JP2019535119A - 量子ドット層を含むイメージセンサ - Google Patents

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Abstract

本発明は、量子ドット層を含むイメージセンサを開示する。本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、基板上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子と；前記光電変換素子が形成された基板上に形成される配線層と；前記配線層上に形成され、前記光電変換素子に対応して形成されるカラーフィルタと；前記カラーフィルタ上に形成され、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット層とを含むことを特徴とする。【選択図】図１Ａ

Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１７年０８月１４日付の韓国特許出願第１０−２０１７−０１０３１４３号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、量子ドット層を含むイメージセンサに関し、より詳細には、紫外線又は赤外線をディスプレイすることができる量子ドット層を含むイメージセンサに関する。
最近になって、コンピュータ産業と通信産業の発達に伴い、デジタルカメラ、カムコーダ、ＰＣＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）、ゲーム機器、警備用カメラ、医療用マイクロカメラなどの様々な分野において、性能が向上したイメージセンサの需要が増大している。
一般に、イメージセンサは、ＣＣＤ（電荷結合素子、Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型とＣＭＯＳ（相補性金属酸化物半導体、Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型とに大別される。ここで、ＣＣＤ型イメージセンサは、光によって発生した電子を、そのままゲートパルスを用いて出力部まで移動させる。したがって、途中に外部雑音があって電圧は変わるとしても、電子の数自体は変化がないので、雑音が出力信号に影響を与えないという特性を有している。そこで、デジタルカメラ及びカムコーダのような高い画質を要求するマルチメディア機器で多く使用されている。
ＣＭＯＳイメージセンサは、駆動方式が簡便であり、信号処理回路を単一のチップに集積できるので、製品の小型化が可能である。ＣＭＯＳイメージセンサは、電力消耗もまた非常に低いため、バッテリー容量が制限的な製品に適用が容易である。また、ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＭＯＳ工程技術を互換して使用できるので、製造単価を低減することができる。したがって、ＣＭＯＳイメージセンサは、技術開発と共に高解像度が具現可能であることから、その使用が急激に増えている。
また、イメージセンサは、人間の目では見えない赤外線領域又は紫外線領域の光に対しても反応するという特性がある。したがって、必要に応じて、可視光領域の光は遮断し、赤外線領域又は紫外線領域の光のみを透過させる必要があり、このような場合、赤外線又は紫外線ピクセルが追加的に使用される。
特許文献１によれば、量子ドットレンズを用いて、マイクロレンズ及びカラーフィルタに代えて可視光線を感知する技術であって、工程が複雑であり、赤外線又は紫外線領域の光を感知できないという問題があり、特許文献２によれば、赤外線検出物質として有機物質、量子ドット及びＩＩＩ−Ｖ物質を使用する有機フォトダイオード（ＯＰＤ）構造に関する技術であって、光を吸収して電子正孔対（ＥＨＰ）を形成し、これを上／下部電極を介して電流を生成するため、光電変換効率が低く、工程が複雑であるという問題がある。
Ｌｕｄｏｎｇ Ｌｉによれば、ワイドバンドギャップ物質（Ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ ｇａｐ ｍａｔｅｒｉａｌ；ＺｎＯ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）をチャネルとして使用することによって、亜鉛酸化物量子ドット（ＺｎＯ ＱＤ）が紫外線を吸収して電子正孔対を生成する技術であって、工程過程が複雑であるという問題がある。
特許文献３によれば、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）が光ルミネセンス物質として作用してエネルギーダウンシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｏｗｎ−ｓｈｉｆｔ）の役割を果たす技術であって、可視光線を排除し、紫外線のみを感知するため、光学的な光のフラックス（ｆｌｕｘ）が不足してイメージ化が難しいという問題がある。
しかし、上述したように、イメージセンサで赤外線領域又は紫外線領域の光を測定するためには、赤外線領域又は紫外線領域の波長帯域で高い感度を有するフォトダイオード（ＳＯＩ、ＺｎＯナノパターン、ＴｉＯ２ナノロッド（ｎａｎｏ−ｒｏｄ）、グラフェンなど）を使用したが、赤外線領域又は紫外線領域の波長帯域で高い感度を有するフォトダイオードは、工程過程が複雑であり、単純に赤外線領域又は紫外線領域の光の量のみを確認できるという問題がある。
大韓民国公開特許第１０−２０１０−００７９０８８号、「イメージセンサ及びその製造方法」 大韓民国公開特許第１０−２０１５−０１１８８８５号、「イメージセンサの単位ピクセル及びそれを含むイメージセンサ」 米国登録特許第９，６３５，３２５号、「Systems and methods for detecting ultraviolet light using image sensors」
Ludong Li外4, ZnO Quantum Dot Decorated Zn2SnO4 Nanowire Heterojunction Photodetectors with Drastic Performance Enhancement and Flexible Ultraviolet Image Sensors, 2017.03
本発明の実施例の目的は、量子ドット層を使用して、赤外線又は紫外線（赤外線／紫外線）の量に応じてディスプレイ（イメージ化）が可能なイメージセンサを製造するためのものである。
本発明の実施例の目的は、量子ドット層を使用して、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を吸収して可視光線として発光することによって、可視光線及び赤外線／紫外線を全て感知できるイメージセンサを製造するためのものである。
本発明の実施例の目的は、従来に使用されるイメージセンサに量子ドット層を装着する単純な工程により、赤外線又は紫外線を感知できるイメージセンサを製造するためのものである。
本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、基板上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子と；前記光電変換素子が形成された基板上に形成される配線層と；前記配線層上に形成され、前記光電変換素子に対応して形成されるカラーフィルタと；前記カラーフィルタ上に形成され、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット層とを含む。
前記光電変換素子には第１可視光及び第２可視光が入射され、前記第１可視光は、前記量子ドット層を介して透過する可視光であり、前記第２可視光は、前記量子ドット層に吸収されて発光する特定の波長領域の可視光であってもよい。
前記量子ドット層は、紫外線波長帯域の光をエネルギーダウンシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｏｗｎ−ｓｈｉｆｔ）させて前記第２可視光を発光することができる。
前記量子ドット層は、赤外線波長帯域の光をエネルギーアップシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｕｐ−ｓｈｉｆｔ）させて前記第２可視光を発光することができる。
前記量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光は透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して青色の可視光を増幅させる青色量子ドット層であることを特徴とする量子ドット層であってもよい。
前記量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光は透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して赤色の可視光を増幅させる赤色量子ドット層であってもよい。
前記量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光は透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して緑色の可視光を増幅させる緑色量子ドット層であってもよい。
前記量子ドット層は、量子ドットの濃度によって透過率（ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）が制御されてもよい。
