KR101772968B1 - 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 공정으로 모든 공정을 대체할 수 있는 광학 구조를 가지는 이미지 센서를 개시한다. 상기 이미지 센서는 광전 변환층; 상기 광전 변환층의 상부에 형성되고 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 구비하며 상기 공동 공진기를 통해서 픽셀 별로 특정 파장의 광을 투과시키는 필터층; 및 상기 필터층의 상부에 형성되고 서로 다른 굴절율을 가지는 유전체들에 의해 형성된 집광패턴을 구비하며 상기 집광패턴을 통해서 입사되는 광을 집광하는 집광층;을 포함한다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 반도체 공정으로 모든 공정을 대체할 수 있는 씨모스 이미지 센서의 광학 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지 센서는 광학 이미지를 전기적 신호로 변환하는 장치로써, 디지털 카메라, 캠코더, 모바일 단말기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

이미지 센서로는 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등이 있으며, CMOS 이미지 센서는 집적도가 높고 소모 전력이 매우 적어서 하나의 집적회로로 구현될 수 있다.

이미지 센서는 광학 이미지를 센싱하기 위한 픽셀 어레이를 포함하고, 픽셀 어레이의 각 픽셀은 곡률을 이용하여 광을 집광하는 마이크로 렌즈와 특정 파장의 광을 투과시키는 컬러 필터와 광을 전기적 신호로 변환하는 포토 다이오드를 포함한다. 여기서, 마이크로 렌즈와 컬러 필터는 폴리머(Polymer) 공정을 통해서 제조되고 포토 다이오드는 반도체 공정을 통해서 제조된다.

한편, 해상도가 증가함에 따라 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 크기는 점점 작아지고 있는 추세이다.

그런데, 종래 기술의 이미지 센서는 마이크로 렌즈의 곡률에 의한 광 굴절 효율에 한계가 있기 때문에 픽셀의 크기가 작아짐에 따라 집광 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 종래 기술은 마이크로 렌즈와 컬러 필터가 폴리머 공정에 의해 제조되고 포토 다이오드가 반도체 공정에 의해 제조되므로 공정이 매우 복잡하고 공정 단가가 증가하는 단점이 있다.

따라서, 픽셀의 크기가 작아짐에도 불구하고 집광 효율이 떨어지지 않고, 반도체 공정으로 모든 공정을 대체할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 반도체 공정으로 모든 공정을 대체할 수 있는 광학 구조를 가지는 이미지 센서를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 픽셀의 크기가 작아짐에도 불구하고 집광 효율이 높아 감도를 향상시킬 수 있는 이미지 센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 이미지 센서는, 광전 변환층; 상기 광전 변환층의 상부에 형성되고 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 구비하며 상기 공동 공진기를 통해서 픽셀 별로 특정 파장의 광을 투과시키는 필터층; 및 상기 필터층의 상부에 형성되고 서로 다른 굴절율을 가지는 유전체들에 의해 형성된 집광패턴을 구비하며 상기 집광패턴을 통해서 입사되는 광을 집광하는 집광층;을 포함한다.

본 발명의 이미지 센서는, 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 구비하며 상기 공동 공진기를 통해서 픽셀 별로 특정 파장의 광을 투과시키는 필터층; 상기 필터층의 하부에 형성되고 픽셀의 센터를 기준으로 제1 유전체가 방사상으로(radially) 분포되고 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 집광패턴을 포함하며 상기 집광패턴을 통해서 광을 집광하고 광의 반사를 방지하는 집광층; 및 상기 집광층의 하부에 형성되고 상기 특정 파장의 광을 전기적 신호로 변환하는 광전 변환층;을 포함한다.

