KR102519178B1 - 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬상 장치 - Google Patents

색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬상 장치 Download PDF

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Abstract

이미지 센서는 입사광을, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광과, 제 2 원색광으로 분리하는 제 1 색분리 소자; 상기 제 1 색분리 소자에서 분리되어 입사되는 광을 센싱하는 것으로, 상기 제 1 원색광을 센싱하는 제 1 광센싱층과 상기 제 3 원색광을 센싱하는 제 3 광센싱층이 적층된 제 1 화소 영역과 상기 제 2 원색광을 센싱하는 제 2 광센싱층을 포함하는 제 2 화소 영역을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 화소 영역이 교대로 반복되며, 제 1 및 제 2 축을 따라 이차원적으로 배열된 센서 어레이부;를 포함한다.

Description

색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬상 장치{Image sensor including color separation element and image pickup apparatus including the image sensor}
본 개시는 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서에 대한 것이다.
이미지 센서의 픽셀 수는 점차 증가하는 추세이며, 이에 따라 픽셀 소형화가 요구되고 있다. 픽셀 소형화를 위해서는 광량 확보와 노이즈 제거가 중요한 이슈가 된다.
광신호의 가장 큰 손실은 컬러 필터 층에서 발생된다. 이미지 센서에 채용되는 컬러 필터는 흡수형 컬러 필터로서, 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다.
따라서, 광효율을 높이기 위해, 컬러 필터를 사용하지 않고, 화소별로 컬러 광량을 센싱하기 위한 방안이 모색되고 있다.
본 개시는 광 이용효율이 높은 이미지센서를 제시하고자 한다.
일 유형에 따르면, 입사광을, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광과, 제 2 원색광으로 분리하는 제 1 색분리 소자; 상기 제 1 색분리 소자에서 분리되어 입사되는 광을 센싱하는 것으로, 상기 제 1 원색광을 센싱하는 제 1 광센싱층과 상기 제 3 원색광을 센싱하는 제 3 광센싱층이 적층된 제 1 화소 영역과 상기 제 2 원색광을 센싱하는 제 2 광센싱층을 포함하는 제 2 화소 영역을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 화소 영역이 교대로 반복되며, 제 1 및 제 2 축을 따라 이차원적으로 배열된 센서 어레이부;를 포함하는 이미지 센서가 제공된다.
상기 제 1 화소 영역에서, 상기 제 1 광센싱층과 제 3 광센싱층 중에서 파장이 짧은 광을 센싱하는 층이 상기 제 1 색분리 소자에 가까운 위치에 배치될 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 제 2 화소 영역과 마주하는 위치에 배치되어, 상기 제 2 원색광을 상기 제 2 화소 영역을 향하는 제 1 방향으로 분기하고, 상기 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기할 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 직사각형일 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자의 상기 단면의 장변은 상기 제1축 또는 제2축 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 복수개이며, 서로 이웃하게 배치되는 제 1 색분리소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면의 장변 방향이 서로 수직일 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면의 장변이 상기 제 2 화소 영역의 대각 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 십자형일 수 있다.
상기 십자형을 이루는 두 방향은 상기 제1 및 제2축 방향과 나란할 수 있다.
또는, 상기 십자형을 이루는 두 방향은 상기 제 2 화소 영역의 두 대각 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 제 1 화소 영역과 마주하는 위치에 배치되어, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 제 1 화소 영역을 향하는 제 1 방향으로 분기하고, 제 2 원색광을 상기 제 1 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제 1 화소 영역에 마주하게 배치되며, 상기 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 화소 영역을 향하는 제 3 방향으로 분기하고, 상기 제 2 원색광을 상기 제 3 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기하는 제 2 색분리 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 직사각형일 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 색분리 소자의 상기 단면의 장변은 상기 제1축 또는 제2축 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 색분리소자의 상기 단면의 장변은 상기 제1축 방향과 나란하고, 상기 제 2 색분리 소자의 상기 단면의 장변은 상기 제2축 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 색분리 소자의 상기 단면의 장변은 각각 상기 제 2 화소 영역의 대각 방향 및 상기 제 1 화소 영역의 대각 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 십자형일 수 있다.
상기 십자형을 이루는 두 방향은 상기 제 1 및 제 2 축 방향과 나란할 수 있다.
또는, 상기 십자형을 이루는 두 방향은 상기 제 1 화소 영역의 두 대각 방향과 나란할 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 입사광을, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광과, 제 2 원색광으로 분리하는 제 1 색분리 소자; 상기 제 1 색분리 소자에서 분리되어 입사되는 광을 센싱하는 것으로, 상기 제 1 원색광을 센싱하는 제 1 광센싱층을 포함하는 제 1 화소 영역과, 상기 제 2 원색광을 센싱하는 제 2 광센싱층을 포함하는 제 2 화소 영역과, 상기 제 3 원색광을 센싱하는 제 3 광센싱층과 상기 제 1 원색광을 흡수하는 광흡수층이 적층된 제 3 화소 영역을 포함하며, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 화소 영역이 교대로 반복되며 제 1 및 제 2 축을 따라 이차원적으로 배열되고, 상기 제 1 광센싱층과 제 3 광센싱층은 상기 제 1 색분리 소자로부터의 거리가 서로 다른 깊이 위치에 배치되는 센서 어레이부;를 포함하는 이미지 센서가 제공된다.
상기 제 1 및 제 3 화소 영역에서, 상기 제 1 광센싱층과 제 3 광센싱층 중에서 파장이 짧은 광을 센싱하는 층이 상기 제 1 색분리 소자에 가까운 위치에 배치될 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 제 2 화소 영역과 마주하는 위치에 배치되어, 제 1 원색광을 상기 제 2 화소 영역을 향하는 제 1 방향으로 분기하고, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기할 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 직사각형일 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 십자형일 수 있다.
