KR102650654B1 - 높은 광전변환 효율과 낮은 암전류를 구현할 수 있는 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

높은 광전변환 효율과 낮은 암전류를 구현할 수 있는 이미지 센서가 개시된다. 개시된 이미지 센서는 제1 및 제2 전극과, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 마련되는 복수의 광검출층과, 상기 광검출층들 사이에 마련되는 중간층을 포함한다. 상기 광검출층은 입사되는 빛을 전기적 신호로 변화시키는 것으로, 반도체 물질을 포함한다. 그리고, 중간층은 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함한다.

Description

높은 광전변환 효율과 낮은 암전류를 구현할 수 있는 이미지 센서{Image sensor for high photoelectric conversion efficiency and low dark current}
이미지 센서에 관한 것으로, 상세하게는 높은 광전변환 효율과 낮은 암전류를 구현할 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 일반적으로 광학 이미지(optical image)를 전기적 신호로 변환시키는 광전 소자를 말하는 것으로, 카메라, 동작 인식 카메라, 터치 패널, LiDAR(light detection and ranging), 3D 센서 등과 같은 다양한 분야에 사용되고 있다. 최근에는 제작 공정이 용이하고 신뢰성이 높은 실리콘 기반의 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서가 개발되고 있다.
한편, 이미지 센서가 저조도(low light level) 상황이나 LiDAR 또는 3D 센서 등에 사용될 경우에는 작은 광신호를 검출할 수 있어야 하므로, 이를 위해서는 높은 광전 변환 효율을 구현할 수 있는 이미지 센서가 요구된다.
예시적인 실시예는 높은 광전변환 효율과 낮은 암전류를 동시에 구현할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
일 측면에 있어서,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극;
상기 제1 및 제2 전극 사이에 마련되어 입사되는 빛을 전기적 신호로 변화시키는 것으로, 반도체 물질을 포함하는 복수의 광검출층; 및
상기 광검출층들 사이에 마련되는 것으로, 전도 이방성(anisotropy in electrical conductivity)을 가지는 금속성(metallic) 또는 반금속성(semi metallic) 물질을 포함하는 중간층;을 포함하는 이미지 센서가 제공된다.
상기 중간층은 상기 중간층에 수직인 방향으로의 전기전도도가 상기 중간층에 나란한 방향으로의 전기전도도보다 낮을 수 있다. 상기 광검출층들과 상기 중간층 사이에서 입사되는 빛에 의해 광전류(photocurrent)가 발생될 수 있다.
상기 중간층은 적어도 하나의 층을 포함하는 그래핀 또는 WTe2를 포함할 수있다. 상기 중간층은 0.05nm ~ 10cm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 중간층은 0.1nm ~ 100㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 광검출층은 예를 들면, Si, TMDC(transition metal dichalcogenides), 양자점(quantum dots) 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 TMDC는 예를 들면, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극이 될 수 있다. 상기 투명 전극은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물 또는 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 광검출층들 및 상기 중간층 중 적어도 하나의 페르미 레벨(Fermi level)을 제어함으로써 광전변환 효율 및 암전류가 조절될 수 있다. 또한, 상기 중간층의 두께와, 상기 광검출층들 및 상기 중간층 중 적어도 하나의 도핑 농도를 제어함으로써 광전변환 효율 및 암전류를 조절할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
기판;
상기 기판의 상부에 이격되어 마련되는 제1 전극;
상기 제1 전극과 상기 기판 사이에 마련되어 입사되는 빛을 전기적 신호로 변화시키는 것으로, 반도체 물질을 포함하는 복수의 광검출층; 및
상기 광검출층들 사이에 마련되는 것으로, 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층;을 포함하는 이미지 센서가 제공된다.
상기 기판은 도전성 기판을 포함할 수 있다. 상기 도전성 기판은 예를 들면,실리콘 기판을 포함할 수 있다.
상기 기판과 그 위에 마련된 상기 광검출층 사이에는 절연층이 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 기판과 그 위에 마련된 사이 광검출층은 상기 절연층에 형성된 비아홀을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 절연층과 그 위에 마련된 상기 광검출층 사이에 제2 전극이 마련될 수있다. .
상기 기판은 절연성 기판을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 기판에는 제2 전극이 더 마련될 수 있다.
상기 중간층은 상기 중간층에 수직인 방향으로의 전기전도도가 상기 중간층에 나란한 방향으로의 전기전도도보다 낮을 수 있다. 상기 중간층은 예를 들면, 적어도 하나의 층을 포함하는 그래핀 또는 WTe2를 포함할 수 있다. 상기 중간층은 예를 들면, 0.05nm ~ 10cm의 두께를 가질 수 있다.
상기 광검출층은 예를 들면, Si, TMDC, 양자점 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 투명 전극이 될 수 있다. 상기 투명 전극은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물 또는 그래핀을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면, 광검출층들 사이에 전도이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층을 삽입함으로써 외부의 빛이 입사되지 않는 경우에는 암전류를 줄여줄 수 있으며, 외부의 빛이 입사되는 경우에는 광검출층들이 광전류를 발생시키는 외에 추가적으로 광검출층들과 중간층 사이에 광전류를 발생시킴으로써 광전 변환 효율을 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 높은 광전 변환 효율과 낮은 암전류를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a는 실험에 사용된 일반적인 구조의 이미지 센서를 도시한 것이다.
도 2b는 실험에 사용된 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 것이다.
