JP2021125691A - イメージセンサ及び電子装置 - Google Patents

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勇 完 陳
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敬 培 朴
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Sung Young Yun
晟 榮 尹
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Abstract

【課題】イメージセンサ及び電子装置を提供する。【解決手段】イメージセンサ３００は、半導体基板２００上に第１色の波長スペクトルの光を感知する第１光感知素子１００と、半導体基板２００内に第２色の波長スペクトルの光を感知する第２光感知素子２１０と、第３色の波長スペクトルの光を感知する第３光感知素子２２０と、を備え、半導体基板２００の厚さ方向に、第１光感知素子１００と第２光感知素子２１０とが重畳し、第１光感知素子１００と第３光感知素子２２０とが重畳し、第２光感知素子２１０と第３光感知素子２２０とは重畳せず、第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０は、ドーピング領域２１０ｄ、２２０ｄを有し、第３光感知素子２２０の上部面２２０ｐは、第２光感知素子２１０の上部面２１０ｐよりも半導体基板２００表面２００ｓから深く、ドーピング領域２２０ｄは、ドーピング領域２１０ｄよりも厚い。【選択図】図４

Description

本発明は、イメージセンサ及び電子装置に関する。
カメラなどの映像機器は、映像を撮影して電気的信号に貯蔵する撮像素子を含み、撮像素子は、入射する光を波長に応じて分解してそれぞれの成分を電気的信号に変換するイメージセンサを含む。
特開２０１７−０１１２７３号公報
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、感度及び色分離特性を改善したイメージセンサ及びこれを含む電子装置を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるイメージセンサは、半導体基板上に位置して第１色の波長スペクトルの光を感知する第１光感知素子と、前記半導体基板内に集積されて第２色の波長スペクトルの光を感知する第２光感知素子と、前記半導体基板内に集積されて第３色の波長スペクトルの光を感知する第３光感知素子と、を備え、前記第１光感知素子と前記第２光感知素子とは、前記半導体基板の厚さ方向に互いに重畳し、前記第１光感知素子と前記第３光感知素子とは、前記半導体基板の厚さ方向に互いに重畳し、前記第２光感知素子と前記第３光感知素子とは、前記半導体基板の厚さ方向に重畳せず、前記第２光感知素子及び前記第３光感知素子は、それぞれ前記半導体基板の表面から近い上部面、前記上部面に対向する下部面、及び前記上部面と前記下部面との間のドーピング領域を有し、前記第３光感知素子の上部面は、前記第２光感知素子の上部面よりも前記半導体基板の表面から深く位置し、前記第３光感知素子のドーピング領域は、前記第２光感知素子のドーピング領域よりも厚い。
前記イメージセンサは、色フィルターを含み得ない。
前記イメージセンサは、前記半導体基板と前記第１光感知素子との間に位置する絶縁膜を更に含み得る。
前記第３光感知素子の上部面は、前記第２光感知素子の上部面よりも約３００ｎｍ以上更に深く位置し得る。
前記第２光感知素子の上部面は、前記半導体基板の表面から約０〜２００ｎｍの深さに位置し得る。
前記第３光感知素子の、前記第２色に対する前記第３色の波長選択性は、前記第３光感知素子の上部面の前記半導体基板の表面からの深さＤ３によって異なり、前記第３光感知素子は、下記関係式１を満たす深さＤ３に形成され得る。
［関係式１］
ＥＱＥ（λ３）≧３×ＥＱＥ（λ２）
上記関係式１中、
ＥＱＥ（λ３）は、前記第３光感知素子の上部面の深さがＤ３であるとき、前記第３光感知素子の第３色の波長スペクトルに属する波長λ３での外部量子効率であり、
ＥＱＥ（λ２）は、前記第３光感知素子の上部面の深さがＤ３であるとき、前記第３光感知素子の第２色の波長スペクトルに属する波長λ２での外部量子効率である。
前記第３光感知素子の上部面の深さＤ３は、約４００ｎｍ〜１μｍであり得る。
前記第３光感知素子のドーピング領域は、前記第２光感知素子のドーピング領域よりも約１．５倍〜５倍厚くなり得る。
前記第３光感知素子の第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率は、前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さによって異なり、前記第３光感知素子のドーピング領域は、下記関係式２を満たす厚さを有し得る。
［関係式２］
２．５×ＥＱＥ（Ｔ３）≧ＥＱＥ（Ｔ２）
上記関係式２中、
ＥＱＥ（Ｔ３）は、前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さがＴ３であるとき、前記第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率であり、
ＥＱＥ（Ｔ２）は、前記第２光感知素子のドーピング領域の厚さがＴ２であるとき、前記第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率であり、
Ｔ３＞Ｔ２である。
前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さＴ３は、約１μｍ以上であり得る。
前記第２光感知素子のドーピング領域の厚さＴ２は、約２００ｎｍ〜８００ｎｍであり得る。
前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さＴ３は、１μｍ〜３μｍであり、前記第２光感知素子のドーピング領域の厚さＴ２は、３００ｎｍ〜７００ｎｍであり得る。
前記第２光感知素子の第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率は、前記第３光感知素子の第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率よりも１．１倍〜２．５倍更に高くなり得る。
前記イメージセンサの前記第１色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率、前記第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率、及び前記第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率の間の差は、それぞれ約５０％以下であり得る。
前記第３色の波長スペクトルは、前記第２色の波長スペクトルよりも長波長であり得る。
前記第１色は緑色であり、前記第２色は青色であり、前記第３色は赤色であり得る。
前記第１光感知素子は、互いに対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する有機光電変換層と、を含み得る。
前記イメージセンサは、前記半導体基板と前記第１光感知素子との間に位置する絶縁膜を更に含み、前記第１電極は、前記絶縁膜内に埋め込まれ得る。
前記第１光感知素子は、前記第１電極と前記有機光電変換層との間、及び前記第２電極と前記有機光電変換層との間のうちの１つに位置するバッファー層を更に含み、前記バッファー層は、ランタノイド元素、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの合金を含み得る。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による電子装置は、前記イメージセンサを含む。
本発明によれば、イメージセンサの工程を単純化して製造コストを節減し、且つ感度及び色分離特性を改善して信頼性を高めることができる。
本発明の一実施形態によるイメージセンサの積層構造の一例を示す平面図である。 図１のイメージセンサの積層構造で上部に位置する光感知素子の一例を示す平面図である。 図１のイメージセンサの積層構造で下部に位置する半導体基板内に集積された光感知素子の配列の一例を示す平面図である。 図１のイメージセンサの一例を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態による電子装置の概略的なダイアグラムである。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、実際に適用される構造は、様々な異なる形態で具現され、ここで説明する実施形態に限定されない。
図面では様々な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示している。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の「上に」あるという場合、これは他の部分の「直上に」ある場合だけでなく、その中間にまた他の部分がある場合も含む。逆に、ある部分が他の部分の「直上」にあるという場合は、その中間に他の部分がないことを意味する。
