WO2023167369A1 - 광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2023167369A1
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quantum dot
layer
quantum
semiconductor channel
phototransistor
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박성규
조찬호
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중앙대학교 산학협력단
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    • H01L31/1864—Annealing

Definitions

  • the present invention relates to a phototransistor device capable of easily detecting and identifying multiple wavelengths in the visible light region by configuring quantum dots that absorb and sense R, G, and B of different wavelengths as a single layer, and a method for manufacturing the same.
  • An optical sensor has been widely used as a typical image sensor.
  • the image sensor is composed of three sub-pixels using red (R), green (G), and blue (B) color filters for color identification. there is.
  • RGB red
  • G green
  • B blue
  • image sensing is performed by detecting and identifying each wavelength.
  • a pixel area reduction for high integration of a device may be caused, which may eventually lead to a decrease in the area of a light receiving unit and a decrease in sensitivity performance of a photosensor. Therefore, a lot of research and development of next-generation high-sensitivity optical sensor technology for high resolution is being conducted.
  • an image optical sensor array circuit capable of identifying multi-wavelengths using this has been developed.
  • the optical bandgap of quantum dots changes depending on the size, so that the wavelength band of light absorbed is also different.
  • an image platform capable of multi-wavelength discrimination could be implemented by fabricating quantum dot-based oxide phototransistors having different sensing areas and configuring circuits in unit pixels with devices having different sensing areas.
  • a phototransistor capable of multi-wavelength identification has been developed by vertically stacking quantum dots of different sizes and using them as a photo-sensing layer. This has the advantage of being able to identify multi-wavelength colors with one device, which is more advantageous for implementing a highly integrated system.
  • a method of configuring unit pixels by connecting high-sensitivity phototransistors based on a quantum dot photo-sensing layer corresponding to each light wavelength color has been developed, but a complicated pixel structure and process may cause a decrease in integration.
  • the layered quantum dot method which has been researched and developed more recently, can identify multiple wavelengths with a single device, but it causes process complexity because R, G, and B quantum dots are stacked and patterning and heat treatment processes must be repeated for each quantum dot deposition. Moreover, it is difficult to identify wavelengths and colors in situations where light intensities are different. Overall, the process or structural complexity of the prior art causes a decrease in device integration and increases process time and cost to build a color recognition imaging system.
  • An object of the present invention is to form a single layer by mixing quantum dots having different sizes corresponding to different light wavelength regions, and use this as a light-sensing layer, thereby providing light capable of monitoring multiple wavelengths in the visible light range within a single device. It is to provide a transistor device and a manufacturing method thereof.
  • a phototransistor device for one purpose of the present invention includes a substrate, a gate electrode stacked on the substrate and to which a voltage is applied, a gate insulating layer stacked on the gate electrode, a semiconductor channel layer stacked on the gate insulation layer, the above A quantum dot layer stacked on a semiconductor channel layer, including first quantum dots, second quantum dots, and third quantum dots having different sizes, and at least a portion of the gate insulating layer and the semiconductor channel layer contacting each other with the quantum dot layer interposed therebetween It includes source and drain electrodes disposed as far apart as possible, and the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot absorb and detect red light (R), green light (G), and blue light (B) having different wavelengths from each other, , When electrons-holes are generated by light through the heterojunction structure of the semiconductor channel layer and the quantum dot layer, electrons move to the semiconductor channel layer and holes are trapped in the quantum dot layer to cause a photogating effect to generate current It is characterized in that
  • the size of the first quantum dot may be 6 to 8 nm
  • the size of the second quantum dot may be 4 to 5 nm
  • the size of the third quantum dot may be 3 to 4 nm.
  • the first quantum dot is any one selected from CdSe, CdTe and InP
  • the second quantum dot is any one selected from CdSe, CdTe and InP
  • the third quantum dot is any one selected from CdS, CdSe, ZnSe and InP can be any one selected.
  • the mass ratio of the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot may be 0.5:1:8.5 to 3.3:3.3:3.4.
  • the surface of the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot is Sn 2 S 6 4- , Sn 2 Se 6 4- , In 2 Se 4 2- any one metal chalcogen ligand selected from may be substituted.
  • the first quantum dot is CdSe with a size of 6 to 8 nm
  • the second quantum dot is CdSe with a size of 4 to 5 nm
  • the third quantum dot is CdS with a size of 3 to 4 nm.
  • Surfaces of the quantum dots, the second quantum dots, and the third quantum dots may be substituted with Sn 2 S 6 4- ligands.
  • a substrate, a gate electrode, a gate insulating layer, and a semiconductor channel layer are stacked in order, and the surface of the semiconductor channel layer is spaced apart from one side and the other side, respectively, to be exposed.
  • a quantum dot mixed solution including first quantum dots, second quantum dots, and third quantum dots having different sizes on the semiconductor channel layer between the source/drain electrodes of the transistor using a transistor including source/drain electrodes.
  • the surface of each of the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot Sn 2 S 6 4- , Sn 2 Se 6 4- , In 2 Se 4 2- A step of substituting with any one metal chalcogen ligand selected from among may be performed.
  • the quantum dot layer may be formed such that the mass ratio of the first quantum dots, the second quantum dots, and the third quantum dots is 0.5:1:8.5 to 3.3:3.3:3.4.
  • the size of the first quantum dot may be 6 to 8 nm
  • the size of the second quantum dot may be 4 to 5 nm
  • the size of the third quantum dot may be 3 to 4 nm.
  • a phototransistor device is manufactured according to the method for manufacturing a phototransistor device of the present invention, wherein the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot emit red light (R) and green light (G) having different wavelengths, respectively. ), detects by absorbing blue light (B), and when electrons-holes are generated by light through the heterojunction structure of the semiconductor channel layer and the quantum dot layer, electrons move to the semiconductor channel layer and holes move to the quantum dot layer It is characterized in that it exhibits a synaptic memory effect by being trapped in the photogating effect and generating a current.
  • multi-wavelength detection and identification is possible without a color filter or complicated circuit or device structure, and by improving the device / system structure and process complexity, which are problems of the prior art, as well as implementing a high-integration and high-resolution color recognition system, It has the advantage of shortening the process time and reducing the process cost.
  • adjusting the ratio of the mixed quantum dots can improve color discrimination of a single photosensor device in a complex situation with different light intensities.
