KR102338189B1 - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
가시광선 전영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자, 청색 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자, 적색 파장 영역의 광을 감지하는 제3 광 감지 소자, 그리고 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 제4 광 감지 소자를 포함하고, 상기 제1 광 감지 소자, 상기 제2 광 감지 소자, 상기 제3 광 감지 소자 및 상기 제4 광 감지 소자 중 적어도 하나는 서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 유기 흡광 물질을 포함하는 광 활성층을 포함하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치에 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 소형화 및 높은 해상도가 요구되고 있으며, 이에 따라 화소 크기를 줄이는 것이 필요하다. 그러나 화소 크기가 작아지면서 흡수 면적이 줄어들기 때문에 감도 저하가 발생할 수 있다.
일 구현예는 소형화에 적합하고 높은 해상도를 가지면서도 감도 저하를 줄일 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자, 청색 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자, 적색 파장 영역의 광을 감지하는 제3 광 감지 소자, 그리고 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 제4 광 감지 소자를 포함하고, 상기 제1 광 감지 소자, 상기 제2 광 감지 소자, 상기 제3 광 감지 소자 및 상기 제4 광 감지 소자 중 적어도 하나는 서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 유기 흡광 물질을 포함하는 광 활성층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 제1 내지 제4 광 감지 소자는 수평 또는 수직하게 인접 배열되어 하나의 군을 이룰 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수하는 제1 유기 흡광 물질을 포함하는 제1 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제1 유기 흡광 물질은은 p형 반도체 물질 및 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고, 상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질 중 적어도 하나는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 제2 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 흡광 물질을 포함하는 제2 광 활성층을 포함할 수 있고, 상기 제3 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 광 활성층을 포함할 수 있고, 상기 제4 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제4 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제2 광 감지 소자, 상기 제3 광 감지 소자 및 상기 제4 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 필터, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 필터 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 필터를 포함하는 색 필터 층을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자의 상부에 위치하는 색 필터 층을 포함할 수 있고, 상기 색 필터 층은 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 필터, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 필터 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 필터를 포함할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자는 반도체 기판에 집적되어 있을 수 있고, 상기 제2 내지 제4 광 감지 소자 중 적어도 하나는 서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 유기 흡광 물질을 포함하는 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 필터와 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 필터를 포함하는 색 필터 층, 그리고 상기 색 필터 층의 상부에 위치하는 제4 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 상기 제4 광 감지 소자는 서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들과 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제4 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제4 광 활성층은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수하는 제1 광 활성층을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자는 상기 반도체 기판에 집적되어 있을 수 있다.
상기 청색 파장 영역은 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있고, 상기 적색 파장 영역은 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있다.
상기 유기 흡광 물질은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
소형화를 구현하고 높은 해상도를 가지면서도 감도 저하를 줄일 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 복수의 화소의 배치를 도시한 개략도이고,
도 2는 도 1의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 3은 도 1의 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 4는 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 5는 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 6은 다른 구현예에 따른 이미지 센서에서 화소의 배치를 도시한 개략도이고,
도 7은 도 6의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 8은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서에서 화소의 배치를 도시한 개략도이고,
도 9는 도 8의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 10은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 포함하는 디지털 카메라의 블록 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 3은 도 1의 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 4는 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 5는 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 6은 다른 구현예에 따른 이미지 센서에서 화소의 배치를 도시한 개략도이고,
도 7은 도 6의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 8은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서에서 화소의 배치를 도시한 개략도이고,
도 9는 도 8의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 10은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 포함하는 디지털 카메라의 블록 다이어그램이다.
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.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "백색광"은 가시광 전역의 광과 근적외선(near infraRed, NIR) 전역의 광을 의미하며, 약 380 nm 내지 약 1300 nm, 구체적으로는 약 400 nm 내지 1200 nm의 파장영역을 가지는 광을 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "치환된"이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자(F, Br, Cl 또는 I), 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C1 내지 C20 알콕시기, 예를 들어 C1 내지 C4 알콕시기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "헤테로"란, N, O, S 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1 내지 3개 함유한 것을 의미한다.
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.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 복수의 화소의 배치를 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서는 청색 화소(B), 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 백색 화소(W)를 포함하고, 청색 화소(B), 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 백색 화소(W)는 서로 인접하게 배열되어 있고 하나의 군을 이루어 반복하여 배치되어 있다. 또한 시안 화소, 마젠타 화소 및 황색 화소도 필요에 따라 배치될 수 있다.