본 발명의 이미지 센서는, 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 구비하며 상기 공동 공진기를 통해서 픽셀 별로 특정 파장의 광을 투과시키는 필터층; 상기 필터층의 하부에 형성되고 픽셀의 센터로부터 방사상으로(radially) 멀어질수록 면적이 점점 작아지는 제1 유전체가 분포되고 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 집광패턴을 포함하며 상기 집광패턴을 통해서 광을 집광하는 집광층; 상기 집광층의 하부에 형성되고 상기 제1 유전체가 매트릭스 형태로 배열되며 제3 유전체가 배경물질로 구성되는 혼합 구조를 통해서 광의 반사를 방지하는 반사 방지층; 및 상기 반사 방지층의 하부에 형성되고 상기 특정 파장의 광을 전기적 신호로 변환하는 광전 변환층;을 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 이미지 센서는 집광층, 필터층 및 광전 변환층이 모두 반도체 공정으로 제조될 수 있는 광학 구조를 가지므로 공정이 단순해지고 공정 단가를 낮추며 설계 자유도를 높일 수 있다.

본 발명의 이미지 센서는 굴절율이 다른 유전체들의 조성비를 조절하여 원하는 유효 굴절율을 얻을 수 있으므로 픽셀의 크기가 작아짐에도 불구하고 설계 변경이 용이하고 집광 효율을 높여 감도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 이미지 센서는 양자 효율에 따라 집광층의 두께와 고굴절 영역의 폭을 설정할 수 있으므로 최적화 도출이 가능하다.

본 발명의 이미지 센서는 모든 픽셀의 메타물질의 두께를 동일하게 구성하고 메타물질의 유효 굴절율을 조절하여 메타물질의 광로 길이(Optical Path Length)를 픽셀 별로 달리하므로 공진 모드를 만족시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터층의 구조도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터층의 메타물질을 예시한 테이블이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광층의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지층의 구조도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지층의 유효 굴절율을 예시한 테이블이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지층의 반사율을 도시한 그래프이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 이미지 센서의 광 특성을 도시한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 각 도면에 제시된 참조부호들 중 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 측단면도이다.

이미지 센서는 복수의 픽셀들이 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 픽셀 어레이(pixel array, 도시되지 않음)를 포함하고, 픽셀 어레이는 레드(red)에 대응하는 파장의 광을 투과시키는 레드 픽셀(R), 그린(green)에 대응하는 파장의 광을 투과시키는 그린 픽셀(G) 및 블루(blue)에 대응하는 파장의 광을 투과시키는 블루 픽셀(B)을 포함한다. 이러한 픽셀 어레이는 레드 픽셀(R)과 그린 픽셀(G)이 수평방향으로 교번 배치되는 제1 라인과, 그린 픽셀(G)과 블루 픽셀(B)이 수평 방향으로 교번 배치되는 제2 라인을 포함하고, 제1 라인과 제2 라인이 수직방향으로 교번 배치되는 형태로 구성할 수 있다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 이미지 센서는 하부로부터 순차적으로 형성된 광전 변환층(10), 필터층(20) 및 집광층(30)을 포함한다.

광전 변환층(10)은 반도체 기판에 형성되고 광에 상응하는 전하를 축적하는 광전 변환 영역(12)을 포함할 수 있으며, 광전 변환 영역(12)은 규소(si)로 구성될 수 있다. 일례로, 광전 변환층(10)은 광전 변환 소자(photoelectric conversion element)와 다수의 픽셀 트랜지스터(pixel transistor)들을 포함하며, 광전 변환 소자는 입사하는 광에 상응하는 전하를 축적하는 포토 다이오드(photo diode)를 포함하고, 픽셀 트랜지스터는 광전 변환 소자에 의해서 축적된 전하를 전송하는 전송 트랜지스터(transfer transistor), 충전된 전하를 리셋시키는 리셋 트랜지스터(reset transistor), 충전된 전하를 버퍼링하는 드라이브 트랜지스터(drive transistor) 및 단위 픽셀을 선택하기 위한 선택 트랜지스터(select transistor) 등을 포함할 수 있다.

필터층(20)은 광전 변환층(10)의 상부에 형성되고 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 포함한다. 이러한 필터층(20)은 입사되는 광으로부터 자외선과 적외선을 차단하고 가시광선의 특정 파장의 광을 투과시키는 역할을 한다.

