KR20210051211A - 피드백 전계 효과 트랜지스터 및 이를 포함하는 광 센서 - Google Patents

피드백 전계 효과 트랜지스터 및 이를 포함하는 광 센서 Download PDF

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Abstract

피드백 전계 효과 트랜지스터 및 이를 포함하는 광 센서가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터는 게이트; 상기 게이트와 중첩하는 채널 영역; 상기 게이트와 상기 채널 영역 사이에 위치하는 게이트 절연층; 및 상기 채널 영역과 전기적으로 각각 연결되고, 상기 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 소스 영역 및 드레인을 포함하되, 상기 게이트는 외부 광이 유입되는 수광 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하며, 상기 채널 영역은 상기 제1 게이트와 중첩하는 제1 채널 영역, 상기 제2 게이트와 중첩하는 제2 채널 영역 및 상기 제1 채널 영역과 상기 제2 채널 영역 사이에 위치하고 상기 수광 영역과 중첩하는 제3 채널 영역을 포함하고, 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드와 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드는 서로 상이한 에너지 레벨을 가진다.

Description

피드백 전계 효과 트랜지스터 및 이를 포함하는 광 센서{Feedback field effect transistor and Photo detector comprising thereof}
본 발명은 피드백 전계 효과 트랜지스터 및 이를 포함하는 광 센서에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국연구재단의 관리 하에 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업의 "CRISPR/Cas system의 표적 탐지 메커니즘 규명 및 이를 이용한 최적 가이드 RNA 설계 기술 개발"(과제 고유번호: 1711083616, 세부과제번호: 2018R1A2B2008995)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
종래 사용되던 광 검출 방법으로는 PN 다이오드를 이용한 광 센서와 모스펫(MOSFET)을 사용한 광 센서 등이 있다. PN 다이오드를 이용한 광 센서의 경우 공핍층에 빛이 들어올 경우 발생하는 전자-홀 쌍을 이용하여 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 방법을 사용한다. MOSFET을 이용한 광 센서의 경우 빛이 채널 영역에 주입될 경우 발생하는 전자나 홀이 전류를 발생시키는 것을 이용하여 빛을 검출하는 방식을 사용한다. 이때 빛을 검출하기 위해서는 문턱전압보다 낮은 게이트 전압을 인가한 상태에서 빛의 유무에 따른 전류 레벨의 차이를 이용하게 된다.
이러한, PN 다이오드 형태의 광 센서의 경우 높은 응답 특성(responsivity)과 제조 공정이 간단한 장점을 갖지만, 낮은 양자효율이 문제가 된다. 또한, MOSFET을 이용한 광 센서는 PN 다이오드 형태의 광 센서에 비해서 제조 공정상 복잡성이 증가하며, 크기를 줄이는데 어려움은 있다. 다만, MOSFET을 이용한 광 센서는 PN 다이오드에 비해서 빛이 없는 상태에서 흐르는 전류가 감소하기 때문에 PN 다이오드 형태의 광 센서 대비 높은 반응성(sensitivity)을 제공할 수 있다. 여기서, PN 다이오드 형태의 경우 응답특성과 효율을 높이기 위해서 P 타입과 N 타입 사이에 저농도로 도핑된 진성 반도체 영역을 형성하는 PIN 형태나 빛에 의해 형성된 전자-홀 쌍이 공핍 영역을 이동하면서 가속되어 운동에너지로 추가적인 전자-홀 쌍을 생성하는 아발란체 광 다이오드 등으로 개발되고 있다. 하지만 이와 같은 경우에도 양자 효율과 빛이 없는 상태에서 흐르는 전류의 크기를 효율적으로 제어하는 것이 어렵다. MOSFET 특성의 경우 게이트에 빛이 주입되어 전류가 증가하는 특성을 개선하기 위하여 투명전극을 형성하는 형태의 광 센서가 제안되었으나 빛이 주입되었을 때 흐르는 전류의 크기를 증가시키는데 한계가 존재한다.
