JP6651315B2 - イメージセンサ及びこれを含む電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサ及びこれを含む電子装置に関し、特に、感度及び光効率を改善することができるメージセンサ及びこれを含む電子装置に関する。

光電素子は光電効果を用いて光を電気信号に変換させる素子であって、光ダイオード及び光トランジスタなどを含み、イメージセンサ、太陽電池などに適用される。
光ダイオードを含むイメージセンサは日増しに解像度が高くなっており、これにより画素大きさが小さくなっている。
現在主に使用するシリコン光ダイオードの場合、画素の大きさが小さくなることにより吸収面積が減るため、感度低下が発生することがある。

一方、イメージセンサに光が入射する時、各画素別に特定波長領域の光を選択的に吸収するためにカラーフィルタが使用される。
即ち、赤色画素、青色画素、及び緑色画素にはそれぞれ赤色カラーフィルタ、青色カラーフィルタ、及び緑色カラーフィルタが配置され、それぞれ赤色、青色、及び緑色の光を選択的に吸収することができ、選択的に吸収された光は各画素の光ダイオードに伝達される。

しかしながら、カラーフィルタは、それ自体で光を吸収するので、光ダイオードに伝達される光量に損失が大きいだけでなく、スピンコーティング、ＵＶ露光、湿式エッチングなどの工程を通じて形成されるので、イメージセンサのピクセル大きさを一定の大きさ以下に縮小することに限界があるという問題がある。

本発明は上記従来のイメージセンサにおける問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ピクセル大きさを一定の大きさ以下に縮小しながらも各画素別に波長選択性を高め、感度および光効率を改善することができるイメージセンサを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記イメージセンサ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によるイメージセンサは、複数の光感知素子が集積されている半導体基板と、前記半導体基板の上部に位置し、複数のナノパターンを有するナノパターン層と、を有し、前記複数のナノパターンに含まれる単一のナノパターンは、前記複数の光感知素子に含まれる単一の光感知素子に対応する位置に配置され、前記ナノパターン層は、互いに異なる屈折率を有する第１誘電物質及び第２誘電物質を含み、前記第１誘電物質及び第２誘電物質が互いに異なる領域に形成され、前記ナノパターンは、前記第１誘電物質と第２誘電物質間との境界面によって定義（ｄｅｆｉｎｅ）され、前記単一のナノパターンは、平面図上で、円形環の形状を有し、前記円形環の内部は前記第１誘電物質または前記第２誘電物質を含み、前記円形環の外側領域及び内側領域は、それぞれ前記円形環の内部の誘電物質ではない、前記第２誘電物質または前記第１誘電物質を含むことを特徴とする。

前記単一のナノパターンは、対応する位置にある光感知素子が感知する波長領域の光を透過させることが好ましい。
前記ナノパターンの大きさは、１００ナノメートル以上１マイクロメートル未満であることが好ましい。
前記第１及び第２誘電物質は、０．２以上の屈折率差を有することが好ましい。
前記ナノパターン層の厚さは、１マイクロメートル未満であることが好ましい。
前記ナノパターン層の上部に位置する有機光電素子をさらに含み、前記有機光電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が好ましい。
前記半導体基板に集積されている複数の光感知素子は、第１波長領域の光を感知する第１光感知素子と、前記第１波長領域と異なる第２波長領域の光を感知する第２光感知素子と、を含むことが好ましい。
前記有機光電変換層は、前記第１波長領域及び前記第２波長領域と異なる第３波長領域の光を吸収することが好ましい。

