KR102551141B1 - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제1 화소 전극과 제2 화소 전극을 포함하는 복수의 화소 전극, 흡광층 및 공통 전극을 포함하는 광전 변환 소자를 포함하고, 상기 광전 변환 소자는 상기 제1 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제1 광전 변환 영역, 그리고 상기 제2 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제2 광전 변환 영역을 포함하며, 상기 제1 광전 변환 영역의 감도는 상기 제2 광전 변환 영역의 감도보다 높은 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
Description
이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
디지털 카메라와 캠코더 등에는 영상을 촬영하여 전기적 신호로 저장하는 촬상 소자가 사용되고, 촬상 소자는 입사하는 빛을 파장에 따라 분해하여 각각의 성분을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함한다.
이미지 센서는 빛을 받아 전하로 변환시켜 저장소에 축적시킨 후 축적된 전하를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 이때 하나의 화소에 축적될 수 있는 전하량에 한계가 있으므로 표현하고자 하는 사물의 광량에 따라 적절한 축적 전하량이 되도록 적절한 노출 시간이 결정될 수 있다. 예컨대 어두운 저조도 환경에서는 긴 시간 동안 빛에 노출될 수 있고 밝은 고조도 환경에서는 짧은 시간 동안 빛에 노출될 수 있다.
그러나 밝은 사물과 어두운 사물이 공존하는 경우, 두 사물을 동시에 최적으로 표현할 수 있는 노출 시간을 정하기 어렵다. 이에 따라 이미지 센서는 표현할 수 있는 광량 범위, 즉 동적 범위(dynamic range)를 넓히는 기술이 연구되고 있다.
일 구현예는 넓은 동적 범위를 구현할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 반도체 기판, 그리고 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제1 화소 전극과 제2 화소 전극을 포함하는 복수의 화소 전극, 흡광층 및 공통 전극을 포함하는 광전 변환 소자를 포함하고, 상기 광전 변환 소자는 상기 제1 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제1 광전 변환 영역, 그리고 상기 제2 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제2 광전 변환 영역을 포함하며, 상기 제1 광전 변환 영역의 감도는 상기 제2 광전 변환 영역의 감도보다 높은 이미지 센서를 제공한다.
상기 제1 광전 변환 영역의 광전 변환 효율은 상기 제2 광전 변환 영역의 광전 변환 효율보다 높을 수 있다.
상기 제2 광전 변환 영역은 상기 제2 화소 전극과 상기 흡광층 사이에 위치하고 상기 흡광층으로부터 상기 제2 화소 전극으로의 전하 이동도를 낮추는 전하 제어층을 포함할 수 있다.
상기 전하 제어층은 무기물을 포함할 수 있다.
상기 전하 제어층은 상기 제2 화소 전극과 상기 흡광층 사이를 관통하는 적어도 하나의 관통구를 가질 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 화소 전극과 상기 제2 화소 전극 사이 및 상기 제2 화소 전극과 상기 흡광층 사이에 채워져 있는 평탄화층을 포함할 수 있다.
상기 평탄화층은 산화규소, 질화규소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 화소 전극은 제1 투명 도전체를 포함할 수 있고, 상기 제2 화소 전극은 제2 투명 도전체를 포함할 수 있고, 상기 제1 투명 도전체의 면저항은 상기 제2 투명 도전체의 면저항보다 낮을 수 있다.
상기 제1 투명 도전체와 상기 제2 투명 도전체는 면저항이 상이한 ITO 또는 IZO일 수 있고, 상기 제1 투명 도전체의 면저항은 상기 제2 투명 도전체의 면저항보다 10배 이상 낮을 수 있다.
상기 제1 투명 도전체와 상기 제2 투명 도전체는 각각 다른 종류의 금속을 포함하는 도전체일 수 있고, 상기 제1 투명 도전체의 면저항은 상기 제2 투명 도전체의 면저항보다 10배 이상 낮을 수 있다.
상기 제1 화소 전극과 상기 제2 화소 전극은 면적이 상이할 수 있다.
상기 제1 광전 변환 영역의 광전 변환 효율은 상기 제2 광전 변환 영역의 광전 변환 효율보다 약 1.5배 이상 높을 수 있다.