상기 제 1 색분리 소자는 상기 제 1 화소 영역과 마주하는 위치에 배치되어, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 제 1 화소 영역을 향하는 제 1 방향으로 분기하고, 제 2 원색광을 상기 제 1 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제 1 화소 영역에 마주하게 배치되며, 상기 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 화소 영역을 향하는 제 3 방향으로 분기하고, 상기 제 2 원색광을 상기 제 3 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기하는 제 2 색분리 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 직사각형일 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면의 장변이 상기 제1축 또는 제2축 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 색분리소자의 상기 단면의 장변은 상기 제1축 방향과 나란하고, 상기 제 2 색분리 소자의 상기 단면의 장변은 상기 제2축 방향과 나란할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 색분리 소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 십자형일 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 촬영 렌즈부; 상기 촬영 렌즈부에서 형성한 광학상을 전기적 신호로 변환하는 것으로, 전술한 어느 하나의 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치가 제공된다.
상술한 이미지 센서는 광 이용 효율이 높고 향상된 색 순도를 나타낼 수 있다.
상술한 이미지 센서는 촬상 장치에 채용되어 양질의 영상을 형성할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
도 3은 도 1의 이미지 센서에서 제 2 화소 영역에 흡수되는 광의 스펙트럼을 예시적으로 보인다.
도 4는 도 1의 이미지 센서에서 제 1 화소 영역에 흡수되는 광의 스펙트럼을 예시적으로 보인다.
도 5는 비교예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 6은 도 5의 이미지 센서의 광센싱층 각각에서 흡수되는 광의 스펙트럼들을 보인다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 12는 도 11의 이미지 센서에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 14는 도 13의 이미지 센서에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
도 19는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 20은 도 19의 이미지 센서에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 22는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 23은 실시예에 따른 촬상장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서(1)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 2는 도 1의 이미지 센서(1)에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
이미지 센서(1)는 광을 센싱하는 광센싱층을 구비하는 다수의 화소 영역이 어레이된 센서 어레이부(110)와, 입사광을 색분리하여 센서 어레이부(110)에 입사되게 하는 제 1 색분리소자(150)를 포함한다.
센서 어레이부(110)는 이차원적으로 반복 배열된 제 1 화소 영역(PX1)과 제 2 화소 영역(PX2)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 화소 영역(PX1)과 제 2 화소 영역(PX2)은 제1축(A1) 및 제2축(A2) 방향을 따라 반복적으로 배열될 수 있다. 제 1 화소 영역(PX1)은 적층 배치된 제 1 광센싱층(112)과 제 3 광센싱층(116)을 포함하며, 제 2 화소 영역(PX2)은 제 2 광센싱층(114)을 포함한다. 제 1 내지 제 3 광센싱층(112)(114)(116)은 광을 감지하고 전기적 신호를 발생시키는 소자로서, 각각 제 1 원색광(C1), 제 2 원색광(C2), 제 3 원색광(C3)을 감지하도록 구성된다. 제 1 원색광(C1), 제 2 원색광(C2), 제 3 원색광(C3)은 각각 청색, 녹색, 적색의 광일 수 있다. 이하에서는 이를 가정하여 설명할 것이다. 제 1 내지 제 3 광센싱층(112)(114)(116)은 반도체 물질로 된 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기반의 포토 다이오드로서, 도핑 농도를 적절히 설정하여 원하는 밴드갭 에너지를 설정할 수 있다. 제 1 화소 영역(PX1)에서, 제 1 광센싱층(112)과 제 3 광센싱층(116) 중 높은 밴드갭 에너지를 가지는 층이 상부에, 즉, 제 1 색분리소자(150)에 가깝게 배치된다. 예를 들어, 제 1 광센싱층(112)은 청색광에 해당하는 에너지 이상을 흡수하여야 전기적 신호가 발생되도록 밴드갭 에너지가 설정된 층일 수 있고, 제 3 광센싱층(116)은 적색광에 해당하는 에너지 이상을 흡수하여야 전기적 신호가 발생되도록 밴드갭 에너지가 설정된 층일 수 있다. 이 경우, 다양한 파장 대역의 광을 포함하는 광이 제 1 화소 영역(PX1)에 입사되면, 제 1 광센싱층(112), 제 3 광센싱층(116)을 순차적으로 지날 때, 제 1 광센싱층(112)에서 청색광이 센싱되고, 제 3 광센싱층(116)에서 적색광이 센싱될 수 있다.
제 1 색분리소자(150)는 센서 어레이부(110)의 광 입사측에 배치되어 서로 다른 파장의 빛이 서로 다른 화소 영역에 입사하도록 입사광을 파장에 따라 각각 분리하는 역할을 한다. 제 1 색분리소자(150)는 센서 어레이부(110) 상에 형성된 투명 유전체층(130) 내에 매립되는 형태를 가질 수 있다. 제 1 색분리 소자(140)는 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진행 경로를 바꿈으로써 색을 분리할 수 있다. 제 1 색분리소자(150)는 입사광의 파장 크기와 비슷한 폭을 가지며, 주변 물질보다 큰 굴절률의 물질로 이루어진 구조물이다. 이러한 구조에서 물질과 물질 사이 광학적 경계가 명확하게 정의되지 않으며 제 1 색분리소자(150)의 주변에는, 제 1 색분리소자(150)의 크기, 주변과의 굴절률 차에 의해 정해지는 소정의 굴절률 변화를 나타내는 영역이 생긴다. 이 영역에는, 예를 들어, graded index lens와 같은 효과를 나타내는 굴절률 분포가 형성되고, 이러한 굴절률 분포 내에 입사한 광의 경로가 변화된다. 굴절률 분포가 생기는 영역의 크기는 파장에 따라 다르기 때문에, 입사광이 다양한 파장의 광을 포함하는 경우, 그 파장에 따라 입사광의 경로는 서로 다르게 변화된다. 즉, 제 1 색분리소자(150)의 굴절률과 크기, 투명 유전체층(130)의 굴절률의 적절한 설계로 원하는 색분리 기능을 구현할 수 있다.
제 1 색분리소자(150)는 주변의 투명 유전체층(130)보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 투명 유전체층(130)은 SiO2나 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass)로 이루어질 수 있으며, 제 1 색분리 소자(150)는 TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같은 고굴절률 재료로 이루어질 수 있다. 출사광에 대해 원하는 스펙트럼 분포에 따라 제 1 색분리소자(150)의 크기, 형상에 대한 다양한 설계가 가능하다.