前記第１光感知素子と前記第２光感知素子は水平方向に離隔して位置し、前記第１光感知素子に対応して位置するナノパターンの大きさと、前記第２光感知素子に対応して位置するナノパターンの大きさは、互いにとは、互いに異なることが好ましい。
前記第１光感知素子に対応して位置するナノパターンは、第１波長領域の光を選択的に透過し、前記第２光感知素子に対応して位置するナノパターンは、第２波長領域の光を選択的に透過することが好ましい。
前記第１波長領域は青色波長領域であり、前記第２波長領域は赤色波長領域であり、前記第３波長領域は緑色波長領域であることが好ましい。
前記赤色波長領域は５８０ｎｍ超過７００ｎｍ以下で最大吸収波長（λ_ｍａｘ）を有し、前記青色波長領域は４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大吸収波長（λ_ｍａｘ）を有し、前記緑色波長領域は、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下で最大吸収波長（λ_ｍａｘ）を有することが好ましい。
前記第１光感知素子と前記第２光感知素子は、前記半導体基板の表面から互いに異なる深さに配置されることが好ましい。
前記第１光感知素子は、前記第２光感知素子より長波長領域の光を感知し、
前記第１光感知素子の位置は、前記第２光感知素子の位置より前記半導体基板の表面から深い位置に位置することが好ましい。
前記第１光感知素子と前記第２光感知素子は、上下に積層されて配置されることが好ましい。
前記複数のナノパターンは、前記第３波長領域の光を前記有機光電変換層に選択的に反射することが好ましい。
前記イメージセンサは、有機カラーフィルタを含まないことが好ましい。
前記有機光電変換層はｐ型半導体とｎ型半導体を含み、前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体はｐｎ接合を形成することが好ましい。

上記目的を達成するためになされた本発明による電子装置は、上記本発明によるイメージセンサを有することを特徴とする。

本発明に係るイメージセンサ及びこれを含む電子装置によれば、ピクセルの大きさを一定の大きさ以下に縮小しながらも各画素別に波長選択性を高めてイメージセンサの感度及び光効率を改善することができるという効果がある。

本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す一部断面図である。 図１の‘Ａ’部分を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサに適用したナノパターンを通じて特定領域の波長が選択される原理を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサに適用したナノパターンの多様な形状を例示的に示す平面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサに適用したナノパターン層の一例を示す平面図である。 図５のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す一部断面図である。 図７の‘Ｂ’部分を拡大して示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す一部断面図である。 実施例１によるナノパターン層の１つのナノパターンを示す平面図である。 実施例１によるナノパターン層が上部に導入されたシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードでの青色電場分布図（ａ）及び赤色電場分布図（ｂ）である。 実施例２によるナノパターン層の１つのナノパターンを示す平面図である。 実施例２によるナノパターン層が上部に導入されたシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードでの青色電場分布図（ａ）及び赤色電場分布図（ｂ）である。

次に、本発明に係るイメージセンサ及びこれを含む電子装置を実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。

図面において、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た。明細書全体にわたって類似の部分については同一の図面符号を付けた。層、膜、領域、基板などの部分が他の部分の“上”にあるという時、これは他の部分の“直上”にある場合だけでなく、その中間に他の構成要素がある場合も含む。反対に、ある部分が他の部分の“直上”にあるという時はその中間に他の構成要素がないことを意味する。

図１を参照して本発明の一実施形態によるＣＭＯＳ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ＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す一部断面図である。
図１に示すように、本発明の一実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサ１０００は半導体基板１１０及び半導体基板１１０の上部に位置するナノパターン層７０を含む。

半導体基板１１０は、シリコン基板であってもよく、単結晶のシリコン基板であってもよい。
半導体基板１１０は、複数の光感知素子５０及び伝送トランジスタ（図示せず）が集積されている。
複数の光感知素子５０は、光ダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）であってもよい。

図１では、隣接した青色画素、緑色画素、及び赤色画素を例示的に説明するが、これに限定されるのではない。
以下で、図面符号に‘Ｂ’が含まれている構成要素は青色画素に含まれている構成要素であり、図面符号に‘Ｇ’が含まれている構成要素は緑色画素に含まれている構成要素であり、図面符号に‘Ｒ’が含まれている構成要素は赤色画素に含まれている構成要素を示す。

光感知素子５０及び伝送トランジスタは、各画素ごとに集積され、図面のように、光感知素子５０は青色画素の青色光感知素子５０Ｂ、緑色画素の緑色光感知素子５０Ｇ、及び赤色画素の赤色光感知素子５０Ｒを含む。
光感知素子５０は、光をセンシングし、光感知素子５０によってセンシングされた情報は伝送トランジスタによって伝達される。

半導体基板１１０の上にはまた、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（ｇ）及びこれらの合金から形成できるが、これに限定されるものではない。

