KR102588199B1 - Mie 광센서를 이용한 고 정보 콘텐츠 영상 - Google Patents

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마르코 나르도네
르네 캐스린 카더
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픽셀이엑스엑스 시스템즈, 인코포레이티드
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Abstract

Mie 광센서가 기술된다. Mie 광센서는 공진을 갖는 광센서를 구현하기 위해 Mie 산란을 이용하도록 구성된다. 공진은 Mie 광센서의 다양한 물리적 특성들 및 재료 특성들에 기초한다. 일 예에서, Mie 광센서는 하나 이상의 메사를 갖는 반도체 재료의 층을 포함한다. 반도체 재료의 각각의 메사는 산란 중심을 포함할 수 있다. 산란 중심은 반도체 재료와는 상이한 굴절률을 갖는 재료에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 메사의 반도체 재료에 의해 형성된다. 인접한 굴절률 재료들은, 산란 중심을 형성하고 Mie 공진 동안에 자유 캐리어들의 생성을 국부화하는 계면을 생성한다. 메사의 전기적 특성을 측정하기 위해 메사에 하나 이상의 전기적 접촉부가 만들어질 수 있다.

Description

Mie 광센서를 이용한 고 정보 콘텐츠 영상
본 출원은 2018년 8월 20일에 출원된 미국 특허 임시출원 제62/720,002호의 우선권을 주장하며, 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 National Science Foundation에 의해 부여된 연방 수상 식별 번호 1660145 하의 정부 지원을 이용하여 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대해 일정한 권리를 갖는다.
본 개시는 일반적으로 광-감지 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 이미지를 생성하기 위한 광-감지 장치들의 어레이에 관한 것이다.
통상적인 광센서들은 입사광과 상호작용하는 센서 요소들이 광의 파장보다 훨씬 더 큰 크기 스케일에서 동작한다. 예를 들어, 통상적인 광센서들은 가시광선 파장에서의 광을 감지하기 위해 크기가 마이크론 정도이다. 이러한 크기들에서, 스넬(Snell)의 굴절 법칙이 유지되고, 광센서 상에서의 입사광의 흡수는 비어-램버트 법칙(Beer-Lambert law)을 따른다. 센서의 물리적인 크기를 최소화하도록 광센서를 설계하는 많은 시도가 있지만, 그 결과적인 센서들에는 여러 단점이 있다. 예를 들어, 감소된 크기의 광센서로 이미지를 생성하는 경우, 신호 대 잡음비, 다이내믹 레인지, 필드 깊이, 및 초점 깊이가 모두 열화된다. 따라서, 고품질의 이미지를 생성할 수 있는, 감소된 크기를 갖는 광센서가 유리할 것이다.
Mie 광센서가 기술된다. Mie 광센서는 본원에 기술된 바와 같은 통상적인 광센서 기술들에 비해 개선된 광 전류들을 생성하기 위해 Mie 산란을 이용한다. Mie 광센서는 반도체 또는 절연체와 같은 재료(즉, 재료층)의 기판을 포함한다. 재료층은 제1 굴절률을 가지며, 반도체 재료의 메사(mesa)를 포함한다. 메사는 전자기 교란(예를 들어, 입사광, X선 등)에 반응하여 반도체 재료 내에 자유 캐리어들을 생성하도록 구성된다.
또한, Mie 광센서는 재료층 주위의 굴절 매질을 포함한다. 굴절 매질은 복소 굴절률을 가질 수 있다. 굴절 매질은 메사에 인접하고, 계면에 걸쳐 불연속적인 굴절률을 갖는 계면을 형성한다. 추가적으로, 굴절 매질은 광학적 흡수 및 산란 중심에서의 전자기 교란의 Mie 공진을 통해 자유 캐리어들을 생성하도록 구성된 전자기 산란 중심(예를 들어, 메사 또는 메사의 일부 부분)을 정의한다.
예시적인 실시예에서, Mie 광센서의 굴절 프로파일은 다음과 같이 기술된다, 즉, 재료층은 제1 굴절률을 갖고, 반도체 재료의 메사는 제2 굴절률을 갖고, 굴절 매질은 제3 굴절률을 갖는다. 굴절 매질의 굴절률은 일반적으로 복소값이고, 메사와 굴절 물질 사이의 경계에 걸쳐 불연속적일 수 있다. 일 예에서, 제3 굴절률은 제1 굴절률 및 제2 굴절률보다 작다. 다른 예에서, 제1 굴절률은 제2 굴절률과 동일하다.
예시적인 실시예에서, 반도체 층의 메사는 굴절 매질에 인접하는 경계들의 세트를 갖는 기하학적 형상(예를 들어, 직사각형 프리즘, 큐브 등)을 형성한다. 이와 같이, 전자기 산란 중심은 상기 형상의 경계에 형성되거나, 또는 상기 형상의 경계 내부에 형성되어, 전자기 산란 중심이 메사의 반도체 재료의 일부(또는 전부)를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 재료층은 실리콘을 포함하고, 메사는 도핑된 실리콘을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 재료층은 이산화규소를 포함하고, 메사는 실리콘을 포함한다. 다른 예시적인 실시예들이 또한 가능하다.
산란 중심의 다양한 물리적 특성들은 전자기 교란들이 산란 중심의 재료에 의해 흡수됨에 따라 자유 캐리어들을 생성하는 데에 영향을 미친다. 예를 들어, 메사의 크기는 산란 중심에 의해 흡수될 수 있는 전자기 교란의 파장 및 편광에 영향을 미칠 수 있다.
Mie 광센서는 또한, 메사에 연결되고 전자기 교란에 반응하여 산란 중심 내에서 발생되는 자유 캐리어들을 감지하도록 구성된, 하나 이상의 전기적 접촉부들을 포함한다. 가능한 접촉부들의 여러 예시적 구성이 있다. 제1 실시예에서, 전기적 접촉부들의 제1 접촉부는 메사와 옴(Ohmic) 접촉을 형성하고, 제2 접촉부는 메사와 쇼트키 장벽을 형성한다. 제2 실시예에서, 제1 접촉부는 메사와 옴 접촉을 형성하고, 제2 접촉부는 메사와 p-n 접합을 형성한다. 제3 실시예에서, 제1 접촉부 및 제2 접촉부는 반도체 재료의 메사와 옴 접촉을 형성한다. 이 경우, Mie 광센서는 굴절 물질 및 반도체 재료의 메사 사이의 경계에서의 p-n 접합을 포함한다.
Mie 광센서는 공진 방식으로 동작하며, 여기서 공진은 본원에 기재된 임의의 인자들에 기초한다. 예를 들어, 전자기적 산란 중심은 공진 레벨에서 전자기 교란의 특정 파장을 흡수하고, 공진 레벨에 대응하는 제1 양의 자유 캐리어들을 생성한다. 추가적으로, 전자기적 산란 중심은 비-공진 레벨에서 전자기 교란의 상이한 파장을 흡수하고, 비-공진 레벨에 대응하는 제2 양의 자유 캐리어들을 생성한다. 이 경우, 제1 양의 자유 전자들은 제2 양의 자유 전자들보다 더 많다.
또한, Mie 광센서는 본원에 기술된 바와 같이 산란 중심에서의 캐리어 생성을 국부화(localize)하도록 구성된다. 즉, 전자기 산란 중심에서 전자기 교란의 흡수는 반도체 층 및 굴절 매질 모두에서의 전자기 교란의 흡수보다 더 높다. 예를 들어, 전자기 산란 중심에서 전자기 교란의 흡수에 의해 생성된 제1 양의 자유 캐리어들은 반도체 층들 내의 전자기 교란에 의해 생성된 제2 양의 캐리어들보다 더 많다.
추가적으로, Mie 광센서들은 픽셀을 생성하기 위해 다양한 제어 전자 장치들에 연결될 수 있다. 다수의 픽셀들은 서로 연결되어 이미지 센서를 형성할 수 있다. 본원에서 설명되는 다양한 이유들로 인해, Mie 광센서들을 이용하여 생성된 픽셀들을 포함하는 이미지 센서는 그들의 종래의 대응물보다 더 잘 동작한다.
본 개시의 실시예들은 다음의 첨부된 도면들과 관련하여 설명되는 이하의 상세한 설명 및 첨부된 청구항들로부터 더욱 쉽게 명백해질 수 있는 다른 장점들 및 특징들을 갖는다.
도 1a 내지 도 1h는 여러 예시적인 실시예들에 따른, 일련의 공진 그래프들을 도시한다.
도 2는 일 예시적인 실시예에 따른, 직선형 Mie 광센서에 대한 흡수된 전력 그래프를 도시한다.
도 3a는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서의 평면도를 도시한다.
도 3b는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서의 측면도를 예시한다.
도 4는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서에 대한 전압 응답 그래프를 도시한다.
도 5는 일 예시적인 실시예에 따른 전압 다중-응답 그래프이다.
도 6은 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서의 단면 필드 플롯(field plot)(600)을 도시한다.
도 7은 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서를 도시한다.
도 8은 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서의 단면 필드 플롯이다.
도 9는 예시적인 일 실시예에 따른 전압 다중-응답 플롯을 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는 몇몇 예시적인 실시예들에 따른, Mie 광센서의 다양한 구성들을 도시한다.
도 11a 내지 도 11e는 다양한 예시적인 실시예들에 따른, 하나 이상의 Mie 광센서들을 포함하는 이미지 센서 내의 픽셀에 대한 여러 상이한 구성들을 도시한다.
도면들은 단지 예시를 위해 다양한 실시예들을 도시한다. 통상의 기술자는 본원에 도시된 구조들 및 방법들의 대안적인 실시예들이 본원에 설명된 원리들로부터 벗어남 없이 이용될 수 있음을 다음의 설명으로부터 쉽게 이해할 것이다.
I. 도입
광센서 어레이들은 다수의 픽셀들을 포함하는 표면으로 구성되며, 각각의 픽셀은 광센서, 및 일반적으로 각각의 광센서와 대략 동일하게 배치되는(co-located) 신호 수집 전자 요소를 포함할 수 있다. 각각의 픽셀은, 특정 파장들에서 광자들을 검출하고 이어서 각각의 픽셀에서 검출되는 광자들의 수에 관련된 전기 전하, 전압, 또는 저항을 생성함으로써 동작한다. 이어서, 이러한 전하, 전압 또는 저항이 측정되고, 디지털화되며, 광자를 방출 또는 반사하는 물체, 장면 또는 현상의 이미지를 구성하는 데에 사용된다. 또한, 광센서들은 단일 검출기로서 또는 검출기들의 어레이로서 이미징을 위해 배치될 수 있다.
미래의 광센서 기술 적용은, 예를 들어, 3개의 주요 아이디어들, 즉, i) 이미지 품질(예를 들어, 해상도, 저광도 성능, 다중 스펙트럼 이미징 등), ii) 3차원의 픽셀 크기, 및 3) 장치 기능(예를 들어, 고속 비디오, 이미지 분석, 모션 제어, 비용, 크기(Size), 무게(Weight), 및 전력(Power)(SWaP) 등)에 의해 발전될 수 있다. 이러한 각 영역에서의 혁신에는 모든 레벨에서의 설계 결정이 포함된다. 예시적인 설계 결정은, 예를 들어, 광 감지 소자의 구조 및 장치 물리(즉, 광자 검출), 픽셀의 기본 동작(즉, 신호 캡처, 저장 및 전달) 및 이미징 어레이의 설계 및 동작(즉, 이미지 판독 및 신호 처리)을 포함할 수 있다.
이러한 각각의 레벨에서, 성능 향상을 위해 중요한 과제가 남아 있다. 예를 들어, 상기 과제들은 일 세트의 장치들, 장치 프로세스들, 및 그러한 장치들로 만들어진 회로(또는 회로들) 사이의 성능 트레이드오프(tradeoff)를 개선하는 것을 포함할 수 있다. 더욱이, 이미지 데이터를 넘어 정보-중심 이미지 센서(예를 들어, 컴퓨팅 이미지 센서, 스마트 비전 시스템에 내장된 실리콘 레티나 등)로 설계 중점이 진행되는 새로운 시대로 이미지 프로세싱이 이동함에 따라, 상기 과제는 더욱 분명해지고 있다. 이미지 센서의 시장 내 수요들은 무선 센서 네트워크, 무인 감시 네트워크, 자동차, 사물인터넷(IoT) 및 다른 휴대용 비전 애플리케이션을 포함하는 광범위한 세트의 비전 시스템들을 위한 임베디드 컴퓨터 비전 사전 처리 기능, 향상된 응답 시간 및 최소화된 SWaP를 요구하고 있다.