필터층(20)의 공동 공진기는 광전 변환층(10)의 상부에 형성되는 제1 메탈(22), 상기 집광층(30)의 하부에 형성되는 제2 메탈(24) 및 제1 메탈(22)과 제2 메탈(24)의 사이에 구비되는 메타물질(26)을 포함한다. 일례로, 제1 메탈(22)과 제2 메탈(24)은 은(Ag)으로 구성될 수 있으며, 메타물질(26)은 레드 픽셀(R), 그린 픽셀(G), 및 블루 픽셀(B)에 대응하여 굴절율이 다른 적어도 하나 이상의 유전체로 구성될 수 있다. 이러한 필터층(20)은 반도체 공정으로 구현될 수 있다.

메타물질(26)은 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀에 대응하여 동일한 두께로 구성될 수 있으며, 제1 유전체와 제2 유전체의 혼합 구조로 구성될 수 있다. 메타물질(26)의 유효 굴절율은 픽셀 별로 다른 굴절율을 가지도록 구성되며 제1 유전체와 제2 유전체의 조성비에 따라 조절될 수 있다.

일례로, 메타물질(26)의 제1 유전체와 제2 유전체의 혼합 구조는 제1 유전체가 매트릭스 형태로 배열되고 제2 유전체가 배경물질로 구성되며, 제1 유전체와 제2 유전체의 조성비에 따라 픽셀 별로 다른 유효 굴절율을 갖는다.

이와 같이 본 발명은 픽셀 별 메타물질(26)의 두께를 동일하게 구성하고, 픽셀 별 메타물질의 유효 굴절율을 조절함으로써 메타물질의 광로 길이(Optical Path Length)를 달리하여 공진 모드를 만족시킬 수 있다. 여기서, 공진 모드는 목표한 특정 파장 대역의 광을 투과시키는 모드로 이해될 수 있고, 광로 길이는 메타물질의 두께와 유효 굴절율의 곱으로 정의될 수 있다. 메타물질의 유효 굴절율이 레드 픽셀, 그린 픽셀, 블루 픽셀 순서로 크기가 정의되기 때문에 광로 길이도 레드 픽셀, 그린 픽셀, 블루 픽셀의 순서로 크기가 정의될 수 있다.다른 일례로, 레드 픽셀(R)에 대응하는 메타물질(26)은 고굴절율을 가지는 제1 유전체(26a)로 구성될 수 있으며, 블루 픽셀(B)에 대응하는 메타물질(26)은 저굴절율을 가지는 제2 유전체(26b)로 구성될 수 있고, 그린 픽셀(G)에 대응하는 메타물질(26)은 제1 유전체(26a)보다 작고 상기 제2 유전체(26b)보다 큰 굴절율을 가지는 제1 유전체(26a)와 제2 유전체(26b)의 혼합 구조로 구성될 수 있다. 여기서, 그린 픽셀(G)에 대응하는 메타물질(26)은 제1 유전체(26a)와 제2 유전체(26b)의 조성비에 따라 유효 굴절율이 조절될 수 있다.

여기서, 제1 유전체(26a)는 질화 규소(Si3N4)로 구성되고, 제2 유전체(26b)는 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있으며, 제1 유전체(26a)와 제2 유전체(26b)의 혼합 구조는 제1 유전체(26a)가 매트릭스 형태로 배열되고 제2 유전체(26b)가 배경물질로 구성될 수 있다. 본 발명은 제1 유전체(26a)와 제2 유전체(26b)의 혼합 구조에서 제1 유전체(26a)가 차지하는 비중을 조절하여 원하는 유효 굴절율을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명은 굴절율이 다른 제1 유전체(26a)와 제2 유전체(26b)의 조성비를 조절하여 원하는 유효 굴절율을 얻을 수 있으므로, 레드, 그린 및 블루에 대응하는 파장의 광을 투과시키는 공진 모드를 만족시킬 수 있다.

그리고, 본 발명은 필터층(20)의 상부에 형성되는 집광층(30)을 포함한다. 집광층(30)은 서로 다른 굴절율을 가지는 유전체들에 의해 형성된 집광패턴을 포함하며, 집광패턴을 통해서 입사되는 광을 집광하고 광의 반사를 방지한다.

