KR102076217B1 - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
제1 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제1 광 감지 소자와 제1 파장 영역보다 짧은 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제2 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 서로 마주하는 한 쌍의 전극과 상기 전극 사이에 위치하고 상기 제1 파장 영역과 상기 제2 파장 영역 사이의 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 흡수층을 포함하는 광전 소자, 그리고 상기 반도체 기판과 상기 광전 소자 사이에 위치하고 광 경로(optical path)가 상이한 적어도 두 부분을 가지는 미세구조체를 포함하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.
Description
이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
광전 소자는 광전 효과를 이용하여 빛을 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 이미지 센서, 태양 전지 등에 적용될 수 있다.
광 다이오드를 포함하는 이미지 센서는 날이 갈수록 해상도가 높아지고 있으며, 이에 따라 화소 크기가 작아지고 있다. 현재 주로 사용하는 실리콘 광 다이오드의 경우 화소의 크기가 작아지면서 흡수 면적이 줄어들기 때문에 감도 저하가 발생할 수 있다.
한편 이미지 센서에 광이 입사될 때 각 화소별로 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하기 위하여 색 필터가 사용된다. 즉 적색 화소, 청색 화소 및 녹색 화소에는 각각 적색 필터, 청색 필터 및 녹색 필터가 배치되어 각각 적색, 청색 및 녹색 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 선택적으로 흡수된 광은 각 화소의 광 다이오드에 전달될 수 있다.
그러나 색 필터는 그 자체로 광을 흡수하므로 광 다이오드에 전달되는 광량에 손실이 클 뿐만 아니라, 예컨대 적색 화소, 청색 화소 및 녹색 화소를 포함하는 경우 각 화소 별로 흡수할 수 있는 광 면적이 약 1/3로 줄어 각 화소는 전체 광 중 약 1/3만 사용하게 된다.
일 구현예는 광 면적을 늘리면서도 각 화소 별로 파장 선택성을 높여 감도 및 광 효율을 개선할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제1 광 감지 소자와 제1 파장 영역보다 짧은 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제2 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 서로 마주하는 한 쌍의 전극과 상기 전극 사이에 위치하고 상기 제1 파장 영역과 상기 제2 파장 영역 사이의 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 흡수층을 포함하는 광전 소자, 그리고 상기 반도체 기판과 상기 광전 소자 사이에 위치하고 광 경로(optical path)가 상이한 적어도 두 부분을 가지는 미세구조체를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 제1 파장 영역은 적색 파장 영역일 수 있고, 상기 제2 파장 영역은 청색 파장 영역일 수 있고, 상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역일 수 있다.
상기 미세구조체는 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자의 사이에 위치할 수 있다.
상기 미세구조체는 비대칭 구조를 가질 수 있다.
상기 미세구조체는 수직 방향을 따라 제1 길이를 가지는 제1 부분과 상기 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 가지는 제2 부분을 가질 수 있다.
상기 제1 부분은 상기 제1 광 감지 소자 측에 위치할 수 있고, 상기 제2 부분은 상기 제2 광 감지 소자 측에 위치할 수 있다.
상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 맞닿아 있거나 분리되어 있을 수 있다.
상기 미세구조체의 폭은 약 1㎛ 이하일 수 있고, 상기 미세구조체의 제1 길이는 약 2㎛ 이하일 수 있다.
상기 미세구조체는 산화물, 질화물, 황화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 미세구조체는 약 1.6 내지 2.6의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판과 상기 광전 소자 사이에서 상기 미세구조체를 둘러싸는 절연층을 더 포함할 수 있고, 상기 미세구조체는 상기 절연층보다 굴절률이 높은 물질을 포함할 수 있다.
상기 절연층은 산화규소를 포함할 수 있고, 상기 미세구조체는 질화규소, 산화티타늄, 황화아연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 서로 마주하는 한 쌍의 전극은 투광 전극일 수 있고, 상기 광 활성층은 상기 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 상기 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역일 수 있다.
