KR102197069B1 - 이미지 센서 및 이미지 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서와 이미지 처리장치에 관한 발명으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소를 다수 포함하는 이미지 센서 및 이미지 처리장치에 있어서, 제1면 및 상기 제1면과 대향하는 제 2면을 포함하는 반도체 층, 상기 반도체 층의 제2면 위에 형성되고 특정 파장의 빛을 전기적 신호로 변환하는 유기광전변환부, 상기 반도체 층의 제 1 면 아래에 위치하고, 화소 회로를 포함하는 기판 및 상기 반도체 층을 관통하고, 상기 유기광전변환부와 화소 회로를 전기적으로 연결하는 관통배선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서 및 이미지 처리 장치의 해상도를 향상시키는 방법에 관한 것이다.
촬영된 화상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화용 카메라 및 휴대용 캠코더와 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇에 장착되는 카메라에도 사용된다. 이러한 이미지 센서는 화소 어레이를 구비할 수 있고, 화소 어레이에 포함된 각각의 단위 화소는 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 광 감지 소자 중 포토다이오드는 빛을 흡수함에 따라 전류를 발생시킬 수 있다.
일반적으로 이미지 센서는 반도체 제조 공정을 통해서 생산될 수 있다. 이미지 센서는 광 감지 소자뿐만 아니라 광 감지 소자를 제어하기 위한 트랜지스터 및 픽셀 어레이를 구동하기 위한 회로들을 포함할 수 있고, 이들 각각은 반도체 제조 공정을 통해서 형성될 수 있다. 광 감지 소자가 형성된 반도체 층의 일면에 트랜지스터 및 배선층을 형성하고, 상기 반도체 층의 뒷 면으로 빛을 입사시키는 후면 조사형(backside illuminated) 이미지 센서가 알려져 있다.
본 발명의 기술적 사상은 동일한 픽셀 크기의 이미지 센서 및 이미지 처리 장치로 해상도를 개선할 수 있는 레이아웃 혹은 device architecture를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 단위 화소를 다수 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 단위 화소는, 제1면 및 상기 제1면과 제1방향으로 대향하는 제 2면을 포함하는 반도체 층과 상기 반도체 층의 제2면의 제1방향으로 형성되고 제1파장대역의 빛을 전기적 신호로 변환하는 유기광전변환부와, 상기 반도체 층의 제 1 면의 제2방향으로 위치하고, 화소 회로를 포함하는 기판 및 상기 반도체 층을 관통하고, 상기 유기광전변환부와 화소 회로를 전기적으로 연결하는 관통배선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 유기광전변환부에 의해 전기신호로 변환되지 않은 빛 중 제2 파장대역의 빛을 통과시키는 컬러 필터층을 더 포함하고, 상기 반도체 층의 제 1면에 접하여 상기 반도체 층 내에 형성되고, 상기 컬러 필터를 통과한 빛의 세기에 따라 전하를 축적하는 광 감지 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 유기광전변환부는, 상기 반도체 층의 제 2면의 상기 제1방향으로 위에 형성되고, 제1하부전극, 제1파장대역의 빛에 대해 광전 변환 성질을 갖는 제1 컬러선택층 및 제 1 상부전극을 구비하는 제1유기광전변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 유기광전변환부의 상기 제1방향으로 위에 형성되고, 제2 하부전극, 제2파장대역의 빛에 대해 광전변환성질을 갖는 제2 컬러선택층 및 제2 상부전극을 구비하는 제2 유기광전변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 유기광전변환부는, 상기 반도체 층의 제 2면에 형성되고, 제1하부전극, 제1파장대역의 빛에 대해 광전 변환 성질을 갖는 제1 컬러선택층 및 제 1 상부전극을 구비하는 제1유기광전변환부와, 상기 제1 유기광전변환부 위에 형성되고, 제2 하부전극, 제2파장대역의 빛에 대해 광전변환성질을 갖는 제2 컬러선택층 및 제2 상부전극을 구비하는 제2 유기광전변환부 및 상기 제 2 유기광전변환부 위에 형성되고, 제 3 하부전극, 제 3 파장대역의 빛에 대해 광전변환성질을 갖는 제 3 컬러선택층 및 제 3 상부전극을 구비하는 제 3 유기광전변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 화소 회로는, 상기 유기광전변환부로부터의 전기 신호를 독출하는 신호전하독출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 관통배선은, 상기 단위 화소의 외부로부터 빛 또는 전하의 유입을 차단하는 것을 특징으로 한다.또한 바람직하게는, 상기 관통배선은, 깊은 트렌치 분리 방법으로 상기 반도체 층의 제 1면 또는 제2면으로부터 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 관통배선의 외부는, 상기 반도체 층과 접하고, 유전체(dielectric material)로 구성된 박막을 포함하고, 상기 관통배선의 내부는,
상기 유기광전변환부로부터 전기 신호를 전송하는 도전 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 관통배선은, 상기 반도체 층을 구성하는 물질과 굴절률이 다른 물질을 외부에 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 이미지 처리장치는, 복수의 단위 화소들을 포함하고, 입사광을 변환하여 전기 신호를 발생하는 픽셀 어레이 및 상기 출력된 전기 신호를 수신받아 이미지 데이터를 발생하는 신호 처리부를 포함하고, 상기 복수의 단위 화소들 각각은, 제1면 및 상기 제1면과 대향하는 제 2면을 포함하는 반도체 층과 상기 반도체 층의 제2면 위에 형성된 것으로 빛을 전기적 신호로 검출하는 유기광전변환부와 상기 반도체 층의 제 1 면 아래에 위치한 화소 회로를 포함하는 기판 및 상기 광전변환부와 화소 회로를 전기적으로 연결하는 것으로 상기 반도체 층을 관통하는 관통배선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 유기광전변환부에 의해 전기신호로 변환되지 않은 빛 중 제2 파장대역의 빛을 통과시키는 컬러 필터층을 더 포함하고, 상기 반도체 층의 제 1면에 접하여 상기 반도체 층 내에 형성되고, 상기 컬러 필터를 통과한 빛의 세기에 따라 전하를 축적하는 광 감지 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 관통배선은, 깊은 트렌치 분리 방법으로 상기 반도체 층의 제 1면 또는 제2면으로부터 형성한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 관통배선의 외부는, 상기 반도체 층과 접하고, 유전체(dielectric material)로 구성된 박막을 포함하고, 상기 관통배선의 내부는, 상기 유기광전변환부로부터 전기 신호를 전송하는 도전 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 복수의 단위 화소들 각각은, 적어도 2 이상의 파장 대역의 빛을 센싱할 수 있는 것을 특징으로 한다.
단위화소의 크기와 선명도 개선을 위하여, 본원발명에 따르는 단위 화소를 다수 포함하는 이미지 센서 및 이미지 처리장치에 있어서, 제1면 및 상기 제1면과 대향하는 제 2면을 포함하는 반도체 층, 상기 반도체 층의 제2면 위에 형성되고 특정 파장의 빛을 전기적 신호로 변환하는 유기광전변환부, 상기 반도체 층의 제 1 면 아래에 위치하고, 화소 회로를 포함하는 기판 및 상기 반도체 층을 관통하고, 상기 유기광전변환부와 화소 회로를 전기적으로 연결하는 관통배선을 포함하는 구성을 가지도록 하였다.
이렇게 포토다이오드를 포함하는 반도체 층위에 유기광전변환부를 적층하므로써, 단위 화소에 여러가지 빛 성분을 전기신호로 변환하고 출력할 수 있도록 하였으며, 이에 단위 화소의 크기(레이아웃 면적의 감소)와 선명도 개선에 많은 효과가 있다. 또한, 관통배선을 DTI(deep trench isolation) 등의 기판 관통 배선 형성 공법을 이용하여 형성하고, 외부에는 절연체, 내부는 도전성을 가지는 물질로 형성하므로써, 광학적, 전기적 간섭을 억제할 수 있도록 하므로써, 신호의 정확도도 향상 시킬 수 있게 되었다.
도1 은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 단위 화소(Pixel)를 나타내는 도면이다.