前記量子ドット層は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＰＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＡｌＰＡｓ、及びそれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つを含むことができる。
前記量子ドット層は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドット、またはＭｎ−ｄｏｐｅｄ ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットを含むことができる。
前記光電変換素子は、シリコンベースのフォトダイオードであってもよい。
前記量子ドット層を含むイメージセンサは、前記量子ドット層の上部又は下部にマイクロレンズをさらに含むことができる。
本発明の更に他の実施例に係る量子ドットを含むイメージセンサは、基板上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子と；前記光電変換素子が形成された基板上に形成される配線層と；前記配線層上に形成され、前記光電変換素子に対応して形成されるカラーフィルタと；前記カラーフィルタ上に形成されるマイクロレンズとを含み、前記カラーフィルタのうちの少なくとも１つは、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドットを含む。
本発明の実施例によれば、量子ドット層を使用して、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光（赤外線／紫外線）の量に応じてディスプレイ（イメージ化）が可能なイメージセンサを製造することができる。
本発明の実施例によれば、量子ドット層を使用して、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を吸収して可視光線として発光することによって、可視光線及び赤外線／紫外線を全て感知できるイメージセンサを製造することができる。
本発明の実施例によれば、従来に使用されるイメージセンサに量子ドット層を装着する単純な工程により、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を感知できるイメージセンサを製造することができる。
本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した断面図である。 本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した断面図である。 本発明の更に他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した断面図である。 本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した立体図である。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの単一のピクセルを示した図である。 量子ドット層のないイメージセンサを用いて撮影されたイメージ及び本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージの赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルのマトリクスを示した図である。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）イメージを示した図である。 コアシェル構造の量子ドットの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）及びＸ線分光分析（ＥＤＳ）イメージを示した図である。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサに使用される量子ドットの波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）による光発光（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ；ＰＬ）及び吸収率（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；Ａｂｓ）を示したグラフである。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長による太陽スペクトル（Ｓｏｌａｒ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を示したグラフである。 ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットのエネルギーバンドダイアグラム（ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｄｉａｇｒａｍ）を示した図である。 量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）による光発光強度（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；ＰＬ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）及び吸収率（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；Ａｂｓ）を示したグラフである。 量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）による光発光強度（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；ＰＬ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示したグラフである。 量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの逆方向バイアス（ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ）による電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）を示したグラフである。 量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長による反応度（Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ）を示したグラフである。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサのトランスファトランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、及びカレントソーストランジスタのパルス動作による特性を示したグラフである。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長による電圧感知マージン（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ；Ｒ△Ｖ）を示した図である。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの光強度（Ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）による電圧感知マージン（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ；Ｒ△Ｖ）を示した図である。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを使用して撮影されたイメージの赤色チャネルを示したイメージである。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを使用して撮影されたイメージの緑色チャネルを示したイメージである。 本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを使用して撮影されたイメージの青色チャネルを示したイメージである。 太陽光（Ｓｕｎｌｉｇｈｔ）の照射時間に応じて変化する本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの電圧感知マージン（ΔＶｄａｒｋ−ｐｈｏｔｏ）を示したグラフである。 太陽光（Ｓｕｎｌｉｇｈｔ）の照射時間に応じて変化する本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージを示したものである。
以下、添付の図面及び添付の図面に記載された内容を参照して、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明が実施例によって制限又は限定されるものではない。
本明細書で使用された用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は、文句で特に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素、段階、動作及び／又は素子以外に一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び／又は素子の存在または追加を排除しない。
本明細書で使用される「実施例」、「例」、「側面」、「例示」などは、記述された任意の態様（ａｓｐｅｃｔ）又は設計が他の態様又は設計よりも良好であるか、または利点があるものと解釈すべきものではない。