  • color image sensing and neuromorphic image processing can be performed by constructing a pixel array by applying the phototransistor device of the present invention, and there is an effect that can be easily applied to color pattern detection through machine learning.
  • FIG. 1 is a diagram showing a phototransistor device of the present invention.
  • the mixed quantum dot thin film corresponds to the quantum dot layer of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart of a method for manufacturing a phototransistor device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a current-voltage characteristic curve according to light wavelength and intensity of a phototransistor device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a current-voltage characteristic curve according to R, G, and B absorption quantum dot distribution ratios (mass ratio) of a phototransistor device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram evaluating the possibility of a neuromorphic device to which a phototransistor device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 6 is a diagram showing current-voltage characteristic curves for comparative evaluation of a conventional R-absorbing quantum dot-based phototransistor device and a phototransistor device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a phototransistor device of the present invention.
  • the phototransistor device of the present invention includes a substrate, a gate electrode stacked on the substrate and to which a voltage is applied, a gate insulating layer stacked on the gate electrode, and a semiconductor channel layer stacked on the gate insulation layer. , Is laminated on the semiconductor channel layer, and is spaced apart so that at least a portion of the gate insulating layer and the semiconductor channel layer are in contact with a quantum dot layer including first to third quantum dots having different sizes and the quantum dot layer interposed therebetween and disposed source and drain electrodes.
  • the phototransistor device of the present invention generates electron-holes in the quantum dot layer by light. Through the heterojunction structure of the semiconductor channel layer and the quantum dot layer, electrons are moved to the semiconductor channel layer, and the holes are trapped in the quantum dot layer to cause a photogating effect to generate current, so that the transistor device of the present invention is synaptic Characterized in that it exhibits a memory effect.
  • the substrate may be formed of a transparent material capable of transmitting light such as ultraviolet rays and infrared rays, and having insulating properties.
  • the substrate may be formed of a material such as glass, plastic or the like.
  • the substrate may be a glass substrate.
  • the gate electrode, source and drain electrodes may be formed of a conductive material having electrical conductivity.
  • a conductive material having electrical conductivity.
  • it may be formed of metal, metal oxide, and graphene.
  • the conductive material may be chromium (Cr).
  • the gate insulating film may be formed of a material such as SiO 2 , SiN x , fO 2 , Al 2 O 3 , La 2 O 3 , or the like, which are materials for a gate insulating film of a general transistor.
  • the semiconductor channel layer may include indium-gallium-zinc oxide, indium-zinc oxide, indium-zinc oxide, indium-gallium-tin oxide, indium-tin-oxide, tin-oxide, silicon, and transition metal dichalcogenide. ), graphene, carbon nanotubes, and perovskite.
  • the semiconductor channel layer may be indium-gallium-zinc oxide.
  • the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the quantum dot layer includes first quantum dots, second quantum dots, and third quantum dots having different sizes, and they are randomly mixed in the quantum dot layer.
  • the quantum dots are nanometer-sized nanoparticles having a quantum confinement effect, and may be formed of particles of compound semiconductors such as CdSe, CdS, InP, PbS, CdTe, ZnSe, etc., and the band gap can be controlled according to the size.
  • the present invention controls the size of the quantum dots, so that the first quantum dots, the second quantum dots, and the third quantum dots can absorb and sense red light (R), green light (G), and blue light (B) having different wavelengths, respectively. It is characterized by doing.
  • the first quantum dot may have a size of about 6 to 8 nm
  • the second quantum dot may have a size of about 4 to 5 nm
  • the third quantum dot may have a size of about 3 to 4 nm.
  • the present invention is characterized in that color discrimination is controlled by adjusting the mass ratio of the quantum dots.
  • the red light (R) absorbing quantum dot absorbs light from the red light (R) wavelength corresponding to the bandgap of the quantum dot to the short wavelength region, and the green light (G) absorbing quantum dot and the blue light (B) absorbing quantum dot respectively absorb green light (G) and blue light ( B) Light is absorbed from a wavelength to a short wavelength region, and color discrimination of the phototransistor device according to the present invention can be improved according to the ratio thereof.
  • the mass ratio of the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot may be 0.25:0.5:9.25 to 3.3:3.3:3.4.
  • the first A mass ratio of the quantum dots, the second quantum dots, and the third quantum dots may be 0.5:1:8.5 to 3.3:3.3:3.4.
  • a quantum dot whose surface is substituted with a metal chalcogen ligand may be used.
  • the metal chalcogen ligand may be any one selected from Sn 2 S 6 4- , Sn 2 Se 6 4- , and In 2 Se 4 2- .
  • the quantum dot layer may additionally include a light absorbing material as well as the first to third quantum dots sensing a multi-wavelength region.
  • the quantum dot layer may further include a light absorbing material such as graphene, carbon nanotube, perovskite, or fullerene.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing a phototransistor device according to the present invention.
  • a substrate, a gate electrode, a gate insulating layer, and a semiconductor channel layer are sequentially stacked, and the semiconductor channel layer is spaced apart on one side and the other side, respectively, so that a part of the surface is exposed.
  • Quantum dot mixture including first quantum dots, second quantum dots, and third quantum dots having different sizes on a semiconductor channel layer between the source and drain electrodes of the transistor, using a transistor including source/drain electrodes arranged in such a way
  • the surface of each quantum dot is Sn 2 S 6 4- , Sn 2 Se 6 4- , In 2 Se
  • a step of substituting with any one metal chalcogen ligand selected from 4 2- may be performed.
  • the ligand substitution step may be performed by adding the first to third quantum dot mixture solutions to the ligand solution, or may be performed by separately adding the first to third quantum dot solutions to the ligand solution.
  • the ligand substitution step is a (CH 3 NH 3 ) 4 Sn 2 S 6 solution in a composite solution in which the first to third quantum dots based on oleic acid ligand are mixed or the first to third quantum dot solutions, respectively. It can be done by adding In the ligand substitution step, oleic acid of the first to third quantum dot particles may be substituted with Sn 2 S 6 4- .
  • additional washing and filtering steps may be performed.
  • the washing step may be performed by discarding the hexane portion separated from the top of the solution containing the ligand-substituted quantum dots and washing the solution by adding hexane.
