KR20210032710A - 산화물 반도체 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화물 반도체를 포함하는 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 넓은 파장대역의 빛을 감지할 수 있는 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 제 1 반도체층과 제 2 반도체층을 포함하는 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 반도체층은 산화물 반도체 물질을 포함하고, 상기 제 2 반도체층은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하며, 상기 제 1 반도체층과 제 2 반도체층은 접합되어 형성된 박막 트랜지스터를 제공한다.
이를 위하여 본 발명은, 제 1 반도체층과 제 2 반도체층을 포함하는 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 반도체층은 산화물 반도체 물질을 포함하고, 상기 제 2 반도체층은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하며, 상기 제 1 반도체층과 제 2 반도체층은 접합되어 형성된 박막 트랜지스터를 제공한다.
Description
본 발명은 산화물 반도체를 포함하는 박막 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 넓은 파장대역의 빛을 감지할 수 있는 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
액정 표시장치, 유기발광 표시장치와 같은 평판 표시장치는 얇고, 가벼우며, 소비전력이 적은 장점을 가지고 있고, 빛의 발광량 및 투과율을 제어하기 위하여 스위칭 소자인 박막 트랜지스터를 화소 마다 포함할 수 있다.
평판 표시장치는 화상을 표시하는 출력 기능을 주로 수행하지만, 평판 표시장치를 이용하여 사용자 간의 의사소통이 원활히 이루어질 수 있도록, 외부로부터의 신호를 입력 받는 기능에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
외부로부터 입력 받는 신호를 구분할 때, 온도, 습도, 압력, 빛, 음파, 전기, 자기 등 여러 가지 물리적 성질을 이용할 수 있다. 이중 빛에 의한 광신호를 입력 받는 평판 표시장치는 사용자가 쉽게 피드백할 수 있어 조작이 용이한 장점을 가진다.
그러나 평판 표시장치는 협소한 특정 파장대역의 광신호만을 입력 받을 수 있고 광량이 충분히 커야 입력을 감지할 수 있기 때문에, 넓은 파장대역의 광신호를 입력 받을 수 있고 충분히 크지 않은 광량이라도 고감도로 반응할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 넓은 파장대역의 빛을 감지할 수 있고, 고감도의 광 반응 특성을 가질 수 있는 박막 트랜지스터를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제 1 반도체층과 제 2 반도체층을 포함하는 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 반도체층은 산화물 반도체 물질을 포함하고, 상기 제 2 반도체층은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하며, 상기 제 1 반도체층과 제 2 반도체층은 접합되어 형성된 박막 트랜지스터를 제공한다.
그리고 본 발명의 일 실시예는, 게이트 전극과 게이트 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 더 포함하고, 기판의 상부에 상기 게이트 전극이 배치되며, 상기 게이트 전극의 상부에서 상기 게이트 절연층이 상기 게이트 전극을 덮으며 배치되고, 상기 게이트 절연층의 상부에서 상기 게이트 전극이 위치하는 영역에 대응하여 상기 반도체층이 배치되며, 상기 반도체층의 상부에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 반도체층의 양 끝단을 덮고 서로 이격하여 배치되며, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격하는 영역을 통해 상기 반도체층을 노출시키는 박막 트랜지스터를 제공한다.
그리고 본 발명의 일 실시예는, 게이트 전극과 게이트 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 더 포함하고, 기판의 상부에 상기 게이트 전극이 배치되며, 상기 게이트 전극의 상부에서 상기 게이트 절연층이 상기 게이트 전극을 덮으며 배치되고, 상기 게이트 절연층의 상부에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 게이트 전극의 양 끝단이 위치하는 영역에 대응해 서로 이격하여 배치되며, 상기 게이트 절연층과 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 상부에는 상기 반도체층이 배치되어 노출되는 박막 트랜지스터를 제공한다.
그리고 상기 제 1 반도체층은 IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide), IGO(Indium Gallium Oxide), IAZO(Indium Aluminum Zinc Oxide)중 하나의 물질을 포함하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
그리고 상기 제 2 반도체층은 MoS2(Molybdenum Disulfide), MoSe2(Molybdenum Diselenide), MoTe2(Molybdenum Ditelluride), WS2(Tungsten Disulfide), WSe2(Tungsten Diselenide), ZnO(Zinc Oxide) 중 하나의 물질을 포함하는 박막 트랜지스터를 제공한다.