도 3은 도 2a에 도시된 이미지 센서 및 도 2b에 도시된 이미지 센서의 암전류 및 광전변환 효율을 비교하여 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 중간층의 두께 변화에 따른 암전류 및 광전변환 효율을 나타낸 것이다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 컬러 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 이미지 센서의 단면도이다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 이미지 센서의 단면도이다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(111,112)과, 이 제1 및 제2 전극(111,112) 사이에 마련되는 제1 및 제2 광검출층(121,122)과, 제1 및 제2 광검출층(121,122) 사이에 마련되는 중간층(interlayer, 130)을 포함한다.
제1 및 제2 전극(111,112)은 예를 들면, 상부 전극 및 하부 전극이 마련될 수 있다. 제1 및 제2 전극(111,112) 중 적어도 하나는 투명 전극이 될 수 있다. 예를 들어, 외부의 빛이 상부 전극인 제1 전극(111)에 입사되는 경우 제1 전극(111)은 투명 전극이 될 수 있다. 이 경우, 제2 전극(112)은 금속 전극이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극(112)도 제1 전극(111)과 마찬가지로 투명 전극이 될 수도 있다.
투명 전극은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 또는 그래핀을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO, SnO2, ATO(antimony-doped tin oxide), AZO(Al-doped zinc oxide), GZO(gallium-doped zinc oxide), TiO2 및 FTO(fluorine-doped tin oxide)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 그래핀은 단층 또는 복층 구조를 가질 수 있다. 금속 전극은 예를 들면, Al, Cu, Ti, Au, Pt, Ag 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
외부의 빛이 하부 전극인 제2 전극(112)에 입사되는 경우 제2 전극(112)은 투명 전극이 될 수 있으며, 제1 전극(111)은 금속 전극이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극(111)도 제2 전극(112)과 마찬가지로 투명 전극이 될 수도 있다.
제1 전극(111)과 제2 전극(112) 사이에는 제1 및 제2 광검출층(121,122)이 적층되어 있다. 제1 광검출층(121)은 제1 전극(111)의 하면에 마련되어 있으며, 제2 광검출층(122)은 제2 전극(112)의 상면에 마련되어 있다.
제1 및 제2 광검출층(121,122)은 각각 입사되는 빛을 전기적인 신호로 변환시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 광검출층(121,122)은 소정 색상의 빛을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 광검출층(121,122)은 반도체 물질에 따라 적색광, 녹색광 및 청색광 중 어느 하나를 전기적인 신호로 변환시킬 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 제1 및 제2 광검출층(121,122)은 다른 다양한 색상의 빛을 전기적인 신호로 변환할 수 있다.
제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질은 예를 들면, Si, TMDC(transition metal dichalcogenides), 양자점(quantum dots) 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
TMDC는 2차원 형상의 결정 구조를 가지는 반도체 물질을 말한다. 이러한 TMDC는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다. 예를 들면, TMDC는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2, CuS 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이상에서 언급된 물질은 단지 예시적인 것으로, 그 밖에 다른 물질들이 TMDC 물질로 사용될 수도 있다.
제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질은 광전류나 암전류(mobility)를 조절하기 위해 p형 도펀트(p-type dopant) 또는 n형 도펀트(n-type dopant)로 도핑될 수도 있다. 이러한 p형 도펀트나 n형 도펀트는 이온주입(ion implantation)이나 화학적 도핑(chemical doping) 방식으로 도핑될 수 있다.
p형 도펀트의 소스(source)는 예를 들면, NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6 등의 이온성 액체(ionic liquid), HCl, H2PO4, CH3COOH, H2SO4, HNO3 등의 산류 화합물(acidic compound), 디클로로디시아노퀴논(dichlorodicyanoquinone)(DDQ), 옥손(oxone), 디미리스토일포스파티딜이노시톨 (dimyristoylphosphatidylinositol) (DMPI), 트리플루오로메탄술폰이미드(trifluoromethanesulfoneimide) 등의 유기 화합물(organic compound) 등을 포함할 수 있다. 또는, p형 도펀트의 소스로 HPtCl4, AuCl3, HAuCl4, AgOTf(silver trifluoromethanesulfonate), AgNO3, H2PdCl6, Pd(OAc)2, Cu(CN)2 등을 포함할 수도 있다.
n형 도펀트의 소스는 예를 들면, 치환 또는 비치환된 니코틴아미드의 환원물(a reduction product of a substituted or unsubstituted nicotinamide); 치환 또는 비치환된 니코틴아미드와 화학적으로 결합된 화합물의 환원물(a reduction product of a compound which is chemically bound to a substituted or unsubstituted nicotinamide); 및 두 개 이상의 피리디늄 유도체를 포함하고 하나 이상의 피리디늄 유도체의 질소가 환원된 화합물(a compound comprising at least two pyridinium moieties in which a nitrogen atom of at least one of the pyridinium moieties is reduced)을 포함할 수 있다. 예컨대, n형 도펀트의 소스는 NMNH(nicotinamide mononucleotide-H), NADH(nicotinamide adenine dinucleotide-H), NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-H)를 포함하거나, 비올로겐(viologen)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 n형 도펀트의 소스는 PEI(polyethylenimine) 등의 폴리머를 포함할 수 있다. 또는, n형 도펀트는 K, Li 등의 알칼리 금속을 포함할 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 p형 도펀트와 n형 도펀트 물질은 단지 예시적인 것으로, 이외에도 다른 다양한 물질이 도펀트로 사용될 수 있다.