청색 화소(B), 적색 화소(R) 및 녹색 화소(G)는 각각 가시광선 내지 근적외선 영역 중 청색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 감지하는 화소일 수 있으며, 백색 화소(W)는 약 380 nm 내지 약 1300 nm, 예를 들어 400nm 내지 1200nm의 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수하는 화소일 수 있다.
여기서, 상기 청색 파장 영역은 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내고, 상기 적색 파장 영역은 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내고, 상기 녹색 파장 영역은 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타낼 수 있다.
청색 화소(B), 적색 화소(R) 및 녹색 화소(G)는 풀 컬러(full color)를 감지하기 위한 기본 화소이며, 백색 화소(W)가 더 포함됨으로써 입사광의 광 흡수도를 높여 광 손실을 줄일 수 있는 동시에 가시광선 내지 근적외선 전영역의 분광 감도(spectral sensitivity)를 높여 이미지 센서의 전체적인 감도를 개선시킬 수 있다.
청색 화소(B), 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 백색 화소(W)를 포함한 네 개의 화소는 하나의 군을 이루어 행 및/또는 열을 따라 반복될 수 있다. 그러나 화소의 배치는 다양하게 변형될 수 있다.
청색 화소(B), 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 백색 화소(W)는 각각 광 감지 소자를 포함한다. 즉 청색 화소(B)는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자를 포함할 수 있고 적색 화소(R)는 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자를 포함할 수 있고 녹색 화소(G)는 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 녹색 광 감지 소자를 포함할 수 있고 백색 화소(W)는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 감지하는 백색 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 상기 광 감지 소자는 예컨대 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
상기 청색 광 감지 소자, 상기 녹색 광 감지 소자, 상기 적색 광 감지 소자 및 상기 백색 광 감지 소자는 수평 또는 수직하게 인접 배열되어 하나의 군을 이룰 수 있다.
상기 청색 광 감지 소자, 상기 녹색 광 감지 소자, 상기 적색 광 감지 소자 및 상기 백색 광 감지 소자는 무기 광 다이오드 또는 유기 광 다이오드일 수 있으며, 상기 청색 광 감지 소자, 상기 녹색 광 감지 소자, 상기 적색 광 감지 소자 및 상기 백색 광 감지 소자 중 적어도 하나는 유기 광 다이오드일 수 있다.
상기 무기 광 다이오드는 예컨대 실리콘 광 다이오드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 광 다이오드는 서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들과 이들 사이에 위치하고 유기 흡광 물질을 포함하는 광 활성층을 포함하는 유기 광전 소자일 수 있다.
상기 한 쌍의 투광 전극들 중 하나는 애노드(anode)일 수 있고 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다. 상기 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)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.
상기 광 활성층은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질이 포함되어 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다.
상기 광 활성층은 p형 반도체 및 n형 반도체를 모두 포함하는 진성층(intrinsic layer)을 포함할 수 있으며, 예컨대 공증착 등의 방법으로 형성될 수 있다. 또는 상기 광 활성층은 진성층 외에 p형 층 및 n형 층에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 여기서 p형 층은 p형 반도체 물질을 포함하고 n형 층은 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다. p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질의 종류는 흡수 파장에 따라 결정될 수 있다.
상기 투광 전극과 상기 광 활성층 사이에는 하나 이상의 전하 보조층을 더 포함할 수 있다. 상기 전하 보조층은 광 활성층에서 분리된 정공과 전자의 이동을 더욱 용이하게 하여 효율을 높일 수 있으며, 예컨대 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자의 이동을 저지하는 전자 차단층(electron blocking layer, EBL), 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(electron injecting layer, EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL), 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layer, HBL)에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 정공 수송층(HTL)은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA), 텅스텐 산화물(WOx, 0<x≤3), 몰리브덴 산화물(MOx, 1<x≤3), 바나듐 산화물(V2O5), 레늄 산화물, 니켈 산화물(NiOx, 1<x≤4), 구리 산화물, 티타늄 산화물, 황화몰리브덴 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 차단층(EBL)은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 수송층(ETL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물, 몰리브덴 산화물 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 차단층(HBL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 디시아노비닐터티오펜(dicyanovinyl terthiophene, DCV3T), 바소쿠프로인(BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 광전 소자는 하나의 투광 전극 측으로부터 빛이 입사되어 광 활성층에서 소정 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 상기 엑시톤은 광 활성층에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 캐소드 측으로 이동하여 유기 광전 소자에 전류가 흐를 수 있게 된다.