金属配線及びパッドの上には絶縁層６０が形成される。
絶縁層６０は、酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素のような無機絶縁物質、又はＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦのような低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質から形成できる。
絶縁層６０は、各画素の光感知素子（５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒ）をそれぞれ露出させるトレンチ（図示せず）を有する。トレンチは、充填材によって満たされている。

絶縁膜６０の上には複数のナノパターンを有するナノパターン層７０が形成される。
複数のナノパターンに含まれる単一のナノパターンは、光感知素子（５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂ）と一対一に対応して配置され、互いに異なる屈折率を有する少なくとも２種の誘電物質（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）を含む。
これに関しては、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、図１の‘Ａ’部分を拡大して示す断面図である。
図２に示すように、複数の光感知素子５０が集積されている半導体基板１１０の上部に複数のナノパターンＰを有するナノパターン層７０が形成される。
それぞれのナノパターン（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）は、それぞれの光感知素子（５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒ）に対応して配置される。

ナノパターンＰは、数ナノメートル（ｎｍ）乃至数百ナノメートル（ｎｍ）の大きさを有し、例えば、可視光波長領域と近似する大きさを有する。
可視光波長領域と近似する大きさを有するナノパターンは、可視光との可干渉性が高くなり、パターンの形状制御を通じて透過する光の波長領域を選択することができるので、所定の大きさを有するナノパターンは、所定の波長領域を有する光を選択的に透過できる。

ナノパターンの大きさ（ｄ１、ｄ２、ｄ３）は、例えば１ナノメートル（ｎｍ）以上１マイクロメートル（μｍ）未満、１０ナノメートル（ｎｍ）以上１マイクロメートル（μｍ）未満、１００ナノメートル（ｎｍ）以上１マイクロメートル（μｍ）未満、又は１５０ナノメートル（ｎｍ）以上１マイクロメートル（μｍ）未満であってもよいが、これに限定されるのではない。
ここで、ナノパターンの大きさとは、ナノパターン層７０を水平方向に切断した断面において一つのナノパターンが有する最長横長さ（幅）を意味する。
一例として、ナノパターンが円形環の形状を有する場合、パターンの大きさは外側円（ｏｕｔｅｒ ｃｉｒｃｌｅ）の直径になる。

図３は、本発明の一実施形態によるイメージセンサに適用したナノパターンを通じて特定領域の波長が選択される原理を説明するための図である。
図３に示すように、ナノパターンＰに入射した光の波面（ｗａｖｅｆｒｏｎｔｓ）はナノパターンＰを構成する屈折率が互いに異なる誘電物質Ｍ１、Ｍ２の間で干渉を起こし、これにより、特定領域の波長の光がナノパターンＰを透過できるようになる。
ここで、誘電物質とは、電場の中で分極する（誘電分極：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が電気を通さない絶縁体物質を意味し、一例として２種の誘電物質Ｍ１、Ｍ２は、０．２以上の屈折率差を有する。

図４は、本発明の一実施形態によるイメージセンサに適用したナノパターンの多様な形状を例として示す平面図である。
図４に示すナノパターンＰは、（ａ）、（ｂ）の円形環、又は（ｃ）の四角環の形状を有するものが示したが、円形、四角形、三角形などその形状は特に限定されない。

図４に示すように、ナノパターンＰは、屈折率ｎ１、ｎ２が互いに異なる２種の誘電物質の間の境界面によって定義（ｄｅｆｉｎｅ）される。
図４の（ａ）に示すように、円形環部分は屈折率がｎ１である誘電物質で構成され、円形環ａ部分と境界面を形成する外側領域及び内側領域は屈折率がｎ２である誘電物質で構成されるものを示したが、これは一例に過ぎず、円形環部分は屈折率ｎ１である誘電物質で構成され、円形環の外周部分と境界面を形成する外側領域は屈折率ｎ２である誘電物質で構成され、円形環の内周部分と境界面を形成する内側領域は屈折率ｎ３である誘電物質で構成されてもよい（ｎ１≠ｎ２≠ｎ３）。

図５は、本発明の一実施形態によるイメージセンサに適用したナノパターン層の一例を示す平面図であり、図６は、図５のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
図５及び図６に示すように、ナノパターン層は、円形形状を有する複数のナノパターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３を含む。

