KR100926533B1 - 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서를 개시한다. 상기 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서는, 광 감지센서 및 이미지센서 영역을 구비한다. 상기 광 감지센서는 자외선을 감지하는데 사용되며, 상기 이미지센서 영역은 영상신호를 감지하는데 사용되며 포토다이오드 어레이가 형성되며, 상기 자외선센서 및 상기 이미지센서 영역은 동일한 반도체 기판 상에 형성된다.
광 감지센서, 자외선센서, 이미지센서
Description
본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서에 관한 것이다.
자외선(Ultraviolet rays)은 400nm~320nm(nanometer) 범위의 파장을 가지는 UV A, 320nm~280nm 범위의 파장을 가지는 UV B 및 280nm이하의 파장을 가지는 UV C로 분류하는 것이 일반적이다. 이들 중 UV C는 유전자를 파괴하거나 돌연변이를 일으키는 등 인체에 치명적이지만 오존층에 의하여 대부분 걸러지므로 지표에는 거의 도달하지 않는다. 따라서 일상적인 생활환경에서 접하는 자외선은 대부분 UV A와 UV B로 이루어진다.
UV A는 인체에 해는 없고 보통 피부를 그을리게(skin tanning) 하지만, 많은 양에 노출되는 경우, 피부를 건조하게 하고 잔주름을 발생시킬 뿐만 아니라 피부를 검게 그을리는 효과를 주며, 흐린 날이나 비오는 날에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. UV B는 인체 내에서 비타민 D를 합성하는데 필요하지만, 많은 양에 노출되는 경우, 피부와 눈에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있고, 피부 염증과 콜라 겐이나 엘라스틴의 파괴, 피부 암등을 유발하는 것으로 알려져 있다.
상술한 바와 같이 장시간 많은 양의 자외선에 노출되는 것은 대체로 인체에 악영향을 주기 때문에, 인체 특히 피부가 접하게 되는 자외선의 양에 대한 관심은 계속 증가하고 있다. 이러한 자외선 양의 측정은 자외선 측정기를 사용할 수 있지만, 일반적인 자외선 측정기들은 대부분 화합물 반도체를 사용하여 제작되므로 일반인이 사용하기에는 비교적 고가라는 단점이 있다. 고분자 물질로 제조하고 비선형 광학 소자를 사용하여 구현된 저가의 자외선 측정기도 있지만, 이들 저가의 자외선 측정기는 자외선의 양에 따라 색깔이 변화하도록 하여 불확실한 인간의 시각적 판단에 따라 자외선의 양을 결정될 수 있다는 점과 일회용으로만 사용할 수 있다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이미지센서에 자외선의 양을 측정하는 장치를 부착하여 사용자가 접하는 자외선의 양에 대한 정보를 제공하는 이미지센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서는, 광 감지센서 및 이미지센서 영역을 구비한다. 상기 광 감지센서는 자외선을 감지하는데 사용되며, 상기 이미지센서 영역은 영상신호를 감지하는데 사용되며 포토다이오드 어레이가 형성되며, 상기 자외선센서 및 상기 이미지센 서 영역은 동일한 반도체 기판 상에 형성된다.
본 발명은 종래에 사용 중인 이미지센서에, 상기 이미지센서를 구현시킬 때 사용하는 공정과 동일한 공정을 사용하여 구현시킬 수 있는 자외선 센서를 추가로 구비하게 함으로서, 종래의 영상신호에 대한 정보뿐만 아니라 특별한 추가비용 없이 자외선의 양에 대한 정보를 추가로 얻을 수 있는 이미지센서를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서의 일실시예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 도 1의 상부에는 본 발명에 따른 이미지센서(100)의 절단면이 도시되어 있고, 하부에는 본 발명에 따른 이미지센서(100)의 평면도가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 이미지센서(100)는, 자외선센서(130)와 포토다이오드 어레이(120)가 형성되는 이미지센서 영역(110), 상기 포토다이오드 어레이(120)의 상부에 배치된 렌즈(150), 상기 렌즈(150)와 상기 포토다이오드 어레이(120)의 중간에 배치된 IR 필터(140) 및 상기 자외선센서(130)의 상부에 형성된 자외선 확산장치(diffuser, 160)를 구비한다.