II. 현재의 광센서 기술, 최적화 및 트레이드오프 관계
II.A 광센서의 구조 및 장치 물리
가시광 이미징의 경우, 그 아래의 광-감지 프로세스는 반도체에서의 광 흡수로 시작된다. 이 프로세스는 일반적으로 스펙트럼의 x-선, 자외선 및 적외선 부분에서의 이미징과 유사하다. 흡수된 광은 전자-정공 쌍을 생성하고, 그 구성 전자 및 정공은 반도체의 공핍 영역에서 전기장에 의해 공간적으로 분리된다. 공핍 영역은 반도체 시스템(예를 들어, 반도체 접합)의 특성을 변화시킴으로써 또는 반도체-금속 접합(예를 들어, 쇼트키 접합)을 사용하여 형성될 수 있다.
통상적인 광센서들은 입사광과 상호작용하는 개별적인 센서 요소들이 광의 파장보다 훨씬 더 큰 물리 광학의 영역에서 동작한다. 이러한 영역에서, 스넬의 굴절 법칙이 유지되고, 복사선의 흡수는 비어-램버트 법칙을 따르며, 산란은 산란 요소의 투영되는 물리적 면적에 비례한다. 효과적인 광 흡수제로서 작용하기 위한 이 영역의 광 검출기의 경우, 광센서를 포함하는 반도체는 광학적으로 두꺼워야 한다. 즉, 광자가 반도체 층에 흡수될 확률은 다음과 같다.
(1)
여기서, α는 입사광의 파장 및 흡수 재료의 조성 모두에 의존하는 흡수 계수이고, d는 입사광의 방향을 따른 층 두께이다. 최소 층 두께에 대한 유용한 추정치는 입사광의 약 60%가 광센서에 흡수되는, α-1이다.
실리콘은 가시광 광센서를 위한 다기능의 경제적으로 실용적인 반도체 재료이다. 가시 스펙트럼에 걸쳐서, 실리콘의 흡수 계수는 390 nm에서 약105 cm-1 내지 700 nm에서 약 103 cm-1까지 다양하다. 실리콘의 경우, 흡수 계수는 입사광의 약 60%를 흡수하기 위해서는 반도체 두께가 약 1 μm이어야 함을 나타낸다.
약 1 μm의 반도체 두께는 이미지 센서(예를 들어, 크기, 응답 등)를 개선하기 위한 몇 가지 문제점을 야기한다. 상업적으로 실현가능한 반도체 제조 공정으로부터 기인한 한가지 문제점은 포토리소그래피에 의존한다. 포토리소그래피는 평탄한 또는 거의 평탄한(pseudo-planar) 구조에 가장 적합하다. 예를 들어, 수직 특징부(즉, 평면 바깥의) 정도의 또는 그보다 더 큰 평탄한 특징부를 갖는 근사적으로 평탄한 구조물들(예를 들어, 광센서)이 있다. 그 결과, 실리콘에 양호하게 흡수되기 위한 수직 치수는 약 1 μm이기 때문에, 평탄한 광센서 치수들 또한 일반적으로 1 μm 정도이다. 따라서, 평면 내의 치수는 다소 감소될 수 있는 반면, 광센서 크기는 실질적으로 1 μm 미만으로 감소하기 어렵다. 두꺼운 센서들로 인한 또 다른 문제는, 두꺼운 센서들은 적층된 어레이들의 수직 층들의 사용 가능성을 제한한다는 것이다. 예를 들어, 3개의 센서 어레이들의 스택을 갖는 경우, 각각 1 μm의 두께를 갖는 것은 3 μm의 스택 높이를 산출한다. 이 경우에, 층들 중 하나 이상에서의 광의 흡수는 스택의 두께로 인해 감소될 수 있다. 그러나, 실질적으로 1 μm 보다 얇은 적층된 어레이가 구현될 수 있다면, 다양한 이점들이 나타날 수 있다. 예를 들어, 두꺼운 층들의 스택은 해당 층들이 연관된 이미징 광학 장치들에서의 색수차를 변화시키도록(deconvolve) 할 것이다.
광센서는 또한, 더 높은 흡수 계수를 갖는 다른 재료를 사용할 수 있다. 일 예로서, 가시 스펙트럼에서, 갈륨비소의 흡수 계수는 약 105 내지 106 cm-1의 범위이다. 이는 0.1 μm 두께의 반도체가 1/e 흡수 확률을 제공할 것임을 시사한다. 그러나, 여전히 갈륨비소에는 몇 가지 단점이 있다. 예를 들어, 갈륨비소는 반도체 산업에서 사용되는 두 번째로 흔한 반도체이고, 일반적으로 실리콘보다 훨씬 더 고가이다. 또한, 1 μm 보다 상당히 작은 길이 스케일에서의 갈륨비소 특징부들의 제조는 매우 도전적이고 상업적인 구현이 흔치 않다. 마지막으로, 1 μm보다 상당히 작은 치수를 갖는 갈륨비소에 대한 옴 접촉을 생성하는 것은 어렵고, 수용할 수 없을 정도로 낮은 수율을 나타내어 왔다.
광 감지 어레이의 이미징 성능을 개선하기 위한 한 가지 방법은, 전체 픽셀 카운트를 일정하게 유지하면서 동시에 큰 픽셀들을 만드는 것이다. 일부 과학적 응용에 사용되는 카메라는 15 μm 이상의 선형 치수를 갖는 픽셀을 갖는다. 이러한 큰 픽셀 크기는 다이내믹 레인지 및 잡음의 개선을 가능하게 한다. 그러나, 더 큰 픽셀 크기들은 현재의 시장 수요들에 대해 역행하는 것이고, 카메라 크기 및 비용 모두 증가하게 된다. 1 μm 픽셀들로 구성된 센서 어레이를 사용하는 카메라와 유사한 이미징 특성들을 유지하기 위해, 15 μm 픽셀들을 갖는 검출기는 약 200배 더 큰 면적을 갖고, 이미징 광학 부피는 약 3000배 더 크다. 이러한 암시(예를 들어, 크기 및 부피)는 모두, 광센서를 개선하기 위한 그러한 해결책이 이용될 수 있는 범위를 심각하게 제한한다. 예를 들어, 실제로, 상당히 큰 픽셀들을 구현하는 것은 종종 픽셀 카운트의 감소, 최대 시야의 감소, 또는 둘 모두를 수반한다.
광센서 성능을 개선하기 위한 다른 방법은 광센서에서의 애벌란시 효과(avalanche effect)를 이용함으로써 광센서 광 감도(예를 들어, 저광도 세기 측정)를 증가시키는 것이다. 즉, 반도체에서 높은 전기장을 생성하기 위해 인가 전압이 사용되고, 그 응답으로 광 감도가 증가한다. 높은 필드들은, 달리 얻어진 경우보다 광-생성된 캐리어들을 상당히 더 높은 속도로 가속시킨다. 후속되는 충돌들은 추가적인 자유 캐리어들을 생성하며, 이들은 차례로 가속된다. 그 결과, 단일 입사 광자들이 실질적인 출력 신호를 생성할 수 있다. 이러한 광센서들은 매우 높은 감도를 달성할 수 있지만, 이들은 종종 0 dB의 다이내믹 레인지를 산출하는 가이거(Geiger) 모드에서 동작된다. 그렇지 않은 경우, 이러한 장치들은 60 dB까지의 다이내믹 레인지를 전달할 수 있는 비례 모드에서 동작되지만, 약 1 내지 1000 광자/측정간격의 입사 강도 범위에 대해서만 전달될 수 있다.
광센서에 입사하는 광을 증폭시키기 위한 방법으로서 플라스몬(plasmon) 재료들이 또한 연구되어 왔다. 이 경우에, 광센서는 도체로 하여금 입사광을 강하게 흡수하고, 이어서 재복사할 수 있게 하는, 전자들의 표면 여기를 생성한다. 플라스몬 재료는 입사 파장 및 편광의 특정 조합과 우선적으로 상호작용하도록 맞춰질 수 있는 강한 공진을 이용한다. 현재까지, 플라스몬 재료는 향상된 광 감지 능력을 가능하게 하는데 실패했고, 플라스몬 광센서는 큰 소산 손실을 발생시켰다.
추가적으로, 비록 플라스몬 센서들이 큰 소산 손실을 갖지만, 플라스몬 여기를 지원하는 시스템에 인접한 영역들에서의 입사광 집중을 도와주는 플라스몬 시스템들이 개발되어 왔다. 일 예로서, 서브파장 크기의 부분-홀 또는 관통-홀을 갖는 전도성 금속 시트들은 홀들 내에 광을 집중시키는 것으로 알려져 있다. 낮은 굴절률의 절연 재료(이러한 이산화규소)의 층에 들어가는 Mie 광센서는 향상된 검출을 위해 그러한 플라스몬 시스템과 조합될 수 있다. 또한, 입사광의 파장에서의 또는 그 아래에서의 하나 이상의 치수 파라미터를 갖고, Mie 광센서에 인접하는 다른 금속 시스템도 유사한 효과를 가질 수 있음에 주목해야 한다. 일 예로서, 이는 Mie 광센서 상의 금속 접촉부들의 형상, 크기, 또는 간격을 조정함으로써 달성될 수 있다.
이미지 품질을 개선하고 픽셀 크기를 감소시키는 것은 미래에 채택될 광센서 기술을 주도할 수 있다. 그러나, 이러한 많은 수요들은 광학적 및 전기적 성능에 부정적인 영향을 미치는 제한자들 사이의 트레이드오프로 가득 차 있다. 예를 들어, 픽셀 피치(픽셀들의 중심-대-중심 간격(p))를 감소시키는 것은 표 1에 도시된 바와 같이 광센서 개발을 주도하는 여러 메트릭들에 대한 스케일링 인자에 영향을 미칠 수 있다.
픽셀 크기를 줄이는 것에 대한 강력한 시장 수요들이 있지만, 이러한 파라미터 종속성이 나타나기 때문에 이러한 감소는 다른 영역에서의 성능을 저하시킬 수 있다.
일반적으로, 작은 픽셀들로부터의 전체 이미지 센서 성능의 개선은 증가하는 신호 및 감소하는 잡음에 초점을 맞추었다. 이러한 최적화의 대부분은 어레이 레벨에서 픽셀 설계 및 처리 기술의 개선을 통해 이루어졌다.
IIB. 픽셀의 기본 동작
픽셀은 개별적인 광센서, 및 광센서를 동작 및 판독하기 위한 신호 수집 전자 요소로 구성된다. 일반적으로, 신호 수집 전자 요소는 각각의 광센서와 함께 위치된다(co-located). 반도체에 의해 흡수되는 광으로부터 생성된 신호는 생성된 전하 캐리어들의 양의 측정(전하 수집 모드, 또는 단락 회로 모드)으로부터 획득될 수 있거나, 또는 공핍 영역에 걸친 전압의 측정(전압 모드, 또는 개방 회로 전압 모드)으로부터 획득될 수 있다. 상기 첫번째 경우에, 생성된 신호는 입사 광 강도에 비례하고, 상기 두번째 경우에, 생성된 신호는 입사 광 강도의 로그에 비례한다.
일반적으로, 이미징 시스템들 내의 광센서들은 전하 수집 모드에서 동작한다. 전하 수집 모드에서 동작하는 것은 입사광에 대한 광센서의 선형 응답으로 하여금 이미지 처리를 위한 데이터 취급을 용이하게 하고, 또한 광센서로 하여금 낮은 입사광 세기에 더 민감할 수 있게 한다. 전하 수집 모드에서, 광센서에서 생성된 전하는 고정된 집적 시간 구간 동안에 수집되고, 그 구간 동안 축적된 총 전하에 비례하는 전기 신호는 보고되는 측정치이다. 전술한 바와 같이, 광센서가 수집할 수 있는 전하는 센서의 면적에 비례한다. 이와 같이, 광센서 면적이 감소함에 따라, 센서의 다이내믹 레인지의 상한은 픽셀의 선형 크기의 제곱에 비례한다. 이러한 효과를 상쇄하기 위해, 집적 시간은 픽셀 크기의 제곱만큼 감소될 수 있다. 이러한 시간 감소는 저광도 광의 감도를 감소시키고, 센서 및 관련된 전자부 모두의 복잡도 및 전력 요건을 증가시킨다. 또한, 전하 수집 모드 광센서들이 축소됨에 따라, 그들의 내부 누설 전류는 포화 전류에 비례하여 증가한다. 이러한 누설 전류는 잡음원으로 작용하며, 특히, 잡음원은 센서의 다이내믹 레인지의 하단에 플로어(floor)를 형성한다. 이와 함께, 이러한 2개의 효과는 전체적인 다이내믹 레인지를 제한하는데, 이는 또한, 이미징 시스템에 의해 캡처될 수 있는 장면 콘트라스트를 제한한다. 현재의 이미징 시스템은 일반적으로 60 내지 70 dB의 다이내믹 레인지를 나타내며, 이는 이들이 광 세기에서의 약 35년의 변화를 캡처한다는 것을 나타낸다.