도2a 는 본 발명의 일실시예로, 제1 유기광전변환부가 적층된 단위 화소를 나타내는 도면이다.
도2b 는 본 발명의 일실시예로서, 도2a를 적층 방식을 기준으로 입체적으로 나타내는 도면이다.
도3 은 본 발명의 일실시예로 도2a보다 제2 유기광전변환부를 더 포함하고, 이에 따른 제2관통배선을 더 포함하는 것을 표현한 도면이다.
도4 는 본 발명의 일실시예로 도3보다 제3 유기광전변환부를 더 포함하고, 이에 따른 제3관통배선을 더 포함하는 것을 표현한 도면이다.
도5 및 6은 본 발명의 일실시예에 따른 화소 회로(pixel circuit)의 구현예를 나타내는 도면이다.
도7 은 본 발명의 일실시예에 따른, 제1단위화소와 제2단위화소의 배치를 나타낸 도면이다.
도8 은 본 발명의 일실시예에 따른, 네 개의 인접한 단위화소들을 위에서 본 평면도이다.
도9a 및9b 는 는 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드(PD) 반도체 층의 제1방향(y1)을 향하여 유기광전변환부의 적층의 효과를 나타내는 도면이다.
도10 은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도 이다.
도11 은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도12 는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
도2a 는 본 발명의 일실시예로, 제1 유기광전변환부가 적층된 단위 화소를 나타내는 도면이다.
도2b 는 본 발명의 일실시예로서, 도2a를 적층 방식을 기준으로 입체적으로 나타내는 도면이다.
도3 은 본 발명의 일실시예로 도2a보다 제2 유기광전변환부를 더 포함하고, 이에 따른 제2관통배선을 더 포함하는 것을 표현한 도면이다.
도4 는 본 발명의 일실시예로 도3보다 제3 유기광전변환부를 더 포함하고, 이에 따른 제3관통배선을 더 포함하는 것을 표현한 도면이다.
도5 및 6은 본 발명의 일실시예에 따른 화소 회로(pixel circuit)의 구현예를 나타내는 도면이다.
도7 은 본 발명의 일실시예에 따른, 제1단위화소와 제2단위화소의 배치를 나타낸 도면이다.
도8 은 본 발명의 일실시예에 따른, 네 개의 인접한 단위화소들을 위에서 본 평면도이다.
도9a 및9b 는 는 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드(PD) 반도체 층의 제1방향(y1)을 향하여 유기광전변환부의 적층의 효과를 나타내는 도면이다.
도10 은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도 이다.
도11 은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도12 는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도1 은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 단위 화소(Pixel)를 나타내는 도면이다.
도1 에 도시된 바와 같이, 단위 화소(100)는 반도체 층(110), 트랜지스터 층(120), 유기광전변환부(130), 관통배선(140) 및 렌즈 층(150)을 포함한다. 반도체 층(110)은 제1면(111) 및 제1방향(y1)으로 대향하는 제2면(112)을 포함할 수 있고, 트랜지스터 층(120)은 반도체 층(110)의 제1면(111) 상에 형성될 수 있다. 반도체 층(110) 및 트랜지스터 층(120)은, 예컨대 각각 벌크(bulk) 기판, 에피텍셜(epitaxial) 기판 또는 SOI(silicon on insulator) 기판 중 어느 하나일 수 있다.
이하, 후술할 제1방향은 y1의 방향, 제2방향은 y2의 방향을 지칭한다.
반도체 층(110)은 광 감지 소자(PD)를 포함할 수 있고, 광 감지 소자(PD)는 반도체 층(110)의 제1면(111)과 접할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따라, 광 감지 소자(PD)는 포토다이오드일 수 있고, 포토다이오드는 렌즈 층(150), 컬러필터 층(미도시)을 통해서 입사된 빛을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있다. 광 감지 소자(PD)가 빛을 흡수하는 동안, 광 감지 소자(PD) 및 외부 사이의 전하 이동 경로가 차단된 경우, 광 감지 소자(PD)가 흡수하는 빛의 세기에 따라, 광 감지 소자(PD)가 축적하는 전하의 양은 증가하기 때문에, 광 감지 소자(PD)가 축적한 전하량을 통해서 흡수한 빛의 세기를 감지할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따라, 반도체 층(110)은 포토다이오드 대신 트랜지스터 층(120)과 각 유기광전변환부(130)를 접속하기 위한 비아(via,미도시), 메탈 라인(미도시)을 포함할 수 있다. 비아와 메탈 라인 같은 구성 요소를 제외한 나머지 부분은 유전체 물질(dielectric material)일 수 있다. 반도체 층(110)은 유전체 층(dielectric layer)이라고도 불릴 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예에 따라, 관통배선(140)은 트렌치 소자 분리 방법에 의해 형성될 수 있다. 트렌치 소자 분리 방법은 트렌치의 깊이에 따라 얕은 트렌치 소자 분리(shallow trench isolation: STI) 및 깊은 트렌치 소자 분리(deep trench isolation: DTI)로 구분될 수 있다. STI 및 DTI 구조의 분리막은 LOCOS(local oxidation of silicon)에 비해 버즈 비크(birds beak)를 생성시키지 않아 기판의 활성 영역이 침식되지 않고 그대로 보존될 수 있다. 관통배선(140)은 반도체 층(110)의 제2면(112)으로부터 제1면(111)을 향하거나 제1면(111)에서 제2면(112)을 향하여 형성된 DTI 일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 관통배선(140)은 유기광전변환부(130)와 트랜지스터 층(120)의 화소 회로(pixel)를 전기적으로 연결하는 역할을 할 수 있으며, 유기광전변환부(130)과 트랜지스터 층(120) 사이에 적층된 반도체 층(110)을 관통할 수 있다. 관통배선(140)은 유기광전변환부(130)의 전기적 신호성분을 트랜지스터 층(120)으로 전달하기 위하여 DTI로 형성된 관통배선(140)의 내부를 전도성 확보를 위하여 금속인 텅스텐, 알루미늄, 구리 또는 도핑된 실리콘 또는 금속과 도핑된 실리콘을 조합한 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 관통배선(140)은 DTI로 형성된 관통배선(140) 외에 다른 층, 예를 들면 반도체 층(110)에 전기적 신호성분이 흐르지 않도록 할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따라, DTI로 형성된 관통배선(140)의 외부는 SiO2, SiN, Al2O3, HfOx 등과 같은 유전체로 형성할 수 있어, 반도체 층과 같은 다른 실리콘 기판들과 절연할 수 있게 되어, 센서 동작을 정확하게 수행할 수 있다.
또한, 관통배선(140)의 외부는 반도체 층(110)을 구성하는 물질과 굴절율이 다른 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 반도체 층(110)을 구성하는 물질이 실리콘(Si)인 경우, 관통배선(140)의 외부는 실리콘의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 가지는 물질들, 예컨대 산화물(oxide), 질화물(notride) 등으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 관통배선(140)은 단위 화소의 외부로부터 빛 또는 전하의 유입을 차단할 수 있다. 일실시예로, 인접한 다른 단위 화소로 입사한 빛 또는 다른 단위 화소에 의해 발생된 전하의 전부 또는 일부를 차단할 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 도1에 도시된 단위 화소에 이웃한 단위 화소에 입사한 빛이 반사되어 관통배선(140)으로 입사될 수 있다. 이때, 관통배선(140)의 외부는 반도체 층(110)을 구성하는 물질의 굴절율 보다 낮은 물질로 형성될 수 있어, 관통배선(140)으로 입사된 빛(10)은 입사각(incidence angle)이 임계각(critical angle) 보다 큰 경우, 빛(10)은 전반사(total reflection)로 인하여 관통배선(140)에서 반사될 수 있다.