  • the filtering step may be performed by separating quantum dot solutions subjected to ligand substitution except for hexane and then filtering impurities. Thereafter, acetonitrile is added to the ligand-substituted quantum dot particles and the quantum dot particles are precipitated through centrifugation, thereby finally obtaining the ligand-substituted quantum dot particles.
  • the first to third quantum dot mixed solution may be a solution prepared by dispersing the ligand-substituted first to third quantum dot particles in a mixed solvent of dimethyl sulfoxide and ethanolamine.
  • the first to third quantum dot mixed solutions absorb red light (R), green light (G), and blue light (B), respectively, so that the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot have different nano sizes so as to be sensed. It may be a mixed solution.
  • the first quantum dot, the second quantum dot, and the third quantum dot may be particles of a compound semiconductor such as CdSe, CdS, InP, PbS, CdTe, or ZnSe, respectively.
  • the solvent of the quantum dot mixture solution is dimethyl sulfoxide (dimethyl sulfoxide). sulfoxide), ethanolamine, dimethylformamide, formamide, hydrazine, and a mixed solution thereof.
  • the coating of the quantum dot layer is performed by vacuum deposition, spin coating, dip coating, spray coating, or transfer printing. At least one selected from the group consisting of inkjet printing, offset printing, reverse offset printing, gravure printing, roll printing, and contact printing method can be performed.
  • the coating of the quantum dot layer in the first step may be performed using a spin coating method.
  • the second step is a step of patterning the quantum dot layer by selectively curing the quantum dot layer using a patterned photomask and etching uncured portions using a rinsing solution.
  • the curing may be cured by irradiating light such as UV or by applying heat. Preferably, it may be cured by irradiating UV light.
  • the rinsing solution may be a dimethylsulfur monoxide/ethanolamine solution, but is not necessarily limited thereto.
  • the third step may be performed at a temperature of about 100 to 150 ° C, preferably about 120 ° C.
  • the output current level according to each wavelength is differentiated to provide an effect of easily detecting color.
  • the difference in output current according to R, G, and B wavelengths for color discrimination can be increased by adjusting the ratio of quantum dots in the quantum dot layer, and wavelength color recognition for situations in which light intensity is different can be improved. It has the advantage of improving the complexity of devices, circuits, and process structures for high-resolution and high-integration systems.
  • the phototransistor device and its manufacturing method of the present invention can perform neuromorphic light sensing similarly to human brain activity through a quantum dot/oxide-based heterojunction structure.
  • the electrons When electron-holes are created by light, the electrons easily move to the oxide layer, and the holes are trapped in the quantum dots, causing a photogating effect and generating an electric current. Due to this phenomenon, the photocurrent decreases relatively slowly, and a synaptic memory effect occurs. Therefore, the present invention can provide an effect capable of neuromorphic light sensing that detects, learns, and memorizes light color through synaptic memory response.
  • a gate electrode was formed by depositing a chromium metal having a thickness of about 50 nm on a glass substrate and then patterning it through photolithography and etching processes.
  • a gate insulating layer was formed by depositing an aluminum oxide film having a thickness of about 55 nm by atomic layer deposition on the upper portion of the substrate where the gate electrode was formed. Then, on the deposited gate insulating layer, an indium-gallium-zinc oxide (IGZO) semiconductor channel thin film having a thickness of about 10 nm was deposited by sputtering, and heat treatment was performed at about 300 ° C. .
  • IGZO indium-gallium-zinc oxide
  • quantum dot layer which is a single layer in which quantum dots of different sizes are mixed
  • quantum dot CdSe, CdSe, and CdS solutions having band gaps of R, G, and B wavelengths are mixed at a mass ratio of 0.5:1:8.5.
  • a mixed solution was prepared.
  • Solution A After preparing an oleic acid ligand-based quantum dot solution (solution A) using hexane as a solvent, and preparing a (CH 3 NH 3 ) 4 Sn 2 S 6 solution (solution B) using dimethyl sulfoxide and ethanolamine as a solvent, respectively , Solution A and Solution B were mixed to perform a ligand substitution reaction in which oleic acid on the surface of the quantum dots was replaced with Sn 2 S 6 4- . Thereafter, the separated hexane portion was removed, fresh hexane was added to wash the solution, and impurities were filtered after separating the ligand-substituted quantum dot solutions except for hexane. Next, acetonitrile was added to precipitate quantum dot particles through centrifugation. The precipitated quantum dot particles were dispersed in a mixed solvent of dimethyl sulfoxide and ethanolamine to prepare a mixed solution of quantum dots.
  • the quantum dot mixture solution prepared above was deposited on top of the oxide thin film transistor by spin coating, followed by vacuum drying. Then, it was cured by selectively irradiating UV light through a photomask, and rinsing with a mixed solution of dimethyl sulfoxide/ethanolamine to leave only the selective irradiation area, realizing the pattern of the quantum dot layer did Finally, heat treatment was performed at a temperature of about 120° C. to complete a phototransistor device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a current-voltage characteristic curve according to light wavelength and intensity of a phototransistor device according to an embodiment of the present invention.
  • the phototransistor of the present invention has a differential output range for wavelengths of R (635 nm), G (519 nm), and B (405 nm) in a light intensity range of about 1 to 20 mW/cm 2 . has been observed Through this, it was proved that the phototransistor of the present invention is capable of color discrimination.
  • FIG. 4 is a diagram showing a current-voltage characteristic curve according to R, G, and B absorption quantum dot distribution ratios (mass ratio) of a phototransistor device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram evaluating the possibility of a neuromorphic device to which a phototransistor device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • the phototransistor device of the present invention can enhance current and maintain non-volatile current according to light pulse through neuromorphic synaptic behavior. Accordingly, as the light pulse is applied, the current increases, so color image recognition becomes clearer, and after the light pulse ends, neuromorphic image processing can be performed in which the memory of the image is gradually lost along with the non-volatile memory retention characteristic.
  • FIG. 6 is a diagram showing current-voltage characteristic curves for comparative evaluation of a conventional R-absorbing quantum dot-based phototransistor device and a phototransistor device according to an embodiment of the present invention.
  • a photodetector in order to sense R, G, and B light, a photodetector can be implemented using a single-sized R-absorbing quantum dot light-sensing layer, but electrical characteristics according to light wavelengths are very similar, so color identification is difficult. While it was observed that it was relatively difficult, it was observed that the present invention can widen the current output difference according to wavelength by introducing a quantum dot layer capable of detecting each of R, G, and B, thereby improving color discrimination.