이미징 시스템들 내의 광센서들은 광센서에 의해 흡수된 광으로부터 개선된 신호들을 생성하기 위해 다른 수단을 이용할 수 있다. 예를 들어, 활성 픽셀 개념, PIN 광다이오드 픽셀, 및 상관된 이중 샘플링 방법들은 전하 수집 모드에서 광 감도를 개선시키고 잡음을 감소시키는 데에 사용되어 왔다. 그러나, 광 감도를 증가시키기 위한 노력에도 불구하고, 긴 집적 시간 및 낮은 조명을 필요로 하는 응용들에서 암전류는 작은 픽셀들에 대해 두드러진 인자로 남아 있다. 또한, 비록 기술적인 혁신이 잡음원의 추가적인 감소를 가능하게 하더라도, 신호 대 잡음비는 일반적으로 픽셀 크기가 1마이크론 미만의 치수로 감소됨에 따라 계속해서 악화될 것이다.
필 팩터(fill factor)(즉, 픽셀 내의 광 감지 면적의 비율)는 센서의 감도 및 캡처된 이미지의 신호-대-잡음에 직접적으로 영향을 미친다. 주어진 픽셀 내의 트랜지스터들의 수와 그 필 팩터 사이에는 반비례 관계가 존재한다. 일 예에서, PIN 광다이오드를 갖는 활성 픽셀은 각각의 픽셀에서 4개의 트랜지스터 및 5개의 상호연결부를 특징으로 하여, 픽셀 내 회로가 광 감지 면적에 대해 많은 양의 공간을 소모하는, 상대적으로 낮은 필 팩터를 초래한다. 낮은 필 팩터들은 다수의 픽셀들 사이에서 제어 회로의 일부를 공유함으로써 완화될 수 있지만, 이는 일반적으로 공유되는 픽셀들의 신호의 합만이 액세스 가능하다는 것을 의미한다.
픽셀 크기를 축소시키고 최대 저장 용량 문제를 해결하는 한 가지 방법은 광자 하나 또는 최대한 광자 몇개의 존재 또는 부재만을 측정할 수 있는 한편 매우 높은 속도로 작동될 수 있는, 1 μm 보다 작은 광센서를 생성하는 것이다. 고속에서는, 센서들이 포화되지 않도록, 측정 시간이 감소된다. 그 후, 센서들에 의해 생성된 신호는 단일 시간 구간 동안 수집되는 것보다 많은 시간 구간들에 걸쳐 수집된 전하의 합으로 구성된다. 이 기술의 주요 단점은 높은 데이터 획득 속도에서 다수의 광센서를 작동시키는 것이 운영 비용에 추가되는 많은 양의 전력을 필요로 하고, 소산하기 어려울 수 있는 열을 생성하는 것이다.
이미지 센서 어레이들의 다이내믹 레인지를 증가시키기 위한 다른 접근법은 이들을 개방 회로 전압 모드에서 동작시키는 것이었다. 개방 회로 전압 모드는 전하 수집 모드에서의 선형 응답 대신에 로그 응답(즉, 눈 또는 필름과 유사한)을 전달한다. 개방 회로 전압 모드를 사용하는 어레이는 120 dB 이상의 다이내믹 레인지, 6자리수의 크기까지 확장되고 대부분의 현재 검출기 어레이에서 달성한 것의 대략 2배 범위까지 확장되는, 측정 가능한 광 강도의 범위를 나타내었다. 그러나, 개방 회로 전압 모드를 사용하는 어레이는 그들의 응답이 잡음에 의해 지배되는 낮은 광 강도에서 불량한 것으로 수행되었다.
개방 회로 모드 광센서의 다른 단점은, 1 μm 보다 큰 픽셀들의 경우, 광에 대한 실리콘 반도체 접합들의 전압-응답의 시간 상수가 프레임-대-프레임 전환 시간에 비해 느리다는 것이다. 결과적으로, 이미지 획득의 시작 전에 각각의 광센서를 강제로 리셋하기 위해 여분의 회로가 포함되어야 한다. 또한, 1 μm 보다 큰 픽셀들의 경우, 전압-응답 시간은 노출 시간보다 빈번하게 더 길다. 이는, 전압 모드에서 동작되는 이러한 픽셀들이 노출 동안에 평형에 도달하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 동적 측정치는 랜덤 잡음의 추가적인 소스를 가질 뿐만 아니라 체계적인 에러를 제거하는 것을 어렵게 한다.
II.C 이미징 어레이의 설계 및 동작
개별 광센서 및 픽셀은 단일 검출기로서, 또는 선형 및 2차원 검출기 어레이로서 사용될 수 있다. 픽셀-대-픽셀 간격은 광센서 어레이에서 2개의 중요한 파라미터들, 즉, 이미지 공간에서의 이미징 시스템의 공간 해상도, 및 주어진 수의 픽셀들에 대한 이미징 어레이의 크기를 결정한다. 픽셀-대-픽셀 간격은 이미지에서 캡처될 수 있는 공간 주파수 상에 상한을 제공할 수 있다. 이러한 픽셀-대-픽셀 간격은 대상 공간에서의 유사한 공간-해상도 메트릭에 대응한다. 비록 구체적인 한계는 이미징 광학계에 의존하지만, 픽셀-대-픽셀 간격은 물체에서 식별될 수 있는 공간 세부사항을 제한한다. 또한, 픽셀-대-픽셀 간격이 증가함에 따라, 센서 어레이의 면적은 이러한 간격의 제곱만큼 증가한다. 반도체 장치 비용은 장치 면적에 비례하여 증가하므로, 픽셀-대-픽셀 간격의 증가는 이미징 어레이 비용에 중요한 영향을 미친다.
더 작은 픽셀들에 대한 요구는 어레이 설계의 많은 개선을 주도해왔다. 픽셀의 최적화는 (i) 광 감도를 개선시키고, (ii) 잡음을 감소시키는, 2개의 주요 카테고리로 분류된다. 광-수집 향상은 마이크로-렌즈, 광 가이드, 반사방지 코팅, 얇은 상호연결 층 및 유전체, 후면 조명, 및 픽셀 판독 및 신호 처리로부터 광자 검출을 분리하기 위한 집적 회로 또는 적층 구조의 3차원 집적을 포함한다. 이러한 동일한 개선들 중 다수는 또한 광학적 크로스토크를 감소시킨다. 깊은 트렌치 분리 및 매립된 컬러필터들은 또한 광학적 크로스토크를 감소시키고 모듈 전달 기능을 향상시킨다.
광센서의 스택 구조는 캡처된 이미지의 정보 밀도를 증가시키는 데에 사용될 수 있다. 다수의 주파수는 영역 필터링(areal filtering) 없이도 각각의 이미징 포인트에서 동시에 검출될 수 있다. 영역 필터링은 광센서로부터 특정 정렬된 "업스트림"(즉, 적층 구조에서 더 높은)의 광을 제외하고 전부 제거한다. 따라서, 영역 필터링은 들어오는 신호로부터 다른 모든 광을 제거한다. 역으로, 적층된 광센서들은 컬러의 수직 필터링을 가능하게 한다. 이 경우, 상이한 광 파장들이 상이한 흡수 계수들을 갖기 때문에 색분리가 발생하지만, 상이한 색 감지 층들은 모든 가시 파장들로부터 크게 영향받는다. 층들 사이의 가변적인 색 감지는 색을 정확하게 분리하는 데에 있어서 어려움을 야기한다. 적층 구조를 구현하는 것은 또한, 추가적인 정보 처리의 문제를 가진다. 특정 파장의 광이 모든 층에서 다양한 정도로 흡수되기 때문에, 표준 적-녹-청 이미지를 생성하는 것이 어렵다. 특히, 적층 구조의 층들 각각으로부터의 모든 서로 다른 색 기여도는 이미지를 형성하기 전에 분리(deconvolve)된다.
요약하면, 특정한 비전 응용을 위해 가장 적합한 카메라를 선택하는 데 있어서의 트레이드오프 중 다수는 오늘날 장치들의 동작의 물리로부터 기인한다. 근본적으로 경쟁적인 인자들이 성능을 정의하고, 이로 인해 장치, 프로세스 및 회로에서 복잡한 트레이드오프가 야기된다. 최소 픽셀 크기, 센서 다이내믹 레인지 및 광센서의 잡음 특성에 대한 제한은 모두 일반적으로 바람직한 것보다 더 낮은, 심지어 필름을 사용하여 달성된 것보다 더 낮은 성능을 야기한다.
III Mie 광센서
Mie 산란은 작은 치수의 구조물이 그들의 물리적 단면보다 더 큰 광학 단면을 가질 수 있게 한다. 이와 같이, Mie 산란은, 예를 들어, 센서의 광학적 단면에 기초하여 광센서에 가용한 광의 양을 집중시킴으로써 광 감도를 증가시켜 광센서 성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, Mie 산란에서, 입사광의 파장 정도의 길이 스케일을 갖는 물체는 광센서를 향해 광을 우선적으로 지향시킬 수 있는 복소 산란 특성을 나타낸다. Mie 산란은 입사 파장 및 편광의 특정 조합을 이용하여 우선적으로 상호작용하도록 맞추어질 수 있는 공진을 가능하게 한다. 따라서, 광센서의 능력을 증가시키기 위해 Mie 산란을 이용하는 장치들이 사용될 수 있다. 또한, 광센서의 능력을 증가시키기 위해 Mie 산란을 가능하게 하는 구조의 구성, 설계, 및 특징(예를 들어, 기하학적 구조, 구조 재료(들), 및 구조 내의 특징부의 공간적 관계)이 선택될 수 있다. Mie 산란은 섹션 III.A에 더 상세히 기술되어 있다.
본원에서, Mie 산란을 이용하는 임의의 광센서는 Mie 광센서(Mie photo sensor)로 기술된다. Mie 광센서는 광센서의 산란 중심에 내부적으로 집중된 빛을 측정하여 광센서의 성능을 향상시킨다. 산란 중심은 현재의 세대(generation)를 증가시키기 위해 Mie 산란을 활용하는 Mie 광센서의 영역이다. 일 예에서, Mie 광센서는 광자 검출을 향상시키는 산란 중심을 포함한다. 즉, 산란 중심에 입사하는 광자에 응답하여 Mie 광센서에 의해 발생되는 신호는 Mie 산란 효과로 인해 통상적인 광센서들에서보다 더 높다. 생성된 신호는 하나 이상의 추가적인 센서들에서 후속적으로 (예를 들어, 전류, 전압, 또는 저항으로서) 검출될 수 있다.
III.A Mie 산란
Mie 산란은 일반적으로 물체로부터의 광 산란을 위한 맥스웰 방정식에 대한 일반해인 광 산란 문제의 기술로서 설명될 수 있다. 일반적으로, 물체가 광의 파장보다 훨씬 더 크게 됨에 따라, 맥스웰 방정식에 대한 해는 물리적 광학 해에 의해 제공되는 것으로 수렴한다(즉, 이전 섹션에서 설명된 바와 같음). 추가적으로, 물체가 광의 파장보다 훨씬 작아짐에 따라, 맥스웰 방정식에 대한 해는 레일리(Rayleigh) 산란 근사화에 수렴한다. 그러나, 중간 영역에서, 산란 해는 더 복잡해지고, 이는 Mie 산란으로 알려져 있다.
예를 들어, 주어진 파장(λ)의 광은 그 물체가 약 1/5ㆍλ 내지 약 10ㆍλ의 범위의 특성 크기를 가질 때 물체로부터 Mie 산란을 나타낼 것이다. 특성 크기(characteristic size)는, 반경 r인 구의 경우 구의 원주 2πr이고, 얇은 회전타원체의 경우 2πa이며(a는 회전타원체의 장축임), 반경 r의 무한한 긴 원통의 경우 2πr이다. 길이가 2.5r 및 그 이상인 유한한 실린더는 무한 원통과 비슷하게 동작한다. 따라서, 가시광의 경우, 약 20 nm 내지 1.1 μm 사이의 반경을 갖는 구형 입자가 Mie 산란을 나타낼 것이다. 전술한 형상들은 이 크기 영역에서 광 산란 문제에 대한 분석해를 가지고 있기 때문에 편리한 예들이지만, 예들은 임의의 다른 형상일 수 있다. 다양한 다면체와 같은 임의의 부피의 경우에는 수치해만 사용할 수 있다.
