KR102404725B1 - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 투광 전극 및 상기 반도체 기판과 상기 투광 전극 사이에 위치하는 금속층을 포함하는 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부에 위치하고 상기 광 감지 소자에서 감지하는 파장과 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전변환층, 그리고 상기 유기 광전변환층의 상부에 위치하는 제2 전극을 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 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, 스핀 코팅, UV 노광, 습식 에칭 등의 과정을 통해 형성되므로 이미지 센서의 픽셀 크기를 일정 크기 이하로 줄이는 것에 한계가 있다.
일 구현예는 픽셀 크기를 일정 크기 이하로 줄이면서도 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, 적어도 하나의 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 투광 전극 및 상기 반도체 기판과 상기 투광 전극 사이에 위치하는 금속층을 포함하는 제1 전극, 상기 제1 전극의 상부에 위치하고 상기 광 감지 소자에서 감지하는 파장과 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전변환층, 그리고 상기 유기 광전변환층의 상부에 위치하는 제2 전극을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 금속층은 상기 투광 전극과 접촉되어 있을 수 있다.
상기 금속층은 광을 선택적으로 투과시키는 반투과층일 수 있다.
상기 금속층은 1 nm 내지 30nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 투광 전극은 10 nm 내지 800 nm 의 두께를 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 투광 전극과 상기 유기 광전변환층 사이에 위치하는 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판에 집적되어 있는 광 감지 소자는 제1 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자 및 상기 제1 파장 영역과 상이한 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함하고, 상기 유기 광전변환층은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 상이한 제3 파장 영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 수평방향으로 이격되어 위치하고, 상기 제1 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분 내 투광 전극 및 상기 제2 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분 내 투광 전극은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분은 제1 파장 영역의 광을 선택적으로 투과하고,
상기 제2 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분은 제2 파장 영역의 광을 선택적으로 투과할 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 제3 파장 영역의 광을 상기 유기 광전변환층으로 선택적으로 반사할 수 있다.
상기 제1 파장 영역은 청색 파장 영역이고 상기 제2 파장 영역은 적색 파장 영역이고 상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역일 수 있다.
상기 적색 파장 영역은 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고, 상기 청색 파장 영역은 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고, 상기 녹색 파장 영역은 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 다른 깊이에 위치할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 장파장 영역의 광을 감지하고, 상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 상기 반도체 기판의 표면으로부터 깊게 위치할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상하로 적층되어 위치할 수 있다.
상기 금속층은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pd), 구리(Cu), 금(Au) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 투광 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 위치하고 상기 제1 전극과 접해있는 절연층을 더 포함하고, 상기 제1 전극 내 투광 전극의 굴절률은 상기 절연층의 굴절률보다 큰 값을 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 유기 색 필터가 개재되어 있지 않을 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
픽셀 크기를 일정 크기 이하로 줄이면서도 각 화소 별로 파장 선택성을 높여 이미지 센서의 감도 및 광 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 이미지 센서에 포함된 제1 전극의 원리를 보여주는 참고도이고,
도 3은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 4는 도 3의 이미지 센서에 포함된 제1 전극의 원리를 보여주는 참고도이고,
도 5는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이고,
도 6은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이고,
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 녹색 파장 영역의 광 흡수도를 보여주는 그래프이고,
도 8는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 청색 파장 영역의 광 투과도를 보여주는 그래프이고,
도 9는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 적색 파장 영역의 광 투과도를 보여주는 그래프이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에 포함된 제1 전극의 원리를 보여주는 참고도이고,
도 3은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 4는 도 3의 이미지 센서에 포함된 제1 전극의 원리를 보여주는 참고도이고,
도 5는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이고,
도 6은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이고,
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 녹색 파장 영역의 광 흡수도를 보여주는 그래프이고,
도 8는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 청색 파장 영역의 광 투과도를 보여주는 그래프이고,
도 9는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 적색 파장 영역의 광 투과도를 보여주는 그래프이다.
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(1000)는 반도체 기판(110), 반도체 기판(110)의 상부에 위치하는 제1 전극(10), 제1 전극(10)의 상부에 위치하는 유기 광전변환층(30), 및 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하는 제2 전극(20)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 단결정의 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 기판(110)은 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 청색 광 감지 소자(50B)는 청색 화소에 포함될 수 있고 적색 광 감지 소자(50R)는 적색 화소에 포함될 수 있다. 전하 저장소(55)는 녹색 화소에만 도시하였지만, 청색 화소 및 적색 화소 또한 청색 광 감지 소자(50B)와 연결되는 전하 저장소 및 적색 광 감지 소자(50R)와 연결되는 전하 저장소를 각각 포함할 수 있다.