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Abstract

본 발명은 광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 각각 서로 파장이 상이한 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 흡수하여 감지할 수 있도록 서로 상이한 크기를 갖는 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점을 포함하는 양자점층을 포함하는 것을 특징으로 하며, 광트랜지스터 소자의 반도체 채널층과 양자점층의 이종 접합 구조를 통해 광에 의해 전자-홀이 생성되었을때 전자는 상기 반도체 채널층으로 이동하고 홀은 상기 양자점층 내에 트랩되어 포토게이팅 효과를 일으켜 전류를 발생시킴으로써, 시냅스 메모리 효과를 나타내는 것을 특징으로 한다.

Description

광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법
본 발명은 서로 상이한 파장의 R, G, B를 흡수하여 감지하는 양자점들을 단일층으로 구성함으로써 가시광 영역대의 다중 파장을 용이하게 감지하고 식별할 수 있는 광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광센서는 대표적으로 이미지 센서로 많이 활용되어 오고 있다. 이미지 센서는 색상 식별을 위해서 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 컬러필터를 이용하여 세 개의 서브화소로 이루어져 있으며, 서브 화소 내에는 광센서와 회로 동작을 위한 트랜지스터 소자들이 구성되어 있다. 이러한 회로 구조를 통해, 각각의 파장을 검출하고 식별하여 이미지 센싱을 한다. 나날이 고해상도 고성능 이미지 센서가 요구됨에 따라, 소자의 고집적화를 위한 화소 면적 축소가 야기되고, 결국 광센서의 수광부 면적 감소와 감도 성능 저하가 이어질 수 있다. 따라서 고해상도를 위한 차세대 고감도 광센서 기술의 많은 연구개발이 이루어지고 있다.
고감도를 위해 광반응성이 높은 반도체 양자점을 이용한 광센서 응용연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이를 활용한 다중 파장 식별이 가능한 이미지 광센서 어레이 회로가 개발되었다. 양자점은 크기에 따라 광학 밴드갭이 변화하여 흡수하는 광파장대역도 다르게 된다. 이러한 특성을 이용하여, 각각 감지영역이 다른 양자점 기반 산화물 광트랜지스터를 제작하고, 이러한 각각의 감지영역이 다른 소자들을 단위 화소 내 회로 구성함으로써 다중 파장 식별이 가능한 이미지 플랫폼이 구현될 수 있었다. 더욱 최근에는, 크기가 다른 양자점들을 수직 적층하여 광감지층으로 사용함으로써 다중 파장 식별이 가능한 광트랜지스터가 개발되었다. 이는 하나의 소자로 다중 파장색상 식별이 가능한 장점이 있어, 고집적 시스템 구현에 더욱 유리하다.
종래에는 색상 감지를 위해, 컬러필터를 이용하여 각 R, G, B 서브화소를 형성하고, 서브화소 내에서는 광센서와 구동 소자들을 회로 구성하는 방식이 대표적으로 사용되어왔다. 이러한 컬러필터는 특정 대역의 필터링을 통해 광학적 손실이 발생하고, 공정 및 구조 복잡성을 야기한다.
또한, 각각의 광파장 색상에 대응하는 양자점 광감지층 기반 고감도 광트랜지스터들을 연결하여 단위 화소로 구성하는 방식이 개발되었지만, 복잡한 화소 구조 및 공정 프로세스는 집적도의 저하를 일으킬 수 있다. 더욱 최근에 연구개발된 적층형 양자점 방식은 단일 소자로 다중파장 식별이 가능하지만, R, G, B 양자점을 적층하고 각각 양자점 증착마다 패터닝과 열처리 공정을 반복적으로 거쳐야 하므로 공정의 복잡성을 일으킨다. 더욱이, 광세기가 다른 상황에서는 파장 색상 식별의 어려움이 있다. 전반적으로 이러한 종래 기술의 공정 또는 구조 복잡성은 소자 집적도의 저하를 유발시키고, 색상인식 이미징 시스템을 구축하기 위해 공정의 시간과 비용 증가를 일으킨다.
본 발명의 목적은 서로 다른 광파장 영역에 대응하는 서로 상이한 크기를 갖는 양자점들을 혼합하여 단일층으로 구성하고, 이를 광감지층으로 활용함으로써, 단일 소자 내에서 가시광 영역대의 다중 파장을 감시할 수 있는 광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 광트랜지스터 소자는 기판, 상기 기판 상에 적층되고 전압이 인가되는 게이트 전극, 상기 게이트 전극 상에 적층된 게이트 절연층, 상기 게이트 절연층 상에 적층된 반도체 채널층, 상기 반도체 채널층 상에 적층되고, 서로 상이한 크기를 갖는 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점을 포함하는 양자점층 및 상기 양자점층을 사이에 두고 상기 게이트 절연층 및 반도체 채널층 상의 적어도 일부가 접촉되도록 이격되어 배치된 소스 및 드레인 전극을 포함하고, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점은 각각 서로 파장이 상이한 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 흡수하여 감지하고, 상기 반도체 채널층 및 상기 양자점층의 이종 접합 구조를 통해 광에 의해 전자-홀이 생성되었을때 전자는 상기 반도체 채널층으로 이동하고 홀은 상기 양자점층 내에 트랩되어 포토게이팅 효과를 일으켜 전류를 발생함으로써 시냅스 메모리 효과를 나타내는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제1 양자점의 크기는 6 내지 8 nm이고, 상기 제2 양자점의 크기는 4 내지 5 nm이며, 상기 제3 양자점의 크기는 3 내지 4 nm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 양자점은 CdSe, CdTe 및 InP 중에서 선택된 어느 하나이고, 상기 제2 양자점은 CdSe, CdTe 및 InP 중에서 선택된 어느 하나이며, 상기 제3 양자점은 CdS, CdSe, ZnSe 및 InP 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 질량비는 0.5:1:8.5 내지 3.3:3.3:3.4 일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 표면은 Sn2S6 4-, Sn2Se6 4-, In2Se4 2- 중에서 선택된 어느 하나의 금속 칼코겐 리간드로 치환된 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 양자점은 6 내지 8 nm 크기의 CdSe이고, 상기 제2 양자점의 4 내지 5 nm 크기의 CdSe이며, 상기 제3 양자점의 3 내지 4 nm 크기의 CdS이고, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 표면은 Sn2S6 4- 리간드로 치환된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 광트랜지스터 소자의 제조방법은 기판, 게이트 전극, 게이트 절연층 및 반도체 채널층의 순서로 적층되고, 상기 반도체 채널층의 표면이 일부 노출되도록 각각 일측 및 타측에 이격되어 배치된 소스/드레인 전극을 포함하는 트랜지스터를 이용하여, 상기 트랜지스터의 소스/드레인 전극 사이의 반도체 채널층 상에 서로 상이한 크기를 갖는 