트랜지스터 층(120)은 적어도 하나 이상의 화소 회로(Pixel Circuit)를 포함할 수 있으며, 화소 회로(Pixel Circuit)는 광 감지 소자(PD)와 유기광전변환부(130) 등을 제어할 수 있는 트랜지스터를 포함 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 포토다이오드(PD)를 포함하는 반도체 층 (110)의 제1방향(y1)을 향하여 위에 유기광전변환부(130)가 적층되어 있는바, 유기광전변환부(130)와 반도체 층(110)의 포토다이오드(PD)의 전기 신호를 수신받아 출력 신호를 발생하는 적어도 하나 이상의 화소 회로(pixel circuit)가 트랜지스터 층(120)에 포함될 수 있다. 또한, 도1에는 도시되지 않았지만, 단위 화소(100)는 절연층(미도시)을 더 포함할 수 있고, 절연층(미도시)은 반도체 층(110)의 제 2면(112)에 위치할 수 있다. 이때, 절연층(미도시)은 반도체 층(110)을 보호하기 위한 보호 층(passivation layer)일 수 있고, 빛의 산란 또는 반사를 방지하는 기능을 할 수 있다. 또한, 컬러필터층(미도시)은 후술되는 바와 같이 제2면(112)에 위치할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 반도체 층(110)의 제2면(112) 의 제1방향(y1)을 향하여 위에 적어도 하나 이상의 유기광전변환부(130)가 적층될 수 있다. 유기광전변환부(130)는 특정 파장대역의 빛에 대해 광전 변환(photoelectric conversion) 성질을 갖는 컬러선택층을 포함할 수 있다. 후술할 특정 파장대역의 빛 중 제 1파장대역의 빛은 녹색(G), 적색(R), 청색(B) 중 어느 하나일 수 있으며, 제2 파장대역의 빛은 제 1파장대역의 빛을 제외한 빛 중 어느 하나일 수 있고, 제3 파장대역의 빛은 제1파장대역 및 제2파장대역의 빛을 제외한 빛일 수 있다.
포토다이오드를 포함할 수 있는 반도체 층(110)과 유기광전변환부(130)는 적층 구조로써, 적층수를 줄여 공정을 용이하게 하면서도 광효율을 높일 수 있도록 제시되고 있다. 보다 상세한 구조 및 재질에 대해서는 후술하기로 한다. 유기광전변환부(130)를 적층함으로써, 단위화소의 면적을 줄일 수 있으며, 단위화소에서 다수의 색을 출력할 수 있어 선명도를 더 높일 수 있는 효과가 있다.
도 2a는 본 발명의 일실시예로, 제1 유기광전변환부가 적층된 단위 화소를 나타내는 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 도1과 같이 단위 화소(100)는 반도체 층(110), 트랜지스터 층(120), 관통배선(140) 및 렌즈 층(150)을 포함한다. 더 나아가, 반도체 층(110)의 제 2면(112)상에 위치한 컬러 필터층(160)과 제1유기광전변환부(130)는 컬러 필터 층(160) 제1방향(y1)을 향하여 위에 적층된 제 1하부전극(132), 제1 컬러선택 층(131), 제1상부전극(133)을 더 포함한다.
제1하부전극(132)은 투명 산화물 전극 물질, 예를 들어, ITO, IZO, ZnO 또는 SnO2 등과 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또는, 금속 박막으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 두께 20nm 이하의 반투명(semitransparent)전극으로 이루어질 수 있다. 상기 금속 박막은 Al, Cu, Ti, Au, Pt, Ag 또는 Cr중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 제1상부전극(133)은 투명 산화물 전극으로 제1하부전극(132)보다 큰 일함수(work function) 또는 같은 일함수를 가질 수 있으며, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO 또는 SnO2 등과 같은 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 제 1상부전극(133) 및 제1 하부전극(132)은 유기광전변환부(130)에 전기적 바이어스를 인가하기 위한 역할을 할 수 있다. 또한, 유기광전변환부(130)에 대한 캐소드(cathode)와 에노드(anode)에 해당될 수 있다. 제 1 컬러선택층(131)에서 변환되어 축적된 전기적 신호를 트랜지스터 층(120)으로 전송하는 역할을 할 수 있다. 또한, 제 1상부전극(133) 및 제 1하부전극(132)의 면적을 최대화하여 전기적 신호의 전송을 극대화 할 수 있다. 이후, 서술되는 다른 상부전극 및 하부전극도 상기의 역할을 할 수 있을 것이다.
제1컬러선택층(131)은 광전 효과를 이용하여 빛을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있으며, 유기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 제 1컬러선택층(131)은 주 캐리어가 정공인 p형층, 주 캐리어가 전자인 n형층을 포함하여 구성될 수 있으며, 제 1 컬러선택층(131)은 예를 들어 빛 성분 중 녹색에 대해 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 다만, 이것은 예시적인 것이고, 청색이나 적색을 광전 변환할수도 있다. 또한 제1유기광전변환부를 통과한 빛은 녹색 성분을 제외하고는 손상없이 그대로 컬러 필터층(160)을 통과하게 될 것이다. 다만, 이것은 예시적인 것이고, 청색이나 적색을 광전 변환할수도 있다.
본 발명의 일실시예로서, 반도체층(110)의 제2면(112)에 접하거나 인접하여 컬러 필터층(160)이 적층될 수 있으며, 컬러 필터층(160)은 제1유기광전변환부(130)에서 전기 신호로 변환하는 빛 성분을 제외한 것들 중에 하나의 성분만을 통과시킬 수 있다. 즉, 제1유기광전변환부(130)에서 녹색에 대해 전기 신호를 발생시킨 경우에는, 청색 또는 적색의 빛만을 통과시키는 컬러 필터층(160)이 될 수 있다.
반도체 층(110)은 제1면(111)으로부터 형성된 포토다이오드(PD)를 포함할 수 있으며, 컬러 필터층(160)을 통과한 빛 성분, 예를 들면 적색을 흡수하여 전하량을 축적할 수 있다. 다만, 이것을 일예로서, 청색을 흡수하여 전하량을 축적할 수 있으며, 제1유기광전변환부(130)의 제1컬러선택층(131)이 선택하는 빛 성분에 따라 컬러 필터층(160)을 통과하는 빛 성분은 달라질 수 있을 것이다.
관통배선(140)은 도선부(141) 및 절연부(142)를 포함한 구성이 될 수 있으며, DTI트렌치 소자 분리 방법으로 형성할 수 있다. 도선부(141)는 제1유기광전변환부(130)의 전기적 신호성분을 트랜지스터 층(120)으로 전달하기 위하여 전도성을 가질 수 있다. 따라서, 도선부(141)은 본 발명의 일실시예로 금속인 텅스텐, 알루미늄, 구리 또는 도핑된 실리콘 또는 금속과 도핑된 실리콘을 조합한 재료를 사용하여 형성할 수 있다.
관통배선(140)은 DTI로 형성된 관통배선(140) 외에 다른 층, 예를 들면 반도체 층(110)에 전기적 신호성분이 흐르지 않도록 할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따라, DTI로 형성된 관통배선(140)의 외부인 절연부(141)은 SiO2, SiN, Al2O3, HfOx 등과 같은 유전체로 형성할 수 있어, 반도체 층과 같은 다른 실리콘 기판들과 절연할 수 있게 되어, 센서 동작을 정확하게 수행할 수 있다.
또한, 절연부(141)는 반도체 층(110)을 구성하는 물질과 굴절율이 다른 물질로 형성할 수 있다. 예를 들면, 반도체 층(110)을 구성하는 물질이 실리콘(Si)인 경우, 절연부(141) 실리콘의 굴절율 보다 낮은 굴절율을 가지는 물질들, 예컨대 산화물(oxide), 질화물(notride) 등으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 절연부(141)는 단위 화소 외부로부터의 빛 또는 전하의 유입을 차단할 수 있다. 일실시예로서, 인접한 다른 단위 화소로 입사한 빛 또는 인접한 다른 단위 화소로부터 발생된 전하의 전부 또는 일부를 차단할 수 있다. 도2a에 도시된 바와 같이, 다른 단위 화소에 입사한 빛이 반사되어 도2a의 단위 화소의 관통배선(140)으로 입사될 수 있다. 이 때, 절연부(141)는 반도체 층(110)을 구성하는 물질의 굴절율 보다 낮은 물질로 형성될 수 있어, 절연부(141)로 입사된 빛(10)은 입사각(incidence angle)이 임계각(critical angle) 보다 큰 경우, 빛(10)은 전반사(total angle)로 인하여 절연부(141)에서 반사될 수 있다.