상기 제1 화소 전극과 상기 제2 화소 전극은 면적이 상이할 수 있다.
상기 제1 화소 전극은 상기 제2 화소 전극보다 약 1.5배 이상 클 수 있다.
상기 흡광층은 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중에서 선택된 하나인 제1 가시광을 선택적으로 흡수할 수 있고, 상기 반도체 기판은 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중에서 선택된 하나인 제2 가시광을 감지하는 제1 광 감지 소자, 그리고 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중에서 선택된 하나인 제3 가시광을 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 상기 제1 가시광, 상기 제2 가시광 및 상기 제3 가시광은 서로 다를 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 나란히 배치되어 있을 수 있다.
상기 제1 광전 변환 영역은 상기 제1 광 감지 소자 및 상기 제2 광 감지 소자 중 어느 하나와 중첩할 수 있고, 상기 제2 광전 변환 영역은 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자 중 다른 하나와 중첩할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상기 반도체 기판의 두께 방향으로 중첩하게 배치될 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
이미지 센서의 넓은 동적 범위를 확보할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 2 내지 도 5는 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 구현하는 예들을 보여주는 광전 변환 소자의 개략도이고,
도 6 및 도 7은 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 광전 변환 영역의 배치를 보여주는 개략도이고,
도 8은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 구현하는 예들을 보여주는 광전 변환 소자의 개략도이고,
도 6 및 도 7은 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 광전 변환 영역의 배치를 보여주는 개략도이고,
도 8은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예를 상세히 설명한다. 그러나 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.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하에서 '하부' 및 '상부' 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 위치 관계를 한정하는 것은 아니다.
이하에서 이미지 센서의 상부가 수광면으로 설명하지만 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 위치 관계를 한정하는 것은 아니다.
이하 일 구현예에 따른 이미지 센서에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2 내지 도 5는 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 구현하는 예들을 보여주는 광전 변환 소자의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 광전 변환 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 제1 및 제2 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있다. 제1 및 제2 광 감지 소자(50a, 50b)는 예컨대 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
제1 및 제2 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있다. 제1 및 제2 광 감지 소자(50a, 50b)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(55)는 후술하는 광전 변환 소자(100)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 제1 및 제2 광 감지 소자(50a, 50b)는 나란하게 배치되어 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(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50a, 50b)의 하부에 위치할 수도 있다.
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 절연막(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 서로 다른 파장 영역의 가시광을 투과시키는 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)를 포함한다. 도면에서는 제1 색 필터(70a)와 제2 색 필터(70b)를 도시하였으나, 제1 색 필터(70a) 및 제2 색 필터(70b)와 다른 파장 영역의 광을 투과시키는 제3 색 필터를 더 포함할 수 있다. 제1 색 필터(70a), 제2 색 필터(70b) 및 제3 색 필터는 각각 적색 필터, 청색 필터 및 녹색 필터 중에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
색 필터 층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터 층(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상부 절연층(80) 및 하부 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 광전 변환 소자(100)가 형성되어 있다.
광전 변환 소자(100)는 예컨대 유기 광전 변환 소자일 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 화소 전극(10), 공통 전극(20), 그리고 화소 전극(10)과 공통 전극(20) 사이에 위치하는 흡광층(30)을 포함한다.
화소 전극(10)은 각 화소마다 분리되어 배치되어 있으며, 예컨대 행 및 열을 따라 반복적으로 배치될 수 있다. 화소 전극(10)은 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b)을 포함하고, 예컨대 제1 화소 전극(10a)은 제1 광 감지 소자(50a)와 중첩하게 배치될 수 있고 제2 화소 전극(10b)은 제2 광 감지 소자(50b)와 중첩하게 배치될 수 있다. 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b)은 예컨대 산화규소, 질화규소 또는 이들의 조합과 같은 절연 물질로 만들어진 평탄화층(90)에 의해 분리되어 있을 수 있다. 각 화소 전극(10)은 트렌치(85)를 통하여 전하 저장소(55)와 전기적으로 연결되어 있다.
공통 전극(20)은 전면(whole surface)에 형성되어 있을 수 있다.
화소 전극(10)과 공통 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 화소 전극(10)과 공통 전극(20)은 각각 투광 전극일 수 있고, 상기 투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명 도전체, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있다.
