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KR100388272B1 - 티알에스 소자 - Google Patents

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KR100388272B1
KR100388272B1 KR10-2000-0082074A KR20000082074A KR100388272B1 KR 100388272 B1 KR100388272 B1 KR 100388272B1 KR 20000082074 A KR20000082074 A KR 20000082074A KR 100388272 B1 KR100388272 B1 KR 100388272B1
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Abstract

본 발명은 TRS 소자에 관한 것으로, 일함수가 4.5 eV 이하인 제 1 박막층과 일함수가 4.5 eV 이상인 제 2 박막층 및 상기 제 1 박막층과 제 2 박막층 사이에 배치되는 반도체 박막층으로 구성되는 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 TRS 소자에 관한 것으로 우수한 TRS 소자 특성을 나타낼 수 있다.

Description

티알에스 소자{A triodic rectifier switch device}
[산업상 이용분야]
본 발명은 TRS 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두 개의 다이오드로 이루어진 3극 정류 스위치를 구성하는 TRS 소자에 관한 것이다.
[종래 기술]
이미 발표된 TRS 소자는 전자 스위치 소자로서 종래 세 터미널을 갖는 TFT 스위치 소자보다 공정이 간단하고 제작비용이 보다 저렴한 장점을 지닌다. 또한, 기타 두 터미널을 갖는 스위칭 소자에 비해서도 독립적으로 시그널 전압(signal voltage)를 조절할 수 있는 장점을 지닌다.
한편, 다이오드/캐패시터의 조합으로 된 스위치의 누설 전류가 큰 단점을 극복하여 매우 낮은 누설 전류(leakage current) 특성을 갖는 장점이 있다. 제시된 TRS 소자의 예는 첨부한 도 1a 및 도 1b와 같은 구조를 갖는다.
도 1a에서와 같이, 하부에 오믹 콘택(ohmic contact)(11)이 있고, p+ 도핑층(7)/p 아모퍼스 실리콘(9) : H/ITO(1) 층이 있으며, p 아모퍼스 실리콘 : H 층과 ITO 전극이 만나는 곳에 숏키 콘택(schottky contact)(9)이 위치한다.
도 1b에서는 도 1a에서와 같이, 하부에 오믹 콘택(11)이 있고, 하부 전극의 오믹 콘택을 증진시키기 위해 n+ 도핑층(7)을 두고 있으며, 상기 도핑층 상부에 n 아모퍼스 실리콘 : H 층(5)을 두고 있고, n 아모퍼스 실리콘 : H 층 상부에 ITO 전극(1)을 배치하고, ITO 전극과 n 아모퍼스 실리콘 : H 층이 만나는 곳에 숏키 콘택(9)이 형성된다.
그러나, 종래에는 위에서 언급한 TRS 소자의 개념에 대해서만 알려져 있고, 사용 재료 및 공정에 관한 구체적인 기술이 없는 실정이다.
본 발명은 위에서 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구체적으로 TRS 소자를 구성하는 재료 및 그 구조를 개시하고 있는 TRS 소자를 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 TRS 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 포지티브 스위치용 TRS 소자의 등가회로를 나타내는 회로도이고, 도 2b는 본 발명의 네가티브 스위치용 TRS 소자의 등가회로를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 TRS 소자의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 TRS 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 네가티브 스위치로 사용되는 TRS 소자의 단면도이다.
도 6은 본 발명에서 사용되는 다이오드의 Ⅰ-Ⅴ 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 다이오드 소자를 사용하여 구성된 TRS 소자의 Vdata에 따른 차징 시간의 측정치를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 다이오드의 Ⅰ-Ⅴ 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 TRS 소자를 사용하여 LCD 동작을 나타내고 있는 도면이다.
도면 부호의 간단한 설명
1 : 상부 전극층 3 : 하부 전극층
5 : 반도체 층 7 : 도핑층
9 : 숏키 콘택 11 : 오믹 콘택
13 : 레지스터 15 : 보호막 층
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
일함수가 4,5 eV 이하인 물질을 사용하는 제 1 박막층과
일함수가 4.5 eV 이상인 물질을 사용하는 제 2 박막층 및
상기 제 1 박막층과 상기 제 2 박막층 사이에 배치되는 반도체 박막층으로 구성되는 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 TRS 소자를 제공한다.
또한, 소자 내의 다이오드의 적층 구조는 두 개의 전극과 상기 두 개의 전극 사이에 중간층으로 반도체 층을 사용하며, 각 다이오드는 하부 전극만을 공유하고 나머지 층은 에칭에 의해 서로 분리된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 TRS 소자를 제공한다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용되는 소자는 3극 정류 스위치(Triodic Rectifier Switch)라고 명명하고 이하 TRS라고 약칭한다. TRS 소자에는 두 개의 결합 다이오드(junction diode)를 포함하고 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 3은 본 발명에서 개시하고 있는 TRS 소자의 등가회로를 도시하고 있다.
