KR102058605B1 - 광 검출기 및 이를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 검출기 및 이를 포함하는 이미지 센서를 제공한다. 이 광 검출기는 도전 패턴들과 그 사이에 개재된 중간층을 포함하는 구조를 가지며, 상기 도전 패턴의 길이와 광의 파장을 적절하게 조절하여 상기 중간층에 광을 집속시켜 줄 열을 발생시킬 수 있다. 이로써 상기 중간층의 전기 저항을 변화시킴으로써 광을 검출할 수 있다.
Description
본 발명은 광 검출기 및 이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기신호로 변환하는 반도체 소자이다. 상기 이미지 센서는 CCD(Charge coupled device) 형 및 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 형으로 분류될 수 있다. 상기 CMOS 형 이미지 센서는 CIS(CMOS image sensor)라고 약칭된다. 상기 CIS는 2차원적으로 배열된 복수개의 화소들을 구비한다. 상기 화소들의 각각은 포토 다이오드(photodiode, PD)를 포함한다. 상기 포토다이오드는 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 한다. 최근에는 상기 포토다이오드 외에 광을 검출할 수 있는 다양한 방법들이 연구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 포토 다이오드 방식이 아닌 다양한 방식으로 광을 검출할 수 있는 광 검출기를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 광 검출기를 포함하는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 검출기는, 차례로 적층되는 제 1 도전 패턴과 제 2 도전 패턴; 및 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들 사이에 개재되며 광가 입사되는 중간층을 포함하되, 상기 제 1 도전 패턴과 상기 제 2 도전 패턴 중 어느 하나는 다른 하나와 중첩되는 적어도 한 변을 가지며, 상기 변의 길이 L과 상기 광의 파장 λ은 하기 수학식 1을 만족한다.
<수학식 1>
2 neff L = λ
상기 수학식 1에서 neff는 상기 제 1 도전 패턴, 상기 중간층 및 상기 제 2 도전 패턴에 의해 구성되는 표면 플라즈몬 공명에 의한 도파관 모드(surface plasmon waveguide mode)의 유효 굴절률(effective refractive index)이며, 상기 광에 의해 상기 중간층 내에서 표면 플라즈몬 집속 현상에 의해 전기장이 집속되어 전기장 에너지를 흡수한 전하들의 줄(Joule) 발열이 발생되어 상기 중간층의 전기 저항, 전기전도도, 유전율 또는 전하 이동도가 변하고 이에 의해 변화된 전류를 검출한다.
상기 L은 상기 λ 보다 짧다.
상기 광은 표면 플라즈몬(Surface plasmon) 현상에 의해 상기 제 2 도전 패턴과 중첩되는 상기 제 1 도전 패턴과 상기 중간층 사이 계면과 상기 제 1 도전 패턴과 중첩되는 제 2 도전 패턴과 상기 중간층 사이 계면을 따라 도파된다.
상기 중간층은 실리콘, 게르마늄, 폴리실리콘, 폴리게르마늄, 비정질 실리콘, 비정질 게르마늄, 실리콘산화막, 실리콘 질화막, 실리콘산화질화막 및 칼코게나이드(Chalcogenide) 원소를 포함하는 비정질 혹은 결정질 상변환막 중에 선택되는 적어도 하나의 막일 수 있으며, 상기 열에 의해 상기 중간층의 전기 저항, 전기전도도, 유전율 또는 전하 이동도가 변할 수 있다.
상기 광의 상기 파장에서 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들의 유전율의 실수값은 음수일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들은 금, 알루미늄, 은, 텅스텐, 구리, 불순물이 도핑된 실리콘, 금속실리사이드, 및 칼코게나이드(Chalcogenide) 원소를 포함하는 결정성 합금 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 제 1 도전 패턴은 서로 이격되고 절연된 제 1 서브 도전 패턴과 제 2 서브 도전 패턴을 포함하며, 상기 제 2 도전 패턴과 상기 중간층은 상기 제 1 서브 도전 패턴 및 상기 제 2 서브 도전 패턴 모두와 중첩되며, 상기 제 1 서브 도전 패턴과 상기 제 2 도전 패턴 사이 그리고 상기 제 2 서브 도전 패턴과 상기 제 2 도전 패턴 사이의 상기 중간층의 저항 변화를 검출할 수 있다.