Transparent Zinc Oxide Gate Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor for High-Responsivity Photodetector, J.Wan, et.al., IEEE Electron Devices Letters, vol.30, pp.493, 2009
본 발명은 실리콘 기반 피드백 전계 효과 트랜지스터 구조를 사용하여 빛에 의해 형성되는 전자-홀 쌍이 피드백 현상을 통하여 광 센서 소자의 전류를 급격하게 변화시켜 높은 응답특성을 가지는 피드백 전계 효과 트랜지스터 및 이를 포함하는 광 센서를 제공하는 것을 목표로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터는 게이트; 상기 게이트와 중첩하는 채널 영역; 상기 게이트와 상기 채널 영역 사이에 위치하는 게이트 절연층; 및 상기 채널 영역과 전기적으로 각각 연결되고, 상기 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하되, 상기 게이트는 외부 광이 유입되는 수광 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하며, 상기 채널 영역은 상기 제1 게이트와 중첩하는 제1 채널 영역, 상기 제2 게이트와 중첩하는 제2 채널 영역 및 상기 제1 채널 영역과 상기 제2 채널 영역 사이에 위치하고 상기 수광 영역과 중첩하는 제3 채널 영역을 포함하고, 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드와 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드는 서로 상이한 에너지 레벨을 가진다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서는 게이트; 및 피드백 전계 효과 트랜지스터를 포함하되, 상기 피드백 전계 효과 트랜지스터는, 상기 게이트와 중첩하는 채널 영역; 상기 게이트와 상기 채널 영역 사이에 위치하는 게이트 절연층; 및 상기 채널 영역과 전기적으로 각각 연결되고, 상기 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하며, 상기 게이트는 외부 광이 유입되는 수광 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하며, 상기 채널 영역은 상기 제1 게이트와 중첩하는 제1 채널 영역, 상기 제2 게이트와 중첩하는 제2 채널 영역 및 상기 제1 채널 영역과 상기 제2 채널 영역 사이에 위치하고 상기 수광 영역과 중첩하는 제3 채널 영역을 포함하고, 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드와 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드는 서로 상이한 에너지 레벨을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터는 공핍 영역에서 빛에 의해 생성된 전자-홀 쌍이 피드백 동작을 통하여 트랜지스터의 전류를 급격하게 증가시킬 수 있다. 즉, 빛이 없는 경우대비 빛이 입사되는 경우에 흐르는 전류 량이 증가될 수 있으며, 이에 따라 광 센서의 성능이 개선될 수 있다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터의 동작 원리에 따른 에너지 밴드의 변화 과정을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서의 구성을 도시한 블록도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당 업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터의 단면도이다. 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터의 동작 원리에 따른 에너지 밴드의 변화 과정을 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)는 빛에 따라 전류를 생성하여 빛의 유무를 판단하는 것을 지원할 수 있다. 일반적으로 광 센서에 포함되는 트랜지스터의 경우, 공핍 영역에 반도체의 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 빛이 입사되어 전자-홀 쌍을 생성해야 한다. 이때 빛이 없는 경우 흐르는 전류와 빛이 입사될 경우 흐르는 전류의 차이가 광 센서의 성능을 결정하는 요소가 된다. 빛에 의해 흐르는 전류를 증가시키기 위해서 수광 영역을 증가시키거나 전자-홀 쌍 생성을 증폭하는 방법 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)는 공핍 영역에서 빛에 의해 생성된 전자-홀 쌍이 피드백 동작을 통하여 트랜지스터의 전류를 급격하게 증가시킬 수 있다. 즉, 빛이 없는 경우대비 빛이 입사되는 경우에 흐르는 전류 량이 증가될 수 있으며, 이에 따라 광 센서의 성능이 개선될 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)의 구조 및 원리에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)는 게이트(100), 채널 영역(110), 소스 영역(120), 드레인(130), 게이트 절연층(140), 기판(150) 및 층간 절연층(160)을 포함한다.
기판(150)은 임의의 적절한 반도체 물질, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘 게르마늄(SiGe), 인듐 비화물(InAs), 실리콘 게르마늄(Sin), 게르마늄 주석(GeSn), 실리콘 게르마늄 주석(SiGeSn), 또는 임의의 다른 III-V족 또는 II-VI족 반도체들을 포함할 수 있다.
기판(150)은 도핑되거나 도핑되지 않은 영역을 포함할 수 있다. 기판(150)은 하나 이상의 도핑된 영역들을 포함할 수 있으며, 다수의 도핑된 영역들을 포함하는 경우, 이러한 영역들은 동일할 수 있거나 상이한 도전율 및 도핑 농도를 가질 수 있다. 이러한 도핑 영역은 우물(well)로 알려져 있고, 다양한 디바이스 영역을 정의하는 데 사용될 수 있다.