그리고 상기 제 1 반도체층의 상부에 상기 제 2 반도체층이 배치되는 박막 트랜지스터를 제공한다.
그리고 상기 제 2 반도체층의 상부에 상기 제 1 반도체층이 배치되는 박막 트랜지스터를 제공한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 박막 트랜지스터는, 반도체층을 이종 접합구조로 형성하고, 바람직하게는 산화물 반도체와 전이금속 칼코겐 화합물이 이종 접합된 구조로 형성하여, 흡수되는 빛의 파장대역을 확장할 수 있고, 광 전류를 증가시킬 수 있다.
이에 따라 넓은 파장대역의 빛을 감지할 수 있고, 고감도의 광 반응 특성을 가질 수 있는 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2a와 도 2b는 산화물 반도체 물질과 전이금속 칼코겐 화합물의 밴드갭과, 입사되는 빛의 파장에 따른 전자의 천이를 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체층에 입사되는 빛의 파장에 따른 전자의 천이를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 빛의 파장에 따라 산화물 반도체 물질, 전이금속 칼코겐 화합물, 본 발명의 실시예에 포함되는 반도체층에서 발생하는 광전류를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 빛의 파장에 따라 산화물 반도체 물질, 전이금속 칼코겐 화합물, 본 발명의 실시예에 포함되는 반도체층을 각각 포함하는 박막 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸 도면이다.
도 2a와 도 2b는 산화물 반도체 물질과 전이금속 칼코겐 화합물의 밴드갭과, 입사되는 빛의 파장에 따른 전자의 천이를 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체층에 입사되는 빛의 파장에 따른 전자의 천이를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 빛의 파장에 따라 산화물 반도체 물질, 전이금속 칼코겐 화합물, 본 발명의 실시예에 포함되는 반도체층에서 발생하는 광전류를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 빛의 파장에 따라 산화물 반도체 물질, 전이금속 칼코겐 화합물, 본 발명의 실시예에 포함되는 반도체층을 각각 포함하는 박막 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면을 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 박막 트랜지스터(100)는, 게이트 전극(120)과 게이트 절연층(130), 반도체층(140), 소스 전극(150), 드레인 전극(160)을 포함할 수 있다.
박막 트랜지스터(100)가 배치되는 기판(110)은 유리로 이루어진 기판 또는 플라스틱으로 이루어진 기판일 수 있다.
기판(110)이 플라스틱으로 이루어진 기판인 경우, 절연성 유기물인 폴리에테르술폰(polyethersulphone:PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate:PAR), 폴리에테르 이미드(polyetherimide:PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelen ennapthalate:PEB), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate:PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide:PI), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate:CAP)로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상 선택되는 유기물로 이루어질 수 있다.
기판(110)의 상부에는 버퍼층(111)이 배치될 수 있으며, 버퍼층(111)은 기판(111)으로부터 수분 및 산소, 기타 이물질이 침투하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 반도체층(140)이 결정화 될 때 기판(110) 내부로부터 발생하는 알칼리 이온의 방출에 의한 반도체층(140)의 특성 저하를 방지할 수 있다.
버퍼층(111)은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiOx)으로 이루어지거나, 질화 실리콘(SiNx) 및 산화 실리콘(SiOx) 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.
버퍼층(111)의 상부에는 게이트 전극(120)이 배치될 수 있다. 게이트 전극(120)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 탄탈(Ta), 텅스텐(W) 중 어느 하나 또는 이들이 하나 이상 포함된 합금으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정하지 않고 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 게이트 전극(120)은 단일층 또는 다중층의 구조를 가질 수 있다.
게이트 전극(120)의 상부에는 게이트 절연층(130)이 게이트 전극(120)을 덮으며 배치될 수 있다. 게이트 절연층(130)은 게이트 전극(120)과 반도체층 (140)을 분리할 수 있으며, 게이트 전극(120)과 반도체층(140) 사이의 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
게이트 절연층(130)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등과 같은 절연성 무기물로 형성될 수 있으며, 이외에도 절연성 유기물 등으로 형성될 수 있다.
게이트 절연층(130)의 상부에는 게이트 전극(120)이 위치하는 영역에 대응하여 반도체층(140)이 배치될 수 있으며, 반도체층(140)은 제 1 반도체층 (141)과 제 2 반도체층(142)을 포함하는 이중층의 구조를 가질 수 있다.