다른 예에 있어서, 상기 광 검출기는 상기 중간층 양 옆에 각각 접하며 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들로부터 이격되는 소오스 전극 및 드레인 전극; 및 상기 제 1 도전 패턴과 상기 중간층 사이 또는 상기 제 2 도전 패턴과 상기 중간층 사이에 개재되는 게이트 절연막을 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에 있어서, 상기 광 검출기는 복수개의 서브 화소 영역들로 구성되는 단위 화소 영역을 포함하는 기판을 더 포함하며, 상기 서브 화소 영역들에 각각 상기 제 1 도전 패턴, 상기 중간층 및 상기 제 2 도전 패턴이 배치되되, 하나의 서브 화소 영역에서 상기 변의 길이 L과 상기 광의 파장 λ은 각각 다른 서브 화소 영역에서 상기 변의 길이 L 및 상기 광의 파장 λ과 다르다.
하나의 서브 화소 영역의 상기 제 1 도전 패턴은 다른 서브 화소 영역의 상기 제 1 도전 패턴과 연결될 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이미지 센서는, 제 1 항의 광 검출기; 및 상기 광 검출기와 전기적으로 연결되어 상기 변화된 전류를 이송하는 트랜스퍼 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 소오스 팔로워 트랜지스터 및 선택 트랜지스터를 포함한다.
상기 이미지 센서는, 상기 광 검출기 위에 배치되는 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다. 상기 마이크로 렌즈와 상기 광검출기 사이에는 컬러 필터가 부재한다.
본 발명에 따른 광 검출기는 도전 패턴들과 그 사이에 개재된 중간층을 포함하는 구조를 가지며, 상기 도전 패턴의 길이와 광의 파장을 적절하게 조절하여 표면 플라즈몬 현상을 야기하고 도파관 캐버티(waveguide cavity) 구조를 형성한다. 이로써 상기 중간층에 광을 집속시켜 줄 열을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 중간층에 줄 열이 발생함으로써 전기저항, 전기전도도, 유전율 또는 전하 이동도를 변화시키고 이에 따른 전류의 변화를 읽음으로써 광을 검출할 수 있다. 상기 중간층 내의 국부 영역에만 광이 집속되므로 광 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기는 MEMS(Microelectromechanical Systems)를 사용하지 않고 광을 집속하는 캐버티(cavity)를 구현할 수 있어 초소형화된 마이크로볼로메터(Microbolometer)에 적용될 수 있다.
또한 상기 광 검출기는 가시광선, 근적외선, 장파장 적외선등 다양한 파장을 가지는 광을 검출할 수 있다. 또한 상기 광 검출기는 기존의 CMOS 공정을 변형하여 용이하게 형성될 수 있다.
상기 광 검출기를 이용하여 고집적화된 (열적) 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 실시예 1에 따른 광 검출기의 사시도이다.
도 1b 및 1c는 도 1a의 'P1' 부분을 확대한 단면도로써 광검출기의 원리를 나타낸다.
도 2는 도전 패턴의 중첩된 길이에 따른 흡수되는 파장과 강도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 광 검출기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 광 검출기의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 광 검출기의 단면도를 나타낸다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 변형예들에 따른 광 검출기의 평면도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 광 검출기의 평면도를 나타낸다.
도 8a 내지 8c는 각각 본 발명의 광 검출기를 포함하는 이미지 센서들의 등가회로도들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 촬영 장치가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
도 1b 및 1c는 도 1a의 'P1' 부분을 확대한 단면도로써 광검출기의 원리를 나타낸다.
도 2는 도전 패턴의 중첩된 길이에 따른 흡수되는 파장과 강도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 광 검출기의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 광 검출기의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 광 검출기의 단면도를 나타낸다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 변형예들에 따른 광 검출기의 평면도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 광 검출기의 평면도를 나타낸다.
도 8a 내지 8c는 각각 본 발명의 광 검출기를 포함하는 이미지 센서들의 등가회로도들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 촬영 장치가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
<실시예 1>
도 1a은 본 발명의 실시예 1에 따른 광 검출기의 사시도이다.
