KR101489097B1 - 광자들을 감지하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 대표적인 실시예에 의하면, 서로의 상측 면상에 배치된 복수 개의 광자 감지 층들(111, 112, 113), 및 각각의 2개의 인접한 감지 층들 간의 중간 층(121, 122, 123)을 포함하는 장치가 제공되며, 상기 광자 감지 층들(111, 112, 113)은 그래핀(graphene)으로 이루어지고, 각각의 중간 층(121, 122, 123)은 광의 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하도록 구성된다.

Description

광자들을 감지하는 장치 및 방법{Apparatus and method for sensing photons}
본원은 일반적으로 광자들을 감지하는 장치들 및 방법들에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 이미지를 전기 신호로 변환하는 장치이다. 상기 이미지 센서는 디지털 카메라들 및 카메라 장착 이동 전화들과 같은 다른 이미징 장치들에서 널리 사용되어 왔다. 대부분의 디지털 카메라들은 상보형 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide Semiconductor; CMOS) 센서 또는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device; CCD) 센서 중 어느 하나를 사용한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 서로 다른 파장 대역들을 감지하기 위해 나란한 개별 픽셀들을 지니는 것을 대신할 단일 픽셀 해결수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 예들에 대한 여러 실시태양이 청구항들에 기재되어 있다.
본 발명의 제1 실시태양에 의하면,
서로의 상측 면상에 배치된 복수 개의 광자 감지 층들; 및
각각의 2개의 인접한 감지 층들 간의 중간 층;
을 포함하는 장치로서,
상기 광자 감지 층들은 그래핀(graphene)으로 이루어져 있으며, 각각의 중간 층은 광의 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치가 제공되어 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 광이 가시광, 적외광 및/또는 자외광을 지칭한다. 그리고 컬러 성분은 개별 컬러 성분을 지칭한다.
한 대표적인 실시예에서는, 서로의 상측 면상에 배치된 복수 개의 광자 감지 층들이 층상 구조를 제공한다. 층들로 이루어진 스택(stack)이 형성될 수 있다. 그러한 스택에서는, 상기 감지 층들 및 중간 층들의 주요 표면들이 서로 대면할 수 있다. 상기 감지 층들 및 중간 층들의 주요 표면들은 서로 접촉해 있을 수 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 반사 피막들이 중간 층들의 예들을 제공한다.
한 대표적인 실시예에서는, 그래핀 광 검출기들에 기반한 카메라 센서가 제공되어 있다. 한 대표적인 실시예에서는, 그래핀 트랜지스터가 광자들을 검출하는 데 사용된다. 상기 검출기는 CMOS 센서 또는 이와 유사한 것, 또는 CCD 센서 또는 이와 유사한 것과 유사한 기능을 수행하는 카메라 센서 시스템에 합체될 수 있다. 한 대표적이 실시예에서 관측되어 왔던 점은 그래핀의 광자 검출 능력이 적합한 중간 필터링 층들의 사용을 통해 서로 다른 파장들을 분리하는데 사용될 수 있고, 상기 구조가 카메라 센서로서 사용될 수 있다는 점이다.
한 대표적인 실시예에서는, 단일의 픽셀 카메라 센서가 제공된다. 하나의 컬러 픽처의 필요한 컬러 성분들 각각은 단일의 픽셀 셀(또는 광셀)에 의해 획득된다. 한 대표적인 실시예에서는, 상기 센서가 그래핀 층들 및 서로 다른 컬러 성분들을 분리하는 반사 또는 흡수 피막들을 포함한다. 한 대표적인 실시예에서는, 그래핀 층들 및 반사 또는 흡수 층들의 조합이 단일의 광셀을 통해 서로 다른 파장 대역들을 측정하는데 사용된다.