청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 녹색 화소의 전하 저장소(55)는 후술하는 유기 광전 소자(100)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 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 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R) 및 전하 저장소(55)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 절연층(60)이 형성되어 있다. 절연층(60)은 각 화소의 광전 소자(50B, 50R) 및 전하 저장소(55)를 각각 드러내는 트렌치(도시하지 않음)를 가질 수 있다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다. 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 녹색 화소의 전하 저장소(55)를 드러내는 관통구(85)를 가진다.
절연층(60)은 반도체 기판(110)과 유기 광전변환층(30) 사이에 위치할 수 있다. 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.
절연층(60) 위에는 제1 전극(10)이 형성되어 있으며, 제1 전극(10)과 접하여 위치할 수 있다.
제1 전극(10)은 각 화소마다 배치될 수 있으며, 투광 전극(11), 그리고 반도체 기판(110)과 투광 전극(11) 사이에 위치하는 금속층(12)을 포함한다.
금속층(12)은 투광 전극(11)과 접촉되어 위치하며, 광을 선택적으로 투과시키는 반투과층일 수 있다.
일 예로 투광 전극(11)은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 중 적어도 하나일 수 있다. 투광 전극(11)은 예컨대 절연층(60)보다 상대적으로 굴절률이 큰 고굴절률 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 투광 전극(11)의 굴절률은 절연층(60)의 굴절률보다 약 0.2 이상 높은 값일 수 있다.
일 예로 금속층(12)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pd), 구리(Cu), 금(Au) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(10)으로 광이 입사할 때 투광 전극(11) 및 금속층(12)에서 각각 광의 반사가 일어날 수 있으며, 투광 전극(11)의 두께에 따라 특정 파장의 광만 투과되고 나머지는 반사될 수 있다. 이에 관해서는 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 도 1에 따른 이미지 센서 내의 제1 전극의 원리를 보여주는 참고도이다.
도 2를 참고하면, 제1 전극(10)으로 입사된 적색 파장 영역(R), 녹색 파장 영역(G) 및 청색 파장 영역(B)의 광이 투광 전극(11)을 투과한 후, 적색 파장 영역(R) 및 녹색 파장 영역(G)의 광은 금속층(12) 및 투광 전극(11)에서 각각 반사가 일어나고, 청색 파장 영역(B)의 광은 금속층(12)을 투과한다. 즉, 제1 전극(10)에 입사된 적색 파장 영역(R), 녹색 파장 영역(G) 및 청색 파장 영역(B)의 광은, 제1 전극(10)의 입사 면에서 적색 파장 영역(R) 및 녹색 파장 영역(G) 광의 보강 간섭(constructive interference)이 발생함에 따라 적색 파장 영역(R) 및 녹색 파장 영역(G) 광이 반사되고, 제1 전극(10)의 입사 면과 반대 쪽 면에서 청색 파장 영역(B) 광의 보강 간섭이 발생함에 따라 청색 파장 영역(B) 광이 투과된다.
이와 같은 공진의 발생에 따라 제1 전극(10)은 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 반사 또는 투과시킬 수 있다. 도 2에서는 제1 전극(10)이 청색 파장 영역(B)의 광을 선택적으로 투과시키고, 적색 파장 영역(R) 및 녹색 파장 영역(G)의 광을 반사시키는 예를 도시하였으나, 투광 전극(11)의 두께에 따라 적색 파장 영역(R) 또는 녹색 파장 영역(G)의 광을 선택적으로 투과시키도록 설계할 수 있다.
투광 전극(11)은 약 10 nm 내지 800 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 제1 전극(10)을 통해 투과시키고자 하는 광에 따라 상기 범위 내에서 투광 전극(11)의 두께를 조절할 수 있다.
다시 도 1을 참고하여 설명한다.
일 구현예에 따른 이미지 센서(1000)에 포함된 유기 광전변환층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역 이외의 파장 영역, 즉 청색 파장 영역과 적색 파장 영역의 광을 그대로 통과시킨다.
유기 광전변환층(30)은 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있다. 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다.