흡광층(30)은 전면(whole surface)에 형성되어 있을 수 있으며, 단일층 또는 복수층일 수 있다.
흡광층(30)은 p형 반도체와 n형 반도체가 포함되어 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다.
흡광층(30)은 가시광선 파장 영역 중 적어도 일부 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 예컨대 약 500nm 내지 600nm 파장 영역의 녹색 광, 약 380nm 이상 500nm 미만의 파장 영역의 청색 광 및 약 600nm 초과 780nm 이하의 파장 영역의 적색 광 중 하나인 제1 가시광선 영역의 광(이하 '제1 가시광'이라 한다)을 선택적으로 흡수할 수 있다. 상기 p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 녹색 광, 청색 광 및 적색 광 중 하나를 선택적으로 흡수하는 흡광 물질일 수 있다. 상기 p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 유기 물질일 수 있다.
흡광층(30)은 예컨대 진성층(intrinsic layer, I층)일 수 있으며, 흡광층(30)의 일면 또는 양면에 p형 층 및/또는 n형 층을 더 포함할 수 있다. 예컨대 광전 변환 소자(100)는 화소 전극(10)과 공통 전극(20) 사이에 p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층 등 다양한 조합으로 포함될 수 있다. p형 층은 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
흡광층(30)은 예컨대 p형 층 및 n형 층을 포함할 수 있다. p형 층은 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
흡광층(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.
화소 전극(10)과 흡광층(30) 사이 및/또는 공통 전극(20)과 흡광층(30) 사이에는 보조층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 보조층은 흡광층(30)에서 분리된 정공과 전자의 이동도를 높여 광전 변환 소자(100)의 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
보조층은 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) 및 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layer, HBL)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보조층은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. 상기 유기물은 정공 또는 전자 특성을 가진 유기 화합물일 수 있고, 상기 무기물은 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물과 같은 금속 산화물일 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 공통 전극(20) 측으로부터 빛이 입사되어 흡광층(30)이 소정 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 흡광층(30)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 화소 전극(10)과 공통 전극(20) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 화소 전극(10)과 공통 전극(20) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다.
한편, 광전 변환 소자(100)는 각 화소(pixel)에 대응되는 복수의 광전 변환 영역을 포함할 수 있다. 예컨대 각 광전 변환 영역은 하나의 단위 화소 전극, 흡광층(30) 및 공통 전극(20)에 의해 구획되는 영역으로 정의될 수 있다. 상기 광전 변환 영역은 예컨대 제1 화소 전극(10a), 흡광층(30) 및 공통 전극(20)이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 화소 전극(10b), 흡광층(30) 및 공통 전극(20)이 중첩되는 영역에 의해 정의되는 제2 광전 변환 영역(100b)을 포함할 수 있다. 제1 광전 변환 영역(100a)는 제1 광 감지 소자(50a)와 중첩할 수 있고 제2 광전 변환 영역(100b)은 제2 광 감지 소자(50b)와 중첩할 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 감도(sensitivity)가 다른 복수의 광전 변환 영역을 포함한다. 예컨대 광전 변환 소자(100)는 고감도 광전 변환 영역과 저감도 광전 변환 영역을 포함할 수 있다. 여기서 고감도 및 저감도는 상대적인 것으로, 특정한 경계값에 의해 나누어지는 것은 아니다.
이와 같이 일 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 포함함으로써 이미지 센서에서 표현할 수 있는 광량 범위, 즉 동적 범위(dynamic range)를 넓힐 수 있다.
예컨대 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)은 감도가 다를 수 있다. 예컨대 제1 광전 변환 영역(100a)의 감도는 제2 광전 변환 영역(100b)의 감도보다 높을 수 있으며, 제1 광전 변환 영역(100a)은 고감도 광전 변환 영역일 수 있고 제2 광전 변환 영역(100b)은 저감도 광전 변환 영역일 수 있다.
제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 감도는 다양한 요인에 의해 다를 수 있다, 예컨대 광전 변환 효율, 광전 변환 영역의 면적 및/또는 노출 시간 등을 다르게 함으로써 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 감도를 다르게 할 수 있다.