제1 및 제2 광검출층(121,122) 사이에는 중간층(130)이 마련되어 있다. 여기서, 중간층(130)은 광전 변환 효율을 증대시키고, 암전류(dark current)를 줄여주는 역할을 할 수 있다. 이를 위해, 중간층(130)은 전도 이방성(anisotropy in electrical conductivity)을 가지는 금속성(metallic) 또는 반금속성(semi metallic) 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 중간층(130)의 전도 이방성이라 함은 중간층에 수직인 방향으로의 전기전도도가 중간층에 나란한 방향으로의 전기전도도보다 낮은 것을 의미한다.
중간층(130)을 이루는 전도 이방성을 가지는 금속성 물질 또는 반금속성 물질로는 그래핀(graphene) 또는 WTe2등 사용될 수 있다. 그래핀은 평면 방향으로는 우수한 전기전도도를 가지고 있으나, 평면에 수직인 방향으로는 매우 낮은 전기전도도를 가지고 있다. 그리고, WTe2 도 그래핀과 마찬가지로 평면 방향으로의 전기전도도가 평면에 수직인 방향으로의 전기전도도에 비해 매우 큰 특징을 가지고 있다.
중간층(130)을 이루는 그래핀은 예를 들면, 다층 구조를 가질 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 그래핀은 단층 구조를 가질 수도 있다. 이상에서 언급된 중간층(130)의 물질들은 단지 예시적인 것으로 이외에도 중간층(130)은 다른 다양한 물질을 포함할 수 있다. 중간층(130)은 예를 들면, 대략 0.05nm ~ 10cm 정도의 두께를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 중간층(130)은 0.1nm ~ 100㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
중간층(130)을 이루는 물질은 전술한 광검출들(121,22)과 마찬가지로 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130)의 적어도 하나는 도핑되지 않거나 또는 도펀트로 도핑될 수 있다.
일반적으로, 광검출층 만을 이용한 이미지 센서의 경우 광전 변환 효율 및 암전류는 이미지 센서에 사용된 광검출층 물질의 고유 특성(예를 들면, 밴드 갭, 전기 전도도 등)에 의해 결정되므로 원하는 파장대에서 높은 광전 변환 효율 및 낮은 암전류를 동시에 구현하기에는 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 광흡수층을 삽입하여 광전 변환 효율을 높이는 방안이나 차단층(blocking layer)을 삽입하여 암전류를 줄이는 방안이 사용되었다. 그러나, 광흡수층은 광전 변환 효율은 증대시킬 수 있으나 암전류는 줄여주지 못하는 문제가 있으며, 차단층은 암전류를 줄여주지만 광전류도 함께 줄임으로써 광전변환효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 실시예에서는 제1 및 제2 광검출층(121,122) 사이에 전도이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층(130)을 삽입함으로써 높은 광전 변환 효율 및 낮은 암전류를 동시에 구현할 수 있다. 여기서, 전도이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질, 예를 들면, 다층 그래핀은 평면 방향으로는 뛰어난 전기전도도를 가지는 반면에 평면에 수직인 방향으로는 매우 낮은 전기전도도를 가지고 있다. 따라서, 이러한 다층 그래핀을 중간층(130)으로 하여 제1 광출층(121)과 제2 광검출층(122) 사이에 삽입하게 되면 중간층(130)은 전술한 차단층과 같은 역할을 하게 되어 암전류를 줄여줄 수 있다. 여기서, 암전류는 중간층(130)을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질의 두께에 의해 조절될 수 있다. 또한, 암전류는 제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질과 중간층을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질 사이의 밴드 정렬(band alignment)에 의해 조절될 수도 있다. 이러한 밴드 정렬은 제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질과 중간층을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질 중 적어도 하나의 페르미 레벨(Fermi level)를 제어함으로써 수행될 수 있다. 이러한 페르미 레벨의 제어는 예를 들면, 제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질과 중간층을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질 중 적어도 하나의 도핑 농도를 조절함으로써 수행될 수 있다.
외부의 빛이 이미지 센서(100)에 입사되는 경우에는 제1 및 제2 광검출층(121,122) 사이에 삽입된 중간층(130)은 전술한 차단층과는 달리 외부의 빛을 흡수하여 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130) 사이에서 광전류(photocurrent)를 발생시킬 수 있다.
전도이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층(130)은 외부의 빛을 흡수함으로써 internal photoemission effect, photo-thermionic effect 또는 band-to-band excitation effect 등에 의해 광전류를 발생시킬 수 있다. 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130) 사이의 밴드 정렬 차이(구체적으로는, 페르미 레벨의 차이)가 입사되는 광 에너지보다 작을 경우에는 internal photoemission effect와 photo-thermionic effect에 의해 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130) 사이에 광전류가 발생될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130) 사이의 밴드 정렬 차이(구체적으로, 페르미 레벨의 차이)가 입사되는 광 에너지보다 클 경우에는 photo-thermionic effect에 의해 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130) 사이의 광전류가 발생될 수 있다. 또한, 전도이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층(130)은 외부의 빛을 흡수함으로써 band-to-band excitation effect에 의해 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130) 사이에 광전류를 발생시킬 수도 있다.
광전 변환 효율은 전술한 암전류와 마찬가지로 중간층(130)의 두께에 의해 조절될 수 있다. 또한, 광전 변환 효율은 제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질과 중간층(130)을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질 사이의 밴드 정렬에 의해 조절될 수도 있다. 이러한 밴드 정렬은 제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질과 중간층(130)을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질 중 적어도 하나의 페르미 레벨를 제어함으로써 수행될 수 있다. 이러한 페르미 레벨의 제어는 예를 들면, 제1 및 제2 광검출층(121,122)을 이루는 반도체 물질과 중간층(130)을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질 중 적어도 하나의 도핑 농도를 조절함으로써 수행될 수 있다.