이미지센서로 입사되는 자외선은 자외선 확산장치(160)를 거치면서 균일한 밝기로 확산되어(diffused) 자외선센서(130)에 입사되므로, 자외선센서(130)를 이용하여 외부광의 자외선 평균치를 구할 수 있다. 상기 자외선 확산장치(160)는 자외선센서(130) 전체를 커버하는 크기를 가지는 것이 바람직하다. 자외선 확산장치(160)는 외부광의 전체 평균치를 얻기 위하여 원형인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 이미지센서는 CCD나 CMOS의 기술을 이용하여 구현할 수 있으며, 상기 이미지센서의 내부에는 포토다이오드(Photodiode), 광 트랜지스터(Photo Transistor), 광전도성 셀(Photo conductive cell)등이 사용된다.
도 1에 도시된 자외선센서(130)는 저온 공정을 사용하여 생성시킬 수 있는 광전도성의 물질을 이용하여 구현시킬 수 있다. 광전도성 물질로는 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon)이 있다. 여기서 수소화된 비정질 실리콘이라 함은 비정질 실리콘의 일부 결합 중 채워지지 않은 결합(dangling bond)에 수소 이온(H)이 결합된 형태의 실리콘(Si:H)을 의미하며, 에너지 밴드는 결정질 실리콘보다 약간 높다. 불순물이 주입되지 않은 수소화된 비정질 실리콘 박막은 일반적으로 약 300℃의 저온에서 PECVD(Plasma enhanced chemical vapor deposition)의 방법으로 제조 될 수 있으며, 약 109 Ohm cm의 비저항 값을 갖는다.
도 2는 수소화된 비정질 실리콘의 광 전도성을 측정하기 위한 측정회로이다.
도 2를 참조하면, 저온의 PECVD 방법으로 제조된 수소화된 비정질 실리콘 박막(210)의 양단에 금속 전극(220, 230)을 설치하고, 금속 전극(220, 230)에 전압(Vi)을 인가한다.
빛이 입사하지 않은 상태에서라면 양단의 금속 전극(220, 230) 사이에는 수소화된 비정질 실리콘 박막(210)의 비저항에 의하여 결정되는 미세한 양의 전류만이 흐르게 된다. 빛은 비정질 실리콘 박막(210)에 인가(화살표)되며, 인가되는 빛의 에너지 즉 광자의 에너지가 비정질 실리콘 박막(210)의 에너지 갭보다 큰 경우에 전자와 정공 쌍(electron hole pair)이 비정질 실리콘 박막(210)에서 발생된다.
도 3은 도 2에 도시된 수소화된 비정질 실리콘의 밴드 다이어그램이다.
도 3을 참조하면, 금속 전극(220, 230)에 인가된 전압(Vi)에 의하여 수소화된 비정질 실리콘 박막(210)의 에너지 밴드(energy band)가 2개의 전극(220, 230) 사이에서 경사(slope)를 이룬다. 이 때 수소화된 비정질 실리콘 박막(210)에 광자가 입사(화살표)하는 경우, 수소화된 비정질 실리콘 박막(210)의 내부에서 발생된 전자(e)와 정공(h) 쌍은 경사진 밴드에 따라 양단의 금속 전극(220, 230)으로 양분되어 이동하게 된다. 전자(e)는 양의 전압을 가지는 오른 쪽 전극으로 이동하고 정공(h)은 음의 전압을 가지는 왼쪽 전극으로 이동한다.
일반적으로 수소화된 비정질 실리콘 박막(210)의 빛 흡수율은 결정질의 실리콘에 비하여 약 50배 이상 우수하므로, 가시광의 빛을 충분히 흡수하기 위해서 약 4000Å(옹스트롬)이내의 두께를 가지는 박막으로도 필요한 빛 흡수율을 얻기에 충분하다. 수소화된 비정질 실리콘 박막은 다이렉트 밴드 갭(direct band gap)을 가지며, 제조 방법에 따라 1.2~1.5eV의 밴드 갭 전압 값을 가진다.
수소화된 비정질 실리콘 박막의 표면 또는 내부에는 모바일 전하(mobile charge) 즉 전자(electron) 또는 정공(hole)과 전기적으로 결합하여 중성화 할 수 있는 무수히 많은 트랩중심(trap center)이 존재하는 것이 일반적이다. 외부의 전기장이 걸리지 않은 상태에서의 수소화된 비정질 실리콘 박막내부에 입사하는 빛에 의해 발생된 전자와 정공 쌍은 상기 전하트랩과 쉽게 재결합하게 된다. 따라서 수소화된 비정질 실리콘 박막을 사용하여 높은 효율의 광전 변환을 위해서는 외부에서 인가하는 전압을 높게 하는 것이 바람직하다.
도 4는 수소화된 비정질 실리콘 박막의 광 전도성을 이용하여 구현시킨 광 감지센서의 일실시예이다.