도 1a을 참조하면, 본 예에 따른 광검출기(100)는 차례로 적층된 제 1 도전 패턴(1)과 제 2 도전 패턴(5) 및 그 사이에 개재된 중간층(3)을 포함한다. 상기 중간층은 실리콘, 게르마늄, 폴리실리콘, 폴리게르마늄, 비정질 실리콘, 비정질 게르마늄, 실리콘산화막, 실리콘 질화막, 실리콘산화질화막 및 칼코게나이드(Chalcogenide) 원소를 포함하는 비정질 혹은 결정질 상변환막 중에 선택되는 적어도 하나의 막일 수 있다. 상기 중간층(3)에는 빛이 입사된다. 상기 빛은 좁은 의미로는 가시광선으로 약 400~700nm의 파장을 가진 전자기파를 의미하며, 넓은 의미로는 모든 종류의 전자기파를 지칭한다. 본 명세서에서 상기 빛의 의미는 넓은 의미에 해당될 수 있다. 상기 전자기파는 파장에 따라 전파, 적외선, 가시광선, 자외선, X-선, 감마선등으로 나눌 수 있다. 상기 중간층(3)에 입사되는 빛은 복수의 파장의 전자기파들을 포함할 수 있다. 예를 들어 우리가 볼 수 있는 흰색의 햇빛은 가시광선인 약 400~700nm의 파장들의 전자기파들이 모여 있을 뿐 아니라 100~3800Å의 파장들의 자외선과 약 700nm의 파장보다 긴 파장의 적외선을 포함할 수 있다. 상기 제 1 도전 패턴(1)과 상기 제 2 도전 패턴(5)은 수직적으로 중첩된다.
도 1b 및 1c는 도 1a의 'P1' 부분을 확대한 단면도로써 광검출기의 원리를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 제 2 도전 패턴(5)은 상기 제 1 도전 패턴(1)과 중첩되는 적어도 한 변의 길이(L)와 상기 광의 파장(λ)은 하기 수학식 1을 만족한다.
<수학식 1>
2 neff L = λ
상기 수학식 1에서 neff는 상기 제 1 도전 패턴(1), 상기 중간층(3) 및 상기 제 2 도전 패턴(5)에 의해 구성되는 표면 플라즈몬 공명에 의한 도파관 모드(surface plasmon waveguide mode)의 유효 굴절률(effective refractive index)이다.
본 실시예에서 상기 제 2 도전 패턴(5)은 상기 제 1 도전 패턴(1)과 중첩되는 제 1 길이(L1)의 가로변과 제 2 길이(L2)의 세로변을 포함할 수 있다. 상기 빛은 복수의 파장(λ1~λm)의 전자기파를 포함할 수 있다. 이를 수학식 1에 적용하면 다음과 같을 수 있다.
<수학식 2>
2 neff L1 = λ1
2 neff L2 = λ2
이때 상기 L1, L2은 바람직하게는 검출하고자하는 파장 λ1, λ2보다는 바람직하게는 짧다. 이럴 경우 빛은 도 1b에서처럼 상기 제 2 도전 패턴(5)의 측면에서 회절하여 상기 중간층(3) 내부로 입사될 수 있다.