図面では本実施形態を明確に説明するために説明上不要な部分を省略し、明細書全体に亘って同一又は類似の構成要素については同じ参照符号を付した。
本明細書において、「下部」及び「上部」の用語は、説明の便宜のためであり、位置関係を限定するものではない。
本明細書において、イメージセンサの上部を受光面（ｌｉｇｈｔ−ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｓｉｄｅ）として説明するが、これは説明の便宜のためであり、位置関係を限定するものではない。
以下で別途の定義がない限り、「置換」とは、化合物中の水素原子が、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、アジド基、アミジノ基、ヒドラジノ基、ヒドラゾノ基、カルボニル基、カルバモイル基、チオール基、エステル基、カルボキシル基又はその塩、スルホン酸基又はその塩、燐酸又はその塩、シリル基、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数２〜２０のアルケニル基、炭素数２〜２０のアルキニル基、炭素数６〜３０のアリール基、炭素数７〜３０のアリールアルキル基、炭素数１〜３０のアルコキシ基、炭素数１〜２０のヘテロアルキル基、炭素数３〜２０のヘテロアリール基、炭素数３〜２０のヘテロアリールアルキル基、炭素数３〜３０のシクロアルキル基、炭素数３〜１５のシクロアルケニル基、炭素数６〜１５のシクロアルキニル基、炭素数３〜３０のヘテロシクロアルキル基、及びこれらの組み合わせから選択される置換基で置換されたことを意味する。
以下で別途の定義がない限り、「ヘテロ」とは、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｉ、及びＰから選択されるヘテロ原子を１〜４個含有するものを意味する。
以下で「組み合わせ」とは、混合及び２つ以上の積層構造を含む。
以下で別途の定義がない限り、エネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）は、最高被占軌道（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ：ＨＯＭＯ）エネルギー準位又は最低空軌道（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ：ＬＵＭＯ）エネルギー準位である。
以下で別途の定義がない限り、仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）又はエネルギー準位は、真空レベル（ｖａｃｕｕｍ ｌｅｖｅｌ）からの絶対値で示される。また、仕事関数又はエネルギー準位が深い、高い、又は大きいということは真空レベルを「０ｅＶ」として絶対値が大きいことを意味し、仕事関数又はエネルギー準位が浅い、低い、又は小さいということは真空レベルを「０ｅＶ」として絶対値が小さいことを意味する。
以下、本発明の一実施形態によるイメージセンサを説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの積層構造の一例を示す平面図であり、図２は、図１のイメージセンサの積層構造で上部に位置する光感知素子の一例を示す平面図であり、図３は、図１のイメージセンサの積層構造で下部に位置する半導体基板内に集積された光感知素子の配列の一例を示す平面図であり、図４は、図１のイメージセンサの一例を概略的に示す断面図である。
図１〜図４を参照すると、本実施形態によるイメージセンサ３００は、第１光感知素子１００と半導体基板２００とが積層された積層型イメージセンサである。
第１光感知素子１００は、所定の波長領域の光を吸収して光電変換する光電変換素子である。第１光感知素子１００は、光が入射する側、即ち受光面の全面（ｗｈｏｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ）に配置され、可視光線領域のうちの一部である第１色の波長スペクトルの光を選択的に吸収して光電変換する。第１色の波長スペクトルの光は、三原色（ｔｈｒｅｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｌｏｒｓ）の光のうちの１つである。例えば、第１色の波長スペクトルの光は、青色波長領域の光（以下、「青色光」という）、緑色波長領域の光（以下、「緑色光」という）、又は赤色波長領域の光（以下、「赤色光」という）である。例えば、第１色の波長スペクトルの光は、緑色光又は赤色光である。例えば、第１色の波長スペクトルの光は緑色光である。
ここで青色光、緑色光、又は赤色光を選択的に吸収するということは、吸光スペクトルの最大吸収波長（λｍａｘ）が約３８０ｎｍ以上５００ｎｍ未満、約５００ｎｍ〜６００ｎｍ、又は約６００ｎｍ超７００ｎｍ以下に存在し、当該波長領域内の吸光スペクトルがその他の波長領域の吸光スペクトルよりも顕著に高いことを意味し、ここで顕著に高いということは、吸光スペクトルの総面積に対して、例えば約７０％〜１００％、約７５％〜１００％、約８０％〜１００％、約８５％〜１００％、約９０％〜１００％、又は約９５％〜１００％が当該波長領域に属するものである。
第１光感知素子１００は、互いに対向する下部電極１３１及び上部電極１３２と、下部電極１３１と上部電極１３２との間に位置する光電変換層１３３と、選択的にバッファー層（１３４、１３５）と、を含む。
下部電極１３１及び上部電極１３２のうちのいずれか１つはアノード（ａｎｏｄｅ）であり、他の１つはカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）である。例えば、下部電極１３１はアノードであり、上部電極１３２はカソードである。或いは、下部電極１３１はカソードであり、上部電極１３２はアノードである。
下部電極１３１及び上部電極１３２はそれぞれ透明電極である。透明電極は、約８０％以上の透過率を有し、例えば約８５％以上、約８８％以上、又は約９０％以上の透過率を有する。透明電極は、例えば酸化物導電体、炭素導電体、及び金属薄膜のうちの少なくとも１つを含み、酸化物導電体は、例えばインジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎ ｃｏｘｉｄｅ、ＩＺＯ）、亜鉛錫酸化物（ｚｉｎｃ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ、ＺＴＯ）、アルミニウム錫酸化物（Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ、ＡｌＴＯ）、及びアルミニウム亜鉛酸化物（Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ、ＡＺＯ）から選択される１つ以上であり、炭素導電体は、グラフェン及び炭素ナノ体から選択される１つ以上であり、金属薄膜は、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、これらの合金又はこれらの組み合わせを含む非常に薄い薄膜である。上部電極１３２は、受光電極（ｌｉｇｈｔ−ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）である。
光電変換層１３３は、可視光線領域のうちの一部である第１色の波長スペクトルの光を選択的に吸収して電気的信号に変換する。光電変換層１３３は、第１色の波長スペクトルを除いた残りの光をそのまま透過させる。第１色の波長スペクトルの光は、例えば青色光、緑色光、又は赤色光である。例えば、第１色の波長スペクトルの光は、緑色光又は赤色光である。例えば、第１色の波長スペクトルの光は緑色光である。
光電変換層１３３は、少なくとも１つのｐ型半導体と少なくとも１つのｎ型半導体とがｐｎ接合（ｐｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を形成し、外部から光を受けてエキシトン（ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成した後、生成されたエキシトンを正孔と電子とに分離する。
ｐ型半導体及びｎ型半導体はそれぞれ吸光物質であり、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは有機吸光物質である。一例として、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは第１色の波長スペクトルの光を選択的に吸収する波長選択性吸光物質であり、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは波長選択性有機吸光物質である。ｐ型半導体及びｎ型半導体は、互いに同一又は異なる波長領域でピーク吸収波長（λｍａｘ）を有する。
一例として、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは、約５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する緑色光吸収物質であり、例えば約５２０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長領域で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する緑色光吸収物質である。
