KR100917598B1 - 밀착형 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밀착형 이미지 센서에 관한 것으로, 자체 발광 기능을 지원하여 센서 표면에 밀착된 물체의 이미지를 보다 높은 해상도와 낮은 신호대 잡음비를 가지며 이미지를 획득할 수 있도록 하기 위하여, 기판과, 상기 기판상에 반도체 제조 공정을 통해 형성되어 광을 발생하는 하나 이상의 광 발생부와, 상기 광 발생부와 동일한 반도체 제조 공정을 통해 상기 기판상에 형성되어 피사체로부터 반사된 광량을 감지하여 광전류 또는 광전압을 발생하는 하나 이상의 광 감지부로 이루어지고, 2차원적 어레이로 배치되어 피사체의 2차원적 이미지를 획득하는 복수개의 이미지 픽셀들을 구비하며, 이에 의하여 별도의 백라이트를 구비하지 않아도 되어 이미지 센서의 크기를 획기적으로 감소시켜 줄 뿐 만 아니라 복수개의 이미지 픽셀들 각각의 동작 신뢰성을 증대시켜 높은 해상도와 낮은 신호대 잡음비를 가지는 이미지를 획득할 수 있도록 한다.
밀착형 이미지 센서, 자체 발광, 백라이트

Description

밀착형 이미지 센서{Contact image sensor}
도1은 종래의 기술에 따른 이미지 픽셀의 단면도,
도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 픽셀의 단면도,
도3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 이미지 픽셀의 단면도,
도4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 이미지 픽셀의 단면도, 그리고
도5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 2차원적 어레이로 배치되는 복수개의 이미지 픽셀들을 구비하는 밀착형 이미지 센서의 단면도를 도시한 도면이다.
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 자체 발광 기능을 가지며 센서 표면에 밀착된 물체의 이미지를 높은 해상도와 신호대 잡음비를 가지며 획득할 수 있도록 하는 밀착형 이미지 센서에 관한 것이다.
일반적인 이미지 센서는 디지털 사진과 같은 단일 이미지나 비디오 같은 다중 이미지를 포착하는 2차원 어레이를 말하는 것으로, 크게 CCD(Charge-Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
이들 이미지 센서를 채용하는 주요 제품들은 캠코더, 디지털 카메라, PC 카메라, 이중 기능 카메라, 휴대폰 카메라, 개인 휴대 단말기(PDA), 핸드 홀드 카메라, 보안용 카메라, 게임기 및 장난감 카메라, 자동차, 생체 인식 장치 등으로 매우 다양하다.
일반적으로 CCD 이미지 센서는 CMOS 이미지 센서에 비해 이미지 품질과 해상도가 높은 것으로 알려져 있고, CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비해 생산 비용이 낮고 응답 속도가 빠르며 소비전력이 낮은 것으로 알려져 있다.
그러나 최근에는 CMOS 이미지 센서의 기술이 빠르게 발전하여 해상도의 차이는 미미한 것으로 나타나고 있다. 또한 CMOS 이미지 센서는 실리콘 계열의 다른 칩들과 집적화하기에 매우 유리하여 최근에는 CMOS 이미지 센서 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
CCD 또는 CMOS 이미지 센서 모두는 실리콘 소자를 기반으로 한 구조를 가지고 있으며, 광전효과에 의해 발생된 전자를 최종적으로 전압 형태로 전환하여 복수개의 픽셀들 각각에서 출력되는 전압들 또는 전류들을 체크하여 이미지를 형상화 한다.
그러나 CCD 또는 CMOS 이미지 센서 모두는 모두 실리콘기판을 사용하기 때문에 백라이트 등의 외부 조명을 사용할 수 없어 지문등의 밀착형 이미지를 감지하는 것이 불가능하였다.
상기의 문제를 해결하기 위해 대한민국 특허공개공보 제2002-28754호(공개일 : 2002.04.17)에서는 도1에 도시된 바와 같이 구성되는 밀착형 이미지 센서를 제안한 바 있다.
계속하여 도1을 참조하면, 종래의 밀착형 이미지 센서는 백라이트(11)를 구비하고, 하나의 이미지 픽셀안에 밀착된 피사체로부터 반사되는 반사광을 감지하기 위한 포토 박막 트랜지스터(15)들을 포함하며 일정 비율 이상의 개구율을 가지는 개구부(12)들을 가지고 있다.