상기 제 1 도전 패턴(1)과 상기 제 2 도전 패턴(5)의 유전율(ε)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
<수학식 3>
ε=ε'+ε"
상기 수학식 3에서 ε'은 실수값이고, ε"은 허수 값에 해당된다. 표면 플라즈몬 현상이 일어나기 위하여 상기 제 1 도전 패턴(1)과 상기 제 2 도전 패턴(5)의 유전율의 실수값(ε)은 음수이어야 한다. 이러한 조건을 만족하는 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들(1, 5)은 금, 알루미늄, 은, 텅스텐, 구리, 불순물이 도핑된 실리콘, 금속실리사이드, 및 칼코게나이드(Chalcogenide) 원소를 포함하는 결정성 합금 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
이와 같이 전자기파가 상기 도전 패턴들(1, 5) 사이의 상기 중간층(3) 내부로 입사되고 상기 변의 길이와 빛의 파장이 상기 수학식 1 또는 2의 조건을 만족하고 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들(1, 5)의 유전율이 위와 같다면, 표면 플라즈몬(Surface plasmon) 집속 현상이 일어나고, 이에 의해 상기 빛은 상기 제 2 도전 패턴(5)과 중첩되는 상기 제 1 도전 패턴(1)과 상기 중간층(3) 사이 계면(13)과 상기 제 1 도전 패턴(1)과 중첩되는 제 2 도전 패턴(5)과 상기 중간층(3) 사이 계면(35)을 따라 도파된다. 이때 빛은 상기 제 1 도전 패턴(1)과 상기 제 2 도전 패턴(5) 사이에서만 진동하여(oscilate) 정상파(Standing wave)을 이루게 된다. 상기 빛에 포함된 여러 파장 중에 제 1 파장(λ1)을 가지는 전자기파는 상기 제 1 길이(L1) 방향으로 정상파를 이루고, 제 2 파장(λ2)을 가지는 전자기파는 상기 제 2 길이(L2) 방향으로 정상파를 이룰 수 있다. 이로써, 특정 파장을 가지는 빛(또는 전자기파)이 상기 중간층(3) 내에 집속되어 도파관 캐버티(waveguide cavity) 구조를 형성할 수 있다. 이에 의해 상기 중간층(3) 내 또는 상기 중간층(3)과 상기 제 2 도전 패턴(5) 사이의 계면(35)에서는 도 1c에서처럼 줄 열(Joule's Heat)이 발생한다. 이와 같이 열이 발생하면, 상기 중간층(3)의 전기 저항, 전기전도도, 유전율 또는 전하 이동도가 변할 수 있고, 이에 의해 변화된 전류를 검출한다.
상기 수학식 1에 의해 파장이 작으면 상기 제 1 도전 패턴(1)과 중첩되는 상기 제 2 도전 패턴(5)의 한 변의 길이도 작아지고, 파장이 길어지면 상기 제 1 도전 패턴(1)과 중첩되는 상기 제 2 도전 패턴(5)의 한 변의 길이도 길어지게 된다. 따라서, 예를 들면, 만약 상기 광 검출기(100)가 파장이 작은 가시광선을 검출할 경우, 상기 제 1 도전 패턴(1)과 중첩되는 상기 제 2 도전 패턴(5)의 한 변의 길이(L1 또는 L2)는 약 0.2~0.3㎛일 수 있다. 이때 상기 광 검출기(100)를 포함하는 이미지 센서의 단위 화소의 크기는 약 1㎛이하가 될 수 있다.
도 2는 상기 제 2 도전 패턴(5)의 중첩된 길이(L)에 따라 상기 중간층(3) 내에 흡수되는 빛의 파장과 강도를 FDTD(Finite Difference Time Domain)로 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면,상기 제 2 도전 패턴(5)의 중첩된 길이(L)에 따라 상기 중간층(3) 내에 흡수되는 빛의 파장과 에너지 강도가 다름을 알 수 있다. 또한 상기 길이(L)가 길어질수록 파장도 길어짐을 알 수 있다.
상기 중간층(3)이 절연막일때, 상기 광검출기(100)는 캐패시터형(Capacitor type)일 수 있으며 열에 의한 유전율 변화에 의한 캐패시턴스 변화를 읽을 수 있다. 상기 중간층(3)이 절연막이 아닌 상변화 물질이나 비정질 반도체막일 경우 상기 광검출기(100)는 저항형(Resistor type)일 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기는 MEMS(Microelectromechanical Systems)를 사용하지 않고 광을 집속하는 캐버티(cavity)를 구현할 수 있어 초소형화된 마이크로볼로메터(Microbolometer)에 적용될 수 있다.
또한 상기 광 검출기는 가시광선, 근적외선, 장파장 적외선등 다양한 파장을 가지는 광을 검출할 수 있다. 또한 상기 광 검출기는 기존의 CMOS 공정을 변형하여 용이하게 형성될 수 있다.