도 1에서는 제 1 반도체층(141)의 상부에 제 2 반도체층(142)이 배치된 예를 나타내었지만, 이에 한정하지 않고 제 2 반도체층(142)의 상부에 제 1 반도체층(141)이 배치될 수도 있다.
반도체층(140)은 제 1, 2 반도체층(141, 142) 마다 각각 산화물 반도체 또는 비산화물 반도체를 포함하여 이종접합의 구조를 가질 수 있다.
이에 따라 제 1 반도체층(141)에는 산화물 반도체가 포함될 수 있고 제 2 반도체층(142)에는 비산화물 반도체가 포함될 수 있으며, 반대로 제 1 반도체층(141)에는 비산화물 반도체가 포함될 수 있고 제 2 반도체층(142)에는 산화물 반도체가 포함될 수 있다.
제 1 반도체층(141) 또는 제 2 반도체층(142)에 포함될 수 있는 산화물 반도체 물질로는, IZO(InZnO, Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide), IGO(Indium Gallium Oxide), IAZO(Indium Aluminum Zinc Oxide) 중 하나의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
제 1 반도체층(141) 또는 제 2 반도체층(142)에 포함될 수 있는 비산화물 반도체 물질로는 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC, Transition Metal Dichalcogenide)을 포함할 수 있다.
전이금속 칼코겐 화합물은 MX2의 화학식으로 나타낼 수 있는 반도체로서, M은 전이금속에 해당하는 원소(Zn, Mo, W, ...)이고, X는 16족 원소인 칼코겐 원소(O, S, Se, Te, ...)에 해당한다. 전이금속 칼코겐 화합물은 예를 들어 MoS2(Molybdenum Disulfide), MoSe2(Molybdenum Diselenide), MoTe2(Molybdenum Ditelluride), WS2(Tungsten Disulfide), WSe2(Tungsten Diselenide), ZnO(Zinc Oxide) 중에서 하나가 될 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
전이금속 칼코겐 화합물은 전이금속 원자(M)가 칼코겐 원자(X) 사이에 위치하여 서로 공유결합 함으로써 하나의 층을 이루고, 다수의 층 사이는 판데르발스 인력(Van-der-Waals attraction)이 작용하여 층상 구조가 형성된다.
그래핀(graphene)과 유사한 층상구조를 가진 전이금속 칼코겐 화합물은, 전자 또는 홀이 이동할 때 방해가 되는 산란의 정도가 작아, 전자 이동도(electron mobility) 및 홀 이동도(hole mobility)가 높은 특징을 가진다.
산화물 반도체 물질과 전이금속 칼코겐 화합물 등의 반도체 물질은, 밴드갭(bandgap) 보다 큰 에너지를 가진 광자(photon)를 흡수할 때, 가전자대(valance band)에 위치한 전자를 전도대(conduction band)로 천이시켜 광전류를 발생시킬 수 있다.
빛의 세기에 따라 크기가 달라지는 광전류를 컴퓨터와 같은 처리장치에 전달함으로써, 외부로부터 입력 받은 광신호를 처리할 수 있다.
산화물 반도체 물질은 상대적으로 높은 밴드갭을 갖기 때문에 흡수되는 에너지가 상대적으로 커야 전자가 가전자대에서 전도대로 천이되어 광전류가 흐를 수 있다. 광자의 에너지는 파장에 반비례(E = hc / λ)하므로, 광자가 상대적으로 낮은 파장을 가질 때 높은 에너지 가져 전자를 천이시킴으로써, 광전류가 흐르도록 할 수 있다.
전이금속 칼코겐 화합물은 상대적으로 낮은 밴드갭을 갖기 때문에 흡수되는 에너지가 상대적으로 낮아도 전자가 가전자대에서 전도대로 천이되어 광전류가 흐를 수 있다. 따라서 산화물 반도체 물질에 비해 전자를 천이시킬 수 있는 광자의 파장대역이 넓은 특성을 가진다.
게이트 절연층(130)과 반도체층(140)의 상부에는 반도체층(130)의 양 끝단을 덮고 서로 이격하는 소스 전극(150)과 드레인 전극(160)이 배치될 수 있다.
소스 전극(150)과 드레인 전극(170)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 탄탈(Ta), 텅스텐(W) 중 어느 하나 또는 이들이 하나 이상 포함된 합금으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정하지 않고 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 소스 전극(160)과 드레인 전극(170)은 단일층 또는 다중층의 구조를 가질 수 있다.