이와 같이, 외부의 빛이 이미지 센서(100)에 입사되는 경우에는 제1 및 제2 광검출층(121,122)이 광전류를 발생시키는 것 외에 제1 및 제2 광검출층(121,122) 사이에 삽입된 중간층(130)이 추가적으로 광전류를 발생시킴으로써 광전 변환 효율을 증대시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서(100)에서는 제1 및 제2 광검출층(121,122) 사이에 전도이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층(130)을 삽입함으로써 외부의 빛이 이미지 센서(100)에 입사되지 않는 경우에는 암전류를 줄여줄 수 있으며, 외부의 빛이 이미진 센서(100)에 입사되는 경우에는 중간층(130)으로 인해 제1 및 제2 광검출층(121,122)과 중간층(130) 사이에 광전류가 추가적으로 발생됨으로써 광전 변환 효율을 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 높은 광전 변환 효율과 낮은 암전류를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서(100)를 구현할 수 있다.
최근에는 모바일 결재 등의 기술이 상용화됨에 따라 보안 기술도 발전하고 있으며, 이러한 보안 기술로서 홍채 인식(iris recognition) 등과 같은 생체 인식 기술(biometrics)이 연구되고 있다. 현재 상용화된 실리콘 기반의 이미지 센서의 경우, 800nm ~ 900nm 파장의 근적외선(NIR; Near-Infrared)에 대한 양자 효율(quantum efficiency)는 대략 30% 정도이다. 이러한 근적외선 영역의 양자 효율은 가시광 대역의 1/2 ~ 1/3 정도 수준이므로, 저조도 감도는 떨어지게 된다. 따라서, 저조도 환경에서 홍채 인증을 하는 경우에는 감도가 낮기 때문에 추가적인 광원이 필요하지만 높은 파워의 광원을 사용하게 되면 안구가 손상될 염려가 있다. 또한, 기존의 실리콘 기반의 이미지 센서의 경우에는 저조도 감도를 증대시키기 위해서 실리콘 두께를 증가시킴으로 인해 픽셀 사이즈가 커져야 하므로 내장 카메라의 크기가 커진다는 문제가 있다.
이와 같이, 저조도 환경에서의 이미지 센서나 LiDAR 또는 3D 센서는 작은 광신호를 검출해야 하므로 높은 광전변환 효율이 요구된다. 따라서, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)를 저조도 환경이나, LiDAR 또는 3D 센서에 적용하게 되면 암전류를 낮추면서도 높은 광전 변환 효율에 의해 작은 광신호도 검출할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 실험에 사용된 일반적인 구조의 이미지 센서 및 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 것이다.
도 2a는 일반적인 구조의 이미지 센서(10)를 도시한 것이다. 도 2a를 참조하면, 제1 및 제2 전극(11,12)이 서로 이격되어 마련되어 있으며, 제1 및 제2 전극 (11,12)사이에는 제1 및 제2 광검출층(21,22)이 마련되어 있다. 제1 전극(11)의 하면에 마련된 제1 광검출층(21)은 MoS2 로 이루어져 있으며, 제2 전극(12)의 상면에 마련된 제2 광검출층(22)은 n형 Si로 이루어져 있다.
도 2b는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서(100')를 도시한 것이다. 도 2b를 참조하면, 제1 및 제2 전극(111',112')이 서로 이격되어 마련되어 있으며, 제1 및 제2 전극(111',112') 사이에는 제1 및 제2 광검출층(121',122')이 마련되어 있다. 그리고, 제1 및 제2 광검출층(121',122') 사이에는 중간층(130')이 마련되어 있다. 제1 전극(111')의 하면에 마련된 제1 광검출층(121')은 MoS2 로 이루어져 있으며, 제2 전극(112')의 상면에 마련된 제2 광검출층(122')은 n형 Si로 이루어져 있다. 그리고, 제1 및 제2 광검출층(121',122') 사이에 마련된 중간층(130')은 다층 그래핀으로 이루어져 있다.
도 3은 도 2a에 도시된 이미지 센서(10) 및 도 2b에 도시된 이미지 센서(100')의 암전류 및 광전변환 효율을 비교하여 나타낸 것이다. 도 3에서 "A"는 도 2a에 도시된 일반적인 구조의 이미지 센서(10)를 나타내며, "B"는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서(100')를 나타낸다. 여기서, 광원으로는 1㎼의 출력을 가지는 850nm 파장의 레이저가 사용되었으며, 중간층(130')을 이루는 다층 그래핀의 두께는 14nm 이었다.
도 3을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서(B)는 일반적인 구조의 이미지 센서(A)에 비해 암전류는 줄어들었고, 응답도(responsivity)는 증가하였음을 알 수 있다. 여기서, 응답도는 외부의 빛에 응답하여 전기적인 신호로 발생시키는 정도를 나타내는 것으로, 응답도가 높다는 것은 광전 변환 효율이 높다는 것을 의미한다. 이와 같이, 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서(B)는 낮은 암전류 및 높은 광전 변환 효율을 동시에 구현할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서에서 중간층의 두께 변화에 따른 암전류 및 광전변환 효율을 나타낸 것이다.
도 4a는 중간층(130')의 두께 변화에 따른 도 2b에 도시된 이미지 센서(100')의 암전류 및 광전변환 효율을 나타낸 것이다. 도 4a에서 "B1"는 중간층(130')의 두께가 6nm인 경우를 나타내고, "B2"는 중간층(130')의 두께가 14nm인 경우를 나타낸다. 여기서, 제1 및 제2 광검출층(121',122') 사이에 인가된 측정 바이어스 전압(VSD)은 -5V 이었다. 도 4a를 참조하면, 중간층(130')의 두께가 두꺼워짐에 따라 암전류가 줄어들고, 광전 변환 효율은 높아졌다.