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점을 포함하는 양자점 혼합 용액을 코팅하여, 양자점층을 제조하는 제1 단계, 상기 양자점층을 선택적으로 경화하고, 패터닝하는 제2 단계 및 상기 패턴된 양자점층을 열처리하는 제3 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 단계를 수행하기 전, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점 각각의 표면을 Sn2S6 4-, Sn2Se6 4-, In2Se4 2- 중에서 선택된 어느 하나의 금속 칼코겐 리간드로 치환하는 단계를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 질량비가 0.5:1:8.5 내지 3.3:3.3:3.4이 되도록 양자점층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 양자점의 크기는 6 내지 8 nm이고, 상기 제2 양자점의 크기는 4 내지 5 nm이며, 상기 제3 양자점의 크기는 3 내지 4 nm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적인 광트랜지스터 소자는 본 발명의 광트랜지스터 소자의 제조방법에 따라 제조되고, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점 각각이 서로 상이한 파장의 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 흡수하여 감지하고, 상기 반도체 채널층 및 상기 양자점층의 이종 접합 구조를 통해 광에 의해 전자-홀이 생성되었을때 전자는 상기 반도체 채널층으로 이동하고 홀은 상기 양자점층 내에 트랩되어 포토게이팅 효과를 일으켜 전류를 발생함으로써 시냅스 메모리 효과를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 컬러필터 또는 복잡한 회로 또는 소자 구조 없이 다중 파장 감지 및 식별이 가능하고, 종래 기술의 문제점인 소자/시스템 구조 및 공정 복잡성을 개선함으로써 소자의 고집적화 및 고해상도 색상 인식 시스템 구현뿐만 아니라, 공정시간 단축과 공정비용 절감이 가능한 장점이 있다. 또한 부가적으로, 혼합형 양자점의 비율 조절은, 빛 세기가 다른 복잡한 상황에서 단일 광센서 소자의 색상 식별력을 개선시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명의 광트랜지스터 소자를 응용하여 화소 어레이를 구축함으로써 색상 이미지 센싱 및 뉴로모픽 이미지 처리를 할 수 있으며, 머신 러닝을 통하여 색상 패턴 감지에 용이하에 응용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 광트랜지스터 소자를 나타내는 도면이다.
(여기서, 혼합형 양자점 박막은 본 발명의 양자점층에 해당한다.)
도 2는 본 발명의 광트랜지스터 소자 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자의 광 파장 및 세기에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자의 R, G ,B 흡수 양자점 분포 비율(질량비)에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자를 응용한 뉴로모픽 소자의 가능성을 평가한 도면이다.
도 6은 종래의 R 흡수 양자점 기반 광트랜지스터 소자 및 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자를 비교 평가하기 위한 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 광트랜지스터 소자의 개략적인 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 광트랜지스터 소자는 기판, 상기 기판 상에 적층되고 전압이 인가되는 게이트 전극, 상기 게이트 전극 상에 적층된 게이트 절연층, 상기 게이트 절연층 상에 적층된 반도체 채널층, 상기 반도체 채널층 상에 적층되고, 서로 상이한 크기를 갖는 제1 내지 제3 양자점을 포함하는 양자점층 및 상기 양자점층을 사이에 두고 상기 게이트 절연층 및 반도체 채널층 상의 적어도 일부가 접촉되도록 이격되어 배치된 소스 및 드레인 전극을 포함한다.
본 발명의 광트랜지스터 소자는 광에 의해 상기 양자점층에 전자-홀을 생성한다. 상기 반도체 채널층 및 상기 양자점층의 이종 접합 구조를 통해 전자는 상기 반도체 채널층으로 이동되고, 상기 홀은 상기 양자점층 내에 트랩되어 포토게이팅 효과를 일으켜 전류를 발생함으로써, 본 발명의 트랜지스터 소자는 시냅스 메모리 효과를 나타내는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 자외선, 적외선 등과 같은 광의 투과가 가능한 투명하고 절연 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 기판은 유리, 플라스틱 등과 같은 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 기판은 유리 기판일 수 있다.
상기 게이트 전극, 소스 및 드레인 전극은 전기 전도도를 갖는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 금속, 금속 산화물 및 그래핀 등으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 도전성 물질은 크롬(Cr)일 수 있다.
상기 게이트 절연막은 일반적인 트랜지스터의 게이트 절연막 재료인 SiO2, SiNx, fO2, Al2O3 및 La2O3 등과 같은 물질로 형성된 것일 수 있다.
상기 반도체 채널층은 인듐-갈륨-아연 산화물, 인듐-아연 산화물, 인듐-아연 산화물, 인듐-갈륨-주석 산화물, 인듐-주석-산화물, 주석-산화물, 실리콘, 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 및 페로브스카이트(perovskite) 등 중에서 선택된 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 반도체 채널층은 인듐-갈륨-아연 산화물일 수 있다. 그러나 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양자점층은 서로 상이한 크기를 갖는 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점들을 포함하며, 이들이 양자점층 내에 무질서하게 섞여 있는 것을 특징으로 한다. 상기 양자점은 양자 구속 효과를 가지는 나노미터 크기의 나노입자로서 CdSe, CdS, InP, PbS, CdTe, ZnSe 등과 같은 화합물 반도체의 입자로 이루어질 수 있고, 크기에 따라 밴드갭을 제어할 수 있다.
본 발명은 양자점들의 크기를 제어하여, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점이 각각 서로 파장이 상이한 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 흡수하여 감지할 수 있도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 양자점은 약 6 내지 8 nm, 상기 제2 양자점은 약 4 내지 5 nm, 상기 제3 양자점은 약 3 내지 4 nm의 크기를 가질 수 있다.