一例として、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは、約５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する有機緑色光吸収物質であり、例えば約５２０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長領域で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する有機緑色光吸収物質である。
一例として、ｐ型半導体は、約５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する有機緑色光吸収物質であり、例えば約５２０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長領域で最大吸収波長（λｍａｘ）を有する有機緑色光吸収物質である。
一例として、ｐ型半導体のＨＯＭＯエネルギー準位は約５．０〜６．０ｅＶであり、上記の範囲内で約５．１〜５．９ｅＶ、約５．２〜５．８ｅＶ、又は約５．３〜５．８ｅＶである。一例として、ｐ型半導体のＬＵＭＯエネルギー準位は約２．７〜４．３ｅＶであり、上記の範囲内で約２．８〜４．１ｅＶ又は約３．０〜４．０ｅＶである。一例として、ｐ型半導体のエネルギーバンドギャップは約１．７〜２．３ｅＶであり、上記の範囲内で約１．８〜２．２ｅＶ又は約１．９〜２．１ｅＶである。
一例として、ｐ型半導体は、電子供与モイエティ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｏｎａｔｉｎｇ ｍｏｉｅｔｙ：ＥＤＭ）、π共役連結モイエティ（π−ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ ｌｉｎｋｉｎｇ ｍｏｉｅｔｙ：ＬＭ）、及び電子受容モイエティ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｃｃｅｐｔｉｎｇ ｍｏｉｅｔｙ：ＥＡＭ）を含むコア構造を有する有機物である。
一例として、ｐ型半導体は、下記化学式Ａで表されるが、これに限定されるものではない。
［化学式Ａ］
ＥＤＭ−ＬＭ−ＥＡＭ
上記化学式Ａ中、
ＥＤＭは、電子供与モイエティであり、
ＥＡＭは、電子受容モイエティであり、
ＬＭは、電子供与モイエティと電子受容モイエティとを連結するπ共役連結モイエティである。
一例として、化学式Ａで表されるｐ型半導体は、例えば下記化学式Ａ−１で表される。
Figure 2021125691
 ［化学式Ａ−１］
上記化学式Ａ−１中、
Ｘは、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、ＳＯ、ＳＯ２、又はＳｉＲａＲｂであり、
Ａｒは、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリーレン基、置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロ環基、又はこれらの中から選択される２以上の縮合環であり、
Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、それぞれ独立して、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリール基又は置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基であり、
Ｒ１ａ〜Ｒ３ａ、Ｒａ及びＲｂは、それぞれ独立して、水素、重水素、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、ハロゲン、シアノ基、又はこれらの組み合わせであり、
Ｒ１ａ〜Ｒ３ａ、Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、それぞれ独立して存在又は隣接する２個が互いに結合して縮合環を形成する。
一例として、化学式Ａ−１中のＡｒ１ａ及びＡｒ２ａは、それぞれ独立して、置換若しくは非置換のフェニル基、置換若しくは非置換のナフチル基、置換若しくは非置換のアントラセニル基、置換若しくは非置換のフェナントレニル基、置換若しくは非置換のピリジニル（ｐｙｒｉｄｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のピリダジニル（ｐｙｒｉｄａｚｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のピリミジニル（ｐｙｒｉｍｉｄｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のピラジニル（ｐｙｒａｚｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のキノリニル（ｑｕｉｎｏｌｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のイソキノリニル（ｉｓｏｑｕｉｎｏｌｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のナフチリジニル（ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のシノリニル（ｃｉｎｎｏｌｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のキナゾリニル（ｑｕｉｎａｚｏｌｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のフタラジニル（ｐｈｔｈａｌａｚｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のベンゾトリアジニル（ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のピリドピラジニル（ｐｙｒｉｄｏｐｙｒａｚｉｎｙｌ）基、置換若しくは非置換のピリドピリミジニル（ｐｙｒｉｄｏｐｙｒｉｍｉｄｉｎｙｌ）基、及び置換若しくは非置換のピリドピリダジニル（ｐｙｒｉｄｏｐｙｒｉｄａｚｉｎｙｌ）基から選択される。
一例として、化学式Ａ−１中のＡｒ１ａ及びＡｒ２ａは、互いに縮合して環を形成し、Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、例えば単結合、−（ＣＲｇＲｈ）ｎ２−（ｎ２は１又は２）、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｎ＝、−ＮＲｉ−、−ＳｉＲｊＲｋ−、及び−ＧｅＲｌＲｍ−から選択される１つで連結されて環を形成する。ここでＲｇ〜Ｒｍは、それぞれ独立して、水素、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、置換若しくは非置換の炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン、シアノ基、又はこれらの組み合わせである。
一例として、化学式Ａ−１中のＲ１ａ及びＡｒ１ａは、互いに縮合して環を形成し、例えば単結合、−（ＣＲｇＲｈ）ｎ２−（ｎ２は１又は２）、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｎ＝、−ＮＲｉ−、−ＳｉＲｊＲｋ−、及び−ＧｅＲｌＲｍ−から選択される１つで連結されて環を形成する。ここでＲｇ〜Ｒｍは、上述した通りである。
一例として、化学式Ａ−１で表されるｐ型半導体は、例えば下記化学式Ａ−２〜Ａ−７のうちのいずれか１つで表される。
Figure 2021125691
上記化学式Ａ−２〜Ａ−７中、
Ｘ及びＲ１ａ〜Ｒ３ａは、上述した通りであり、
Ａｒ３は、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリーレン基、置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロ環基、又はこれらの中から選択される２以上の縮合環であり、
Ｇは、単結合、−（ＣＲｇＲｈ）ｎ２−（ｎ２は１又は２）、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｎ＝、−ＮＲｉ−、−ＳｉＲｊＲｋ−、又は−ＧｅＲｌＲｍ−であり、ここでＲｇ〜Ｒｍは、それぞれ独立して、水素、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、ハロゲン、シアノ基、又はこれらの組み合わせであり、ＲｇとＲｈ、ＲｊとＲｋ、及びＲｌとＲｍは、それぞれ独立して存在又は互いに連結されて環を形成し、
Ｙ２は、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＣ（Ｒｑ）（ＣＮ）（ここでＲｑは水素、シアノ基（−ＣＮ）、及び炭素数１〜１０のアルキル基から選択される）から選択され、
Ｒ６ａ〜Ｒ６ｄ、Ｒ７ａ〜Ｒ７ｄ、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒｇ及びＲｈは、それぞれ独立して、水素、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、ハロゲン、シアノ基、又はこれらの組み合わせであり、
