[논문]박막트랜지스터에 의해 구동되는 이미지센서

허창우

[국내논문] 박막트랜지스터에 의해 구동되는 이미지센서
The Image Sensor Operating by Thin Film Transistor 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.10 no.1, 2006년, pp.111 - 116

허창우 (목원대학교 전자정보보호공학부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터를 스위칭소자로 포토센서를 구동 하는 방식의 이미지 센서를 구현하고자 한다. 먼저 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 진공 증착장비로 최적의 비정질실리콘 박막을 형성하고, 이 박막을 이용하여 스위칭소자인 박막트랜지스터와 광전변환소자인 광다이오드를 제조한다. 또한 이들을 결합하여 이미지 센서를 형성하고 그 특성 및 동작을 분석하고 최적의 동작특성을 이끌 수 있는 밀착이미지 센서를 제조한다. 제작한 이미지 센서를 측정한 결과 광전변환소자인 photodiode는 암전류의 경우 $\~10^{-l2}A$정도였으며, 광전류 $\~10^{-9}A$정도로서 Iphoto/Idark ${\ge}10^3$ 이상을 이루어 좋은 광전변환 특성을 갖고 있었다. 또한 a-Si:H TFT의 경우 Ioff ${\le}10^{-l2}A$, Ion ${\le}10^{-6}A$ 으로서 Ion/Ioff ${le}10^6$ 이상을 나타냈으며 Vth는 $2\~4$ volts였고, Id는 수 ${\mu}A$ 정도로 photodiode를 스위치하기에 충분한 전류-전압특성을 나타내고 있다. 이미지 센서 전체 동작 특성을 측정하기 위하여 photodiode의 ITO쪽에 -5volts의 역 bias를 가한 상태에서 TFT의 gate에 $70\;{\mu}sec$의 pulse를 가하여 photodiode에서 생성된 광전류 와 암전류를 측정하였다. 이렇게 하여 측정된 전압은 암상태에서 수십 mvolts이고, 광상태에서는 수백 mvolts로 나타나 우수한 이미지센서 특성을 갖고 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the image sensor using the a-Si:H TFT is proposed. The optimum amorphous silicon thin film is deposited using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). TFT and photodiode both with the thin film are fabricated and form image sensor. The photodiode shows that Idark is $10^{-12}A$, Iphoto is $10^{-9}A$ and Iphoto/Idark is $10^3$, respectively. In the case of a-Si:H TFT, it indicates that Ion/Ioff is $10^6$, the drain current is a few ${\mu}A$ and Vth is $2\~4$ volts. For the analysis on the fabricated image sensor, the reverse bias of -5 voltage in ITO of photodiode and $70{\mu}sec$ pulse in the gate of TFT are applied. The image sensor with good property was conformed through the measured photo/dark current.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 최근 광전변환소자로써 관심이 고조되고 있는 수소화된 비정질실리콘을 박막화하여 광을 검출할 수 있는 소자로써 활용하기 위하여 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)진공증착 장비를 이용하여 수소화된 비정 질실 리콘을 박막화한다. 낮은 암전 도도와 높은 광전도도를 갖는 수소화된 비정질실리콘박 막을 구하기 위하여 증착조건 변수를 최적 화하여 최상의 광검출기를 제조하고자 한다.
본 연구에서는 최근 광전변환소자로써 관심이 고조되고 있는 수소화된 비정질실리콘을 박막화하여 광을 검출할 수 있는 소자로써 활용하기 위하여 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)진공증착 장비를 이용하여 수소화된 비정 질실 리콘을 박막화한다. 낮은 암전 도도와 높은 광전도도를 갖는 수소화된 비정질실리콘박 막을 구하기 위하여 증착조건 변수를 최적 화하여 최상의 광검출기를 제조하고자 한다.