도 4b는 측정 바이어스 전압의 변화에 따른 도 2b에 도시된 이미지 센서(100')의 암전류를 나타낸 것이다. 도 4b에서 "B1"는 중간층(130')의 두께가 6nm인 경우를 나타내고, "B2"는 중간층(130')의 두께가 14nm인 경우를 나타낸다. 그리고, VSD는 제1 및 제2 광검출층(121',122') 사이에 인가되는 측정 바이어스 전압을 나타낸다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 중간층(130')의 두께가 두꺼워짐에 따라 암전류가 감소하였다. 이와 같이, 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서(100')에서는 중간층(130')의 두께가 두꺼워짐에 따라 암전류는 줄어들고, 광전 변환 효율은 증가하였음을 알 수 있다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이하에서는 전술한 실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 이미지 센서(200)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(211,212)과, 이 제1 및 제2 전극(211,212) 사이에 마련되는 복수의 광검출층(221,222,223,224)과, 이 광검출층들(221,222,223,224) 사이에 마련되는 복수의 중간층(231,232,233)을 포함한다.
제1 및 제2 전극(211,212)은 예를 들면, 상부 전극 및 하부 전극이 마련될 수 있다. 제1 및 제2 전극(211,212) 중 적어도 하나는 투명 전극이 될 수 있다. 여기서, 투명 전극은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide) 또는 그래핀을 포함할 수 있다.
외부의 빛이 상부 전극인 제1 전극(211)에 입사되는 경우 제1 전극(211)은 투명 전극이 될 수 있다. 이 경우, 제2 전극(212)은 금속 전극이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극(212)도 투명 전극이 될 수도 있다. 한편, 외부의 빛이 하부 전극인 제2 전극(212)에 입사되는 경우 제2 전극(212)은 투명 전극이 될 수 있으며, 제1 전극(211)은 금속 전극이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극(211)도 투명 전극이 될 수도 있다.
광검출층들(221,222,223,224)은 제1 및 제2 전극(211,212) 사이에 순차적으로 적층되는 제1, 제2, 제3 및 제4 광검출층(221,222,223,224)을 포함할 수 있다. 제1, 제2, 제3 및 제4 광검출층(221,222,223,224) 각각은 입사되는 빛을 전기적인 신호로 변환시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 반도체 물질은 예를 들면, Si, TMDC, 양자점 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. TMDC는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함할 수 있다. 한편, 제1, 제2, 제3 및 제4 광검출층(221,222,223,224)을 이루는 반도체 물질은 광전류나 암전류를 조절하기 위해 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
중간층들(231,232,233)은 제1 및 제2 광검출층(221,222) 사이에 마련되는 제1 중간층(231)과, 제2 및 제3 광검출층(222,223) 사이에 마련되는 제2 중간층(232)과, 제3 및 제4 광검출층(223,224) 사이에 마련되는 제3 중간층(233)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 중간층(231,232,233)은 전술한 바와 같이 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 전도 이방성을 가지는 금속성 물질 또는 반금속성 물질은 예를 들면, 그래핀 또는 WTe2 등을 포함할 수 있다. 그래핀이나 WTe2은 평면 방향으로는 우수한 전기전도도를 가지고 있으나, 평면에 수직인 방향으로는 매우 낮은 전기전도도를 가지고 있다. 여기서, 그래핀은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
제1, 제2 및 제3 중간층(231,232,233)은 예를 들면, 대략 0.05nm ~ 10cm 정도의 두께를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 제1, 제2 및 제3 중간층(231,232,233)은 0.1nm ~ 100㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제1, 제2 및 제3 중간층(231,232,233)을 이루는 물질은 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
본 실시예에서와 같이, 제1, 제2, 제3 및 제4 광검출층(221,222,223,224) 사이에 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 제1, 제2 및 제3 중간층(231,232,233)을 삽입함으로써 암전류를 줄일 수 있다. 그리고, 제1, 제2 및 제3 중간층(231,232,233)에 외부의 빛이 입사되면 광검출층들(221,222,223,224) 과 중간층들(231,232,233) 사이에 광전류를 추가적으로 발생시킴으로써 광전 변환 효율을 높일 수 있다. 이에 따라, 높은 광전 변환 효율과 낮은 암전류를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서(200)를 구현할 수 있다.
한편, 이상에서는 제1 및 제2 전극(211,212) 사이에 4개의 광검출층(221,222,223,224) 이 마련되고, 이 광검출층들(221,222,223,224) 사이에 3개의 중간층(231,232,233) 이 마련된 경우가 설명되었다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않으며, 제1 및 제2 전극(211,212) 사이에 마련되는 광검출층 및 중간층의 개수 및 그 두께는 다양하게 변형될 수 있다.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 컬러 이미지 센서를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 컬리 이미지 센서(600)으로 수직으로 적층된 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630)를 포함한다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630)는 각각 특정 파장 영역의 소정 색상의 빛을 전기적인 신호로 검출할 수 있다.
예를 들어 외부의 빛이 컬러 이미지 센서(600)의 상부에 입사되는 경우에 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630)는 각각 청색 이미지 센서, 녹색 이미지 센서 및 적색 이미지 센서가 될 수 있다. 이 경우, 제1 이미지 센서(610)는 입사된 빛 중에서 청색광을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있으며, 제2 이미지 센서(620)는 제1 이미진 센서(610)를 투과한 빛 중에서 녹색광을 전기적으로 신호로 변환시킬 수 있다. 그리고, 제3 이미지 센서(630)는 제1 및 제2 이미지 센서(610,620)를 투과한 빛 중에서 적색광을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있다.