상기 유기 광전 소자는 다영한 분야에 적용될 수 있으며, 예를 들어, 이미지 센서, 태양 전지, 광검출기, 광 센서 및 유기 발광 다이오드에 적용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 도 1의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 2는 인접한 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R) 및 백색 화소(W)를 예시적으로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서 도면부호에 'B'가 포함되어 있는 구성요소는 청색 화소에 포함되어 있는 구성 요소이고 도면부호에 'G'가 포함되어 있는 구성요소는 녹색 화소에 포함되어 있는 구성 요소이며 도면부호에 'R'이 포함되어 있는 구성요소는 적색 화소에 포함되어 있는 구성 요소이며 도면부호에 'W'가 포함되어 있는 구성요소는 백색 화소에 포함되어 있는 구성 요소를 가리킨다.
도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서는 청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G), 적색 광 감지 소자(100R) 및 백색 광 감지 소자(100W)를 포함하고, 청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G), 적색 광 감지 소자(100R) 및 백색 광 감지 소자(100W)는 각각 유기 광 다이오드이다.
구체적으로, 청색 광 감지 소자(100B)는 하부 전극(10B), 상부 전극(20B) 및 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30B)을 포함하고, 녹색 광 감지 소자(100G)는 하부 전극(10G), 상부 전극(20G) 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30G)을 포함하고, 적색 광 감지 소자(100R)는 하부 전극(10R), 상부 전극(20R) 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30R)을 포함하고, 백색 광 감지 소자(100W)는 하부 전극(10W), 상부 전극(20W) 및 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수하는 광 활성층(30W)을 포함한다.
하부 전극(10B, 10G, 10R, 10W) 및 상부 전극(20B, 20G, 20R, 20W)은 투광 전극일 수 있고, 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 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 활성층(30B, 30G, 30R, 30W)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 청색 광 감지 소자(100B)의 광 활성층(30B)은 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고, 녹색 광 감지 소자(100G)의 광 활성층(30G)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고, 적색 광 감지 소자(100R)의 광 활성층(30R)은 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G), 적색 광 감지 소자(100R) 및 백색 광 감지 소자(100W) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 1의 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 예에서, 백색 광 감지 소자는 유기 광 다이오드이고 청색 광 감지 소자, 녹색 광 감지 소자 및 적색 광 감지 소자는 각각 무기 광 다이오드일 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 예에 따른 이미지 센서는 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R), 백색 전하 저장소(55W) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 백색 광 감지 소자(100W)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R)는 각 청색 화소, 녹색 화소 및 적색 화소마다 집적되어 있을 수 있다. 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 상기 전송 트랜지스터는 광 다이오드에 의해 생성된 광전하를 구동 트랜지스터(도시하지 않음)에 전달할 수 있다.
백색 전하 저장소(55W)는 백색 광 감지 소자(100W)에서 발생한 전하들이 이동하여 모아질 수 있는 부분으로, 백색 광 감지 소자(100W)와 전기적으로 연결되어 있다.
반도체 기판(110) 위에는 또한 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.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터층(70)이 형성되어 있다. 색 필터층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70B), 녹색 화소에 형성되어 있는 녹색 필터(70G) 및 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70R)를 포함한다.
색 필터층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터층(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상기 상부 절연층(80)과 하부 절연층(60)은 패드를 노출시키는 컨택 홀(도시하지 않음)과 상기 백색 전하 저장소(W)를 노출시키는 관통홀을 포함할 수 있다.
상부 절연층(80) 위에는 백색 광 감지 소자(100W)가 형성되어 있다. 백색 광 감지 소자(100W)는 백색 화소(W)에 위치하며, 전술한 바와 같이 투광 전극(10W, 20W) 및 광 활성층(30W)을 포함한다.
투광 전극(10W, 20W) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 투광 전극(10W, 20W)은 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)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 활성층(30W)은 투광 전극(10W, 20W) 사이에 위치하고 약 380nm 내지 1300nm의 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다. 광 활성층(30W)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질 중 적어도 하나는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
광 활성층(30W)은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); Alq3; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체 및 이들의 공중합체에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
백색 광 감지 소자(100W)는 반도체 기판(110)에 집적되어 있는 백색 전하 저장소(55W)와 전기적으로 연결되어 있으며, 백색 광 감지 소자(100W)에서 생성된 전하들이 백색 전하 저장소(55W)에 모아질 수 있다.
상부 절연층(80) 및 백색 광 감지 소자(100W) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 예에서, 백색 광 감지 소자는 무기 광 다이오드이고 청색 광 감지 소자, 녹색 광 감지 소자 및 적색 광 감지 소자는 각각 유기 광 다이오드일 수 있다.
