KR20220148279A - 광전 센서 - Google Patents

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천-창 황
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Abstract

본 발명은 기판 및 다수의 픽셀 구조를 포함하는 광전 센서를 제공한다. 상기 픽셀 구조들은 상기 기판상에 배치되고 하나의 어레이로 이루어진다. 상기 픽셀 구조들 각각은 트랜지스터와 포토다이오드를 포함한다. 상기 포토다이오드는 제1 전극, 감광층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극과 상기 트랜지스터는 나란하게 측면으로 배치된다. 상기 감광층의 제1 부분은 상기 제1 전극 상에 배치되고, 상기 감광층의 제2 부분은 상기 제1 부분에서부터 상기 트랜지스터 상부에 이르기까지 연장된다. 상기 제2 전극은 상기 감광층 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 트랜지스터 상부에 위치하게 된다.

Description

광전 센서
본 발명은 광전 소자에 관한 것이고, 구체적으로는 광전 센서에 관한 것이다.
광전 센서는 일반적으로 포토다이오드(photodiode)에 의해 광을 감지하며, 일반적인 구조는 기판과 아울러 상기 기판상에 배치된 트랜지스터 및 포토다이오드를 포함한다. 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT) 광전 센서의 픽셀 구조에서, 상기 박막 트랜지스터 및 상기 포토다이오드는 상기 기판상에 나란하게 배치된다.
상기 광전 센서(다시 말하면, 감광 유닛)의 포토다이오드가 많은 입사광 에너지를 얻기 위해서는, 상기 포토다이오드의 영역이 가능한 한 크게 확대되어야 한다. 그러나 상기 포토다이오드 영역의 확대로 광의 양이 증가될 수는 있지만, 상기 포토다이오드 영역의 확대는 상기 포토다이오드와 나란히 배치된 박막 트랜지스터에 영향을 미치게 된다. 박막 트랜지스터들에는 제조 공정에 따라 박막 트랜지스터들의 최소 영역 요구사항이 있다. 상기 포토다이오드의 사이즈가 증가하게 되는 경우, 상기 박막 트랜지스터가 축소될 수 없으므로 상기 광전 센서의 충전율(fill factor)이 개선될 수 없는 데, 여기서 상기 충전율은 상기 포토다이오드 영역을 상기 광전 센서의 픽셀 구조의 영역으로 나눈 비율이다.
또한, 언더-스크린(under-screen) 지문 센서에 상기 광전 센서가 적용되는 경우, 스크린이 대부분의 광을 차단하게 되므로, 상기 광전 센서의 감광 요구사항은 다른 경우에 적용될 때보다 훨씬 높아지게 된다. 이러한 시점에서, 상기 광전 센서의 충전율을 개선하는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 높은 충전율을 지니고 간단한 제조 공정에 의해 제조될 수 있는 광전 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예는 기판 및 다수의 픽셀 구조를 포함하는 광전 센서를 제공한다. 상기 픽셀 구조들은 상기 기판상에 배치되고 하나의 어레이로 이루어진다. 상기 픽셀 구조들 각각은 트랜지스터와 포토다이오드를 포함한다. 상기 포토다이오드는 제1 전극, 감광층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 트랜지스터와 나란하게 측면으로 배치된다. 상기 감광층의 제1 부분은 상기 제1 전극 상에 배치되고, 상기 감광층의 제2 부분은 상기 제1 부분에서부터 상기 트랜지스터 상부에 이르기까지 연장된다. 상기 제2 전극은 상기 감광층 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 트랜지스터 상에 위치하게 된다.