한 대표적인 실시예에서는, 반사 및 반사-방지 피막들의 사용과 조합된 상태로 가시광을 검출할 수 있는 적절히 편향된 그래핀 트랜지스터의 능력이,
휘도 정보에 대한 MPEG4 압축 포맷에서 사용되도록 흑색 및 백색 이미지를 직접 생성하는데 사용되고, 그리고/또는
RGB 부호화 컬러 시스템에서 사용되는 적색, 녹색 및 청색 컬러들을 생성하는데 사용된다. 이 모두는 여러 그래핀 층들 및 반사(또는 흡수) 피막들을 포함하는 하나의 단일 광셀에서 구현될 수 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치가 상기 컬러 성분의 반사를 통해 미리 결정된 컬러 성분이 진입하지 못하게 하도록 구성된 상기 중간 층(들)을 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치가 상기 컬러 성분의 흡수를 통해 미리 결정된 컬러 성분이 진입하지 못하게 하도록 구성된 상기 중간 층(들)을 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 복수 개의 광자 감지 층들 중 적어도 하나는 복수 개의 그래핀 부속-층들 또는 시트들을 포함한다. 바꾸어 말하면, 상기 그래핀 층들 중 하나 이상의 그래핀 층들은 서로의 상측 면상에 하나보다 많은 그래핀 시트(부속-층)를 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치가 흑색 및 백색 이미지 시스템용 이미지 센서, 및 RGB 부호화 시스템과 같은 컬러 이미지 시스템의 이미지 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 한 대표적인 실시예에서는, 단일의 픽셀 RGB 센서가 제공된다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치가,
서로의 상측 면상에,
제1 컬러용 감지 층, 상기 제1 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 제2 컬러용 감지 층, 상기 제2 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 및 제3 컬러용 감지 층을 포함하며, 서로의 상측 면상에서, 제1 컬러용 감지 층, 상기 제1 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 제2 컬러용 감지 층, 상기 제2 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 및 제3 컬러용 감지 층의 순서로 이루어져 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 제1 컬러가 청색이며, 상기 제2 컬러가 녹색이고, 상기 제3 컬러는 적색이다. 다른 실시예들에서는, 상기 감지 층들(및 개별 반사 또는 흡수 층들)의 순서는 서로 다를 수 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치가 상기 제1 컬러의 감지 층의 상측 면 상에 반사 방지 피막 또는 층을 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치에서의 센서 픽셀이 개별 마이크로렌즈에 의해 커버된다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치가 이동 전화와 같은 핸드헬드 이동 통신 장치이다. 한 대표적인 실시예에서는, 상기 장치가 디지털 카메라이다. 몇몇 실시예들에서는, 상기 장치가 디지털 저장 카메라, 이동 전화 카메라, 보안 카메라, 또는 내장 카메라 구조이다.
본 발명의 제2 실시태양에 의하면,
서로의 상측 면상에 배치된 복수 개의 광자 감지 층들, 및 각각의 2개의 인접한 감지 층들 간의 중간 층을 제공하는 단계로서, 상기 광자 감지 층들은 그래핀(graphene)으로 이루어져 있는, 단계; 및
각각의 중간 층으로 광의 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하는 단계;
를 포함하는, 방법이 제공된다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
각각의 중간 층으로 상기 컬러 성분의 반사를 통해 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하는 단계;
를 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
각각의 중간 층으로 상기 컬러 성분의 흡수를 통해 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하는 단계;
를 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
상기 복수 개의 광자 감지 층들 중 적어도 하나에 복수 개의 그래핀 부속-층들 또는 시트들을 제공하는 단계;
를 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
장치 내에서 컬러 성분들을 감지하기 위한 장치를 제공하는 단계;
를 포함하며, 상기 장치는 흑색 및 백색 이미지 시스템용 이미지 센서, 및 RGB 부호화 시스템과 같은 컬러 이미지 시스템의 이미지 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
원자 층 증착법, 화학적 증착법, 스핀 피복법, 및 RF 스퍼터링법으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제조법으로 상기 광자 감지 층들 및 상기 중간 층(들)을 제조하는 단계;
를 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
서로의 상측 면상에 층들을 포함하는 스택 구조를 제조하는 단계;
를 포함하며, 상기 층들은,
제1 컬러용 감지 층, 상기 제1 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 제2 컬러용 감지 층, 상기 제2 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 및 제3 컬러용 감지 층의 순서로 이루어져 있다. 컬러는 컬러 성분을 의미할 수 있다. 상기 제1 컬러/컬러 성분은 청색일 수 있으며, 상기 제2 컬러/컬러 성분은 녹색일 수 있고, 그리고 상기 제3 컬러/컬러 성분은 적색일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 상기 감지 층들(및 개별 반사 또는 흡수 층들)의 순서는 서로 다를 수 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
상기 제1 컬러의 감지 층의 상측 면 상에 반사-방지 피막 또는 층을 제조하는 단계;
를 포함한다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 방법이,
개별 마이크렌즈에 의해 센서 픽셀을 커버하는 단계;
를 포함한다.
본 발명의 서로 다른 비-결합하는 대표적인 실시태양들 및 실시예들은 앞서 예시되었다. 위의 실시예들은 단지 본 발명의 구현들에서 이용될 수 있는 선택된 실시태양들 또는 단계들을 설명하는데에만 사용된 것이다. 몇몇 실시예들은 단지 본 발명의 몇몇 대표적인 실시태양들을 참조하여서만 제공될 수 있다. 여기서 이해해야 할 점은 상응하는 실시예들이 또한 다른 대표적인 실시태양들에 적용가능하다는 점이다. 어느 적합한 실시예들의 조합들이 형성될 수 있다.
본 발명은, 서로 다른 파장 대역들을 감지하기 위해 나란한 개별 픽셀들을 지니는 것을 대신할 단일 픽셀 해결수단을 제공하며; 단지 하나의 픽셀만이 컬러 분해(color separation)에 필요한 경우에, 다른 어떤 센서들에 비하여 개선된 컬러 분해를 제공하고; 전체 가시광 스펙트럼에서 광자들의 상당히 균일한 흡수를 제공하며; 제조하기에 간단한 센서 구조와 아울러, 그래핀 및 중간 층들에 대한 낮은 재료 비용들을 제공하고; 그래핀이 특정한 설계 이점들을 제공하는 유연 물질을 이용하며; 신속한 광 응답을 제공함으로써 신속한 응답 시간이 전력소비를 감소시킬 수 있게 하며 데이터 처리를 위한 더 많은 시간을 제공해 주는 효과를 제공한다.