また、「又は」という用語は、排他的論理和「ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ｏｒ」よりは、包含的な論理和「ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ ｏｒ」を意味する。すなわち、特に言及しない限り、または文脈から明らかでない限り、「ｘがａ又はｂを用いる」という表現は、包含的な自然順列（ｎａｔｕｒａｌ ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎｓ）のいずれか一つを意味する。
また、本明細書及び特許請求の範囲で使用される単数表現（「ａ」又は「ａｎ」）は、特に言及しない限り、または単数形態に関するものであることが文脈から明らかでない限り、一般的に「一つ以上」を意味するものと解釈しなければならない。
以下の説明で使用される用語は、関連する技術分野で一般的かつ普遍的なものが選択されたが、技術の発達及び／又は変化、慣例、技術者の選好などに応じて他の用語があり得る。したがって、以下の説明で使用される用語は、技術的思想を限定するものと理解されてはならず、実施例を説明するための例示的な用語として理解されなければならない。
また、特定の場合は、出願人が任意に選定した用語もあり、その場合、該当する説明部分で詳細にその意味を記載する。したがって、以下の説明で使用される用語は、単純な用語の名称ではなく、その用語が有する意味、及び明細書全般にわたる内容に基づいて理解されなければならない。
一方、「第１」、「第２」などの用語は、様々な構成要素を説明するのに使用できるが、構成要素がこのような用語によって限定されるものではない。前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。
また、膜、層、領域、構成要素などの部分が他の部分の「上に」又は「上部に」あるとするとき、これは、他の部分の「真上に」ある場合のみならず、それらの間に他の膜、層、領域、構成要素などが介在している場合も含む。
他の定義がなければ、本明細書で使用される全ての用語（技術及び科学的用語を含む）は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に共通に理解される意味として使用され得る。また、一般的に使用される辞書に定義されている用語は、明らかに特に定義されていない限り、理想的又は過度に解釈されない。
一方、本発明を説明するにおいて、関連する公知の機能又は構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。そして、本明細書で使用される用語（ｔｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ）は、本発明の実施例を適切に表現するために使用された用語であって、これは、使用者、運用者の意図、または本発明の属する分野の慣例などによって変わり得る。したがって、本用語に対する定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて行われるべきである。
以下では、図１Ａ乃至図１Ｃを参照して、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサについて説明する。
図１Ａ乃至図１Ｃは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した断面図である。
本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、基板１１０上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子１２０と、光電変換素子１２０が形成された基板上に形成される配線層１３０と、配線層１３０上に形成され、光電変換素子１２０に対応して形成されるカラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂと、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ上に形成され、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット層１５０とを含む。
本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの光電変換素子には第１可視光Ｐ１及び第２可視光Ｐ２が入射され、第１可視光Ｐ１は、量子ドット層１５０及びカラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂを介して透過する可視光であり、第２可視光Ｐ２は、量子ドット層１５０に吸収されて発光する特定の波長領域の可視光であり得る。
したがって、第１可視光Ｐ１は、外部から入射する可視光を含み、第２可視光Ｐ２は、外部から入射する紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光が量子ドット層１５０を通過して変換された可視光を含むことができる。
したがって、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層１５０を装着する単純な工程により、第１可視光Ｐ１を通じて可視光を感知し、量子ドット層１５０を介して入射する第２可視光Ｐ２を通じて赤外線又は紫外線を感知することができる。
また、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層１５０を介して入射する第２可視光を通じて、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光の量に応じてディスプレイ（イメージ化）を具現することができる。
本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサはアクティブピクセルセンサアレイ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ）を含むことができ、アクティブピクセルセンサアレイは、行及び列に沿って２次元的に配列された複数の単位ピクセルを含むことができる。
単位ピクセルのそれぞれにおいて入射光によって電気的信号が発生し得、単位ピクセルは、光電変換素子１２０及びロジック素子を含むことができ、ロジック素子は、トランスファトランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＸ、ソースフォロワトランジスタＳＦ、カレントソーストランジスタＣＳ、及びフローティング拡散領域ＦＤを含むことができる。
本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの基板上に形成されたロジック素子及び光電変換素子１２０の配置構造については、図３Ａ乃至図３Ｃで詳細に説明する。
また、好ましくは、本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層１５０の上部又は下部に形成されるマイクロレンズ１６０をさらに含むことができる。
図１Ａ乃至図１Ｃは、マイクロレンズ１６０と量子ドット層１５０の位置が異なる点を除いては、同一の構成要素を含んでいるので、同一の構成要素については図１Ａで説明する。
図１Ａは、本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した断面図である。
本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、基板１１０上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子１２０と、光電変換素子１２０が形成された基板上に形成される配線層１３０と、配線層１３０上に形成され、光電変換素子１２０に対応して形成されるカラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂと、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ上に形成され、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット層１５０と、量子ドット層１５０上に形成されるマイクロレンズ１６０とを含むことができる。
本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層１５０の上部にマイクロレンズ１６０を形成することができ、マイクロレンズ１６０を量子ドット層１５０の上部に形成することによって、マイクロレンズ１６０を介して光が集中した後に量子ドット層１５０を通過するため、量子ドット層１５０で吸収できる紫外線又は赤外線の量が増加して、イメージセンサの感度を向上させることができる。
基板１１０上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子１２０を含む。
基板１１０は、ｎ型又はｐ型の導電型を有する基板が使用されるか、またはバルク（ｂｕｌｋ）基板上にｐ型又はｎ型エピタキシャル層が形成されたエピタキシャル基板が使用されてもよい。基板１１０内には、活性領域とフィールド領域とを区分するための素子分離膜（図示せず）が形成され得、光電変換素子１２０及びロジック素子が基板１１０の活性領域に形成され得る。
