인가시 상기 드레인 전극에 상기 제 1 드레인 전압을 차감한 값이 상기 제 2 드레인 전압에서 상기 제 1 드레인 전압을 차감한 값과 반대 극성을 가지는 미리 설정된 제 3 드레인 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서는 상기 센서 박막 트랜지스터와 다른 게이트 전압 공급부에 게이트 전극이 연결되고, 상기 센서 박막 트랜지스터와 직렬 연결되는 스위치 박막 트랜지스터를 더 포함하며,
상기 스위치 박막 트랜지스터가 오프(off) 상태에서 상기 센서 박막 트랜지스터의 게이트 전극에는 상기 제 1 게이트 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 게이트 전압은 0V보다 작은 음의 전압인 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 게이트 전압은 0V보다 큰 양의 전압인 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 스위치 박막 트랜지스터는 상기 센서 트랜지스터와 동일 구조의 이셀레니드몰리브덴 기반 트랜지스터이고, 상기 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서는 상기 스위치 박막 트랜지스터의 채널 영역으로 입사되는 광을 차단하고 센서 박막 트랜지스터의 채널 영역으로 입사되는 광을 통과시키기 위한 차광부를 더 포함하며,
상기 스위치 박막 트랜지스터의 오프(off) 상태는 상기 스위치 박막 트랜지스터의 게이트 전극에 상기 제 1 게이트 전압이 인가되는 상태인 것을 특징으로 하는 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020160053259A KR20170123929A (ko) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160053259A KR20170123929A (ko) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | 전이금속 이셀레니드몰리브덴 기반 광센서 구동 방법 |
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| KR20170123929A true KR20170123929A (ko) | 2017-11-09 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115050845A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-09-13 | 西北工业大学 | 一种基于沟道材料的半导体器件、制备方法和用途 |
| US11708633B2 (en) | 2019-05-02 | 2023-07-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Metal chalcogenide film and method and device for manufacturing the same |
-
2016
- 2016-04-29 KR KR1020160053259A patent/KR20170123929A/ko unknown
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|---|---|---|---|---|
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| CN115050845A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-09-13 | 西北工业大学 | 一种基于沟道材料的半导体器件、制备方法和用途 |
| CN115050845B (zh) * | 2022-04-15 | 2024-01-23 | 西北工业大学 | 一种基于沟道材料的半导体器件、制备方法和用途 |
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