이에 백라이트 광(16)이 이미지 픽셀의 개구부(12)를 투과된 후 피사체의 표면에 반사되어 이미지 픽셀안에 입사되면, 박막 트랜지스터 부위가 개방된 포토 박막 트랜지스터(15)는 이에 응답하여 광전류를 발생시킨다.
그러면 각 이미지 픽셀은 발생된 광전류를 감지하여 각 이미지 픽셀의 온/오프를 표시하고, 이미지 센서는 이렇게 모여진 전체 이미지 픽셀 어레이의 신호들을 조합하여 2차원적 이미지를 감지한다.
그러나 이와 같이 구성되는 종래의 밀착형 이미지 센서는 상기에 설명된 바와 같이 포토 박막 트랜지스터에 광을 입사시키기 위해 백라이트를 반드시 구비해야 하므로 장치의 두께를 줄이는데 한계가 있었다. 또한 백라이트 광이 투과하기 위한 개구부가 필수적이여서 이미지 픽셀의 사이즈도 불필요하게 증가되는 문제가 있었다.
또한 종래의 백라이트 광을 모든 이미지 픽셀들에 균일하게 입사되도록 구현하는 것은 매우 어려운 일이고, 이에 따라 이미지 픽셀들이 동일한 피사체 이미지 를 인식하게 되는 경우가 발생하기도 하였다. 즉, 복수개의 이미지 픽셀들 각각의 동작의 신뢰성이 저하되는 경우가 발생하기도 했었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 자체 발광 기능을 제공하여 감소된 부피를 가지면서도, 센서 표면에 밀착된 피사체의 이미지를 높은 해상도와 신호대 잡음비를 가지며 획득할 수 있도록 하는 밀착형 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 밀착형 이미지 센서는 기판과, 상기 기판상에 반도체 제조 공정을 통해 형성되어 광을 발생하는 하나 이상의 광 발생부와, 상기 광 발생부와 동일한 반도체 제조 공정을 통해 상기 기판상에 형성되어 피사체로부터 반사된 광량을 감지하여 광전류 또는 광전압을 발생하는 하나 이상의 광 감지부로 이루어지고, 2차원적 어레이로 배치되어 피사체의 2차원적 이미지를 획득하는 복수개의 이미지 픽셀들을 구비한다.
바람직하게 상기 광 발생부는 기판과, 상기 기판상에 형성되는 제1 투명 전극과, 상기 제1 투명 전극상에 형성되어 상기 제1 투명 전극과 제1 상부 전극간의 전압이 문턱 전압이상이면 상기 광을 발생하는 제1도전형의 제1 반도체 박막 및 제2 도전형의 제2 반도체 박막과, 상기 제2 도전형의 제2 반도체 박막상에 형성되는 상기 제1 상부 전극을 구비하는 발광 다이오드이고, 상기 광 감지부는 상기 기판상에 형성되는 제2 투명 전극과, 상기 제2 투명 전극상에 형성되어 상기 반사된 광량에 따라 상기 제2 투명 전극과 제2 상부 전극을 통해 흐르는 전류량을 가변하는 상기 제2도전형의 제3 반도체 박막과, 상기 제2도전형의 제3 반도체 박막상에 형성되는 상기 제2 상부 전극을 구비하는 저항이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
삭제
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 픽셀의 단면도를 도시한 도면이다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이미지 픽셀은 광을 발생하는 하나 이상의 광 발생부(20)와 피사체에 반사되어 입사되는 반사광의 광량을 감지하여 광전압 또는 광전류를 발생하는 하나 이상의 광 감지부(30)를 구비하고, 동일한 유리기판(10)상에서 일체형으로 형성한다.
광 발생부(20)는 유리기판(10)상에 형성되는 제1 투명 전극(21), 제1 투명 전극(21)상에 형성되어 제1 투명 전극(21)과 제1 상부 전극(24) 사이의 전압이 발광 다이오드의 문턱 전압 이상이면 광을 발생하는 p형의 제1 반도체 박막(22)과 n형의 제2 반도체 박막(23), 그리고 n형의 제2 반도체 박막(23)상에 형성되는 제1 상부 전극(24)을 구비하는 발광 다이오드와, 제1 투명 전극(21)에 연결되도록 유리기판(10)상에 형성되어 제1 투명전극(21)으로 전압 또는 전류를 인가하는 리드선(25)을 포함한다.
이때, 제1 상부 전극(24)은 n형 제2 반도체 박막(23)을 전부 덮는 형태로 형성될 수 도 있고, 일부만 덮는 형태로 형성될 수도 있다.