소스 전극(150)과 드레인 전극(160)이 이격하는 영역을 통해 반도체층(140)이 노출되며, 반도체층(140)이 노출된 영역을 통해 빛을 수광 할 수 있다.
반도체층(140)과 소스 전극(150) 및 드레인 전극(160)의 상부에는 보호층(170)이 배치될 수 있다. 보호층(170)은 박막 트랜지스터(100)가 수분, 산소 또는 기타 이물질로부터 오염되는 것을 보호할 수 있다.
보호층(170)은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiOx)으로 이루어지거나, 질화 실리콘(SiNx) 및 산화 실리콘(SiOx) 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.
이와 같은 구성을 포함하는 본 발명은 산화물 반도체 물질과 전이금속 칼코겐 화합물이 이종 접합된 구조를 가짐으로써, 수광 할 수 있는 빛의 파장대역을 넓힐 수 있는데, 이를 다음과 같이 설명한다.
도 2a와 도 2b는 산화물 반도체 물질과 전이금속 칼코겐 화합물의 밴드갭과, 입사되는 빛의 파장에 따른 전자의 천이를 나타낸 도면이다.
도 2a와 도 2b에서는 산화물 반도체 물질로는 인듐아연산화물(InZnO)의 밴드갭의 예를 나타내었고, 전이금속 칼코겐 화합물인 이황화몰리브덴(MoS2)의 밴드갭의 예를 나타내었다. 그리고 도 2a와 도 2b의 좌측에는 인듐아연산화물 (InZnO), 우측에는 이황화몰리브덴(MoS2)의 밴드갭과 전자의 천이를 나타내었다.
인듐아연산화물(InZnO)의 밴드갭은 2.9 eV 이며, 이황화몰리브덴(MoS2)의 밴드갭은 이보다 작은 1.3 eV을 갖는다.
광자는 양자화된 에너지(E = hc/λ)를 가지며, 양자화된 에너지(E)는 파장의 길이(λ)에 반비례한다.
도 2a는 파장의 길이(λ)가 상대적으로 짧은 600 nm 이하인 광자를 흡수했을 때이며, 파장의 길이(λ)가 600 nm 이상일 때 보다 상대적으로 높은 에너지(E)를 갖는다.
광자를 흡수했을 때 밴드갭이 상대적으로 작은 이황화몰리브덴(MoS2)의 전자(e1)는 가전자대(Ev1)에서 전도대(Ec1)로 천이될 수 있다.
그리고 밴드갭이 상대적으로 큰 인듐아연산화물(InZnO)의 전자(e2)도, 상대적으로 높은 에너지(E)를 흡수하여 가전자대(Ev2)에서 전도대(Ec2)로 천이될 수 있다.
도 2b는 파장의 길이(λ)가 상대적으로 긴 600 nm 이상인 광자를 흡수했을 때이며, 파장의 길이(λ)가 600 nm 이하일 때 보다 상대적으로 낮은 에너지(E)를 갖는다.
밴드갭이 상대적으로 작은 이황화몰리브덴(MoS2)의 전자(e1)는 가전자대(Ev1)로 전도대(Ec1)로 천이될 수 있다.
그러나 밴드갭이 상대적으로 큰 인듐아연산화물(InZnO)의 전자(e2)는, 파장의 길이(λ)가 600 nm 이하일 때 보다 상대적으로 낮은 에너지(E)를 흡수하여 가전자대(Ev2)에서 전도대(Ec2)로 천이가 어려워진다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체층에 입사되는 빛의 파장에 따른 전자의 천이를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체층(도 1의 140)은 제 1, 2 반도체층(도 1의 141, 142) 마다 각각 산화물 반도체 물질 또는 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하여 이종접합의 구조를 가질 수 있다.
도 3a와 도 3b에서는 제 1 반도체층(도 1의 141)에 산화물 반도체 물질인 인듐아연산화물(InZnO)이 포함되고, 제 2 반도체층(도 1의 142)에 전이금속 칼코겐 화합물인 이황화몰리브덴(MoS2)이 포함된 예를 들어 설명하며, 도 3a와 도 3b의 좌측에는 인듐아연산화물(InZnO), 우측에는 이황화몰리브덴(MoS2)의 밴드갭과 전자의 천이를 나타내었다.