도 2a는 포지티브(positive) 스위치의 등가 회로를 나타내고 있는 것이고, 도 2b는 네가티브(negative) 스위치의 등가 회로를 나타내고 있으며, 도 3은 본 발명의 회로의 실제 소자의 평면을 나타내고 있는 도면이다.
두 소자 모두 회로 구성상 두 개의 다이오드가 배치되어 있으며, 회로 내부에 능동 소자인 저항과 캐패시터를 두고 있다.
여기에서, 포지티브 스위치의 경우 상부 전극이 캐소드가 되며, 하부 전극은 애노드가 된다. 네가티브 스위치의 경우엔 그 반대가 된다.
포지티브 스위치의 경우 반도체의 주 캐리어는 홀이고, 캐소드 쪽엔 일함수가 상대적으로 높은 재료이어야 하며, 하부 전극은 애노드로 일함수가 상대적으로 낮은 재료이어야 한다.
한편, 네가티브 스위치인 경우에는 주 캐리어가 전자가 되며 전극 배치 및 사용되는 재료는 포지티브 스위치와 반대가 된다.
상기 일함수가 상대적으로 높은 재료로는 일함수가 4.5 eV인 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 일함수가 상대적으로 낮은 재료로는 일함수가 4.5 eV인 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
도 3은 도 4와 같이 나타낼 수도 있다.
도 5는 본 발명의 네가티브 스위치로 사용되는 TRS 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.
두 개의 숏키 다이오드(schottky diode)와 한 개의 저항, 그리고 배선으로 이루어져 있다. 그리고, 다이오드는 하부 전극(3)/반도체 층(5)/상부 전극(1)으로 이루어져 있다.
하부 전극(3)은 두 다이오드에 의해 공유되어 있으며 반도체 층(5)과 오믹 콘택(11)(ohmic contact)을 이룬다. 반면, 두 다이오드의 상부 전극(1)은 분리되어 있으며 숏키 콘택(9)을 이룬다.
반도체 층(5)으로는 n-타입을 사용한다.
n-타입 반도체 층을 사용하는 경우에는 주 캐리어가 전자이므로 하부 전극(제 1 박막층)(3)은 오믹 콘택(11)을 유리하게 하기 위해 일함수가 상대적으로 낮은 재료를 사용하며, 상부 전극(제 2 박막층)(1)은 숏키 콘택(9)을 유리하게 하기 위해 일함수가 상대적으로 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 사용되는 재료는 일함수가 4.5 eV를 기준으로 하여 4.5 eV 이상인 재료를 일함수가 상대적으로 높은 재료로, 일함수가 4.5 eV 이하인 재료를 일함수가 상대적으로 낮은 재료로 정의한다.
한편, 포지티브 스위치인 경우에는 반도체 층은 p-타입을 사용하고 주 캐리어는 홀이 되고, 이때에는 하부 전극(제 2 박막층)(3)은 오믹 콘택(11)을 유리하게 하기 위해 일함수가 상대적으로 높은 재료를 사용하며, 상부 전극(제 1 박막층)(1)은 숏키 콘택(9)을 유리하게 하기 위해 일함수가 상대적으로 낮은 재료를 사용한다.
또한, 하부 전극의 오믹 콘택을 증진시키기 위해 네가티브 스위치인 경우에는 n+ 도핑층(7), 포지티브 스위치인 경우에는 p+ 도핑 층(7)을 사용하기도 하며 유기층인 경우에는 홀 전달층(HTL; hole transfer layer)을 형성시키기도 한다. 숏키 콘택을 증진시키기 위해서는 유기 반도체인 경우 LiF 또는 Ca를 사용하여 전자 주입을 증진시키기도 한다.
반도체 재료로는 유기물, 무기물 모두 사용이 가능하다. Ⅰ-Ⅴ 특성에서 정류비(rectification ratio) 또는 온/오프비(ON/OFF ratio)가 높은 재료일수록 숏키 콘택에 유리하고 스위칭 속도도 빠르게 되므로 정류비가 높은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 정류비(온/오프 비)는 104이상인 것이 바람직하다.