상기 p형 반도체 물질은 예컨대 퀴나크리돈(quinacridone) 또는 그 유도체, 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine) 또는 그 유도체일 수 있으며, 상기 n형 반도체 물질은 예컨대 시아노비닐기를 가지는 티오펜 유도체(cyanovinyl group containing thiophene derivative), 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine) 또는 그 유도체, 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 광전변환층(30)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 유기 광전변환층(30)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 반도체와 상기 n형 반도체가 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 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 상기 n형 반도체를 포함할 수 있다.
유기 광전변환층(30)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.
제2 전극(20)은 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하고 광이 입사되는 투광 전극일 수 있다. 제2 전극(20)은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 아연 옥사이드(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 단일 층 또는 복수 층의 금속 박막일 수 있다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
제1 전극(10), 유기 광전변환층(30) 및 제2 전극(20)은 유기 광전 소자를 형성하며, 제2 전극(20) 측으로부터 빛이 입사되어 유기 광전변환층(30)이 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 유기 광전변환층(30)에서 정공과 전자로 분리되고 분리된 정공은 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 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 제1 전극(10)을 통과하여 청색 광 감지 소자(50B) 또는 적색 광 감지 소자(50R)에 의해 센싱될 수 있다.
유기 광전 소자(100)는 이미지 센서의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 높여 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
도 1에서는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있고 유기 광전 소자(100)가 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층(30)을 포함하는 구조를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 청색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조이거나 적색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
여기서 상기 적색 파장 영역은 예컨대 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 청색 파장 영역은 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 예컨대 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 상술한 구조의 투광 전극(11) 및 금속층(12)을 포함하는 제1 전극(10)을 구비함으로써, 별도의 유기 색 필터 층을 구비할 필요 없이 높은 색 분리 특성을 가질 수 있다. 예컨대 약 1 nm 내지 30nm 범위, 5 nm 내지 20 nm 범위 또는 10 nm 내지 15nm 범위의 금속층(12)을 도입함으로써 상대적으로 큰 두께를 가지는 유기 색 필터 층을 생략할 수 있게 되어 픽셀 크기의 소형화를 구현할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 공진의 발생에 의해 특정 파장 영역의 광에 대한 반사도를 높일 수 있으므로, 유기 광전변환층(30)이 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 유기 광전변환층(30)으로 선택적으로 반사시킴에 따라 유기 광전변환층(30)의 녹색 광 흡수율을 더욱 높일 수 있다.
도 3은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 전술한 구현예와 마찬가지로 반도체 기판(110), 반도체 기판(110)의 상부에 위치하는 제1 전극(10), 제1 전극(10)의 상부에 위치하는 유기 광전변환층(30), 및 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하는 제2 전극(20)을 포함하고, 제1 전극(10)은 투광 전극(11), 및 투광 전극(11)과 반도체 기판(110) 사이에 위치하는 금속층(12)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 단결정의 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 기판(110)은 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 청색 광 감지 소자(50B)는 청색 화소에 포함될 수 있고 적색 광 감지 소자(50R)는 적색 화소에 포함될 수 있다. 전하 저장소(55)는 녹색 화소에만 도시하였지만, 청색 화소 및 적색 화소 또한 청색 광 감지 소자(50B)와 연결되는 전하 저장소 및 적색 광 감지 소자(50R)와 연결되는 전하 저장소를 각각 포함할 수 있다.
본 구현예는 전술한 구현예와 달리, 제1 전극(10)은 투광 전극(11)과 유기 광전변환층(30) 사이에 위치하는 금속층(13)을 더 포함한다. 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12)의 두께는 각각 약 1 nm 내지 30nm의 범위 내일 수 있으며, 서로 같아도 되고 달라도 된다. 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12)의 재료는 전술한 구현예에서 설명한 바와 같으며, 서로 같은 종류의 금속으로 형성되어도 되고, 서로 다른 종류의 금속으로 형성되어도 된다. 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12)은 투광 전극(11)과 접촉되어 위치하고, 광을 선택적으로 투과시키는 반투과층일 수 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)에서, 제1 전극(10)으로 입사한 광은 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12) 사이를 오가며 반사되는데, 이 때 제1 전극(10)의 두께에 따라 특정 파장의 광만 투과되고 나머지는 반사될 수 있다. 이에 관해서는 도 4를 참고하여 설명한다.