また、基板１１０内にはディープウェル（ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ；図示せず）を形成することができる。ディープウェルは、基板１１０の深い所で生成された電荷が光電変換素子１２０へ流れ込まないようにポテンシャルバリア（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂａｒｒｉｅｒ）を形成し、電荷とホールの再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）現象を増加させることで、電荷のランダムドリフト（ｒａｎｄｏｍ ｄｒｉｆｔ）による画素間のクロストーク（ｃｒｏｓｓ−ｔａｌｋ）を低減させるクロストークバリアの役割を果たすことができる。
光電変換素子１２０は、入射光（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）を吸収して光量に対応する電荷を蓄積する。光電変換素子１２０としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトゲート、埋め込み（ｐｉｎｎｅｄ）フォトダイオード、またはこれらの組み合わせが使用されてもよく、好ましくは、光電変換素子１２０としてはシリコンベースのフォトダイオードを使用することができる。
好ましくは、シリコンベースのフォトダイオードは、基板１１０内に不純物をドープして形成された不純物領域であってもよい。シリコンベースのフォトダイオードは、Ｎ型不純物領域とＰ型不純物領域を含むことができ、Ｎ型不純物領域は、基板１１０内に深く形成され、Ｐ型不純物領域は、Ｎ型不純物領域の表面に浅く形成され得る。
光電変換素子１２０が形成された基板上には配線層１３０が形成される。
好ましくは、光電変換素子１２０及びロジック素子が形成された基板１１０の上部には複数の絶縁層が形成され、それぞれの絶縁層は、素子の電気的なルーティング及び／又は遮光機能のための配線層１３０を含むことができる。
光電変換素子１２０の上部に形成される絶縁層は、光の透過率を向上させるために、透過率の高い絶縁物質で形成することができ、光電変換素子１２０の上部の光透過率を向上させるための光透過部を含むことができる。
配線層１３０は、コンタクト（図示せず）を介して下部のロジック素子や他の配線と接続することができ、光電変換素子１２０が形成された領域を除いた領域に形成することができる。
したがって、配線層１３０は、各単位ピクセルのロジック素子の上部に形成され得、光がロジック素子が形成された領域に入射することを遮断することができる。
配線層１３０は、多数の金属配線を含むことができ、配線層１３０は、タングステン（Ｗ）又は銅（Ｃｕ）のような金属物質で形成されてもよい。
配線層１３０上に形成され、光電変換素子１２０に対応して形成されるカラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂを含み、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂは、赤色カラーフィルタ１４０Ｒ、緑色カラーフィルタ１４０Ｇ、及び青色カラーフィルタ１４０Ｂを含むことができる。
カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂは、ピクセルに応じて、赤色カラーフィルタ１４０Ｒ、緑色カラーフィルタ１４０Ｇ、及び青色カラーフィルタ１４０Ｂを含むことができる。
赤色カラーフィルタ１４０Ｒは、可視光における赤色光を通過させ、赤色ピクセルの光電変換素子１２０は、赤色光に対応する光電子を生成することができる。
緑色カラーフィルタ１４０Ｇは、可視光における緑色光を通過させ、緑色ピクセルの光電変換素子１２０は、緑色光に対応する光電子を生成することができる。
青色カラーフィルタ１４０Ｂは、可視光における青色光を通過させ、青色ピクセルの光電変換素子１２０は、青色光に対応する光電子を生成することができる。
また、実施例によって、カラーフィルタは、ホワイト（Ｗ；ｗｈｉｔｅ）、マゼンタ（Ｍｇ；ｍａｇｅｎｔａ）、イエロー（Ｙ；ｙｅｌｌｏｗ）、またはシアン（Ｃｙ；ｃｙａｎ）を含むこともできる。
カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ上には、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット層１５０を含む。
好ましくは、量子ドット層１５０に吸収される光は、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光であってもよい。
シリコンベースのフォトダイオードは、外部から入射する光の波長範囲によって、シリコンベースのフォトダイオードに入射する深さが異なるようになる。
波長が長い赤外線波長帯域の光（約７５０ｎｍ〜１０００ｎｍ）の場合、シリコンベースのフォトダイオードよりも深い基板１１０にまで浸透して光が損失することがあるため、光電変換素子１２０に入射する光の量が減少することがある。
また、高いエネルギー（Ｅ≧３．１ｅＶ）を有し、波長が短い紫外線波長帯域の光（λ≦４００ｎｍ）の場合、シリコンベースのフォトダイオードの枯渇した薄い上部シリコン層（ｄｅｐｌｅｔｅｄ ｔｈｉｎ ｔｏｐ−Ｓｉ ｌａｙｅｒ）でのみ検知され、光の量が減少することによって、入射光子（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ）の変化による電荷電流効率（ｃｈａｎｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）及びイメージセンサの感度が非常に低下することがある。
しかし、本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層１５０を形成して、入射する紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を可視光（第２可視光）に変換させることによって、シリコンベースのフォトダイオードに感度が高い可視光として入射され、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を検知して赤外線又は紫外線の感度を向上させることができる。
また、量子ドット層１５０は、紫外線波長帯域の光をエネルギーダウンシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｏｗｎ−ｓｈｉｆｔ）させて前記第２可視光を発光することができる。
より具体的には、量子ドット層１５０に含まれる量子ドットは、約４００ｎｍ以下の波長範囲を有する紫外線波長帯域の光を吸収することができ、吸収された紫外線波長帯域の光は、量子ドットによって約３８０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲を有する第２可視光Ｐ２として発光することができる。したがって、量子ドット層１５０は、入射した光の波長を長い波長の光にエネルギーダウンシフトさせることができる。
また、量子ドット層１５０は、赤外線波長帯域の光をエネルギーアップシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｕｐ−ｓｈｉｆｔ）させて第２可視光を発光することができる。
より具体的には、量子ドット層１５０に含まれる量子ドットは、約７５０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲を有する赤外線波長帯域の光を吸収することができ、吸収された赤外線波長帯域の光は、量子ドットによって約３８０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲を有する第２可視光Ｐ２として発光することができる。したがって、量子ドット層１５０は、入射した光の波長を短い波長の光にエネルギーアップシフトさせることができる。
本発明の一実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層１５０が、赤色量子ドットを含む赤色量子ドット層、緑色量子ドットを含む緑色量子ドット層、及び青色量子ドットを含む青色量子ドット層のいずれか１つで形成されてもよい。
量子ドット層１５０が青色量子ドット層である場合、青色量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光を透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して青色の可視光を増幅させることができる。
より具体的には、青色量子ドット層を含むイメージセンサに可視光線が入射すると、可視光線は赤色カラーフィルタ１４０Ｒ、緑色カラーフィルタ１４０Ｇ及び青色カラーフィルタ１４０Ｂを透過させて、第１可視光線Ｐ１が光電変換素子１２０に入射することができる。
青色量子ドット層を含むイメージセンサに紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光が入射すると、青色量子ドット層で紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を吸収して青色可視光線（第２可視光線；Ｐ２）を発光するようになり、青色可視光線（第２可視光線；Ｐ２）は、赤色カラーフィルタ１４０Ｒ及び緑色カラーフィルタ１４０Ｇでは透過せず、青色カラーフィルタ１４０Ｂでのみ透過するようになる。
したがって、赤色カラーフィルタ１４０Ｒ及び緑色カラーフィルタ１４０Ｇに対応する光電変換素子１２０には第１可視光線Ｐ１のみが入射され、青色カラーフィルタ１４０Ｂに対応する光電変換素子１２０には第１可視光線Ｐ１及び第２可視光線Ｐ２が入射されることによって、より多くの光を吸収できるようになり、光の強度又は光量（ｆｌｕｘ）において差が発生するようになる。