도 4를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 백색 광 다이오드(50W), 청색 전하 저장소(55B), 녹색 전하 저장소(55G), 적색 전하 저장소(55R) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 상부 절연층(80), 청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 적색 광 감지 소자(100R)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 백색 광 다이오드(50W), 청색 전하 저장소(55B), 녹색 전하 저장소(55G), 적색 전하 저장소(55R) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 백색 광 다이오드(50W)는 백색 화소마다 집적되어 있을 수 있으며 청색 전하 저장소(55B), 녹색 전하 저장소(55G) 및 적색 전하 저장소(55R)는 각 청색 화소, 녹색 화소 및 적색 화소마다 집적되어 있을 수 있다. 백색 광 다이오드(50W)는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 청색 전하 저장소(55B), 녹색 전하 저장소(55G) 및 적색 전하 저장소(55R)는 청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 적색 광 감지 소자(100R)에서 흡수된 전하들이 이동하여 모아질 수 있는 부분으로, 각각 청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 적색 광 감지 소자(100R)와 전기적으로 연결되어 있다.
반도체 기판(110) 위에는 또한 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.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 적색 광 감지 소자(100R)가 형성되어 있다. 청색 광 감지 소자(100B)는 하부 전극(10B), 상부 전극(20B) 및 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30B)을 포함하고, 녹색 광 감지 소자(100G)는 하부 전극(10G), 상부 전극(20G) 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30G)을 포함하고, 적색 광 감지 소자(100R)는 하부 전극(10R), 상부 전극(20R) 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30R)을 포함한다.
하부 전극(10B, 10G, 10R) 및 상부 전극(20B, 20G, 20R)은 투광 전극일 수 있고, 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)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 활성층(30B, 30G, 30R)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 청색 광 감지 소자(100B)의 광 활성층(30B)은 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고, 녹색 광 감지 소자(100G)의 광 활성층(30G)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고, 적색 광 감지 소자(100R)의 광 활성층(30R)은 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 백색 화소에 위치할 수 있으며, 청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 적색 광 감지 소자(100R)와의 단차를 줄일 수 있다.
청색 광 감지 소자(100B), 녹색 광 감지 소자(100G), 적색 광 감지 소자(100R) 및 상부 절연층(80) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 예에서, 백색 광 감지 소자는 유기 광 다이오드이고 청색 광 감지 소자, 녹색 광 감지 소자 및 적색 광 감지 소자는 각각 무기 광 다이오드일 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 예에 따른 이미지 센서는 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R), 백색 전하 저장소(55W) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 백색 광 감지 소자(100W), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70) 및 상부 절연층(80)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R)는 각 청색 화소, 녹색 화소 및 적색 화소마다 집적되어 있을 수 있다. 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R)는 빛을 센싱하고 청색 광 다이오드(50B), 녹색 광 다이오드(50G), 적색 광 다이오드(50R)에 의해 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
백색 전하 저장소(55W)는 백색 광 감지 소자(100W)에서 생성된 전하들이 이동하여 모아질 수 있는 부분으로, 백색 광 감지 소자(100W)와 전기적으로 연결되어 있다.
반도체 기판(110) 위에는 또한 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.
금속 배선 및 패드 위에는 백색 광 감지 소자(100W)가 형성되어 있다. 백색 광 감지 소자(100W)는 반도체 기판(110)의 전면에 형성되어 있다. 백색 광 감지 소자(100W)는 투광 전극(10W, 20W) 및 광 활성층(30W)을 포함한다.
투광 전극(10W, 20W) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 투광 전극(10W, 20W)은 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)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 활성층(30W)은 투광 전극(10W, 20W) 사이에 위치하고 약 380nm 내지 1300nm의 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다. 광 활성층(30W)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질 중 적어도 하나는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
광 활성층(30W)은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); Alq3; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체 및 이들의 공중합체에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
백색 광 감지 소자(100W)는 반도체 기판(110)에 집적되어 있는 백색 전하 저장소(55W)와 전기적으로 연결되어 있으며 백색 광 감지 소자(100W)에서 생성된 전하들이 백색 전하 저장소(55W)에 모아질 수 있다.
백색 광 감지 소자(100W) 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터층(70)이 형성되어 있다. 색 필터층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70B), 녹색 화소에 형성되어 있는 녹색 필터(70G) 및 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70R)를 포함한다.
색 필터층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터(50)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다.
상부 절연층(80) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 도 6 및 도 7을 참고하여 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 6은 다른 구현예에 따른 이미지 센서에서 화소의 배치를 도시한 개략도이고, 도 7은 도 6의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 6을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 청색 화소(B) 및 적색 화소(R)가 서로 인접하게 배열되어 있고, 녹색 화소(G)는 청색 화소(B) 및 적색 화소(R)와 수직으로 적층되어 있고, 백색 화소(W)는 청색 화소(B), 적색 화소(R) 및 녹색 화소(G)와 수평하게 인접 배열되어 있다.