트랜지스터 층(120)은 적어도 하나 이상의 화소 회로(pixel circuit)를 포함할 수 있으며, 제1유기변환부(130)와 반도체 층(110)의 포토다이오드(PD)에서 변환된 전기 신호를 증폭할 수 있는 화소 회로(pixel circuit)를 구성할 수 있다.
도2b는 본 발명의 일실시예로서, 도2a를 적층 방식을 기준으로 입체적으로 나타내는 도면이다.
도 2b를 참조하면, 화소 회로가 포함될 수 있는 트랜지스터 층(120) 의 제1방향(y1)을 향하여 위에 포토다이오드(PD)를 포함하는 반도체 층(110)이 적층될 수 있다. 반도체 층(110) 위에는 컬러 필터층(160, CF)가 적층될 수 있다. 다만, 컬러 필터층(160)과 반도체 층(110) 사이에 절연층(미도시)이 적층될 수 있는데, 이는 반도체 층(110)을 보호하기 위한 보호층 일 수 있고, 빛의 산란 또는 반사를 방지하는 기능을 할수도 있다. 컬러 필터층(160) 위로 유기광전변환부(130)가 더 적층될 수 있다. 유기광전변환부(130)의 전기 신호를 트랜지스터 층(120)으로 전송하기 위하여 관통배선(140)를 DTI 방식으로 형성할 수 있으며, 반도체 층(110)을 관통할 수 있게 된다. 관통배선(140)의 내부는 전도성 있는 물질을 형성하여 전기 신호가 흐를 수 있도록 할 수있고, 외부는 유전체를 이용하여 절연하므로서, 관통배선부(140)외에 다른 층에 전기 신호가 흐르지 않도록 할 수 있다. 또한, 관통배선부(140) 외부를반도체 층(110)의 물질보다 낮은 굴절율의 물질로 형성하므로써, 인접한 단위 화소로부터 반사된 빛 또는 인접한 단위 화소로부터 생성된 전하를 차단하여 광학적, 전기적 간섭(optical/ electrical cross talk)을 억제할 수 있게 되는 것이다. 다만, 이는 일실시예로서, 인접한 다른 단위 화소로부터의 빛 또는 전하에 국한되는 것이 아니고, 단위 화소의 외부로부터의 빛 또는 전하에 해당할 수 있다.
도3 은 본 발명의 일실시예로 도2a보다 제2 유기광전변환부(130_b)를 더 포함하고, 이에 따른 제2관통배선(140_b)을 더 포함하는 것을 표현한 도면이다.
도2a 에 도시된 바와 같이, 단위 화소(100)는 반도체 층(110), 트랜지스터 층(120), 관통배선(140) 및 렌즈 층(150), 반도체 층(110)의 제 2면(112)의 제1방향(y1)을 향하여 위에 위치한 컬러 필터층(160)과 제1유기광전변환부(130)는 컬러 필터 층(160) 상에 위치한 제 1하부전극(132), 제1 컬러선택 층(131), 제1상부전극(133)을 더 포함한다. 도 3을 참조하면, 도2a에 도시된 단위 화소(100)의 구성보다 제2유기광전변환부(130_b), 제2관통배선(140_b)를 더 포함한다. 제2 유기광전변환부(130_b)는 제1 유기광전변환부(130_a)의 제1방향(y1)을 향하여 위에 형성된 것으로, 제2 하부전극(135), 제2파장대역의 빛 성분에 대해 광전변환성질을 갖는 제2 컬러선택층(134) 및 제2 상부전극(136)을 포함할 수 있다. 제 1유기광전변환부(130_a)와 제2 유기광전변환부(130_b) 사이에는 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 제 2 유기광전변환부(130_b)의 상부에는 보호층(미도시)이 더 마련될 수 있다.
제2하부전극(135)은 투명 산화물 전극 물질 또는 금속박막으로 이루어질 수 있으며, 제 1하부전극(132)에 채용될 수 있는 전극 물질로 이루어질 수 있다. 제2 상부전극(136)은 투명 산화물 전극으로 제2 하부전극(135)보다 큰 일함수 또는 같은 일함수를 가질 수 있으며, 제1 상부전극(133)에 채용될 수 있는 전극 물질로 이루어질 수 있다.
제2 컬러선택층(134)은 광전 효과를 이용하여 빛을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있으며, 유기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 제 2컬러선택층(134)은 예를 들어, 빛의 청색 성분에 대해 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로, 녹색 성분이나 적색 성분을 광전 변환하는 물질로 구성될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제2관통배선(140_b)는 제2도선부(143) 및 제2 절연부(144)로 구성된다. 전술한대로 제1관통배선(140_a)의 제1도선부(141) 및 제1절연부(142)와 같은 구성을 가질 수 있다. 다만, 제 2관통배선(140_b)은 제1 유기광전변환부(130_a)를 관통할 수 있으므로, 제 2 관통배선(140_b)의 제2 절연부(144)는 제1 유기광전변환부(130_a)를 구성하는 물질보다 굴절률이 낮은 물질로 형성할 수 있다. 이를 통해, 제2절연부(144)로 입사한 빛을 반사시킬 수 있다.
단위 화소(100)을 포함하는 이미지 센서의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다. 렌즈부(150)로 가시광선이 입사되면, 제2 유기광전변환부(130_b) 및 제 1 유기광전변환부(130_a)에서 대응되는 빛 성분이 선택되어 전기 신호로 변환될 수 있다. 예를 들어, 제2 유기광전변환부(130_b)는 입사된 빛 중 녹색 성분의 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 또한, 제1 유기광전변환부(130_a)는 입사된 빛 중 청색 성분을 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 제 1컬러선택층(131) 및 제2컬러선택층(134)의 전자 또는 정공이 제1 하부전극(132), 제2 하부전극(135)으로 이동하며, 각각 제1 관통배선(140_a) 및 제2관통배선(140_b)을 통해 트랜지스터 층(120)의 화소 회로(Pixel Circuit)으로 전송될 수 있다. 또한, 제1유기광전변환부(130_a) 및 제2유기광전변환부(130_b)에서 광전변환되지 않은 파장 대역의 빛 성분, 예를 들면 적색 성분은 컬러 필터 층(160)을 통과하여 반도체 층(110) 내의 포토다이오드(PD)에서 전하 성분으로 변환되어 축적될 수 있다. 축적된 전하 성분은 트랜지스터 층(120)의 화소 회로(pixel circuit)로 전송될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예로 도3보다 제3 유기광전변환부(130_c)를 더 포함하고, 이에 따른 제3관통배선(140_c)을 더 포함하는 것을 표현한 도면이다.
도3을 참조하면, 단위 화소(100)는 반도체 층(110), 트랜지스터 층(120), 관통배선(140) 및 렌즈 층(150), 반도체 층(110)의 제 2면(112)의 제1방향(y1)을 향하여 위에 위치한 컬러 필터층(160)과 제1유기광전변환부(130)는 컬러 필터 층(160) 상에 위치한 제 1하부전극(132), 제1 컬러선택 층(131), 제1상부전극(133), 제2유기광전변환부(130_b), 제2관통배선(140_b)를 포함한다. 도4를 참조하면, 도3에 도시된 단위 화소의 구성보다 제3유기광전변환부(130_c), 제3관통배선(140_c)를 더 포함한다. 제3 유기광전변환부(130_c)는 제2 유기광전변환부(130_c)의 제1방향(y1)을 향하여 위에 형성된 것으로, 제3 하부전극(138), 제3파장대역의 빛 성분에 대해 광전변환성질을 갖는 제3 컬러선택층(137), 제3 상부전극(139)을 포함할 수 있다. 제 2유기광전변환부(130_b)와 제3 유기광전변환부(130_c) 사이에는 절연층(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 제 3 유기광전변환부(130_c)의 상부에는 보호층(미도시)이 더 마련될 수 있다.