본 발명의 대표적인 실시예들을 좀더 완전하게 이해하기 위하여, 지금부터 첨부도면들과 연관지어 취해진 이하의 설명들이 참조될 것이다.
도 1은 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 광자 감지 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 구조에서의 반사들을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 구조의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 픽셀 셀의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 픽셀 셀의 변형적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 접점들을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 렌즈 구조를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 한 대표적인 실시예에 따른 광자 감지 구조를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 장치의 한 대표적인 블록 다이어그램이다.
도 10은 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 방법을 보여주는 대략적인 흐름도이다.
본 발명의 대표적인 실시예들 및 이들의 잠재적인 이점들은 첨부도면의 도 1 내지 도 10을 참조하면 이해될 것이다. 이하의 설명에서는 동일 참조번호들이 동일요소들을 지칭한다.
그래핀은 가시광, 적외광 및 자외광의 주파수들에서 광자들을 효과적으로 흡수한다. 광자 검출기로서의 그래핀 사용은 그래핀이 전체 가시광 스펙트럼에서 매우 균일하게 광을 흡수한다는 관찰에 기반하여 이루어진 것이다. 그래핀 광 검출기는 CMOS 센서 또는 그와 유사한 것, 또는 CCD 센서 또는 그와 유사한 것과 유사한 기능을 수행하는 카메라 센서 시스템에 합체될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 광 감지 구조가 도시되어 있다. 상측 면상에는 상기 구조가 모든 컬러 성분들에 대한 반사-방지 피막(101)을 포함한다. 그러한 층 하부에는 상기 구조가 그래핀으로 이루어진 제1 감지 층(111)을 포함한다.
층(111) 하부에는 상기 구조가 (이하에서는 제1 반사 피막(121)으로 언급되는) 제1 컬러 성분에 대한 반사 피막 또는 층(121)을 포함한다. 상기 제1 반사 피막(121)은 다른 컬러 성분들을 통과시키지만, 상기 제1 컬러 성분을 반사시킨다. 이러한 실시예에서는, 상기 제1 컬러 성분이 청색이다. 상기 제1 반사 피막(121) 하부에는 상기 구조가 그래핀으로 이루어진 제2 감지 층(112)을 포함한다.
층(112) 하부에는 상기 구조가 (이하에서는 제2 반사 피막(122)으로서 언급되는) 제2 컬러 성분에 대한 반사 피막 또는 층(122)을 포함한다. 상기 제2 반사 피막(122)은 다른 컬러 성분들을 통과시키지만, 상기 제2 컬러 성분을 반사시킨다. 이러한 실시예에서는, 상기 제2 컬러 성분이 녹색이다. 상기 제2 반사 피막(122) 하부에는 상기 구조가 그래핀으로 이루어진 제3 감지 층(113)을 포함한다.
층(113) 하부에는 상기 구조가 제3 컬러 성분에 대한 반사 피막(123)(제3 반사 피막(123))을 옵션으로 포함한다. 이러한 실시예에서는, 상기 제3 컬러 성분이 적색이다. 그러나 여기서 유념해야 할 점은 컬러 필터들(층들(121-123))의 순서가 위에서 제시된 것과는 다르도록 선택될 수 있다는 점이다.
하측 면상에는, 그 자체로 공지되어 있는 픽셀 구조를 형성하도록 증폭기들, 논리, 및 와이어들을 포함하는 층(102)이 있다. 상기 와이어들이 도 1에서는 와이어들(131)로 도시되어 있다. 변형 실시예에서는, 상기 논리 등은 픽셀 셀의 에지들에 배치될 수 있다.
현재의 실시예에서의 광자 감지 동작에 대하여 유념할 점은 사실상 모든 입사 광자들(또는 입사 광)이 상기 제1 감지 층(111)에 진입한다는 점이다. 그리고나서, 청색 컬러 성분은 상기 제1 감지 층(111)으로부터 획득된 신호로부터 상기 제2 및 제3 감지 층들(112-113)로부터 획득된 신호들을 감산함으로써 사실상 획득된다. 그에 대응하여, 상기 청색 컬러 성분을 제외한 모든 컬러 성분들이 상기 제2 감지 층(112)에 진입하기 때문에, 상기 녹색 컬러 성분은 상기 제2 감지 층(112)으로부터 획득된 신호로부터 상기 제3 감지 층(113)으로부터 획득된 신호를 감산함으로써 획득된다. 그리고, 상기 적색 컬러 성분은 상기 제3 감지 층(113)으로부터 획득된 신호로부터 직접 획득된다.
단지 흑색 및 백색 픽처만이 필요한 경우에, 상기 제1 감지 층(111)은 상기 흑색 및 백색 픽처, 다시 말하면 계산하지 않고서 휘도 정보 또는 그와 유사한 정보를 획득하는데 사용될 수 있다.
더군다나, 그러한 개념이 적외광 및 자외광과 같은 다른 주파수들에서도 사용될 수 있다.