ナノパターン層は、互いに異なる屈折率ｎ１、ｎ２を有する２種の誘電物質を含み、２種の誘電物質は互いに異なる領域に形成される。
複数のナノパターンの大きさｄ１、ｄ２、ｄ３は互いに同一であってもよく、異なってもよい。
図６に示すように、所定の大きさを有するナノパターンは可視光線領域の中の所定の波長領域（例えば、青色、緑色、赤色波長領域）の光を選択的に透過させることができ、ナノパターンの大きさｄ（ｄ１、ｄ２、ｄ３）は透過させようとする波長領域によって選択される。
一例として、ナノパターンの大きさｄ１、ｄ２、ｄ３は、それぞれ独立的に１μｍ未満、１０ｎｍ以上１μｍ未満、１００ｎｍ以上１μｍ未満、又は１５０ｎｍ以上１μｍ未満であってもよい。

上述のイメージセンサは、所定の大きさのナノパターンを有するナノパターン層を備えることによって別途の有機カラーフィルタ層を備える必要なく、高い色分離特性を有する。
例えば、厚さ約５０ｎｍ以上１マイクロメートル未満、または約２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下のナノパターン層を導入することによって、相対的に大きい厚さを有する有機カラーフィルタ層を省略することができるようになり、ピクセル大きさの小型化を実現することができる。
また、ナノパターン層が光を集束させる特性を有するので、別途のマイクロレンズを備えなくても集光特性を確保することができる。

以下では、本発明の他の実施形態によるイメージセンサについて説明する。
図７は、本発明の他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す一部断面図である。
図７に示すように、本実施形態によるイメージセンサ２０００は、前述の実施形態と同様に、半導体基板１１０及び半導体基板１１０の上部に位置するナノパターン層７０を含む。

半導体基板１１０は、シリコン基板であってもよく、単結晶のシリコン基板であってもよい。
半導体基板１１０は、青色光感知素子５０Ｂ、赤色光感知素子５０Ｒ、電荷貯蔵所５５、及び伝送トランジスタ（図示せず）が集積される。
青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒは、光ダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）であってもよい。

青色光感知素子５０Ｂ、赤色光感知素子５０Ｒ、伝送トランジスタ及び／又は電荷貯蔵所５５は、各画素ごとに集積されており、一例として、図７に示すように青色光感知素子５０Ｂは青色画素に含まれ、赤色光感知素子５０Ｒは赤色画素に含まれる。
電荷貯蔵所５５は、緑色画素にのみ示したが、青色画素及び赤色画素も青色光感知素子５０Ｂと接続される電荷貯蔵所及び赤色光感知素子５０Ｒと接続される電荷貯蔵所をそれぞれ含むことができる。

青色光感知素子５０Ｂ、赤色光感知素子５０Ｒは、光をセンシングし、センシングされた情報は伝送トランジスタによって伝達され、緑色画素の電荷貯蔵所５５は後述の有機光電素子１００と電気的に接続されており、電荷貯蔵所５５の情報は伝送トランジスタによって伝達される。

半導体基板１１０の上にはまた、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（ｇ）、及びこれらの合金で形成できるが、これに限定されるのではない。
しかし、上記構造に限定されず、金属配線及びパッドが光感知素子（５０Ｂ、５０Ｒ）の下部に配置されてもよい。
金属配線及びパッドの上には下部絶縁層６０が形成されており、前述の実施形態で説明した通りである。

下部絶縁膜６０の上には複数のナノパターンを有するナノパターン層７０が形成される。
複数のナノパターンに含まれる単一のナノパターンは、光感知素子（５０Ｒ、５０Ｂ）に一対一に対応して配置される。これについては図８を参照して説明する。

図８は、図７の‘Ｂ’部分を拡大して示す断面図である。
図８に示すように、複数の光感知素子（５０Ｒ、５０Ｂ）が集積されている半導体基板１１０の上部に複数のナノパターンＰを有するナノパターン層７０が形成されている。
それぞれのナノパターンＰ１、Ｐ３は、それぞれの光感知素子５０Ｂ、５０Ｒに対応して配置される。
上述のように、ナノパターンＰは、数ｎｍ以上数百ｎｍ以下の大きさを有し、例えば可視光波長領域と近似する大きさを有してもよい。
可視光波長領域と近似する大きさを有するナノパターンＰは、可視光との可干渉性が高くなり、パターンの形状制御を通じて透過する光の波長領域を選択することができる。