본 구현예에서, 백색 광 감지 소자와 녹색 광 감지 소자는 각각 유기 광 다이오드이고 청색 광 감지 소자 및 적색 광 감지 소자는 각각 무기 광 다이오드일 수 있다.
도 7을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 청색 광 다이오드(50B), 적색 광 다이오드(50R), 녹색 전하 저장소(55G), 백색 전하 저장소(55W) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터층(70B, 70R), 상부 절연층(80), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 백색 광 감지 소자(100W)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 청색 광 다이오드(50B), 적색 광 다이오드(50R), 녹색 전하 저장소(55G), 백색 전하 저장소(55W) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 다이오드(50B) 및 전송 트랜지스터는 청색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 적색 광 다이오드(50R) 및 전송 트랜지스터는 적색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 녹색 전하 저장소(55G) 및 전송 트랜지스터는 녹색 화소마다 집적되어 있을 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(Ag) 또는 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 청색 광 다이오드(50B), 적색 광 다이오드(50R), 녹색 전하 저장소(55G) 및 백색 전하 저장소(55W)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 예컨대 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터(70B, 70R)가 형성되어 있다. 청색 화소의 색 필터(70B)는 청색 파장 영역의 광을 흡수하여 청색 광 감지 소자(50B)로 전달하고 적색 화소의 색 필터(70R)는 적색 파장 영역의 광을 흡수하여 적색 광 감지 소자(50R)로 전달한다. 녹색 화소는 색 필터를 포함하지 않는다.
색 필터(70B, 70R) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터(70B, 70R)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다.
상부 절연층(80) 위에는 녹색 광 감지 소자(100G)가 형성되어 있다. 녹색 광 감지 소자(100G)는 투광 전극(10G, 20G) 및 광 활성층(30G)을 포함한다.
투광 전극(10G, 20G) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 투광 전극(10G, 20G)은 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 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 활성층(30G)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역이 아닌 파장 영역, 즉 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광은 그대로 통과시킨다.
광 활성층(30G)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 화합물과 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 화합물을 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체 화합물과 상기 n형 반도체 화합물은 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있다. 광 활성층(30G)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다. 광 활성층(30G)은 녹색 화소의 색 필터를 대체할 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, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 방향족기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리 방향족기, 시아노 함유기, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이다.
상기 퀴나크리돈 또는 그 유도체는 예컨대 하기 화학식 1a 내지 1o 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1a]
[화학식 1b]
[화학식 1c]
[화학식 1d]
[화학식 1e]
[화학식 1f]
[화학식 1g]
[화학식 1h]
[화학식 1i]
[화학식 1j]
[화학식 1k]
[화학식 1l]
[화학식 1m]
[화학식 1n]
[화학식 1o]
상기 화학식 1a 내지 1o에서, R1 및 R2는 전술한 바와 같다.
상기 티오펜 유도체는 예컨대 하기 화학식 2로 표현될 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
T1, T2 및 T3는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 티오펜부를 가지는 방향족 고리이고,
X3 내지 X8은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 또는 C30 헤테로아릴기, 시아노기 또는 이들의 조합이다. X3 내지 X8 중 적어도 하나는 시아노기일 수 있다.
상기 T1, T2 및 T3는 각각 독립적으로 하기 그룹 1에 나열된 기(group)에서 선택된 하나일 수 있다.
[그룹 1]
상기 그룹 1에서,
R11 내지 R26은 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 조합이다.
상기 티오펜 유도체는 예컨대 하기 화학식 2a 내지 2j로 표현되는 화합물에서 선택된 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2a]
[화학식 2b]
[화학식 2c]
[화학식 2d]
[화학식 2e]
[화학식 2f]
[화학식 2g]
[화학식 2h]
[화학식 2i]
[화학식 2j]
상기 화학식 2h 또는 2j에서,
X1 내지 X5는 같거나 다르고 각각 독립적으로 CR1R2, SiR3R4, NR5, 산소(O) 또는 셀레늄(Se)이고, 여기서 R1 내지 R5는 같거나 다르고 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C20 헤테로아릴기 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 p형 반도체 물질은 예컨대 하기 화학식 3으로 표현되는 화합물일 수 있으며, 상기 n형 반도체 물질은 예컨대 하기 화학식 4로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 할로겐 원자, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
여기서 R1 내지 R8 중 인접한 두 개가 결합하여 고리 또는 융합고리(fused ring)를 형성하는 것을 포함하며,
R1 내지 R8 중 적어도 하나는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기 또는 이들의 조합이고,
[화학식 4]
상기 화학식 4에서,
Z1 내지 Z4는 각각 독립적으로 산소(O), 질소(N) 또는 황(S) 이고,
Xa1 내지 Xa5, Xb1 내지 Xb5, Xc1 내지 Xc5 및 Xd1 내지 Xd5는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 할로겐 원자, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
X5 및 X6은 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 조합일 수 있다.