한편, 외부의 빛이 컬러 이미지 센서(600)의 하부에 입사되는 경우에 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630)는 각각 적색 이미지 센서, 녹색 이미지 센서 및 청색 이미지 센서가 될 수 있다. 이상에서는 컬러 이미지 센서(600)가 적색, 녹색 및 청색 이미지 센서로 구성되는 경우가 예시적으로 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 컬러 이미지 센서(600)는 다양한 색상의 이미지 센서들로 구성될 수 있다.
제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630) 각각은 전술한 실시예(도 1 또는 도 5에 도시된 실시예)에서 설명된 이미지 센서(100,200)가 될 수 있다. 따라서, 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630) 각각은 광검출층들 사이에 삽입된 전도이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층을 포함하고, 이에 따라 낮은 암전류 및 높은 광전 변환 효율을 구현할 수 있다. 이러한 서로 다른 색상의 빛을 고감도로 검출하는 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630)를 수직으로 적층하여 컬러 이미지 센서(600)를 제작할 수 있다. 이상에서는 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630) 모두가 중간층을 포함하는 경우가 설명되었으나, 제1, 제2 및 제3 이미지 센서(610,620,630) 중 일부만이 중간층을 포함할 수도 있다.
도 7은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 사시도이다. 그리고, 도 8은 도 7에 도시된 이미지 센서의 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 도전성 기판(310)의 상부에 제1 전극(311)이 마련되어 있다. 그리고, 도전성 기판(310)과 제1 전극(311) 사이에는 제1 및 제2 광검출층(321,322)이 마련되어 있고, 제1 및 제2 광검출층(321,322) 사이에는 중간층(330)이 마련되어 있다.
도전성 기판(310)으로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 도전성 기판(310)은 다른 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 도전성 기판(310)은 하부 전극인 제2 전극으로서의 역할을 할 수 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 도전성 기판(310)에는 광 흡수에 의해 발생된 전기 신호를 판독하는 판독 회로(readout circuits)가 마련되어 있으며, 이러한 판독 회로는 하나 이상의 트랜지스터와 커패시터, 다수의 배선 구조 등을 포함할 수 있다.
제1 전극(311)은 상부 전극으로서 도전성 기판(310)의 상부에 도전성 기판(310)와 이격되어 마련되어 있다. 이러한 제1 전극(311)은 투명 전극이 될 수 있다. 투명 전극은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 또는 그래핀을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면 ITO, IZO, ZnO, SnO2, ATO, AZO, GZO, TiO2 및 FTO로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀은 단층 또는 복층 구조를 가질 수 있다.
제1 전극(311)과 도전성 기판(310)의 사이에는 제1 및 제2 광검출층(321,322)이 마련되어 있다. 제1 광검출층(321)은 제1 전극(311)의 하면에 마련되어 있으며, 제2 광검출층(322)은 도전성 기판(310)의 상면에 마련되어 있다.
제1 및 제2 광검출층(321,322)은 각각 입사되는 빛을 전기적인 신호로 변환시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 광검출층(321,322)은 소정 색상의 빛을 전기적인 신호로 변환시킬 수 있다.
제1 및 제2 광검출층(321,322)을 이루는 반도체 물질은 예를 들면, Si, TMDC, 양자점 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. TMDC는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함할 수 있다. 예를 들면, TMDC는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2, CuS 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 제1 및 제2 광검출층(321,322)을 이루는 반도체 물질은 광전류나 암전류를 조절하기 위해 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
도전성 기판(310)과 제2 광검출층(322) 사이에는 절연층(315)이 더 마련될 수 있다. 이러한 절연층(315)은 예를 들면 실리콘 산화물을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 절연층(315)에는 비아홀(via hole, 315a)이 형성되어 있으며. 이러한 비아홀(315a)을 통해 제2 광검출층(322)과 도전성 기판(310)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 광 흡수에 의해 발생된 광전류는 제2 광검출층(322)으로부터 하부 전극의 역할을 하는 도전성 기판(310) 쪽으로 흐를 수 있다.
제1 및 제2 광검출층(321,322) 사이에는 중간층(330)이 마련되어 있다. 여기서, 중간층(330)은 전술한 바와 같이, 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함할 수 있다. 중간층(330)은 예를 들면, 적어도 하나의 층을 포함하는 그래핀 또는 WTe2 등을 포함할 수 있다. 그래핀 및 WTe2 은 평면 방향으로는 우수한 전기전도도를 가지고 있으나, 평면에 수직인 방향으로는 매우 낮은 전기전도도를 가지는 특성이 있다.
중간층(330)은 예를 들면, 대략 0.05nm ~ 10cm 정도의 두께를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 중간층(330)은 0.1nm ~ 100㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 중간층(330)을 이루는 물질은 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
제1 및 제2 광검출층(321,322) 사이에 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층(330)을 삽입함으로써 전술한 바와 같이 암전류를 줄여줄 수 있는 동시에 광전 변환 효율은 증대시킬 수 있다.