일 예로, 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 광전 변환 효율을 다르게 함으로써 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 감도를 다르게 할 수 있다. 여기서 광전 변환 효율은 외부 양자 효율(external quantum efficiency, EQE)일 수 있다. 예컨대 제1 광전 변환 영역(100a)의 광전 변환 효율은 제2 광전 변환 영역(100b)의 광전 변환 효율보다 높을 수 있다. 예컨대 제1 광전 변환 영역(100a)의 광전 변환 효율은 제2 광전 변환 영역(100b)의 광전 변환 효율보다 약 1.5배 이상 높을 수 있으며, 예컨대 약 1.5배 내지 10배 높을 수 있다.
제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 광전 변환 효율을 다르게 하기 위한 일 예로, 흡광층(30)으로부터 제1 화소 전극(10a)으로의 전하 이동도와 흡광층(30)으로부터 제2 화소 전극(10b)으로의 전하 이동도를 다르게 할 수 있으며, 그 예를 도 2 내지 도 4를 참고하여 설명한다.
도 2를 참고하면, 제2 광전 변환 영역(100b)은 제1 광전 변환 영역(100a)과 달리, 제2 화소 전극(10b)과 흡광층(30) 사이에 전하 제어층(40)을 포함한다. 전하 제어층(40)은 제2 화소 전극(10b)과 흡광층(30) 사이에서 흡광층(30)으로부터 제2 화소 전극(10b)으로 이동하는 주요 전하의 이동도를 낮출 수 있다. 예컨대 화소 전극(10)이 애노드이고 공통 전극(20)이 캐소드인 경우, 전하 제어층(40)은 흡광층(30)으로부터 제2 화소 전극(10b)으로 이동하는 정공(hole)의 이동도를 낮출 수 있다. 예컨대 화소 전극(10)이 캐소드이고 공통 전극(20)이 애노드인 경우, 전하 제어층(40)은 흡광층(30)으로부터 제2 화소 전극(10b)으로 이동하는 전자(electron)의 이동도를 낮출 수 있다.
전하 제어층(40)은 예컨대 흡광층(30) 및 화소 전극(10)보다 도전성이 낮은 물질, 즉 저항이 큰 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 약 1x105 Ω/sq 이상의 면저항을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 약 1x106 Ω/sq 내지 1x109 Ω/sq의 면저항을 가지는 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전하 제어층(40)은 예컨대 무기물을 포함할 수 있으며, 예컨대 금속 산화물, 준금속 산화물, 금속 질화물, 준금속 질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 전하 제어층(40)은 예컨대 산화규소, 질화규소, 아연 산화물 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전하 제어층(40)은 제2 화소 전극(10b)과 흡광층(30) 사이를 관통하는 적어도 하나의 관통구(도시하지 않음)를 가질 수 있다. 상기 관통구는 제2 화소 전극(10b)과 흡광층(30) 사이에 전하가 축적되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 제1 광전 변환 영역(100a)은 전하 제어층(40)을 포함하지 않고 제2 광전 변환 영역(100b)은 전하 제어층(40)을 포함함으로써 제2 광전 변환 영역(100b)의 광전 변환 효율은 제1 광전 변환 영역(100a)의 광전 변환 효율보다 낮을 수 있으며, 이에 따라 제2 광전 변환 영역(100a)의 감도는 제1 광전 변환 영역(100b)의 감도보다 낮을 수 있다. 따라서 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 포함하는 광전 변환 소자(100)를 구현할 수 있다.
도 3을 참고하면, 제1 광전 변환 영역(100a)에 포함된 제1 화소 전극(10a)과 제2 광전 변환 영역(100b)에 포함된 제2 화소 전극(10b)의 두께가 다르다. 이에 따라 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b)을 분리하기 위한 평탄화층(90)이 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b) 사이 뿐만 아니라 제2 화소 전극(10b)과 흡광층(30) 사이에 채워질 수 있다. 평탄화층(90)은 예컨대 산화규소, 질화규소 또는 이들의 조합과 같이 절연 특성 또는 매우 낮은 도전 특성을 가지기 때문에, 별도의 전하 제어층 없이도 흡광층(30)으로부터 제2 화소 전극(10b)으로 이동하는 전하의 이동도를 낮출 수 있다.