기판(150) 상에 층간 절연층(160)이 형성된다. 층간 절연층(160)은 실리콘 산화막(SiOx) 또는 실리콘 질화막(SiNx)으로 이루어질 수 있으며, 산화막 또는 질화막의 단일층 또는 2층 이상의 다중층으로 이루어질 수도 있다.
채널 영역(110), 소스 영역(120) 및 드레인 영역(130)은 기판(150)의 층간 절연층(160) 상에 위치한다. 소스 영역(120)와 드레인 영역(130)은 채널 영역(110)을 사이에 두고 서로 이격되어 형성될 수 있다. 소스 영역(120)과 드레인 영역(130)은 채널 영역(110)의 양 말단에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 소스 영역(120)은 n형 도펀트 종으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있고, 드레인 영역(4)은 p형 도펀트 종으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시된 바와 같이, 채널 영역(110) 상에 게이트 절연층(140)이 형성되고 게이트 절연층(140) 상에 게이트(100)가 위치할 수 있다. 게이트 절연층(140)은 게이트(100)와 기판(150) 사이의 산화실리콘 및 고절연 물질(High-K), 그리고 전계 효과 트랜지스터에 사용될 수 있는 절연물질을 포함하는 영역을 의미한다. 여기서, 게이트 절연층(140)은 외부 광이 효율적으로 채널 영역(110)으로 유입될 수 있는 투명한 물질로 형성될 수 있다.
게이트(100)는 게이트 절연층(140)을 사이에 두고 채널 영역(110)과 중첩될 수 있으며, 중첩되는 채널 영역(110)의 에너지 밴드를 전기적으로 제어할 수 있다. 여기서, 도 1은 일면에만 게이트(100)가 위치하는 평면형 소자를 예시적으로 도시한 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 구조에 한정되지 않는다. 채널 영역(100)의 형상 및 구조에 따라 2면(위, 아래)에 게이트(100)가 각각 위치하는 이중 게이트 형 소자, 4면 내지 둘레의 전면을 링 형상으로 둘러싸며 형성된 GAA(Gate-all-around)형 소자 등의 구조도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다고 할 것이다.
게이트(100)는 외부 광이 유입되는 수광 영역(103), 수광 영역(103)을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1 게이트(101) 및 제2 게이트(102)를 포함한다. 여기서, 수광 영역(103)은 게이트(100)의 중앙부에 위치할 수 있다. 게이트(100)는 제1 게이트(101)와 제2 게이트(102)의 사이 영역을 식각하여 내부가 개방된 영역을 형성할 수 있으며, 상기 개방된 내부 영역은 수광 영역(103)으로 정의될 수 있다. 즉, 수광 영역(103)은 게이트 절연층(140)을 외부로 노출시키는 개방된 공간일 수 있다.
또한, 채널 영역(110)은 제1 게이트(101)와 중첩하는 제1 채널 영역(111), 제2 게이트(102)와 중첩하는 제2 채널 영역(112) 및 수광 영역(103)과 중첩하는 제3 채널 영역(113)을 포함한다. 제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112) 사이에 제3 채널 영역(113)이 위치할 수 있다. 여기서, 제3 채널 영역(113)은 채널 영역(110)의 중앙부에 위치하며, 수광 영역(103)과 중첩될 수 있다. 제1 채널 영역(111)은 소스 영역(120)과 전기적 및/또는 물리적으로 연결될 수 있으며, 제2 채널 영역(112)은 드레인 영역(130)과 전기적 및/또는 물리적으로 연결될 수 있다. 제3 채널 영역(130)은 내부가 개방된 영역인 수광 영역(103)과 중첩되므로, 외부 광이 집중적으로 제3 채널 영역(113)으로 유입될 수 있다.
여기서, 제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112)은 서로 상이한 에너지 레벨의 에너지 밴드를 가질 수 있다. 제1 채널 영역(111)은 제2 채널 영역(112)보다 높은 레벨의 에너지 밴드를 가질 수 있다. 제1 채널 영역(111)의 에너지 밴드와 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드는 서로 반전된 형태일 수 있다.