상기 복수의 제1 광 감지 소자와 상기 복수의 제2 광 감지 소자는 각각 일 방향을 따라 배열될 수 있으며, 상기 미세구조체는 복수의 제1 광 감지 소자 및 복수의 제2 광 감지 소자에 걸쳐 위치하고 일 방향을 따라 뻗은 모양을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 광 감지 소자와 상기 복수의 제2 광 감지 소자는 일 방향을 따라 교대로 배열될 수 있으며, 상기 미세구조체는 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자에 따라 방향이 상이하게 배열될 수 있다.
상기 이미지 센서는 집광렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 집광렌즈는 상기 광전 소자의 상부에 위치할 수 있다.
상기 집광렌즈는 적어도 하나의 제1 광 감지 소자와 적어도 하나의 제2 광 감지 소자를 덮을 수 있는 크기를 가질 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
넓은 파장 영역의 광의 흡광 효율을 높일 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 감도를 높이고 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 소자의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 이미지 센서의 원리를 보여주는 개략도이고,
도 3은 일 구현예에 따른 이미지 센서에 적용한 미세구조체의 다양한 모양을 예시적으로 보여주는 개략도이고,
도 4 내지 도 6은 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 7은 실시예 1과 비교예 1에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 광 투과도를 보여주는 그래프이고,
도 8은 비교예 2에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 광 투과도를 보여주는 그래프이고,
도 9는 실시예 1에 따른 이미지 센서의 파장선택성을 보여주는 분광 스펙트럼이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서의 원리를 보여주는 개략도이고,
도 3은 일 구현예에 따른 이미지 센서에 적용한 미세구조체의 다양한 모양을 예시적으로 보여주는 개략도이고,
도 4 내지 도 6은 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 7은 실시예 1과 비교예 1에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 광 투과도를 보여주는 그래프이고,
도 8은 비교예 2에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 광 투과도를 보여주는 그래프이고,
도 9는 실시예 1에 따른 이미지 센서의 파장선택성을 보여주는 분광 스펙트럼이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1을 참고하여 일 구현예에 따른 CMOS 이미지 센서를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 CMOS 이미지 센서(100)는 광 감지 소자(50a, 50b) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 미세구조체(70), 절연층(60), 광전 소자(30) 및 집광렌즈(40)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50a, 50b) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50a, 50b)는 예컨대 광 다이오드일 수 있다. 광 감지 소자(50a, 50b) 및 전송 트랜지스터는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 광 감지 소자(50a, 50b)에서 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
광 감지 소자(50a, 50b)는 장파장 영역인 제1 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자(50a)와 단파장 영역인 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자(50b)를 포함한다. 상기 제1 파장 영역은 예컨대 적색 파장 영역이고 상기 제2 파장 영역은 예컨대 청색 파장 영역일 수 있다.
제1 광 감지 소자(50a)와 제2 광 감지 소자(50b)는 각각 일 방향을 따라 나란히 배열되거나 교대로 배열될 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(g) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
반도체 기판(110)의 상부에는 소정 간격을 두고 미세구조체(70)가 형성되어 있다. 미세구조체(70)는 광 경로(optical path)가 상이한 적어도 두 부분을 가지며, 여기서 광 경로란 수직으로 입사된 빛이 미세구조체(70) 내에서 통과하는 거리를 말한다.
상기 광 경로는 미세구조체(70)의 수직 방향으로의 길이 및 굴절률에 따라 달라질 수 있으며, 미세구조체(70)의 굴절률이 위치에 관계없이 일정하다는 전제 하에 수직 방향으로의 길이에 의해 결정될 수 있다.
즉 미세구조체(70)는 비대칭 구조를 가질 수 있으며, 예컨대 반도체 기판(110)에 대하여 수직한 방향을 따라 제1 길이(d1)를 가지는 제1 부분(70a)과 상기 제1 길이(d1)보다 짧은 제2 길이(d2)를 가지는 제2 부분(70b)을 가질 수 있다. 상기 제1 길이(d1)를 가지는 제1 부분(70a)은 장파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자(50a) 측에 위치할 수 있고 상기 제2 길이(d2)를 가지는 제2 부분(70b)은 단파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자(50b) 측에 위치할 수 있다.
미세구조체(70)의 제1 부분(70a)과 제2 부분(70b)은 서로 맞닿아 있거나 분리되어 있을 수 있다.