제3하부전극(138)은 투명 산화물 전극 물질 또는 금속박막으로 이루어질 수 있으며, 제 1하부전극(132)에 채용될 수 있는 전극 물질로 이루어질 수 있다. 제3 상부전극(139)은 투명 산화물 전극으로 제3 하부전극(138)보다 큰 일함수 또는 같은 일함수를 가질 수 있으며, 제1 상부전극(133)에 채용될 수 있는 전극 물질로 이루어질 수 있다.
제3컬러선택층(137)은 광전 효과를 이용하여 빛을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있으며, 유기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 제 3컬러선택층(137)은 예를 들어, 빛의 적색 성분에 대해 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 다만 이는 예시적인 것으로, 녹색 성분이나 청색 성분을 광전 변환하는 물질로 구성될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 제3관통배선(140_c)는 제3도선부(145) 및 제3 절연부(146)로 구성된다. 전술한대로 제1관통배선(140_a)의 제1도선부(141) 및 제1절연부(142)와 같은 구성을 가질 수 있다. 다만, 제 3관통배선(140_c)은 제1 유기광전변환부(130_a)와 제2유기광전변환부(130_b)를 관통할 수 있으므로, 제 3 관통배선(140_c)의 제3 절연부(146)는 제1 유기광전변환부(130_a)를 구성하는 물질과 제2유기광전변환부(130_b)를 구성하는 물질보다 굴절률이 낮은 물질로 형성할 수 있다. 이를 통해, 제3절연부(146)로 입사한 빛을 반사시킬 수 있다.
단위 화소(100)을 포함하는 이미지 센서의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다. 렌즈부(150)로 가시광선이 입사되면, 제3유기광전변환부(130_c), 제2 유기광전변환부(130_b) 및 제 1 유기광전변환부(130_a)에서 대응되는 빛 성분이 선택되어 전기 신호로 변환될 수 있다. 예를 들어, 제3 유기광전변환부(130_c)는 입사된 빛 중 녹색 성분의 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 또한, 제2유기광전변환부(130_b)는 입사된 빛 중 청색 성분을 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 또한, 제3유기광전변환부(130_c)는 입사된 빛 중 적색 성분을 흡수하여 전자와 정공을 생성할 수 있다. 제 1컬러선택층(131) , 제2컬러선택층(134), 제3컬러선택층(137) 의 전자 또는 정공이 제1 하부전극(132), 제2 하부전극(135), 제3하부전극(138)으로 이동하며, 각각 제1 관통배선(140_a) , 제2관통배선(140_b), 제3관통배선(140_c)을 통해 트랜지스터 층(120)의 화소 회로(Pixel Circuit)으로 전송될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따라, 반도체 층(110)은 포토다이오드 대신 트랜지스터 층(120)과 각 유기광전변환부(130)를 접속하기 위한 비아(via,미도시), 메탈 라인(미도시)을 포함할 수 있다. 비아와 메탈 라인 같은 구성 요소를 제외한 나머지 부분은 유전체 물질(dielectric material)일 수 있다. 반도체 층(110)은 유전체 층(dielectric layer)이라고도 불릴 수 있다.
도5 및 6은 본 발명의 일실시예에 따른 화소 회로(pixel circuit)의 구현예를 나타내는 도면이다.
도5 를 참조하면, 포토다이오드(PD)를 포함하는 반도체 층의 제1방향(y1)을 향하여 위에 유기광전변환부가 적층되어 있는바, 유기광전변환부와 반도체 층의 포토다이오드(PD)의 전기 신호를 수신받아 출력 신호를 발생하는 적어도 하나 이상의 화소 회로(pixel circuit)가 트랜지스터 층에 포함될 수 있다.
CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서의 픽셀 어레이가 포함하는 각각의 화소 회로(pixel circuit)는 포토다이오드가 변환한 전기적 신호를 증폭하는 구성요소를 구비할 수 있는데, 이러한 화소 회로를 APS(active pixel sensor)라고 한다. 예컨대, 단위 화소는 포토다이오드(PD), 전달 트랜지스터(TG), 리셋 트랜지스터(RS), 소스-팔로워 트랜지스터(SF) 및 선택 트랜지스터(SEL)를 구비할 수 있다. 포토다이오드(PD)는 역방향 바이어스상태에서 입력 빛의 세기에 따라서 광전류(photocurrent)가 선형적으로 증가하는 특징을 가지는 광 감지소자의 일종으로서, 포토다이오드(PD)가 빛에 노출되고 전기적으로 외부와 차단되는(floating) 경우 전자가 축적될 수 있다. 전자가 축적됨에 따라 포토다이오드(PD)의 캐쏘드(cathode) 전압이 감소할 수 있으며, 감소된 전압을 측정함으로써 포토다이오드(PD)가 흡수한 빛의 세기를 감지할 수 있다. 이와 같은 전자의 축적은 생성된 광전류에 의한 충전된 캐패시터의 방전과정으로도 설명될 수 있다.
전달 트랜지스터(TG)는 게이트 전압에 따라 포토다이오드(PD)를 플로팅 디퓨전(floating diffusion, FD)과 연결시키거나 차단시킬 수 있다. 포토다이오드(PD)가 빛에 응답하여 전자를 축적하는 동안 전달 트랜지스터의 게이트에는 전달 트랜지스터를 턴-오프(turn-off)시킬 수 있는 전압이 인가되어 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전을 전기적으로 차단시킬 수 있다. 포토다이오드(PD)가 빛의 흡수를 종료하면, 포토다이오드(PD)에 축적된 전자에 의한 전압변화를 출력하기 위하여 전달 트랜지스터는 턴-온(turn-on)될 수 있고, 이에 따라 포토다이오드(PD)의 캐쏘드에서 변화된 전압은 플로팅 디퓨전(FD)으로 전달될 수 있다.
플로팅 디퓨전(FD)에 포토다이오드(PD)의 전압이 전달되기 전에, 플로팅 디퓨전(FD)은 턴-온된 리셋 트랜지스터(RS)로 인해서 리셋될 수 있다. 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압은 소스-팔로워 트랜지스터(SF)를 거쳐 증폭되고, 선택 트랜지스터(SEL)가 턴-온되면 외부로 출력될 수 있다. 리드 회로는 외부로 출력된 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압에 대응되는 아날로그 전압을 수신될 수 있다.
플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압에 대한 출력이 완료되면, 리셋 트랜지스터(RS)는 턴-오프되고, 전달 트랜지스터(TG)가 턴-온되면서 포토다이오드(PD)가 축적한 전자에 따른 전압이 플로팅 디퓨전(FD)로 전달될 수 있다. 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압과 마찬가지로, 플로팅 디퓨전(FD)의 변화된 전압은 소스-팔로워 트랜지스터(SF) 및 선택 트랜지스터(SEL)을 거쳐서 외부로 출력(VOUT)될 수 있다. 출력된 플로팅 디퓨전(FD)의 전압 변화에 대응되는 아날로그 전압(VOUT)은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다.
리드 회로는 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압과 포토다이오드(PD)로 인한 전압을 수신하여 양 전압의 차이를 통해서 포토다이오드(PD)가 감지한 빛의 양을 계산할 수 있다. 이와 같은 동작을 CDS(correlated double sampling)이라고 하며, 상기에서 리셋 전압과 포토다이오드(PD)로 인한 전압을 수신하는 순서는 변경될 수 있다. 도 5에서 화소 회로는 NMOS 트랜지스터를 포함하는 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것으로서, 화소 회로는 PMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도6 을 참조하면, 도4의 화소 회로의 일실시예로서, 유기광전변환부(OPD)를 포함하는 화소 회로로서, 포토다이오드(PD)를 대체할 수 있는 유기광전변환부(OPD)는 특정 파장의 빛 성분을 전기적 신호로 변환할 수 있는 것으로서, 나머지의 동작은 전술하였던 포토다이오드(PD)가 포함된 화소 회로(pixel circuit)와 동일하여 이하 생략한다. 유기광전변환부(OPD)와 포토다이오드(PD)가 적층된 구조의 경우, 유기광전변환부(OPD)를 포함하는 화소 회로와 포토다이오드(PD)를 포함하는 화소 회로는 따로 설계되어 존재 할 수 있다. 다만, 적층된 구조가 아닌 경우는, 유기광전변환부(OPD)를 포함하는 화소 회로와 포토다이오드(PD)를 포함하는 화소 회로는 같이 설계되어 존재 할 수 있다. 또한, 유기광전변환부(OPD)를 포함하는 화소 회로는 도 6에 국한되지 않고, TG 소자 없이도 구성할 수 있다.