Ｒ１ａ〜Ｒ３ａ、Ｒ６ａ〜Ｒ６ｄ、及びＲ７ａ〜Ｒ７ｄは、それぞれ独立して存在又は互いに隣接する２個が互いに連結されて縮合環を形成する。
一例として、化学式Ａ−２、Ａ−４、及び／又はＡ−６中のＡｒ３は、ベンゼン、ナフチレン、アントラセン、チオフェン、セレノフェン、テルロフェン、ピリジン、ピリミジン、又はこれらの中から選択される２以上の縮合環である。
一例として、ｎ型半導体は、有機物、無機物、又は有機−無機物である。
一例として、ｎ型半導体のＬＵＭＯエネルギー準位は約３．６〜４．８ｅＶであり、上記の範囲内で約３．８〜４．６ｅＶ又は約３．９〜４．５ｅＶである。
一例として、ｎ型半導体は、例えばチオフェン又はチオフェン誘導体、フラーレン又はフラーレン誘導体であるが、これらに限定されるものではない。
光電変換層３０は、ｐ型半導体とｎ型半導体とがバルクヘテロ接合（ｂｕｌｋ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ）形態で混合された真性層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｌａｙｅｒ、Ｉ層）である。このとき、ｐ型半導体とｎ型半導体とは約１：９〜９：１の体積（かさ）比で混合され、上記の範囲内で、例えば約２：８〜８：２の体積（かさ）比で混合され、上記の範囲内で、例えば約３：７〜７：３の体積（かさ）比で混合され、上記の範囲内で、例えば約４：６〜６：４の体積（かさ）比で混合され、上記の範囲内で、例えば約５：５の体積（かさ）比で混合される。
光電変換層３０は、上述したｐ型半導体を含むｐ型層と上述したｎ型半導体を含むｎ型層とを含む二重層を含む。このとき、ｐ型層とｎ型層とのかさ比は約１：９〜９：１であり、上記の範囲内で、例えば約２：８〜８：２、約３：７〜７：３、約４：６〜６：４、又は約５：５である。
光電変換層３０は、真性層以外にも、ｐ型層及び／又はｎ型層を更に含む。ｐ型層は、上述したｐ型半導体を含み、ｎ型層は、上述したｎ型半導体を含む。例えば、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層などの多様な組み合わせで含まれる。
光電変換層１３３は、第１光感知素子１００の全面（ｗｈｏｌｅ ｓｕｒｆａｃｅ）に形成される。これにより、第１光感知素子１００の全面で第１色の波長スペクトルの光を選択的に吸収し、光面積を増大させて高い吸光効率を有する。
光電変換層３０は約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有し、上記の範囲内で約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する。上記の範囲の厚さを有することによって、光を効果的に吸収し、正孔と電子とを効果的に分離及び伝達することによって光電変換効率を効果的に改善することができる。
バッファー層（１３４、１３５）は、下部電極１３１と光電変換層１３３との間及び／又は上部電極１３２と光電変換層１３３との間に配置される。
バッファー層（１３４、１３５）は、それぞれ独立して、正孔伝達層、正孔注入層、正孔抽出層、電子遮断層、電子伝達層、電子注入層、電子抽出層、正孔遮断層、又はこれらの組み合わせである。
一例として、バッファー層（１３４、１３５）は、光電変換層１３３から分離された第１電荷（例えば正孔又は電子）及び第２電荷（例えば電子又は正孔）をそれぞれ下部電極１３１及び上部電極１３２に効果的に伝達又は抽出させると共に、外部からの電圧印加時に下部電極１３１から光電変換層１３３に第２電荷が逆に注入又は伝達されるか、又は上部電極１３２から光電変換層１３３に第１電荷が逆に注入又は伝達されることを遮断する。これにより、第１光感知素子１００の光電変換効率を高めると共に暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）及び残留電子（ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒｓ）を効果的に減らして、第１光感知素子１００の電気的特性を改善させることができる。
バッファー層（１３４、１３５）のうちの１つは、有機バッファー層である。
一例として、有機バッファー層は、下記化学式Ｂ−１又はＢ−２で表される化合物である。
Figure 2021125691
上記化学式Ｂ−１又はＢ−２中、
Ｍ１及びＭ２は、それぞれ独立して、ＣＲｎＲｏ、ＳｉＲｐＲｑ、ＮＲｒ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、又はＴｅであり、
Ａｒ１ｂ、Ａｒ２ｂ、Ａｒ３ｂ及びＡｒ４ｂは、それぞれ独立して、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリール基又は置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基であり、
Ｇ２及びＧ３は、それぞれ独立して、単結合、−（ＣＲｓＲｔ）ｎ３−、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｎ＝、−ＮＲｕ−、−ＳｉＲｖＲｗ−、又は−ＧｅＲｘＲｙ−であり、ここでｎ３は、１又は２であり、
Ｒ３０〜Ｒ３７及びＲｎ〜Ｒｙは、それぞれ独立して、水素、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換若しくは非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換若しくは非置換の炭素数３〜３０のヘテロ環基、置換若しくは非置換の炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン、又はシアノ基である。
上記化学式Ｂ−１又はＢ−２で表される化合物は、例えば下記化学式Ｂ−３又はＢ−４で表される化合物である。
Figure 2021125691
上記化学式Ｂ−３又はＢ−４中、
Ｍ１、Ｍ２、Ｇ２、Ｇ３、Ｒ３０〜Ｒ３７は、上述した通りであり、
Ｒ３８〜Ｒ４５は、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン、又はシアノ基である。
上記化学式Ｂ−３又はＢ−４で表される化合物は、例えば下記化学式Ｂ−５又はＢ−６で表現される化合物である。
Figure 2021125691
上記化学式Ｂ−５又はＢ−６中、Ｒ３８〜Ｒ４５、Ｒｏ、及びＲｎは、上述した通りである。
一例として、有機バッファー層は、高い電荷移動度を有する低分子有機半導体、高分子半導体、又はこれらの組み合わせを含み、これにより、有機バッファー層の電荷移動度は、上述した光電変換層１３３の電荷移動度よりも高くなる。例えば、有機バッファー層の電荷移動度は、光電変換層１３３の電荷移動度よりも約５０倍以上高く、上記の範囲内で、約７０倍以上、約８０倍以上、約１００倍以上、約１２０倍以上、約１５０倍以上、約２００倍以上、約３００倍以上、約５００倍以上、約８００倍以上、又は約１，０００倍以上高い。例えば、有機バッファー層の電荷移動度は、例えば約１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、上記の範囲内で、例えば約１．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１．５×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１．８×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約２．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約３．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約４．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、又は約５．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上である。例えば、有機バッファー層の電荷移動度は、例えば約１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓであり、上記の範囲内で、例えば約１．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約１．５×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約１．８×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約２．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約３．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約４．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、又は約５．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓである。