본 발명의 실시 예의 광전 센서에서는, 감광용 감광층이 상기 트랜지스터 상으로 연장되므로 감광 영역이 증가하게 되고 그래서 상기 광전 센서의 충전율이 효과적으로 개선될 수 있다. 또한, 상기 광전 센서의 구조는 본래의 단순한 제조 공정에 적합하며, 구조의 혁신을 위해 고도의 제조 공정을 요구하지 않고 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 센서의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 구조들의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 박막 트랜지스터 및 포토다이오드가 나란하게 배치된 픽셀 구조들에서 픽셀 전체 영역에 대해 감광성 영역의 분포를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3b는 도 2의 픽셀 구조들에서 전체 픽셀 영역에 대해 감광 영역의 분포를 개략적으로 보여주는 도면이다.
지금부터 본 발명의 대표적인 실시 예들에 대해 참조가 이루어지게 되며, 본 발명의 대표적인 실시 예들의 예들이 첨부도면들에 예시되어 있다. 가능할 때는 언제든지, 동일한 참조번호들은 동일하거나 유사한 부분들을 언급하기 위해 도면들 및 설명에서 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 센서의 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 픽셀 구조들의 개략적인 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 광전 센서(100)는 기판(110) 및 다수의 픽셀 구조들(200)을 포함하고, 상기 픽셀 구조들(200)은 상기 기판(110) 상에 배치되며 하나의 어레이로 이루어진다. 이러한 실시 예에 의하면, 상기 광전 센서(100)는 예를 들어 이미지 센서이고, 상기 픽셀 구조들(200)은 대응하게 상기 이미지 센서의 다수의 픽셀을 형성한다. 이러한 실시 예에 의하면, 상기 기판(110)은 유리 기판, 사파이어 기판 또는 반도체 기판이다. 상기 반도체 기판은, 예를 들면, 실리콘 기판, 질화갈륨 기판, 비화갈륨 기판 또는 다른 반도체 재료로 이루어진 기판이다.
상기 픽셀 구조들(200) 각각은 트랜지스터(210) 및 포토다이오드(220)를 포함한다. 상기 포토다이오드(220)는 제1 전극(222), 감광층(224) 및 제2 전극(226)을 포함한다. 상기 제1 전극(222) 및 상기 트랜지스터(210)는 나란하게 측면으로 배치된다. 상기 감광층(224)의 제1 부분(P1)은 상기 제1 전극(222) 상에 배치되고, 상기 감광층(224)의 제2 부분(P2)은 상기 제1 부분(P1)에서부터 상기 트랜지스터(210) 상부에 이르기까지 연장된다. 상기 제2 전극(226)은 상기 감광층(224) 상에 그리고 상기 제1 전극(222) 및 상기 트랜지스터(210) 상부에 배치된다. 이러한 실시 예에 의하면, 상기 제1 전극(222)이 상기 감광층(224)의 제1 부분(P1)과 접촉하게 되고, 상기 제2 전극(226)이 상기 감광층(224)의 제1 부분(P1) 및 제2 부분(P2)과 접촉하게 되어 포토다이오드 구조를 형성하게 된다.
이러한 실시 예에 의하면, 상기 감광층(224)은 진성 반도체 층이고, 상기 제1 전극(222)은 P-형으로 도핑된 반도체 층이고, 상기 제2 전극(226)은 N-형으로 도핑된 반도체 층이다. 예를 들어, 상기 제1 전극(222)은 고농도로 도핑된 p-형 폴리실리콘 층이고, 상기 감광층(224)은 진성 실리콘 비정질 실리콘 층이며, 상기 제2 전극은 고농도로 도핑된 n-형 비정질 실리콘 층이다. 그러나 다른 일 실시 예에 의하면, 상기 제1 전극(222)은 또한 N-형으로 도핑된 반도체 층일 수 있고, 상기 제2 전극(226)은 P-형으로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 또한, 이러한 실시 예에 의하면, 상기 트랜지스터(210)는 박막 트랜지스터이다.