광 감지부(30)는 유리기판(10)상에 형성되는 제2 투명 전극(31), 제2 투명 전극(31)상에 형성되어 입사된 광량에 따라 제2 투명 전극(31)과 제2 상부 전극(33)을 통해 흐르는 전류량을 가변하는 n형의 제3 반도체 박막(32), 그리고 n형의 제3 반도체 박막(32)상에 형성되는 제2 상부 전극(33)을 구비하는 직렬 저항과, 유리기판(10)상에 제2 투명 전극(21)에 연결되도록 형성되어 제1 투명전극(21)으로 전압을 인가하는 리드선(25)을 구비한다.
이때, 제2 상부 전극(33)은 n형 제3 반도체 박막(32)을 전부 덮는 형태로 형성될 수 도 있고, 일부만 덮는 형태로 형성될 수도 있다.
이하 도2의 이미지 픽셀의 동작을 설명하면 다음과 같다.
발광 다이오드의 제1 투명 전극(21) 및 제2 상부 전극(22) 사이의 전압이 발광 다이오드의 문턱 전압 이상이면, 발광 다이오드의 n형 및 p형 반도체 박막(22,23) 사이에 형성된 pn 접합 영역은 순방향 바이어스되어 광을 발생한다.
그리고 발생된 광은 유리기판(10)을 통해 피사체로 도달한 후 반사되어 직렬 저항의 n형 반도체 박막(32)에 입사된다.
그러면 n형 반도체 박막(32)은 입사되는 광에 의해 저항치가 가변되고, 직렬 저항을 통해 흐르는 전류량 또한 가변된 n형 반도체 박막(32)의 저항치에 의해 가 변되어 한 픽셀의 변화된 전류량을 검출한다.
이와 같이 이미지 픽셀은 일체형으로 형성된 광 발생부(20)과 광 감지부(30)를 구비하고, 광 발생부(20)를 통해 광을 발생하고 광 감지부(30)를 통해 피사체의 표면에 반사되어 입사되는 광에 비례하는 광전류를 생성한다.
상기의 실시예에서는 PN 접합영역이 순방향바이어스되어 발광하는 발광 다이오드만을 설명하였지만, 이의 동작 원리는 PN 접합영역이 역방향바이어스되어 발광하는 발광 다이오드에 대해서도 동일하게 적용될 수 있음은 물론 당연하다.
도3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 이미지 픽셀의 단면도를 도시한 도면이다.
도3의 이미지 픽셀은 광 발생부(20)를 도2와 동일하게 발광 다이오드로 구현하되, 광 감지부(40)를 포토 다이오드로 구현한다.
광 감지부(40)의 포토 다이오드는 유리기판(10)상에 형성되는 제3 투명 전극(41), 일정량 이상의 광량이 입사되면 특정 광전압을 발생시키는 pn접합을 형성하기 위한 p형의 제4 반도체 박막 및 n형의 제5 반도체 박막(42,43) 및 n형의 제5 반도체 박막(43)상에 형성되는 제3 상부 전극(44)을 구비한다. 그리고 제3 투명 전극(41)에 연결되도록 유리기판(10)상에 형성되는 리드선(45)을 더 구비한다.
삭제
이때, 제3 상부 전극(44)은 n형 제5 반도체 박막(43)을 전부 덮는 형태로 형성될 수 도 있고, 일부만 덮는 형태로 형성될 수도 있다.
이하 도3의 이미지 픽셀의 동작을 설명하면 다음과 같다.
광 발생부(20)는 도2에서와 동일한 조건하에서 동작하여 광을 발생하고, 발생된 광은 유리기판(10)을 통해 피사체로 도달한 후 반사되어 포토 다이오드로 입 사된다.
그러면 포토 다이오드내 n형 및 p형 반도체 박막(42,43) 사이에 형성된 pn 접합 영역에는 입사된 광량에 의한 전자-정공의 흐름이 생기고, 이에 따라 포토 다이오드는 입사된 광량에 비례하는 광전압(또는 광전류)를 발생한다.
따라서 도3의 이미지 픽셀도 도2에서와 같이 피사체의 표면에 반사되어 입사되는 광에 의하여 광전압을 생성하여 준다.
도4는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 이미지 픽셀의 단면도를 도시한 도면이다.
도4의 이미지 픽셀은 광 발생부(20)를 도2와 동일하게 발광 다이오드로 구현하되, 광 감지부(50)를 포토 박막 트랜지스터로 구현한다.
