비정질 IGZO 박막트랜지스터를 적용한 디지털 X-ray detector panel의 제작 및 특성 연구

Abstract

X-ray는 수십 pm 에서 수 nm 의 파장을 갖는 전자기파로 투과성과 직진성으로 구분되는 특별한 성질을 갖고 있다. 이런 X-ray 특징들 때문에 현재까지 영상의학 분야에서 인체 내부영상을 보기 위한 radiography에 필수적으로 사용되어 오고 있으며 의료분야 뿐만 아니라 산업분야의 비파괴검사에도 이용되는 등 많은 분야에 핵심적인 역할을 하고 있다. 최근 의료기기의 개발로 인하여 영상의 질, 저장, 정보관리 등의 다방면으로 편리성이 있는 디지털 방식의 X-ray detector 사용되어지고 있다. 하지만 대부분의 디지털 X-ray detector(간접방식)은 약 ~0.5cm2/Vs의 비교적 낮은 이동도를 갖는 a-Si:H thin film transistor(TFT) 가 사용되고 있다. 낮은 TFT 이동도는 panel 내의 포토다이오드에 축적되어 있는 전하를 비교적 낮은 속도로 이송(transfer)하게 되고 이는 소자에 잡음(noise)를 증가시키게 되고 SNR(signal to noise)을 낮추는 영향을 끼친다. 하지만 높은 이동도의 TFTs 구동은 이를 극복할 수 있으며 결과적으로 이미지 지연(lag)을 줄이고 낮은 방사선량을 조사하여 이미지를 구현 할 수 있다. 더욱이, X-ray detector 시장에서는 X-ray를 통해 피폭될 수 있는 dose량을 최소화하기 위하여 좀 더 낮은 X-ray dose 양으로도 효과적으로 X-ray를 검출 할 수 있는 detector를 추구 하고 있다. 이를 위하여 기본적으로 detector 내의 TFT가 전하를 ROIC(Readout Integrated Circuit)라는 집적회로로 빠른 속도로 전송을 시켜주어야 한다. 최근 디스플레이 산업에서 비정질 산화물반도체(amorphous oxide semiconductor)가 비정질임 구조에도 10 cm2/Vs 이상의 높은 전자이동도와 경제적인 공정비용, 대면적 적용 시 양질의 균일도를 보이는 장점을 갖고 있어 백플레인(back-plane) 패널소자로 차세대 디스플레이의 전망 있는 후보재료로 떠오르고 있다. 하지만 공정과정 중 화학적, 물리적으로 영향을 많이 받는 산화물반도체의 제품화를 위한 공정의 개발이 이루어져야하는 실정이다. 본 논문에서는 산화물 반도체를 적용하여 높은 전자이동도를 가진 X-ray detector 패널을 제작하기 위하여 발생하는 공정상 문제점과 그 해결방안에 관한 연구를 진행하였다. TFT의 active layer는 산화물 반도체 중 높은 전기적 특성을 보이는 a-IGZO를 적용하였으며 포토다이오드로 PIN photodiode를 사용하여 직접화하였다. 256 × 256 개의 150 um 픽셀크기를 갖는 X-ray detector panel의 제작, 특성을 평가하였다. 구조설계와 공정조건의 확립 후 최종소자의 전자 이동도는 16.6 cm2/Vs를 나타내었으며 일반적으로 상용화 되어있는 a-Si X-ray detector panel의 TFT와 특성을 비교, 누설전류가 a-Si TFT의 detector 보다 약 1000배 낮은 것으로 평가되어 높은 전자이동도와 낮은 누설전류를 갖는 저선량, 고해상도의 X-ray detector panel의 구현 가능성을 확인하였다.