도 4는 도 3에 따른 이미지 센서 내의 제1 전극의 원리를 보여주는 참고도이다.
도 4를 참고하면, 제1 전극(10)으로 입사된 적색 파장 영역(R), 녹색 파장 영역(G) 및 청색 파장 영역(B)의 광은 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12)을 오가며 반사되어, 청색 파장 영역(B)의 광은 금속층(12)을 투과한다. 즉, 제1 전극(10)에 입사된 적색 파장 영역(R), 녹색 파장 영역(G) 및 청색 파장 영역(B)의 광은, 제1 전극(10)의 입사 면에서 적색 파장 영역(R) 및 녹색 파장 영역(G) 광의 보강 간섭(constructive interference)이 발생함에 따라 적색 파장 영역(R) 및 녹색 파장 영역(G) 광이 반사되고, 제1 전극(10)의 입사 면과 반대 쪽 면에서 청색 파장 영역(B) 광의 보강 간섭이 발생함에 따라 청색 파장 영역(B) 광이 투과된다.
도 4에서는 제1 전극(10)이 청색 파장 영역(B)의 광을 선택적으로 투과시키고, 적색 파장 영역(R) 및 녹색 파장 영역(G)의 광을 반사시키는 예를 도시하였으나, 투광 전극(11)의 두께에 따라 적색 파장 영역(R) 또는 녹색 파장 영역(G)의 광을 선택적으로 투과시키도록 설계할 수 있다.
다시 도 3을 참고하여 설명한다.
일 구현예에 따른 이미지 센서(1000)에 포함된 유기 광전변환층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역 이외의 파장 영역, 즉 청색 파장 영역과 적색 파장 영역의 광을 그대로 통과시킨다.
유기 광전 소자(100)는 이미지 센서의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 높여 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
도 3에서는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있고 유기 광전 소자(100)가 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층(30)을 포함하는 구조를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 청색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조이거나 적색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조에도 동일하게 적용될 수 있다. 제2 전극(20) 및 유기 광전변환층(30)에 관한 상세는 도 1에서 설명한 바와 같다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 상술한 바와 같이 투광 전극(11) 및 2개의 금속층(12, 13)을 포함하는 제1 전극(10)을 구비함으로써, 별도의 유기 색 필터 층을 구비할 필요 없이 높은 색 분리 특성을 가질 수 있다. 나노미터 수준의 두께를 가지는 2개의 금속층(12, 13)을 도입함으로써 상대적으로 큰 두께를 가지는 유기 색 필터 층을 생략할 수 있게 되어 픽셀 크기의 소형화를 구현할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 공진의 발생에 의해 특정 파장 영역의 광에 대한 반사도를 높일 수 있으므로, 유기 광전변환층(30)이 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 경우 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 유기 광전변환층(30)으로 선택적으로 반사시킴에 따라 유기 광전변환층(30)의 녹색 광 흡수율을 더욱 높일 수 있다.
도 1 및 3에 도시한 바와 같이, 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)는 수평방향으로 이격되어 위치하고, 청색 광 감지 소자(50B)에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분 내에 위치하는 투광 전극 및 적색 광 감지 소자(50R)에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분 내에 위치하는 투광 전극이 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 청색 광 감지 소자(50B)에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분은 청색 파장 영역의 광을 투과시킬 수 있고, 적색 광 감지 소자(50R)에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분은 적색 영역의 광을 투과시킬 수 있다. 제1 전극(10)은 녹색 파장 영역의 광을 유기 광전변환층(30)으로 선택적으로 반사시킬 수 있다.
도 1 및 3에 도시한 이미지 센서(1000)는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110)의 표면으로부터 같은 깊이에 위치하여 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110)의 표면으로부터 실질적으로 다른 깊이에 위치할 수도 있다. 일 예로, 적색 광 감지 소자(50R)가 청색 광 감지 소자(50B)보다 반도체 기판(110)의 표면으로부터 깊게 위치할 수 있다.