例えば、有機バッファー層は、約３，０００以下の平均分子量を有する低分子有機半導体を含む。例えば、有機バッファー層は、芳香族化合物及び／又はヘテロ芳香族化合物を含み、例えば縮合多環芳香族化合物（ｆｕｓｅｄ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、縮合多環ヘテロ芳香族化合物（ｆｕｓｅｄ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ｈｅｔｅｒｏａｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、又はこれらの組み合わせを含み、例えばペンタセン（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）などの縮合多環芳香族化合物及び／又は少なくとも１つのＯ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｎ、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物を含み、例えば少なくとも１つのＯ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物を含む。例えば、有機バッファー層は、４つ以上の環が互いに縮合しているコンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）な平面構造を有する縮合多環芳香族化合物及び／又は縮合多環ヘテロ芳香族化合物を含み、例えば５個、６個、７個、８個、９個、１０個、１１個、又は１２個の環が縮合した縮合多環芳香族化合物及び／又は縮合多環ヘテロ芳香族化合物を含む。例えば、有機バッファー層は、少なくとも１つのベンゼン環を含む縮合多環芳香族化合物及び／又は縮合多環ヘテロ芳香族化合物を含む。例えば、有機バッファー層は、少なくとも１つのチオフェン、セレノフェン、及び／又はテルロフェンを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
一例として、有機バッファー層は、カルバゾールモイエティを含む化合物を含み、例えば少なくとも３個のカルバゾールモイエティを含む化合物を含む。
例えば、有機バッファー層は、下記化学式Ｃで表される化合物を含む。
Figure 2021125691
 ［化学式Ｃ］
上記化学式Ｃ中、
Ｌ１〜Ｌ３は、それぞれ独立して、置換若しくは非置換の炭素数６〜２０のアリーレン基であり、
Ｒ１〜Ｒ７は、それぞれ独立して、水素、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換若しくは非置換の炭素数６〜２０のアリール基、置換若しくは非置換の炭素数３〜２０のヘテロアリール基、置換若しくは非置換のカルバゾリル基、ハロゲン、シアノ基、又はこれらの組み合わせであり、
Ｒ１〜Ｒ３のうちの少なくとも２つは、置換若しくは非置換のカルバゾリル基を含み、
ｍ１〜ｍ３は、それぞれ独立して、０又は１である。
例えば、有機バッファー層は、下記化学式Ｃ−１〜Ｃ−３のうちのいずれか１つで表される化合物を含む。
Figure 2021125691
上記化学式Ｃ−１〜Ｃ−３中、
Ｌ１〜Ｌ３、Ｒ１、Ｒ４〜Ｒ７、及びｍ１〜ｍ３は、上述した通りであり、
Ｒ８〜Ｒ１７は、それぞれ独立して、水素、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換若しくは非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換若しくは非置換の炭素数６〜２０のアリール基、置換若しくは非置換の炭素数３〜２０のヘテロアリール基、置換若しくは非置換のカルバゾリル基、ハロゲン、シアノ基、又はこれらの組み合わせであり、
ｍ１〜ｍ３は、それぞれ独立して、０又は１である。
例えば、有機バッファー層は、下記化学式Ｃ−４〜Ｃ−７のうちのいずれか１つで表される化合物を含む。
Figure 2021125691
上記化学式Ｃ−４〜Ｃ−７中、
Ｌ１〜Ｌ３は、それぞれ独立して、フェニル基であり、
ｍ１〜ｍ３は、それぞれ独立して、０又は１であり、
Ｒ１〜Ｒ３は、それぞれ独立して、カルバゾリル基又はフェニル基で置換されたカルバゾリル基である。
例えば、有機バッファー層は、下記化学式Ｃ−８又はＣ−９で表される化合物を含む。
Figure 2021125691
上記化学式Ｃ−８又はＣ−９中、
Ｒ８及びＲ１２は、それぞれ独立して、水素又はフェニル基である。
バッファー層（１３４、１３５）のうちの１つは、無機バッファー層である。例えば、無機バッファー層は、ランタノイド元素、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの合金を含む。ランタノイド元素は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）を含む。無機補助層は、例えば約５ｎｍ以下の厚さを有し、上記の範囲内で、約１ｎｍ〜５ｎｍ、約１ｎｍ〜４ｎｍ、約１ｎｍ〜３ｎｍ、又は約１ｎｍ〜２ｎｍの厚さを有する。
バッファー層（１３４、１３５）のうちの１つは、有機−無機バッファー層である。
バッファー層（１３４、１３５）のうちの１つ又は２つは省略することができる。
第１光感知素子１００の上部には、反射防止層（図示せず）を更に含む。反射防止層は、光が入射する側に位置して入射光の反射度を下げることによって光吸収度を更に改善する。反射防止層は、例えば約１．６〜２．５の屈折率を有する物質を含み、例えば上記の範囲の屈折率を有する金属酸化物、金属硫化物、及び有機物のうちの少なくとも１つを含む。反射防止層としては、例えばアルミニウム含有酸化物、モリブデン含有酸化物、タングステン含有酸化物、バナジウム含有酸化物、レニウム含有酸化物、ニオブ含有酸化物、タンタル含有酸化物、チタン含有酸化物、ニッケル含有酸化物、銅含有酸化物、コバルト含有酸化物、マンガン含有酸化物、クロム含有酸化物、テルル含有酸化物、又はこれらの組み合わせなどの金属酸化物；亜鉛スルフィドなどの金属硫化物；又はアミン誘導体などの有機物を含むが、これらに限定されるものではない。
第１光感知素子１００は、上部電極１３２側から光が入射して光電変換層１３３が第１色の波長スペクトルの光を吸収すると内部でエキシトンが生成される。エキシトンは光電変換層１３３で正孔と電子とに分離され、分離された正孔は下部電極１３１及び上部電極１３２のうちの一方のアノード側に移動し、分離された電子は下部電極１３１及び上部電極１３２のうちの他方のカソード側に移動して電流が流れるようになる。分離された電子及び／又は正孔は電荷貯蔵所２５０に集められる。
半導体基板２００は、例えばシリコン基板であり、第２光感知素子２１０、第３光感知素子２２０、電荷貯蔵所２５０、及び伝送トランジスター（図示せず）が集積されている。
第２光感知素子２１０又は第３光感知素子２２０は、イメージセンサ３００の各画素に配置され、第２光感知素子２１０が含まれている画素と第３光感知素子２２０が含まれている画素は、列及び／又は行（例えば、ｘ方向及び／又はｙ方向）に沿って交互に反復的に配列される。このように第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０は、半導体基板２００の表面に並んだ方向（例えば、ｘ方向及び／又はｙ方向）に沿って交互に配列されるため、半導体基板２００の厚さ方向に沿って互いに重畳しない。
第２光感知素子２１０と第３光感知素子２２０とは、半導体基板２００の厚さ方向（例えばｚ方向）に沿って第１光感知素子１００にそれぞれ重畳する。
第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０は、それぞれ半導体基板２００内に所定の厚さに形成された光ダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）である。一例として、第２光感知素子２１０は、半導体基板２００の表面（ここで半導体基板２００の表面は、第２光感知素子１００に近い面）２００ｓから近い上部面２１０ｐ、上部面２１０ｐに対向する下部面２１０ｑ、及び上部面２１０ｐと下部面２１０ｑとの間のドーピング領域２１０ｄを有し、第３光感知素子２２０は、半導体基板２００の表面から近い上部面２２０ｐ、上部面２２０ｐに対向する下部面２２０ｑ、及び上部面２２０ｐと下部面２２０ｑとの間のドーピング領域２２０ｄを有する。
第２光感知素子２１０のドーピング領域２１０ｄ及び第３光感知素子２２０のドーピング領域２２０ｄは、それぞれ導電領域であり、例えばｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントで高濃度にドーピングされている。ｎ型ドーパントは、例えばリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び／又はビスマス（Ｂｉ）であり、ｐ型ドーパントは、例えばホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、及び／又はガリウム（Ｇａ）であるが、これらに限定されるものではない。ｎ型又はｐ型ドーパントのドーピング濃度は、例えば約１×１０１４／ｃｍ２以上であり、例えば約５×１０１４／ｃｍ２以上又は約１×１０１６／ｃｍ２以上であるが、これらに限定されるものではない。