집광층(30)은 픽셀의 센터를 기준으로 면적이 점점 작아지는 제1 유전체(32)가 방사상으로(radially) 분포되고 제2 유전체(34)가 배경물질로 구성된다(도 4 참고). 여기서, 제1 유전체(32)는 제2 유전체(34)보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 구성된다. 일례로, 제1 유전체(32)는 질화 규소(Si3N4)로 구성되고, 제2 유전체(34)는 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있다.

이러한 집광층(30)은 제1 유전체(30)가 픽셀의 센터에서 면적이 가장 크고 방사상으로 면적이 점점 작아지도록 집광패턴을 형성한다. 즉, 집광층(30)은 질화 규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 조성비에 따라 픽셀의 센터가 굴절율이 가장 크고 방사상으로 굴절율이 점점 작아지도록 구성된다.

이와 같이 본 발명은 고해상도에 따라 픽셀의 크기가 점점 작아짐에도 불구하고 유전체들(32, 34)의 조성비를 달리하여 원하는 유효 굴절율을 얻을 수 있으므로, 설계 변경이 용이하고 집광 효율도 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터층의 구조도이다.

도 2를 참고하면, 필터층(20)은 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 포함하고, 공동 공진기는 제1 메탈(22), 제2 메탈(24) 및 제1 메탈(22)과 제2 메탈(24)의 사이에 채워지는 메타물질(26)로 구성된다. 메타물질(26)은 레드 픽셀(R), 그린 픽셀(G), 및 블루 픽셀(B)에 대응하여 굴절율이 다른 적어도 하나 이상의 유전체로 구성될 수 있다.

일례로, 제1 메탈(22)과 제2 메탈(24)은 은(Ag)으로 구성될 수 있으며, 레드 픽셀(R)의 메타물질(26)은 질화 규소(Si3N4)로 구성되고, 블루 픽셀(B)의 메타물질(26)은 이산화규소(SiO2)로 구성되며, 그린 픽셀(G)의 메타물질(26)은 질화 규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 혼합 구조로 구성될 수 있다.

그리고, 그린 픽셀(G)의 메타물질(26)은 질화 규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 조성비에 따라 굴절율이 조절될 수 있으며, 질화 규소(Si3N4)보다 작고 이산화규소(SiO2)보다 큰 굴절율을 갖는 혼합 구조로 구성될 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이 그린 픽셀(G)의 메타물질(26)은 일정한 직경을 가지는 질화 규소(Si3N4)가 매트릭스 형태로 배열되고 배경물질로 이산화규소(SiO2)가 구성될 수 있다. 즉, 그린 픽셀(G)의 메타물질(26)은 이산화규소(SiO2)를 배경물질로 두고 질화 규소(Si3N4)가 차지하는 비율을 조절하여 원하는 굴절율을 갖도록 구성한다.물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 레드 픽셀과 블루픽셀의 메타물질(26)도 질화 규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 혼합 구조로 구성될 수 있으며, 질화 규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 조성비에 따라 유효 굴절율이 조절될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 메타물질(26)의 유효 굴절율을 조절함으로써 메타물질의 광로 길이(Optical Path Length)를 레드 픽셀, 그린 픽셀, 블루 픽셀 별로 달리하여 특정 파장의 광을 투과시키는 공진 모드를 만족시킬 수 있다.

본 발명은 EMT(Effective Medium Theory)를 이용하여 원하는 굴절율을 가지는 물질을 만든다. 여기서, EMT란 두 가지 물질이 혼합된 구조를 하나의 유효한 특성을 갖는 물질로 등가화가 가능하다는 이론으로 이해될 수 있으며, 본 발명은 질화 규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 조성비를 달리하여 유효 굴절율을 조절할 수 있다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터층의 메타물질을 예시한 테이블이다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 필터층(20)의 레드 픽셀(R)은 메타물질로 질화 규소(Si3N4)가 구성되고, 블루 픽셀(B)은 메타물질로 이산화규소(SiO2)가 구성되며 그린 픽셀(G)은 메타물질로 질화규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 혼합 구조가 구성된다. 여기서, 질화 규소(Si3N4)의 유효 굴절율은 2이고, 이산화규소(SiO2)의 유효 굴절율은 1.45이며, 질화규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 혼합 구조의 유효 굴절율은 1.725이다. 일례로, 질화 규소(Si3N4)와 이산화규소(SiO2)의 혼합 구조는 1:1의 조성비로 구성될 수 있다. 물론, 본 발명은 이를 한정하는 것은 아니며 어느 파장의 광을 투과시키는지에 따라 유전체들의 조성비를 조절하여 유효 굴절율을 변경할 수 있다.

