특허 개요
본 특허는 빛을 전기 신호로 바꾸면서 빛이 없을 때의 전력 소모를 줄인 전하 주입 차단층 기반 포토트랜지스터입니다. 게이트 전극·게이트 절연층·반도체층 위에 전하 주입 차단층과 소스·드레인 전극을 적층하며, 무광 상태에서는 차단층이 다수 캐리어 주입을 억제해 암전류를 낮춥니다. 조사광 상태에서는 벌크이종접합 반도체층에서 생성된 소수 캐리어가 계면에 축적되어 에너지 밴드 굴곡과 광증폭(photomultiplication) 효과를 유도하고, 다수 캐리어의 터널링 주입을 증가시켜 광전류를 증폭합니다.
- 핵심 기능
무광 상태에서는 반도체층과 소스·드레인 전극 사이의 전하 주입 차단층이 캐리어 주입을 제한해 드레인 암전류를 억제합니다. 빛이 조사되면 반도체층 계면에 축적된 소수 캐리어가 광증폭을 유도하여 광전류를 높이고, 드레인 전류로 광 신호를 출력합니다.
- 차별 강점
종래 포토트랜지스터는 문턱전압 이상에서 무광 암전류가 발생해 광전류 대비 신호 구분과 광민감도 개선에 한계가 있었습니다. 본 기술은 전하 주입 차단층으로 무광 암전류 억제와 조사광 광증폭을 동시에 구현해 저대기전력과 높은 광민감도를 함께 목표로 합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 유기 광전자소자, 고감도 광검출, 벌크이종접합 반도체, 저전력 센서 회로 분야에 활용 가능하며, 광응답·암전류·소비전력의 설계 최적화에 적용할 수 있습니다. 사업 측면에서는 이미지 센서, 저전력 카메라 모듈, 바이오신호 센서, 웨어러블 기기용 광센서 부품으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
C70:TAPC 벌크이종접합 반도체층에 ZnS 또는 pV3D3 전하 주입 차단층을 적용한 포토트랜지스터를 전하 주입 차단층이 없는 비교 소자와 비교 평가했습니다. 암전류 억제, 광전류, 광민감도, 소비전력 및 상승·하강 시간을 확인했으며, 대면적 어레이와 실제 이미지 센서 수준의 구현 및 장기 신뢰성은 추가 검증이 필요합니다.
- 평가 소자: C70:TAPC 벌크이종접합 반도체층과 ZnS 또는 pV3D3 차단층을 적용한 포토트랜지스터
- 비교 소자: 전하 주입 차단층이 없는 포토트랜지스터
- 구동·광조사 조건: 드레인 전압 또는 게이트 전압 15V, 535㎚ 조사광, 광세기 1.2mW/cm² 또는 1.67mW/cm²
- 차단층 조건: ZnS 두께 4㎚·8㎚·12㎚
현재 성과
ZnS 전하 주입 차단층 8㎚를 적용한 실시예에서 535㎚·1.2mW/cm² 조사 조건의 최대 광민감도는 18,500으로 확인됐습니다. 전하 주입 차단층이 없는 비교 소자의 최대 광민감도 0.37 대비 50,000배 향상된 결과입니다.
ZnS 전하 주입 차단층 8㎚ 적용 소자를 게이트 전압 15V와 535㎚·1.2mW/cm² 조사 조건에서 평가했습니다. 암전류는 1nA 이하, 광전류는 약 800nA였으며, 무광 소비전력은 차단층이 없는 비교 소자보다 약 4,000배 이상 낮았습니다.
반도체층과 소스·드레인 전극 사이에 전하 주입 차단층을 배치해 무광 상태의 다수 캐리어 주입을 제한합니다. 조사광 상태에서는 계면 소수 캐리어 축적에 따른 에너지 밴드 굴곡으로 광증폭을 유도하는 점이 핵심이며, 암전류 억제와 광전류 증폭을 하나의 적층 구조로 결합했습니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 포토트랜지스터 어레이 및 실제 이미지 센서 구조에서의 성능 검증
장기 광노출 환경에서의 암전류·광민감도·응답속도 안정성 및 수명 평가
소자 패키징 공정과 환경 내구성 검증
응용 제품별 차단층 소재·두께 및 구동 조건 최적화
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
포토트랜지스터 및 이의 제조 방법
10-2024-0075002 (2024.06.10)
1020250175525 (2025.12.17)
미등록 (심사 중)
유승협, 박상훈, 최동호
한국과학기술원