量子ドット層１５０が赤色量子ドット層である場合、赤色量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光を透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して赤色の可視光を増幅させることができる。
より具体的には、赤色量子ドット層を含むイメージセンサに可視光線が入射すると、可視光線は赤色カラーフィルタ１４０Ｒ、緑色カラーフィルタ１４０Ｇ及び青色カラーフィルタ１４０Ｂを透過させて、第１可視光線Ｐ１が光電変換素子１２０に入射するようになる。
赤色量子ドット層を含むイメージセンサに紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光が入射すると、赤色量子ドット層で紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を吸収して赤色可視光線（第２可視光線；Ｐ２）を発光するようになり、赤色可視光線（第２可視光線；Ｐ２）は、青色カラーフィルタ１４０Ｂ及び緑色カラーフィルタ１４０Ｇでは透過せず、赤色カラーフィルタ１４０Ｒでのみ透過するようになる。
したがって、青色カラーフィルタ１４０Ｂ及び緑色カラーフィルタ１４０Ｇに対応する光電変換素子１２０には第１可視光線Ｐ１のみが入射され、赤色カラーフィルタ１４０Ｒに対応する光電変換素子１２０には第１可視光線Ｐ１及び第２可視光線Ｐ２が入射されることによって、より多くの光を吸収できるようになり、光の強度又は光量（ｆｌｕｘ）において差が発生するようになる。
量子ドット層１５０が緑色量子ドット層である場合、緑色量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光を透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して緑色の可視光を増幅させることができる。
より具体的には、緑色量子ドット層を含むイメージセンサに可視光線が入射すると、可視光線は赤色カラーフィルタ１４０Ｒ、緑色カラーフィルタ１４０Ｇ及び青色カラーフィルタ１４０Ｂを透過させて、第１可視光線Ｐ１が光電変換素子１２０に入射するようになる。
緑色量子ドット層を含むイメージセンサに紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光が入射すると、緑色量子ドット層で紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を吸収して緑色可視光線（第２可視光線）を発光するようになり、緑色可視光線（第２可視光線）は、青色カラーフィルタ１４０Ｂ及び赤色カラーフィルタ１４０Ｒでは透過せず、緑色カラーフィルタ１４０Ｇでのみ透過するようになる。
したがって、青色カラーフィルタ１４０Ｂ及び赤色カラーフィルタ１４０Ｒに対応する光電変換素子１２０には第１可視光線のみが入射され、緑色カラーフィルタ１４０Ｇに対応する光電変換素子１２０には第１可視光線及び第２可視光線が入射されることによって、より多くの光を吸収できるようになり、光の強度又は光量（ｆｌｕｘ）において差が発生するようになる。
図１Ａでは、量子ドット層１５０として青色量子ドット層１５０を使用する技術を示したが、これに制限されず、赤色量子ドット層又は緑色量子ドット層が使用されてもよい。
また、量子ドット層１５０は、量子ドットの濃度を調節して透過率（ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）を制御することができる。
量子ドット層１５０は、量子ドットの濃度が増加すると、量子ドット層１５０内での光散乱（ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）により可視光線波長帯域で透過率を減少させることができる。
したがって、量子ドット層１５０に含まれる量子ドットの濃度が増加すると、第１可視光Ｐ１の光の強度又は光量（ｆｌｕｘ）が減少して第２可視光線Ｐ２の影響がさらに大きくなるため、光電変換素子１２０でのピクセル強度（ｐｉｘｅｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）の差を明確に確認することができる。
より具体的には、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサに入射される第１可視光Ｐ１は、量子ドット層１５０によって可視光線波長帯域の光の透過率が減少し得、第２可視光Ｐ２は、量子ドット層１５０によって紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光を可視光線波長帯域の光として発光させて透過率を増加させることができる。
したがって、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、入射する可視光線波長帯域の光の透過率は減少し、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光の透過率は増加することによって、ピクセル強度（ｐｉｘｅｌ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を明確にすることができる。
量子ドット層１５０は多数の量子ドットを含むことができ、量子ドットは、赤色、緑色又は青色の量子ドットを含むことができる。
量子ドットは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＰＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＡｌＰＡｓ、及びそれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つを含むことができる。
好ましくは、量子ドット層１５０は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドット、又はＭｎ−ｄｏｐｅｄ ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットを使用することができ、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットは、青色を発光する量子ドットであり、Ｍｎ−ｄｏｐｅｄ ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットは、イエロー−オレンジ光（ｙｅｌｌｏｗ−ｏｒａｎｇｅ ｌｉｇｈｔ）を発光する量子ドットである。
ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットは、ＣｄＺｎＳ量子ドットコアの直径及びＺｎＳ量子ドットシェルの厚さを調節して外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｙｉｅｌｄ）を増加させることができる。
ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットは、ＣｄＯ及びＺｎ（ａｃｅｔ）２を含む溶液に７．５ｍＬのオレイン酸（ｏｌｅｉｃ ａｃｉｄ；ＯＡ）を注入し、室温（ＲＴ）で熱処理を行ってＣｄ（ＯＡ）２及びＺｎ（ＯＡ）２を含む溶液を製造した後、製造されたＣｄ（ＯＡ）２及びＺｎ（ＯＡ）２を含む溶液に５ｍｌの１−オクタデセン（１−ｏｃｔａｄｅｃｅｎｅ；１−ＯＤＥ）を注入し、１５０℃で熱処理を行う。その後、第１硫黄（Ｓ）前駆体を注入し、３００℃で熱処理を行ってＣｄ（ＯＡ）２、Ｚｎ（ＯＡ）２及び硫黄を含む溶液を製造した後、第２硫黄前駆体を注入し、３００℃で８分間熱処理を行ってＣｄＺｎＳコア量子ドットを形成した後、３１０℃で４０分間熱処理を行ってＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットを製造することができる。
量子ドット層１５０上に形成されるマイクロレンズ１６０を含む。
マイクロレンズ１６０は、光電変換素子１２０に対応して形成され得、所定の曲率半径を有することができる。
マイクロレンズ１６０の曲率半径は、各ピクセルに入射される光の波長に応じて異なり得、光電変換素子１２０以外の領域に入射する光の経路を変更させて光電変換素子１２０に光を集光させることができる。
図１Ｂは、本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した断面図である。
本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、基板１１０上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子１２０と、光電変換素子１２０が形成された基板上に形成される配線層１３０と、配線層１３０上に形成され、光電変換素子に対応して形成されるカラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂと、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ上に形成されるマイクロレンズ１６０と、マイクロレンズ１６０上に形成され、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット層１５０とを含む。
図１Ｂは、量子ドット層１５０がマイクロレンズ１６０の上部に形成される以外は、図１Ａと同一であるので、同一の構成要素についての説明は省略する。
本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層１５０をマイクロレンズ１６０の上部に形成することによって、従来に使用されるイメージセンサ上に量子ドット層１５０を装着する単純な工程により、紫外線又は赤外線を検知できるイメージセンサを製造することができる。