Mie 광센서는 큰 입자 내(in-particle) 필드를 생성함으로써 이미지 감지를 위한 신호를 생성할 수 있다. 큰 입자 내 필드는, 산란 물체가 입사광의 파장 대 물체의 구성 재료의 굴절률의 실수부에 비해 크고(즉, 물체가 광학적으로 큼), 입사광의 파장에 비해 작으며(즉, 물체가 기하학적으로 작음), 산란 물체가 1과 비교하여 작은 감쇠 계수를 갖는 경우에 가능하다.
Mie 광센서는 입사광의 산란에 기인하는 높은 전기장 및 자기장의 내부 영역의 생성을 증가시키도록 구성된다. 이러한 필드는 향상된 흡수 확률을 야기하고, 따라서 향상된 이미지 생성 특성을 초래하는 증가된 광전류를 야기한다. 집중된 필드의 그러한 영역은 흡수 두께보다 얇은 구조에서 가능하기 때문에, 통상적인 광센서의 두께 요건은 Mie 광센서에는 적용되지 않는다. 예를 들어, 산란 중심이 반경 100 nm의 실리콘 구이고, 그 특성 크기가 2πr 또는 628 nm인 Mie 광센서를 고려해보자. 이러한 예에서, 600 nm 빛이 산란 중심에 입사된다. 실리콘의 경우, 600 nm 에서의 실제 굴절률은 3.939이고, 감쇠 계수는 0.02이며 이에 따라 흡수 길이는 4.14 × 103 cm-1이다. 따라서, 그러한 구의 특성 길이는 입사 파장 대 굴절률의 비의 4배가 넘는다. 동시에, 그의 가장 두꺼운 영역에서의 구의 감쇠 계수는 0.083이다. 이 예는 Mie 광센서들과 통상적인 광센서들 사이의 하나의 차이점을 예시한다. 예를 들어, 통상적인 광센서들은 측정될 입사광의 1 흡수 길이의 대략 최소 두께로 가능한 한 두꺼워짐으로써 그들의 광 흡수 확률을 최대화하도록 구현된다.
큰 입자 내(in-particle) 필드를 생성하는 Mie 광센서에서는, 입사 에너지의 산란된 성분 및 흡수된 성분 모두가 작고, 나머지 에너지는 산란 물체에 내부적으로 집중되어 있다. 간섭 효과는 산란 물체 근처의 영역들에서 입사 에너지를 상쇄할 수 있어서, 물체의 광학 단면이 물체의 물리적 단면을 상당히 초과하게 한다. 즉 효과적으로 Mie 광센서는 실제보다 훨씬 더 큰 구조에서 빛을 흡수하는 것처럼 작동한다.
Mie 광센서는 굴절률의 실수부(굴절률)가 주변과 크게 미스매치되고 굴절률의 허수부(감쇠 계수)가 작은 유전체 재료로 구성된 산란 중심을 포함할 수 있다. 즉, Mie 광센서를 위한 재료는 다음의 굴절률을 가질 수 있다:
(2)
여기서,
(3)
이러한 재료의 예는 많은 반도체들, 예를 들어, 실리콘(m = 4.14, κ = 0.01), 갈륨비소(m = 4.13, κ = 0.34), 및 인화 갈륨(m = 3.49, κ = 0.003)을 포함한다. 예를 들어, 반도체 재료가 Mie 산란에 적합한 크기를 갖고 저굴절률 재료로 둘러싸인 물체를 형성하는 경우, 이들은 입사광에 응답하여 원거리-필드 Mie 산란 패턴 생성의 필요한 결과로서 이례적으로 큰 내부 전기장 및 자기장을 경험할 수 있다. 반도체를 위한 몇몇 낮은 굴절률 재료는 예를 들어, 공기(m = 1), 이산화규소(m = 1.5), 오일, 또는 물일 수 있다. 반도체 산란 중심의 경우에, 이러한 내부 필드에 의해 형성된 큰 에너지 밀도는 많은 자유 캐리어 생성을 야기한다. Mie 광센서에서의 광학적으로 생성된 자유 캐리어들의 수는 일반적으로 입사광의 강도에 비례하고, 입사광 강도를 보고하는 출력 신호를 구동하기 위해 전하 수집 모드 또는 개방 회로 전압 모드에서 사용될 수 있다.
Mie 광 검출기들에서의 공진들은, 예를 들어, 파장과 같은 특정한, 종종 좁은 범위의 변수들에 응답하는 여기(excitation)이다. 그 결과, 산란 물체의 크기는 다른 파장들을 필터링하지 않고도 특정 파장 범위에 대한 센서의 응답을 향상시키도록 맞춰질 수 있다. 특정 파장 응답은 원하는 파장에 본질적으로 반응하는 광센서를 만드는 기회를 제공한다. 파장 특이성(색 감도 또는 다중 스펙트럼 이미징)을 제공하기 위해 다수의 인접한 센서들이 이용될 수 있다. 일부 경우에, 특정 좁은 파장 응답에 걸쳐 광범위한 파장 응답이 요구된다. 다행히도, 이러한 경우에, 공진은 넓은 파장 응답을 가능하게 하는 중첩 캐스케이드에서 발생할 수 있다. 일반적으로, 개별적인 통상적인 광센서들의 형상의 변화는 파장 또는 편광 선택의 수단으로서 기능하지 않는다. 따라서, Mie 광센서에서 적절한 형상, 크기, 깊이 등을 선택하는 것은 광센서에 의한 흡수를 위한 파장 또는 편광의 선택일 수 있다.
공진 중첩은 구형 산란 중심을 사용하는 Mie 산란에 대한 예시적 해에서 볼 수 있다. 먼저, 광 산란 문제에 대한 Mie 해는, 산란 물체(예를 들어, 구, 다면체 등)의 표면에서 적절한 경계 조건들을 만족시키기 위해, 정규직교 함수들의 무한 급수의 항들로 전자기장을 확장한다. 즉, 개별적인 전기장 및 자기장의 방사형 성분은 0이고, 그들의 접선 성분은 연속적이다. 구의 이상적인 경우에서, 정규직교 기저 함수는 리카티-베셀(Riccati-Bessel) 함수의 복소 선형 조합으로부터 구성되며, 이들 새로운 함수는 및 로 나타나는데, 여기서 n은 그 아래의 리카티-베셀 함수의 차수를 나타내고, 그 해는 전개식의 각각의 항에 대해 4개 계수들의 급수로 완전히 결정된다. 이들 계수 중 2개는 산란 물체 외부의 전기장 및 자기장에 대해서만 관련되며, 나머지 2개는 각각, 산란 물체 내부의 전기장 및 자기장의 강도를 나타낸다. 이들 계수는 산란 물체의 물리적 크기 및 빛의 파장 사이의 관계, 즉, (m은 산란 물체의 복소 굴절률이고, n은 전개식의 차수임)을 기술하는 무차원 크기 파라미터에 의존한다. 의 극한에서, 산란 구 내부의 해는 다음과 같이 주어진다:
(4)
여기서, c n 은 전기장의 강도를 기술하는 계수이고,
(5)
여기서, d n 은 자기장의 세기를 기술하는 계수이며, '(또는 "프라임")은 전체 인수에 대한 미분을 나타낸다. n의 더 낮은 차수(쌍극자, 사중극 및 옥타폴 항들: n = 1, 2, 및 3)는 일반적으로 가장 큰 영향을 가지는데, 그 이유는 더 낮은 차수의 정규직교 함수들이 급수 전개를 지배하기 때문이며, 각각의 항은 후속하여 전체 필드에 대한 그 항의 기여도를 계산하는 데 있어서 1/n에 비례하는 추가적인 인자에 의해 곱해진다. 공진이 중첩되는 영역들을 시각화하기 위해 구 반경의 함수로서의 계수들이 플롯팅될 수 있다.
도 1a 내지 도 1h는 몇몇 예시적인 실시예들에 따른, 일련의 공진 그래프를 도시한다. 공진 그래프는 산란 중심 크기의 함수로서 흡수 계수의 크기를 도시한다. 각각의 공진 그래프는 전술한 정의에 따라 계산된 여러 개의 상이한 흡수 계수(d1, d2, d3, c1, c2, 및 c3)를 포함한다. 즉, 각각의 공진 그래프는 구 반경의 함수로서 c n 및 d n 모두에 대해 처음 3개의 다중 극(예를 들어, n = 1, 2, 및 3)을 도시한다. 도 1a는 400 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(110)이다. 도 1b는 450 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(120)이다. 도 1c는 500 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(130)이다. 도 1d는 550 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(140)이다. 도 1e는 600 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(150)이다. 도 1f는 650 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(160)이다. 도 1g는 700 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(170)이다. 도 1h는 750 nm의 파장을 갖는 입사광에 대한 공진 그래프(180)이다.
Mie 광센서는 여러 형상일 수 있다. 도 1a 내지 도 1e에 관해 도시된 예들은 구형이지만, Mie 광센서들은 직선형, 또는 몇몇 다른 기하학적 형상일 수 있다. 반도체 제조 기술들을 이용하여 직선형 또는 거의 직선형인 Mie 광센서들이 생성될 수 있다. 직선형 센서의 경우, 산란 문제에 대한 해는 분석적으로 풀릴 수는 없지만, 수치적으로 해결될 수 있다.
예를 들어, 도 2는 일 예시적인 실시예에 따른, 직선형 Mie 광센서에 대한 흡수된 전력 그래프를 도시한다. 흡수된 전력 그래프(210)는 상이한 파장의 광에 대해 입사 전력 대 흡수된 전력의 수치적으로 계산된 비율을 도시한다. 흡수된 전력은 (i) 직선형 광센서에 대한 Mie 해("큐브"로 라벨링됨), 및 (ii) 물리적 광학 계산에 의해 예측되는 바와 같은 직선형 광센서들에 대한 해("BL"로 라벨링됨)를 모두 사용하여 계산된다. 흡수 계수들은 2개의 상이한 직선형 광센서들, 즉, (i) 109 nm 변(side)을 가지는 제1 장치, 및 (ii) 218 nm 변을 가지는 제2 장치에 대해 계산된다. 추가적으로, 흡수 계수는 5개의 상이한 파장의 광(예를 들어, 400 nm, 500 nm, 600 nm, 700 nm, 및 800 nm)에 대해 계산된다.
제1 장치의 흡수된 에너지는 Mie 산란을 고려할 때 400 nm빛의 향상된 흡수를 나타낸다. 이는 도 1의 그래프에서의 결과로 예상된다. 제2 장치의 흡수된 에너지는 더 균일한 흡수 프로파일을 나타낸다. 특히, 이러한 흡수 비율 중 몇몇은 1보다 크다. 이 비율은 Mie 산란을 고려하는 경우, 장치가 그의 물리적 단면을 초과하는 광학 단면을 갖는다는 것을 입증한다.
비교를 위해, 물리적 광학계에 의해 예측되는 바와 같이 제1 장치에 대한 흡수된 에너지는 또한 검출기들의 크기 모두에 대해 도시된다. 이 실시예들에서, 4배 내지 6배 사이의 인자의 흡수된 전력의 감소는 Mie 산란으로부터 발생하는 내부 농도의 부재로 인해 모든 파장에 대해 존재한다.
도 1a 내지 도 1h, 및 도 2에서의 결과는 넓은 파장 응답을 달성하고 다중 스펙트럼 이미징을 수행하기 위한 전략을 나타낸다. 즉, 제1 접근법에서, c n 또는 d n 에서 높은 강도의 공진을 포함하지 않는 크기들 및 형상들을 갖는 몇몇 Mie 광센서들을 구현하는 것은 광센서에 대한 더 넓은 파장 응답을 가능하게 한다. 제2 접근법에서, 각각의 광센서가 이미지 평면 내의 유사한 공간적 정보를 측정하도록 위치된, 각각 약간 다른 기하학적 형상을 갖는 다수의 Mie 광센서를 구현하는 것은 다중스펙트럼 이미징을 가능하게 한다. 이 경우에, 다수의 검출기들로부터의 신호들은 합산되거나, 균일한 가중치로 평균되거나, 원하는 잡음 및 감도 요건들과 함께 원하는 파장 응답을 전달하기 위해 일부 다른 기능적인 형태로 조합될 수 있다.