도 3a는 파장의 길이(λ)가 상대적으로 짧은 600 nm 이하인 광자를 흡수했을 때이다.
밴드갭이 상대적으로 작은 이황화몰리브덴(MoS2)의 전자(e1)는 가전자대(Ev1)에서 전도대(Ec1)로 천이될 수 있다.
그리고 밴드갭이 상대적으로 큰 인듐아연산화물(InZnO)의 전자(e2)도, 상대적으로 높은 에너지(E)를 흡수하여 가전자대(Ev2)에서 전도대(Ec2)로 천이될 수 있다.
전도대로 천이된 전자(e1, e2)에 의해 광전류가 발생하여 광신호로서 처리될 수 있다.
도 3b는 파장의 길이(λ)가 상대적으로 긴 600 nm 이상인 광자를 흡수했을 때이다.
밴드갭이 상대적으로 큰 인듐아연산화물(InZnO)의 전자(e2)는, 파장의 길이(λ)가 600 nm 이하일 때 보다 상대적으로 낮은 에너지(E)를 흡수하여 가전자대(Ev2)에서 전도대(Ec2)로 천이가 어려워진다.
그러나 밴드갭이 상대적으로 작은 이황화몰리브덴(MoS2)의 전자(e1)는 가전자대(Ev1)로 전도대(Ec1)로 천이될 수 있고, 인듐아연산화물(InZnO)의 전도대(Ec2)는 이황화몰리브덴(MoS2)의 전도대(Ec1) 보다 에너지 준위가 낮기 때문에, 이황화몰리브덴(MoS2)의 전도대로 천이된 전자(e1)는 이황화몰리브덴 (MoS2)과 접합된 인듐아연산화물(InZnO)의 전도대(Ec2)로 이동할 수 있다.
따라서 파장의 길이(λ)가 상대적으로 긴 600 nm 이상인 광자를 흡수했을 때에도, 광전류가 발생하여 광신호로서 처리될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 산화물 반도체 물질을 포함하는 제 1 반도체층과 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하는 제 2 반도체층을 접합하여, 빛의 파장이 높아져도 광전류를 발생시킬 수 있기 때문에 넓은 파장대역의 광신호를 감지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면을 나타낸 도면이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터(200)는, 게이트 전극(220), 게이트 절연층(230), 반도체층(240), 소스 전극(250), 드레인 전극(260)을 포함할 수 있다.
박막 트랜지스터(200)가 배치되는 기판(210)은 유리로 이루어진 기판 또는 플라스틱으로 이루어진 기판일 수 있다.
기판(210)이 플라스틱으로 이루어진 기판인 경우, 절연성 유기물인 폴리에테르술폰(PES), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEB), 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스트리아세테이트(TAC), 셀룰로오스아세테이트프로피오네이트(CAP)로 이루어진 그룹으로부터 하나 이상 선택되는 유기물로 이루어질 수 있다.
기판(210)의 상부에는 버퍼층(211)이 배치될 수 있으며, 버퍼층(211)은 기판(211)으로부터 수분 및 산소, 기타 이물질이 침투하는 것을 방지할 수 있다.
버퍼층(211)은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiOx)으로 이루어지거나, 질화 실리콘(SiNx) 및 산화 실리콘(SiOx) 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.
버퍼층(211)의 상부에는 게이트 전극(220)이 배치될 수 있으며, 게이트 전극(220)의 상부에는 게이트 절연층(230)이 게이트 전극(220)을 덮으며 배치될 수 있다.
게이트 절연층(230)은 게이트 전극(220)과 반도체층(240)을 분리할 수 있으며, 게이트 전극(220)과 반도체층(240) 사이의 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
게이트 절연층(230)은 산화 실리콘(SiOx) 또는 질화 실리콘(SiNx) 등과 같은 절연성 무기물로 형성될 수 있으며, 이외에도 절연성 유기물 등으로 형성될 수 있다.
게이트 절연층(230)의 상부에서 소스 전극(250)과 드레인 전극(260)이 게이트 전극(220)의 양 끝단이 위치하는 영역에 대응해 서로 이격하여 배치될 수 있다.
게이트 전극(220)과 소스 전극(250) 및 드레인 전극(260)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), 탄탈(Ta), 텅스텐(W) 중 어느 하나 또는 이들이 하나 이상 포함된 합금으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정하지 않고 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 게이트 전극(220)과 소스 전극(250) 및 드레인 전극(260)은 단일층 또는 다중층의 구조를 가질 수 있다.