투명 유전체층(130)의 상부에는 입사광(L)을 제 1 색분리소자(150)에 집속되게 하는 마이크로 렌즈 어레이(190)가 더 구비될 수 있다.
본 실시예에서, 제 1 색분리소자(150)는 입사광(L)을 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)과, 제 2 원색광(C2)로 분리한다. 제 1 색분리소자(150)는 제 2 화소 영역(PX2)에 마주하게 배치되어, 제 2 원색광(C2)을 제 2 화소 영역(PX2)을 향하는 방향으로, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 제 2 원색광(C2)이 향하는 방향을 사이에 둔 두 방향으로 분기한다. 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)은 제 2 원색광(C2)이 향하는 방향에 대칭인 두 방향으로 분기될 수 있고, 예를 들어, 제 2 화소 영역(PX2) 양측에 배치된 두 제 1 화소 영역(PX1)을 향하는 방향으로 분기될 수 있다. 제 1 색분리소자(150)가 센서 어레이부(110)와 마주하는 단면 형상은 도시된 바와 같이 직사각형일 수 있고, 직사각형의 장변이 제2축(A2) 방향과 나란하도록 제 1 색분리소자(150)가 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3), 예를 들어, 제 1 원색광(C1), 제 2 원색광(C2), 제 3 원색광(C3)을 각각 청색, 녹색, 적색의 광이라고 할 때, 마젠타 광이 입사된다. 그리고, 제 2 화소 영역(PX2)에는 녹색광이 입사된다. 도 2에서 표시한 실선 화살표는 제 1 색분리소자(150)에 의해 마젠타 광이 분기되는 방향을 표시하고 있다. 마젠타 광은 제 2 화소 영역(PX2)에 가로 방향으로 이웃하는 제 1 화소 영역(PX1)으로 입사한다. 녹색광은 제 1 색분리소자(150)의 직하부에 위치하는 제 2 화소 영역(PX2)에 입사한다.
제 1 화소 영역(PX1)에 입사된 마젠타 광이 제 1 광센싱층(112)을 지날 때, 청색광 성분이 먼저 흡수된다. 흡수된 청색 광량에 따른 크기의 전기적 신호가 제 1 광센싱층(112)에서 발생한다. 다음, 제 3 광센싱층(116)에서 적색광이 흡수되고, 흡수된 적색 광량에 따른 크기의 전기적 신호가 제 3 광센싱층(116)에서 발생한다.
도 3은 도 1의 이미지 센서(1)에서 제 2 화소 영역(PX2)에 흡수되는 광의 스펙트럼을 예시적으로 보이며, 도 4는 도 1의 이미지 센서(1)에서 제 1 화소 영역(PX1)에 흡수되는 광의 스펙트럼을 예시적으로 보인다.
전술한 바와 같이, 제 1 색분리소자(150)에 의해 녹색광은 제 2 화소 영역(PX2)을 향하는 방향으로, 적색광과 청색광이 혼합된 광이 제 1 화소 영역(PX1)을 향하는 방향으로 분기된다.
도 3을 참조하면, 제 2 화소 영역(PX2)에서 흡수되는 광의 스펙트럼은 주로 녹색 파장 대역이며, 이 외에, 적색, 청색 파장 대역의 광을 일부 포함하는 것은 제 1 색분리소자(150)의 색분리효율에 기인하는 것으로 볼 수 있다.
도 4를 참조하면, 제 1 화소 영역(PX1)에서 흡수되는 광의 스펙트럼은 적색, 청색 파장대역이며, 색분리효율에 의해, 녹색 파장 대역의 광이 일부 포함되고 있다. 제 1 화소 영역(PX1)은 청색광과 적색광을 순차적으로 센싱하는 적층 구조를 채용하고 있으므로, Blue로 표시한 파장 대역이 제 1 광센싱층(112)에서 센싱되고, Red로 표시한 파장 대역의 제 3 광센싱층(116)에서 센싱된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이들 파장 대역의 중첩은 매우 적으며, 이러한 현상은 제 1 화소 영역(PX1)에서 센싱하는 적색, 청색의 색순도에 반영되므로, 양호한 색순도가 구현된다.
상술한 바와 같이 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 입사광의 컬러 성분을 추출하기 위한 컬러 필터를 사용하지 않고, 광을 컬러에 따라 분기하는 색분리소자를 사용하여 색분리를 하므로 광효율이 높다. 또한, 도 4에서 살펴본 바와 같이, 제 1 화소 영역(PX1)에는 청색 파장 대역과 적색 파장 대역이 혼합된 광이 입사되며, 이 때, 적층형의 광센싱 구조를 채용하여 파장 차이가 큰, 청색광과 적색광을 순차적으로 센싱하기 때문에 컬러 겹침이 적어 제 1 화소 영역(PX1)에서 감지되는 광의 색순도가 양호하다.
도 5는 비교예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 6은 도 5의 이미지 센서의 광센싱층 각각에서 흡수되는 광의 스펙트럼들을 보인다.
비교예에 따른 이미지 센서는 청색, 녹색, 적색을 감지하는 광센싱층(41)(42)(43)이 적층된 형태를 갖는다. 이와 같은 형태의 이미지 센서는 컬러 필터를 사용하지 않고 광센싱층(41)(42)(43)에서 컬러를 분리하여 센싱할 수 있다. 광센싱층(41)(42)(43) 각각은 청색, 녹색, 적색광에 해당하는 에너지를 흡수하고 전기적 신호가 발생되도록 에너지 밴드갭이 설정되는데, 광센싱층(41)(42)(43) 각각에서 흡수되는 광의 파장 대역의 중첩이 발생할 수 있다.
도 6을 참조하면, B로 표시한 그래프는 광센싱층(41)에서 흡수되는 광의 스펙트럼이고, G로 표시한 그래프는 광센싱층(42)에서 흡수되는 광의 스펙트럼이며, R로 표시한 그래프는 광센싱층(43)에서 흡수되는 광의 스펙트럼이다. 도시된 바와 같이, 각 광센싱층(41)(42)(43) 에서 흡수되는 광의 파장 대역에는 상당한 중첩이 있으며, 이는 색순도를 저하시키는 원인이 된다.