III.B Mie 광센서의 구조 및 물리
도 3a는 일 예시적인 실시예에 따른 Mie 광센서의 평면도를 도시하고, 도 3b는 Mie 광센서의 측면도를 도시한다. 이 예에서, Mie 광센서(310)는 n-형 갈륨비소의 직사각형 평행육면체 메사(320)를 포함한다. 메사(320)는 진성 갈륨비소 층들의 기판(330) 상에 놓여 있고, 그에 부착된다. 여기서, 메사(320)는 Mie 광센서에 대한 산란 중심의 일 예이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 산란 중심은 임의의 다른 개수의 형상 또는 크기를 가질 수 있다.
이러한 예에서, 메사(320)는 2000 nm 두께의 진성 갈륨비소 기판(330) 상에 100 nm 두께의 n-형 갈륨비소의 층을 성장시킴으로써 형성된다. 후속하여, 포토레지스트 도포, 광학 리소그래피 및/또는 전자빔 리소그래피를 이용한 포토레지스트 패터닝, 및 식각의 조합을 이용하여 Mie 광센서를 제조하였다. 이런 식으로, 제조공정은 n-형 갈륨비소의 한정된 부분들을 제거하여 개별 메사(320)를 남겼다. 메사(320)는 또한 메사의 각각의 변이 250 nm × 250 nm가 되도록 제조되었다. 500 nm × 500 nm의 변과 같은 다른 예가 또한 가능하다.
후속 처리 단계들은 메사(320) 상의 옴 접촉부(350A) 및 쇼트키 접촉부(350B)을 생성하였다. 상기 처리는 또한, 도시되어 있지는 않지만, 상기 접촉부들(350)을 전기적으로 액세스하기 위한 도전성 트레이스들을 생성하였다.
Mie 광센서(310)는 다른 치수의 또는 임의의 다른 개수의 접촉부들(350)을 가질 수 있다. 또한, 접촉부들은 p-n, 또는 p-i-n, 반도체 접합들과 같은 몇몇 다른 타입의 접촉부일 수 있다.
도 4는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서에 대한 전압 응답 그래프를 도시한다. 전압 응답 그래프는 Mie 광센서(예를 들어, Mie 광센서(310))에 대한 입사 광 강도의 함수로서 쇼트키 접촉부(예를 들어, 350B) 및 옴 접촉부(350A) 사이의 개방 회로 전압 응답을 도시한다. 도시된 예에서, 개방 회로 전압은 수직 입사 광에 노출되는 250 nm 정사각형 및 500 nm 정사각형의 갈륨비소 메사 모두에 대해 도시된다. 추가적으로, 쇼트키 접촉부의 측정된 쇼트키 장벽 높이는 0.48 eV이지만, 임의의 다른 장벽 높이일 수 있다.
도시된 예는 Mie 산란으로 인한 향상된 흡수를 나타낸다. 예를 들어, 여기에서, 메사는 Mie 광센서의 상부 표면에 수직인 632.8 nm 파장의 입사광에 노출되었다. 이러한 예에 대해 물리적 광학 근사값이 가정되는 경우, 광의 37%가 표면으로부터 반사되어야 하고, 나머지 중 32%는 메사 내에 흡수되어 전체 입사광의 21%가 총 흡수 에너지이어야 한다. 그러나, 이 예에서, 측정된 신호는 Mie 광센서에 흡수된 광이 예상보다 적어도 2배인 것을 나타낸다. 즉, 물리적 광학의 원리를 이용하여 도출되는 이상적인 최대값을 가정할 때의 예상보다 많은 흡수가 존재한다.
도 4에 도시된 향상된 반응은 전술한 Mie 산란의 내부 농도 효과를 예시한다. 후속 모델링 결과는 이러한 결론을 지지한다. 예를 들어, 유전체 물체는, 해당 유전체 물체가 본질적으로 동일한 복소 굴절률을 갖는 재료의 거시적으로 큰 슬래브와 근접 평면에서 접촉하고 있을 때, 고립된 산란 중심에 대한 Mie 산란을 나타내는 내부 에너지 농도를 지지할 수 있다. 이러한 유전체 물체들에 대한 에너지 농도들은 반도체 재료의 웨이퍼로부터 직접 제조된 연결 요소들이 이러한 검출기들에 적합한 구조들이라는 것을 나타낸다.
통상적인 광센서에서는, 메사(예를 들어, Mie 산란 센서)가 존재하지 않는다. 대신에, 이러한 시스템들은 반도체 재료들의 두께가 흡수 매체로서 작용하고, 공핍 영역을 형성하기 위해 하나 이상의 위치들에서, 차등적으로 도핑된 반도체 또는 얇은 금속층이 사용된다. 공핍 영역들은 국부적으로 생성된, 광-생성된, 전하를 수집한다. 어레이의 경우, 개별 픽셀은 광자 또는 전하의 교환을 차단하는 재료에 의해 분리될 수 있다. 개별 픽셀들이 입사광의 파장보다 더 작도록 어레이의 면적 치수들을 축소시키는 것은 Mie 광센서들의 어레이를 만들어내지 못한다. 또한, 광학적으로 얇도록 어레이 두께를 축소시키는 것은 Mie 광센서의 어레이를 생성하지 못한다. 일반적으로, 작은 인접한(기존) 광센서들은 연속적인 굴절률을 갖는 더 큰 구조물을 형성한다. 이와 달리, Mie 광센서들의 어레이에서, 개별 광센서들은 본원에서 설명된 바와 같은 적절한 치수들을 갖는다. 또한, 각각의 Mie 광센서는, 산란 중심을 정의하고 나아가 Mie 산란을 가능하게 위해 픽셀 자체와는 상이한 굴절률을 갖는 재료에 의해 크게 둘러싸인다.
또한, 일반적으로, 개별적인 통상적인 광센서들은 신호 수집 전자부들을 지지하는 부가적인 반도체 재료들에 의해 둘러싸인다. 센서의 광활성 영역을 Mie 광센서의 치수로 감소시키면, 이러한 추가적인 재료는 광활성 영역과 조합되어, Mie 광센서에 요구되는 바와 같은 정교한 유전성 산란 중심을 정의하지 않는 더 큰 구조를 형성한다.
Mie 광센서 내의 접촉부의 쇼트키 장벽 높이는 그의 동작에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 도 5는 일 예시적인 실시예에 따른 전압 다중-응답 그래프이다. 전압 다중-응답 그래프(510)는 도 3의 Mie 광센서에 대해 시뮬레이트된, 쇼트키 접합의 상이한 장벽 높이들에 대한 개방 회로 전압을 도시한다. 전압 다중 센서 그래프에서, 각각의 쇼트키 장벽에 대해 동일한 파장의 광에 대해 개방 회로 전압이 측정된다.
전술한 바와 같이, Mie 광센서의 내부 전기장 및/또는 자기장은 통상적인 광센서의 것보다 더 크다. 예를 들어, 일 예시적인 실시예에 따르면, 도 6은 Mie 광센서의 단면 필드 플롯을 도시한다. 단면 필드 플롯(600)은 Mie 광센서 내 및 주변의 전기장을 도시한다. 도시된 Mie 광센서는 도 3에 도시된 Mie 광센서(310)이다. 추가적으로, Mie 광센서는 1000 nm × 1000 nm × 200 nm 두께의 Si 기판(예를 들어, 기판(330)) 상에 제조된다. Mie 광센서에는 파장 600 nm의 입사 평면 파가 주어지는데, 이는 메사 바로 아래에 있는 실리콘 기판 내부 및 메사 내부에 국부화된 큰 전자기장을 유도한다.
도 7은 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서를 도시한다. 이 예에서, Mie 광센서(710)는 메사(710)에 대해 접촉부를 형성하는 2개의 금속 스트립들(예를 들면, 접촉부들(720A 및 720B))을 이용하여 350 nm × 250 nm × 100 nm 두께의 실리콘의 메사를 형성한다. 각각의 접촉부(720)는 250 nm × 50 nm × 50 nm 높이이다. 일 접촉부(720A)는 메사(720)와 쇼트키 접촉을 형성하고, 다른 접촉부(720B)는 메사와 옴 접촉을 형성한다. 메사 아래의 기판의 함수로서의 흡수된 전력의 시뮬레이션 결과는 산란 중심이 Mie 산란 유도된 내부 에너지 농도를 지지할 수 있다는 결과를 강화한다.
일 예시적인 실시예에 따르면, 도 8은 Mie 광센서의 단면 필드 플롯이다. 단면 필드 플롯(700)은 도 7의 Mie 광센서(710)의 단면도를 도시한다. 단면 필드 플롯은 장치 내부 및 주변의 전기장을 나타낸다. 그러나, 이 실시예에서, Mie 광센서는 파장 600 nm의 입사 평면 파가 적용되는 1000 nm × 1000 nm × 200 nm 두께의 이산화규소 기판 상에 제조된다.
이 예에서, 기판은 반도체(예를 들어, 실리콘) 대신에 이산화규소(절연체)이다. 이산화규소 기판은 메사 전체 둘레에, 불연속적인 굴절률을 가능하게 한다. 추가적으로, 이산화규소는 그의 전방 및 후방 표면을 따라 기판 상에 입사하는 평면 파의 반사를 강하게 지지한다. 기판 및 주변 진공에서는 입사된 평면파와 반사된 평면파 사이의 간섭 효과가 전기장 강도 맵을 지배한다. 간섭 효과는 최대 전기장 강도의 감소에서 보이는 메사에서의 내부 농도 효과를 감소시킨다. 도 6 및 도 8의 비교는, 실리콘 기판 상의 Mie 광센서들의 감도가 이산화규소 기판 상의 장치에서 보다 (메사 도핑(mesa doping)(N d )에 따라) 1배 내지 2½배의 더 낮은 광 레벨의 최소 감도를 갖는 것을 시사한다.
도 9는 일 예시적인 실시예에 따른 전압 다중-응답 플롯을 도시한다. 상기 전압 다중-응답 플롯은 도 5의 Mie 광센서의 2개의 금속 접촉부들 사이에 유도된 개방 회로 전압을 도시한다. 여기서, 전압 응답은 실리콘 기판의 실리콘을 사용하여 제조된 Mie 광센서 상에서의 다양한 세기의 600 nm 입사광에 대한 응답이다. 추가적으로, 이러한 전압 응답 플롯(910)에서, 각각의 선은 상이한 쇼트키 장벽 높이를 나타내는 것이 아니고, 플롯의 각각의 라인은 Mie 광센서의 메사의 상이한 도핑 레벨을 나타낸다. 실리콘 및 이산화규소 기판 경우 모두에서, 쇼트키 장벽 높이는 1.0 eV로 전제된다. 쇼트키 장벽은 그에 인접한 반도체 체적 내의 공핍 영역을 유도하고, 시스템의 평형 상태를 반영하는 내재 전압을 갖는다. 광-생성된 전자-정공 쌍의 추가는 이러한 내재 전압을 변화시키며, 이는 2개의 금속 접촉부들 사이의 개방 회로 전압으로서 측정가능하다. 개방 회로 전압은 광-생성된 캐리어의 생성 속도의 로그에 비례한다.
실리콘 기판 상의 Mie 광센서는 일반적으로 이산화규소 기판 상의 Mie 광센서보다 더 민감하며, 메사 및 기판 조성물의 중요성을 나타낸다. 광학 검출 성능(예를 들어, 감도)을 향상시키는 다른 방법들도 존재한다. 한 가지 예는 쇼트키 접촉 면적을 줄이는 것이다. 쇼트키 접촉 면적을 감소시키는 것은 장벽을 가로지르는 전류의 포화를 감소시킬 수 있고, 이것은 장치 감도를 상당히 증가시킨다. 또한, 쇼트키 접촉 면적을 감소시키는 것은 자유 캐리어 구배의 엔지니어링을 가능하게 하여 확산 속도를 제어할 수 있다. 확산 속도들을 제어하는 것은 진성 실리콘과 같은 비절연 기판 상의 센서들 사이의 크로스토크를 제어할 수 있게 한다. 또한, 금속 접촉부의 크기 및 형상을 변경하는 것은 검출기와 입사 파 사이의 상호작용을 더 정의하는 역할을 할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 몇몇 예시적인 실시예들에 따른, Mie 광센서의 다양한 구성들을 도시한다. 각각의 도면들은 Mie 광센서의 상이한 구성을 도시하지만, 모든 Mie 광센서들은 적어도 기판(명확성을 위해, 도시되지 않음)을 포함한다. 기판은 제1 굴절률을 갖고 반도체 재료의 메사(1020)를 포함하는 재료층이다. 메사는 제2 굴절률을 가지며, 전자기 교란(예를 들어, 가시광, X선, 적외선 복사 등)에 응답하여 반도체 재료 내에 자유 캐리어를 생성하도록 구성된다. 메사(1020)는 복소(예를 들어, 제3의) 굴절률을 갖는 굴절 매질(1040)(예를 들어, 공기)에 의해 둘러싸인다. 일반적으로, 제3 굴절률은 제1 굴절률 및 제2 굴절률보다 더 낮다. 일부 경우에, 메사 및 기판 재료가 유사하거나 동일한 경우, 2개의 재료에 대한 굴절률은 유사하거나 동일할 수 있다.