好ましくは、本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの量子ドット層１５０は、透明基板、及び透明基板上に形成された量子ドットを含むことができる。
透明基板は、ガラス（ｇｌａｓｓ）又は石英（ｑｕａｒｔｚ）が使用されてもよく、好ましくは、透明基板は、全ての波長において約９０％の透過率を有する石英が使用され得る。
量子ドットは、蒸着又はコーティング方法により透明基板上に形成されてもよい。
図１Ｃは、本発明の更に他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した断面図である。
本発明の更に他の実施例に係る量子ドットを含むイメージセンサは、基板１１０上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子１２０と、光電変換素子１２０が形成された基板上に形成される配線層１３０と、配線層１３０上に形成され、光電変換素子１２０に対応して形成されるカラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂと、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ上に形成されるマイクロレンズ１６０とを含み、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂのうちの少なくとも１つは、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット１５１を含む。
図１Ｃは、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ内に量子ドット１５１を含む以外は、図１Ａと同一であるので、同一の構成要素についての説明は省略する。
本発明の更に他の実施例に係る量子ドットを含むイメージセンサは、カラーフィルタ１４０Ｒ，１４０Ｇ，１４０Ｂ内に量子ドット１５１をブレンディング（ｂｌｅｎｄｉｎｇ）して単一層で形成することによって、紫外線又は赤外線を検知できるイメージセンサの厚さを減少させることができる。
図２は、本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを示した立体図である。
図２を参照すると、本発明の他の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、従来に使用されるイメージセンサ（３Ｍ ｐｉｘｅｌ ＣＩＳ）上に量子ドット層（Ｑｕａｒｔｚ ｇｌａｓｓ ｗｉｔｈ ＱＤｓ ｆｉｌｍ）を装着することによって、単純な工程により赤外線又は紫外線カメラを製造することができる。
図３Ａ乃至図３Ｃは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの単一のピクセルを示した図である。
図３Ａは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの単一のピクセルの回路図を示したものであり、図３Ｂは、単一のピクセルの立体図を示したものであり、図３Ｃは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの単一のピクセルの光学顕微鏡（ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージを示したものである。
図３Ａ乃至図３Ｃを参照すると、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの単一のピクセルは、量子ドット層を含む光電変換素子（ｎ＋−ｄｏｐｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ＱＤｓ）及びロジック素子を含むことができる。
ロジック素子は、トランスファトランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＸ、ソースフォロワトランジスタＳＦ、カレントソーストランジスタＣＳ、及びフローティング拡散領域ＦＤを含むことができる。
光電変換素子（ｎ＋−ｄｏｐｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ＱＤｓ）は、外部から入射した光の量に比例して光電荷を生成及び蓄積し、トランスファトランジスタＴＸは、光電変換素子（ｎ＋−ｄｏｐｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ＱＤｓ）に蓄積された電荷をフローティング拡散領域ＦＤに伝送することができる。
また、フローティング拡散領域ＦＤは、光電変換素子（ｎ＋−ｄｏｐｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ＱＤｓ）から生成された電荷を受け取って累積的に格納し、フローティング拡散領域ＦＤに蓄積された光電荷の量に応じてソースフォロワトランジスタＳＦが制御され得る。
また、ソースフォロワトランジスタＳＦは、単位ピクセルの外部に位置する定電流源（図示せず）と組み合わせてソースフォロワバッファ増幅器（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｂｕｆｆｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の役割を果たし、フローティング拡散領域ＦＤでの電位変化を増幅し、これを出力ラインＶｏｕｔに出力することができる。
また、カレントソーストランジスタＣＳは、行単位で読み出す単位ピクセルを選択することができ、カレントソーストランジスタＣＳがターンオンされるとき、ソースフォロワトランジスタＳＦのドレイン電極と接続された電源電圧ＶＤＤがカレントソーストランジスタＣＳのドレイン電極に伝達され得る。
また、リセットトランジスタＲＸは、フローティング拡散領域ＦＤに蓄積された電荷を周期的にリセットすることができる。より詳細には、リセットトランジスタＲＸのドレイン電極はフローティング拡散領域ＦＤと接続され、ソース電極は電源電圧ＶＤＤに接続され得る。
リセットトランジスタＲＸがターンオンされると、リセットトランジスタＲＸのソース電極と接続された電源電圧ＶＤＤがフローティング拡散領域ＦＤに伝達されることによって、リセットトランジスタＲＸのターンオン（ｔｕｒｎ−ｏｎ）時に、フローティング拡散領域ＦＤに蓄積された電荷が排出されてフローティング拡散領域ＦＤがリセットされ得る。
図４Ａ乃至図４Ｄは、量子ドット層のないイメージセンサを用いて撮影されたイメージ及び本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージの赤色チャネル、緑色チャネル、及び青色チャネルのマトリクスを示したものである。
図４Ａ乃至図４Ｄは、量子ドット層のないイメージセンサを用いて撮影されたイメージと、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージとを比較するために、全てのピクセル強度の差は同一の位置で得られた。
図４Ａは、赤色チャネル、緑色チャネル及び青色チャネルを分離して測定したマトリクスを示したものであり、図４Ｂは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージのチャネルを示したマトリクスであり、図４Ｃは、量子ドット層を含まないイメージセンサを用いて撮影されたイメージのチャネルを示したマトリクスであり、図４Ｄは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージと量子ドット層を含まないイメージセンサを用いて撮影されたイメージを、（−）を通じて計算されたチャネルを示したマトリクスである。
図４Ａ乃至図４Ｄを参照すると、もし、Ａｘｙ，ｗｉｔｈ ＱＤ―Ａｘｙ，ｗ／ｏ ＱＤ＜０であれば、特に赤色及び緑色チャネルの場合、量子ドット層（例；ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ ＱＤｓ）による光散乱（ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）によりピクセルの強度が減少することがわかる。
散乱効果の問題を除去するために、ピクセル強度を０に設定した。
もし、Ａｘｙ，ｗｉｔｈ ＱＤ―Ａｘｙ，ｗ／ｏ ＱＤ＞０であれば、特に、青色チャネルにおいて量子ドット層（例；ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ ＱＤｓ）によりピクセル強度が増加することがわかる。
図５は、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）イメージを示したものである。
図５を参照すると、光電変換素子の上部に１７．３ｎｍの量子ドット層が均一に形成され、量子ドット層内に均一な大きさのＣｄ０．５Ｚｎ０．５Ｓ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含むことがわかる。
図６は、コアシェル構造の量子ドットの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）及びＸ線分光分析（ＥＤＳ）イメージを示したものである。
図６を参照すると、Ｃｄ０．５Ｚｎ０．５Ｓ／ＺｎＳコアシェル量子ドットが形成されることがわかる。