도7 은 본 발명의 일실시예에 따른, 제1단위화소(100_a)와 제2단위화소(100_b)의 배치를 나타낸 도면이다.
도7 에 도시된 바와 같이, 제1단위화소(100_a)는 제1유기광전변환부(130_a), 컬러 필터층(160), 반도체 층(110_a), 트랜지스터 층(120_a), 제1관통배선(140_a)을 포함한다. 제 2 단위화소(100_b)도 이와 유사하게 제2 유기광전변환부(130_b)와 컬러 필터층(165), 반도체 층(110_b), 트랜지스터 층(120_b), 제2관통배선(140_b)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따라, 제1관통배선(140_a)는 DTI로 형성될 수 있으며, 화소 분리막으로서 반도체 층(110_a, 110_b)에 수직으로 배치되어 인접 화소 사이에 경계를 형성할 수 있다. 반도체 층(110_a, 110_b)을 이루는 물질보다 굴절률이 작은 물질로 형성되어 있을 수 있다. 이에 따라, 제1 단위화소(100_a)에서 입사된 빛이 제1관통배선(140_a)으로 입사할 때, 입사각이 임계각보다 큰 경우에 전반사가 일어나 제2 단위화소(100_b)로 입사하지 못할 수 있다. 또한, 제 2단위화소(100_b)에서 입사된 빛이 제1 관통배선(140_a)으로 입사할 때, 입사각이 임계각보다 큰 경우에 전반사가 일어나 제 1단위화소(100_a)로 입사하지 못할 수 있다. 따라서, 광학적, 전기적 간섭(optical, electrical cross talk)를 억제할 수 있다. 본 발명의 일실시예로서, 더 많은 단위화소들의 어레이에 본 발명의 사상이 적용될 수 있을 것이다.
도8 은 본 발명의 일실시예에 따른, 네 개의 인접한 단위화소들을 위에서 본 평면도이다.
도8 에 도시된 바와 같이, 단위화소 네개(200, 210, 220, 230)가 픽셀 어레이에서 인접해있어며, 인접한 단위화소들 사이에는 DTI로 형성된 관통배선(211)이 수직으로 배치되어 있을 수 있다. 관통배선(211)은 전술하였던 관통배선(140)일 수 있으며, 화소분리막으로서의 역할을 할 수 있고, 광학적, 전기적 간섭(optical, electrical crosstalk)를 억제할 수 있다.
관통배선(211)을 확대하여 보면, 도시된 A, B, C의 구성을 가질 수 있다. 먼저 A 그림은 단위화소에 유기광전변환부가 하나만 적층되어 있는 경우, 특정 파장의 빛 성분을 전기적 신호로 변환하여 트랜지스터 층 내의 화소 회로(pixel circuit)로 보내기 위한 도선부(211_B) 하나가 형성될 수 있다. 도선부(211_B)는 전술한대로, 전도성을 확보하기 위한 재료들로 형성될 수 있으며, 관통배선(211)의 나머지 부분은 절연부(211_A)로서 전술한대로 유전체와 같은 재료, 반도체 층을 구성하는 물질보다 굴절율이 작은 물질로 형성될 수 있다.
B 그림은 A 그림과 달리, 유기광전변환부가 두 층으로 적층되어 있는 경우로서, 특정 파장의 빛 성분을 전기적 신호로 변환하여 트랜지스터 층 내의 화소 회로(pixel circuit)으로 보내기 위한 도선부(211_B, 211_C) 두개가 형성될 수 있다. 예를 들면, 두 층이 적층되어 있는 유기광전변환부가 녹색 및 청색 성분을 전기적 신호로 변환하여 트랜지스터 층 내의 화소 회로로 보내기 위해서는 각각의 도선부(211_B, 211_C)가 형성되어야 한다. 도선부(211_B, 211_C)는 전술한대로, 전도성을 확보하기 위한 재료들로 형성될 수 있으며, 관통배선(211)의 나머지 부분은 절연부(211_A)로서 전술한대로 유전체와 같은 재료, 반도체 층을 구성하는 물질보다 굴절율이 작은 물질로 형성될 수 있다.
C 그림은 B 그림과 달리, 유기광전변환부가 세 층으로 적층되어 있는 경우로서, 특정 파장의 빛 성분을 전기적 신호로 변환하여 트랜지스터 층 내의 화소 회로(pixel circuit)으로 보내기 위한 도선부(211_B, 211_C, 211_D) 세개가 형성될 수 있다. 예를 들면, 두 층이 적층되어 있는 유기광전변환부가 녹색 및 청색 성분을 전기적 신호로 변환하여 트랜지스터 층 내의 화소회로로 보내기 위해서는 각각의 도선부(211_B,211_C,211_D)가 형성되어야 한다. 도선부(211_B,211_C,211_D)는 전술한대로, 전도성을 확보하기 위한 재료들로 형성될 수 있으며, 관통배선(211)의 나머지 부분은 절연부(211_A)로서 전술한대로 유전체와 같은 재료, 반도체 층을 구성하는 물질보다 굴절율이 작은 물질로 형성될 수 있다. 다만, 도면의 A,B,C의 도선부(211_B, 211_C, 211_D)의 형태 및 크기는 여기에 국한되지 않는다. 더 나아가, 관통배선(211)은 도 8과 같은 형태로 국한되지 않으며, 인접 단위화소간 접하는 면을 모두 차지하여 연속적으로 구현될 수 있으며, 인접 단위화소간 접하는 면 중 일부분에만 단속적으로 관통배선(211)을 구현할 수 있다. 예를 들면, 도선부(211_B, 211_C, 211_D)의 주변에 해당되는 일부분에만 절연부(211_A)를 형성하여, 관통배선(211)을 구현할 수 있을 것이다.
도9a 및 9b는 는 본 발명의 일실시예에 따른 포토다이오드(PD) 반도체 층의 제1방향(y1)을 향하여 유기광전변환부의 적층의 효과를 나타내는 도면이다.
도9a 의 그림A를 참조하면, 컬러 필터층(2010)은 베이어(Bayer) 패턴으로 구성된 복수개의 컬러 필터층들(R.적색/G.녹색/B.청색)을 포함할 수 있다. 베이어 패턴은 50% 녹색, 25% 적색, 25%청색으로 구성된 패턴으로서, 그림A와 같이 사각형을 이루는 인접한 4개의 컬러 필터들은 2개의 녹색 컬러 필터층(G), 1개의 적색 컬러 필터층(R) 및 1개의 청색 컬러 필터층(B)을 포함할 수 있다. 이렇게 컬러 필터층(2010)을 통과한 빛은 각 컬러 필터 층에서 통과하는 빛 성분, 예를 들면 적색 컬러 필터층(R)은 적색 성분만이 통과할 수 있어, 컬러 필터층(2010)의 아래에 적층된 반도체 층(미도시)의 포토다이오드(PD)에는 빛의 한가지 성분만 입사하게 된다. 각 단위 화소는 빛의 한가지 성분만을 감지할 수 있어, 소프트웨어적으로 각 단위화소마다 주변 단위화소의 색상값을 보간(interpolation)하여 이미지를 구성하게 된다.
그림 B를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라 빛의 녹색 성분을 전기 신호로 변환하는 유기광전변환부(2020)이 적색 및 청색 컬러 필터 층(2030)의 제1방향(y1)을 향하여 위에 적층될 수 있다. 빛(10)은 유기광전변환층(2020)을 통과하여 녹색 성분은 전기신호로 변환되고, 나머지 빛 성분은 그대로 적색 및 청색 컬러 필터층(2030)을 통과하게 되어, 적색 및 청색은 포토다이오드(PD)에 의하여 전기 신호로 바뀌게 될 수 있다.