이에 따라 제2 광전 변환 영역(100b)의 광전 변환 효율은 제1 광전 변환 영역(100a)의 광전 변환 효율보다 낮을 수 있으며, 이에 따라 제2 광전 변환 영역(100a)의 감도는 제1 광전 변환 영역(100b)의 감도보다 낮을 수 있다. 따라서 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 포함하는 광전 변환 소자(100)를 구현할 수 있다.
도 4를 참고하면, 제1 광전 변환 영역(100a)에 포함된 제1 화소 전극(10a)과 제2 광전 변환 영역(100b)에 포함된 제2 화소 전극(10b)은 면저항이 다른 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대 제1 화소 전극(10a)은 제1 투명 도전체를 포함하고 제2 화소 전극(10b)은 제2 투명 도전체를 포함할 때, 제1 투명 도전체의 면저항은 제2 투명 도전체의 면저항보다 낮을 수 있다. 예컨대 제1 투명 도전체의 면저항은 제2 투명 도전체의 면저항보다 약 10배 이상 낮을 수 있고, 예컨대 약 10배 내지 1000배 낮을 수 있다.
예컨대 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b)은 각각 ITO로 이루어질 수 있으며, 제1 화소 전극(10a)을 이루는 ITO와 제2 화소 전극(10b)을 이루는 ITO의 면저항은 다를 수 있다. 예컨대 상기 제1 화소 전극(10a)을 이루는 ITO는 제2 화소 전극(10b)을 이루는 ITO보다 약 10배 이상 낮은 면저항을 가질 수 있다. 여기서 ITO의 면저항은 스퍼터링 등의 증착 공정시 인듐, 주석과 같은 공급 원소의 함량, 공급 기체의 유량 및/또는 공정 조건 등을 변화시켜 조절될 수 있다.
예컨대 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b)은 각각 IZO로 이루어질 수 있으며, 제1 화소 전극(10a)을 이루는 IZO와 제2 화소 전극(10b)을 이루는 IZO의 면저항은 다를 수 있다. 예컨대 상기 제1 화소 전극(10a)을 이루는 IZO는 제2 화소 전극(10b)을 이루는 IZO보다 약 10배 이상 낮은 면저항을 가질 수 있다. 여기서 IZO의 면저항은 스퍼터링 등의 증착 공정시 인듐, 아연 등의 공급 원소의 함량, 공급 기체의 유량 및/또는 공정 조건 등을 변화시켜 조절될 수 있다.
예컨대 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b)은 면저항이 다른 금속을 포함할 수 있고, 예컨대 제1 화소 전극(10a)을 이루는 도전체는 제2 화소 전극(10b)을 이루는 도전체에 비해 약 10배 이상 낮은 면저항을 가질 수 있다.
이와 같이 제1 광전 변환 영역(100a)에 포함된 제1 화소 전극(10a)과 제2 광전 변환 영역(100b)에 포함된 제2 화소 전극(10b)의 면저항이 다름으로써, 제2 광전 변환 영역(100b)의 광전 변환 효율은 제1 광전 변환 영역(100a)의 광전 변환 효율보다 낮을 수 있으며, 이에 따라 제2 광전 변환 영역(100a)의 감도는 제1 광전 변환 영역(100b)의 감도보다 낮을 수 있다. 따라서 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 포함하는 광전 변환 소자(100)를 구현할 수 있다.
다른 일 예로, 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 면적을 다르게 함으로써 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 감도를 다르게 할 수 있다.
도 5를 참고하면, 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 면적은 다를 수 있다. 제1 및 제2 광전 변환 영역(100a, 100b)의 면적은 제1 및 제2 화소 전극(10a, 10b)의 면적에 따라 결정되므로, 제1 화소 전극(10a)과 제2 화소 전극(10b)의 면적이 다를 수 있다. 예컨대 제1 화소 전극(10a)은 제2 화소 전극(10b)보다 약 1.5배 이상 클 수 있으며, 예컨대 약 1.5배 내지 10배 클 수 있다.
이와 같이 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 면적이 다름으로써, 제1 광전 변환 영역(100a)과 제2 광전 변환 영역(100b)의 감도를 다르게 할 수 있고, 예컨대 제2 광전 변환 영역(100a)이 제1 광전 변환 영역(100b)보다 작게 함으로써 제2 광전 변환 영역(100a)의 감도는 제1 광전 변환 영역(100a)의 감도보다 낮을 수 있다. 따라서 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 포함하는 광전 변환 소자(100)를 구현할 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 광전 변환 영역의 배치를 보여주는 개략도이다.