ナノパターンの大きさ（ｄ１、ｄ３）は、透過させようとする波長領域によって調節される。
ナノパターンの大きさ（ｄ１、ｄ３）は、例えば、１ｎｍ以上１μｍ未満、１０ｎｍ以上１μｍ未満、１００ｎｍ以上１μｍ未満、又は１５０ｎｍ以上１μｍ未満であってもよいが、これに限定されるのではない。

再び、図７を参照すると、ナノパターン層７０の上には上部絶縁層８０が形成される。
上部絶縁層８０及び下部絶縁層６０は、パッドを露出させる接触口（図示せず）と、緑色画素の電荷貯蔵所５５を露出させる貫通口８５とを有する。
上部絶縁層８０の上には有機光電素子１００が形成される。

有機光電素子１００は、互いに対向する第１電極１０と第２電極２０、そして第１電極１０と第２電極２０の間に位置する有機光電変換層３０を含む。
有機光電変換層３０は、例えば、ｐ型半導体とｎ型半導体を含むことができ、ｐ型半導体とｎ型半導体はｐｎ接合（ｐｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を形成する。
ｐ型半導体とｎ型半導体の内の少なくとも一つは、緑色波長領域の光を選択的に吸収することができ、緑色波長領域の光を選択的に吸収してエキシトン（ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成した後、生成されたエキシトンを正孔と電子に分離して光電効果を出すことができる。

ｐ型半導体物質は、例えば、キナクリドン（ｑｕｉｎａｃｒｉｄｏｎｅ）又はその誘導体、サブフタロシアニン（ｓｕｂｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、又はその誘導体であり得、ｎ型半導体物質は、例えば、シアノビニル基を有するチオフェン誘導体（ｃｙａｎｏｖｉｎｙｌ ｇｒｏｕｐ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）、サブフタロシアニン（ｓｕｂｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ）、又はその誘導体、フラーレン又はフラーレン誘導体であり得るが、これに限定されるのではない。

有機光電変換層３０は、単一層であってもよく、複数層であってもよい。
有機光電変換層３０は、例えば、真性層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｌａｙｅｒ、Ｉ層）、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／ｎ型層など多様な組み合わせであり得る。
ここでいう真性層（Ｉ層）とは、ｐ型半導体とｎ型半導体が、約１：１００〜約１００：１の厚さ比の範囲内で形成されて含まれるものである。
上記範囲内で、約１：５０〜５０：１の厚さ比で含まれるか、上記範囲内で約１：１０〜１０：１の厚さ比で含まれるか、上記範囲内で約１：１の厚さ比で含まれ得る。
ｐ型半導体とｎ型半導体が上記範囲内の組成比を有することによって、効果的なエキシトン生成及びｐｎ接合形成に有利である。
ｐ型層はｐ型半導体を含み、ｎ型層はｎ型半導体を含む。

有機光電変換層３０は、約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有してもよい。
上記範囲内で約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有してもよい。
上記範囲内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。

第２電極２０は、有機光電変換層３０の上部に位置し、光が入射する透光電極である。
第２電極２０は、例えば、インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛オキサイド（ＩＺＯ）のような透明導電体から形成されるか、数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さで形成された金属薄膜、又は金属酸化物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さで形成された単一層又は複数層の金属薄膜であってもよい。
第１電極１０と第２電極２０の内の一つはアノードであり、他の一つはカソードである。