이와 같은 적층 구조를 가지게되어 그림A와 같이 컬러 필터층(2010)을 평면으로 배치시키게 되는 경우보다 차지하는 면적을 줄일 수 있게 된다. 결국, 단위화소의 크기를 줄일 수 있고, 주변 단위화소의 색상값을 보간하는 정도를 낮춰 더욱 선명한 이미지를 얻을 수 있게 된다. 따라서 동일한 단위 화소 크기와 동일한 개수의 단위 화소에서 베이어 방식 대비 이미지 센서의 해상도를 향상시키는 것이 가능하다.
더 나아가, 도4와 같이 적색, 녹색, 청색을 전기 신호로 변환할 수 있는 유기광전변환부를 모두 단위 화소에 적층하므로써, 하나의 단위화소에 적색, 녹색, 청색 모두를 나타낼 수 있게 할 수 있다.
다만, 이것은 본 발명의 일실시예로서, 여기에 국한될 것이 아니라 적층 방식 다양할 수 있고, 유기광전변환부가 전기 신호로 변환하는 빛 성분은 구성에 따라 달라질 수 있을 것이며, 이에 따른 컬러 필터 층의 구성도 달라질 수 있다.
도9b의 제1픽셀어레이(2000_a)를 보면 전술한 베이어 패턴으로 구성되어 한 화소에서 빛의 한 성분만을 전기적 신호로 변환하고 색을 출력할 수 있다. 반면에, 제2픽셀어레이(2000_b)를 보면 유기광전변환부를 적층하는 구성을 취하므로써, 한 화소에 빛의 두개 이상의 성분을 전기적 신호로 변환하고 색을 출력할 수 있게 된다.
도10 은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도 이다.
도10 에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(2100)는 화소 어레이(2110), 컨트롤러(2130), 로우 드라이버(2120) 및 픽셀 신호 처리부(2140)를 포함할 수 있다. 화소 어레이(2110)는 이상에서 설명된 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 단위 화소를 포함할 수 있다. 단위 화소는 유기광전변환부 및 반도체 층내의 포토다이오드를 포함할 수 있으며, 더 나아가 유기광전변환부만으로 적층된 단위화소일 수 있다. 이 것을 통하여 이미지를 출력하기 위한 단위 화소의 크기를 작게 할 수 있으며, 더욱 선명한 이미지를 출력할 수 있게 된다.
또한, 단위화소는 유기광전변환부와 트랜지스터 층의 화소 회로를 전기적으로 연결하며, 반도체 층을 관통하는 관통배선부를 더 포함할 수 있게된다. 이에 따라, 관통배선부를 DTI 공정으로 형성하므로써, 인접한 단위화소간 화소분리막 역할을 통하여 광학적, 전기적 간섭을 억제할 수 있고, 단위 화소의 크기를 작게할 수 있다.
화소 어레이(2110)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 화소들을 포함할 수 있고, 각 단위 화소는 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 광 감지 소자는 빛을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 수직 신호 라인을 통해서 픽셀 신호 처리부(2140)로 제공될 수 있다. 화소 어레이(2110) 가 포함하는 단위 화소들은 로우(row) 단위로 한번에 하나씩 출력 전압을 제공할 수 있고, 이에 따라 화소 어레이(2110)의 하나의 로우에 속하는 단위 화소들은 로우 드라이버(2120)가 출력하는 선택 신호에 의해 동시에 활성화될 수 있다. 선택된 로우에 속하는 단위 화소는 흡수한 빛에 따른 출력 전압을 대응하는 컬럼의 출력 라인에 제공할 수 있다.
컨트롤러(2130)는 화소 어레이(2110)가 빛을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 화소 어레이(2110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(2120)를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(2130)는 화소 어레이(2110)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 픽셀 신호 처리부(2140)를 제어할 수 있다.
픽셀 신호 처리부(2140)는 상관 이중 샘플러(CDS)(2142), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(2144) 및 버퍼(2146)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 화소 어레이(2110)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(2142)는 램프 신호 생성기(2148)가 생성한 램프 신호를 입력받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(2144)는 상관 이중 샘플러(2142)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(2146)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고,래치된 신호는 순차적으로 이미지 센서(2100)의 외부로 출력되어 이미지 프로세서(미도시)로 전달될 수 있다.
도11 은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다. 시스템(2200)은 이미지 데이터를 필요로 하는 컴퓨팅 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 차량 네비게이션, 비디오 폰, 경비 시스템 또는 움직임 검출 시스템 중 어느 하나 일 수 있다.
도11 에 도시된 바와 같이, 시스템(2200)은 중앙처리장치(또는 프로세서)(2210), 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)을 포함할 수 있다. 중앙처리장치(2210)는 버스(2260)를 통해서 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)과 통신할 수 있다. 이미지 센서(2240)는 독립된 반도체 칩으로 구현될 수도 있고, 중앙처리장치(2210)와 결합하여 하나의 반도체 칩으로 구현될 수도 있다. 도 11에 도시된 시스템에 포함된 이미지 센서(2230)는 본 발명의 예시적 실시예들에 따라 이상에서 설명된 단위 화소를 포함할 수 있다. 단위 화소는 유기광전변환부 및 반도체 층내의 포토다이오드를 포함할 수 있으며, 더 나아가 유기광전변환부만으로 적층된 단위화소일 수 있다. 이 것을 통하여 이미지를 출력하기 위한 단위 화소의 크기를 작게 할 수 있으며, 더욱 선명한 이미지를 출력할 수 있게 된다.
또한, 단위화소는 유기광전변환부와 트랜지스터 층의 화소 회로를 전기적으로 연결하며, 반도체 층을 관통하는 관통배선부를 더 포함할 수 있게 된다. 이에 따라, 관통배선부를 DTI 공정으로 형성하는 경우, 인접한 단위화소간 화소분리막 역할을 통하여 광학적, 전기적 간섭을 억제할 수 있고, 단위 화소의 크기를 작게할 수 있다.
도12 는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
도12 를 참조하면, 상기 전자시스템(3000)은 mipi 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다. 상기 전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010), 이미지 센서(3040) 및 디스플레이(3050)를 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 CSI 호스트(3012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(3040)의 CSI 장치(3041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(3012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(3041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다.
어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 DSI 호스트(3011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface; DSI)를 통하여 디스플레이(3050)의 DSI 장치(3051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(3011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(3051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.