도 5는 도 4에 도시된 광 감지센서의 등가 회로도이다.
도 4를 참조하면, 광 감지센서(400)는, 광 감지소자(PC), 전달트랜지스터(M1), 리셋트랜지스터(M2) 및 공급전원(410)을 구비한다. 자외선을 감지하는데 사용되며 예를 들면 수소화된 비정질 실리콘 박막으로 구현할 수 있는 광 감지소자(PC, Photo-conductor)는, 광 감지소자(PC)의 내부에 입사되는 빛의 양에 따라 저항이 달라지는 특성을 가지고 있다. 광 감지소자(PC)와의 전기적인 연결을 위하여 사용되는 전달제어 트랜지스터(M1) 및 리셋 트랜지스터(M2)의 게이트에는 각각 전달제어신호(Tx)와 리셋제어신호(Rx)가 인가된다. 여기서 광 감지소자(PC)의 중심부는 도 2에 도시된 부재번호 210에 대응되며 양 쪽 단자는 전도성 물질로 이루어진다.
광 감지소자(PC)의 광 감지의 동작은 다음과 같다.
1. 먼저 광 감지소자(PC)에 빛이 입사되지 않는 경우;
전달제어신호(Tx)와 리셋제어신호(Rx)에 전압을 인가하여 광 감지소자(PC)의 양단에 일정한 전압(Vi)이 인가되게 한다. 이후 전달제어신호(Tx)와 리셋제어신호(Rx)를 이용하여 전달제어 트랜지스터(M1) 및 리셋 트랜지스터(M2)를 턴 오프 시킴으로서 광 감지소자(PC)와 2개의 트랜지스터들(M1, M2)과의 전기적 연결을 끊는다.
이때 광 감지소자(PC)의 양단에는 전압이 인가되지만, 빛이 인가되지 않기 때문에, 광 감지소자(PC)의 내부에 캐리어(carrier)가 거의 없으므로 적은 전류가 흐르게 되는데, 이 전류에 의하여 광 감지소자(PC)의 양단의 전압 차는 약간 줄어들게 되며, 이때 흐르는 전류를 암 전류(dark current)라 한다. 수소화된 비정질 실리콘 박막을 광 감지소자(PC)로 사용할 때, 광 감지소자(PC)의 면적이 1μm2이고 길이가 1μm인 경우 약 10-13A(ampere)의 암 전류가 흐르게 된다.
2. 광 감지소자(PC)에 빛이 입사하는 경우;
입사하는 광자(화살표)에 의하여 생성되는 전자와 정공 쌍은 강한 전기장에 의하여 가속되며, 양 쪽 전극으로 흡수되는 광자의 개수에 비례하는 큰 전류가 흐르게 된다. 따라서 빛이 광 감지소자(PC)에 입사하면 광 감지소자(PC) 양단의 전위차는 발생되는 광전하의 개수에 비례하는 속도로 0(zero)에 접근한다.
이 때 일정한 시간동안 입사한 빛에 의하여 발생되는 전자에 의한 고립된 전극(510)의 전압을 측정함으로써 이미지센서에서 흡수된 빛의 강도를 측정할 수 있다.
도 6은 광 전도소자의 광 전도성을 이용하여 구현된 자외선센서의 일실시예 를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 자외선센서를 구비하는 이미지센서(600)는 광전도체(PC), 상기 광전도체(PC)의 상부에 설치한 자외선 통과필터(UV pass filter), 전달트랜지스터(M1) 및 리셋트랜지스터(M2)를 구비한다.
상기 이미지센서(600)에 입사되는 입사광은 자외선 통과필터(UV pass filter)를 거치면서 통과된 자외선 성분만 광전도체(PC)에 입사되며, 자외선성분만이 전하의 전도에 참여하므로, 양 단자 사이에 흐르는 전류를 측정함으로서 광전도체(PC) 입사되는 자외선의 양을 예상할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시 예에서는 광전도성의 물질 즉 자외선 감광소자로서 불순물의 농도가 낮은 다결정 실리콘(poly silicon)을 사용할 수 있다. 다결정 실리콘은 CMOS 공정에서는 전극으로 사용되는 것이 일반적인데, 저항 값을 낮추기 위하여 불순물을 다량 주입시킨 다결정 실리콘을 모스트랜지스터의 게이트 단자로 사용한다. 불순물이 1016/CC이하인 다결정 실리콘은 빛이 입사되지 않는 상태에서의 전도성이 낮다. 따라서 도 6에 도시된 광전도체(PC)로 불순물이 1016/CC이하인 다결정 실리콘이 사용되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 실시 예에 의한 자외선 감광소자로 에피텍셜 성장시킨(epitaxially grown) 불순물의 농도가 낮은 실리콘을 사용하는 것도 가능하다.