第１電極１０、有機光電変換層３０、及び第２電極２０は有機光電素子を形成し、第２電極２０側から光が入射して有機光電変換層３０が緑色波長領域の光を吸収すると、内部でエキシトンが生成される。
エキシトンは、有機光電変換層３０で正孔と電子に分離され、分離された正孔は第１電極１０と第２電極２０の内の一つであるアノード側に移動し、分離された電子は第１電極１０と第２電極２０の内の他の一つであるカソード側に移動して、電流が流れるようになる。
分離された電子又は正孔は、電荷貯蔵所５５に集められる。
緑色波長領域を除いた残りの波長領域の光は、第１電極１０を通過して青色光感知素子５０Ｂ又は赤色光感知素子５０Ｒによってセンシングされる。
有機光電素子１００は、イメージセンサの全面に形成され、これによりイメージセンサの全面で光を吸収することができ、光面積を高めて高い吸光効率を得ることができる。

図７及び図８に示したように、青色波長領域の光を感知する青色光感知素子５０Ｂと赤色波長領域の光を感知する赤色光感知素子５０Ｒは水平方向に離隔して位置する。
青色光感知素子５０Ｂに対応して位置するナノパターンＰ１と赤色光感知素子５０Ｒに対応して位置するナノパターンＰ３の形状が同一である場合、青色光感知素子５０Ｂに対応して位置するナノパターンＰ１の大きさｄ１と赤色光感知素子５０Ｒに対応して位置するナノパターンの大きさｄ３は互いに異なる。

図７では青色波長領域の光を感知する青色光感知素子５０Ｂと赤色波長領域の光を感知する赤色光感知素子５０Ｒが半導体基板１１０内に集積されており、有機光電素子１００が緑色波長領域の光を選択的に吸収する有機光電変換層３０を含む構造を示したが、これに限定されず、青色波長領域の光を感知する光感知素子と緑色波長領域の光を感知する光感知素子が半導体基板１１０内に集積され、有機光電素子１００が赤色波長領域の光を選択的に吸収する有機光電変換層を含む構造であるか、赤色波長領域の光を感知する光感知素子と緑色波長領域の光を感知する光感知素子が半導体基板１１０内に集積され、有機光電素子１００が青色波長領域の光を選択的に吸収する有機光電変換層を含む構造にも同一に適用できる。

ここで、赤色波長領域は、例えば約５８０ｎｍ超過７００ｎｍ以下で最大吸収波長（λ_ｍａｘ）を有し、青色波長領域は、例えば約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大吸収波長（λ_ｍａｘ）を有し、緑色波長領域は、例えば約５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下で最大吸収波長（λ_ｍａｘ）を有し得る。

本実施形態によるイメージセンサは、上述の実施形態のように、所定の大きさのナノパターンを有するナノパターン層を備えることによって、別途の有機カラーフィルタ層を備える必要なく高い色分離特性を得ることができる。
また、ナノパターン層７０の導入による干渉の発生によって緑色波長領域の光を有機光電変換層３０に選択的に反射させることによって有機光電変換層３０の緑色光吸収率をさらに高めることができる。

図７及び図８に示したイメージセンサ２０００は、青色光感知素子５０Ｂと赤色光感知素子５０Ｒが半導体基板１１０の表面から同じ深さに位置しているが、これに限定されるものではなく、青色光感知素子５０Ｂと赤色光感知素子５０Ｒが半導体基板１１０の表面から実質的に互いに異なる深さに配置されてもよい。
一例として、赤色光感知素子５０Ｒが青色光感知素子５０Ｂより半導体基板１１０の表面から深く配置されてもよい。

図９は、本発明のさらに他の実施形態によるＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す一部断面図である。
図９に示すように、本実施形態によるイメージセンサ３０００は、上述の実施形態と同様に、半導体基板１１０、半導体基板１１０の上部に位置するナノパターン層７０、そしてナノパターン層７０の上部に位置する有機光電素子１００を含む。

半導体基板１１０はシリコン基板であってもよく、単結晶のシリコン基板であってもよい。
半導体基板１１０は、青色光感知素子５０Ｂ、赤色光感知素子５０Ｒ、電荷貯蔵所５５、及び伝送トランジスタ（図示せず）が集積される。
青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒは光ダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）であってもよい。
しかし、本実施形態によるイメージセンサ３０００は、上述の実施形態とは異なり、青色光感知素子５０Ｂと赤色光感知素子５０Ｒが重畳して積層されている。
青色光感知素子５０Ｂと赤色光感知素子５０Ｒは電荷貯蔵所（図示せず）と電気的に接続されており、情報は伝送トランジスタによって伝達される。