함께, 굴절 매질(1040) 및 메사(1020)(및/또는 기판)는 계면에 걸쳐 불연속적인 굴절률을 갖는, 계면을 형성한다. 즉, 굴절 매질(1040)은 메사(1030)와는 실수부가 상이한 굴절률을 갖는 일부 재료를 포함할 수 있다. 이상적으로, 불연속 굴절률은 메사(1030)와 굴절 매질 사이의 경계에서 가능한 한 커야 한다. 예를 들어, 5개의 면(side)에 공기가 있는 직선형 실리콘 메사의 경우, 메사와 공기 굴절 매질 사이의 굴절률 불연속도는 가시 스펙트럼에서 5.3 내지 3.7 사이이다. 546 nm 입사광이 적용되는 갈륨비소의 경우, 메사와 굴절 매질 사이의 굴절률 불연속도는 4.0이다.
굴절 매질 내의 반도체 재료의 메사는 Mie 광센서에 대한 전자기 산란 중심을 형성할 수 있다. 일부 경우에, 산란 중심은 메사 전체가 아니라 메사의 일부분일 수 있다. 즉, 메사는 일 세트의 경계를 갖는 기하학적 형상을 갖는 것으로 기술될 수 있고, 전자기 산란 중심은 그 경계 내의 및 그 경계까지의 메사의 반도체 재료의 임의의 부분일 수 있다.
Mie 광센서는 메사(1020)와 접촉하는 적어도 하나의 접촉부(1050)(예를 들어, 접촉부들(1050A 및 1050B))를 포함한다. 접촉부들(1050)은 옴 접촉부, 쇼트키 접촉부, p-n 접합부, 또는 p-i-n 접합부의 임의의 조합일 수 있다. 접촉부들(1050)이 옴(Ohmic)인 구성에서, 굴절 물질(또는 기판)과 메사(1030) 사이의 계면 중 적어도 하나는 쇼트키 장벽이다.
다양한 구성들에서, Mie 광센서(1010)는 입사광의 편광에 대한 광센서의 응답을 변경하기 위해 사용될 수 있는 비대칭 메사를 포함할 수 있다. 고도로 비대칭인 메사는 구성 필드가 상이한 배향을 갖는 광에 대해 상이한 유효 공간 치수를 제공할 것이다. 예를 들어, 도 10a 내지 도 10c의 Mie 광센서(1010)는 입사광 및 접촉부 모두에 관하여 상이한 종횡비를 갖는 메사(1020)를 도시한다. 이런 식으로, 입사광의 특정 편광 상태가 개별적으로 측정될 수 있고, 그리고/또는 입사광의 특정 파장이 광센서에서 공진될 수 있다. 편광 의존 측정은 광 반사 물체 또는 발광 물체의 조성에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다.
Mie 광센서들은 설계된 특정 파장의 광을 흡수하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 산란 중심의 크기, 형상, 재료 등은 특정 파장을 흡수하도록 구성될 수 있다. 이 경우에, Mie 산란은 공진 레벨에서의 전자기 교란의 특정 파장을 흡수하고, 공진 레벨에 대응하는 제1 양의 자유 캐리어를 생성한다. 또한, 전자기 산란 중심은 비-공진 레벨에서 전자기 교란의 상이한 파장을 흡수할 수 있고, 비-공진 레벨에 대응하는 제2 양의 자유 캐리어를 생성할 수 있다. 특정 파장(예를 들어, 공진)에서 광으로부터 생성된 자유 캐리어들의 수는 상이한 파장들(예를 들어, 비-공진)에서의 캐리어들로부터 생성된 캐리어들의 수보다 더 크다.
일반적으로, 개별적인 Mie 광센서는 좁은 파장 응답에 대해 구성되지만, 다수의 Mie 광센서들은 Mie 광센서들의 어레이가 넓은 범위의 파장들을 흡수하도록 상이한 파장 응답들을 위해 구성될 수 있다. 이런 식으로, 파장의 함수로서의 강도 변화는 입사광의 여러 스펙트럼에 대해 식별될 수 있다.
본원에 제시된 Mie 광센서의 이러한 구성들은 예로서 주어지며, 제한하기 위한 것이 아니다. 더 구체적으로, Mie 광센서는 광센서에서 광-전류 생성을 향상시키기 위해 Mie 산란을 이용하는 광센서의 임의의 구성일 수 있다.
예를 들어, Mie 광센서는 다양한 유형의 기판을 가질 수 있다. 일부 예시적인 기판은 탄소(예를 들어, 다이아몬드, 및 질소 공핍을 갖는 다이아몬드 등), 갈륨비소, 수은 카드뮴 텔루라이드, 규화 백금, 게르마늄, 탈륨 브로마이드 등을 포함한다. 또한, 상기 기판 재료 각각은 Mie 광센서가 특정한 유형의 전자기 교란을 위한 공진을 갖게 구성되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, (i) 탄소가 포함된 기판을 포함하는 Mie 광센서는 UV 공진, X선 공진을 가질 수 있고, (ii) 수은 카드뮴 텔루라이드가 포함된 기판을 포함하는 Mie 광센서는 넓은 적외선 공진을 가질 수 있으며, (iii) 규화 백금이 포함된 기판을 포함하는 Mie 광센서는 적외선 공진을 가질 수 있고, (iv) 게르마늄이 포함된 기판을 포함하는 Mie 광센서는 감마선 공진을 가질 수 있으며, 탈륨 브로마이드가 포함된 기판을 포함하는 Mie 광센서는 X선 공진을 가질 수 있다.
다른 예로서, Mie 광센서는 30 nm 내지 1700 nm 사이의 높이를 가질 수 있다. 상기 Mie 광센서의 높이는 기판의 표면에 대해 수직 방향으로 측정된다. 또한, Mie 광센서의 높이는 자유 캐리어 생성에서 공진을 야기하는 전자기 교란의 특정 파장, 및/또는 자유 캐리어 생성에서 공진을 야기하는 광의 특정 편광에 영향을 줄 수 있다.
다른 예로서, 메사는 상이한 평면 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 메사는 10 nm 내지 800 nm 사이의 제1 방향으로 제1 특징부와, 10 nm내지 800 nm 사이의 제2 방향으로 제2 특징부를 가질 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 방향은 서로 근사적으로 직교한다. 또한, 제1 특징부 및 제2 특징부의 크기는 자유 캐리어 생성에서 공진을 야기하는 전자기 교란의 특정 파장, 및/또는 자유 캐리어 생성에서 공진을 야기하는 광의 특정 편광에 영향을 줄 수 있다.
III.C Mie 광센서 픽셀의 기본 동작
통상적인 광센서와 같이, Mie 광센서는 개방 회로 또는 전하 수집 모드로 동작하는 이미징 시스템에서의 픽셀로서 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 비(non)-옴 접촉은 쇼트키 접합 또는 p-n 접합으로부터 형성될 수 있다. 쇼트키 접합의 장점은 매우 빠른 반응 시간을 제공한다는 점이다. 이전에는, 쇼트키 접합은, 측정이 수행될 수 없는 세기의 플로어(floor)를 설정하는 암전류가 대개 더 높았기 때문에 광센서에 거의 사용되지 않았다. 그러나, Mie 광센서에서는, 금속-반도체 계면 면적이 매우 작게 만들어질 수 있어, 접합 암전류를 크게 감소시킨다.
Mie 광센서는 광센서의 빠른 응답 시간 및 낮은 최소 감도 때문에 개방 회로 모드에서 배치하기에 좋다. 빠른 응답 시간은 평형 전압 측정들을 가능하게 하고, 더 낮은 최소 감도는 전압 측정들이 더 낮은 입사 강도들로 확장되게 한다. 이러한 모드에서 작동되는 광센서들은 이러한 모드의 로그 응답에 기인하여 본질적으로 큰 다이내믹 레인지를 갖고, 개선된 최소 감도는 이들이 다른 로그 검출기에서 입증된 60년보다 상당히 큰 다이내믹 레인지를 제공할 수 있음을 시사한다.
전압 모드에서 이용되는 Mie 광센서들의 다른 이점은 이들이 바이어스 전압 없이 그리고 리셋 회로 없이 동작될 수 있다는 것이다. 쇼트키 접촉으로 가능한 빠른 응답은 Mie 광센서의 작은 크기에 의해 가능한 작은 면적 접촉과 조합하여, 픽셀에 리셋 회로를 추가할 필요 없이 광에 대한 Mie 광센서의 응답의 직접적인 전압 측정을 구현할 수 있게 한다.
도 11a 내지 도 11e는 다양한 예시적인 실시예들에 따른, 하나 이상의 Mie 광센서들을 포함하는 이미지 센서 내의 픽셀에 대한 여러 상이한 구성들을 도시한다. 각각의 픽셀(1110)은 반도체 재료(1120)의 메사, 기판(1130), 굴절 물질(1140)(도시된 바와 같은 공기), 및 하나 이상의 접촉부들(1150)을 포함한다. 또한, 픽셀들 각각은 픽셀을 제어하고 그로부터 정보를 판독하기 위한 제어 전자부의 몇몇 조합을 포함한다.
도 11a는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서를 포함하는 이미지 센서 어레이의 예시적인 픽셀을 도시한다. 이 예에서, 픽셀(1100A)은 열 버스(1180)를 Mie 광센서(1110)에 연결하는 단일 선택 트랜지스터(1160)를 포함한다. 하나의 선택 트랜지스터(1160)만이 존재하기 때문에, 픽셀(1160) 및 Mie 광센서(1110)는 본질적으로 저전력 성능을 제공한다.
도 11b는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서를 포함하는 이미지 센서 어레이의 예시적인 픽셀을 도시한다. 이 예에서, 픽셀 센서는 선택 트랜지스터(1160) 및 증폭 트랜지스터(1162)를 모두 포함한다. 이러한 구성은 열 버스(1180)의 나머지(및 나머지 판독 회로)로부터 Mie 광센서의 커패시턴스의 고립을 가능하게 한다. 또한, 이 구성은 픽셀이 Mie 광센서로부터의 전압 출력을 (증폭 트랜지스터(1162)를 통해) 다시 스케일링할 수 있게 한다.
도 11c는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서를 포함하는 이미지 센서 어레이의 예시적인 픽셀을 도시한다. 이 예에서, 픽셀은 선택 트랜지스터(1160), 증폭 트랜지스터(1162), 및 커패시터(1164)를 포함한다. 여기서, 출력 전압은 적절한 크기의 커패시터(1164)에 걸쳐 일시적으로 저장될 수 있다. 커패시터(1164)의 커패시턴스는 회로의 전압차(대개 VDD), 판독 회로의 저항, 및 원하는 시간 응답에 의존한다. 픽셀의 이러한 구성은 어레이 내의 모든 픽셀들이 거의 동시에 측정될 수 있게 한다.
도 11d는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서를 포함하는 이미지 센서 어레이의 예시적인 픽셀을 도시한다. 이 경우에, 픽셀은 선택 트랜지스터(1160), 증폭 트랜지스터(1162), 커패시터(1164), 및 리셋 트랜지스터(1166)를 포함한다. 이러한 구성은 픽셀이 커패시터를 그의 제로(0) 전압 차 상태로 리셋할 수 있게 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이러한 구성은 전압 저장 커패시터에 의해 매개되는 판독 모드와 그렇지 않은 판독 모드 사이의 스위칭을 가능하게 한다. 동작의 일 예로서, 선택 트랜지스터(1160)가 "OFF"인 경우, 리셋 트랜지스터(1166)를 턴온하는 것은 리셋 기능을 제공한다. 선택 트랜지스터(1160)가 "ON"인 경우, 리셋 트랜지스터(1166)를 턴온시키는 것은 전압 저장 커패시터를 주로 바이패스하는 역할을 한다.
도 11e는 일 예시적인 실시예에 따른, Mie 광센서를 포함하는 이미지 센서 어레이의 예시적인 픽셀을 도시한다. 전술한 바와 같이, 쇼트키 접합을 갖는 Mie 광센서에서, Mie 광센서의 응답 시간은 신속하다. 따라서, p-n 접합이 사용되는 경우, 센서를 그의 암 상태로 리셋하기 위한 옵션이 요구될 수 있다. 예를 들어, 여기에서, 픽셀(1110)은 리셋 스위치(1168)를 포함한다.