광 감지부(50)의 포토 박막 트랜지스터는 유리기판(10)상에 채널 영역(51b), 채널 영역(51b)의 양측에 형성되는 소스 영역(51a) 및 드레인 영역(51c)을 구비하며 형성되는 반도체층(51), 반도체층(51)상에 형성되는 절연층 박막(52), 절연층 박막(52)상에 형성되어 트랜지스터 구동 신호 즉, 제3 전압이 인가되는 게이트 전극(53), 게이트 전극(53)을 감싸도록 형성되는 게이트 절연막(54), 게이트 전극(53)의 양측에 이격되도록 형성되며 제1 전압과 제2 전압 각각이 인가되는 소스 전극(56) 및 드레인 전극(57) 및 절연층 박막(52)과 소스 전극(56) 및 드레인 전극(57)의 사이에 형성되는 층간 절연막(55)을 구비한다.
바람직하게는 채널 영역(51b)은 입사되는 광량에 따라 저항치가 가변되는 n형의 반도체 박막으로 구현한다.
이하 도4의 이미지 픽셀의 동작을 설명하면 다음과 같다.
광 발생부(20)는 도2에서와 동일한 조건하에서 동작하여 광을 발생하고, 발생된 광은 유리기판(10)을 통해 피사체로 도달한 후 반사되어 포토 박막 트랜지스터로 입사된다.
그러면 포토 박막 트랜지스터내의 채널 영역(51b)은 반사광의 광량에 따라 저항치가 가변되고, 이에 따라 포토 박막 트랜지스터의 동작 특성이 가변되어 드레인 전극(57)에서 소스전극(56)으로 흐르는 광전류의 전류량이 가변된다.
따라서 도5의 이미지 픽셀도 도2에서와 같이 피사체의 표면에 반사되어 입사되는 광에 비례하는 광전류를 생성하여 출력한다.
도5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 2차원적 어레이로 배치되는 복수개의 이미지 픽셀들을 구비하는 이미지 센서의 단면도를 도시한 도면이다.
도5를 참조하면, 본 발명의 이미지 센서는 2차원적 어레이를 가지며, 행 및 열로 일렬 배치되는 복수개의 이미지 픽셀들(61,62,63)을 구비하고, 복수개의 이미지 픽셀들(61,62,63) 각각은 광 감지부(61a,62a,63a) 및 광 발생부(61b,62b,63b)를 구비함을 알 수 있다.
이에 복수개의 이미지 픽셀들(61,62,63) 각각은 광 발생부(61b,62b,63b)를 이용하여 자체적으로 광(71,72,23)을 발생하고, 광 감지부(61a,62a,63a)를 이용하여 피사체에 반사되어 입사되는 반사광(81,82,83)의 광량에 상응하는 광전류를 발생한 후, 이를 조합하여 2차원적 이미지를 획득한다.
예를 들어, 본 발명의 밀착형 이미지 센서가 지문 센서로 응용하여 이미지 센서에 손가락을 접촉한다면, 광 발생부(61b,62b,63b)의 광이 지문의 산에 입사된 후 반사되면 반사광은 많은 광량을 가지나 지문의 골에 입사된 후 반사되면 적은 광량을 가지게 된다. 그러면 광 감지부들(61a,62a,63a) 각각은 서로 상이한 전류량을 가지는 광전류를 발생하거나 광전압을 발생한다.
이에 밀착형 이미지 센서는 서로 다른 전류량을 가지는 광전류 및 광전압들을 조합하여 2차원적 이미지를 획득할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 n형 반도체 박막은 감광 특성을 가지는 황화카드뮴, 셀렌화 카드뮴, 황화아연, 셀렌화 아연, 비정질 실리콘 등 중 하나이고, p형 반도체 박막은 구리가 도핑된 황화카드뮴, 텔루르화카드뮴, 붕소가 도핑된 비정질 실리콘 중 하나이다. 물론 상기의 예들 이외에 본 발명에서 필요로 하는 특성을 가지는 모든 물질들은 n형 또는 p형 반도체 박막으로 적용 및 채택될 수 있음은 당연하다.