도 6을 참고하면, 2x2 매트릭스 구조의 단위 화소 군을 가지는 이미지 센서에서, 복수의 광전 변환 영역은 면적이 큰 제1 광전 변환 영역(100a)과 면적이 작은 제2 광전 변환 영역(100b)을 각각 두 개씩 포함할 수 있다. 이때 제1 광전 변환 영역(100a)의 면적은 제1 화소 전극(10a)의 면적과 같을 수 있고 제1 광전 변환 영역(100b)의 면적은 제2 화소 전극(10b)의 면적과 같을 수 있다. 제1 화소 전극(10a)의 면적은 동일 크기의 화소 전극들을 포함하는 일반적인 광전 변환 소자의 화소 전극보다 더 클 수 있고 제2 화소 전극(10b)의 면적은 동일 크기의 화소 전극들을 포함하는 일반적인 광전 변환 소자의 화소 전극보다 작을 수 있다.
도 7을 참고하면, 2x2 매트릭스 구조의 단위 화소 군을 가지는 이미지 센서에서, 복수의 광전 변환 영역은 면적이 큰 제1 광전 변환 영역(100a)과 면적이 작은 제2 광전 변환 영역(100b)를 각각 2개씩 포함할 수 있다. 이 때 제1 광전 변환 영역(100a)의 면적은 제1 화소 전극(10a)의 면적과 같을 수 있고 제1 광전 변환 영역(100b)의 면적은 제2 화소 전극(10b)의 면적과 같을 수 있다. 제1 화소 전극(10a)의 면적은 동일 크기의 화소 전극들을 포함하는 일반적인 광전 변환 소자의 화소 전극과 같을 수 있고, 제2 화소 전극(10b)의 면적은 동일 크기의 화소 전극들을 포함하는 일반적인 광전 변환 소자의 화소 전극보다 작을 수 있다.
도 6 및 도 7에서는, 두 개의 제1 광전 변환 영역(100a)과 두 개의 제2 광전 변환 영역(100b)을 포함하는 2x2 매트릭스 구조의 단위 화소 군을 예시하였으나, 면적이 다른 광전 변환 영역이 적어도 하나 포함되는 경우 제1 및 제2 광전 변환 영역(100a, 100b)의 개수 및 단위 화소 군의 구조 등은 제한되지 않는다.
이와 같이 다양한 예들로 고감도 광전 변환 영역 및 저감도 광전 변환 영역을 포함하는 이미지 센서를 구현함으로써 이미지 센서에서 표현할 수 있는 광량 범위, 즉 동적 범위를 넓힐 수 있다. 다시 말해, 밝은 사물과 어두운 사물이 공존하는 경우, 어두운 사물을 표현하기 위해 노출 시간을 늘려도 저감도 이미지에 의해 밝은 사물의 표현이 가능하게 되어 넓은 동적 범위를 확보할 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 8은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 반도체 기판(110), 하부 절연층(60) 및 광전 변환 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 달리, 색 필터 층이 배제되어 있으며, 제1 및 제2 광 감지 소자(50a, 50b)가 반도체 기판(110)의 두께 방향으로 중첩하게 배치되어 있다. 제1 광 감지 소자(50a)와 제2 광 감지 소자(50b)는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 다른 깊이에 위치할 수 있고, 일 예로 제1 광 감지 소자(50a)는 제2 광 감지 소자(50b)보다 반도체 기판(110)의 표면으로부터 깊게 위치할 수 있고 제2 광 감지 소자(50b)는 제1 광 감지 소자(50a)보다 반도체 기판(110)의 표면에 가깝게 위치할 수 있다.