도 5는 또 다른 구현예에 따른 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 전술한 구현예와 마찬가지로 반도체 기판(110), 반도체 기판(110)의 상부에 위치하는 제1 전극(10), 제1 전극(10)의 상부에 위치하는 유기 광전변환층(30), 및 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하는 제2 전극(20)을 포함하고, 제1 전극(10)은 투광 전극(11), 및 투광 전극(11)과 반도체 기판(110) 사이에 위치하는 금속층(12)을 포함한다. 금속층(12)은 투광 전극(11)과 접촉되어 위치할 수 있고, 광을 선택적으로 투과시키는 반투과층일 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 단결정의 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 기판(110)은 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 전술한 구현예와 달리, 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 적층되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 전하 저장소(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있고 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
상기와 같이 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전 소자가 적층된 구조를 가지고 적색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 이미지 센서의 두께 증가에 따른 크로스토크를 줄일 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 제1 전극(10)의 도입에 따른 공진의 발생에 의해 녹색 파장 영역의 광을 유기 광전변환층(30)으로 선택적으로 반사시킴에 따라 유기 광전변환층(30)의 녹색 광 흡수율을 더욱 높일 수 있다.
도 6은 또 다른 구현예에 따른 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 6을 참고하면, 도 5에 도시한 이미지 센서와는 달리 제1 전극(10)이 투광 전극(11)과 유기 광전변환층(30) 사이에 위치하는 금속층(13)을 더 포함한다. 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12)의 두께는 각각 약 1 nm 내지 30nm의 범위 내일 수 있으며, 서로 같아도 되고 달라도 된다. 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12)의 재료는 전술한 구현예에서 설명한 바와 같으며, 서로 같은 종류의 금속으로 형성되어도 되고, 서로 다른 종류의 금속으로 형성되어도 된다. 상부 금속층(13) 및 하부 금속층(12)은 투광 전극(11)과 접촉되어 위치할 수 있고, 광을 선택적으로 투과시키는 반투과층일 수 있다.
상술한 이미지 센서는 상기 반도체 기판과 상기 투광 전극 사이에 금속층이 도입된 제1 전극을 구비함으로써, 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 투과 및 반사시켜 별도의 유기 색 필터 층을 구비할 필요 없이 높은 색 분리 특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 유기 광전변환층의 광 흡수도를 높여 광 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 이미지 센서의 두께가 작아짐에 따라 별도의 마이크로 렌즈를 구비하지 않고서도 집광 특성을 확보할 수 있다.
상술한 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라, 생체인식 센서 등에 적용될 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.
평가 1: 광 흡수도
일 실시예에 따른 제1 전극을 적용한 이미지 센서의 광 흡수도 개선 정도를 확인하기 위하여 광학 시뮬레이션을 사용하여 평가한다.
광학 시뮬레이션은 Transform Matrix를 이용하여 계산되었으며 MATLAB 프로그램을 사용한다.
상기 이미지 센서는 도 3에서 도시한 바와 같이, 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수평방향으로 이격되어 반도체 기판(110)으로부터 동일 깊이에 위치하는 구조로서, 금속층(Ag)/투광 전극(ITO)/금속층(Ag) 적층 구조의 제1 전극을 구비하는 것으로 가정한다.
청색 광 감지 소자(50B)에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분에서, ITO 층 두께는 60 nm로, 상기 ITO 층의 위에 위치하는 Ag 층 두께는 10nm로, 상기 ITO 층의 아래에 위치하는 Ag 층 두께는 15nm로 각각 가정한다. 적색 광 감지 소자(50R)에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분에서, ITO 층 두께는 130 nm로, 상기 ITO 층의 위에 위치하는 Ag 층 두께는 10nm로, 상기 ITO 층의 아래에 위치하는 Ag 층 두께는 15nm로 각각 가정한다. 유기 광전변환층은 두께 40nm의 유기물 층으로 가정한다 (Abs. coeff= ~1.4x105 [/cm]).
상기 조건에 따른 이미지 센서의 유기 광전변환층에서의 녹색 파장 영역의 광 흡수율을 평가한다.
도 7은 상기 조건에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 녹색 파장 영역의 광 흡수도를 보여주는 그래프이다.
도 7을 참고하면, 특정 두께의 금속층(Ag)/투광 전극(ITO)/금속층(Ag)의 적층 구조를 가지는 제1 전극을 구비하는 이미지 센서(b)는 두께 150 nm의 투광 전극(ITO)만으로 이루어진 제1 전극을 구비한 이미지 센서(a)와 비교하여, 청색 파장 영역의 광 및 적색 파장 영역의 광은 광 흡수도가 크게 변하지 않는데 반해 녹색 파장 영역의 광은 광 흡수도가 크게 변하는 것을 확인할 수 있다.