제안 방법

PD의 특성은 semiconductor parameter analyzer (4145) 장비를 이용하여 shielding box내에서 측정하였다.
본 연구에서는 a-Si:H 박막기술을 이용하여 image sensor를 개발하였다. a-Si:H이 우수한 광전변환 특성을 이용하여 photodiode를 형성 하였고, 이 photodiode의 전하를 순차적으로 이동시키기 위하여 각각의 photodiode에 TFT를 결합하여 이미지센서를 구현하였다.
본 실험에서는 Coming 7059 Glass를 기판으로 게이트 전극(Cr)을 1500 A 정도 증착하여 Length 〜 10 pm , Width 〜 100 pm 의 크기로 Pattern 하여 게이트 전극을 형성 하였다. 게이트 전극 위 에 a-SiN:H, a-Si:H, a-SiN:H 등을 연속하여 증착하였다.
본 연구에서는 a-Si:H 박막기술을 이용하여 image sensor를 개발하였다. a-Si:H이 우수한 광전변환 특성을 이용하여 photodiode를 형성 하였고, 이 photodiode의 전하를 순차적으로 이동시키기 위하여 각각의 photodiode에 TFT를 결합하여 이미지센서를 구현하였다.
앞의 공정으로 제작한 TFT 구동 photodiode에 대한 동 특성을 측정키 위해 투명전극ITO에 연결된 A1 전극에 고 정 역 bias-5V를 voltage source를 사용하여 인가하고 TFT 의 gate쪽에 pulse generator 장비를 이용하여 일정한 주기의 pulse 를 가하면서 drain 전극 쪽에서 signal 을 oscilloscope화면으로 보았다.
이렇게 제작된 박막트랜지 스터의 전기적 특성을 측정 하기 위하여 KARL SUSS (독일) 제품의 Probe Station 과 Kithley 제품의 4145A Parameter Analyser 측정 장치를 사용하여 shielding box 내에서 I-V 특성, Vth, lon/Ioff 등의 특성을 구하였다. (그림 1)
이미지센서 전체 동작 특성을 측정하기 위 하여 photodiodeITO쪽에 -5volts의 역 bias를 가한 상태에서 TFE의 gate에 70sec의 pulse를 가하여 photodiode에 서 생성된 광전류 또는 암전류를 TFT의 drain단에 10pF 의 capacitor를 연결하여 전압을 측정하였다. 이렇게 하여 측정된 전압은 암상태에서 수십 mvolts이고, 광상태에서 는 수백 mvolts로 나타나 이후 voltage follower 증폭단에 서 증폭하여 수volts로 만들어 측정 하였다
또한 photodiode를 순차적으로 주사하기 위한 a-Si:HTFT의 경우 I°ff < 10'12A, Ion > 10 6A 으로서 tn/Ioff 2 이상을 나타냈으며 Vth는 2〜4 volts였고, Id 는 수 尹A 정도로 photodiode를 스위치하기에 충분한 전류-전압특성을 나타내고 있다. 이미지센서 전체 동작 특성을 측정하기 위 하여 photodiodeITO쪽에 -5volts의 역 bias를 가한 상태에서 TFE의 gate에 70sec의 pulse를 가하여 photodiode에 서 생성된 광전류 또는 암전류를 TFT의 drain단에 10pF 의 capacitor를 연결하여 전압을 측정하였다. 이렇게 하여 측정된 전압은 암상태에서 수십 mvolts이고, 광상태에서 는 수백 mvolts로 나타나 이후 voltage follower 증폭단에 서 증폭하여 수volts로 만들어 측정 하였다
이와 같이 본 연구에서는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터와 광센서를 결합하여 제조하고 구동시켜 특성 및 동작을 살펴보았다. 분석결과 Switching 소자로TFT를 이용한 구동방식은 아주 우수한 특성을 이룰 수 있음을 제시하게 되었다.