본 발명은 상기 양자점들의 질량비를 조절하여, 색상 식별력을 제어하는 것을 특징으로 한다. 적색광(R) 흡수 양자점은 양자점의 밴드갭에 해당하는 적색광(R) 파장부터 단파장 영역까지 광을 흡수하고, 녹색광(G) 흡수 양자점과 청색광(B) 흡수 양자점은 각각 녹색광(G), 청색광(B) 파장부터 단파장 영역까지 광흡수를 하는데, 이들의 비율에 따라 본 발명의 광트랜지스터 소자의 색상 식별력을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 질량비는 0.25:0.5:9.25 내지 3.3:3.3:3.4 일 수 있다. 적색광(R) 및 녹색광(G)에 해당하는 제1 양자점 및 제2 양자점의 비율이 크게 감소하는 경우 해당하는 각각 해당하는 파장 영역의 감지 감도가 감소하기 때문에, 더욱 바람직하게는, 상기 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 질량비는 0.5:1:8.5 내지 3.3:3.3:3.4 일 수 있다.
본 발명은 전도성이 향상된 양자점을 사용하기 위해, 표면이 금속 칼코겐 리간드로 치환된 양자점을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 금속 칼코겐 리간드는 Sn2S6 4-, Sn2Se6 4-, In2Se4 2- 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기 양자점층은 다중 파장 영역을 감지하는 제1 내지 제3 양자점 뿐만 아니라 광 흡수 물질을 추가적으로 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양자점층은 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 페로브스카이트(perovskite), 퓰러린(fullerene) 등과 같은 광흡수 물질을 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 광트랜지스터 소자의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 광트랜지스터 소자의 제조방법은 기판, 게이트 전극, 게이트 절연층 및 반도체 채널층의 순서로 적층되고, 상기 반도체 채널층의 표면이 일부 노출되도록 각각 일측 및 타측에 이격되어 배치된 소스/드레인 전극을 포함하는 트랜지스터를 이용하여, 상기 트랜지스터의 소스/드레인 전극 사이의 반도체 채널층 상에 서로 상이한 크기를 갖는 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점을 포함하는 양자점 혼합 용액을 코팅하여, 양자점층을 제조하는 제1 단계, 상기 양자점층을 경화하고, 패터닝하는 제2 단계 및 상기 패턴된 양자점층을 열처리하는 제3 단계를 포함한다.
상기 광트랜지스터 소자 구성은 도 1을 참조하여 설명한 광트랜지스터 구성과 실질적으로 동일하므로, 이들에 대한 중복된 상세한 설명은 생략하고, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
상기 제1 단계를 수행하기 전, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 전도성 특성을 향상시키기 위해 각 양자점의 표면을 Sn2S6 4-, Sn2Se6 4-, In2Se4 2- 중에서 선택된 어느 하나의 금속 칼코겐 리간드로 치환하는 단계를 수행할 수 있다. 리간드 치환 단계는 리간드 용액에 제1 내지 제3 양자점 혼합 용액을 첨가하여 수행할 수 있고, 또는 제1 내지 제3 양자점 용액을 각각 별도로 리간드 용액에 첨가하여 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 리간드 치환 단계는 올레산(oleic acid) 리간드 기반의 제1 내지 제3 양자점이 혼합된 복합용액 또는 제1 내지 제3 양자점 용액 각각에 (CH3NH3)4Sn2S6 용액을 첨가하여 수행할 수 있다. 리간드 치환 단계에서, 제1 내지 제3 양자점 입자의 올레산은 Sn2S6 4-로 치환될 수 있다.
상기 리간드 치환 단계 이후, 추가적으로 세척 및 필터링 단계를 수앻알 수 있다. 예를 들면, 리간드 치환 단계 이후 리간드 치환된 양자점이 포함된 용액의 상부에 분리된 헥산 부분은 버리고, 헥산을 첨가하여 용액을 워싱(washing)함으로써 세척 단계를 수행할 수 있다. 또한, 헥산을 제외한 리간드 치환이 된 양자점 용액들을 분리한 후 불순물 필터링함으로써 필터링 단계를 수행할 수 있다. 이후, 리간드로 치환된 양자점 입자에 아세토나이트릴(acetonitrile)를 첨가하고 원심분리를 통해 양자점 입자들을 침전시킴으로써, 최종적으로 리간드 치환된 양자점 입자를 수득할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 양자점 혼합 용액은 리간드 치환된 제1 내지 제3 양자점 입자들을 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 및 에탄올아민(ethanolamine)의 혼합 용매에 분산시켜 제조된 용액일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 양자점 혼합 용액은 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 각각 흡수하여 감지할 수 있도록 서로 상이한 나노크기를 갖는 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점이 섞인 용액일 수 있다. 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점은 각각 CdSe, CdS, InP, PbS, CdTe, ZnSe 등과 같은 화합물 반도체의 입자일 수 있고, 이 때, 상기 양자점 혼합 용액의 용매는 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide), 에탄올아민(ethanolamine), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 포름아미드(formamide), 하이드라진(hydrazine) 및 이들의 혼합 용액으로부터 선택된 어느 하나 일 수 있다.
상기 제1 단계에서, 상기 양자점층의 코팅은 진공 증착방식, 스핀 코팅, 딥코팅(Dip coating), 스프레이 코팅 (Spray coating), 트랜스퍼 프린팅 (Transfer Printing). 잉크젯 프린팅(Inkjet printing), 오프셋 프린팅(Offset printing), 리버스 오프셋 프린팅(Reverse offset printing), 그라비어 프린팅(Gravure printing), 롤프린팅(Roll printing) 및 컨택 프린팅(contact printing)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 방법으로 수행될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 단계에서 상기 양자점층의 코팅은 스핀 코팅 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 제2 단계는 패턴이 형성된 포토마스크을 이용하여 상기 양자점층을 선택적으로 경화하고 린싱용액을 통해 경화되지 않은 부분을 식각함으로써, 상기 양자점층을 패터닝하는 단계이다. 상기 경화는 UV와 같은 광을 조사하여 경화하거나 열을 가하여 경화할 수 있다. 바람직하게는 UV 광을 조사하여 경화할 수 있다. 상기 린싱용액은 이메틸일산화황/에탄올아민 용액일 수 있으나, 이에 반드시 한정하는 것은 아니다.