前述のように緑色波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層された構造を有し、赤色光感知素子と青色光感知素子が積層された構造を有することによって、イメージセンサの大きさをさらに減らし、イメージセンサの厚さの増加によるクロストークを減らすことができる。
また、前述のように、ナノパターン層７０の導入による干渉の発生によって緑色波長領域の光を有機光電変換層３０に選択的に反射させることによって有機光電変換層３０の緑色光吸収率をさらに高めることができる。

前述のイメージセンサは、半導体基板の上部に所定のパターン大きさを有するナノパターン層を備えることによって、特定波長領域の光を選択的に透過及び反射させることにより、別途の有機カラーフィルタ層を備える必要なく高い色分離特性を有するだけでなく、有機光電変換層の光吸収度を高めて光変換効率を増加させることができる。
また、イメージセンサの厚さが小さくなることにより、別途のマイクロレンズを備えなくても集光特性を確保することができる。

本発明のイメージセンサは多様な電子装置に適用することができ、例えば、モバイルフォン、デジタルカメラ、生体認識センサなどに適用することができるが、これに限定されるのではない。
以下、実施例を通じて上述の本発明の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目的のためのものであり、本発明の範囲を制限するのではない。

〔実施例〕
・波長選択性評価
（実施例１）
本発明の一実施形態によるナノパターン層を適用したイメージセンサの波長選択性を確認するために光学シミュレーションを用いて評価する。
光学シミュレーションは、Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）方式で計算され、Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ ＦＤＴＤ Ｓｏｌｕｔｉｏｎプログラムを使用する。

図１０は、本実施例によるナノパターン層の１つのナノパターンを示す平面図である。
図１０に示すように、本実施例によるナノパターン層は円環形態のナノパターンを有し、円環部分に該当する領域は屈折率（ｎ）＝２の誘電物質から形成され、その他の領域（外周領域、円環内領域）は屈折率（ｎ）＝１．５の誘電物質から形成されると仮定し、円環の外周円の直径は４００ｎｍ、内周円の直径は３４０ｎｍであると仮定する。

図１１は、本実施例によるナノパターン層を上部に導入したシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードでの青色電場分布図（ａ）及び赤色電場分布図（ｂ）である。
図１１に示すように、横軸はシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードのピクセル大きさ（８００ｎｍ）を意味し、縦軸はシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードの厚さ（１５００ｎｍ）を意味し、シリコン（Ｓｉ）フォトダイオードの上には図１０で示したナノパターン層が位置する。

図１１に示すように、所定の大きさのナノパターンを有するナノパターン層が上部に位置するシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードは、別途の有機カラーフィルタを備えなくても青色波長領域に対する波長選択性を有するのを確認することができる。

（実施例２）
本発明の一実施形態によるナノパターン層を適用したイメージセンサの波長選択性を確認するために光学シミュレーションを用いて評価する。
光学シミュレーションは、実施例１で使用されるプログラムと同一のものを使用する。
図１２は、本実施例によるナノパターン層の１つのナノパターンを示す平面図である。

図１２に示すように、本実施例によるナノパターン層は円環形態のパターンを有し、円環部分に該当する領域は屈折率（ｎ）＝１．５の誘電物質から形成され、その他の領域（外周領域、円環内領域）は屈折率（ｎ）＝２の誘電物質から形成されると仮定し、円環の外周円の直径は３００ｎｍ、内周円の直径は１００ｎｍであると仮定する。

図１３は、本実施例によるナノパターン層を上部に導入したシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードでの青色電場分布図（ａ）及び赤色電場分布図（ｂ）である。
図１３に示すように、横軸はシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードのピクセル大きさ（８００ｎｍ）を意味し、縦軸はシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードの厚さ（１５００ｎｍ）を意味し、シリコン（Ｓｉ）フォトダイオードの上には図１２で示したナノパターン層が位置する。

図１３に示すように、所定の大きさのナノパターンを有するナノパターン層が上部に導入されたシリコン（Ｓｉ）フォトダイオードは、別途の有機カラーフィルタを備えなくても赤色波長領域に対する波長選択性を有するのを確認することができる。

尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲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。

１０ 第１電極
２０ 第２電極
３０ 有機光電変換層
５０ 光感知素子
５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒ （青色、緑色、赤色）光感知素子
５５ 電荷貯蔵所
６０ （下部）絶縁層
７０ ナノパターン層
８０ 上部絶縁層
８５ 貫通口
１００ 有機光電素子
１１０ 半導体基板
１０００、２０００、３０００ イメージセンサ
Ｐ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３） ナノパターン

Claims (19)

1. イメージセンサであって、
   複数の光感知素子が集積されている半導体基板と、
   前記半導体基板の上部に位置し、複数のナノパターンを有するナノパターン層と、を有し、
   前記複数のナノパターンに含まれる単一のナノパターンは、前記複数の光感知素子に含まれる単一の光感知素子に対応する位置に配置され、
   前記ナノパターン層は、互いに異なる屈折率を有する第１誘電物質及び第２誘電物質を含み、前記第１誘電物質及び第２誘電物質が互いに異なる領域に形成され、
   前記ナノパターンは、前記第１誘電物質と第２誘電物質間との境界面によって定義（ｄｅｆｉｎｅ）され、
   前記単一のナノパターンは、平面図上で、円形環の形状を有し、前記円形環の内部は前記第１誘電物質または前記第２誘電物質を含み、前記円形環の外側領域及び内側領域は、それぞれ前記円形環の内部の誘電物質ではない、前記第２誘電物質または前記第１誘電物質を含むことを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記単一のナノパターンは、対応する位置にある光感知素子が感知する波長領域の光を透過させることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記ナノパターンの大きさは、１００ナノメートル以上１マイクロメートル未満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。
4. 前記第１及び第２誘電物質は、０．２以上の屈折率差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。
5. 前記ナノパターン層の厚さは、１マイクロメートル未満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。
6. 前記ナノパターン層の上部に位置する有機光電素子をさらに含み、
   前記有機光電素子は、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。
7. 前記半導体基板に集積されている複数の光感知素子は、第１波長領域の光を感知する第１光感知素子と、前記第１波長領域と異なる第２波長領域の光を感知する第２光感知素子とを含むことを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
8. 前記有機光電変換層は、前記第１波長領域及び前記第２波長領域と異なる第３波長領域の光を吸収することを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
9. 前記第１光感知素子と前記第２光感知素子は、水平方向に離隔して位置し、
   前記第１光感知素子に対応して位置するナノパターンの大きさと、前記第２光感知素子に対応して位置するナノパターンの大きさとは、互いに異なることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
10. 前記第１光感知素子に対応して位置するナノパターンは、第１波長領域の光を選択的に透過し、
    前記第２光感知素子に対応して位置するナノパターンは、第２波長領域の光を選択的に透過す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１波長領域は青色波長領域であり、前記第２波長領域は赤色波長領域であり、前記第３波長領域は緑色波長領域であることを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
12. 前記赤色波長領域は、５８０ｎｍ超過７００ｎｍ以下で最大吸収波長（λｍａｘ）を有し、
    前記青色波長領域は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大吸収波長（λｍａｘ）を有し、
    前記緑色波長領域は、５００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下で最大吸収波長（λｍａｘ）を有することを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。
13. 前記第１光感知素子と前記第２光感知素子は、前記半導体基板の表面から互いに異なる深さに配置されることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
14. 前記第１光感知素子は、前記第２光感知素子より長波長領域の光を感知し、
    前記第１光感知素子の位置は、前記第２光感知素子の位置より前記半導体基板の表面から深い位置に位置することを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
15. 前記第１光感知素子と前記第２光感知素子は、上下に積層されて配置されることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
16. 前記複数のナノパターンは、前記第３波長領域の光を前記有機光電変換層に選択的に反射することを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサ。
17. 前記イメージセンサは、有機カラーフィルタ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。
18. 前記有機光電変換層は、ｐ型半導体とｎ型半導体を含み、
    前記ｐ型半導体と前記ｎ型半導体は、ｐｎ接合を形成することを特徴とする請求項６に記載のイメージセンサ。
19. 請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のイメージセンサを有することを特徴とする電子装置。

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