제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드의 상이함은 제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112)이 서로 상이하게 도핑된 물질을 포함함에 따라 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 채널 영역(111)은 p형 도펀트 종으로 도핑된 반도체 물질을 포함하고, 제2 채널 영역(112)은 n형 도펀트 종으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드의 상이함은 중첩된 제1 게이트 전극(101)과 제2 게이트 전극(102)에서 인가되는 전압에 의해 형성될 수 있다. 제1 게이트 전극(101)에는 제1 게이트 전압이 인가될 수 있고, 제2 게이트 전극(102)에는 제1 게이트 전압과 상이한 제2 게이트 전압이 인가될 수 있어, 상술한 제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112)는 서로 상이한 레벨의 에너지 밴드를 가질 수 있다.
서로 다른 에너지 레벨을 가진 제1, 제2 채널 영역(111, 112) 사이에 위치하는 제3 채널 영역(113)은 공핍 영역에 해당한다. 수광 영역(103)과 중첩되는 제3 채널 영역(113), 공핍 영역에서 유입된 빛에 의해 전자-홀 쌍이 생성될 수 있다. 공핍 영역에 전자-홀 쌍이 형성될 경우 에너지 밴드의 구조에 의해 각각 드레인 영역과 소스 영역으로 이동하게 되고 채널 영역(110)에 형성된 에너지 장벽을 낮추게 된다. 장벽이 낮아질 경우 소스 영역(120)과 드레인 영역(130) 사이에 인가되어 있는 전압에 의해서 전류가 흐르게 되고, 결국 전류의 흐름에 따라 장벽이 낮아지는 피드백 현상이 발생하게 되어 짧은 시간에 큰 전류가 흐르게 있게 된다. 이하, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터의 동작 원리에 따른 에너지 밴드의 변화 과정을 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112)은 서로 상이한 레벨의 에너지 밴드를 가질 수 있다. 제1 채널 영역(111)은 제2 채널 영역(112)보다 높은 레벨의 에너지 밴드를 가질 수 있다. 제1 채널 영역(111)의 에너지 밴드와 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드는 서로 반전된 형태일 수 있다. 제1 채널 영역(111)은 P형 반도체 특성의 에너지 밴드를 가질 수 있으며, 제2 채널 영역(112)은 N형 반도체 특성의 에너지 밴드를 가질 수 있다. 즉, 제1 채널 영역(111)은 소스 영역 대비 높은 에너지 밴드 값을 가질 수 있다. 이러한 제1 채널 영역(111)의 에너지 밴드는 소스 영역에 존재하는 전자에게 에너지 장벽으로써 역할을 할 수 있다. 또한, 제2 채널 영역(112)은 드레인 영역 대비 낮은 에너지 밴드 값을 가질 수 있다. 이러한 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드는 드레인 영역에 존재하는 홀에게 에너지 장벽으로써 역할을 할 수 있다.
제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112) 사이에 형성되는 공핍 영역, 제3 채널 영역(113)에 수광 영역(103)을 통해 광이 들어오면 광 에너지에 의해 전자-홀 쌍(electron hole pair, 170)가 제3 채널 영역(113)에 생성될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 생성된 전자-홀 쌍(170)에서 전자는 제2 채널 영역(112)으로 이동되고, 홀은 제1 채널 영역(111)으로 이동될 수 있다. 전자(음전하)가 제2 채널 영역(112)으로 이동됨에 따라 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드는 상승하게 되며, 홀(양전하)가 제1 채널 영역(111)으로 이동됨에 따라 제1 채널(111)의 에너지 밴드는 하강하게 된다. 즉, 제1 채널 영역(111) 및 제2 채널 영역(112)의 에너지 장벽이 낮아지게 된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드가 상승되고, 제1 채널 영역(111)의 에너지 밴드가 하강된 상태에서, 드레인 영역에 양의 전압이 인가된 경우, 소스 영역에 존재하는 전자는 낮아진 제1 채널 영역(111)의 에너지 장벽을 용이하게 통과하여 제2 채널 영역(112)으로 이동이 가능하며, 드레인 영역에 존재하는 홀은 낮아진 제2 채널 영역(112)의 에너지 장벽을 용이하게 통과하여 제1 채널 영역(111)으로 이동이 가능하다. 즉, 낮아진 에너지 장벽으로 인하여 소스 영역의 전자와 드레인 영역의 홀이 드레인 영역에 인가된 양의 전압에 의해 각각 반대 방향으로 이동하여 전류가 생성될 수 있다. 