무기 반도체로는 Si, 폴리실리콘, 아모퍼스 실리콘 : H, GaAs, SiC 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 유기 반도체로는 B-폴리머, PPV 등의 컨쥬게이트된 유기 전도성 폴리머 등을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 일함수가 4.5 eV 이하인 재료로는 K(2.3 eV), Na(2.75 eV), Ca(2.87 eV), Li(2.9 eV), Mg(3.66 eV), In(4.12 eV), Ta(4.25 eV), Pb(4.25 eV), Ag(4.26 eV), Al(4.28 eV), Zn(4. 38 eV), Sn(4.42 eV), Fe(4.50 eV), 및 Cr(4.5 eV)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 일함수가 4.5 eV 이상인 재료로는 ITO(4.9 eV), Ni(5 내지 5.4 eV), Se(5.9 eV), Pt(5.2 내지 5.9 eV), Os(5.93 eV), Ir(5 내지 5.7 eV), Pd(5.2 내지 5.6 eV), Au(5.3 내지 5.5 eV), Cu(4.5 내지 5.1 eV), Ge(5 eV), Be(5 eV), Te(5 eV), 및 Mo(4.5 내지 5 eV)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 도 4에서 도시된 저항 성분으로는 하부 전극의 오믹 콘택을 증진시키기 위해 사용된 반도체의 n+ 도핑층, p+ 도핑층 또는 HTL(유기물인 경우)층을 그대로 사용할 수 있고, 이에 따라서 또 다른 마스크 작업을 할 필요를 없애준다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 제시한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명 더욱 잘 이해하기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
컨쥬게이트된 유기 폴리머를 반도체 층으로 사용한 포지티브 TRS 스위치 소자 제작예 및 제작된 소자의 특성 측정
다이오드 소자의 적층은 ITO/PEDOT/B-폴리머/LiF/Al의 순서로 하였다. ITO가 애노드 전극이며, Al이 캐소드 전극이다. PEDOT는 홀 전달층(HTL)이며, B-폴리머는 반도체 층이며, LiF는 전자 주입층(HIL)이다. 각 층의 두께는 ITO가 1000 내지 2000 Å, PEDOT는 500 내지 1000 Å, LiF 10 내지 100 Å, Al 1000 내지 2000 Å으로 하였다. 기판으로 ITO가 코팅된 유리를 사용하였으며, PEDOT와 B-폴리머는 스핀 코팅에 의해 증착되었다. 소자의 크기는 2 mm×2 mm이며, 이 소자에 관한 Ⅰ-Ⅴ 특성은 도 6과 같다.
± 3 V에서 정류비(온/오프 비)는 106을 나타내고 있다. 또한, 공기 중 노출 분위기에서 제작한 시편의 경우 거의 같은 결과를 나타내고 있는 것으로 보아 계면이 어느 정도 안정한 것으로 판단된다.
한편, 이 다이오드 소자로 실제 TRS 스위치 소자를 구성하였다. 모든 소자는 드라이 에칭하여 패터닝하였다. 저항은 PEDOT를 사용하여 형성시켰다. 그 결과를 도 7에 나타내었다.
이 때, 입력 데이터는 Vscan: 15 V, 캐패시터 : 10 nF, Vdata: - 6 내지 12 V이었다. TRS 스위치가 켜지고 꺼질 때 Vc를 측정하였다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 측정 시간은 250 ㎲이었다. 7 V를 90 % 차징하기 위한 시간은 10 ㎲이었다. 각 곡선들은 서로 다른 Vd값에서 측정된 차징 시간의 측정치였다. 스위치가 꺼진 직후 작은 킥백(kickback) 현상이 일어났다. 이 킥백 후의 Vc가 디스플레이 그레이 레벨(display grey level)을 결정한다. Vd10 V에서의 포화현상(saturation)은 만약 Vs가 15 V 이상 된다면 피할 수 있다.
1000 라인(lines)의 해상도를 생각한다면 라인 스캔 시간이 16 ㎲이었다. 그 시간 안에 픽셀이 로딩된 캐패시터가 원하는 전압까지 도달되어야 한다. TRS가 10 %만큼 오버 드라이브되었을 때, B-폴리머를 사용한 소자의 차징 시간은 10 ㎲라는 것을 보여준다. 그러므로, 현재 사용되는 유기물 반도체 재료는 디스플레이의 요구 조건을 충분히 만족하고 있음을 알 수 있다.
실시예 2
무기 반도체를 사용한 TRS 소자의 제작
다이오드 적층 순서는 Cr/n+ 아모퍼스 실리콘 : H/아모퍼스 실리콘 : H/ITO으로 하였다. 주 캐리어는 전자이며, Cr이 캐소드가 된다. 또한, Cr/아모퍼스 실리콘 : H 계면은 오믹 콘택(ohmic contact)을 이룬다. 아모퍼스 실리콘 : H/ITO의 계면은 숏키 콘택(Schottky contact)을 이룬다. Cr은 스퍼터링에 의해 1500 Å으로 증착한 후 패터닝하였다. 그 후, n+ 아모퍼스 실리콘 : H/아모퍼스 실리콘 : H 층은 PECVD에 의해 증착하며, ITO는 스퍼터링에 의해 증착한 후 n+ 아모퍼스 실리콘 : H/아모퍼스 실리콘 : H/ITO를 에칭하였다. 그 후, SiNx 층을 보호막 층(passivaion layer)으로 하여 PECVD에 의해 증착시킨 후 콘택 홀 형성을 위해 패터닝하였다. 그 다음 ITO 전극을 스퍼터링을 한 후 패터닝하였다.