이러한 암전류 및 광전 변환 효율은 중간층(330)의 두께를 제어하거나 또는 제1 및 제2 광검출층(321,322)을 이루는 반도체 물질과 중간층(330)을 이루는 금속성 또는 반금속성 물질 사이의 밴드 정렬을 제어함으로써 조절될 수 있다. 여기서, 밴드 정렬은 제1 및 제2 광검출층(321,322)을 이루는 반도체 물질과 중간층(330)을 이루는 물질 중 적어도 하나의 페르미 레벨를 제어함으로써 수행될 수 있다. 그리고, 이러한 페르미 레벨의 제어는 예를 들면, 제1 및 제2 광검출층(321,322)을 이루는 반도체 물질과 중간층(330)을 이루는 물질 중 적어도 하나의 도핑 농도를 조절함으로써 수행될 수 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서(300)에서는 외부의 빛이 이미지 센서(300)에 입사되지 않는 경우에는 중간층(330)이 차단층의 역할을 함으로써 암전류를 감소시킬 수 있다. 또한, 외부의 빛이 상부 전극인 투명한 제1 전극(311)을 통해 입사되는 경우에는 광검출층들(321,322)에 의해 발생되는 광전류 외에 중간층(130)이 internal photoemission effect, photo-thermionic effect 또는 band-to-band excitation effect 등에 의해 제1 및 제2 광검출층(321,322)과 중간층(330) 사이에서 광전류를 추가적으로 발생시킴으로써 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 상부 전극인 제1 전극(311)과 하부 전극인 도전성 기판(310) 사이에 2개의 광검출층(321,322) 및 하나의 중간층(330)이 마련된 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않으며, 제1 전극(311)과 도전성 기판(310) 사이에 마련되는 광검출층의 개수 및 중간층의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서를 이용하여 서로 다른 색상의 이미지 센서가 수직으로 적층된 컬러 이미지 센서를 구현할 수도 있다.
도 9는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 사시도이다. 그리고, 도 10은 도 9에 도시된 이미지 센서의 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 도전성 기판(410)의 상부에는 제1 및 제2 전극(411,412)이 이격되게 마련되어 있다. 그리고, 제1 전극(411)과 제2 전극(412) 사이에는 제1 및 제2 광검출층(421,422)이 마련되어 있고, 제1 및 제2 광검출층(421,422) 사이에는 중간층(430)이 마련되어 있다.
도전성 기판(410)으로는 예를 들면 실리콘 기판이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 도전성 기판(410)은 다른 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 도전성 기판(410)에는 광 흡수에 의해 발생된 전기 신호를 판독하는 판독 회로가 마련될 수 있다.
제1 및 제2 전극(411,412)은 상부 전극 및 하부 전극이 될 수 있다. 상부 전극인 제1 전극(411)은 투명 전극이 될 수 있다. 투명 전극은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 또는 그래핀을 포함할 수 있다. 여기서, 투명한 도전성 산화물은 예를 들면 ITO, IZO, ZnO, SnO2, ATO, AZO, GZO, TiO2 및 FTO로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 그래핀은 단층 또는 복층 구조를 가질 수 있다.
하부 전극인 제2 전극(412)은 금속 전극이 될 수 있다. 금속 전극은 예를 들면, Al, Cu, Ti, Au, Pt, Ag 및 Cr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 제2 전극(412)은 투명 전극이 될 수도 있다.
제2 전극(412)과 도전성 기판(410) 사이에는 제2 전극(412)과 도전성 기판(410)의 절연을 위해 절연층(415)이 더 마련될 수 있다. 이러한 절연층(415)은 예를 들면 실리콘 산화물을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 다른 다양한 절연 물질을 포함할 수 있다.
제1 전극(411)과 제2 전극(412) 사이에는 제1 및 제2 광검출층(421,422)이 마련되어 있다. 제1 광검출층(421)은 제1 전극(411)의 하면에 마련되어 있으며, 제2 광검출층(422)은 제2 전극(412)의 상면에 마련되어 있다. 제1 및 제2 광검출층(421,422)은 각각 입사되는 빛을 전기적인 신호로 변환시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광검출층(421,422)을 이루는 반도체 물질은 예를 들면, Si, TMDC, 양자점 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 한편, 제1 및 제2 광검출층(421,422)을 이루는 반도체 물질은 광전류나 암전류를 조절하기 위해 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
제1 및 제2 광검출층(421,422) 사이에는 중간층(430)이 마련되어 있다. 중간층(430)은 전술한 바와 같이, 그래핀 또는 WTe2 등과 같은 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 중간층(430)은 예를 들면, 대략 0.05nm ~ 10cm 정도의 두께를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 중간층(430)은 0.1nm ~ 100㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 중간층(430)을 이루는 물질은 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서(400)에서는 외부의 빛이 이미지 센서(400)에 입사되지 않는 경우에는 중간층(430)이 차단층의 역할을 함으로써 암전류를 감소시킬 수 있다. 또한, 외부의 빛이 상부 전극인 투명한 제1 전극(411)을 통해 입사되는 경우에는 광검출층들(421,422)에 의해 발생되는 광전류 외에 중간층(430)이 제1 및 제2 광검출층(421,422)과 중간층(430) 사이에서 광전류를 추가적으로 발생시킴으로써 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 상부 전극인 제1 전극(411)과 하부 전극인 제2 전극(412) 사이에 2개의 광검출층(421,422) 및 하나의 중간층(430)이 마련된 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않으며, 제1 전극(411)과 제2 전극(412) 사이에 마련되는 광검출층의 개수 및 중간층의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(400)를 이용하여 서로 다른 색상의 이미지 센서가 수직으로 적층된 컬러 이미지 센서를 구현할 수도 있다.
도 11은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 11을 참조하면, 절연성 기판(510)의 상부에 제1 및 제2 전극(511,512)이 이격되게 마련되어 있다. 그리고, 제1 전극(511)과 제2 전극(512) 사이에는 제1 및 제2 광검출층(521,522)이 마련되어 있고, 제1 및 제2 광검출층(521,522) 사이에는 중간층(530)이 마련되어 있다.