図７は、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサに使用される量子ドットの波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）による光発光（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ；ＰＬ）及び吸収率（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；Ａｂｓ）を示したグラフである。
図７は、量子ドット層に含まれる量子ドットとしてＭｎ２＋−ｄｏｐｅｄ Ｃｄ０．５Ｚｎ０．５Ｓ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを使用しており、イエロー−オレンジ光（ｙｅｌｌｏｗ−ｏｒａｎｇｅ ｌｉｇｈｔ）を発光する量子ドットである。
図７を参照すると、Ｍｎ２＋−ｄｏｐｅｄ Ｃｄ０．５Ｚｎ０．５Ｓ／ＺｎＳコアシェル量子ドットは、紫外線を吸収して青色光を発光し、青色光だけでなく、エネルギーチューニング効果（ｅｎｅｒｇｙ−ｔｕｎｉｎｇ−ｅｆｆｅｃｔ）を通じてストークシフト（ｓｔｏｋｅ ｓｈｉｆｔ）を増加させて、〜５８３ｎｍのピーク（ｐｅａｋ）を有するイエロー−オンジ光（ｙｅｌｌｏｗ−ｏｒａｎｇｅ ｌｉｇｈｔ）を発光することもできる。
図８は、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長による太陽スペクトル（Ｓｏｌａｒ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を示したグラフである。
図８を参照すると、量子ドット層は、紫外線を吸収して可視光線（例；青色光）を発光するエネルギーダウンシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｏｗｎ−ｓｈｉｆｔ）、及び赤外線を吸収して可視光線（例；青色光）を発光するエネルギーアップシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｕｐ−ｓｈｉｆｔ）をもたらすことがわかる。
図９は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットのエネルギーバンドダイアグラム（ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｄｉａｇｒａｍ）を示したものである。
図９を参照すると、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットは、紫外線を吸収して青色可視光線を放出することがわかる。
図１０は、量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）による光発光強度（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；ＰＬ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）及び吸収率（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；Ａｂｓ）を示したグラフである。
図１０は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用し、青色量子ドットの濃度を、０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．４ｗｔ％及び０．５ｗｔ％に変化させて測定した。
図１０を参照すると、量子ドット層に含まれる量子ドットの濃度が増加するほど吸収率が増加することがわかる。
図１１は、量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）による光発光強度（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；ＰＬ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を示したグラフである。
図１１は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用し、青色量子ドットの濃度を、０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．４ｗｔ％及び０．５ｗｔ％に変化させて測定した。
図１１を参照すると、量子ドット層に含まれる量子ドットの濃度が増加するほど光発光強度が増加することがわかる。
図１２は、量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの逆方向バイアス（ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ）による電流（ｃｕｒｒｅｎｔ）を示したグラフである。
図１２は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用し、暗状態（ｄａｒｋ−ｓｔａｔｅ）、量子ドット層のない状態（ｗ／ｏ ＱＤｓ）、０．１ｗｔ％濃度の量子ドット、０．２ｗｔ％濃度の量子ドット、０．３ｗｔ％濃度の量子ドット、０．４ｗｔ％濃度の量子ドット、及び０．５ｗｔ％濃度の量子ドットに変化させて測定した。
また、図１２は、３６５ｎｍの波長及び３５５μＷ／ｃｍ２の単位面積当たりの紫外線の強度（Ｅ）で測定された。
図１２を参照すると、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、３６５ｎｍの波長で濃度が増加するにつれて光電流が増加し、１５Ｖの逆方向バイアスでは０．５ｗｔ％濃度の量子ドットを含むことによって、０．１７μＡ〜０．６８μＡまで増加した。
図１３は、量子ドットの濃度変化に応じて本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長による反応度（Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ）を示したグラフである。
図１３は、青色量子ドットを使用し、量子ドット層のない状態（ｗ／ｏ ＱＤｓ）、０．１ｗｔ％濃度の量子ドット、０．２ｗｔ％濃度の量子ドット、０．３ｗｔ％濃度の量子ドット、０．４ｗｔ％濃度の量子ドット、及び０．５ｗｔ％濃度の量子ドットに変化させて測定した。
反応度は、下記の式１により計算することができる。
図１３を参照すると、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドットの濃度が増加するほど光電変換素子の反応度が増加し、０．５ｗｔ％濃度の量子ドットは、３６５ｎｍの波長で０．７８Ａ／Ｗと著しく増加した。
図１４は、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサのトランスファトランジスタ、リセットトランジスタ、ソースフォロワトランジスタ、及びカレントソーストランジスタのパルス動作による特性を示したグラフである。
図１４を参照すると、リセットトランジスタは、フローティング拡散領域（０−２１０μｓ）を完全にリセット（ｒｅｓｅｔ）するためにターンオンすることがわかる。
また、トランスファトランジスタをターンオンし、リセットトランジスタをターンオフして、電子を光電変換素子からフローティング拡散領域（２１０−４６０μｓ）に伝送（ｔｒａｎｓｆｅｒ）し、トランスファトランジスタとリセットトランジスタは、光電変換素子からフローティング拡散領域（４６０−５２０μｓ）に伝送された電子を読み出す（ｒｅａｄ）ためにターンオフされることがわかる。
図１５は、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの波長による電圧感知マージン（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ；Ｒ△Ｖ）を示したものである。
図１５は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用し、青色量子ドットの濃度を、０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．４ｗｔ％及び０．５ｗｔ％に変化させて測定した。
電圧感知マージン（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ；Ｒ△Ｖ）は、下記の式２及び式３を用いて計算することができる。
図１５を参照すると、３６５ｎｍの波長でのΔＶｄａｒｋ−ｐｈｏｔｏの比は、０．５ｗｔ％濃度の量子ドットは１９４．６６％に増加し、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは、量子ドット層によって電圧感知マージンが２倍程度増加することがわかる。
また、４５０ｎｍ以下の紫外線領域で電圧感知マージン（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ）が増加することがわかる。
図１６は、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの光強度（Ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）による電圧感知マージン（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｒｇｉｎ；Ｒ△Ｖ）を示したものである。
図１６は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用し、波長（λ）を、２５４ｎｍ、３６５ｎｍ、４５０ｎｍ、５５１ｎｍ及び６５８ｎｍに変化させて測定した。