도 11a 내지 11e는 예시적인 목적을 위한 것이며, Mie 광센서들을 포함하는 다른 구성의 픽셀들도 가능하다. 추가적으로, 전술한 기능들의 임의의 조합이 다양한 픽셀들에 포함될 수 있다.
전하 수집 모드에서 구현되는 Mie 광센서의 경우, 더 작은 광센서 크기는 전하 수집 시간을 감소시켜, 프레임 레이트가 증가할 수 있게 한다. 또한, 포화 전류의 감소는 (반도체 접합 대신에) 쇼트키 접합이 보다 광범위하게 사용될 수 있게 한다. 쇼트키 접합들은 반도체 접합들보다 본질적으로 더 높은 포화 전류들을 가지며, 이는 금속-반도체 정류 계면을 이용하는 광센서들을 위한 대응하여 더 높은 최소 감도를 한다. 그러나, 일부 예시적인 구성들에서, 쇼트키 접합들을 이용하는 Mie 광센서들은 더 높은 프레임 레이트들 및 단기간 광 이벤트들의 검출을 가능하게 하는 훨씬 빠른 응답 시간들을 갖는다.
또한, Mie 광센서들은 PIN 광다이오드들의 것과 유사한 회로를 갖는 전하 수집 모드로 구현될 수 있다. 그러나, 개방 회로 구성에서는, 광활성 센서 및 다른 픽셀 내 회로 사이에서의 전송 트랜지스터의 부재로 인해 예를 들어, 암전류 문제를 감소시킴으로써 성능을 개선시킬 수 있다.
Mie 광센서들의 광학적 단면이 물리적 단면을 초과한다는 것은 Mie 광센서들이 검출기의 감광 영역 주위 및 그에 인접한 영역들에 수직으로 들어오는 입사광에 응답할 수 있음을 의미한다. 이것은 이미징 칩의 유효 필 팩터를 증가시킨다. 이러한 영역들은 제어 및 프로세싱 전자 회로에 의해 점유될 수 있다. 그러한 전자 회로는, 예를 들어 고속 이미징을 위해 또는 전역 데이터 수집 및 전달 대비 회전 셔터 데이터 수집 및 전송을 위해 더 빠른 회로를 구현함으로써, 신호 수집 및 증폭을 향상시키는 데에 사용될 수 있다.
III.D Mie 광센서 어레이의 설계 및 동작
개별적인 Mie 광센서들은 개별적인 통상적인 광센서에 채용된 동일한 기술을 이용하는 단일 센서 이미징 장치들로서 구현될 수 있다. 이 경우, 센서는 이미지를 구성하기 위해 정적 물체에 의해 형성된 이미지 평면을 가로질러 스캔된다. 또한, 통상적인 광센서들과 마찬가지로, 이미지들은 이미지 평면을 가로질러 스캐닝되는 동일한 Mie 광센서들의 선형 어레이들에 의해 또는 고정된 Mie 광센서들의 2차원 어레이들에 의해 형성될 수 있다. 통상적인 광센서 어레이들과 마찬가지로, 픽셀-대-픽셀 간격은 이미지에서 캡처될 수 있는 공간 주파수 상에 상한을 제공할 수 있다. 이러한 픽셀-대-픽셀 간격은 대상 공간에서의 유사한 공간-해상도 메트릭에 대응한다. 간섭 광학계 없이 직접적인 이미징이 사용되는 경우, 회절 한계(diffraction limit) 또는 에어리 원반(Airy disk)의 개념이 존재하지 않는다. 이러한 이미징의 예는 홀로그래피 및 접촉 이미징을 포함한다. 정교하게 이격된 광센서들을 제공하지 못하는 것은 그들이 가치가 있을 수 있는 많은 상황에 대한 이러한 기술들의 광범위한 적용을 제한하였다. 광학계가 필요한 경우, 물체에 대한 공간 분해능의 한계는 이미징되는 물체로부터 해당 이미지로 광을 전달하는 광학계의 함수이다. 주어진 광학 시스템에 대해, 큰 픽셀-대-픽셀 간격은 물체에서 식별될 수 있는 공간적 세부사항을 더 제한할 수 있다. 이러한 이유로, Mie 광센서들은 또한, 그들의 감소된 크기 및 증가된 필 팩터로 인해, 이미징 광학계와 함께 사용될 때 향상된 공간 분해능을 제공할 수 있다.
전술한 통상적인 광센서들보다 우월한 Mie 광센서들의 모든 이점들은 이러한 경우들 각각에서 개선된 이미징 성능에 기여할 수 있다. 또한, Mie 광센서 픽셀들은 통상적인 광센서들과 함께 현재 사용되는 이미지 어레이 향상 방법들과 모두 호환가능하다. 이러한 방법들은 마이크로렌즈, 광 가이드, 반사-방지 코팅, 얇은 상호연결 층 및 유전체, 후면 조명, 집적 회로들의 3차원 집적, 또는 픽셀 판독 및 신호 처리로부터 광자 검출을 분리하기 위한 적층 구조, 이중 샘플링 방법 등과 같은 광-수집 개선 및 잡음 감소 기술을 포함한다.
Mie 광센서의 여러 특성들은 각각, 광센서 어레이(1차원, 2차원 또는 3차원 어레이)를 배열하고 사용하는 새로운 방식을 가능하게 한다. 상기 특성들은 예를 들어, Mie 광센서 크기가 입사광의 파장보다 더 작은 가능성, Mie 광센서의 광학 단면이 물리적 단면을 초과하는 가능성, 및 파장 및/또는 편광 등의 공진을 나타내도록 Mie 광센서를 설계하는 가능성을 포함할 수 있다. 종합하면, 이들 특성은 새롭고 강력한 어레이 설계를 가능하게 한다.
서브파장 회절 효과가 이미지 분석에 사용되지 않는 한, 디스플레이 또는 분석을 위한 의미있는 그리드는 최소 약 1 에어리 원반 직경만큼 분리된 그리드 노드를 갖는 그리드이다. 광의 파장보다 더 작은 Mie 광센서 크기들은 이미지 내의 각각의 분해가능한 스폿 또는 에어리 원반의 가능한 복수의 측정들을 가능하게 한다. 이는, 수요가 많은(sought-after) 이미지를 형성하기 위해 사용되는 광학계의 f-수에 독립적이다. 공간적으로 분포된 강도 측정들의 이러한 재-비닝(rebinning)은 유효 픽셀들을 정의하는 것으로 생각될 수 있다. 이러한 유효 픽셀은 에어리 원반보다 더 크게 만들어질 수 있다. 그 경우에, 이미지 내의 앨리어싱을 최소화하기 위해 시스템의 광학계의 공간 주파수 스펙트럼이 고려되어야 한다. 이미지 공간의 공간 해상도는 유효 픽셀 분포에 의해 암시되는 해상도이다. 유효 픽셀 내의 물리적 픽셀들로부터의 신호는 조합되거나 분리될 수 있다.
상이한 광센서들로부터의 신호를 조합하는 것은, 더 작은 픽셀들의 합의 면적인 단일의 큰 픽셀로부터의 신호를 사용하는 것과 비교하여, 최종 이미지에서의 신호-대-잡음비를 실질적으로 개선하는 것으로 나타났다. 이러한 개선은 특히 낮은 광 수준에서 명백하다. Mie 광센서를 사용하면 이는 이미지 품질을 손상시키지 않고도 발생할 수 있다. 또한, 더 큰 픽셀들의 조합들 또는 업스케일링은 앨리어싱으로부터 광학적 아티팩트들의 도입을 야기할 것이다. 에어리 원반의 크기 미만인 Mie 광센서는 앨리어싱을 유도하는 고주파 광학 요소의 존재 없이 센서를 조합할 수 있게 한다.
일부 예들에서, 단일 유효 픽셀 내의 센서들로부터의 신호들은 온-칩 전자부, 오프-칩 전자부를 사용하여 조합되거나 또는 소프트웨어에서 수행될 것이다. 온-칩 전자부를 사용하는 경우, 조합 신호들은 온-칩 회로의 상당한 감소를 초래할 수 있다. 신호 조합은 규칙적인 그리드 상의 광센서를 사용하여 이루어질 필요는 없다. 예를 들어, 이미지 어레이 중심으로부터 엣지들까지 유효 픽셀 영역을 증가시키는 것은 사람 눈의 것과 유사한, 구멍이 있는(foveated) 패턴을 생성한다. 불규칙적인 광센서 패턴들의 하나의 이점은 이들이 이미지의 하나 이상의 부분들에서는 더 높은 공간 해상도 신호를 제공할 수 있지만, 이미지의 다른 부분들에서는 더 낮은 잡음 및 더 높은 다이내믹 레인지 신호를 제공할 수 있다는 것이다.
신호 조합들을 생성하는 것은 일반적으로, 데이터 스루풋 레이트를 감소시키고, 특히 온-칩 조합을 위한 스루풋 레이트를 감소시킨다. 그러나 소프트웨어에서의 데이터 조합은 유연성 면에서 장점이 있다. 이미지 내의 객체들이 알 수 없는 크기들 또는 특징들을 갖는 경우, 그러한 객체들을 결정하기 위해 피드백 또는 기계 학습이 사용될 수 있다. 예를 들어, 검출 및 평가 효과를 최대화하기 위해 물리적 픽셀들의 상이한 조합들이 유효 픽셀들로 조합될 수 있다.
대안적으로, 광센서에 의해 생성된 신호를 유지하는 것은 각각의 유효 픽셀 내에서 입사광의 다수의 파장 및/또는 편광 측정을 가능하게 한다. 예를 들어, 개별 픽셀이 선택 픽셀(특정 파장 또는 편광을 선택하도록 설계됨)들인 이미지 센서에서, 상이한 유형의 선택 픽셀들 사이의 신호 조합을 감소시키는 것이 유리할 수 있다. 이런 식으로, 유효 픽셀의 공간 해상도를 갖는 이미지를 형성하기 위해 동일한 선택 메커니즘을 갖는 각각의 픽셀 세트가 사용될 수 있다.
일부 구성들에서, 동일한 재료로 제조된 Mie 광센서들은 각각의 Mie 광센서가 원하는 파장 범위의 광에 대해 높은 흡수 확률을 가지면서 동시에 다른 파장에 대해 대체로 투명하도록 적층될 수 있다. 이런 식으로, 이미징 어레이는 들어오는 신호를 더욱 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 더 작은 픽셀들이 사용될 수 있어서, 더 높은 주파수 공간 정보의 수집 및 더 다양한 파장 정보의 수집이 용이해질 수 있다. 이러한 더 작은 픽셀들을 이용하여, Mie 광센서들의 반도체 접합 면적은 크게 감소될 수 있고, 접합 포화 전류를 감소시키며, 이어서, 센서들의 최소 감도를 감소시킬 수 있다. 증가된 효율은 더 낮은 노이즈, 더 낮은 강도 임계치, 또는 더 작은 어레이 면적을 초래할 수 있다. 적층된 광센서들은 또한, 이미징 시스템들에서 발생하는 색 수차를 이용하게 할 수 있다. 색 수차는 객체 평면으로부터 상이한 이미지 평면의 초점으로 들어오는 상이한 색상을 초래한다. 이러한 배열은 덜 비싸고 복잡한 광학계 또는 대안적으로 더 높은 해상도의 이미지를 가능하게 한다. 조작된 색 수차를 갖는 광학계를 설계함으로써, 어떠한 색 필터링 없이도 컬러 이미지가 가능하게 된다.
III.E Mie 광센서로부터의 성능 향상
Mie 광센서들은 적어도 3개의 영역, 즉, 1) 이미지 품질, 2) 3차원 픽셀 크기, 및 3) 기능 면에서, 통상적인 광센서들에서 현재 보이는 제약들을 극복한다.
Mie 광센서들은 기존 광센서들에 비해 측정 감도, 다이내믹 레인지, 응답 시간을 개선할 수 있기 때문에 이미지 품질에 상당한 영향을 미친다. 다양한 구현 구성들 하에서, 이들은 잡음을 더 감소시키고, 공간 해상도를 향상시키며, 이미지 콘트라스트를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 이들은 낮은 조명으로부터 발생하는 긴 집적 시간들을 필요로 하는 응용들에서 작은 픽셀들의 사용에서 발생하는 중요한 문제들을 제거한다.
Mie 광센서는 픽셀의 3차원 크기를 실질적으로 감소시키기 위한 문제를 해결한다. Mie 광센서들은 검출될 광의 파장 수준의, 또는 그보다 작은, 입사광에 대한 횡 크기로 제조된다. 마찬가지로 중요하게, Mie 광센서들은 1/α 보다 작은 두께로 구현될 수 있다. 현재의 반도체 평탄화 기술들과 함께, 이러한 얇은 광센서들의 어레이들은 더 작은 초점 깊이를 제공하며, 이는 이러한 작은 픽셀들의 이용을 용이하게 한다.