미세구조체(70)는 제1 광 감지 소자(50a)와 제2 광 감지 소자(50b)의 사이에 배치되어 전면(whole surface)으로 수직 입사된 백색 광을 파장 별로 나누어 제1 파장 영역의 광은 제1 광 감지 소자(50a)로 전달하고 제2 파장 영역의 광은 제2 광 감지 소자(50b)로 전달할 수 있다. 이 때 제1 파장 영역과 제2 파장 영역 사이의 파장 영역인 제3 파장 영역의 광은 후술하는 광전 소자(30)에 의해 선택적으로 먼저 흡수되므로 미세구조체(70)를 통과하지 않을 수 있다.
미세구조체(70)는 소정의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 약 1.6 내지 2.6의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 미세구조체는 예컨대 산화물, 질화물, 황화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 규소 산화물, 규소 질화물, 규소 산질화물, 금속 산화물 또는 금속 황화물을 포함할 수 있다.
도 3은 일 구현예에 따른 이미지 센서에 적용한 미세구조체의 다양한 모양을 예시적으로 보여주는 개략도이다.
미세구조체(70)는 길이 방향으로 제1 길이(b1)를 가지는 제1 부분과 제1 길이(b1)보다 짧은 제2 길이(b2)를 가지는 제2 부분을 포함할 수 있다. 미세구조체(70)의 제1 부분과 제2 부분은 예컨대 계단형 또는 슬로프형일 수 있으나, 특별히 모양이 한정되는 것은 아니다.
예컨대 도 3에서, b1<2㎛, b2<1㎛ 및 a>0.7㎛ 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
반도체 기판(110) 위에는 절연층(60)이 형성되어 있다. 절연층(60)은 예컨대 하부 절연층(61)과 상부 절연층(62)을 포함할 수 있으며, 하부 절연층(61)과 상부 절연층(62)은 동일하거나 상이한 물질로 만들어질 수 있다.
절연층(60)은 예컨대 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질, SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질 및/또는 평탄화 특성이 우수한 유기 절연 물질로 만들어질 수 있다.
절연층(60)은 미세구조체(70)를 둘러싸고 있으며, 미세구조체(70)는 절연층(60)보다 굴절률이 높은 물질을 포함할 수 있다. 절연층(60)이 예컨대 산화규소(SiO2)을 포함하는 경우, 미세구조체(70)는 예컨대 질화규소(SiNx (0<x<1.5)), 산화티타늄(TiOx (0<x≤2)), 황화아연(ZnS) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
절연층(60) 위에는 광전 소자(30)가 형성되어 있다. 광전 소자(30)는 서로 마주하는 하부 전극(31)과 상부 전극(32), 그리고 하부 전극(31)과 상부 전극(32) 사이에 위치하는 광 흡수층(33)을 포함한다.
하부 전극(31)과 상부 전극(32) 중 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 하부 전극(31)과 상부 전극(32)은 투광 전극일 수 있으며, 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명 도전체로 만들어지거나 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막 또는 금속 산화물이 도핑된 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막일 수 있다.
광 흡수층(33)은 상기 제1 파장 영역과 상기 제2 파장 영역 사이의 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 예컨대 제1 파장 영역이 적색 파장 영역이고 제2 파장 영역이 청색 파장 영역일 때 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역일 수 있다. 광 흡수층(33)은 예컨대 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수함으로써 광전 소자(30)를 통과한 광은 녹색 파장 영역을 제외한 나머지 파장 영역의 광만 남는다.
광 흡수층(33)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질은 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있다. 광 흡수층(33)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다.
상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질은 각각 예컨대 약 2.0 내지 2.5eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질은 예컨대 약 0.2 내지 0.7eV의 LUMO 차이를 가질 수 있다.
상기 p형 반도체 물질은 예컨대 퀴나크리돈(quinacridone) 또는 그 유도체일 수 있으며, 상기 n형 반도체 물질은 예컨대 시아노비닐기를 가지는 티오펜 유도체(cyanovinyl group containing thiophene derivative)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 퀴나크리돈 또는 그 유도체는 예컨대 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기 또는 이들의 조합이고,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 수소 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리 방향족기이다.
상기 티오펜 유도체는 예컨대 하기 화학식 2a 내지 2c로 표현되는 화합물에서 선택된 하나일 수 있다.