게이트 절연층(230)과 소스 전극(250) 및 드레인 전극(260)의 상부에는 반도체층(240)이 배치될 수 있으며, 반도체층(240)은 제 1 반도체층(241)과 제 2 반도체층(242)을 포함하는 이중층의 구조를 가질 수 있다. 또한 반도체층(240)은 상면이 노출되어 배치될 수 있다.
도 4에서는 제 1 반도체층(241)의 상부에 제 2 반도체층(242)이 배치된 예를 나타내었지만, 이에 한정하지 않고 제 2 반도체층(242)의 상부에 제 1 반도체층(241)이 배치될 수도 있다.
반도체층(240)은 제 1, 2 반도체층(241, 242) 마다 각각 산화물 반도체 또는 비산화물 반도체를 포함하여 이종접합의 구조를 가질 수 있다.
이에 따라 제 1 반도체층(241)에는 산화물 반도체가 포함될 수 있고 제 2 반도체층(242)에는 비산화물 반도체가 포함될 수 있으며, 반대로 제 1 반도체층(241)에는 비산화물 반도체가 포함될 수 있고 제 2 반도체층(242)에는 산화물 반도체가 포함될 수 있다.
제 1 반도체층(241) 또는 제 2 반도체층(242)에 포함될 수 있는 산화물 반도체 물질로는, IZO, IGZO, ITZO, IGO, IAZO 중 하나의 물질을 포함할 수 있다.
제 1 반도체층(141) 또는 제 2 반도체층(142)에 포함될 수 있는 비산화물 반도체 물질로는 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)을 포함할 수 있다.
전이금속 칼코겐 화합물은 예를 들어 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, ZnO 중 하나의 물질을 포함할 수 있다.
반도체층(240)과 소스 전극(250) 및 드레인 전극(260)의 상부에는 보호층(270)이 배치될 수 있다. 보호층(270)은 박막 트랜지스터(200)가 수분, 산소 또는 기타 이물질로부터 오염되는 것을 보호할 수 있다.
보호층(270)은 질화 실리콘(SiNx) 또는 산화 실리콘(SiOx)으로 이루어지거나, 질화 실리콘(SiNx) 및 산화 실리콘(SiOx) 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 산화물 반도체 물질을 포함하는 제 1 반도체층(또는 제 2 반도체층)과 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하는 제 2 반도체층(또는 제 1 반도체층)을 접합하여, 적외선 근처의 파장을 가진 가시광선을 흡수했을 때에도, 전이금속 칼코겐 화합물에 의해 광전류가 발생하여 광신호를 감지할 수 있다.
도 5는 빛의 파장에 따라 산화물 반도체 물질, 전이금속 칼코겐 화합물, 본 발명의 실시예에 포함되는 반도체층에서 발생하는 광전류를 나타낸 표이다.
표시장치 사용자의 피드백을 용이하게 하기 위하여 가시광선(380 nm ~ 780 nm) 및 근적외선(780 nm ~ 1000 nm)을 이용할 수 있다.
산화물 반도체 물질인 InZnO가 빛을 흡수할 때 발생하는 광전류를 파장별로 비교해보면, 단파장인 400 nm 에서 2.41 x 10 -10 A, 500 nm 에서 2.78 x 10 -11 A 의 광전류가 발생하나, 600 nm 에서 4.09 x 10 -13 A 로 광전류가 현저하게 감소한 것을 볼 수 있다.
그리고 InZnO 에서 흡수되는 빛의 파장이 600 nm 이상일 때 발생하는 광전류는, 파장이 600 nm 일 때와 크게 차이가 나지 않는다.
이와 같이 산화물 반도체 물질인 InZnO 는 밴드갭이 2.9 eV 로 전이금속 칼코겐 화합물인 MoS2 와 비교하여 상대적으로 높기 때문에, 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수할 때 발생하는 광전류량이 현저히 낮을 수 있다.
다음으로 전이금속 칼코겐 화합물인 MoS2가 빛을 흡수할 때 발생하는 광전류를 파장별로 비교해보면, 단파장인 400 nm 에서 3.44 x 10 -9 A, 500 nm 에서 1.26 x 10 -9 A, 600 nm 에서 2.13 x 10 -10 A 의 광전류가 발생하며, 600 nm 이상에서도 InZnO 에 비해 약 10 배 내지 100 배의 광전류가 발생하는 것을 볼 수 있다.