비교예와 달리, 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 일부 화소 영역에서만 광센싱층의 적층 구조를 채용하며 이 때, 파장 대역의 중첩이 감소하도록 적색 광센싱층과 청색 광센싱층을 적층한 형태를 사용하고 있어 광효율 증가와 색순도 향상이 함께 구현된다.
이하, 다양한 변형예들에 따른 이미지 센서의 구조를 살펴보기로 한다.
도 7은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(2)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
본 실시예의 이미지 센서(2)는 서로 이웃하게 배치되는 제 1 색분리소자(151)(152)의 배치 형태에서 도 1의 이미지 센서(1)와 차이가 있다. 제 1 색분리소자(151)(152)가 센서 어레이부(110)와 마주하는 단면 형상은 직사각형이며, 각각 장변의 방향이 서로 수직하게 엇갈려 배치되고 있다. 즉, 제 1 색분리소자(151)는 장변이 제2축(A2) 방향과 나란하게, 제 1 색분리소자(152)는 장변이 제1축(A1) 방향과 나란하게 배치된다.
도면에 표시한 실선 화살표는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)이 분기하는 방향을 나타낸다. 즉, 제 1 색분리소자(151)(152)는 제 2 원색광(C2)은 직하부의 제 2 화소 영역(PX2)으로 입사시키고, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 제 2 화소 영역(PX2)에 이웃하는 제 1 화소 영역(PX1)으로 입사시킨다. 구체적으로, 제 1 색분리소자(151)는 제 2 화소 영역(PX2)과 가로 방향, 즉, 제1축(A1) 방향으로 인접한 양측의 제 1 화소 영역(PX1)으로 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 입사시킨다. 제 1 색분리소자(152)는 제 2 화소 영역(PX2)과 세로 방향, 즉, 제2축(A2) 방향으로 인접한 양측의 제 1 화소 영역(PX1)으로 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 입사시킨다. 제 1 색분리소자(151)(152)의 이러한 배치에 따라, 제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광이, 제 2 화소 영역(PX2)에는 제 2 원색광(C2)이 입사된다.
도 8은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(3)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
본 실시예의 이미지 센서(3)는 제 1 색분리소자(153)의 단면 형상에서 전술한 실시예들과 차이가 있다. 제 1 색분리소자(153)는 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하게 배치되며, 센서 어레이부(110)와 마주하는 단면 형상이 십자형이다. 십자형을 이루는 두 방향은 화소 영역들이 어레이된 제1축(A1) 및 제2축(A2) 방향과 나란한 방향이다. 제 1 색분리소자(153)는 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)과 제1축(A1) 및 제2축(A2) 방향을 따라 인접한 네 개의 제 1 화소 영역(PX1)에 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 입사시키고, 마주하게 배치된 제 2 화소 영역(PX2)에 제 2 원색광(C2)을 입사시킨다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(4)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
본 실시예에서, 제 1 색분리소자(154)는 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하게 배치되고, 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하는 형상이 직사각형이며, 직사각형의 장변이 제 2 화소 영역(PX2)의 대각 방향과 나란하도록 배치되어 있다. 복수의 제 1 색분리소자(154)들은 제 2 화소 영역(PX2)의 대각 방향과 나란한 방향을 따라 서로 연결된 형태를 이룰 수 있다.
제 1 색분리소자(154)는 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로 제 2 원색광(C2)을 입사시키고, 제 2 화소 영역(PX2)과 가로 방향, 세로 방향을 따라 이웃하는 네 개의 제 1 화소 영역(PX1)에 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 입사시킨다.
도 10은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(5)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
본 실시예에서, 제 1 색분리소자(155)는 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하게 배치되고, 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하는 형상이 십자형이며, 십자형을 이루는 두 방향은 제 2 화소 영역(PX2)의 두 대각 방향과 나란한 방향이다. 또한, 도시된 바와 같이, 복수의 제 1 색분리소자(155)들은 복수의 제 2 화소 영역(PX2)의 두 대각 방향과 나란한 방향을 따라 서로 연결된 형태를 이룰 수 있다.
제 1 색분리소자(155)는 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로 제 2 원색광(C2)을 입사시키고, 제 2 화소 영역(PX2)과 가로 방향, 세로 방향을 따라 이웃하는 네 개의 제 1 화소 영역(PX1)에 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 입사시킨다.
도 11은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(6)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 12는 도 11의 이미지 센서(6)에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
이미지 센서(6)는 광을 센싱하는 광센싱층을 구비하는 다수의 화소 영역이 어레이된 센서 어레이부(110)와, 입사광을 색분리하여 센서 어레이부(110)에 입사되게 하는 제 2 색분리소자(160)를 포함한다.
본 실시예의 제 2 색분리소자(160)는 배치 위치 및 색을 분기하는 방식에서 전술한 실시예들과 차이가 있다.
제 2 색분리소자(160)는 제 1 화소 영역(PX1)과 마주하게 배치된다. 제 2 색분리소자(160)는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 마주하는 제 1 화소 영역(PX1)을 향하는 방향으로, 제 2 원색광(C2)을 상기 방향에 대칭인 두 방향으로, 즉, 제 1 화소 영역(PX1) 양측의 두 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기한다.
도 12의 평면도에서 도시한 점선 화살표는 제 2 원색광(C2)이 분기되는 방향을 나타내고 있다. 제 2 색분리소자(160)의 상기한 색분리 기능에 따라, 제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광이 입사되고, 제 2 화소 영역(PX2)에는 제 2 원색광(C2)이 입사된다.
이러한 색분리 기능을 가지는 제 2 색분리소자(160)의 배치는 도 7 내지 도 10에서 설명한 것과 같은 배치로 변형될 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(7)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 14는 도 13의 이미지 센서(7)에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
이미지 센서(7)는 광을 센싱하는 광센싱층을 구비하는 다수의 화소 영역이 어레이된 센서 어레이부(110)와, 입사광을 색분리하여 센서 어레이부(110)에 입사되게 하는 제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)를 포함한다.
본 실시예의 이미지 센서(7)는 서로 다른 색분리 기능을 가지는 제 1 색분리소자(150) 및 제 2 색분리소자(160)을 포함한다.