図１６を参照すると、青色量子ドットは、紫外線波長帯で高い電圧感知マージンを示し、３６５ｎｍの波長で電圧感知マージンが最も良いことがわかる。
図１７Ａは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを使用して撮影されたイメージの赤色チャネルを示したイメージであり、図１７Ｂは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを使用して撮影されたイメージの緑色チャネルを示したイメージである。
図１７Ａ及び図１７Ｂは、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用した。
図１７Ａ及び図１７Ｂを参照すると、ほとんどのピクセル強度は０を示すことがわかる。本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを使用して撮影されたイメージの赤色チャネルのピクセル強度が、量子ドット層のないイメージセンサを使用して撮影されたイメージの赤色チャネルのピクセル強度よりも低い値である。
図１７Ｃは、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを使用して撮影されたイメージの青色チャネルを示したイメージである。
図１７Ｃは、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用した。
図１７Ｃを参照すると、人形側に照射された紫外線の量が増加するにつれて量子ドット層から放出される青色光の強度が増加し、放出された青色光がカラーフィルタを介して光電変換素子に再吸収されることがわかる。
図１８は、太陽光（Ｓｕｎｌｉｇｈｔ）の照射時間に応じて変化する本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサの電圧感知マージン（ΔＶｄａｒｋ−ｐｈｏｔｏ）を示したグラフである。
図１８は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用した。
ＵＶ３の高い紫外線指数を有する晴れの天気（Ｃｌｅａｒ ｗｅａｔｈｅｒ：ｈｉｇｈ ＵＶ（ＵＶ ｉｎｄｅｘ：３））では、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサは０．９０３Ｖの高い電圧感知マージンを有し、ＵＶ１の低い紫外線指数を有する曇りの天気（Ｃｌｏｕｄｙ ｗｅａｔｈｅｒ：ｌｏｗ ＵＶ（ＵＶ ｉｎｄｅｘ：１））では、０．７１５Ｖと比較的低い電圧感知マージンを有することがわかる。
また、晴れの天気及び曇りの天気の両方において、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサが、量子ドット層を含まないイメージセンサよりも高い電圧感知マージンを示した。
図１９は、太陽光（Ｓｕｎｌｉｇｈｔ）の照射時間に応じて変化する、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージを示したものである。
図１９は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコアシェル量子ドットを含む青色量子ドット層を使用した。
図１９を参照すると、本発明の実施例に係る量子ドット層を含むイメージセンサを用いて撮影されたイメージは、単位面積当たりの紫外線の強度をエネルギーで示した値（１，７８５μＷ／ｃｍ２、２，６５０μＷ／ｃｍ２、２，８７９μＷ／ｃｍ２、２，１１４μＷ／ｃｍ２、１，１８５μＷ／ｃｍ２、及び４４２μＷ／ｃｍ２）が増加するにつれて量子ドット層から放出される青色光の強度が増加し、放出された青色光がカラーフィルタを介して光電変換素子に再吸収されることがわかる。
一方、本明細書と図面に開示された本発明の実施例は、理解を助けるために特定の例を提示したものに過ぎず、本発明の範囲を限定しようとするものではない。ここに開示された実施例以外にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例が実施可能であるということは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかである。
Ｐ１ 第１可視光
Ｐ２ 第２可視光
１１０ 基板
１２０ 光電変換素子
１３０ 配線層
１４０Ｒ 赤色カラーフィルタ
１４０Ｇ 緑色カラーフィルタ
１４０Ｂ 青色カラーフィルタ
１５０ 量子ドット層
１５１ 量子ドット
１６０ マイクロレンズ

Claims (13)

  1. 基板上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子と、
    前記光電変換素子が形成された基板上に形成される配線層と、
    前記配線層上に形成され、前記光電変換素子に対応して形成されるカラーフィルタと、
    前記カラーフィルタ上に形成され、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドット層とを含むことを特徴とする、量子ドット層を含むイメージセンサ。
  2. 前記光電変換素子には第１可視光及び第２可視光が入射され、
    前記第１可視光は、前記量子ドット層を介して透過する可視光であり、前記第２可視光は、前記量子ドット層に吸収されて発光する特定の波長領域の可視光であることを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  3. 前記量子ドット層は、紫外線波長帯域の光をエネルギーダウンシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｄｏｗｎ−ｓｈｉｆｔ）させて前記第２可視光を発光することを特徴とする、請求項２に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  4. 前記量子ドット層は、赤外線波長帯域の光をエネルギーアップシフト（ｅｎｅｒｇｙ−ｕｐ−ｓｈｉｆｔ）させて前記第２可視光を発光することを特徴とする、請求項２に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  5. 前記量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光は透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して青色の可視光を増幅させる青色量子ドット層であることを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  6. 前記量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光は透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して赤色の可視光を増幅させる赤色量子ドット層であることを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  7. 前記量子ドット層は、青色、緑色及び赤色の可視光線波長帯域の光は透過させ、紫外線波長帯域の光又は赤外線波長帯域の光のみを選択的に吸収して緑色の可視光を増幅させる緑色量子ドット層であることを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  8. 前記量子ドット層は、量子ドットの濃度によって透過率（ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）が制御されることを特徴とする、請求項２に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  9. 前記量子ドット層は、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＰＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＡｌＰＡｓ、及びそれらの組み合わせのうちの少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  10. 前記量子ドット層は、ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドット、またはＭｎ−ｄｏｐｅｄ ＣｄＺｎＳ／ＺｎＳコア／シェル量子ドットを含むことを特徴とする、請求項９に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  11. 前記光電変換素子は、シリコンベースのフォトダイオードであることを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  12. 前記量子ドット層を含むイメージセンサは、
    前記量子ドット層の上部又は下部にマイクロレンズをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット層を含むイメージセンサ。
  13. 基板上に複数のピクセル領域に対応して形成される光電変換素子と、
    前記光電変換素子が形成された基板上に形成される配線層と、
    前記配線層上に形成され、前記光電変換素子に対応して形成されるカラーフィルタとを含み、
    前記カラーフィルタのうちの少なくとも１つは、光を吸収して特定の波長領域の可視光として発光する量子ドットを含むことを特徴とする、量子ドットを含むイメージセンサ。
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