전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010)와 통신할 수 있는 RF 칩(3060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(3000)의 PHY(3013)와 RF 칩(3060)의 PHY(3061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
전자 시스템(3000)은 GPS(3020), 스토리지(3070), 마이크(3080), DRAM(3085) 및 스피커(3090)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전자 시스템(3000)은 Wimax(3030), WLAN(3100) 및 UWB(3110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
Claims (10)
- 단위 화소를 다수 포함하는 이미지 센서에 있어서,
상기 단위 화소는,
제1 면 및 상기 제1 면과 제1 방향으로 대향하는 제2 면을 포함하는 반도체 층;
상기 반도체 층의 제2 면의 제1 방향으로 형성되고 제1 파장대역의 빛을 전기적 신호로 변환하는 제1 유기광전변환부;
상기 반도체 층의 제1 면의 제2 방향으로 위치하고, 화소 회로를 포함하는 기판;
상기 반도체 층을 관통하고, 상기 제1 유기광전변환부와 화소 회로를 전기적으로 연결하는 제1 관통배선;
상기 제1 방향으로 상기 제1 유기광전변환부 상에 형성되고, 제2 파장대역의 빛을 전기적 신호로 변환하는 제2 유기광전변환부; 및
상기 반도체 층을 관통하고, 상기 제2 유기광전변환부와 상기 화소 회로를 전기적으로 연결하는 제2 관통배선을 포함하며,
상기 제2 관통배선은,
상기 제1 유기광전변환부를 구성하는 물질보다 굴절률이 더 낮은 물질로 형성되고, 인접 단위 화소와 접하는 외부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제2 파장대역의 빛을 통과시키는 컬러 필터층을 더 포함하고,
상기 반도체 층의 제1 면에 접하여 상기 반도체 층 내에 형성되고, 상기 컬러 필터를 통과한 빛의 세기에 따라 전하를 축적하는 광 감지 소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 유기광전변환부는, 상기 반도체 층의 제2 면의 상기 제1 방향으로 위에 형성되고, 제1 하부전극, 상기 제1 파장대역의 빛에 대해 광전 변환 성질을 갖는 제1 컬러선택층 및 제1 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제3항에 있어서,
상기 제2 유기광전변환부는, 상기 제1 유기광전변환부 위에 형성되고, 제2 하부전극, 제2 파장대역의 빛에 대해 광전변환성질을 갖는 제2 컬러선택층 및 제2 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 관통배선 또는 상기 제2 관통배선은,
상기 단위 화소의 외부로부터 빛 또는 전하의유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 관통배선 또는 상기 제2 관통배선은,
깊은 트렌치 분리 방법으로 상기 반도체 층의 제 1면 또는 제2면으로부터 형성한 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 제6항에 있어서,
상기 제1 관통배선의 외부 또는 상기 제2 관통배선의 외부는,
상기 반도체 층과 접하고, 유전체(dielectric material)로 구성된 박막을 포함하고,
상기 제1 관통배선의 외부 또는 상기 제2 관통배선의 외부는,
상기 제1 유기광전변환부 및 상기 제2 유기광전변환부로부터 전기 신호를 전송하는 도전 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서. - 복수의 단위 화소들을 포함하고, 입사광을 변환하여 전기 신호를 발생하는 픽셀 어레이; 및
상기 출력된 전기 신호를 수신받아 이미지 데이터를 발생하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 복수의 단위 화소들 각각은,
제1면 및 상기 제1면과 제1방향으로 대향하는 제 2면을 포함하는 반도체 층;
상기 반도체 층의 제2면의 제1방향으로 형성되고 제1파장대역의 빛을 전기적 신호로 변환하는 유기광전변환부;
상기 반도체 층의 제 1 면의 제2방향으로 위치하고, 화소 회로를 포함하는 기판; 및
상기 반도체 층을 관통하고, 상기 유기광전변환부와 화소 회로를 전기적으로 연결하는 관통배선을 포함하고,
상기 관통 배선은,
상기 반도체 층을 구성하는 물질보다 굴절율이 더 낮은 유전체(dielectric material)로 인접 단위 화소와 접하도록 형성된 외부(outer portion); 및
상기 유기광전변환부로부터 상기 전기적 신호를 전송하는 도전 물질로 형성된 내부(inner portion)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 처리 장치. - 제8항에 있어서,
상기 관통배선은,
깊은 트렌치 분리 방법으로 상기 반도체 층의 제1 면 또는 제2 면으로부터 형성한 것을 특징으로 하는 이미지 처리 장치. - 제8항에 있어서,
상기 복수의 단위 화소들 각각은,
적어도 2 이상의 파장대역의 빛을 센싱할 수 있는 것을 특징으로 하는 이미지 처리 장치.
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| JP6780421B2 (ja) * | 2016-03-01 | 2020-11-04 | ソニー株式会社 | 撮像素子、積層型撮像素子及び固体撮像装置、並びに、固体撮像装置の駆動方法 |
| US9781362B1 (en) * | 2016-03-22 | 2017-10-03 | Omnivision Technologies, Inc. | Flare-reducing imaging system and associated image sensor |
| US12009379B2 (en) * | 2017-05-01 | 2024-06-11 | Visera Technologies Company Limited | Image sensor |
| KR102412617B1 (ko) | 2017-05-10 | 2022-06-23 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 |
| KR102427639B1 (ko) | 2017-11-13 | 2022-08-01 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센싱 소자 |
| JP7250427B2 (ja) * | 2018-02-09 | 2023-04-03 | キヤノン株式会社 | 光電変換装置、撮像システム、および移動体 |
| CN108831900A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-11-16 | 德淮半导体有限公司 | 图像传感器及其制造方法以及成像装置 |
| KR102551483B1 (ko) * | 2018-08-14 | 2023-07-04 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서 및 그 제조 방법 |
| FR3098991B1 (fr) | 2019-07-19 | 2023-08-25 | Isorg | Pixel de capteur d’images |
| US20230326942A1 (en) * | 2022-04-08 | 2023-10-12 | Visera Technologies Company Limited | Image sensor |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008258474A (ja) * | 2007-04-06 | 2008-10-23 | Sony Corp | 固体撮像装置および撮像装置 |
| JP2011029337A (ja) * | 2009-07-23 | 2011-02-10 | Sony Corp | 固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器 |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9710843D0 (en) | 1997-05-28 | 1997-07-23 | Secr Defence | A thermal detector array |
| JP2001284631A (ja) | 2000-03-30 | 2001-10-12 | Toshiba Corp | 光検出器及び光検出システム |
| US7429529B2 (en) | 2005-08-05 | 2008-09-30 | Farnworth Warren M | Methods of forming through-wafer interconnects and structures resulting therefrom |
| US7517798B2 (en) | 2005-09-01 | 2009-04-14 | Micron Technology, Inc. | Methods for forming through-wafer interconnects and structures resulting therefrom |
| CN103839955B (zh) | 2007-04-18 | 2016-05-25 | 因维萨热技术公司 | 用于光电装置的材料、系统和方法 |
| US7623365B2 (en) | 2007-08-29 | 2009-11-24 | Micron Technology, Inc. | Memory device interface methods, apparatus, and systems |
| US8063465B2 (en) | 2008-02-08 | 2011-11-22 | Omnivision Technologies, Inc. | Backside illuminated imaging sensor with vertical pixel sensor |
| JP2010010478A (ja) | 2008-06-27 | 2010-01-14 | Fujifilm Corp | 光電変換装置、光電変換装置の製造方法及び撮像装置 |
| KR20110003169A (ko) * | 2009-07-03 | 2011-01-11 | 삼성전자주식회사 | 컬러유닛 및 이를 포함한 촬상소자 |
| KR101688379B1 (ko) * | 2010-07-12 | 2016-12-22 | 삼성전자주식회사 | 발광 디바이스 및 그 제조방법 |
| US8901586B2 (en) * | 2010-07-12 | 2014-12-02 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Light emitting device and method of manufacturing the same |
| JP2012023207A (ja) | 2010-07-14 | 2012-02-02 | Toshiba Corp | 裏面照射型固体撮像装置 |
| US8314498B2 (en) | 2010-09-10 | 2012-11-20 | Aptina Imaging Corporation | Isolated bond pad with conductive via interconnect |
| US8603917B2 (en) | 2010-10-28 | 2013-12-10 | Agency For Science, Technology And Research | Method of processing a wafer |
| KR20120103912A (ko) * | 2011-03-11 | 2012-09-20 | 삼성전자주식회사 | 유기 광전 변환부를 채용한 이미지 센서 |
| US8338294B2 (en) | 2011-03-31 | 2012-12-25 | Soitec | Methods of forming bonded semiconductor structures including two or more processed semiconductor structures carried by a common substrate, and semiconductor structures formed by such methods |
| KR20130011419A (ko) | 2011-07-21 | 2013-01-30 | 삼성전자주식회사 | 후면 조명 구조의 이미지 센서의 제조 방법 |
| JP5794068B2 (ja) | 2011-09-16 | 2015-10-14 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子および製造方法、並びに電子機器 |
| US20130075607A1 (en) | 2011-09-22 | 2013-03-28 | Manoj Bikumandla | Image sensors having stacked photodetector arrays |
| KR20130083543A (ko) | 2012-01-13 | 2013-07-23 | 주식회사 지멤스 | 배면광 이미지 소자 및 이를 포함하는 센서 모듈 |
-
2014
- 2014-02-04 KR KR1020140012677A patent/KR102197069B1/ko active IP Right Grant
-
2015
- 2015-01-14 US US14/596,464 patent/US9385166B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008258474A (ja) * | 2007-04-06 | 2008-10-23 | Sony Corp | 固体撮像装置および撮像装置 |
| JP2011029337A (ja) * | 2009-07-23 | 2011-02-10 | Sony Corp | 固体撮像装置とその製造方法、及び電子機器 |
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| US9385166B2 (en) | 2016-07-05 |
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