제 1 색분리소자(150)는 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하게 배치되며, 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광을 제 2 화소 영역(PX2)에 이웃하는 양측의 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다.
제 2 색분리소자(160)는 제 1 화소 영역(PX1)과 마주하게 배치되며, 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광을 제 2 화소 영역(PX2)에 이웃하는 양측의 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다.
제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)은 전술한 바와 같이, 구조물의 형상 및 굴절률에 의해 출사광의 분포 형태를 조절할 수 있는 소자이며, 제 1 색분리소자(150)와 제 2 색분리소자(160)는 서로 다른 재질 및/또는 서로 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 같은 재질 및 다른 형상으로 구성되거나, 또는 다른 재질의 같은 형상으로 구성될 수도 있다. 제 1 색분리소자(150)와 제 2 색분리소자(160)를 같은 재질의 서로 다른 형상으로 형성하는 것이 제조 과정상 보다 용이할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제 2 색분리소자(160)은 제 1 색분리소자(150)보다 세로 길이와 가로 폭이 더 큰 형상을 가질 수 있고, 다만, 이는 예시적인 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)은 투명 유전체층(130) 내에 매립될 수 있고, 투명 유전체층(130)의 상부에는 입사광(L)을 제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160) 각각에 집속되게 하는 마이크로 렌즈 어레이(192)가 더 구비될 수 있다.
제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)의 단면 형상은 직사각형일 수 있고, 장변이 제2축(A2)과 나란한 방향이 되도록 제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)가 배치될 수 있다.
도 14에서 실선 화살표는 제 1 색분리소자(150)에 의해 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광이 분기되는 방향이고, 점선 화살표는 제 2 색분리소자(160)에 의해 제 2 원색광(C2)이 분기되는 방향을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 제 1 화소 영역(PX1)에는 마주하는 제 2 색분리소자(160)에 의해 분기된 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)과, 인접한 양측의 제 1 색분리소자(150)에 의해 분기된 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광이 입사된다. 제 2 화소 영역(PX2)에는 마주하는 제 1 색분리소자(150)에 의해 분기된 제 2 원색광(C2)과 인접한 양측의 제 2 색분리소자(160)에 의해 분기된 제 2 원색광(C2)이 입사된다.
본 실시예와 같이, 두 가지 종류의 색분리소자를 채용하는 경우, 구조는 다소 복잡해지지만, 제 1 화소 영역(PX1)과 제 2 화소 영역(PX2)에 컬러 광을 분리 입사시키는 효율은 보다 높아질 수 있다.
도 15는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(8)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
본 실시예의 이미지 센서(8)는 제 1 색분리소자(151), 제 2 색분리소자(161)의 배치 형태에서 도 13의 이미지 센서(7)와 차이가 있다.
제 1 색분리소자(151), 제 2 색분리소자(161)의 단면 형상은 직사각형이며, 제 1 색분리소자(151)의 장변은 제2축(A2)과 나란하게, 제 2 색분리소자(161)의 장변은 제1축(A1)과 나란하게 배치되어 있다. 따라서, 제 1 색분리소자(151)는 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기하고, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)은 제 2 화소 영역(PX2)과 가로 방향으로 인접한 두 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다. 그리고, 제 2 색분리소자(161)는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 제 1 화소 영역(PX1)과 세로 방향으로 인접한, 두 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기한다.
제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)이, 제 2 화소 영역(PX2)에는 제 2 원색광(C2)이 입사된다.
도 16은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(9)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
제 1 및 제 2 색분리소자(152)(162)의 단면 형상은 십자 형상이며, 십자를 이루는 두 방향은 제1축(A1) 및 제2축(A2)에 나란한 방향이다.
제 1 색분리소자(152)는 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기하고, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)은 제 2 화소 영역(PX2)과 가로 및 세로 방향으로 인접한 네 개의 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다. 그리고, 제 2 색분리소자(161)는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 제 1 화소 영역(PX1)과 가로 및 세로 방향으로 인접한, 네 개의 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기한다.
제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)이, 제 2 화소 영역(PX2)에는 제 2 원색광(C2)이 입사된다.
도 17은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(10)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
제 1 색분리소자(153)는 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하게 배치되며, 제 1 색분리소자(153)의 단면 형상은 직사각형이며, 직사각형의 장변이 제 2 화소 영역(PX2)의 대각 방향과 나란하게 배치되어 있다.
제 2 색분리소자(163)는 제 2 화소 영역(PX1)과 마주하게 배치되며, 제 2 색분리소자(163)의 단면 형상은 직사각형이며, 직사각형의 장변이 제 1 화소 영역(PX1)의 대각 방향과 나란하게 배치되어 있다.
도시된 바와 같이, 복수의 제 1 색분리소자(153)들은 제 2 화소 영역(PX2)의 대각 방향과 나란한 방향을 따라 연결된 형태를 가질 수 있다. 그리고, 복수의 제 2 색분리소자(163)들은 제 1 화소 영역(PX1)의 대각 방향과 나란한 방향을 따라 연결된 형태를 가질 수 있다.
제 1 색분리소자(153)는 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기하고, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)은 제 2 화소 영역(PX2)과 가로 및 세로 방향으로 인접한 네 개의 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다. 그리고, 제 2 색분리소자(163)는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 제 1 화소 영역(PX1)과 가로 및 세로 방향으로 인접한, 네 개의 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기한다.
제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)이, 제 2 화소 영역(PX2)에는 제 2 원색광(C2)이 입사된다.
도 18은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(11)의 개략적인 구성을 보이는 평면도이다.
제 1 및 제 2 색분리소자(154)(164)는 각각 제 2 화소 영역(PX2), 제 1 화소 영역(PX1)과 마주하게 배치되며, 제 1 및 제 2 색분리소자(154)(164)의 단면 형상은 십자형이며, 십자를 이루는 두 방향은 화소 영역의 두 대각 방향과 나란한 방향이다.
제 1 색분리소자(154)는 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기하고, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)은 제 2 화소 영역(PX2)과 가로 및 세로 방향으로 인접한 네 개의 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다. 그리고, 제 2 색분리소자(164)는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 제 1 화소 영역(PX1)과 가로 및 세로 방향으로 인접한, 네 개의 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기한다.