<실시예 2>
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 광 검출기의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예 2에 따른 광 검출기(101)에서는 기판(40) 상에 절연막(42)이 배치된다. 상기 절연막(42) 상에 상기 절연막(42)에 의해 서로 절연되고 서로 이격된 제 1 서브 도전 패턴(1a)과 제 2 서브 도전 패턴(1b)이 배치된다. 상기 제 1 및 제 2 서브 도전 패턴들(1a,1b) 상에는 중간층(3)이 배치된다. 상기 중간층(3) 상에는 제 2 도전 패턴(5)이 상기 제 1 및 제 2 서브 도전 패턴들(1a,1b) 모두와 수직적으로 중첩되도록 배치된다. 이때 상기 제 2 도전 패턴(5)이 상기 제 1 및 제 2 서브 도전 패턴들(1a,1b)와 중첩되는 변의 길이들과 입사되는 빛의 파장과의 관계는 실시예 1에서 설명한 것처럼 수학식 1을 만족시킬 수 있다. 이로써 상기 중간층(3) 내에 도 3과 같이 열이 발생할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제 1 서브 도전 패턴(1a)과 상기 제 2 서브 도전 패턴(1b) 간의 전기 저항에 따른 전류 변화를 측정할 수 있다. 이때 상기 전기 저항은 상기 제 1 서브 도전 패턴(1a)과 상기 제 2 도전 패턴(5) 사이의 상기 중간층(3)의 제 1 저항, 상기 제 2 도전 패턴(5)의 제 2 저항 및 상기 제 2 서브 도전 패턴(1b)과 상기 제 2 도전 패턴(5) 사이의 제 3 저항이 직렬로 연결되어 구성될 수 있다. 실시예 2의 광 검출기(101)는 저항형(Resistor type)일 수 있다. 그 외의 구성은 실시예 1과 동일/유사할 수 있다.
<실시예 3>
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 광 검출기의 단면도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 실시예 3에 따른 광 검출기(102)는 반도체 기판(33) 상에 게이트 절연막(48)과 게이트 전극(11)이 적층되어 있다. 상기 게이트 전극(11)의 양측의 상기 반도체 기판(33)에는 각각 소오스 영역(44)과 드레인 영역(46)이 배치된다. 상기 반도체 기판(33) 속에는 상기 게이트 절연막(48), 상기 소오스 영역(44) 및 상기 드레인 영역(46) 모두와 이격된 매몰 도전 패턴(55)이 배치될 수 있다. 상기 매몰 도전 패턴(55)과 상기 게이트 절연막(48) 사이에는 채널 영역이 배치될 수 있다. 상기 소오스 영역(44)과 드레인 영역(46)은 불순물이 도핑됨으로써 형성될 수 있다. 상기 반도체 기판(33)은 층간절연막(60)으로 덮일 수 있다. 상기 층간절연막(60) 상에는 마이크로 렌즈(62)가 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 광 검출기(102)는 상기 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 상기 수학식 1의 조건을 만족시키도록 도전 패턴의 크기를 적절하게 조절함으로써 원하는 파장의 빛을 흡수할 수 있으므로 별도의 컬러필터를 필요로 하지 않는다. 따라서 상기 마이크로 렌즈(62)와 상기 층간절연막(60) 사이에는 컬러 필터가 부재하다(absent).
상기 게이트 전극(11)은 실시예 1의 제 1 도전 패턴(1)에 대응될 수 있고 상기 매몰 도전 패턴(55)은 실시예 1의 제 2 도전 패턴(5)에 대응될 수 있다. 실시예 1에서 설명한 바와 같이 표면 플라즈몬 현상에 의하여 광이 입사되면 상기 게이트 절연막(48) 또는 이에 인접한 상기 반도체 기판(33)에 열이 발생할 수 있다. 상기 반도체 기판(33)에 열이 직접적으로 발생하지 않더라도 상기 게이트 절연막(48)에 발생된 열이 이에 인접한 상기 반도체 기판(33)으로 전달될 수 있다. 이로 인해, 상기 채널 영역의 전하 이동도가 달라질 수 있으며, 이로 인한 전류의 변화를 감지할 수 있다. 실시예 3의 광 검출기(102)는 프론트 게이트(Front gate) 트랜지스터형(Transistor type)일 수 있다.
그 외의 구성은 실시예 1과 동일/유사할 수 있다.