상기 화학식 3으로 표현되는 화합물은 예컨대 하기 화학식 3a 내지 3d 중 어느 하나로 표현되는 화합물일 수 있고, 상기 화학식 4로 표현되는 화합물은 예컨대 하기 화학식 4a 또는 4b로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 3a]
[화학식 3b]
[화학식 3c]
[화학식 3d]
[화학식 4a]
[화학식 4b]
상기 p형 반도체 물질은 예컨대 전술한 퀴나크리돈 또는 그 유도체일 수 있으며, 상기 n형 반도체 물질은 예컨대 하기 화학식 5로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 5]
상기 화학식 5에서,
Ra 내지 Rl은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐 원자, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
X는 할로겐 원소이거나 적어도 하나의 할로겐 원소를 포함하는 C6 내지 C20 아릴옥시기이다.
상기 화학식 5로 표현되는 화합물은 예컨대 하기 화학식 5a 내지 5g로 표현되는 화합물 중 적어도 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 5a]
[화학식 5b]
[화학식 5c]
[화학식 5d]
[화학식 5e]
[화학식 5f]
[화학식 5g]
광 활성층(30G)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 광 활성층(30G)은 예컨대 진성층(intrinsic layer, I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다.
진성층(I층)은 상기 p형 반도체 화합물과 상기 n형 반도체 화합물이 약 1:100 내지 약 100:1의 두께 비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 두께 비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 두께 비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1: 1의 두께 비로 포함될 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체가 상기 범위의 조성비를 가짐으로써 효과적인 엑시톤 생성 및 pn 접합 형성에 유리하다.
p형 층은 상기 p형 반도체 화합물을 포함할 수 있고, n형 층은 상기 n형 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
광 활성층(30G)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 빛을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
녹색 광 감지 소자(100G)는 상부 전극(20G) 측으로부터 빛이 입사되어 광 활성층(30G)이 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 광 활성층(30G)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 하부 전극(10G)과 상부 전극(20G) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(10G)과 상부 전극(20G) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다. 분리된 전자 또는 정공은 전하 저장소(55G)에 모아질 수 있다. 녹색 파장 영역을 제외한 나머지 파장 영역의 빛은 녹색 광 감지 소자(100G) 및 색 필터(70B, 70R)를 통과하여 청색 광 감지 소자(50B) 또는 적색 광 감지 소자(50R)에 의해 센싱될 수 있다.
광 활성층(30G)은 청색 화소(B), 적색 화소(R) 및 녹색 화소(G)의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 광 흡수 면적을 증가시켜 높은 흡광 효율을 구현할 수 있다.
한편, 반도체 기판(110) 위에는 백색 광 감지 소자(100W)가 형성되어 있다. 백색 광 감지 소자(100W)는 백색 화소(W)에 위치하고 전술한 바와 같이 투광 전극(10W, 20W) 및 광 활성층(30W)을 포함한다.
투광 전극(10W, 20W) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 투광 전극(10W, 20W)은 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 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 활성층(30W)은 투광 전극(10W, 20W) 사이에 위치하고 약 380 nm 내지 약 1300 nm의 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다. 광 활성층(30W)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질 중 적어도 하나는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
광 활성층(30W)은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); Alq3; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체 및 이들의 공중합체에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
백색 광 감지 소자(100W)는 반도체 기판(110)에 집적되어 있는 백색 전하 저장소(55W)와 전기적으로 연결되어 있으며 백색 광 감지 소자(100W)에서 생성된 전하들이 백색 전하 저장소(55W)에 모아질 수 있다.
녹색 광 감지 소자(100G) 및 백색 광 감지 소자(100W) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 구현예에서는 설명의 편의상 녹색 광 감지 소자(100G)가 적층된 구조를 예시하였지만 이에 한정되지 않고 녹색 광 감지 소자(100G) 대신 적색 광 감지 소자(100R) 또는 청색 광 감지 소자(100B)가 적층된 구조일 수도 있다.