도 2에는 한 대표적인 실시예에 따른 도 1의 구조에 있는 반사들이 도시되어 있다.
필요한 개수의 그래핀 시트들은 서로의 상측 면상에 제조될 수 있다. 한 대표적인 실시예에서는, 상기 제1 감지 층(111)에서의 그래핀 시트들의 개수가 4이며, 상기 제2 감지 층(112)에서의 그래핀 시트들의 개수가 4이고, 상기 제3 감지 층(113)에서의 그래핀 시트들의 개수가 10이다. 그러나, 각각의 층에서의 그래핀의 개수는 성능을 최적화하도록 변경될 수 있다. 각각의 그래핀 시트는 각각의 컬러 성분에 대한 입사 광자들의 약 2,3% 입사 광자들을 흡수하는 것이 전형적이다.
그래핀 시트들에 대한 적합한 제조법은 예를 들면 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학적 증착)법이다. 변형적으로는, 기타 적합한 방법이 사용될 수 있다. 제조된 그래핀 시트는 기판으로서 사용될 수 있으며 상기 기판상에는 다음에 오게 되는 그래핀 시트가 증착될 수 있다.
서로 다른 컬러 성분들 간의 컬러 분해(color separation)는 반사기 층들(반사 피막들(121-123)의 품질에 의해 결정되고 상기 반사 피막들(121-123)의 두께들 및 반사 계수들을 적절히 선택함으로써 이루어질 수 있게 된다.
소정 입사각(θ1)에 대하여 다층으로부터 반사된 광의 파장(컬러)은 스넬의 법칙(Snell's law), 즉
n1·sinθ1 = n2·sinθ2
로부터 계산될 수 있는데, 여기서, n1 및 n2는 매질의 굴절률들이며, θ2는 굴절각이다. 임의의 반사에 대하여는, 반사된 파장(λ)이,
λ = 2·(n1·d1·cosθ1 + n2·d2·cosθ2)
로부터 계산될 수 있는데, 여기서 d1 및 d2는 매질의 두께들이다.
n1·d1·cosθ1 = n2·d2·cosθ2 일때 λ = 4·n1·d1·cosθ1 이며, 이는 최대 반사이다. 이때 그러한 파장에 대해 보강 간섭(constructive interference)이 존재하게 된다.
한 대표적인 실시예에서는, 매질의 두께들 및 반사 계수들은 원하는 파장들에서 반사된 광에 대하여 보강 간섭이 존재하게 되며 다른 파장들에 대하여 투과되도록 선택된다. 반사 피막들(121-123)에서 사용된 물질들 및 두께들은 구현예에 의존한다. 몇몇 실시예들에서는, 상기 제2 반사(녹색) 피막(122)의 두께가 예를 들면 약 300 nm일 수 있다.
적용가능한 반사 피막들의 몇몇 예들은 TiO2, 및 ZnO 층들, 및 폴리스티렌 또는 테프론 층들과 같은 박막 폴리머 층들이다. 변형적으로는, 나노입자 기반 흡수 물질들이 사용될 수 있다. 적합한 제조 방법들은 예를 들면 스핀 피복, 원자 층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD)법, 및 RF 스퍼터링이다.
도 2에 제시된 실시예에서는, 상기 제1 반사 피막(121)이 입사광(281)으로부터 청색 컬러 성분(281')의 파장 범위를 반사한다. 상기 제2 반사 피막(122)은 입사광(282)(상기 입사광(282)으로부터 상기 제1 반사 피막(121)이 이미 상기 청색 컬러 성분을 반사했음)으로부터 녹색 컬러 성분(282')의 파장 범위를 반사한다. 그리고, 옵션의 제3 반사 피막(123)은 입사광(283)(상기 입사광(283)으로부터 상기 제1 및 제2 반사 피막들(121,122)이 이미 청색 및 녹색 컬러 성분들을 반사했음)으로부터 적색 컬러 성분(283')의 파장 범위를 반사한다. 상기 반사 피막들(121-123)의 사용은 기본적으로 광 검출 효율을 2배로 늘려주는데, 그 이유는 이때 역반사된 신호들이 또한 사용될 수 있기 때문이다.
도 3에는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 구조의 측면도가 도시되어 있다. 상기 구조는 하나의 픽셀 셀을 커버한다. 상기 픽셀 셀의 크기는 예를 들면 1 ㎛ x 1 ㎛일 수 있다. 예를 들면, 12M 센서의 경우에는 3000 x 4000 픽셀 셀들이 한 어레이에 배치될 수 있다. 도 3에 도시된 픽셀 셀은 2개의 소스 전극들(S1, S2), 및 하나의 드레인 전극(D)을 포함한다. 한 실시예에서는, 각각의 그래핀 층(111-113)에 대한 접점들(341-343, 341'-343' 및 341"-343")이 금속으로 이루어져 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 상기 층(102)은 픽셀 구조를 형성하도록 증폭기들, 논리, 및 와이어들을 포함한다. 상기 와이어들이 도 3에서는 와이어들(131-133)로 도시되어 있다.