제1 광 감지 소자(50a)와 제2 광 감지 소자(50b)는 적층 깊이에 따라 가시광선 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 감지할 수 있다. 일 예로, 반도체 기판(110)의 표면으로부터 깊게 위치하는 제1 광 감지 소자(50a)는 전술한 제1 가시광과 다른 제2 가시광선 영역의 광(이하 '제2 가시광'이라 한다)을 감지할 수 있고 반도체 기판(110)의 표면에 가깝게 위치하는 제2 광 감지 소자(50b)는 제2 가시광보다 단파장 영역인 제3 가시광선 영역의 광(이하 '제3 가시광'이라 한다)을 감지할 수 있다. 따라서 별도의 색 필터 또는 파장 분리층 없이 반도체 기판(110) 내 깊이에 따라 서로 다른 파장 영역의 광을 분리하여 감지할 수 있다.
제2 가시광과 제3 가시광은 서로 다른 최대 흡수 파장(λmax) 영역을 가지며, 예컨대 제2 가시광의 최대 흡수 파장은 제3 가시광의 최대 흡수 파장보다 약 30nm 이상 장파장 영역에 위치할 수 있고 예컨대 약 50nm 이상 장파장 영역에 위치할 수 있다.
예컨대 전술한 흡광층(30)이 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장을 가지는 제1 가시광을 선택적으로 흡수할 때, 제2 가시광은 약 580nm 초과 700nm 미만에서 최대 흡수 파장을 가질 수 있고 제3 가시광은 예컨대 약 380nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장을 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 제2 가시광은 약 600nm 내지 680nm에서 최대 흡수 파장을 가질 수 있고 제3 가시광은 예컨대 약 420nm 내지 480nm에서 최대 흡수 파장을 가질 수 있다. 예컨대 전술한 흡광층(30)이 녹색 광을 선택적으로 흡수할 때, 제1 광 감지 소자(50a)는 적색 광을 감지할 수 있고 제2 광 감지 소자(50b)는 청색 광을 감지할 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2 광 감지 소자(50a, 50b)가 반도체 기판(110)의 두께 방향으로 중첩하게 배치됨으로써 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있고 이에 따라 이미지 센서의 소형화를 구현할 수 있다.
또한, 제1 광 감지 소자(50a)와 제2 광 감지 소자(50b)는 반도체 기판(110) 내에서 적층 깊이에 따라 서로 다른 파장 영역의 광을 분리하여 감지할 수 있으므로, 별도의 색 필터 및 파장 분리층이 필요 없다. 이에 따라 색 필터 및 파장 분리층을 형성하는 공정을 생략하여 공정을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 색 필터 및 파장 분리층에 의한 광 손실을 줄여 흡광 효율을 높일 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 전술한 바와 같이 감도가 다른 복수의 광전 변환 영역을 포함할 수 있으며, 예컨대 감도가 다른 제1 광전 변환 영역(100a) 및 제2 광전 변환 영역(100b)을 포함할 수 있다. 광전 변환 소자(100)는 전술한 바와 같으며, 전술한 도 2 내지 도 7에 도시한 예 또한 본 구현예에 따른 이미지 센서(400)에 동일하게 적용될 수 있다.
상기 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 바람직한 구현예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 화소 전극 10a: 제1 화소 전극
10b: 제2 화소 전극 20: 공통 전극
30: 흡광층 40: 전하 제어층
50a, 50b: 광 감지 소자 55: 전하 저장소
60: 하부 절연층 70: 색 필터층
80: 상부 절연층 90: 평탄화층
100: 광전 변환 소자 100a: 제1 광전 변환 영역
100b: 제2 광전 변환 영역 110: 반도체 기판
300. 400: 이미지 센서
10b: 제2 화소 전극 20: 공통 전극
30: 흡광층 40: 전하 제어층
50a, 50b: 광 감지 소자 55: 전하 저장소
60: 하부 절연층 70: 색 필터층
80: 상부 절연층 90: 평탄화층
100: 광전 변환 소자 100a: 제1 광전 변환 영역
100b: 제2 광전 변환 영역 110: 반도체 기판
300. 400: 이미지 센서
Claims (19)
- 반도체 기판, 그리고
상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제1 화소 전극과 제2 화소 전극을 포함하는 복수의 화소 전극, 흡광층 및 공통 전극을 포함하는 광전 변환 소자
를 포함하고,
상기 광전 변환 소자는
상기 제1 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제1 광전 변환 영역, 그리고
상기 제2 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제2 광전 변환 영역
을 포함하며,
상기 제1 광전 변환 영역의 감도는 상기 제2 광전 변환 영역의 감도보다 높고,
상기 제1 광전 변환 영역의 광전 변환 효율은 상기 제2 광전 변환 영역의 광전 변환 효율보다 높은 이미지 센서.