평가 2: 파장 선택성
일 실시예에 따른 제1 전극을 적용한 이미지 센서의 파장 선택성을 확인하기 위하여 광학 시뮬레이션을 사용하여 평가한다.
광학 시뮬레이션에 사용된 프로그램 및 조건은 상기 평가 1에서와 동일하다.
도 8는 상기 조건에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 청색 파장 영역의 광 투과도를 보여주는 그래프이고, 도 9는 상기 조건에 따른 이미지 센서의 파장에 따른 적색 파장 영역의 광 투과도를 보여주는 그래프이다.
도 8 및 9를 참고하면, 소정 두께의 금속층(Ag)/투광 전극(ITO)/금속층(Ag)의 적층 구조를 가지는 제1 전극을 구비하는 이미지 센서는 별도의 유기 색 필터를 구비하지 않고서도 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역 대한 파장 선택성을 가짐을 알 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.
10: 제1 전극 11: 투광 전극
12, 13: 금속층 20: 제2 전극
30: 유기 광전변환층
50B: 청색 광 감지 소자 50R: 적색 광 감지 소자
55: 전하 저장소 60: 절연층
85: 관통구 100: 유기 광전 소자
110: 반도체 기판 1000: 이미지 센서
12, 13: 금속층 20: 제2 전극
30: 유기 광전변환층
50B: 청색 광 감지 소자 50R: 적색 광 감지 소자
55: 전하 저장소 60: 절연층
85: 관통구 100: 유기 광전 소자
110: 반도체 기판 1000: 이미지 센서
Claims (20)
- 적어도 하나의 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판,
상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 투광 전극 및 상기 반도체 기판과 상기 투광 전극 사이에 위치하는 금속층을 포함하는 제1 전극,
상기 제1 전극의 상부에 위치하고 상기 광 감지 소자에서 감지하는 파장과 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전변환층, 그리고
상기 유기 광전변환층의 상부에 위치하는 제2 전극
을 포함하고,
상기 금속층은 광을 선택적으로 투과시키는 반투과층인,
이미지 센서로서,
상기 반도체 기판에 집적되어 있는 광 감지 소자는 제1 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자 및 상기 제1 파장 영역과 상이한 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함하고,
상기 유기 광전변환층은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 상이한 제3 파장 영역의 광을 흡수하고,
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 수평방향으로 이격되어 위치하고,
상기 제1 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분 내 투광 전극 및 상기 제2 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분 내 투광 전극은 서로 다른 두께를 가지는,
이미지 센서 - 제1항에서,
상기 금속층은 상기 투광 전극과 접촉되어 있는 이미지 센서. - 삭제
- 제1항에서,
상기 금속층은 1 nm 내지 30nm의 두께를 가지는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 투광 전극은 10nm 내지 800 nm 의 두께를 가지는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 투광 전극과 상기 유기 광전변환층 사이에 위치하는 금속층을 더 포함하는 이미지 센서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 제1 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분은 제1 파장 영역의 광을 선택적으로 투과하고,
상기 제2 광 감지 소자에 대응하여 위치하는 제1 전극 부분은 제2 파장 영역의 광을 선택적으로 투과하는
이미지 센서. - 제1항에서,
상기 제1 전극은 상기 제3 파장 영역의 광을 상기 유기 광전변환층으로 선택적으로 반사하는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 제1 파장 영역은 청색 파장 영역이고 상기 제2 파장 영역은 적색 파장 영역이고 상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역인 이미지 센서. - 제11항에서,
상기 적색 파장 영역은 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고,
상기 청색 파장 영역은 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고,
상기 녹색 파장 영역은 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는
이미지 센서. - 제1항에서,
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 다른 깊이에 위치하는 이미지 센서. - 제13항에서,
상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 장파장 영역의 광을 감지하고,
상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 상기 반도체 기판의 표면으로부터 깊게 위치하는 이미지 센서. - 제13항에서,
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상하로 적층되어 위치하는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 금속층은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pd), 구리(Cu), 금(Au) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 투광 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서. - 제1항에서,
상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 위치하고 상기 제1 전극과 접해있는 절연층을 더 포함하고,
상기 제1 전극 내 투광 전극의 굴절률은 상기 절연층의 굴절률보다 큰
이미지 센서. - 제1항에서,
상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 유기 색 필터가 개재되어 있지 않은 이미지 센서. - 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 및 제9항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.
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