第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０は、半導体基板２００内に光の波長による浸透深さ（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）の差を用いてそれぞれ異なる波長領域の光を感知する。これにより、色フィルターのような別の色分離手段なくても高い色分離特性を示す。
例えば、第２光感知素子２１０は、第１光感知素子１００を通過した光、即ち可視光線領域中の第１色の波長スペクトルの光を除いた光のうちの第２色の波長スペクトルの光を感知し、第３光感知素子２２０は、第１光感知素子１００を通過した光、即ち可視光線領域中の第１色の波長スペクトルの光を除いた光のうちの第３色の波長スペクトルの光を感知する。第２色の波長スペクトルの光及び第３色の波長スペクトルの光は、それぞれ三原色の光のうちの１つであり、第１色、第２色、及び第３色の光は、それぞれ異なる波長領域の光である。例えば、第２色及び第３色の光は、それぞれ青色光、緑色光、又は赤色光であり、例えば青色光又は赤色光である。例えば、第２色の光は青色光であり、第３色の光は赤色光である。
一例として、第３光感知素子２２０は、第２光感知素子２１０よりも半導体基板２００の表面から深く配置され、これにより、第３光感知素子２２０は、第２光感知素子２１０よりも長波長領域の光を感知する。例えば、第３光感知素子２２０で感知する第３色の波長スペクトルは、第２光感知素子２１０で感知する第２色の波長スペクトルよりも長波長領域である。例えば、第３色の波長スペクトルは赤色波長領域であり、第２色の波長スペクトルは、青色波長領域又は緑色波長領域である。例えば、第３色の波長スペクトルは緑色波長領域であり、第２色の波長スペクトルは青色波長領域である。例えば、第１色の波長スペクトルは緑色波長領域であり、第２色の波長スペクトルは青色波長領域であり、第３色の波長スペクトルは赤色波長領域である。
一例として、半導体基板２００の表面２００ｓから第３光感知素子２２０の上部面２１０ｐまでの深さＤ３は、半導体基板２００の表面２００ｓから第２光感知素子２１０の上部面２１０ｐまでの深さＤ２よりも約３００ｎｍ以上更に深い。例えば、第２光感知素子２１０の上部面２１０ｐの深さＤ２は約０〜２００ｎｍであり、第３光感知素子２２０の上部面２２０ｐの深さＤ３は約３００ｎｍ〜１μｍである。例えば、第２光感知素子２１０の上部面２１０ｐは、半導体基板２００の表面と実質的に一致し、第３感知素子２２０の上部面２２０ｐの深さＤ３は、約４００ｎｍ〜１μｍ又は約４００ｎｍ〜８００ｎｍである。
一方、第３光感知素子２２０の深さＤ３は、第３光感知素子２２０の波長選択性（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）に影響を与え、例えば第３光感知素子２２０の深さＤ３は、第３光感知素子２２０の、第２色に対する第３色の波長選択性を考慮して選択される。ここで波長選択性は、例えば第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、ＥＱＥ）に対する第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率の比率で確認される。
一例として、第３光感知素子２２０の深さＤ３は、下記関係式１を満たすように選択される。
［関係式１］
ＥＱＥ（λ３）≧３×ＥＱＥ（λ２）
上記関係式１中、
ＥＱＥ（λ３）は、第３光感知素子の上部面の深さがＤ３であるとき、第３光感知素子の第３色の波長スペクトル内に属する波長λ３での外部量子効率であり、
ＥＱＥ（λ２）は、第３光感知素子の上部面の深さがＤ３であるとき、第３光感知素子の第２色の波長スペクトル内に属する波長λ２での外部量子効率である。
第３光感知素子２２０の深さＤ３が関係式１を満たすことによって、第３光感知素子２２０で第３色の波長スペクトルの感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を高め、第２色の波長スペクトルの感度を抑制することによって、第３光感知素子２２０で感知される波長スペクトルの混用がなく、第３色の波長スペクトルの色分離特性を改善することができる。従って、イメージセンサのクロストーク（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）を減少又は防止することができる。
一例として、第３光感知素子２２０の深さＤ３は、下記関係式１Ａを満たすように選択される。
［関係式１Ａ］
ＥＱＥ（λ３）≧５×ＥＱＥ（λ２）
一例として、第３光感知素子２２０の深さＤ３は、下記関係式１Ｂを満たすように選択される。
［関係式１Ｂ］
ＥＱＥ（λ３）≧７×ＥＱＥ（λ２）
一例として、第３光感知素子２２０の深さＤ３は、下記関係式１Ｃを満たすように選択される。
［関係式１Ｃ］
ＥＱＥ（λ３）≧１０×ＥＱＥ（λ２）
一例として、第３光感知素子２２０は、第２光感知素子２１０よりも厚い。例えば、第３光感知素子２２０のドーピング領域２２０ｄの厚さＴ３は、第２光感知素子２１０のドーピング領域２１０ｄの厚さＴ２よりも約１．５倍以上厚く、上記の範囲内で約１．５倍〜５倍、約１．５倍〜４倍、又は約１．５倍〜３倍厚い。
第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０のドーピング領域（２１０ｄ、２２０ｄ）の厚さ（Ｔ２、Ｔ３）は、それぞれ第２色の波長スペクトル及び第３色の波長スペクトルでのイメージセンサ３００の電気的特性に影響を与える、これにより、第２色の波長スペクトル及び第３色の波長スペクトルでの電気的特性のバランス（ｂａｌａｎｃｅ）を合わせた厚さに形成される。ここで電気的特性は、例えば外部量子効率（ＥＱＥ）である。
一例として、第３光感知素子２２０のドーピング領域２２０ｄの厚さは、下記関係式２を満たすように選択される。
［関係式２］
２．５×ＥＱＥ（Ｔ３）≧ＥＱＥ（Ｔ２）
上記関係式２中、
ＥＱＥ（Ｔ３）は、第３光感知素子のドーピング領域の厚さがＴ３であるとき、第３色の波長スペクトル内に属する波長での外部量子効率であり、
ＥＱＥ（Ｔ２）は、第２光感知素子のドーピング領域の厚さがＴ２であるとき、第２色の波長スペクトル内に属する波長での外部量子効率であり、
Ｔ３＞Ｔ２である。
一例として、第３光感知素子２２０のドーピング領域の厚さは、下記関係式２Ａを満たすように選択される。
［関係式２Ａ］
２×ＥＱＥ（Ｔ３）≧ＥＱＥ（Ｔ２）
一例として、第３光感知素子２２０のドーピング領域の厚さは、下記関係式２Ｂを満たすように選択される。
［関係式２Ｂ］
１．５×ＥＱＥ（Ｔ３）≧ＥＱＥ（Ｔ２）
一例として、第３光感知素子２２０のドーピング領域２２０ｄの厚さＴ３は、約１μｍ以上であり、上記の範囲内で約１μｍ〜３μｍ、約１μｍ〜２．５μｍ、約１μｍ〜２μｍ、約１．２μｍ〜３μｍ、約１．２μｍ〜２．５μｍ、約１．２μｍ〜２μｍである。
一例として、第２光感知素子２１０のドーピング領域２１０ｄの厚さＴ２は、約８００ｎｍ以下であり、上記の範囲内で約２００ｎｍ〜８００ｎｍ、約３００ｎｍ〜７００ｎｍ、又は約４００ｎｍ〜６００ｎｍである。
上記の範囲の厚さを有することによって、第２光感知素子２１０で感知される第２色の波長スペクトルと第３光感知素子２２０で感知される第３色の波長スペクトルでの電気的特性のバランスを合わせることで、イメージセンサの性能を改善することができる。
第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０は、それぞれ第２色の波長スペクトル及び第３色の波長スペクトルの光を感知し、感知された情報は、伝送トランジスターによって伝えられる。電荷貯蔵所２５０は、上述した第１光感知素子１００に電気的に連結されており、電荷貯蔵所２５０の情報は、伝送トランジスターによって伝えられる。
第２光感知素子２１０、第３光感知素子２２０、及び電荷貯蔵所２５０の下部又は上部には、金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成される。金属配線及びパッドは、信号遅延を減らすために低い比抵抗を有する金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びこれらの合金で作られるが、これらに限定されるものではない。
第１光感知素子１００と半導体基板２００との間には絶縁膜（６０、８０）が形成される。一例として、絶縁膜６０は半導体基板２００に当接しており、絶縁膜８０は第１光感知素子１００に当接している。一例として、第１光感知素子１００の下部電極１３１は、絶縁膜８０内に埋め込まれている。一例として、第２光感知素子２１０の上部面２１０ｐは、絶縁膜６０に当接している。
絶縁膜（６０、８０）は、それぞれ独立して酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質、或いはＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質で作られる。絶縁膜（６０、８０）は、電荷貯蔵所２５０を露出するトレンチ８５を有する。トレンチ８５は、充填材で満たされている。絶縁膜（６０、８０）のうちのいずれか１つは、省略することができる。