본 발명은 폴리머(Polymer) 계열 물질로 구성된 기존의 베이어(Bayer) 컬러 필터 대신에 반도체 공정으로 제조될 수 있는 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)로 필터층(20)을 구성하므로 공정이 단순해지고 공정 단가를 낮추며 설계 자유도를 높일 수 있다. 그리고 본 발명은 굴절율이 다른 유전체들의 조성비를 조절하여 원하는 유효 굴절율을 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 집광층의 구조도이다.

도 4를 참고하면, 집광층(30)은 서로 다른 굴절율을 가지는 유전체들(32, 34)에 의해 내부에 집광패턴이 형성된다.

집광층(30)의 집광패턴은 픽셀의 센터를 기준으로 제1 유전체(32)가 방사상으로(radially) 분포되고 제2 유전체(34)가 배경물질로 구성된다. 여기서, 제1 유전체(32)의 굴절율은 제2 유전체(34)의 굴절율보다 크며, 픽셀의 센터에 직경이 가장 큰 제1 유전체(32)가 배치되고 방사상으로 멀어질수록 직경이 점점 작아지는 제1 유전체(32)가 배치된다. 일례로, 제1 유전체(32)는 질화 규소(Si3N4)로 구성되고, 제2 유전체(34)는 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있다.

다시 설명하면, 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명의 집광층(30)은 유전체들의 조성비를 달리하여 센터의 유효 굴절율이 가장 크고 방사상으로 멀어질수록 유효 굴절율이 점점 작아지도록 구성한다.

본 발명은 두 가지 물질이 혼합된 구조를 하나의 유효한 특성을 가지는 물질로 등가화가 가능한 이론(Effective Medium Theory, EMT)를 이용하여 픽셀의 센터가 유효 굴절율이 가장 크고 방사상으로 유효 굴절율이 점점 작아지도록 유전체들(32, 34)의 조성비를 달리하여 구성한다. 일례로, 픽셀의 센터는 유효 굴절율을 2로 구성하고, 픽셀의 가장자리는 유효 굴절율을 1.45로 구성할 수 있다. 물론. 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 픽셀의 크기에 따라 유효 굴절율은 유전체들의 조성비를 달리하여 조절이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 고해상도에 따라 픽셀의 크기가 점점 작아짐에도 불구하고 유전체들의 조성비를 달리하여 원하는 유효 굴절율을 얻을 수 있으므로, 설계 변경이 용이하고 집광 효율도 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 측단면도이다.

도 5를 참고하면, 본 발명의 이미지 센서는 하부로부터 순차적으로 형성된 광전 변환층(10), 집광층(30) 및 필터층(20)을 포함한다.

광전 변환층(10)은 반도체 기판에 형성되고 광에 상응하는 전하를 축적하는 광전 변환 영역(12)을 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(12)은 규소(si)로 구성되고, 광전 변환층(10)은 광전 변환 소자(photoelectric conversion element)와 다수의 픽셀 트랜지스터(pixel transistor)들을 포함할 수 있다.

집광층(30)은 광전 변환층(10)의 상부에 형성되고, 입사되는 광을 집광하고 광의 반사를 방지하는 역할을 한다. 이러한 집광층(30)은 픽셀의 센터로부터 방사상으로(radially) 면적이 점점 작아지는 제1 유전체(32)가 분포되고 제2 유전체(34)가 배경물질로 구성된다. 즉, 집광층(30)은 픽셀의 센터의 유효 굴절율이 가장 크고 방사상으로 멀어질수록 유효 굴절율이 점점 작게 구성된다.

여기서, 제1 유전체(32)는 제2 유전체(34)보다 큰 굴절율을 갖는 물질로 구성된다. 일례로, 제1 유전체(32)는 질화 규소(Si3N4)로 구성되고, 제2 유전체(34)는 이산화규소(SiO2)로 구성될 수 있다.