[화학식 2a]
[화학식 2b]
[화학식 2c]
광 활성층(33)은 이미지 센서(100)의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서(100)의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 높여 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
광전 소자(30) 위에는 집광 렌즈(40)가 형성되어 있다. 집광 렌즈(40)는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 상기 하나의 지점은 미세구조체(70)가 위치하는 지점일 수 있다.
집광 렌즈(40)는 적어도 하나의 제1 광 감지 소자(50a)와 적어도 하나의 제2 광 감지 소자(50b)를 덮을 수 있는 크기를 가질 수 있다.
집광 렌즈(40)에 의해 모아진 광은 제1 광 감지 소자(50a)와 제2 광 감지 소자(50b) 사이에 위치하는 비대칭 구조의 미세구조체(70)에서 집중되고 집중된 광은 미세구조체(70)를 통과하면서 파장에 따라 진행 방향이 바뀌게 된다. 이와 같이 광이 미세구조체(70)를 통과하면서 파장에 따라 진행 방향이 바뀌는 것은 미세구조체(70)의 비대칭성으로 인하여 빛의 파장에 따라 상쇄 간섭 및/또는 보강 간섭이 일어나는 굴절률 차이가 다르기 때문이다. 이에 따라 예컨대 적색 파장 영역인 제1 파장 영역의 빛은 제1 광 감지 소자(50a) 측으로 유입되고 예컨대 청색 파장 영역인 제2 파장 영역의 빛은 제2 광 감지 소자(50b) 측으로 유입될 수 있다.
집광 렌즈(40)는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4 내지 도 6은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다양한 예를 보여주는 개략도이다.
도 4에 도시된 이미지 센서는 복수의 적색 광 감지 소자(R)와 복수의 청색 광 감지 소자(B)가 각각 일 방향을 따라 배열되어 있는 구조이며, 일 방향을 따라 길게 뻗은 모양으로 복수의 적색 광 감지 소자(R) 및 복수의 청색 광 감지 소자(B)에 걸쳐 위치하는 미세구조체(70)와 실린더 모양의 집광 렌즈(40)를 포함한다.
도 5에 도시된 이미지 센서는 복수의 적색 광 감지 소자(R)와 복수의 청색 광 감지 소자(B)가 일 방향을 따라 교대로 배열되어 있는 구조이며, 적색 광 감지 소자(R)와 청색 광 감지 소자(B)에 따라 방향이 다르게 배열되어 있는 미세구조체(70)와 실린더 모양의 집광 렌즈(40)를 포함한다.
도 6에 도시된 이미지 센서는 도 4 또는 도 5의 이미지 센서에 반구 모양의 집광 렌즈(40)를 포함한다.
도 2는 도 1의 이미지 센서의 원리를 보여주는 개략도이다.
도 2를 참고하면, 집광렌즈(40)를 통하여 백색 광(WL)이 입사되면, 하부 전극(31), 광 흡수층(33) 및 상부 전극(32)을 포함하는 광전 소자(30)에 의해 예컨대 녹색 파장 영역인 제2 파장 영역의 광(GL)이 선택적으로 흡수되고, 상기 제2 파장 영역의 광(GL)을 제외한 나머지 파장 영역의 광은 비대칭 구조의 미세구조체(70)로 집중되면서 파장에 따라 진행 방향이 나누어지고 예컨대 적색 파장 영역인 제1 파장 영역의 광(RL)은 미세구조체(70)의 제1 부분(70a) 측으로 진행되어 제1 광 감지 소자(50a)로 유입되고 예컨대 청색 파장 영역인 제3 파장 영역의 광(BL)은 미세구조체(70)의 제2 부분(70b) 측으로 진행되어 제2 광 감지 소자(50b)로 유입될 수 있다.
광전 소자(30)는 이미지 센서의 전면에 형성되어 있으므로 넓은 광 면적을 가질 수 있고 이에 따라 제2 파장 영역의 광은 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
또한 미세구조체(70)에 의해 제1 파장 영역의 광(RL) 및 제2 파장 영역의 광(BL)으로 분리되어 각각 제1 광 감지 소자(50a) 및 제2 광 감지 소자(50b)로 유입될 수 있으므로, 별도의 색 필터가 필요 없다. 따라서 색 필터에 의한 광 손실을 방지할 수 있다.