또한, 빛이 계속 제공되는 경우, 계속해서 유입되는 빛에 의해 전자-홀 쌍(170)도 계속하여 생성될 수 있으며, 생성된 전자-홀 쌍(170)은 도 2b와 같이 이동되어 전자-홀 쌍(170)에서 전자는 제2 채널 영역(112)으로 이동되고, 홀은 제1 채널 영역(111)으로 이동될 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 소스 영역에 존재하는 전자가 제2 채널 영역(112)으로 이동되고, 전자-홀 쌍(170)에의 전자가 제2 채널 영역(112)으로 이동됨에 따라 제2 채널 영역(112)의 에너지 밴드는 더 상승하게 된다. 또한, 드레인 영역에 존재하는 홀이 제1 채널 영역(111)으로 이동되고, 전자-홀 쌍(170)에의 홀이 제1 채널 영역(111)으로 이동됨에 따라 제1 채널 영역(111)의 에너지 밴드는 더 하강하게 된다. 즉, 제1 채널 영역(111)과 제2 채널 영역(112)의 에너지 장벽이 더 낮아지는 피드백 동작이 반복하여 수행될 수 있으며, 이에 따라 급격한 전류가 흐를 수 있게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)는 기존의 MOSFET 에서는 획득할 수 있는 증폭 작용을 상술한 피드백을 통해 제공할 수 있으며, 종래 MOSFET으로 제작된 광 센서에 비해서 향상된 성능을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서(1)는 피드백 전계 효과 트랜지스터(10) 및 센싱부(20)를 포함한다.
피드백 전계 효과 트랜지스터(10)는 상술한 도 1 내지 도 2d에 따른 피드백 전계 효과 트랜지스터에 해당하며, 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 센싱부(20)는 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)에서 생성되는 전류를 센싱하도록 구성될 수 있다. 센싱부(20)는 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)의 수광 영역(113)에 유입된 광에 따라 생성되는 전류를 센싱할 수 있다.
상술한 바와 같이, 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)는 하며, 공핍 영역에 광을 집중적으로 유입시켜 전자-홀 쌍을 생성시키고, 이를 전자-홀 쌍의 이동에 따라 다른 채널 영역의 에너지 밴드를 감소시키는 피드백 효과를 제공할 수 있어 많은 전류를 생성할 수 있다. 즉, 빛이 없는 경우 흐르는 전류 량과 빛이 입사될 경우 흐르는 전류 량이 크게 차이가 나도록 피드백 전계 효과 트랜지스터(10)는 전류를 생성할 수 있으며, 본 실시예에 따른 광 센서(1)는 보다 높은 반응성과 응답 특성을 가진 개선된 성능을 제공할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 광 센서 10: 피드백 전계 효과 트랜지스터
20: 센싱부 110: 채널 영역
120: 소스 영역 130: 드레인 영역
140: 게이트 절연층 150: 기판
160: 층간 절연층 170: 전자-홀 쌍

Claims (10)

  1. 게이트;
    상기 게이트와 중첩하는 채널 영역;
    상기 게이트와 상기 채널 영역 사이에 위치하는 게이트 절연층; 및
    상기 채널 영역과 전기적으로 각각 연결되고, 상기 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하되,
    상기 게이트는 외부 광이 유입되는 수광 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하며,
    상기 채널 영역은 상기 제1 게이트와 중첩하는 제1 채널 영역, 상기 제2 게이트와 중첩하는 제2 채널 영역 및 상기 제1 채널 영역과 상기 제2 채널 영역 사이에 위치하고 상기 수광 영역과 중첩하는 제3 채널 영역을 포함하고,
    상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드와 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드는 서로 상이한 에너지 레벨을 가지는 특징으로 하는 피드백 전계 효과 트랜지스터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수광 영역은 상기 게이트 절연층을 외부로 노출시키는 개방된 공간이며,
    상기 제3 채널 영역은 상기 수광 영역을 통해 외부의 광이 유입되며,
    상기 유입된 광의 광 에너지에 의해 전자-홀 쌍이 상기 제3 채널 영역에 생성되는 피드백 전계 효과 트랜지스터.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 채널 영역은 P형 반도체 특성의 에너지 밴드를 가지며, 상기 제2 채널 영역은 N형 반도체 특성의 에너지 밴드를 가지고,
    상기 제3 채널 영역에 생성된 전자-홀 쌍에서 전자는 상기 제2 채널 영역으로 이동하고, 홀은 상기 제1 채널 영역으로 이동하는 피드백 전계 효과 트랜지스터.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전자-홀 쌍의 전자가 상기 제2 채널 영역으로 이동함에 따라 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드는 상승하고,