필터층(20)은 집광층(30)의 상부에 형성되고 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 포함한다. 이러한 필터층(20)은 입사되는 광으로부터 자외선과 적외선을 차단하고 가시광선의 특정 파장의 광을 투과시키는 역할을 한다. 여기서, 필터층(20)의 공동 공진기는 제1 메탈(22), 제2 메탈(24), 및 제1 메탈(22)과 제2 메탈(24)의 사이에 구비되는 메타물질(26)을 포함한다. 일례로, 제1 메탈(22)과 제2 메탈(24)은 은(Ag)으로 구성될 수 있으며, 메타물질(26)은 레드 픽셀(R), 그린 픽셀(G), 및 블루 픽셀(B)에 대응하여 굴절율이 다른 적어도 하나 이상의 유전체로 구성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 측단면도이다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 이미지 센서는 하부로부터 순차적으로 형성된 광전 변환층(10), 반사 방지층(50), 집광층(30) 및 필터층(20)을 포함한다. 이러한 이미지 센서는 광전 변환층(10)과 집광층(30) 사이에 광의 반사를 방지하는 역할을 하는 반사 방지층(50)을 더 포함한다.

반사 방지층(50)은 집광층(30)의 하부에 형성되고, 굴절율이 다른 제1 유전체(52)와 제3 유전체(54)의 혼합 구조에 의해 광의 반사를 방지한다. 이러한 반사 방지층(50)은 제1 유전체(52)가 매트릭스 형태로 배열되고 제3 유전체(53)가 배경물질로 구성된다(도 7참고).

반사 방지층(50)은 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀에 대응하여 유효 굴절율이 서로 다르게 설정되고, 제1 유전체(52)와 제3 유전체(54)의 조성비에 따라 유효 굴절율이 조절된다. 여기서, 제1 유전체(52)는 제3 유전체(54)보다 굴절율이 작은 매질로 구성된다. 일례로, 제1 유전체(52)는 질화 규소(Si3N4)로 구성되고 제3 유전체(54)는 규소(Si)로 구성될 수 있다. 여기서, 반사 방지층(50)은 공정 난이도를 고려하여 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀의 두께가 동일하게 구성되고, 제1 유전체(52)와 제3 유전체(54)의 조성비 조절을 통해서 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀 별로 유효 굴절율을 다르게 설정된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지층의 구조도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지층의 유효 굴절율을 예시한 테이블이다.

도 7을 참고하면, 반사 방지층(50)은 제1 유전체(52)가 매트릭스 형태로 배열되고 제3 유전체(53)가 배경물질로 구성된다. 여기서, 반사 방지층(50)은 제1 유전체(52)와 제3 유전체(54)의 조성비에 따라 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀에 대응하여 유효 굴절율이 서로 다르게 설정된다.

도 8을 참고하면, 반사 방지층(50)은 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀 별로 유효 굴절율이 다르게 설정된다. 일례로, 레드 픽셀의 유효 굴절율은 2.79이고, 그린 픽셀의 유효 굴절율은 2.87이며, 블루 픽셀의 유효 굴절율은 3.06으로 구성된다. 이러한 유효 굴절율은 제1 유전체(52)와 제3 유전체(54)의 조성비에 따라 픽셀 별로 다르게 설정되고, 각 픽셀에 대응하는 반사 방지층(50)의 두께는 동일하게 구성된다. 여기서, 제1 유전체(52)는 제3 유전체(54)보다 작은 굴절율을 가지는 매질로 구성된다. 일례로, 제1 유전체(52)는 질화 규소(Si3N4)로 구성되고 제3 유전체(54)는 규소(Si)로 구성될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 방지층의 반사율을 도시한 그래프이다.