상기 제3 단계는 약 100 내지 150℃ 온도에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 약 120℃에서 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 입자 크기가 서로 다른 R, G, B 색상 감지 양자점을 혼합한 단일 양자점층을 형성함으로써, 각 파장에 따른 출력 전류 수준이 차별화되어 용이하게 색상을 감지할 수 있는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 양자점층 내 양자점의 비율 조절에 따라 색상 구별을 위한 R, G, B 파장에 따른 출력 전류의 차이를 증가시킬 수 있고, 빛 세기가 다른 상황에 대한 파장 색상인식을 개선시킬 수 있어, 종래의 고해상도 고집적 시스템을 위한 소자, 회로, 공정 구조의 복잡성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법은 양자점/산화물 기반의 이종접합 구조를 통해, 인간의 두뇌 활동과 유사하게, 뉴로모픽 광 센싱이 가능하다. 광에 의해 전자-홀이 생성되었을 때, 전자는 산화물 층으로 쉽게 이동하고, 홀은 양자점 내에 트랩되어 포토게이팅 효과를 일으키며 전류를 발생시킨다. 이러한 현상에 의해 광 전류는 비교적 천천히 감소하며 시냅스 메모리 효과를 발생시킨다. 따라서 본 발명은 시냅스 메모리 반응을 통하여 빛 색상을 감지하고 학습하고 기억하는 뉴로모픽 광센싱이 가능한 효과를 제공할 수 있다.
이하에서, 구체적인 실시예들 및 비교예를 통해서 본 발명의 광트랜지스터 소자 및 이의 제조방법에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예
① 산화물 박막 트랜지스터 제작
트랜지스터 제작을 위해, 유리 기판 위에 약 50 nm 두께의 크롬 금속을 증착시킨 후 포토리소그래피와 식각 공정을 통해 패터닝하여 게이트 전극을 형성하였다. 게이트 전극이 형성된 기판 상단부에는 원자층 증착법으로 약 55 nm 두께의 알루미늄 산화막을 증착하여 게이트 절연층을 형성하였다. 그런 다음, 증착된 게이트 절연층 위에, 스퍼터링 방식으로 약 10 nm 두께의 인듐-갈륨-아연 산화물(indium-gallium-zinc oxide, IGZO) 반도체 채널 박막을 증착하였고, 약 300℃ 조건에서 열처리를 진행하였다. 이후, 포토리소그래피 및 식각 공정을 통해 산화물 반도체 채널 박막과 게이트 절연층의 패턴을 형성하였다. 그 위에 스퍼터링 방식으로 약 100 nm 두께의 인듐-아연 산화물 박막을 증착하고, 리프트-오프 공정을 통해 패터닝하여 소스와 드레인 전극을 형성하여, 산화물 박막 트랜지스터를 완성하였다.
② 광트랜지스터 소자 제작
상이한 크기의 양자점이 혼합된 단일층인 양자점층을 형성하기 위해, R, G 및 B 파장의 밴드갭을 갖는 각각의 양자점 CdSe, CdSe 및 CdS 용액을 0.5:1:8.5의 질량비율로 혼합하여 양자점 혼합 용액을 제조하였다.
또한, 양자점 간의 전하 캐리어 수송 특성을 개선시키기 위해, 리간드 치환공정을 통해, 양자점 표면에 결합되어 있는 절연성이 있는 긴 올레산(oleic acid) 리간드를 보다 전도성 높은 짧은 Sn2S6 4- 금속 칼코겐 리간드로 치환하였다. 리간드 치환 방법은 다음과 같은 방법으로 수행하였다. 헥산을 용매로 이용한 올레산 리간드 기반의 양자점 용액(용액 A)을 제조하고, 디메틸 설폭사이드 및 에탄올아민을 용매로 이용한 (CH3NH3)4Sn2S6 용액(용액 B)을 각각 제조한 후, 용액 A 및 용액 B를 혼합하여 양자점 표면의 올레산을 Sn2S6 4-로 치환하는 리간드 치환 반응을 수행하였다. 이후, 상부에 분리된 헥산 부분은 제거하고, 새로운 헥산을 첨가하여 용액을 워싱하였고, hexane을 제외한 리간드 치환된 양자점 용액들을 분리한 후 불순물을 필터링하였다. 다음으로 아세토니트릴(acetonitrile)을 추가하여 원심분리를 통해 양자점 입자들을 침전시켰다. 침전된 양자점 입자들은 디메틸 설폭사이드 및 에탄올아민 혼합용매에 분산시켜, 양자점 혼합 용액을 제조하였다.
상기에서 제조된 양자점 혼합 용액을 산화물 박막 트랜지스터 상부에 스핀 코팅 방식으로 증착한 후 진공 건조를 수행하였다. 이후, 포토마스크를 통해 선택적으로 UV광을 조사하여 경화시켰으며, 이메틸일산화황/에탄올아민(dimethyl sulfoxide/ethanolamine) 혼합용액으로 린싱(rinsing)하여 선택적 조사 영역만 남김으로써 양자점층의 패턴을 구현하였다. 마지막으로, 약 120℃의 온도에서 열처리를 진행하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자를 완성하였다.
실험예
① 광트랜지스터의 색 식별 평가
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자의 광 파장 및 세기에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 광트랜지스터는 약 1 내지 20 mW/cm2의 광세기 범위에서 R(635 nm), G(519 nm), B(405 nm)의 파장에 대한 차별적인 출력 범위가 관찰되었다. 이를 통해 본 발명의 광트랜지스터는 색 식별이 가능함이 입증되었다.
② R, G, B 양자점 질량비에 따른 색 식별 평가
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자의 R, G ,B 흡수 양자점 분포 비율(질량비)에 따른 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 양자점층 내 R, G, B 흡수 양자점 분포 비율이 유사할 경우 (R:G:B = 3.3:3.3:3.4), 파장별 드레인 전류 밀도 및 문턱전압 크기의 차이가 다소 작은 반면, R와 G 양자점 비율이 점차 감소함에 따라, R, G 광파장에 대응하는 전류 생성과 문턱전압 변화가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, R, G 양자점 비율의 큰 감소는 그에 상응하는 파장대역에서의 감지 감도를 크게 저하시킬 수 있다. 도면을 통해, R:G:B=0.5:1:8.5가 파장 별 문턱전압 및 전류 변화의 선형성과 이에 따른 출력 구분성(색 식별성)을 확보하기에 바람직한 질량비임을 확인할 수 있다.