이러한 실시 예의 광전 센서(100)에서는, 상기 감광용 감광층(224)의 제2 부분(P2)이 상기 트랜지스터(210) 상부로 연장되므로, 감광 영역이 증가하게 되고, 그래서 상기 광전 센서(100)의 충전율이 효과적으로 개선될 수 있다. 또한, 상기 광전 센서(100)의 구조는 본래의 단순한 제조 공정(예컨대, 반도체 공정)에 적합하며, 상기 구조의 혁신을 위해 고도의 제조 공정(예컨대, 고도의 반도체 공정)을 요구하지 않고 제조될 수 있다. 그러므로 상기 광전 센서(100)의 제조 비용이 효과적으로 제어될 수 있다.
이러한 실시 예에 의하면, 상기 감광층(224)의 제2 부분(P2)은 상기 트랜지스터(210)를 덮고 있고, 상기 제2 전극(226)은 트랜지스터(210)를 덮고 있다. 추가로, 상기 제2 전극(226)은 또한 제1 전극(222)을 덮고 있다. 상기 픽셀 구조물(200) 각각은 상기 트랜지스터(210)와 상기 감광층(224)의 제2 부분(P2) 사이에 배치된 절연층(230)을 더 포함한다.
이러한 실시 예에 의하면, 상기 트랜지스터(210)는 제어 단부(212), 제1 단부(214), 및 제2 단부(216)를 지닌다. 상기 제어 단부(212)는 예를 들어 게이트이다. 상기 제1 단부(214) 및 상기 제2 단부(216)는, 예를 들어, 각각 소스 및 드레인, 또는 각각 드레인 및 소스이다. 이러한 실시 예에 의하면, 상기 제2 단부(216)와 상기 제1 전극(222)은 동일한 반도체 층에 의해 형성될 수도 있고, 상기 제1 단부(214), 상기 제2 단부(216) 및 제1 전극(222)은 동일한 반도체 층에 의해 형성될 수도 있다. 다시 말하면, 상기 제1 단부(214), 상기 제2 단부(216) 및 상기 제1 전극(222)은 동일한 마스크 공정에 의해 정의될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 트랜지스터(210)와 상기 포토다이오드(220)의 공정들은 여전히 필요한 마스크들의 개수를 줄이고, 그럼으로써 상기 광전 센서(100)의 제조 비용을 효과적으로 절감하도록 효과적으로 통합될 수 있다.
또한, 이러한 실시 예에 의하면, 상기 트랜지스터(210)는 상기 제어 단부(212)의 상부에 배치된 광 차폐 층(218)을 더 포함하고 상기 광 차폐 층(218)은 상기 광 차폐 층(218) 상부로부터의 광을 차폐하고 상기 제1 단부(214) 및 상기 제2 단부(216)에 전기적으로 접속된 채널 층(219) 상에 조사되는 광의 양을 억제한다. 따라서, 상기 트랜지스터(210)의 동작은 외부로부터의 광에 의해 방해를 받지 않게 된다.
도 3a는 박막 트랜지스터와 포토다이오드가 나란하게 배치된 픽셀 구조들에서 픽셀 전체 영역에 대해 감광 영역의 분포를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 3b는 도 2의 픽셀 구조들에서 픽셀 전체 영역에 대해 감광 영역의 분포를 개략적으로 보여주는 도면이다. 먼저, 도 3a를 참조하면, 상기 박막 트랜지스터와 상기 포토다이오드가 나란하게 배치된 픽셀 구조들에서, 상기 픽셀 구조들의 전체 영역(A2)에 대한 상기 포토다이오드의 감광층에 의해 형성된 감광 영역(A1)의 비율(다시 말하면, 충전율)이 일반적으로 약 33%이다. 이때, 상기 감광 영역(A1)은 예를 들어 약 1,600 ㎛2 이고, 상기 픽셀 구조들의 전체 영역(A2)은 예를 들어 약 4,900 ㎛2 이다. 도 2 및 도 3b를 다시 참조하면, 이러한 실시 예의 픽셀 구조(200)에서, 상기 감광층(224)이 상기 트랜지스터(210) 상부로 연장되어 있으므로, 상기 픽셀 구조들(200)의 전체 영역(A2')에 대한 상기 포토다이오드(220)의 감광층(224)에 의해 형성된 감광 영역(A1')의 비율(다시 말하면, 충전율)은 69%에 이르기까지 증가하게 된다. 이때, 상기 감광 영역(A1')은 예를 들어 4,410 ㎛2 이고, 상기 픽셀 구조(200)의 전체 영역(A2')은 예를 들어 6,400 ㎛이다. 다시 말하면, 이러한 실시 예의 광전 센서(100)의 충전율은 상기 박막 트랜지스터와 상기 포토다이오드가 나란하게 배치된 픽셀 구조들을 사용하는 광전 센서에 비해 크게 개선된다.