도 7 내지 도 9를 참고하면, 반사 방지층(50)은 제1 유전체(52)와 제3 유전체(54)의 조성비에 따라 픽셀 별로 다르게 설정된 유효 굴절율을 가지며, 질화 규소(Si3N4)와 규소(Si)보다 광 반사율이 낮다. 따라서, 반사 방지층(50)은 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀 별로 유효 굴절율을 조절함으로써 효과적으로 광의 반사를 방지할 수 있다.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 이미지 센서의 광 특성을 도시한 그래프이다. 도 10은 도 1의 이미지 센서의 광 특성을 나타내고, 도 11은 도 5의 이미지 센서의 광 특성을 나타내며, 도 12는 도 6의 이미지 센서의 광 특성을 나타낸다.

도 10 내지 도 12를 참고하면, 본 발명은 레드 픽셀, 그린 픽셀, 및 블루 픽셀 별로 대응하는 파장의 광에 대한 양자 효율이 높음을 알 수 있다. 레드 픽셀(R)은 레드에 대응하는 파장의 광에 대한 양자 효율이 높고, 그린 픽셀(G)은 그린에 대응하는 파장의 광에 대한 양자 효율이 높으며, 블루 픽셀(B)은 블루에 대응하는 파장의 광에 대한 양자 효율이 높음을 알 수 있다. 그리고, 각 실시예 별로 특정 파장의 광에 대한 양자 효율이 더 높게 나타나는 것을 알 수 있으며, 반사 방지층(50)의 유무에 따라 양자 효율의 변화도 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 이미지 센서는 모든 구성 요소가 반도체 공정으로 제조되는 광학 구조를 가지므로 공정이 단순해지고 공정 단가를 낮추며 설계 자유도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 이미지 센서는 고굴절율을 가지는 유전체와 저굴절율을 가지는 유전체의 조성비를 조절하여 원하는 유효 굴절율을 얻을 수 있으므로 설계 변경이 용이하고 집광 효율을 높여 감도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 이미지 센서는 양자 효율에 따라 집광층의 두께와 고굴절율을 가지는 유전체의 면적을 설정할 수 있으므로 최적화 도출이 가능하다.

본 발명의 이미지 센서는 필터층의 메타물질의 두께를 모든 픽셀에 동일하게 구성하고 픽셀 별 메타물질의 유효 굴절율을 조절하여 메타물질의 광로 길이(Optical Path Length)를 픽셀 별로 달리하므로 공진 모드를 만족시킬 수 있다.

본 발명은 도면들에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이들로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (21)