상기와 같이 가시광선 영역 중 청색 파장 영역의 광과 적색 파장 영역의 광을 흡수하는 색 필터를 포함하는 색 필터 층과 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 녹색 광 감지 소자를 수직으로 적층함으로써 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있고 이에 따라 이미지 센서의 소형화를 구현할 수 있다. 또한 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 감지 소자는 이미지 센서의 전면에 형성되어 광을 흡수할 수 있는 면적을 높일 수 있고 색 필터 층의 면적도 확보할 수 있으므로 흡광 효율을 높일 수 있다.
또한 상기와 같이 백색 화소(W)를 더 포함함으로써 입사광의 광 흡수도를 높여 광 손실을 줄일 수 있는 동시에 가시광선 내지 근적외선 전영역의 분광 감도(spectral sensitivity)를 높여 이미지 센서의 전체적인 감도를 개선시킬 수 있다.
이하 도 8 및 도 9를 참고하여 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 8은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서에서 화소의 배치를 도시한 개략도이고, 도 9는 도 8의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 청색 화소(B), 녹색 화소(G) 및 적색 화소(R)가 수직으로 적층되어 있고, 백색 화소(W)가 청색 화소(B), 적색 화소(R) 및 녹색 화소(G)와 수평하게 인접 배열되어 있다.
본 구현예에서, 백색 광 감지 소자, 청색 광 감지 소자, 녹색 광 감지 소자 및 적색 광 감지 소자는 각각 유기 광 다이오드일 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 적색 광 감지 소자(100R), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 청색 광 감지 소자(100B)가 차례로 적층되어 있다.
적색 광 감지 소자(100R)는 하부 전극(10R), 상부 전극(20R) 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30R)을 포함하고, 녹색 광 감지 소자(100G)는 하부 전극(10G), 상부 전극(20G) 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30G)을 포함하고, 청색 광 감지 소자(100B)는 하부 전극(10B), 상부 전극(20B) 및 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광 활성층(30B)을 포함한다.
하부 전극(10B, 10G, 10R) 및 상부 전극(20B, 20G, 20R)은 투광 전극일 수 있고, 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 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 활성층(30B, 30G, 30R)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 청색 광 감지 소자(100B)의 광 활성층(30B)은 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고, 녹색 광 감지 소자(100G)의 광 활성층(30G)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고, 적색 광 감지 소자(100R)의 광 활성층(30R)은 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
본 구현예에서는 설명의 편의상 적색 광 감지 소자(100R), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 청색 광 감지 소자(100B)가 적층된 구조를 예시하였지만 이에 한정되지 않고 상기 적층 순서는 다양하게 바뀔 수 있다.
백색 광 감지 소자(100W)는 적색 광 감지 소자(100R), 녹색 광 감지 소자(100G) 및 청색 광 감지 소자(100B)와 인접하게 배열되어 있다.
백색 광 감지 소자(100W)는 투광 전극(10W, 20W) 및 광 활성층(30W)을 포함한다.
투광 전극(10W, 20W) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 투광 전극(10W, 20W)은 예컨대 인듐 틴 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)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 활성층(30W)은 투광 전극(10W, 20W) 사이에 위치하고 약 380 nm 내지 약 1300 nm 의 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다. 광 활성층(30W)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질 중 적어도 하나는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
광 활성층(30W)은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); Alq3; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체 및 이들의 공중합체에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 포함하는 디지털 카메라의 블록 다이어그램이다.
도 10을 참고하면, 디지털 카메라(1000)은 렌즈(1010), 이미지 센서(1020), 모터 유닛(1030) 및 엔진 유닛(1040)을 포함한다. 상기 이미지 센서(1020)는 상기 도 1 내지 도 9에 도시된 구현예들에 따른 이미지 센서중 어느 하나일 수 있다.
상기 렌즈(1010)은 입사광을 이미지 센서(1020)에 집광한다. 상기 이미지 센서(1020)는 렌즈(1010)을 통하여 수광된 빛에 대하여 RGB 데이터를 생성한다.
일부 구현예에서, 상기 이미지 센서(1020)는 엔진 유닛(1040)과 인터페이스할 수 있다.
상기 모터 유닛(1030)은 렌즈(1010)의 촛점을 조절하거나 엔진 유닛(1040)으로부터 받은 콘트롤 신호에 대응하여 셔터를 조절할 수 있다. 상기 엔진 유닛(1040)은 이미지 센서(1020)와 모터 유닛(1030)을 조절할 수 있다.
상기 엔진 유닛(1040)은 호스트/어플리케이션(1050)에 연결될 수 있다.