도 4에는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 픽셀 셀의 평면도가 도시되어 있다. 그래핀 트랜지스터의 전극들(S1, D, S2)이 도시되어 있다. 도 4에 도시된 실시예에서는 상기 전극들은 일직선을 이루는 전극들이다.
전류에 대한 광자들의 변환 효율은 픽셀 셀의 기하학적 형상 및 구조를 미세조정함으로써, 예를 들면
전극들 간의 채널들을 짧고 넓게 함으로써; 그리고/또는
동일한 픽셀 셀에서 복수 개의 소스 및 드레인 전극들을 형성함으로써
최적화될 수 있다.
상기 센서에서의 잡음 레벨은 픽셀 셀들을 작게 함으로써 줄어들게 할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 한 픽셀의 변형적인 평면도가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서는, 상기 소스 및 드레인 전극들(S1, S2, D1, D2)은 픽셀 부위를 효과적으로 커버하도록 서로 얽힌 패턴으로서 형성된다.
한 대표적인 실시예에서는, 외부 편향이 필요하지 않은 방식("제로-편향 동작(zero-bias operation)")으로 전극들의 도핑 효과들에 의해 적절히 편향될 수 있다. 실제로는, 제로(zero) 또는 매우 작은 소스-드레인 전압을 사용하여 누설 전류를 사실상 제거하는 것이 가능하다. 이때, 소스 및 드레인 금속 접점들의 도핑 효과에 의해 생성된 전위차는 부가적인 증폭을 위해 소스 및 드레인 전극들에 광자에 의해 생성된 전자들 및 홀들을 드라이브(drive)시키는데 사용된다.
도 6에는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 접점들이 도시되어 있다. 각각의 층의 소스 및 드레인 금속 전극들에 대한 접점들(341-343)은 픽셀의 에지들 상에 있다. 상기 접점들(341-343)은 금속 및 유전체(651-653)의 증착에 의해 한 층씩 제조될 수 있다. 좀더 구체적으로 기술하면, 각각의 그래핀 층(111-113)에 대한 접점들(341-343)은 먼저 금속 층을 증착하고, 이를 원하는 형상으로 에칭하며, 그 후에 유전체를 증착하고 이를 에칭하며, 그리고 3개의 모든 접점들이 제조될 때까지 속행함으로써 제조될 수 있다. 도 6에 가시화된 것들은 또한 층(102)에 있는 와이어들(634)이다. 도 6에는 도시되어 있지 않지만, 상기 와이어들(634)은 개별 접점들에 대한 접속을 지니고 있어야 하는 것이 전형적이다.
도 7에는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 렌즈 구조가 도시되어 있다. 입사각이 예를 들면 총체적인 반사를 회피하도록 작은 것이 전형적으로 바람직하다. 작은 입사각은 적합한 렌즈 배치를 사용함으로써 이루어지게 될 수 있다. 도 7에는 각각의 픽셀 센서(791)가 개별 마이크로렌즈(792)에 의해 커버되어 있는 마이크로렌즈가 도시되어 있다. 상기 마이크로렌즈(792)는 픽셀 셀로 광자들을 수집한다. 이러한 방식으로, 초박막 마이크로렌즈 구조는 다중-렌즈 구조들 대신에 사용될 수 있다. 한 실시예에 있어서, 상기 마이크로렌즈는 픽셀 셀의 채널 부위보다 크다. 그러한 방식으로 예를 들면 각각의 픽셀에 대하여 그래핀 트랜지스터 회로들에 대한 공간이 더 커지게 된다. 픽셀 센서들의 어레이 전반에 걸쳐 입사각을 일정하게 하는 것이 바람직할 경우에, 각각의 픽셀 센서에 대한 마이크로렌즈들의 어레이 및 대물 광각 렌즈의 조합이 사용될 수 있다.
도 8에는 본 발명의 다른 한 대표적인 실시예에 따른 광자 감지 구조가 도시되어 있다. 도 8의 광자 감지 구조는 도 1의 광자 감지 구조와는 달리 실질적으로 컬러 성분들을 반사하는 대신에 상기 광자 감지 층들 간의 중간 층들이 개별 컬러 성분을 흡수하는 것을 제외하고는 도 1의 광자 감지 구조에 상응한다.
따라서, 상측 면상에서는 상기 구조가 모든 컬러 성분들에 대한 반사-방지 피막(101)을 포함한다. 그러한 층 하부에서는 상기 구조가 그래핀으로 이루어진 제1 감지 층(111)을 포함한다.
층(111) 하부에서는 상기 구조가 (이하에서 제1 흡수재 층(821)으로서 언급되는) 제1 컬러 성분에 대한 흡수재 층(821)을 포함한다. 상기 제1 흡수재 층(821)은 다른 컬러 성분들을 통과시키지만, 상기 제1 컬러 성분을 흡수한다. 이러한 실시예에서는, 상기 제1 컬러 성분은 또한 청색이다. 상기 제1 흡수재 층(821) 하부에서는 상기 구조가 그래핀으로 이루어진 제2 감지 층(112)을 포함한다.