<실시예 4>
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 광 검출기의 단면도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 실시예 4에 따른 광 검출기(103)는 기판(40) 상에 제 1 절연막(42)이 배치된다. 상기 제 1 절연막(42) 상에 게이트 전극(11)이 배치된다. 상기 게이트 전극(11)은 게이트 절연막(48)으로 덮인다. 상기 게이트 절연막(48) 상에는 채널층(34)이 배치된다. 상기 채널층(34)은 비정질 반도체층 또는 폴리실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 채널층(34)은 제 2 절연막(49)으로 덮인다. 상기 제 2 절연막(49) 상에는 서로 이격된 소오스 전극(44), 드레인 전극(46) 및 이들 사이의 상부 도전 패턴(56)이 배치된다. 상기 소오스 전극(44)과 상기 드레인 전극(46)은 각각 상기 제 2 절연막(49)을 관통하여 상기 게이트 전극(11)의 양측의 상기 채널층(34)과 접한다. 상기 상부 도전 패턴(56)은 상기 제 2 절연막(49)을 관통하여 상기 채널층(34)과 접한다. 상기 게이트 전극(11)은 실시예 1의 제 1 도전 패턴(1)에 대응될 수 있고 상기 상부 도전 패턴(56)은 실시예 1의 제 2 도전 패턴(5)에 대응될 수 있다. 실시예 1에서 설명한 바와 같이 표면 플라즈몬 현상에 의하여 광이 입사되면 상기 게이트 절연막(48) 또는 이에 인접한 상기 채널층(34)에 열이 발생할 수 있다. 상기 채널층(34)에 열이 직접 발생하지 않더라도 상기 게이트 절연막(48)에 발생된 열이 상기 채널층(34)으로 전달될 수 있다. 이로 인해, 상기 채널층(34)의 전하 이동도가 달라질 수 있으며, 이로 인한 전류의 변화를 감지할 수 있다. 실시예 4의 광 검출기(103)는 백 게이트(Back gate) 트랜지스터형(Transistor type)일 수 있다. 그 외의 구성은 실시예 1과 동일/유사할 수 있다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 변형예들에 따른 광 검출기의 평면도들이다.
도 6a를 참조하면, 본 변형예에 따른 광 검출기는 실시예 1과 유사하나, 제 2 도전 패턴(5)의 평면 형태가 원형일 수 있다. 이때 상기 제 2 도전 패턴(5)의 직경(LD)은 수학식 1의 L에 대응될 수 있으며 수학식 1의 관계를 만족시킬 수 있다.
도 6b 내지 6d를 참조하면, 본 변형예들에 따른 광 검출기들은 실시예 2와 유사하나, 제 1 서브 도전 패턴들(1a, 1b)과 중첩되는 제 2 도전 패턴(5)의 평면 형태가 직사각형, 원형 또는 다각형일 수 있다. 이때 상기 제 1 서브 도전 패턴들(1a, 1b)과 중첩되는 상기 제 2 도전 패턴(5)의 적어도 한변의 길이 또는 직경(Lm)은 수학식 1의 L에 대응될 수 있으며 수학식 1의 관계를 만족시킬 수 있다. 도 6a 또는 도 6c에서처럼 제 1 도전 패턴(1, 1a, 1b)과 중첩되는 제 2 도전 패턴(5)의 평면 형태가 원형일 경우 비편광된 빛이 집속될 수 있어, 광감도를 높일 수 있다.
<실시예 5>
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따른 광 검출기의 평면도를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 실시예 5에 따른 광 검출기(104)에서는 기판(1)이 복수의 서브 화소 영역들(SP)로 이루어지는 단위 화소 영역(UP)을 포함한다. 상기 서브 화소 영역들(SP)에 각각, 도 6b의 광 검출기와 유사한 광 검출기들이 배치될 수 있다. 즉, 상기 서브 화소 영역들(SP)에 각각, 제 1 및 제 2 서브 도전 패턴들(1a, 1b), 중간층(3) 및 제 2 도전 패턴(5)이 배치될 수 있다. 이때, 하나의 서브 화소 영역(SP)에서 상기 제 1 및 제 2 서브 도전 패턴들(1a, 1b)과 중첩되는 상기 제 2 도전 패턴(5)의 적어도 한 변의 길이(L1~L10)는 서브 화소 영역(SP) 별로 다를 수 있다. 이로써 하나의 단위 화소 영역(UP)에서 복수의 파장의 빛을 흡수할 수 있어 광흡수율을 높여 광감도를 개선시킬 수 있다. 하나의 서브 화소 영역(SP)에서 상기 제 1 및 제 2 서브 도전 패턴들(1a, 1b) 중 다른 서브 화소 영역(SP)의 상기 제 1 및 제 2 서브 도전 패턴들(1a, 1b) 중 하나와 하나는 연결 패턴(7)에 의해 연결될 수 있다.