전이금속 칼코겐 화합물인 MoS2 는 밴드갭이 1.3 eV 로 산화물 반도체 물질인 InZnO 와 비교하여 상대적으로 낮기 때문에, 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수할 때에도 가전자대에서 전도대로 전자가 천이할 수 있으므로, 광전류가 발생할 수 있다.
마지막으로 본 발명의 실시예에 포함되는, InZnO 를 포함하는 제 1 반도체층과 MoS2 를 포함하는 제 2 반도체층이 이종 접합된 반도체층에서 빛이 흡수될 때 발생하는 광전류를 파장별로 비교해보면, 단파장인 400 nm 에서 4.20 x 10 -8 A, 500 nm 에서 1.39 x 10 -8 A, 600 nm 에서 2.92 x 10 -9 A 의 광전류가 발생하며, 600 nm 이상에서도 InZnO 에 비해 약 10 배 내지 1000 배의 광전류가 발생하는 것을 볼 수 있다.
InZnO 와 MoS2 가 이종 접합된 구조에서는 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수하여도, MoS2 에서 가전자대에서 전도대로 전자가 천이할 수 있으므로, 광전류가 발생할 수 있다.
그리고 파장이 600 nm 이하인 빛을 흡수하면 InZnO 와 MoS2 에서 모두 광전류가 발생하여, 반도체층에서 발생하는 광전류의 총량이 증가할 수 있기 때문에, 광 감지특성을 향상시킬 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 빛의 파장에 따라 산화물 반도체 물질, 전이금속 칼코겐 화합물, 본 발명의 실시예에 포함되는 반도체층을 각각 포함하는 박막 트랜지스터의 전달 특성을 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6d에서는 박막 트랜지스터가 역방향으로 바이어스 되어 게이트와 소스 간 전압(VGS)이 음(-)의 방향으로 증가할 때, 채널에서 공핍층이 늘어나 소스와 드레인 사이의 폭이 줄어들게 되므로, 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)가 감소하는 것을 공통적으로 볼 수 있다.
이와 같은 특성을 이용하여 게이트와 소스 간 전압(VGS)이 0 V 에 가까울 때 박막 트랜지스터에 전류가 흐르도록 할 수 있으며, 게이트와 소스 간 전압(VGS)을 음(-)의 방향으로 증가시켜 전류를 차단시킬 수 있다.
도 6a 는 반도체층에서 산화물 반도체 물질인 InZnO 만을 포함한 경우이며, 파장이 400 nm 또는 500 nm 인 빛을 흡수했을 때는 게이트와 소스 간 전압(VGS)이 0 V 에 가까우면, 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)의 양이 일정 수준 이상이기 때문에, 광전류가 발생하는 것을 볼 수 있다.
그러나 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수했을 때는 게이트와 소스 간 전압(VGS)이 0 V 부터 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)의 양이 현저히 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉, 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수하면 상대적으로 밴드갭(2.9 eV)이 높은 InZnO 에서는 발생하는 광전류의 양이 적은 것을 알 수 있다.
도 6b 는 반도체층에서 전이금속 칼코겐 화합물인 MoS2 만을 포함한 경우이며, InZnO 만을 포함한 경우와는 달리 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수했을 때에도 게이트와 소스 간 전압(VGS)이 0 V 에 가까우면, 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)의 양이 일정 수준 이상이기 때문에, 광전류가 발생하는 것을 볼 수 있다.
도 6c 는 본 발명의 실시예에 따라 InZnO 를 포함하는 제 1 반도체층과 MoS2 를 포함하는 제 2 반도체층이 이종 접합된 반도체층을 포함한 경우이며, InZnO 만을 포함한 경우와는 달리 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수했을 때에도 게이트와 소스 간 전압(VGS)이 0 V 에 가까우면, 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)의 양이 일정 수준 이상이기 때문에, 광전류가 발생하는 것을 볼 수 있다.
그리고 InZnO 와 MoS2 중 하나의 물질 만을 포함했을 때 보다, 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)의 총량이 커진 것을 볼 수 있다.
도 6d 는 본 발명의 다른 실시예에 따라 InZnO 를 포함하는 제 1 반도체층과 ZnO 를 포함하는 제 2 반도체층이 이종 접합된 반도체층을 포함한 경우이다.