③ 광트랜지스터 소자의 응용 평가
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자를 응용한 뉴로모픽 소자의 가능성을 평가한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 광트랜지스터 소자들의 어레이 배열을 통해 색상 이미지를 인지할 수 있음이 관찰되었다. 본 발명의 광트랜지스터 소자는 뉴로모픽 시냅스 거동을 통해 광펄스에 따른 전류 강화 및 비휘발성 전류 유지가 가능하다. 따라서, 광 펄스 인가에 따라 전류가 증가하여 색상 이미지 인식이 선명해지고 광 펄스가 끝난 이후에는 비휘발성 메모리 유지 특성과 함께 서서히 이미지에 대한 기억을 소실하는 뉴로모픽 이미지 처리를 할 수 있다.
④ 종래의 광트랜지스터와 본 발명의 광트랜지스터 소자 비교 평가
도 6은 종래의 R 흡수 양자점 기반 광트랜지스터 소자 및 본 발명의 일 실시예에 따른 광트랜지스터 소자를 비교 평가하기 위한 전류-전압 특성 곡선을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래 기술에서는 R, G, B 광 센싱을 하기 위해서는 단일 크기의 R 흡수 양자점 광감지층을 이용하여 포토디텍터를 구현할 수 있지만, 광파장에 따른 전기적 특성이 매우 유사하여 색상 식별이 비교적 어려운 것이 관찰된 반면, 본 발명은 R, G, B 각각을 감지할 수 있는 양자점층을 도입함으로써 파장에 따른 전류 출력 차이를 넓힐 수 있어 색상 식별력을 향상시킬 수 있음이 관찰되었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 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.

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 적층되고 전압이 인가되는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 상에 적층된 게이트 절연층;
    상기 게이트 절연층 상에 적층된 반도체 채널층;
    상기 반도체 채널층 상에 적층되고, 서로 상이한 크기를 갖는 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점을 포함하는 양자점층; 및
    상기 양자점층을 사이에 두고 상기 게이트 절연층 및 반도체 채널층 상의 적어도 일부가 접촉되도록 이격되어 배치된 소스 및 드레인 전극;을 포함하고,
    상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점은 각각 서로 파장이 상이한 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 흡수하여 감지하고,
    상기 반도체 채널층 및 상기 양자점층의 이종 접합 구조를 통해 광에 의해 전자-홀이 생성되었을때 전자는 상기 반도체 채널층으로 이동하고 홀은 상기 양자점층 내에 트랩되어 포토게이팅 효과를 일으켜 전류를 발생함으로써 시냅스 메모리 효과를 나타내는 것을 특징으로 하는,
    광트랜지스터 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자점의 크기는 6 내지 8 nm이고,
    상기 제2 양자점의 크기는 4 내지 5 nm이며,
    상기 제3 양자점의 크기는 3 내지 4 nm인,
    광트랜지스터 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자점은 CdSe, CdTe 및 InP 중에서 선택된 어느 하나이고,
    상기 제2 양자점은 CdSe, CdTe 및 InP 중에서 선택된 어느 하나이며,
    상기 제3 양자점은 CdS, CdSe, ZnSe 및 InP 중에서 선택된 어느 하나인,
    광트랜지스터 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 질량비는 0.5:1:8.5 내지 3.3:3.3:3.4 임을 특징으로 하는,
    광트랜지스터 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 표면은 Sn2S6 4-, Sn2Se6 4-, In2Se4 2- 중에서 선택된 어느 하나의 금속 칼코겐 리간드로 치환된 것을 특징으로 하는,
    광트랜지스터 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자점은 6 내지 8 nm 크기의 CdSe이고,
    상기 제2 양자점의 4 내지 5 nm 크기의 CdSe이며,
    상기 제3 양자점의 3 내지 4 nm 크기의 CdS이고,
    상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 표면은 Sn2S6 4- 리간드로 치환된 것을 특징으로 하는,
    광트랜지스터 소자.
  7. 기판, 게이트 전극, 게이트 절연층 및 반도체 채널층의 순서로 적층되고, 상기 반도체 채널층의 표면이 일부 노출되도록 각각 일측 및 타측에 이격되어 배치된 소스/드레인 전극을 포함하는 트랜지스터를 이용하여,
    상기 트랜지스터의 소스/드레인 전극 사이의 반도체 채널층 상에 서로 상이한 크기를 갖는 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점을 포함하는 양자점 혼합 용액을 코팅하여, 양자점층을 제조하는 제1 단계;
    상기 양자점층을 선택적으로 경화하고, 패터닝하는 제2 단계; 및
    상기 패턴된 양자점층을 열처리하는 제3 단계;를 포함하고,
    광트랜지스터 소자의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 단계를 수행하기 전,
    상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점 각각의 표면을 Sn2S6 4-, Sn2Se6 4-, In2Se4 2- 중에서 선택된 어느 하나의 금속 칼코겐 리간드로 치환하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는,
    광트랜지스터 소자의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점의 질량비가 0.5:1:8.5 내지 3.3:3.3:3.4이 되도록 양자점층을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    광트랜지스터 소자의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 양자점의 크기는 6 내지 8 nm이고,
    상기 제2 양자점의 크기는 4 내지 5 nm이며,
    상기 제3 양자점의 크기는 3 내지 4 nm인,
    광트랜지스터 소자의 제조방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중에서 선택된 어느 한 항의 제조방법에 따라 형성되고, 상기 제1 양자점, 제2 양자점 및 제3 양자점 각각이 서로 상이한 파장의 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 흡수하여 감지하고,
    상기 반도체 채널층 및 상기 양자점층의 이종 접합 구조를 통해 광에 의해 전자-홀이 생성되었을때 전자는 상기 반도체 채널층으로 이동하고 홀은 상기 양자점층 내에 트랩되어 포토게이팅 효과를 일으켜 전류를 발생함으로써 시냅스 메모리 효과를 나타내는 것을 특징으로 하는,
    광트랜지스터 소자.
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