요약하면, 본 발명의 실시 예의 광전 센서는 감광용 감광층이 트랜지스터 상부로 연장되어 있으므로 감광 영역이 증가하게 되고, 그래서 상기 광전 센서의 충전율이 효과적으로 개선될 수 있다. 또한, 상기 광전 센서의 구조는 본래의 단순한 제조 공정에 적합하며, 상기 구조의 혁신을 위해 고도의 제조 공정을 요구하지 않고 제조될 수 있다.
마지막으로, 여기서 유념해야 할 점은 위의 실시 예들이 본 발명의 기술적 해결수법들을 제한하는 것이 아니라 예시하기 위해 사용되어 있다는 것이다. 본 발명이 지금까지 상기 실시 예들을 참조하여 구체적으로 설명되었지만, 당업자라면 상기 실시 예들에서 설명된 기술적 해결수법들이 여전히 수정될 수도 있고 그들의 기술적 특징들 중 일부 또는 전부가 동등하게 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 그러나 수정 또는 교체는 해당하는 기술적 해결수법들의 본질이 본 발명의 실시 예들의 기술적 해결수법들의 범위를 벗어나지 않게 한 것이다.

Claims (10)

  1. 광전 센서로서,
    상기 광전 센서는,
    기판; 및
    상기 기판상에 배치되고 하나의 어레이로 이루어진 복수 개의 픽셀 구조들
    을 포함하며,
    상기 복수 개의 픽셀 구조들 각각은,
    트랜지스터; 및
    포토다이오드
    를 포함하고,
    상기 포토다이오드는,
    상기 트랜지스터와 나란하게 측면으로 배치된 제1 전극;
    감광층 - 감광층의 제1 부분이 상기 제1 전극 상에 배치되고, 감광층의 제2 부분이 상기 제1 부분에서부터 상기 트랜지스터 위에 이르기까지 연장됨 -; 및
    상기 감광층 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 트랜지스터 상부에 위치하게 되는 제2 전극
    을 포함하는 것인, 광전 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감광층 및 상기 제2 전극은 상기 트랜지스터를 덮고 있는 것인, 광전 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극은 또 상기 제1 전극을 덮고 있는 것인, 광전 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 구조들 각각은 상기 트랜지스터와 상기 감광층의 제2 부분 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는, 광전 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감광층은 진성 반도체 층이고, 상기 제1 전극은 P-형으로 도핑된 반도체 층이며, 상기 제2 전극은 N-형으로 도핑된 반도체 층인 것인, 광전 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 감광층은 진성 반도체 층이고, 상기 제1 전극은 N-형으로 도핑된 반도체 층이며, 상기 제2 전극은 P-형으로 도핑된 반도체 층인 것인, 광전 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 박막 트랜지스터인 것인, 광전 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 트랜지스터는 제어 단부, 제1 단부 및 제2 단부를 지니고, 상기 제2 단부와 상기 제1 전극은 동일한 반도체 층에 의해 형성되는 것인, 광전 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 고농도로 도핑된 p-형 폴리실리콘 층이고, 상기 감광층은 진성 비정질 실리콘 층이며, 상기 제2 전극은 고농도로 도핑된 n-형 비정질 실리콘 층인 것인, 광전 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유리 기판, 사파이어 기판 또는 반도체 기판인 것인, 광전 센서.
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