또한 제1 파장 영역의 광(RL) 및 제2 파장 영역의 광(BL)을 포함한 광이 미세구조체(70)를 통과하면서 파장에 따라 각각 제1 광 감지 소자(50a) 및 제2 광 감지 소자(50b)로 유입될 수 있으므로, 색 필터를 사용한 경우와 비교하여 광 면적을 2배로 높일 수 있어 제1 파장 영역의 광(RL) 및 제2 파장 영역의 광(BL)에 대한 흡광 효율을 높일 수 있다.
따라서 결과적으로 제1 파장 영역, 제2 파장 영역 및 제3 파장 영역을 포함한 모든 파장 영역의 흡광 효율을 높일 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 감도를 높이고 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치의 성능을 개선할 수 있다.
상기 전자 장치는 예컨대 모바일 폰 또는 디지털 카메라 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
1
하기와 같은 시뮬레이션 조건을 설정한 이미지센서를 가정하고 광 투과율 및 파장선택성을 예측한다.
시뮬레이션 조건
- 미세구조체: 제1 폭(장폭) 0.32㎛, 제2 폭(단폭) 0.16㎛, 제1 길이(장길이) 1.2㎛, 제2 길이(단길이) 0.6㎛ 및 두께 2㎛를 가지는 계단형 미세구조체, 미세구조체의 상단으로부터 광 감지기(Detector)까지의 거리(H) 2.6㎛,
- 집광렌즈: 가우스 모양(Gaussian shape)
- 광전 소자: ITO(100nm)/N,N-디메틸퀴나크리돈(화학식 1a) + 디시아노비닐-터티오펜(화학식 2a) (1:1 wt, 70nm)/ 알루미늄(80nm)
[화학식 1a]
[화학식 2a]
비교예
1
나노구조체 대신 적색 필터 및 청색 필터를 사용하는 조건으로 바꾸고 광전 소자를 포함하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건의 이미지 센서를 가정한다.
비교예
2
나노구조체의 모양을 대칭형의 직육면체(폭 0.28㎛, 길이 1.20㎛, 두께 2.00㎛)로 바꾸고 광전 소자를 포함하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건의 이미지 센서를 가정한다.
평가 1
실시예 1과 비교예 1, 2에 따른 이미지 센서에서 집광 렌즈의 상부에서 백색 광을 조사시 광 감지기(Detector)에 도달하는 광량을 시뮬레이션으로 평가한다.
도 7은 실시예 1과 비교예 1에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 광 투과도를 보여주는 그래프이고, 도 8은 비교예 2에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 광 투과도를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참고하면, 단파장 영역인 약 400 내지 470nm 영역과 장파장 영역인 570 내지 700nm 영역에서 실시예 1에 따른 이미지 센서가 비교예 1에 따른 이미지 센서보다 높은 광 투과율을 나타내는 것을 알 수 있다. 이로부터 실시예 1에 따른 이미지 센서는 색 필터에 의한 광 손실을 줄일 수 있어서 비교예 1에 따른 이미지 센서보다 흡광 효율이 높음을 예상할 수 있다.
또한 실시예 1에 따른 이미지 센서는 중간파장 영역인 약 470 내지 570nm 영역의 광이 광전 소자에 의해 선택적으로 먼저 흡수됨으로써 단파장 영역인 약 400 내지 470nm 영역과 장파장 영역인 570 내지 700nm 영역에서 파장 선택성이 높은 것을 알 수 있다.
이에 반해, 도 8을 참고하면, 비교예 2에 따른 이미지 센서는 장파장 영역 및 단파장 영역에서 광 투과율이 상대적으로 낮을 뿐만 아니라 중간파장 영역인 약 470 내지 570nm 영역의 광 또한 상당량 감지됨으로써 파장 선택성이 낮은 것을 알 수 있다.
이로부터 실시예 1에 따른 이미지 센서는 흡광 효율 및 파장 선택성이 개선될 수 있음을 알 수 있다.
평가 2
실시예 1에 따른 이미지 센서의 파장선택성을 평가한다.
도 9는 실시예 1에 따른 이미지 센서의 파장선택성을 보여주는 분광스펙트럼이다.