イメージセンサ３００は、集光レンズ１９０を更に含む。集光レンズ１９０は、第１光感知素子１００の上部に配置され、入射光の方向を制御して光を１つの地点に集める。一例として、第１光感知素子１００と半導体基板２００との間には、集光レンズ１９０が配置されない。集光レンズ１９０は、例えばシリンダー状又は半球状であるが、これらに限定されるものではない。集光レンズ１９０は、画素毎に配置されるか又は複数の画素に亘って配置される。
本実施形態によるイメージセンサ３００は、上述したように、光の波長に応じた浸透深さの差を用いて第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０を配置することによって、色フィルター（ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）のような別の色分離手段を含まない。
このように、色フィルターのような別の色分離手段を形成するための工程を省略することで、製造工程を単純化することができ、これによる製造コストも節減できる。また、工程及び／又は駆動中の色フィルターから流出する有機物による汚染を防止して、イメージセンサの性能低下を防ぐことができる。
また、色フィルターのような色分離手段による透過率の損失を防止することができ、これに伴うイメージセンサの感度を改善することができる。特に、第２色の波長スペクトルの光（例えば青色光）の感度を大きく改善することができ、例えば、上述した構造によるイメージセンサ３００での第２色の波長スペクトル（例えば青色波長領域）に属する波長での外部量子効率は、色フィルターを採用した構造のイメージセンサでの第２色の波長スペクトル（例えば青色波長領域）に属する波長での外部量子効率に比べて、約５％以上、約７％以上、又は約１０％以上高めることができる。
このような第２色の波長スペクトルに対する感度が高くなることによって、第２光感知素子２１０の第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率は、第３光感知素子２２０の第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率よりも高くなり、例えば約１．１倍以上、約１．２倍以上、約１．５倍以上、約１．８倍以上、又は約２倍以上更に高い。上記の範囲内で、第２光感知素子２１０の第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率は、第３光感知素子２２０の第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率よりも約１．１倍〜３倍、約１．２倍〜３倍、約１．５倍〜３倍、約１．８倍〜３倍、約２倍〜３倍、約１．１倍〜２．５倍、約１．２倍〜２．５倍、約１．５倍〜２．５倍、約１．８倍〜２．５倍、又は約２倍〜２．５倍更に高い。
一方、第２色の波長スペクトル（例えば青色波長領域）での外部量子効率の改善に合わせて第２色の波長スペクトル以外の領域、例えば第３色の波長スペクトル（例えば赤色波長領域）での外部量子効率も第２色の波長スペクトルでの外部量子効率とバランスを合わせる必要があり、これにより、第２色の波長スペクトルでの外部量子効率と第３光感知素子２２０の第３色の波長スペクトルでの外部量子効率との差は、約５０％以下に調整する。従って、第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率と第３光感知素子２２０の第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率との差は、約１０％〜５０％、約１２％〜５０％、約１５％〜５０％、約１８％〜５０％、又は約２０％〜５０％である。このような外部量子効率のバランスは、上述した第３光感知素子２２０の深さＤ３及び厚さＴ３によって調整することができる。
一例として、イメージセンサ３００の第１色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率、第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率、及び第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率の間の差は、それぞれ５０％以下であり、約１０％〜５０％、約１２％〜５０％、約１５％〜５０％、約１８％〜５０％、又は約２０％〜５０％である。
本実施形態によるイメージセンサ３００は、半導体基板２００内に配置された第２光感知素子２１０及び第３光感知素子２２０が半導体基板２００の厚さ方向（例えばｚ方向）に重畳しないことで、第２色の波長スペクトルと第３色の波長スペクトルの混用を防止して、クロストークを減少又は防止することができる。
上述したイメージセンサは、映像機器をはじめとする多様な電子装置に適用され、例えば携帯電話、カメラ、カムコーダー、生体認識装置、及び／又は自動車電装部品などに適用されるが、これらに限定されるものではない。
図５は、本発明の一実施形態による電子装置の概略的なダイアグラムである。
図５を参照すると、電子装置１７００は、バス（ｂｕｓ）１７１０を介して電気的に連結されたプロセッサー１７２０、メモリ１７３０、及びイメージセンサ１７４０を含む。イメージセンサ１７４０は、上述した通りである。非一時的なコンピュータ読み取り可能な記憶媒体のメモリ１７３０は、指示プログラムを保存する。プロセッサー１７２０は、１つ以上の機能を行うために保存された指示プログラムを実行する。一例として、プロセッサー１７２０は、イメージセンサ１７４０によって生成された電気的信号を処理する。プロセッサー１７２０は、このような処理に基づいて出力（例えば、ディスプレイインターフェース上に表示されるイメージ）を生成する。
以下、実施例を通じて上述した実施形態をより詳細に説明する。但し、下記の実施例は、単に説明のためのものであり、本発明の権利範囲を制限するものではない。
≪第１光感知素子の製作≫
＜実施例１＞
ガラス基板上にＩＴＯ（ＷＦ：４．９ｅＶ）をスパッタリングで積層して１５０ｎｍ厚さのアノードを形成した。次に、アノードの上に下記化学式Ａで表される化合物を蒸着して、５ｎｍ厚さの下部バッファー層を形成した。次に、下部バッファー層上に下記化学式Ｂで表されるｐ型半導体（λｍａｘ＝５５５ｎｍ）とフラーレン（Ｃ６０）であるｎ型半導体を１：１の体積比（かさ比）で共蒸着して、１００ｎｍ厚さの光電変換層を形成した。次に、光電変換層の上にＹｂを熱蒸着して、１．５ｎｍ厚さの上部バッファー層を形成した。次に、上部バッファー層の上にＩＴＯをスパッタリングして、７ｎｍ厚さのカソードを形成した。次に、カソードの上に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を蒸着して５０ｎｍ厚さの反射防止層を形成してガラス板で封止し、緑色光を選択的に吸収して光電変換する第１光感知素子を製作した。
Figure 2021125691
≪イメージセンサの設計Ｉ≫
実施例１による第１光感知素子を採用した図１〜図４の構造のイメージセンサを設計し、第３光感知素子の厚さＴ３によるイメージセンサの外部量子効率の変化を評価した。
光吸収量は、各層の屈折率（ｎ）、吸光係数（ｋ）、及びｌａｙｅｒ ｇｅｏｍｅｔｒｙからＦｒｅｓｎｅｌ’ｓ ｅｑｕａｔｉｏｎを用いて計算し、外部量子効率（ＥＱＥ）は、有機光電素子及びＳｉフォトダイオードの内部量子効率（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）と上記で計算された光吸収量とを利用して計算した。その結果は、表１の通りである。
Figure 2021125691
表１を参照すると、第３光感知素子（赤色フォトダイオード）の厚さによって外部量子効率が変わることを確認することができ、具体的には、第３光感知素子（赤色フォトダイオード）の厚さが厚いほど、赤色波長領域での外部量子効率が高くなることを確認することができた。
≪イメージセンサの設計ＩＩ≫
実施例１による第１光感知素子を採用した図１〜図４の構造のイメージセンサを設計し、第３光感知素子の厚さＤ３による第３光感知素子の波長領域別外部量子効率を評価した。その結果は、表２の通りである。
Figure 2021125691
表２を参照すると、第３光感知素子（赤色フォトダイオード）の半導体基板の表面からの深さによって波長選択性が異なることを確認することができ、具体的には、第３光感知素子（赤色フォトダイオード）の半導体基板の表面からの深さが深いほど、青色波長領域に対する赤色波長領域の波長選択性が改善されることを確認することができた。
≪イメージセンサの設計ＩＩＩ≫
上述した第１光感知素子を採用した図１〜図４の構造のイメージセンサ（実施例２）及び実施例２によるイメージセンサで第２及び第３光感知素子の深さ及び厚さを同一に変更し、青色フィルター／赤色フィルターを更に備えたイメージセンサ（比較例）を設定し、各波長領域での効率を評価した。その結果は、表３の通りである。
Figure 2021125691
表３を参照すると、色フィルターを使用しない実施例２によるイメージセンサは、色フィルターを使用した比較例によるイメージセンサに比べて、青色光の感度が改善されることを確認することができた。
≪イメージセンサの設計ＩＶ≫
上述した第１光感知素子を採用した図１〜図４の構造のイメージセンサ（実施例２）及び実施例２によるイメージセンサで第２及び第３光感知素子の深さ及び厚さを同一に変更し、青色フィルター／赤色フィルターを更に備えたイメージセンサ（比較例）を設定し、各イメージセンサの漏れ電流を評価した。