n+ 아모퍼스 실리콘 : H 층에 대한 PECVD 증착 조건은 입력 파워가 100 내지 600 W, 전극 간격이 600 내지 1300 밀(mil), 작업 압력이 500 내지 1500 mtorr,PH3/SiH4가 0.5 내지 5 %, 그리고, 아모퍼스 실리콘 : H 층에 대한 PECVD 증착 조건은 입력 파워 100 내지 200 W, 작업 압력 1000 내지 2000 mtorr, 기판 온도 250 내지 400 ℃, 전극 간격이 600 내지 1000 밀(mil), SiH4/H2가 0.1 내지 0.3이고, SiNx 증착 조건은 플로우 비(flow rate)가 100 내지 300 sccm Ar, 작업 압력이 2 내지 5×10-3torr이고, 200 내지 500 sccm Ar이면, 200 내지 400 ℃, 1 KW 내지 3.5 KW RF, 5000 내지 6000 Å이었다.
도 8은 위의 실험 조건에 의해 얻어진 다이오드의 Ⅰ-Ⅴ 특성을 나타낸다.
60 Hz SXGA(1280×1024) 해상도를 갖는 액정 디스플레이를 생각한다면, 액정에 대한 요구 조건들은 다음과 같다.
LCD 픽셀 핏치는 350 m이고 2/2.236(=5)/64이고, LC 픽셀 캐패시턴스는 2.9 pF이고, TRS 다이오드 영역은 20×20 μ㎡, LC 캐패시터 전압 영역(Vcap)은 0 내지 5 V, LC의 최대 차지 QLC는 CLCVcapmax=2.9 pF×5 V=15 pC, 오프 상태의 LC 차지 ㅿQ= QLC의 5 %= 0.075 pC이었다.
한편, 스위치에 요구되는 조건들은 온(ON) 시간 TON=1/(60×1024)=16 ㎲, 프레임 시간 Tframe=1/60=16.7 ㎲이었다.
따라서, TRS 소자의 숏키 다이오드에 요구되는 온/오프 전류 밀도의 요구치는 온 전류 IONQLC/TON=1.5 pC/16 μs=0.09 ㎂이고, 오프 전류 IOFF< 0.075pC/16.7 ㎲=4,5 pA이었다.
이러한 관점에서 볼 때 도 8의 전류 전압 특성은 요구되는 조건들을 거의 만족시킴을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 소자를 가지고 LCD 동작을 구현한 도면이다.
이상과 같은 TRS 소자를 구성하는 재료와 구조를 사용함으로써 실제적으로 TRS 소자를 제조하여 적용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 일함수가 4,5 eV 이하의 물질을 사용하는 제 1 박막층;
    일함수가 4.5 eV 이상인 물질을 사용하는 제 2 박막층; 및
    상기 제 1 박막층과 상기 제 2 박막층 사이에 배치되는 반도체 박막층으로 구성되는 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 TRS 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 TRS 소자가 각 인터페이스의 전기적 성질을 최대화하기 위한 중간층을 더욱 포함하는 TRS 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 TRS 소자에 사용되는 저항은 반도체 박막층의 오믹 콘택을 증진시키기 위해 성막한 층과 동일한 재료를 사용하는 TRS 소자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 저항은 n+ 도핑층, p+ 도핑층 및 전자 전달층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 층을 사용하는 TRS 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 일함수가 4.5 eV 이하인 물질은 K, Na, Ca, Li, Mg, In, Ta, Pb, Ag, Al, Zn, Sn, Fe, 및 Cr로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속인 TRS 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 일함수가 4.5 eV 이상인 물질은 ITO, Ni, Se, Pt, Os, Ir, Pd, Au, Cu, Ge, Be, Te, Mo, MoW 및 Pt로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속인 TRS 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 박막층에 사용되는 물질은 무기 재료로 아모퍼스 실리콘, 실리콘, 폴리실리콘, GaAs 및 SiC로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 물질이고, 유기 재료로 B-폴리머 또는 PPV인 TRS 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 TRS 소자의 온/오프 비율이 104이상인 TRS 소자.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 n+ 도핑층의 PH3/SiH4가 0.3 내지 5 %인 TRS 소자.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 아모퍼스 실리콘 : H 층은 250 내지 400 ℃에서 증착되는 것인 TRS 소자.
  11. 소자 내의 다이오드의 적층 구조는 두 개의 전극과 상기 두 전극 사이의 중간층으로 반도체 층을 사용하며, 각 다이오드는 하부 전극만을 공유하고 나머지 층은 에칭에 의해 서로 분리된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 TRS 소자.
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