도 8a 내지 8c는 각각 본 발명의 광 검출기를 포함하는 이미지 센서들의 등가회로도들이다.
도 8a를 참조하면, 상기 이미지 센서의 단위 화소들 각각은 실시예 1의 캐패시터형 광 검출기(101), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 선택 트랜지스터(Sx), 리셋 트랜지스터(Rx), 및 억세스 트랜지스터(Ax)를 포함할 수 있다. 상기 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 드레인은 부유확산 영역(FD)으로 이해될 수 있다. 상기 부유확산 영역(FD)은 상기 리셋 트랜지스터(Rx, reset transistor)의 소오스일 수 있다. 상기 부유확산 영역(FD)은 상기 선택 트랜지스터(Sx, selection transistor)의 선택 게이트와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 선택 트랜지스터(Sx)와 상기 리셋 트랜지스터(Rx)는 일렬로 연결될 수 있다. 상기 선택 트랜지스터(Sx)는 상기 억세스 트랜지스터(Ax, access transistor)에 연결된다.
상기 이미지 센서는 상기 캐패시터형 광 검출기(100) 대신 도 8b처럼 실시예 2의 저항형 광 검출기(101)를 포함하거나 도 8c처럼 실시예 3 또는 4의 트랜지스터형 광 검출기(102, 103)를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치를 도시한 블록도이다. 상기 전자장치는 디지털 카메라 또는 모바일 장치일 수 있다. 도 9를 참조하면, 디지털 카메라 시스템은 이미지 센서(100), 프로세서(200), 메모리(300), 디스플레이(400) 및 버스(500)를 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(100)는 프로세서(200)의 제어에 응답하여 외부의 영상 정보를 캡쳐(Capture)한다. 프로세서(200)는 캡쳐된 영상정보를 버스(500)를 통하여 메모리(300)에 저장한다. 프로세서(200)는 메모리(300)에 저장된 영상정보를 디스플레이(400)로 출력한다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 촬영 장치가 적용된 멀티미디어 장치의 예들을 보여준다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 이미지 촬영 기능을 구비한 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는, 도 10에 도시된 바와 같이 모바일 폰 또는 스마트 폰(2000)에 적용될 수 있고, 도 11에 도시된 바와 같이 태블릿 또는 스마트 태블릿(3000)에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 촬영 장치(300, 또는 400)는 도 12에 도시된 바와 같이 노트북 컴퓨터(4000)에 적용될 수 있고, 도 13에 도시된 바와 같이 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(5000)에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서는 도 14에 도시된 바와 같이 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더(6000)에 적용될 수 있다.
상술한 설명들은 본 발명의 개념을 예시하는 것들이다. 또한, 상술한 내용은 본 발명의 개념을 당업자가 쉽게 이해할 수 있도록 구현한 예들을 나타내고 설명하는 것일 뿐이며, 본 발명은 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용될 수 있다. 즉, 본 발명은 본 명세서에 개시된 발명의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 및 수정 등이 가능할 수 있다. 또한, 상술한 실시예들은 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능할 수 있다. 따라서, 상술한 발명의 상세한 설명은 개시된 실시예들은 본 발명을 제한하지 않으며, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함한다.