대상 데이터

본 실험에서는 Coming 7059 Glass를 기판으로 게이트 전극(Cr)을 1500 A 정도 증착하여 Length 〜 10 pm , Width 〜 100 pm 의 크기로 Pattern 하여 게이트 전극을 형성 하였다. 게이트 전극 위 에 a-SiN:H, a-Si:H, a-SiN:H 등을 연속하여 증착하였다. 이때 각 박막의 두께는 a-SiN:H: 1500a, a-Si:H: 1500A , n+a-Si:H : 500a 으로 형성 하였다.
PD a-Si:H박막의 증착 방법으로도 PECVD에 의한 플라즈마 방전 화학적 증착기술을 사용하였다. 본 실험에서 사용한 PECVD장치 는 로타리 및 부스터 펌프를 사용 하고 ~ 1(尸Torr 정도의 최저 진공에 도달할 수 있다. 글로우 방전 플라즈마 증착기술의 장점은 가스 화학 반응이 비교적 낮은 기판온도 (200 ~400°0와 낮은 반응실 압력(1 Ton.
본 연구에서 개발한 박막 재료 층은 Cr, Al, ITO, a-Si:H, na-Si:H 그리고 a-SiN:H등이 있으며, 현재까지 구한 특성은 Cr의 경우 비저항이 35cm, Al은 3cm, ITO는 300cm이었으며 30cm X 30cm에서 5%이내의 uniformity 를 이루었다. photodiode는 암전류의 경우 〜KT'2a정도 였으며, 광전류 〜 10~9a정도로서 1协(시Idark > 103 이상을 이루어 좋은 광전변환 특성을 갖고 있었다.
본 연구에서는 사일 렌(SiH₄)가스를 사용해서 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 진공 증착장 비로 최적의 비정질실리콘 박막을.제조한다.

이론/모형

PD a-Si:H박막의 증착 방법으로도 PECVD에 의한 플라즈마 방전 화학적 증착기술을 사용하였다. 본 실험에서 사용한 PECVD장치 는 로타리 및 부스터 펌프를 사용 하고 ~ 1(尸Torr 정도의 최저 진공에 도달할 수 있다.
게이트 절연층 및 Passivation 막인 a-SiN:H 박막은 SiH, 가스와 NH₃ 가스를 혼합하여 PECVD 법 으로 제작 하였다.
비정질실리콘(a-Si:H)은 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition(PECVD) 방법으로 증착 하였다. 증착 조건(S诅4 유량, Chamber 압력, RF Power, 기판온도)에 따라 비정질실리콘의 전도도, Optical Band Gap, 증착율 등 전기 광학적 특성이 달라진다.

성능/효과

이와 같이 본 연구에서는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터와 광센서를 결합하여 제조하고 구동시켜 특성 및 동작을 살펴보았다. 분석결과 Switching 소자로TFT를 이용한 구동방식은 아주 우수한 특성을 이룰 수 있음을 제시하게 되었다.
이오드 소자를 제작한다. 제작된 각각의 소자 및 박막트랜지스터 에 의해 광다이오드 소자를 동작시 켜 이미지 센서의 특성을 측정한 결과 우수한 성능을 나타냈음을 확인하였다.

참고문헌 (7)

S.Ri, H.Fujioka, K.Fujino, 'a-Si:H image sensor : Characteristics of an ITO/a-Si:H junction,' MRS, Vol.118, 1998, pp.451-455
J.McGill, O.Prache, 'a-Si:H alloy contact image sensor,' SID Digest, 1989,pp.252-255
B.W.Park, J.L.Choi, and C.W.Hur, 'Micro-crystal silicon in image sensor,' MIRS, vol.283, 1992, pp.609-612
K. Aflatooni, R. Hornsey, A. Nathan, 'Reverse current instabilities in amorphous silicon Schottky diodes: modeling and experiments,' IEEE Trans. Electron Devices, vol.46, 1999, pp.1417-1422

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Q. Ma, 'ITO/a-Si:H Schottky photodiode with low leakage current and high stability, 'Mat.Res.Soc. Symposium B, Sanfrancisco, April, 1999, pp.5-9
A. Nathan, 'High performance Schottkyphotodiode based on polycrystalline ITO deposited at room temperature,' IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Omage Sensor, Karuizawa, Japan, June, 1999, pp.10-12
M. Ristova, Y. Kuo, H. H. Lee, S. Lee and Y. J. Tewg, 'Amorphous Silicon Photodiodes for Image Sensing,' Applied Surface Science, 218, 44-53, 2003

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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