층(112) 하부에서는 상기 구조가 (이하에서 제2 흡수재 층(882)으로서 언급되는) 제2 컬러 성분에 대한 흡수재 층(822)을 포함한다. 상기 제2 흡수재 층(822)은 다른 컬러 성분들을 통과시키지만, 상기 제2 컬러 성분을 흡수한다. 이러한 실시예에서는, 상기 제2 컬러 성분이 또한 녹색이다. 상기 제2 흡수재 층(822) 하부에서는 상기 구조가 그래핀으로 이루어진 제3 감지 층(113)을 포함한다.
층(113) 하부에서는 상기 구조가 제3 컬러 성분에 대한 흡수재 층(823)(제3 흡수재 층(823))을 옵션으로 포함한다. 이러한 실시예에서는 상기 제3 컬러 성분이 또한 적색이다. 그러나 여기서 유념해야 할 점은 상기 컬러 필터들(층들(821-823))의 순서가 위에서 제시된 것과는 다르도록 선택될 수 있다는 점이다.
하측 면상에서는, 픽셀 구조를 형성하도록 증폭기들, 논리, 및 와이어들을 포함하는 층(102)(도 8에는 도시되지 않음)이 존재한다. 변형적인 실시예에서는, 논리 등은 픽셀 셀의 에지들에 배치될 수 있다. 흡수재 층들(821-823)에서 사용된 물질들은 구현예에 의존한다.
위에서 언급한 실시예들에서와 마찬가지로, 도 8에 제시된 실시예에서는, 각각의 그래핀 시트가 각각의 컬러 성분에 대한 입사 광자들의 약 2,3% 입사 광자들을 흡수하는 것이 전형적이다. 상기 제1 흡수재 층(821)은 입사광(881)으로부터 청색 컬러 성분의 파장 범위를 흡수한다. 상기 제2 흡수재 층(822)은 입사광(882)(입사광(882)으로부터 상기 제1 흡수재 층(821)이 이미 청색 컬러 성분을 흡수했음)으로부터 녹색 컬러 성분의 파장 범위를 흡수한다. 그리고, 옵션인 제3 흡수재 층(823)은 상기 입사광(883)(상기 입사광(883)으로부터 상기 제1 및 제2 흡수재 층들(821, 822)이 이미 청색 및 녹색 컬러 성분들을 흡수했음)으로부터 적색 컬러 성분의 파장 범위를 흡수한다.
한 대표적인 구현예에서 층들(111,112)에서의 그래핀 시트들의 개수가 12이고, 층(113)에서의 그래핀 시트들의 개수는 20이다. 그러나, 각각의 층에서의 그래핀 시트들의 개수는 성능을 최적화시키도록 변경될 수 있다.
현재의 실시예에서의 광자 감지 동작에 대하여, 도 1과 연관지어 설명한 바와 마찬가지로, 사실상 모든 입사 광자들(또는 입사광)은 상기 제1 감지 층(111)에 진입한다. 그리고나서, 상기 청색 컬러 성분은 상기 제1 감지 층(111)으로부터 획득된 신호로부터 상기 제2 및 제3 감지 층들(112-113)로부터 획득된 신호들을 감산함으로써 사실상 획득된다. 그에 대응해서, 상기 청색 컬러 성분을 제외한 모든 컬러 성분들이 상기 제2 감지 층(112)에 진입하기 때문에, 상기 녹색 컬러 성분은 상기 제2 감지 층(112)로부터 획득된 신호로부터 상기 제3 감지 층(113)으로부터 획득된 신호를 감산함으로써 획득된다. 그리고, 상기 적색 컬러 성분은 상기 제3 감지 층(113)으로부터 획득된 신호로부터 직접 획득된다.
그리고, 단지 흑색 및 백색 픽처만이 필요한 경우에, 상기 제1 감지 층(111)은 상기 흑색 및 백색 픽처, 다시 말하면 계산하지 않고서 휘도 정보 또는 그와 유사한 정보를 획득하는데 사용될 수 있다.
더군다나, 그러한 개념은 또한 적외광 및 자외광과 같은 다른 주파수들에서도 사용될 수 있다.
도 9에는 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 장치(900)의 한 대표적인 블록 다이어그램이 도시되어 있다.
상기 장치(900)는 컴퓨터 프로그램 코드(950)을 포함하는 컴퓨터 프로그램들 또는 소프트웨어를 저장하도록 구성된 적어도 하나의 비-휘발성 메모리(940)를 포함한다. 상기 장치(900)는 상기 컴퓨터 프로그램 코드(950)를 사용하여 상기 장치(900)의 동작을 제어하기 위한 적어도 하나의 프로세서(920), 상기 적어도 하나의 프로세서(920)로 상기 컴퓨터 프로그램 코드(950)를 실행하기 위한 작업 메모리(930), 및 옵션으로 다른 엔티티들 또는 장치들과 통신하기 위한 입력/출력 시스템(I/O; 970)을 더 포함한다. 따라서, 상기 입력/출력 시스템(970)은 존재한다면 통신 네트워크 및/또는 다른 장치에 대한 통신 인터페이스들을 제공하는 하나 이상의 통신 유닛들 또는 모듈들을 포함한다. 상기 장치(900)는 사용자로 하여금 상기 장치를 사용할 수 있게 하는 사용자 인터페이스(UI; 960)를 포함한다.