제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)이, 제 2 화소 영역(PX2)에는 제 2 원색광(C2)이 입사된다.
도 19는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(12)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 20은 도 19의 이미지 센서(12)에서 화소 영역들과 색분리 소자들의 상대적인 배치 관계를 보이는 평면도이다.
이미지 센서(12)는 광을 센싱하는 광센싱층을 구비하는 다수의 화소 영역들이 어레이된 센서 어레이부(120)와, 입사광을 색분리하여 센서 어레이부(120)에 입사되게 하는 제 1 색분리소자(150)를 포함한다.
본 실시예의 이미지 센서(12)는 센서 어레이부(120)의 구체적인 구성에서 전술한 실시예들과 차이가 있다. 센서 어레이부(120)는 제 1 내지 제 3 화소 영역(PX1)(PX2)(PX3)을 포함한다.
제 1 색분리소자(150)는 이전 실시예들에서 설명한 바와 같이, 센서 어레이부(120)의 광 입사측에 배치되어 서로 다른 파장의 빛이 서로 다른 화소 영역에 입사하도록 입사광을 파장에 따라 각각 분리하는 역할을 한다. 제 1 색분리소자(150)는 제 2 화소 영역(PX2)에 마주하게 배치되어, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 제 2 화소 영역(PX2) 양측에 배치된 제 1 화소 영역(PX1), 제 3 화소 영역(PX3)을 향하는 두 방향으로 분기하고, 제 2 원색광(C2)을 제 2 화소 영역(PX2)을 향하게 한다.
센서 어레이부(120)는 이차원적으로 반복 배열된 제 1 화소 영역(PX1)과 제 2 화소 영역(PX2), 제 3 화소 영역(PX3)을 포함한다. 도 20의 평면도를 참조하면, 첫번째 줄에서는 제 1 화소 영역(PX1), 제 2 화소 영역(PX2), 제 3 화소 영역(PX3), 제 2 화소 영역(PX2)의 규칙으로 화소 영역들이 배치되고, 두번째 줄에서는 제 2 화소 영역(PX2), 제 3 화소 영역(PX3), 제 2 화소 영역(PX2), 제 1 화소 영역(PX1)의 규칙으로 화소 영역들이 배치된다.
제 1 화소 영역(PX1)은 제 1 원색광(C1)은 센싱하는 제 1 광센싱층(122)을 포함하고, 제 2 화소 영역(PX2)은 제 2 원색광(C2)은 센싱하는 제 2 광센싱층(124)을 포함하며, 제 3 화소 영역(PX3)은 제 3 원색광(C3)을 센싱하는 제 3 광센싱층(126)을 포함한다. 제 1 광센싱층(122)과 제 3 광센싱층(126)은 제 1 색분리소자(150)로부터의 거리가 서로 다른 깊이 위치에 배치된다. 즉, 제 1 화소 영역(PX1)에는 광이 입사하는 방향을 따라, 제 1 광센싱층(122), 광흡수층(123)이 순서대로 배치되고, 제 3 화소 영역(PX3)에는 광이 입사하는 방향을 따라, 광흡수층(125), 제 3 광센싱층(126)이 순서대로 배치된다.
제 1 내지 제 3 광센싱층(122)(124)(126)은 광을 감지하고 전기적 신호를 발생시키는 소자로서, 각각 제 1 원색광(C1), 제 2 원색광(C2), 제 3 원색광(C3)을 감지하도록 구성된다. 제 1 원색광(C1), 제 2 원색광(C2), 제 3 원색광(C3)은 각각 청색, 녹색, 적색의 광일 수 있다. 제 1 내지 제 3 광센싱층(122)(124)(126)은 반도체 물질로 된 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기반의 포토 다이오드로서, 도핑 농도를 적절히 설정하여 원하는 밴드갭 에너지를 설정할 수 있다. 제 1 화소 영역(PX1)의 제 1 광센싱층(122)과 제 3 화소 영역(PX3)의 제 3 광센싱층(126) 중, 높은 밴드갭 에너지를 가지는 층, 즉, 파장이 짧은 광을 센싱하는 층이 제 1 색분리소자(150)에 더 가깝게 배치된다.
광흡수층(123)(125)은 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 광흡수층(123)(125)은 입사광을 흡수하되, 이에 의한 전기적 신호의 생성은 없는 층이며, 예를 들어, P-N 접합 구조가 형성되지 않은 실리콘층일 수 있다. 이러한 반도체 물질에서 광의 흡수될 때, 통상, 단파장의 광이 장파장의 광보다 먼저 흡수된다. 따라서, 청색광인 제 1 원색광(C1)을 센싱하는 제 1 광센싱층(122)은 광흡수층(123) 위에 배치하여, 제 1 색분리소자(150)로부터 분리된 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광이 제 1 화소 영역(PX1)에 입사하면, 제 1 원색광(C1)이 제 1 광센싱층(112)에 의해 센싱될 수 있도록 하고 있다. 그리고, 적색광인 제 3 원색광(C3)을 센싱하는 제 3 광센싱층(126)은 광흡수층(125) 아래에 배치하여, 제 3 화소 영역(PX3)에 입사되는 광(C1+C3) 중 단파장 대역의 제 1 원색광(C1)이 광흡수층(125)에서 흡수된 다음, 제 3 원색광(C3)이 제 3 광센싱층(126)에서 센싱될 수 있도록 하고 있다.
이러한 구조에 따라, 센서 어레이부(120)는 제 1 화소 영역(PX1)에서 청색광을 센싱하고, 제 2 화소 영역(PX2)에서 녹색광을 센싱하고, 제 3 화소 영역(PX3)에서 적색광을 센싱한다. 센서 어레이부(120)에서 센싱하는 광의 컬러 배치는 이미지 센서에 일반적으로 사용되는 베이어(Bayer) 컬러 필터의 컬러 배치와 동일한 패턴이다. 즉, 센서 어레이부(120)는 1 내지 4 사분면의 컬러 배치가 청색, 녹색, 적색, 녹색이 되는 기본 단위가 반복되는 형태로 광을 센싱할 수 있다. 따라서, 기존 이미지 센서에서의 색처리 방식을 그대로 사용할 수 있다는 이점이 있다.