도 9를 참고하면, 단파장 영역인 약 400 내지 470nm 영역과 장파장 영역인 570 내지 700nm 영역에서 파장 선택성이 높게 나오는 것을 확인할 수 있으며, 단파장 영역 및 장파장 영역 모두 약 1.5㎛ 이내의 좁은 폭으로 감지됨으로써 약 1㎛ 내외의 화소에도 적합하게 사용될 수 있음을 예상할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
30: 광전소자
31: 하부 전극
32: 상부 전극
33: 광 흡수층
40: 집광렌즈
50a: 제1 광 감지 소자
50b: 제2 광 감지 소자
61: 하부 절연막
62: 상부 절연막
60: 절연막
100: 이미지 센서
31: 하부 전극
32: 상부 전극
33: 광 흡수층
40: 집광렌즈
50a: 제1 광 감지 소자
50b: 제2 광 감지 소자
61: 하부 절연막
62: 상부 절연막
60: 절연막
100: 이미지 센서
Claims (20)
- 제1 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제1 광 감지 소자와 제1 파장 영역보다 짧은 제2 파장 영역의 광을 감지하는 복수의 제2 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판,
서로 마주하는 한 쌍의 전극과 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 상기 제1 파장 영역과 상기 제2 파장 영역 사이의 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 흡수층을 포함하는 광전 소자, 그리고
상기 반도체 기판과 상기 광전 소자 사이에 위치하고 광 경로(optical path)가 상이한 적어도 두 부분을 가지는 미세구조체
를 포함하고,
상기 미세구조체는 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자의 사이에 위치하는 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 제1 파장 영역은 적색 파장 영역이고, 상기 제2 파장 영역은 청색 파장 영역이고, 상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역인 이미지 센서.
- 삭제
- 제1항에서,
상기 미세구조체는 비대칭 구조를 가지는 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 미세구조체는 수직 방향을 따라 제1 길이를 가지는 제1 부분과 상기 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 가지는 제2 부분을 가지는 이미지 센서.
- 제5항에서,
상기 제1 부분은 상기 제1 광 감지 소자 측에 위치하고,
상기 제2 부분은 상기 제2 광 감지 소자 측에 위치하는
이미지 센서.
- 제5항에서,
상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 맞닿아 있거나 분리되어 있는 이미지 센서.
- 제5항에서,
상기 미세구조체의 폭은 1㎛ 이하이고,
상기 미세구조체의 제1 길이는 2㎛ 이하인
이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 미세구조체는 산화물, 질화물, 황화물 또는 이들의 조합을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 미세구조체는 1.6 내지 2.6의 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 반도체 기판과 상기 광전 소자 사이에서 상기 미세구조체를 둘러싸는 절연층을 더 포함하고,
상기 미세구조체는 상기 절연층보다 굴절률이 높은 물질을 포함하는 이미지 센서.
- 제11항에서,
상기 절연층은 산화규소를 포함하고,
상기 미세구조체는 질화규소, 산화티타늄, 황화아연 또는 이들의 조합을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 서로 마주하는 한 쌍의 전극은 투광 전극이고,
상기 광 흡수층은 상기 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 상기 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함하는
이미지 센서.
- 제13항에서,
상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역인 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 복수의 제1 광 감지 소자와 상기 복수의 제2 광 감지 소자는 각각 일 방향을 따라 배열되어 있으며,
상기 미세구조체는 복수의 제1 광 감지 소자 및 복수의 제2 광 감지 소자에 걸쳐 위치하고 일 방향을 따라 뻗은 모양을 가지는
이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 복수의 제1 광 감지 소자와 상기 복수의 제2 광 감지 소자는 일 방향을 따라 교대로 배열되어 있으며,
상기 미세구조체는 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자에 따라 방향이 상이하게 배열되는 이미지 센서.
- 제1항에서,
집광렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
- 제17항에서,
상기 집광렌즈는 상기 광전 소자의 상부에 위치하는 이미지 센서.
- 제17항에서,
상기 집광렌즈는 적어도 하나의 제1 광 감지 소자와 적어도 하나의 제2 광 감지 소자를 덮을 수 있는 크기를 가지는 이미지 센서.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.
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