상기 장치(980)는 카메라 모듈(980)을 부가적으로 포함한다. 상기 카메라 모듈(980)은 상기 대표적인 실시예들에서 언급한 광자 감지 구조를 포함한다. 상기 카메라 모듈(980)은 상기 적어도 하나의 프로세서(920)에 접속되어 있다. 상기 카메라 모듈(980)은 상기 적어도 하나의 프로세서(920)에 의해 제어될 수 있다. 그 대신에 또는 추가로, 상기 카메라 모듈(980)은 자신의 동작 또는 전체 장치(900)의 동작을 제어하는 그 자체의 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 장치가 카메라를 격납하고 있는 이동 통신 장치인지 아니면 예를 들면 단순한 디지털 카메라인지에 따라, 상기 장치의 구조는 도 9에 제시된 것으로부터 벗어날 수 있다. 상기 블록들 중 하나 이상의 블록들이 생략될 수 있으며 그리고/또는 하나 이상의 추가 블록들이 실제 구현예에 추가될 수 있다.
도 10은 본 발명의 한 대표적인 실시예에 따른 방법을 보여주는 흐름도이다. 제1 단계(단계들 1001 및 1002)에서는, 상기 방법이 서로의 상측 면상에 배치된 복수 개의 광자 감지 층들 및 중간 층(들)을 제공하는 단계로서, 상기 광자 감지 층들은 그래핀으로 이루어져 있는 단계를 포함한다. 상기 단계들(1001,1002)은 상기 단계들 간의 어느 일시적 순서를 반드시 반영할 필요가 없다. 실제로는, 상기 구조가 예를 들면 제조되고 있는 경우에 상기 단계들(1001,1002)은 광자 감지 층들 및 중간 층(들)이 번갈아 배치된 스택이 생성되도록 교대로 반복될 수 있다. 그 결과로 얻어진 구조는 각각의 중간 층이 개별 컬러 성분으로 하여금 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하도록 이루어진다(단계 1003). 중간 층은 컬러 성분이 상기 컬러 성분을 흡수함으로써, 또는 상기 컬러 성분을 반사함으로써 진입하지 못하게 할 수 있다.
다른 실시예들 :
한 대표적인 실시예에서는, 위에서 언급한 제로-편향 동작이 전극들 간의 채널을 부분적으로는 n-타입 및 부분적으로는 p-type이도록 도핑함으로써 강화될 수 있다. 또한 금속 접점들은 상기 도핑 효과가 강화되도록 다시 말하면 서로 다른 작용 기능들을 사용하여 소스 및 드레인 전극들에 대해 서로 금속들을 선택함으로써 상기 도핑 효과가 강화되도록 선택될 수 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 상기 픽셀 셀들로부터 획득된 신호들 또는 데이터가 부가적인 송신 바로 전에 어느 적합한 압축 알고리즘을 사용하여 압축될 수 있다. 예를 들면, 이웃하는 셀 값들과 비교한 차이들만이 저장될 수 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 상관된 이중 샘플링 기법(correlated double sampling technique)이 사용된다. 그러한 목적을 위해, 측정(또는 전달) 트랜지스터가 모든 픽셀 셀에 추가될 수 있다.
한 대표적인 실시예에서는, 증폭기들이 후면 조명(backside illumination) CMOS 센서들에서와 유사한 그래핀 트랜지스터들 또는 전형적인 CMOS 기술을 사용하여 구현될 수 있다.
어떠한 방식으로든 이하에 첨부된 청구항들의 범위, 해석, 또는 적용을 한정하지 않고서도, 본원에 개시된 대표적인 실시예들 중 하나 이상의 대표적인 실시예들의 몇몇 기술적 효과들을 기재하면 다음과 같다. 한 기술적 효과는 서로 다른 파장 대역들을 감지하기 위해 나란한 개별 픽셀들을 지니는 것을 대신할 단일 픽셀 해결수단이다. 단지 하나의 픽셀만이 컬러 분해(color separation)에 필요한 경우에, 한 기술적 효과는 다른 어떤 센서들에 비하여 개선된 컬러 분해이다. 다른 한 기술적 효과는 전체 가시광 스펙트럼에서 광자들의 상당히 균일한 흡수이다. 여전히 다른 한 기술적 효과는 제조하기에 간단한 센서 구조와 아울러, 그래핀 및 중간 층들에 대한 낮은 재료 비용들이다. 여전히 또 다른 한 기술적 효과는 그래핀이 특정한 설계 이점들을 제공하는 유연 물질이라는 것이다. 여전히 또 다른 한 기술적 효과는 신속한 광응답이다. 신속한 응답 시간은 전력소비를 감소시킬 수 있으며 데이터 처리를 위한 더 많은 시간을 제공해 준다.