본 실시예에서 제 1 색분리소자(150)의 단면 형상이 장변이 제2축(A2)과 나란한 직사각형인 것으로 설명하였으나, 도 7 내지 도 10에서 설명한 다양한 변형예들이 본 실시예에도 적용될 수 있다. 즉, 제 1 색분리소자(150)의 단면 형상은 직사각형으로 장변의 방향의 제1축(A1)과 나란한 방향일 수 있고, 복수의 제 1 색분리소자(150)가 직사각형 장변의 방향이 제1축(A1) 및 제2축(A2)에 각각 나란한 두가지 형태로 교번 배치될 수도 있다. 이외에도, 제 1 색분리소자(150)의 단면 직사각형 형상의 장변이 제 2 화소 영역(PX2)의 대각방향과 나란할 수 있고, 단면 형상이 십자형일수도 있다.
도 21은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(13)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
이미지 센서(13)는 광을 센싱하는 광센싱층을 구비하는 다수의 화소 영역들이 어레이된 센서 어레이부(120)와, 입사광을 색분리하여 센서 어레이부(120)에 입사되게 하는 제 2 색분리소자(160)를 포함한다.
센서 어레이부(120)는 이차원적으로 반복 배열된 제 1 화소 영역(PX1)과 제 2 화소 영역(PX2), 제 3 화소 영역(PX3)을 포함한다. 제 1 화소 영역(PX1)에는 제 1 원색광(C1)을 센싱하는 제 1 광센싱층(122)을 포함하고, 제 2 화소 영역(PX2)은 제 2 원색광(C2)를 센싱하는 제 2 광센싱층(124)을 포함하며, 제 3 화소 영역(PX3)은 제 3 원색광을 센싱하는 제 3 광센싱층(126)을 포함한다. 제 1 광센싱층(122)과 제 3 광센싱층(126)은 제 2 색분리소자(160)로부터의 거리가 다른 깊이 위치에 배치된다.
제 2 색분리소자(160)는 제 1 화소 영역(PX1)과 마주하게 배치된다. 제 2 색분리소자(160)는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)을 마주하는 제 1 화소 영역(PX1)을 향하는 방향으로, 제 2 원색광(C2)을 상기 방향에 대칭인 두 방향으로, 즉, 제 1 화소 영역(PX1) 양측의 두 제 2 화소 영역(PX2)으로 분기한다.
이러한 색분리 기능을 가지는 제 2 색분리소자(160)의 배치도 도 7 내지 도 10에서 설명한 것과 같은 배치로 변형될 수 있다.
도 22는 다른 실시예에 따른 이미지 센서(14)의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
이미지 센서(14)는 광을 센싱하는 광센싱층을 구비하는 다수의 화소 영역이 어레이된 센서 어레이부(120)와, 입사광을 색분리하여 센서 어레이부(120)에 입사되게 하는 제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)를 포함한다.
본 실시예의 이미지 센서(14)는 서로 다른 색분리 기능을 가지는 제 1 색분리소자(150) 및 제 2 색분리소자(160)을 포함한다.
제 1 색분리소자(150)는 제 2 화소 영역(PX2)과 마주하게 배치되며, 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광을 제 2 화소 영역(PX2)에 이웃하는 양측의 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다.
제 2 색분리소자(160)는 제 1 화소 영역(PX1)과 마주하게 배치되며, 제 2 원색광(C2)을 마주하는 제 2 화소 영역(PX2)으로, 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광을 제 2 화소 영역(PX2)에 이웃하는 양측의 제 1 화소 영역(PX1)으로 분기한다.
제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)은 전술한 바와 같이, 구조물의 형상 및 굴절률에 의해 출사광의 분포 형태를 조절할 수 있는 소자이다. 도시된 바와 같이, 제 2 색분리소자(160)은 제 1 색분리소자(150)보다 세로 길이와 가로 폭이 더 큰 형상을 가질 수 있고, 다만, 이는 예시적인 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)은 투명 유전체층(130) 내에 매립될 수 있고, 투명 유전체층(130)의 상부에는 입사광(L)을 제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160) 각각에 집속되게 하는 마이크로 렌즈 어레이(192)가 더 구비될 수 있다.
제 1 화소 영역(PX1)에는 마주하는 제 2 색분리소자(160)에 의해 분기된 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)과, 인접한 양측의 제 1 색분리소자(150)에 의해 분기된 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광이 입사된다. 제 2 화소 영역(PX2)에는 마주하는 제 1 색분리소자(150)에 의해 분기된 제 2 원색광(C2)과 인접한 양측의 제 2 색분리소자(160)에 의해 분기된 제 2 원색광(C2)이 입사된다. 제 3 화소 영역(PX3)에는 마주하는 제 2 색분리소자(160)에 의해 분기된 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)과, 인접한 양측의 제 1 색분리소자(150)에 의해 분기된 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광이 입사된다.
제 1 화소 영역(PX1)과 제 3 화소 영역(PX3)에 입사되는 제 1 원색광(C1)과 제 3 원색광(C3)이 혼합된 광(C1+C3) 중, 제 1 원색광(C1)이 제 1 화소 영역(PX1)이 제 1 광센싱층(122)에서 센싱되고, 제 3 원색광(C3)이 제 3 화소 영역(PX3)의 제 3 광센싱층(126)에서 센싱된다.
본 실시예와 같이, 두 가지 종류의 색분리소자를 채용하는 경우, 제 1 화소 영역(PX1), 제 2 화소 영역(PX2), 제 3 화소 영역(PX3)에 컬러 광을 분리 입사시키는 효율은 보다 높아질 수 있다.
제 1 및 제 2 색분리소자(150)(160)의 형상은 도 15 내지 도 18에서 예시한 바와 같은 형태로 변형될 수 있다.
이상 설명과 같이, 색분리소자에 의해 광을 컬러 별로 분리하고, 광을 센싱하는 화소 영역은 광센싱층의 적층 구조 및 수평 구조를 함께 채용하여, 광효율과 색순도를 향상시킬 수 있는 다양한 예들을 설명하였다. 설명된 구체적인 형태는 예시적인 것이며, 이들의 다양한 변형 및 조합이 가능하다.