또한 발광 다이오드 및 포토 다이오드에서의 n형의 제1 반도체 박막 및 p형의 제1 반도체 박막간의 pn 접합 형태는 비정질 실리콘이나 다결정 실리콘에 도핑을 하는 호모정션(homo-junction)의 형태 또는 이질적인 n형 반도체 박막과 p형 반도체 박막으로 이루어지는 헤테로 정션(hotero-junction)의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 n형 반도체 박막은 감광 특성을 가지는 황화카드뮴, 셀렌화 카드뮴, 황화아연, 셀렌화 아연, 비정질 실리콘 등 중 하나이고, p형 반도체 박막은 구리가 도핑된 황화카드뮴, 텔루르화카드뮴, 붕소가 도핑된 비정질 실리콘 중 하나이다. 물론 상기의 예들 이외에 본 발명에서 필요로 하는 특성을 가지는 모든 물질들은 n형 또는 p형 반도체 박막으로 적용 및 채택될 수 있음은 당연하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
따라서 본 발명의 이미지 센서는 복수개의 이미지 픽셀들 각각이 자체적으로 광을 발생할 수 있도록 한다. 이에 별도의 백라이트를 구비하지 않아도 되어 이미지 센서의 크기를 획기적으로 감소시켜 준다.
뿐 만 아니라 이미지 픽셀들 각각이 자신에 대응되는 발광 다이오드를 구비하도록 하여 이미지 픽셀의 동작 신뢰성을 증대시킴으로써, 이미지센서가 보다 높은 해상도와 낮은 신호대 잡음비를 가지는 이미지를 획득할 수 있도록 한다.

Claims (9)

  1. 피사체가 접촉되는 일측면을 가지는 기판; 및
    상기 피사체가 접촉되지 않은 기판의 나머지 측면상에 2차원적 어레이로 배치되어, 상기 피사체의 2차원적 이미지를 획득하는 복수개의 이미지 픽셀들을 포함하며,
    상기 복수개의 이미지 픽셀들 각각은
    상기 기판의 나머지 측면상에 형성되어, 상기 기판의 일측면 쪽으로 광을 조사하는 하나 이상의 광 발생부; 및
    상기 하나 이상의 광 발생부와 인접되도록 상기 기판의 나머지 측면상에 형성되어, 상기 기판의 일측면에 접촉된 피사체에 의해 반사된 후 입사되는 광을 감지하여 광전류 또는 광전압을 발생하는 하나 이상의 광 감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 발생부는
    상기 기판상에 형성되는 제1 투명 전극;
    상기 제1 투명 전극상에 형성되어 상기 제1 투명 전극과 제1 상부 전극간의 전압이 문턱 전압이상이면 상기 광을 발생하는 제1도전형의 제1 반도체 박막 및 제2 도전형의 제2 반도체 박막; 및
    상기 제2 도전형의 제2 반도체 박막상에 형성되는 상기 제1 상부 전극을 구비하는 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광 감지부는
    상기 기판상에 형성되는 제2 투명 전극;
    상기 제2 투명 전극상에 형성되어 상기 반사된 광량에 따라 상기 제2 투명 전극과 제2 상부 전극을 통해 흐르는 전류량을 가변하는 제2도전형의 제3 반도체 박막; 및
    상기 제2도전형의 제3 반도체 박막상에 형성되는 상기 제2 상부 전극을 구비하는 저항인 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광 감지부는
    상기 기판상에 형성되는 제3 투명 전극;
    상기 제3 투명 전극상에 형성되어, 상기 반사된 광량에 따라 상기 광전압을 발생하고 상기 제3 투명 전극과 제3 상부 전극간에 인가하는 제1도전형의 제4 반도체 박막과 제2 도전형의 제5 반도체 박막; 및
    상기 제2 도전형의 제5 반도체 박막상에 형성되는 상기 제3 상부 전극을 구비하는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광 감지부는
    채널 영역, 상기 채널 영역의 양측에 형성되는 소스 및 드레인 영역을 구비하며 상기 기판상에 형성되는 반도체층;
    상기 반도체층상에 형성되어 제3 전압이 인가되는 게이트 전극; 및
    상기 게이트 전극의 양측에 이격되도록 형성되고 제1전압과 제2 전압이 각각 인가되는 소스 및 드레인 전극을 구비하는 포토 박막 트랜지스터이고,
    상기 채널 영역은
    상기 반사된 광량에 따라 저항치가 가변되는 제2 도전형의 제6 반도체 박막인 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1도전형은 p형이고, 상기 제2 도전형은 n형인것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 n형 반도체 박막은
    감광 특성을 가지는 황화카드뮴, 셀렌화 카드뮴, 황화아연, 셀렌화 아연, 비정질 실리콘 중 하나인 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  8. 제6항에 있어서, 상기 p형 반도체 박막은
    구리가 도핑된 황화카드뮴, 텔루르화카드뮴, 붕소가 도핑된 비정질 실리콘 박막 중 하나인 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
  9. 제2항에 있어서, 상기 기판은
    유리기판인 것을 특징으로 하는 밀착형 이미지 센서.
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