또한, Mie 광센서는 여러 중요한 방식으로 기능을 향상시킨다. 먼저, Mie 광센서는 SWaP에 상당한 영향을 미친다. 더 작고 더 얇은 어레이는 몇몇 응용에서 더 작은 f-수 광학계의 이용으로 변환될 수 있다. 보다 작은 f-수 광학계는 상당히 더 콤팩트할 수 있다. Mie 광센서들은 각각의 픽셀의 전력 소모를 감소시켜 이미징 장치의 전체 전력 요건들을 감소시키거나, 또는 대안적으로, 전력 소모의 증가를 최소화하면서 픽셀 개수가 증가될 수 있게 한다.
추가적으로, 파장 또는 편광에서 상이한 공진을 나타내는 Mie 광센서들은, 상이한 센서들이 상이한 유형의 광에 대해 고유의 감도를 가질 수 있다는 것을 의미한다. 통상적인 광센서들을 이용하는 것은, 필터링을 이용하여 파장 또는 편광 특이성이 달성된다. 이 접근법은 지정된 유형의 것을 제외하고는, 정보를 가진 입사광을 제거한다. 다른 광을 제거하는 것이 아니라, Mie 센서들은 유입되는 스트림으로부터 특정된 광을 추출하고 근처의, 인접한, 또는 트레일링된 Mie 광센서들로 하여금 광의 다른 측면들을 계속 측정할 수 있게 하는 것으로 생각될 수 있다. 따라서, 입사광의 하나 이상의 특징들에 대한 공진을 나타내는 Mie 광센서들은, Mie 광센서들을 선택하는 것으로 지칭된다. 이와 같이, 빠르게 이동하는 장면들의 신속한 데이터 수집을 위한 다수의 고해상도 이미징 모드들의 이미지 검출 및 칩 레벨 통합을 위해, Mie 광센서들을 사용하는 콤팩트한 저전력 장치들을 개발할 수 있게 된다.
또한, Mie 광센서들은 통상적인 센서 기술들을 이용하여 보여지는, 픽셀 내의 광 감지 영역의 비율이 캡처된 이미지의 신호-대-잡음과 센서의 감도에 직접적으로 영향을 미치는, 필 팩터 문제들 중 많은 것들을 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 센서 크기 및 전력 소비의 확장을 제한하면서, 칩 상에 컴퓨터 비전 전처리 기능을 삽입할 수 있는 더 큰 기회가 있다.
III.F 응용
실리콘 제조 기술과의 작은 크기, 고속 및 호환성은, Mie 광센서들이 광학적으로 전송된 신호들에 대한 수신기로서, 단일 검출기들 또는 검출기들의 어레이들로서 구현될 수 있다는 것을 시사한다. 특히, Mie 광센서들은 컴퓨터 부품들을 구성하는 개별 집적 회로들의 일부로서 제조될 수 있으며, 그에 의해 CPU 보드 상의 부품들 및 컴퓨터 백플레인 상의 부품들 사이의 부품들 내의 정보 전송 속도들의 증가를 단순화한다.
Mie 광센서 어레이를 이용한 광학 또는 접촉 이미징의 이점은 증가된 공간 해상도, 증가된 콘트라스트, 더 작은 카메라 패키지, 스펙트럼 감도, 편광 기반 이미징, 더 낮은 전력 입력 요건을 갖는 이미징 등을 포함한다. 이러한 이점들은 가전 제품을 위한 영상, 내시경 및 수술용 로봇을 위한 의료 영상, 산업적 영상 및 머신 비전, 자율주행차를 포함하는 자동차 애플리케이션을 위한 영상, 및 보안 및 국방 애플리케이션을 위한 영상을 포함하는 많은 응용들에서 향상된 성능을 제공한다.
Mie 광센서의 높은 속도는 광 전파 시간 측정을 위한 특별한 가치가 있음을 시사한다. 개별적인 Mie 광센서들은 물체 추적 및 충돌 예측의 일부로서 구현될 수 있다. 어레이로서 구현되는 Mie 광센서들은 3차원 장면 복원의 수단으로서 이런 식으로 이용될 수 있다.
개방 회로 모드에서 구현된 Mie 광센서들의 로그 응답과 조합하여 낮은 광 감도는 밝은 광 조건들에 대한 거의 어두운 상태에서의 이미징에 이용될 수 있음을 시사한다. 이러한 범위는 자동차 카메라, 감시 영상 도구, 및 많은 산업적 응용에서 흔히 발견된다.

Claims (34)

  1. Mie 광센서로서,
    제1 굴절률을 갖고 반도체 재료의 메사를 포함하는 재료층 - 상기 메사는 전자기 교란에 반응하여 상기 반도체 재료 내에 자유 캐리어들을 생성하도록 구성됨 -;
    상기 재료층을 둘러싸고 복소 굴절률을 갖는 굴절 매질 - 상기 굴절 매질 및 메사는 (i) 계면에 걸쳐 불연속적인 굴절률을 갖는 상기 계면, 및 (ii) 광학적 흡수 및 산란 중심에서의 상기 전자기 교란의 Mie 공진을 통해 자유 캐리어들을 생성하도록 구성된 전자기 산란 중심을 형성함 -; 및
    상기 반도체 재료의 메사 상에 배치되고, 상기 메사에 연결되는 하나 이상의 전기 접촉부들 - 상기 메사는 상기 전자기 교란에 반응하여 상기 산란 중심 내에서 발생되는 자유 캐리어들을 감지하도록 구성됨 -; 을 포함하는, Mie 광센서.
  2. 제1항에 있어서,
    반도체 재료의 메사는 일 세트의 경계를 갖는 기하학적 형상을 형성하고, 상기 전자기 산란 중심은 상기 전자기 산란 중심이 상기 메사의 반도체 재료를 포함하도록 상기 경계에 형성되는, Mie 광센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 재료의 메사는 일 세트의 경계를 갖는 기하학적 형상을 형성하고, 상기 전자기 산란 중심은 상기 전자기 산란 중심이 상기 메사의 반도체 재료의 일부를 포함하도록 경계 내에 형성되는, Mie 광센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 재료의 메사는 도핑된 실리콘인, Mie 광센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 재료의 메사는 갈륨비소, 인화 갈륨, 질화 갈륨, 카드뮴 텔루라이드, 또는 황화 카드뮴 중 어느 하나를 포함하는 도핑된 반도체 재료인, Mie 광센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 재료층은 실리콘을 포함하는, Mie 광센서
  7. 제1항에 있어서,
    상기 재료층은 이산화규소를 포함하는, Mie 광센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 재료층은 반도체 재료를 포함하는, Mie 광센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 재료층은 절연 재료를 포함하는, Mie 광센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 재료층은 탄소, 갈륨비소, 수은 카드뮴 텔루라이드, 규화 백금, 게르마늄, 또는 탈륨 브로마이드 중 어느 하나를 포함하는, Mie 광센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 재료의 메사는 50 nm 및 250 nm의 높이를 가지며, 상기 높이는 상기 재료층의 표면에 대해 수직 방향으로 측정되는, Mie 광센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 재료의 메사는 제1 방향에서 10 nm 내지 80 nm 사이의 특징 크기 및 제2 방향에서 10 nm 내지 80 nm의 특징 크기를 가지며, 상기 제1 및 제2 방향은 서로 직교하고 반도체 층의 표면에 평행한, Mie 광센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 산란 중심은 전자기 교란의 특정 파장을 흡수하도록 구성되고, 상기 전자기 산란 중심의 크기는 전자기 교란의 상기 특정 파장에 비례하는, Mie 광센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전자기 산란 중심의 크기 및 전자기 교란의 상기 특정 파장 사이의 비례는, 상기 전자기 산란 중심의 크기, 전자기 교란의 상기 특정 파장, 및 상기 제1 굴절률 중 어느 하나에 기초하는, Mie 광센서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 산란 중심은 전자기 교란의 특정 편광을 흡수하도록 구성되고, 상기 전자기 산란 중심의 크기는 전자기 교란의 특정 파장에 비례하는, Mie 광센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전자기 산란 중심의 크기 및 전자기 교란의 특정 편광 사이의 비례는, 상기 전자기 산란 중심의 크기, 전자기 교란의 상기 특정 편광, 및 상기 복소 굴절률 및 상기 제1 굴절률 중 어느 하나에 기초하는, Mie 광센서.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 재료의 메사는 제2 굴절률을 가지며,
    상기 복소 굴절률은 상기 제1 굴절률 및 상기 제2 굴절률보다 작은, Mie 광센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률과 동일한, Mie 광센서.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 굴절 매질은 이산화규소인, Mie 광센서.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 굴절 매질은 공기, 오일, 또는 물 중 어느 하나를 포함하는 저굴절률 재료인, Mie 광센서.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기 접촉부들 중 제1 접촉부는 상기 반도체 재료의 메사와 옴 접촉을 형성하고, 상기 하나 이상의 전기 접촉부들 중 제2 접촉부는 상기 반도체 재료의 메사와 쇼트키 장벽을 형성하는, Mie 광센서.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기 접촉부들 중 제1 접촉부는 상기 반도체 재료의 메사와 옴 접촉을 형성하고, 상기 하나 이상의 전기 접촉부들 중 제2 접촉부는 상기 반도체 재료의 메사와 p-n 접합을 형성하는, Mie 광센서.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전기 접촉부들 중 제1 접촉부 및 제2 접촉부는 상기 반도체 재료의 메사와 옴 접촉을 형성하는, Mie 광센서.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 Mie 광센서는 굴절 매질 및 상기 반도체 재료의 메사 사이의 경계에서 p-n 접합을 포함하는, Mie 광센서.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 산란 중심은 공진 레벨에서 전자기 교란의 특정 파장을 흡수하고, 상기 공진 레벨에 대응하는 제1 양의 자유 캐리어들을 생성하며,
    상기 전자기 산란 중심은 비-공진 레벨에서 전자기 교란의 상이한 파장을 흡수하고, 상기 비-공진 레벨에 대응하는 제2 양의 자유 캐리어들을 생성하며,
    제1 양의 자유 전자들은 제2 양의 자유 전자들보다 더 많은, Mie 광센서.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 전자기 산란 중심에서의 상기 전자기 교란의 부피당 광 흡수는 반도체 재료 및 굴절 매질 모두에서의 상기 전자기 교란의 부피당 광 흡수보다 더 큰, Mie 광센서.
  27. 제1항에 있어서,
    제1 양의 부피당 자유 캐리어들은 상기 전자기 산란 중심에서 상기 전자기 교란의 흡수에 의해 생성되고,
    제2 양의 부피당 자유 캐리어들은 반도체 재료 내의 상기 전자기 교란에 의해 생성되며,
    상기 제1 양의 부피당 자유 캐리어들은 상기 제2 양의 부피당 자유 캐리어들보다 더 많은, Mie 광센서.
  28. Mie 광센서로서,
    제1 굴절률을 갖고 치수에 비례하는 파장을 갖는 전자기 교란을 흡수하도록 구성된 치수를 갖는 반도체 재료의 메사를 포함하는 재료층 - 상기 메사는 전자기 교란들에 반응하여 상기 반도체 재료 내에 자유 캐리어들을 생성하도록 구성됨 -;
    상기 재료층을 둘러싸고 복소 굴절률을 갖는 굴절 매질 - 상기 굴절 매질 및 메사는 (i) 계면에 걸쳐 불연속적인 굴절률을 갖는 상기 계면, 및 (ii) 광학적 흡수 및 산란 중심에서의 상기 파장을 갖는 전자기 교란의 Mie 공진을 통해 자유 캐리어들을 생성하도록 구성된 전자기 산란 중심을 형성함 -; 및
    상기 메사에 연결되고 상기 파장을 갖는 전자기 교란에 반응하여 상기 산란 중심 내에서 발생되는 자유 캐리어들을 감지하도록 구성된 하나 이상의 전기 접촉부들; 을 포함하는, Mie 광센서.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 파장과 상기 치수 사이의 비례는 4:1인, Mie 광센서.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 파장은 380nm 내지 700nm 사이인, Mie 광 센서.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 파장과 치수 사이의 비례는 3:1인, Mie 광 센서.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 파장은 380nm 내지 700nm 사이인, Mie 광 센서.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 파장과 상기 치수 사이의 비례는 2:1인, Mie 광 센서.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 파장은 380nm 내지 700nm 사이인, Mie 광 센서.
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