상술한 구현예들에 따른 이미지 센서는 광 흡수도를 높여 광 손실을 줄일 수 있는 동시에 가시광선 내지 근적외선 전영역의 분광 감도를 높여 이미지 센서의 전체적인 감도를 개선시킬 수 있다. 또한 화소 배치에 따라 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있어 이미지 센서의 소형화를 구현할 수 있고 흡광 효율을 높일 수 있다.
상기 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰 또는 디지털 카메라 등에 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
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.
10B, 10G, 10R, 10W: 하부 전극 20B, 20G, 20R, 20W: 상부 전극
30B, 30G, 30R, 30W: 광 활성층
50B: 청색 광 다이오드 50G: 녹색 광 다이오드
50R: 적색 광 다이오드 50W: 백색 광 다이오드
110: 반도체 기판 60: 하부 절연층
70: 색 필터층 80: 상부 절연층
100B: 청색 광 감지 소자 100G: 녹색 광 감지 소자
100R: 적색 광 감지 소자 100W: 백색 광 감지 소자
30B, 30G, 30R, 30W: 광 활성층
50B: 청색 광 다이오드 50G: 녹색 광 다이오드
50R: 적색 광 다이오드 50W: 백색 광 다이오드
110: 반도체 기판 60: 하부 절연층
70: 색 필터층 80: 상부 절연층
100B: 청색 광 감지 소자 100G: 녹색 광 감지 소자
100R: 적색 광 감지 소자 100W: 백색 광 감지 소자
Claims (15)
- 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자,
청색 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자,
적색 파장 영역의 광을 감지하는 제3 광 감지 소자, 그리고
녹색 파장 영역의 광을 감지하는 제4 광 감지 소자
를 포함하고,
상기 제1 광 감지 소자, 상기 제2 광 감지 소자, 상기 제3 광 감지 소자 및 상기 제4 광 감지 소자 중 적어도 하나는
서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고
상기 투광 전극들 사이에 위치하고 유기 흡광 물질을 포함하는 광 활성층
을 포함하는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 제1 내지 제4 광 감지 소자는 수평 또는 수직하게 인접 배열되어 하나의 군을 이루는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 제1 광 감지 소자는
한 쌍의 투광 전극들, 그리고
상기 투광 전극들 사이에 위치하고 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수하는 제1 광 활성층
을 포함하는 이미지 센서. - 제3항에서,
상기 제1 광 활성층은 p형 반도체 물질 및 n형 반도체 물질을 포함하고,
상기 p형 반도체 물질과 상기 n형 반도체 물질 중 적어도 하나는 가시광선 내지 근적외선 전영역의 광을 흡수하는 이미지 센서. - 제3항에서,
상기 제2 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 흡광 물질을 포함하는 제2 광 활성층을 포함하고,
상기 제3 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 광 활성층을 포함하고,
상기 제4 광 감지 소자는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제4 광 활성층을 포함하는
이미지 센서. - 제3항에서,
상기 제2 광 감지 소자, 상기 제3 광 감지 소자 및 상기 제4 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 그리고
상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 필터, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 필터 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 필터를 포함하는 색 필터 층
을 포함하는 이미지 센서. - 제3항에서,
상기 제1 광 감지 소자의 상부에 위치하는 색 필터 층을 포함하고,
상기 색 필터 층은 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 필터, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 필터 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 필터를 포함하는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 제1 광 감지 소자는 반도체 기판에 집적되어 있고,
상기 제2 내지 제4 광 감지 소자 중 적어도 하나는 서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들, 그리고 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 유기 흡광 물질을 포함하는 광 활성층을 포함하는
이미지 센서. - 제1항에서,
상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판,
상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 필터와 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 필터를 포함하는 색 필터 층, 그리고
상기 색 필터 층의 상부에 위치하는 제4 광 감지 소자
를 포함하고,
상기 제4 광 감지 소자는 서로 마주하는 한 쌍의 투광 전극들과 상기 투광 전극들 사이에 위치하고 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 제4 광 활성층을 포함하는 이미지 센서. - 제9항에서,
상기 제4 광 활성층은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 p형 반도체 물질과 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 n형 반도체 물질을 포함하는 이미지 센서. - 제9항에서,
상기 제1 광 감지 소자는
한 쌍의 투광 전극들, 그리고
상기 투광 전극들 사이에 위치하고 가시광선 전영역의 광을 흡수하는 제1 광 활성층
을 포함하는 이미지 센서. - 제9항에서,
상기 제1 광 감지 소자는 상기 반도체 기판에 집적되어 있는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 청색 파장 영역은 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내고,
상기 적색 파장 영역은 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내고,
상기 녹색 파장 영역은 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 나타내는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 유기 흡광 물질은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질을 포함하는 이미지 센서. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.
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|---|---|---|---|---|
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