도 7은 자외선 감광소자로 에피택셜 성장시킨 저 농도의 실리콘을 사용한 자외선센서를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 접지전압(GND)이 인가되는 기판(710)으로부터 에피택셜 성장된 저 농도의 실리콘 영역으로 구현된 광전도체(PC)는, 한 쪽 단자가 접지전압(GND)에 연결되고 다른 일 단자가 전달트랜지스터(M1)의 일 단자에 연결된다. 주어진 면적 내에서 상대적으로 큰 저항을 구현하기 위해서는 직선이 아닌 복수 개의 절곡(bended)을 가진 저항 패턴을 사용하는 것이 반도체 레이아웃(layout)의 기본인데, 도 7에도 이러한 레이아웃의 기본을 충실히 따르면 얻을 수 있는 구조를 예를 들었다.
광전도체(PC)의 상부에는 자외선 통과필터(UV pass filter)를 형성시킴으로서, 입사되는 빛 중에서 자외선 성분만이 광전도체(PC)로 입사시킬 수 있도록 하여 자외선에 대한 광 감지율을 향상시키도록 한다. 또한 광전도체(PC), 2개의 트랜지스터들(M1, M2)은 STI(Shallow Trench Insulator)에 의하여 외부와 전기적으로 분리시켜, 외부로부터 인가되거나 누출되는 누설 전하에 의한 영향을 최소로 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 자외선센서를 구비하는 이미지센서는, 자외선센서를 추가로 설치함으로서, 영상신호를 감지하여 전기신호로 변환하는 종래의 기능이외에도 입사되는 자외선의 양에 대한 정보를 추가로 인식할 수 있는 장점이 있다. 또한 이미지센서에 추가로 설치되는 자외선센서도 종래의 이미지센서를 구현하는데 사용되는 공정기술로 구현할 수 있으므로, 추가로 소비되는 비용도 거의 없게 되는 장점도 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 따른 자외선센서를 구비하는 이미지센서의 일실시예를 나타낸다.
도 2는 수소화된 비정질 실리콘의 광 전도성을 측정하기 위한 측정회로이다.
도 3은 도 2에 도시된 수소화된 비정질 실리콘의 밴드 다이어그램이다.
도 4는 수소화된 비정질 실리콘 박막의 광 전도성을 이용하여 구현시킨 광 감지 센서의 일실시예이다.
도 5는 도 4에 도시된 광 감지 센서의 등가 회로도이다.
도 6은 광 전도소자의 광 전도성을 이용하여 구현된 자외선센서의 일실시예를 나타낸다.
도 7은 자외선 감광소자로 에피택셜 성장시킨 저 농도의 실리콘을 사용한 자외선센서를 나타낸다.
Claims (6)
- 삭제
- 자외선을 감지하는데 사용되는 광 감지센서와, 영상신호를 감지하는데 사용되며 포토다이오드 어레이가 형성되는 이미지센서 영역을 구비하며, 상기 광 감지센서 및 상기 이미지센서 영역은 동일한 반도체 기판 상에 형성되고;상기 광 감지센서는,자외선 신호에 응답하여 일정한 전하를 생성시키며 일 단자가 접지전압에 연결된 광전도체;일 단자가 상기 광전도체의 다른 일 단자에 연결되고 게이트에 전하전달제어신호가 인가되는 전달트랜지스터;일 단자가 상기 전달트랜지스터의 다른 일 단자에 연결되고 게이트에 리셋제어신호가 인가되는 리셋트랜지스터; 및상기 리셋트랜지스터의 다른 일 단자에 일정한 전압을 공급하는 공급전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서.
- 제2항에 있어서, 상기 광전도체는,전기전도성을 가지는 2개의 단자에 사이에 형성된 광 전도성 물질로 이루어 지며,상기 광 전도성 물질은 수소화된 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 에피택셜 성장된 실리콘 중 하나로 구현된 것을 특징으로 하는 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서.
- 제3항에 있어서, 상기 광 전도성 물질은,주입된 불순물의 농도가 1016/CC 이하인 것을 특징으로 하는 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서.
- 제2항에 있어서,상기 광 감지센서의 상부에 설치된 자외선 확산장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서.
- 제5항에 있어서,상기 자외선 확산장치는 상기 광 감지센서를 포함할 수 있는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 자외선의 강도를 측정할 수 있는 이미지센서.
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