도 23은 실시예에 따른 촬상장치(1000)의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
촬상 장치(1000)는 물체(OBJ)로부터 반사된 광을 집속하여 광학 상(optical image)을 형성하는 촬영 렌즈부(1200)와, 촬영 렌즈부(1200)에서 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서(1400)를 포함한다. 이미지 센서(1400)와 촬영 렌즈부(1200) 사이에는 적외선 차단 필터가 더 배치될 수 있다.
이미지 센서(1400)는 전술한 실시예의 이미지 센서(1-14) 중 어느 하나 또는 이들을 선택적으로 조합한 형태의 이미지 센서일 수 있다.
촬상 장치(1000)는 또한, 이미지 센서(1400)에서의 전기적 신호를 영상 신호로 처리하는 영상 처리부(1600)를 포함한다. 영상 처리부(1600)는 이미지 센서(1400)에서 센싱된 컬러별 신호에 대해, 노이즈 제거, 색 보간(color interpolation) 등의 작업을 수행하여 영상을 형성한다. 촬상 장치(1000)는 또한, 영상 처리부(1600)에서 형성한 영상을 표시하는 디스플레이부(1700), 영상 처리부(1600)에서 형성한 영상 데이터를 저장하는 메모리(1800)를 더 포함할 수 있다.
이미지 센서(1400)는 전술한 바와 같이, 광을 컬러에 딸 분리하여 복수의 화소 영역에 입사시키는 색분리소자를 구비하며, 광을 센싱하는 화소 영역은 광센싱층의 적층 구조 및 수평 구조를 함께 채용하고 있어, 광효율과 색순도를 향상시킬 수 있다.
이러한 이미지 센서, 이를 채용한 촬상 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
101,102,103,104,1400...이미지 센서
110, 112...기판
110R, 110G, 110B...제1, 제2, 제3 광검출 소자
130, 132...컬러 필터 어레이층
135...반사성 격벽
130R, 130G, 130B...제1, 제2, 제3 컬러 필터
150...투명 스페이서층
170, 172, 173, 174...색분리 소자
190...마이크로 렌즈
1000...촬상 장치

Claims (31)

  1. 입사광을, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광과, 제 2 원색광으로 분리하는 제 1 색분리소자와 제 2 색분리소자;
    상기 제 1 색분리 소자, 제 2 색분리 소자에서 분리되어 입사되는 광을 센싱하는 것으로,
    상기 제 1 원색광을 센싱하는 제 1 광센싱층과 상기 제 3 원색광을 센싱하는 제 3 광센싱층이 적층된 제 1 화소 영역과
    상기 제 2 원색광을 센싱하는 제 2 광센싱층을 포함하는 제 2 화소 영역을 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 화소 영역이 교대로 반복되며, 제 1 및 제 2 축을 따라 이차원적으로 배열된 센서 어레이부;를 포함하며,
    상기 제 1 색분리소자는
    상기 제 2 화소 영역과 마주하는 위치에 배치되어, 상기 제 2 원색광을 상기 제 2 화소 영역을 향하는 제 1 방향으로 분기하고, 상기 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기하며,
    상기 제 2 색분리소자는
    상기 제 1 화소 영역에 마주하게 배치되어,상기 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 화소 영역을 향하는 제 3 방향으로 분기하고, 상기 제 2 원색광을 상기 제 3 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기하며,
    상기 제 1 및 제 2 색분리소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 십자형인,
    이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 화소 영역에서,
    상기 제 1 광센싱층과 제 3 광센싱층 중에서 파장이 짧은 광을 센싱하는 층이 상기 제 1 색분리소자에 가까운 위치에 배치되는, 이미지 센서.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 십자형을 이루는 두 방향은 상기 제 1 및 제 2 축 방향과 나란한, 이미지 센서.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 십자형을 이루는 두 방향은 상기 제 1 화소 영역의 두 대각 방향과 나란한, 이미지 센서.
  20. 입사광을, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광과, 제 2 원색광으로 분리하는 제 1 색분리소자와 제 2 색분리소자;
    상기 제 1 색분리소자, 제 2 색분리소자에서 분리되어 입사되는 광을 센싱하는 것으로,
    상기 제 1 원색광을 센싱하는 제 1 광센싱층을 포함하는 제 1 화소 영역과,
    상기 제 2 원색광을 센싱하는 제 2 광센싱층을 포함하는 제 2 화소 영역과,
    상기 제 3 원색광을 센싱하는 제 3 광센싱층과 상기 제 1 원색광을 흡수하는 광흡수층이 적층된 제 3 화소 영역을 포함하며,
    상기 제 1, 제 2 및 제 3 화소 영역이 교대로 반복되며 제 1 및 제 2 축을 따라 이차원적으로 배열되고, 상기 제 1 광센싱층과 제 3 광센싱층은 상기 제 1 색분리 소자로부터의 거리가 서로 다른 깊이 위치에 배치되는 센서 어레이부;를 포함하며,
    상기 제 1 색분리 소자는
    제 2 화소 영역과 마주하는 위치에 배치되어, 제 2 원색광을 상기 제 2 화소 영역을 향하는 제 1 방향으로 분기하고, 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기하며,
    상기 제 2 색분리 소자는
    상기 제 1 화소 영역에 마주하게 배치되어,상기 제 1 원색광과 제 3 원색광이 혼합된 광을 상기 제 1 화소 영역을 향하는 제 3 방향으로 분기하고, 상기 제 2 원색광을 상기 제 3 방향에 대해 대칭인 두 방향으로 분기하며,
    상기 제 1 및 제 2 색분리소자는 상기 센서 어레이부와 마주하는 단면 형상이 십자형인,
    이미지 센서.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 화소 영역에서,
    상기 제 1 광센싱층과 제 3 광센싱층 중에서 파장이 짧은 광을 센싱하는 층이 상기 제 1 색분리소자에 가까운 위치에 배치되는, 이미지 센서.
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  31. 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 촬영 렌즈부;
    상기 촬영 렌즈부에서 형성한 광학상을 전기적 신호로 변환하는 것으로, 제 1 항, 제 2 항, 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치.
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