100~104: 광 검출기
1, 1a, 1b, 5, 55, 56: 도전 패턴
3: 중간층
7: 연결 패턴
11: 게이트 전극
33, 40: 반도체 기판
34: 채널층
42, 49, 60: 절연막
48: 게이트 절연막
44, 46: 소오스/드레인 영역(전극)
62: 마이크로 렌즈
1, 1a, 1b, 5, 55, 56: 도전 패턴
3: 중간층
7: 연결 패턴
11: 게이트 전극
33, 40: 반도체 기판
34: 채널층
42, 49, 60: 절연막
48: 게이트 절연막
44, 46: 소오스/드레인 영역(전극)
62: 마이크로 렌즈
Claims (10)
- 차례로 적층되는 제 1 도전 패턴과 제 2 도전 패턴; 및
상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들 사이에 개재되며 광(electromagnetic wave)가 입사되는 중간층을 포함하되,
상기 제 1 도전 패턴과 상기 제 2 도전 패턴 중 어느 하나는 다른 하나와 중첩되는 적어도 한 변을 가지며,
상기 변의 길이 L과 상기 광의 파장 λ은 하기 수학식 1을 만족하며,
<수학식 1>
2 neff L = λ
상기 수학식 1에서 neff는 상기 제 1 도전 패턴, 상기 중간층 및 상기 제 2 도전 패턴에 의해 구성되는 표면 플라즈몬 공명에 의한 도파관 모드(surface plasmon waveguide mode)의 유효 굴절률(effective refractive index)이며,
상기 광에 의해 상기 중간층 내에서 표면 플라즈몬 집속 현상에 의해 열이 발생되어 상기 중간층의 전기 저항, 전기전도도, 유전율 또는 전하 이동도가 변하고 이에 의해 변화된 전류를 검출하는 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간층은 실리콘, 게르마늄, 폴리실리콘, 폴리게르마늄, 비정질 실리콘, 비정질 게르마늄, 실리콘산화막, 실리콘 질화막, 실리콘산화질화막 및 칼코게나이드(Chalcogenide) 원소를 포함하는 비정질 혹은 결정질 상변환막 중에 선택되는 적어도 하나의 막인 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 광의 상기 파장에서 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들의 유전율의 실수값은 음수인 광 검출기. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들은 금, 알루미늄, 은, 텅스텐, 구리, 불순물이 도핑된 실리콘, 금속실리사이드, 및 칼코게나이드(Chalcogenide) 원소를 포함하는 결정성 합금 중에 적어도 하나로 형성되는 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전 패턴은 서로 이격되고 절연된 제 1 서브 도전 패턴과 제 2 서브 도전 패턴을 포함하며,
상기 제 2 도전 패턴과 상기 중간층은 상기 제 1 서브 도전 패턴 및 상기 제 2 서브 도전 패턴 모두와 중첩되며,
상기 제 1 서브 도전 패턴과 상기 제 2 도전 패턴 사이 그리고 상기 제 2 서브 도전 패턴과 상기 제 2 도전 패턴 사이의 상기 중간층의 저항 변화를 검출하는 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 중간층 양 옆에 각각 접하며 상기 제 1 및 제 2 도전 패턴들로부터 이격되는 소오스 전극 및 드레인 전극; 및
상기 제 1 도전 패턴과 상기 중간층 사이 또는 상기 제 2 도전 패턴과 상기 중간층 사이에 개재되는 게이트 절연막을 더 포함하는 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
복수개의 서브 화소 영역들로 구성되는 단위 화소 영역을 포함하는 기판을 더 포함하되,
상기 서브 화소 영역들에 각각 상기 제 1 도전 패턴, 상기 중간층 및 상기 제 2 도전 패턴이 배치되되,
하나의 서브 화소 영역에서 상기 변의 길이 L과 상기 광의 파장 λ은 각각 다른 서브 화소 영역에서 상기 변의 길이 L 및 상기 광의 파장 λ과 다른 광 검출기. - 제 7 항에 있어서,
하나의 서브 화소 영역의 상기 제 1 도전 패턴은 다른 서브 화소 영역의 상기 제 1 도전 패턴과 연결되는 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 L은 상기 λ 보다 짧은 광 검출기. - 제 1 항에 있어서,
상기 광은 표면 플라즈몬(Surface plasmon) 현상에 의해 상기 제 2 도전 패턴과 중첩되는 상기 제 1 도전 패턴과 상기 중간층 사이 계면과 상기 제 1 도전 패턴과 중첩되는 제 2 도전 패턴과 상기 중간층 사이 계면을 따라 도파되는 광 검출기.
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