역시 InZnO 만을 포함한 경우와는 달리 파장이 600 nm 이상인 빛을 흡수했을 때에도 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)의 양이 일정 수준 이상이기 때문에, 광전류가 발생하는 것을 볼 수 있다.
그리고 InZnO 와 MoS2 중 하나의 물질 만을 포함했을 때 보다, 드레인과 소스 간에 흐르는 전류(IDS)의 총량이 커진 것을 볼 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터는, 산화물 반도체 물질과 전이금속 칼코겐 화합물이 이종 접합된 반도체층을 포함함으로써, 가시광선의 전체 파장대역의 빛을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있고, 광전류의 총량을 증가시킬 수 있기 때문에 광 신호의 감지능력을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명을 상기 실시예로 설명하였지만, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
100, 200 : 박막 트랜지스터
110, 210 : 기판
111, 211 : 버퍼층 120, 220 : 게이트 전극
130, 230 : 게이트 절연층 140, 240 : 반도체층
141, 241 : 제 1 반도체층 142, 242 : 제 2 반도체층
150, 250 : 소스 전극 160, 260 : 드레인 전극
170, 270 : 보호층
111, 211 : 버퍼층 120, 220 : 게이트 전극
130, 230 : 게이트 절연층 140, 240 : 반도체층
141, 241 : 제 1 반도체층 142, 242 : 제 2 반도체층
150, 250 : 소스 전극 160, 260 : 드레인 전극
170, 270 : 보호층
Claims (7)
- 제 1 반도체층과 제 2 반도체층을 포함하는 반도체층을 포함하며,
상기 제 1 반도체층은 산화물 반도체 물질을 포함하고,
상기 제 2 반도체층은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하며,
상기 제 1 반도체층과 제 2 반도체층은 접합되어 형성된 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
게이트 전극과 게이트 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 더 포함하고,
기판의 상부에 상기 게이트 전극이 배치되며,
상기 게이트 전극의 상부에서 상기 게이트 절연층이 상기 게이트 전극을 덮으며 배치되고,
상기 게이트 절연층의 상부에서 상기 게이트 전극이 위치하는 영역에 대응하여 상기 반도체층이 배치되며,
상기 반도체층의 상부에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 반도체층의 양 끝단을 덮고 서로 이격하여 배치되며,
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 이격하는 영역을 통해 상기 반도체층을 노출시키는 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
게이트 전극과 게이트 절연층, 소스 전극, 드레인 전극을 더 포함하고,
기판의 상부에 상기 게이트 전극이 배치되며,
상기 게이트 전극의 상부에서 상기 게이트 절연층이 상기 게이트 전극을 덮으며 배치되고,
상기 게이트 절연층의 상부에서 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 게이트 전극의 양 끝단이 위치하는 영역에 대응해 서로 이격하여 배치되며,
상기 게이트 절연층과 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 상부에는 상기 반도체층이 배치되어 노출되는 박막 트랜지스터.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제 1 반도체층은 IZO(Indium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide), IGO(Indium Gallium Oxide), IAZO(Indium Aluminum Zinc Oxide)중 하나의 물질을 포함하는 박막 트랜지스터.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 반도체층은 MoS2(Molybdenum Disulfide), MoSe2(Molybdenum Diselenide), MoTe2(Molybdenum Ditelluride), WS2(Tungsten Disulfide), WSe2(Tungsten Diselenide), ZnO(Zinc Oxide) 중 하나의 물질을 포함하는 박막 트랜지스터.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제 1 반도체층의 상부에 상기 제 2 반도체층이 배치되는 박막 트랜지스터.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제 2 반도체층의 상부에 상기 제 1 반도체층이 배치되는 박막 트랜지스터.
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|---|---|---|---|
| KR1020190114069A KR20210032710A (ko) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | 산화물 반도체 박막 트랜지스터 |
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| KR20210032710A true KR20210032710A (ko) | 2021-03-25 |
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ID=75222503
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| KR (1) | KR20210032710A (ko) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113325625A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-08-31 | 业成科技（成都）有限公司 | 显示面板的制备方法 |
-
2019
- 2019-09-17 KR KR1020190114069A patent/KR20210032710A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
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| CN113325625A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-08-31 | 业成科技（成都）有限公司 | 显示面板的制备方法 |
| CN113325625B (zh) * | 2021-06-24 | 2022-07-29 | 业成科技（成都）有限公司 | 显示面板的制备方法 |
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