    상기 전자-홀 쌍의 홀이 상기 제1 채널 영역으로 이동함에 따라 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드는 하강하는 피드백 전계 효과 트랜지스터.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드가 상승되고, 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드가 하강된 상태에서, 상기 드레인 영역에 양의 전압이 인가되는 경우,
    상기 소스 영역에 존재하는 전자는 낮아진 상기 제1 채널 영역의 에너지 장벽을 통과하여 상기 제2 채널 영역으로 이동하여 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드를 더 상승시키고,
    상기 드레인 영역에 존재하는 홀은 낮아진 상기 제2 채널 영역의 에너지 장벽을 통과하여 상기 제1 채널 영역으로 이동하여 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드를 더 하강시키는 것을 특징으로 하는 피드백 전계 효과 트랜지스터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 채널 영역과 상기 제2 채널 영역은 서로 상이하게 도핑된 물질을 포함함에 따라 상이한 레벨의 에너지 밴드를 가지는 것을 특징으로 하는 피드백 전계 효과 트랜지스터.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 채널 영역과 상기 제2 채널 영역은 상기 제1 게이트과 상기 제2 게이트에는 서로 상이한 제1 게이트 전압과 제2 게이트 전압이 각각 인가됨에 따라 상이한 레벨의 에너지 밴드를 가지는 것을 특징으로 하는 피드백 전계 효과 트랜지스터.
  8. 게이트; 및 피드백 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 광 센서로서,
    상기 피드백 전계 효과 트랜지스터는,
    상기 게이트와 중첩하는 채널 영역; 상기 게이트와 상기 채널 영역 사이에 위치하는 게이트 절연층; 및 상기 채널 영역과 전기적으로 각각 연결되고, 상기 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 소스 영역 및 드레인 영역을 포함하며, 상기 게이트는 외부 광이 유입되는 수광 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하며, 상기 채널 영역은 상기 제1 게이트와 중첩하는 제1 채널 영역, 상기 제2 게이트와 중첩하는 제2 채널 영역 및 상기 제1 채널 영역과 상기 제2 채널 영역 사이에 위치하고 상기 수광 영역과 중첩하는 제3 채널 영역을 포함하고, 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드와 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드는 서로 상이한 에너지 레벨을 가지는 광 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 수광 영역은 상기 게이트 절연층을 외부로 노출시키는 개방된 공간이며,
    상기 제3 채널 영역은 상기 수광 영역을 통해 외부의 광이 유입되며,
    상기 유입된 광의 광 에너지에 의해 전자-홀 쌍이 상기 제3 채널 영역에 생성되고,
    상기 제1 채널 영역은 P형 반도체 특성의 에너지 밴드를 가지며, 상기 제2 채널 영역은 N형 반도체 특성의 에너지 밴드를 가지며,
    상기 제3 채널 영역에 생성된 전자-홀 쌍에서 전자는 상기 제2 채널 영역으로 이동하고, 홀은 상기 제1 채널 영역으로 이동하는 광 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전자-홀 쌍의 전자가 상기 제2 채널 영역으로 이동함에 따라 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드는 상승하고, 상기 전자-홀 쌍의 홀이 상기 제1 채널 영역으로 이동함에 따라 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드는 하강하며,
    상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드가 상승되고, 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드가 하강된 상태에서, 상기 드레인 영역에 양의 전압이 인가되는 경우,
    상기 소스 영역에 존재하는 전자는 낮아진 상기 제1 채널 영역의 에너지 장벽을 통과하여 상기 제2 채널 영역으로 이동하여 상기 제2 채널 영역의 에너지 밴드를 더 상승시키고,
    상기 드레인 영역에 존재하는 홀은 낮아진 상기 제2 채널 영역의 에너지 장벽을 통과하여 상기 제1 채널 영역으로 이동하여 상기 제1 채널 영역의 에너지 밴드를 더 하강시키는 것을 특징으로 하는 광 센서.
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