위의 설명은 본 발명을 실시하기 위해 본 발명자들에 의해 현재 고려된 최선의 형태의 완전하고 유익한 설명을 본 발명의 특정 구현예들 및 실시예들의 비-제한적인 예들을 통해 제공한 것이었다. 그러나 당업자라면 본 발명이 위에 제시된 실시예들의 세부들에 한정된 것이 아니고 본 발명의 특징들로부터 벗어나지 않고 실시예들의 서로 다른 조합을 통해서나 또는 등가 수단을 이용하여 다른 실시예들에서 구현될 수 있음을 분명히 알 수 있을 것이다.
필요하다면, 본원에서 논의된 다른 기능들은 서로 다른 순서로 그리고/또는 서로 동시에 수행될 수 있다. 더군다나, 필요하다면, 위에서 설명한 기능들 중 하나 이상의 기능들은 옵션일 수 있다.
더군다나, 위에서 언급한 본 발명의 실시예들의 특징들 중 일부는 다른 특징들의 상응하는 사용 없이도 유리하게 사용될 수 있다. 이 때문에, 위의 설명은 단지 본 발명의 원리들을 예시한 것으로만 고려되어야 하며 본 발명을 한정하는 것으로 고려되어서는 아니 된다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

  1. 광자 감지 장치로서,
    서로의 상측 면상에 배치된 복수 개의 광자 감지 층들과
    각각의 2개의 인접한 감지 층들 간의 중간 층을 포함하고,
    상기 광자 감지 층들은 그래핀(graphene)으로 이루어져 있으며, 각각의 중간 층은 광의 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하도록 구성되고,
    상기 복수 개의 광자 감지 층들 중 적어도 하나는 복수 개의 그래핀 부속-층들을 포함하고,
    상기 광자 감지 장치는 각각의 광자 감지 층에 연결된 드레인 전극과 2개의 소스 전극을 더 포함하는
    광자 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 성분의 반사를 통해 미리 결정된 컬러 성분이 진입하지 못하게 하도록 구성된 상기 중간 층(들)
    을 포함하는 광자 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컬러 성분의 흡수를 통해 미리 결정된 컬러 성분이 진입하지 못하게 하도록 구성된 상기 중간 층(들)
    을 포함하는 광자 감지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    서로의 상측 면상에, 제1 컬러용 감지 층, 상기 제1 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 제2 컬러용 감지 층, 상기 제2 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 및 제3 컬러용 감지 층의 순서로 이루어져 있는 층들
    을 포함하는 광자 감지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 컬러는 청색이며, 상기 제2 컬러는 녹색이고, 상기 제3 컬러는 적색인
    광자 감지 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 흑색 및 백색 이미지 시스템용 이미지 센서, 및 RGB 부호화 시스템과 같은 컬러 이미지 시스템의 이미지 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    광자 감지 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서 픽셀은 개별 마이크로렌즈에 의해 커버되는
    광자 감지 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 핸드헬드 이동 통신 장치인
    광자 감지 장치.
  9. 서로의 상측 면상에 배치된 복수 개의 광자 감지 층들 및 각각의 2개의 인접한 감지 층들 간의 중간 층을 제공하는 단계 - 상기 광자 감지 층들은 그래핀(graphene)으로 이루어져 있음 - 와,
    각각의 중간 층에 의하여 광의 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하는 단계와,
    상기 복수 개의 광자 감지 층들 중 적어도 하나에 복수 개의 그래핀 부속-층들을 제공하는 단계와,
    각각의 광자 감지 층에 연결된 드레인 전극과 2개의 소스 전극을 제공하는 단계
    를 포함하는 광자 감지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    각각의 중간 층에 의하여 상기 컬러 성분의 반사를 통해 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하는 단계
    를 포함하는 광자 감지 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    각각의 중간 층에 의하여 상기 컬러 성분의 흡수를 통해 개별 컬러 성분이 상기 중간 층 다음에 오게 되는 광자 감지 층 내로 진입하지 못하게 하는 단계
    를 포함하는 광자 감지 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    서로의 상측 면상에 층들을 포함하는 스택 구조를 제조하는 단계
    를 포함하되,
    상기 층들은,
    제1 컬러용 감지 층, 상기 제1 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 제2 컬러용 감지 층, 상기 제2 컬러용 반사 층 또는 흡수 층, 및 제3 컬러용 감지 층의 순서로 이루어지는
    광자 감지 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 컬러는 청색이며, 상기 제2 컬러는 녹색이고, 상기 제3 컬러는 적색인
    광자 감지 방법.
  14. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    장치 내에서 컬러 성분들을 감지하기 위한 장치를 제공하는 단계
    를 포함하되,
    상기 장치는 흑색 및 백색 이미지 시스템용 이미지 센서, 및 RGB 부호화 시스템과 같은 컬러 이미지 시스템의 이미지 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    광자 감지 방법.
  15. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    원자 층 증착법, 화학적 증착법, 스핀 피복법, 및 RF 스퍼터링법으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 제조법으로 상기 광자 감지 층들 및 상기 중간 층(들)을 제조하는 단계
    를 포함하는 광자 감지 방법.
  16. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    개별 마이크로렌즈에 의해 센서 픽셀을 커버하는 단계
    를 포함하는 광자 감지 방법.
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