- 삭제
- 제1항에서,
상기 제2 광전 변환 영역은
상기 제2 화소 전극과 상기 흡광층 사이에 위치하고 상기 흡광층으로부터 상기 제2 화소 전극으로의 전하 이동도를 낮추는 전하 제어층을 포함하는 이미지 센서.
- 제3항에서,
상기 전하 제어층은 무기물을 포함하는 이미지 센서.
- 제3항에서,
상기 전하 제어층은 상기 제2 화소 전극과 상기 흡광층 사이를 관통하는 적어도 하나의 관통구를 가지는 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 화소 전극과 상기 제2 화소 전극 사이 및 상기 제2 화소 전극과 상기 흡광층 사이에 채워져 있는 평탄화층을 포함하는 이미지 센서.
- 제6항에서,
상기 평탄화층은 산화규소, 질화규소 또는 이들의 조합을 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 제1 화소 전극은 제1 투명 도전체를 포함하고,
상기 제2 화소 전극은 제2 투명 도전체를 포함하고,
상기 제1 투명 도전체의 면저항은 상기 제2 투명 도전체의 면저항보다 낮은 이미지 센서.
- 제8항에서,
상기 제1 투명 도전체와 상기 제2 투명 도전체는 면저항이 상이한 ITO 또는 IZO이고,
상기 제1 투명 도전체의 면저항은 상기 제2 투명 도전체의 면저항보다 10배 이상 낮은 이미지 센서.
- 제8항에서,
상기 제1 투명 도전체와 상기 제2 투명 도전체는 각각 다른 종류의 금속을 포함하는 도전체이고,
상기 제1 투명 도전체의 면저항은 상기 제2 투명 도전체의 면저항보다 10배 이상 낮은 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 제1 화소 전극과 상기 제2 화소 전극은 면적이 상이한 이미지 센서.
- 제1항에서,
상기 제1 광전 변환 영역의 광전 변환 효율은 상기 제2 광전 변환 영역의 광전 변환 효율보다 1.5배 이상 높은 이미지 센서.
- 제1 광 감지 소자와 제2 광 감지 소자를 포함하는 반도체 기판, 그리고
상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 제1 화소 전극 및 상기 제1 화소 전극과 면적이 상이한 제2 화소 전극을 포함하는 복수의 화소 전극, 흡광층 및 공통 전극을 포함하는 광전 변환 소자
를 포함하고,
상기 광전 변환 소자는
상기 제1 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제1 광전 변환 영역, 그리고
상기 제2 화소 전극, 상기 흡광층 및 상기 공통 전극이 중첩하는 영역에 의해 정의되는 제2 광전 변환 영역
을 포함하며,
상기 제1 광전 변환 영역의 감도는 상기 제2 광전 변환 영역의 감도보다 높은 이미지 센서.
- 제13항에서,
상기 제1 화소 전극은 상기 제2 화소 전극보다 1.5배 이상 큰 이미지 센서.
- 제13항에서,
상기 흡광층은 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중에서 선택된 하나인 제1 가시광을 선택적으로 흡수하고,
상기 제1 광 감지 소자는 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중에서 선택된 하나인 제2 가시광을 감지하고, 그리고
상기 제2 광 감지 소자는 적색 광, 녹색 광 및 청색 광 중에서 선택된 하나인 제3 가시광을 감지하며,
상기 제1 가시광, 상기 제2 가시광 및 상기 제3 가시광은 서로 다른 이미지 센서.
- 제13항에서,
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 나란히 배치되어 있는 이미지 센서.
- 제16항에서,
상기 제1 광전 변환 영역은 상기 제1 광 감지 소자 및 상기 제2 광 감지 소자 중 어느 하나와 중첩하고,
상기 제2 광전 변환 영역은 상기 제1 광 감지 소자 및 상기 제2 광 감지 소자 중 다른 하나와 중첩하는 이미지 센서.
- 제13항에서,
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상기 반도체 기판의 두께 방향으로 중첩하게 배치되어 있는 이미지 센서.
- 제1항 및 제3항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.
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