1. 광전 변환층;
   상기 광전 변환층의 상부에 형성되고 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 구비하며 상기 공동 공진기를 통해서 픽셀 별로 특정 파장의 광을 투과시키는 필터층; 및
   상기 필터층의 상부에 형성되고 서로 다른 굴절율을 가지는 유전체들에 의해 형성된 집광패턴을 구비하며 상기 집광패턴을 통해서 입사되는 광을 집광하는 집광층;을 포함하고,
   상기 필터층은,
   상기 광전 변환층의 상부에 형성되는 제1 메탈;
   상기 집광층의 하부에 형성되는 제2 메탈; 및
   상기 제1 메탈과 상기 제2 메탈의 사이에 구비되는 메타물질;을 포함하며,
   상기 메타물질은 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀에 대응하여 제1 유전체와 제2 유전체의 혼합 구조로 구성되는 이미지 센서.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 메타물질은
   상기 레드 픽셀, 상기 그린 픽셀 및 상기 블루 픽셀에 대응하여 동일한 두께로 구성되고, 상기 제1 및 제2 유전체는 서로 다른 굴절율을 가지는 이미지 센서.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 혼합 구조는
   상기 제1 유전체가 매트릭스 형태로 배열되고 상기 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 이미지 센서.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 메타물질은
   상기 픽셀 별로 유효 굴절율이 다르게 구성되고, 상기 메타물질의 상기 유효 굴절율은 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 조성비에 따라 조절되는 이미지 센서.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 메타물질은
   상기 레드 픽셀에 대응하여 고굴절율을 가지는 상기 제1 유전체로 구성되고,
   상기 블루 픽셀에 대응하여 저굴절율을 가지는 상기 제2 유전체로 구성되며,
   상기 그린 픽셀에 대응하여 상기 제1 유전체보다 작고 상기 제2 유전체보다 큰 유효 굴절율을 가지는 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 혼합 구조로 구성되는 이미지 센서.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 그린 픽셀에 대응하는 상기 메타물질은 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 조성비에 따라 유효 굴절율이 조절되는 이미지 센서.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 집광층은
   상기 픽셀의 센터로부터 멀어질수록 면적이 점점 작아지는 제1 유전체가 방사상으로(radially) 분포되고, 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 이미지 센서.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 유전체는 상기 제2 유전체보다 큰 굴절율을 가지는 이미지 센서.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 집광층은
    고굴절율을 가지는 제1 유전체와 저굴절율을 가지는 제2 유전체의 혼합 구조에 의해 상기 픽셀의 센터로부터 방사상으로 멀어질수록 유효 굴절율이 점점 작아지도록 상기 집광패턴이 형성되는 이미지 센서.
12. 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 구비하며 상기 공동 공진기를 통해서 픽셀 별로 특정 파장의 광을 투과시키는 필터층;
    상기 필터층의 하부에 형성되고 픽셀의 센터를 기준으로 제1 유전체가 방사상으로(radially) 분포되고 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 집광패턴을 포함하며 상기 집광패턴을 통해서 광을 집광하고 광의 반사를 방지하는 집광층; 및
    상기 집광층의 하부에 형성되고 상기 특정 파장의 광을 전기적 신호로 변환하는 광전 변환층;을 포함하고,
    상기 필터층은,
    상기 집광층의 상부에 형성되는 제1 메탈;
    상기 제1 메탈의 상부에 형성되는 메타물질; 및
    상기 메타물질 상부에 형성되는 제2 메탈;을 포함하며,
    상기 메타물질은 레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀에 대응하여 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 혼합 구조로 구성되는 이미지 센서.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 집광층은
    상기 픽셀의 센터로부터 방사상으로 멀어질수록 유효 굴절율이 점점 작아지도록 면적이 점점 작아지는 상기 제1 유전체가 분포되고, 상기 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 이미지 센서.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 유전체는 상기 제2 유전체보다 큰 굴절율을 가지는 이미지 센서.
15. 제 12 항에 있어서,
    상기 메타물질은 상기 레드 픽셀, 상기 그린 픽셀 및 상기 블루 픽셀에 대응하여 동일한 두께를 가지며 유효 굴절율이 조절되는 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 혼합 구조로 구성되는 이미지 센서.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 혼합 구조는
    상기 제1 유전체가 매트릭스 형태로 배열되고 상기 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 이미지 센서.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 혼합 구조는 상기 픽셀 별로 상기 제1 유전체와 상기 제2 유전체의 조성비에 따라 유효 굴절율이 조절되는 이미지 센서.
18. 메타물질(metamaterial) 기반의 공동 공진기(cavity resonator)를 구비하며 상기 공동 공진기를 통해서 픽셀 별로 특정 파장의 광을 투과시키는 필터층;
    상기 필터층의 하부에 형성되고 픽셀의 센터로부터 방사상으로(radially) 멀어질수록 면적이 점점 작아지는 제1 유전체가 분포되고 제2 유전체가 배경물질로 구성되는 집광패턴을 포함하며 상기 집광패턴을 통해서 광을 집광하는 집광층;
    상기 집광층의 하부에 형성되고 상기 제1 유전체가 매트릭스 형태로 배열되고 제3 유전체의 배경물질로 구성되는 혼합 구조를 통해서 광의 반사를 방지하는 반사 방지층; 및
    상기 반사 방지층의 하부에 형성되고 상기 특정 파장의 광을 전기적 신호로 변환하는 광전 변환층;
    을 포함하는 이미지 센서.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 반사 방지층은
    레드 픽셀, 그린 픽셀 및 블루 픽셀에 대응하여 유효 굴절율이 서로 다르게 설정된 이미지 센서.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 반사 방지층은
    상기 제1 유전체와 상기 제3 유전체의 조성비에 따라 상기 유효 굴절율이 조절되는 이미지 센서.
21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 유전체는 상기 제2 유전체보다 큰 굴절율을 가지고 상기 제3 유전체보다 작은 굴절율을 가지는 매질로 구성되는 이미지 센서.

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