漏れ電流は、イメージセンサの温度を６０度に維持したまま、３Ｖのバイアス（ｂｉａｓ）を印加した後、飽和した暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）をｅｌｅｃｔｒｏｎ／ｕｍ２／ｓに換算して評価した。その結果は、表４の通りである。
Figure 2021125691
表４を参照すると、色フィルターを使用しない実施例２によるイメージセンサは、色フィルターを使用した比較例によるイメージセンサに比べて、暗電流が大きく低下したことを確認することができ、これから実施例２によるイメージセンサは、比較例によるイメージセンサに比べて、信頼性を確保できることを確認することができた。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
６０、８０ 絶縁膜
８５ トレンチ
１００ 第１光感知素子
１３１ 下部電極
１３２ 上部電極
１３３ 光電変換層
１３４、１３５ バッファー層
１９０ 集光レンズ
２００ 半導体基板
２００ｓ 表面
２１０ 第２光感知素子
２１０ｄ、２２０ｄ ドーピング領域
２１０ｐ、２２０ｐ 上部面
２１０ｑ、２２０ｑ 下部面
２２０ 第３光感知素子
２５０ 電荷貯蔵所
３００ イメージセンサ
１７００ 電子装置
１７１０ バス（ｂｕｓ）
１７２０ プロセッサー
１７３０ メモリ
１７４０ イメージセンサ

Claims (20)

  1. 半導体基板上に位置して第１色の波長スペクトルの光を感知する第１光感知素子と、
    前記半導体基板内に集積されて第２色の波長スペクトルの光を感知する第２光感知素子と、
    前記半導体基板内に集積されて第３色の波長スペクトルの光を感知する第３光感知素子と、を備え、
    前記第１光感知素子と前記第２光感知素子とは、前記半導体基板の厚さ方向に互いに重畳し、
    前記第１光感知素子と前記第３光感知素子とは、前記半導体基板の厚さ方向に互いに重畳し、
    前記第２光感知素子と前記第３光感知素子とは、前記半導体基板の厚さ方向に重畳せず、
    前記第２光感知素子及び前記第３光感知素子は、それぞれ前記半導体基板の表面から近い上部面、前記上部面に対向する下部面、及び前記上部面と前記下部面との間のドーピング領域を有し、
    前記第３光感知素子の上部面は、前記第２光感知素子の上部面よりも前記半導体基板の表面から深く位置し、
    前記第３光感知素子のドーピング領域は、前記第２光感知素子のドーピング領域よりも厚いことを特徴とするイメージセンサ。
  2. 色フィルターを含まないことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記半導体基板と前記第１光感知素子との間に位置する絶縁膜を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 前記第３光感知素子の上部面は、前記第２光感知素子の上部面よりも３００ｎｍ以上更に深く位置することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  5. 前記第２光感知素子の上部面は、前記半導体基板の表面から０〜２００ｎｍの深さに位置することを特徴とする請求項４に記載のイメージセンサ。
  6. 前記第３光感知素子の、前記第２色に対する前記第３色の波長選択性は、前記第３光感知素子の上部面の前記半導体基板の表面からの深さＤ３によって異なり、
    前記第３光感知素子は、下記関係式１を満たす深さＤ３に形成されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
    ［関係式１］
    ＥＱＥ（λ３）≧３×ＥＱＥ（λ２）
    上記関係式１中、
    ＥＱＥ（λ３）は、前記第３光感知素子の上部面の深さがＤ３であるとき、前記第３光感知素子の第３色の波長スペクトルに属する波長λ３での外部量子効率であり、
    ＥＱＥ（λ２）は、前記第３光感知素子の上部面の深さがＤ３であるとき、前記第３光感知素子の第２色の波長スペクトルに属する波長λ２での外部量子効率である。
  7. 前記第３光感知素子の上部面の深さＤ３は、４００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
  8. 前記第３光感知素子のドーピング領域は、前記第２光感知素子のドーピング領域よりも１．５倍〜５倍厚いことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  9. 前記第３光感知素子の第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率は、前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さによって異なり、
    前記第３光感知素子のドーピング領域は、下記関係式２を満たす厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
    ［関係式２］
    ２．５×ＥＱＥ（Ｔ３）≧ＥＱＥ（Ｔ２）
    上記関係式２中、
    ＥＱＥ（Ｔ３）は、前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さがＴ３であるとき、前記第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率であり、
    ＥＱＥ（Ｔ２）は、前記第２光感知素子のドーピング領域の厚さがＴ２であるとき、前記第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率であり、
    Ｔ３＞Ｔ２である。
  10. 前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さＴ３は、１μｍ以上であることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
  11. 前記第２光感知素子のドーピング領域の厚さＴ２は、２００ｎｍ〜８００ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
  12. 前記第３光感知素子のドーピング領域の厚さＴ３は、１μｍ〜３μｍであり、
    前記第２光感知素子のドーピング領域の厚さＴ２は、３００ｎｍ〜７００ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
  13. 前記第２光感知素子の第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率は、前記第３光感知素子の第３色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率よりも１．１倍〜２．５倍更に高いことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  14. 前記イメージセンサの前記第１色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率、前記第２色の波長スペクトルに属する波長での外部量子効率、及び前記第３色の波長スペクトルに属する外部量子効率の間の差は、それぞれ５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  15. 前記第３色の波長スペクトルは、前記第２色の波長スペクトルよりも長波長であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  16. 前記第１色は緑色であり、前記第２色は青色であり、前記第３色は赤色であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  17. 前記第１光感知素子は、
    互いに対向する第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に位置する有機光電変換層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  18. 前記半導体基板と前記第１光感知素子との間に位置する絶縁膜を更に含み、
    前記第１電極は、前記絶縁膜内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ。
  19. 前記第１光感知素子は、前記第１電極と前記有機光電変換層との間、及び前記第２電極と前記有機光電変換層との間のうちの１つに位置するバッファー層を更に含み、
    前記バッファー層は、ランタノイド元素、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの合金を含むことを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサ。
  20. 請求項１〜１９のいずれか一項に記載のイメージセンサを含むことを特徴とする電子装置。
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