제1 및 제2 전극(511,512)은 상부 전극 및 하부 전극이 될 수 있다. 상부 전극인 제1 전극(511)은 투명 전극이 될 수 있다. 투명 전극은 예를 들면, 투명한 도전성 산화물(TCO) 또는 그래핀을 포함할 수 있다. 하부 전극인 제2 전극(512)은 금속 전극이 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전극(512)이 투명 전극이 될 수도 있다.
제1 전극(511)과 제2 전극(512) 사이에는 제1 및 제2 광검출층(521,522)이 마련되어 있다. 제1 광검출층(521)은 제1 전극(511)의 하면에 마련되어 있으며, 제2 광검출층(522)은 제2 전극(512)의 상면에 마련되어 있다. 제1 및 제2 광검출층(521,522)은 각각 입사되는 빛을 전기적인 신호로 변환시키는 것으로, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이러한 반도체 물질은 예를 들면, Si, TMDC, 양자점 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 한편, 제1 및 제2 광검출층(521,522)을 이루는 반도체 물질은 광전류나 암전류를 조절하기 위해 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
제1 및 제2 광검출층(521,522) 사이에는 중간층(530)이 마련되어 있다. 중간층(530)은 전술한 바와 같이, 그래핀 또는 WTe2 등과 같은 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 중간층(530)은 예를 들면, 대략 0.05nm ~ 10cm 정도의 두께를 가질 수 있다. 구체적인 예로서, 중간층(130)은 0.1nm ~ 100㎛ 정도의 두께를 가질 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 중간층(530)을 이루는 물질은 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수도 있다.
본 실시예에 따른 이미지 센서(500)에서는 외부의 빛이 이미지 센서(500)에 입사되지 않는 경우에는 중간층(530)이 차단층의 역할을 함으로써 암전류를 감소시킬 수 있다. 또한, 외부의 빛이 상부 전극인 투명한 제1 전극(511)을 통해 입사되는 경우에는 광검출층들(521,522)에 의해 발생되는 광전류 외에 중간층(530)이 제1 및 제2 광검출층(521,522)과 중간층(530) 사이에서 광전류를 추가적으로 발생시킴으로써 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 상부 전극인 제1 전극(511)과 하부 전극인 제2 전극(512) 사이에 2개의 광검출층(521,522) 및 하나의 중간층(530)이 마련된 경우가 예시적으로 설명되었다. 그러나, 본 실시예는 이에 한정되지 않으며, 제1 전극(511)과 제2 전극(512) 사이에 마련되는 광검출층의 개수 및 중간층의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이미지 센서(500)를 이용하여 서로 다른 색상의 이미지 센서가 수직으로 적층된 컬러 이미지 센서를 구현할 수도 있다.
100,100'200,300,400,500,600.. 이미지 센서
111,111',211,311,411,511.. 제1 전극
112,112',212,412,512.. 제2 전극
121,121',221,321,421,521.. 제1 광검출층
122,122',222,322,422,522.. 제2 광검출층
130,130',231,232,233,234,330,430,530.. 중간층
223.. 제3 광검출층
224.. 제4 광검출층
310,410.. 도전성 기판
315,415.. 절연층
510.. 절연성 기판
610.. 청색 이미지 센서
620.. 녹색 이미지 센서
630.. 적색 이미지 센서

Claims (26)

  1. 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극;
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 마련되어 입사되는 빛을 전기적 신호로 변화시키는 것으로, 반도체 물질을 포함하는 복수의 광검출층; 및
    상기 광검출층들 사이에 마련되는 것으로, 전도 이방성(anisotropy in electrical conductivity)을 가지는 금속성(metallic) 또는 반금속성(semi metallic) 물질을 포함하는 중간층;을 포함하고,
    상기 중간층은 상기 중간층에 수직인 방향으로의 전기전도도가 상기 중간층에 나란한 방향으로의 전기전도도보다 낮으며,
    상기 중간층은 WTe2를 포함하는 이미지 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출층들과 상기 중간층 사이에서 입사되는 빛에 의해 광전류(photocurrent)가 발생되는 이미지 센서.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간층은 0.05nm ~ 10cm의 두께를 가지는 이미지 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 중간층은 0.1nm ~ 100㎛의 두께는 가지는 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출층은 Si, TMDC(transition metal dichalcogenides), 양자점(quantum dots) 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 TMDC는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극인 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 투명 전극은 투명한 도전성 산화물 또는 그래핀을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광검출층들 및 상기 중간층 중 적어도 하나의 페르미 레벨(Fermi level)을 제어함으로써 광전변환 효율 및 암전류를 조절하는 이미지 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간층의 두께와, 상기 광검출층들 및 상기 중간층 중 적어도 하나의 도핑 농도를 제어함으로써 광전변환 효율 및 암전류를 조절하는 이미지 센서.
  13. 기판;
    상기 기판의 상부에 이격되어 마련되는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 상기 기판 사이에 마련되어 입사되는 빛을 전기적 신호로 변화시키는 것으로, 반도체 물질을 포함하는 복수의 광검출층; 및
    상기 광검출층들 사이에 마련되는 것으로, 전도 이방성을 가지는 금속성 또는 반금속성 물질을 포함하는 중간층;을 포함하고,
    상기 중간층은 상기 중간층에 수직인 방향으로의 전기전도도가 상기 중간층에 나란한 방향으로의 전기전도도보다 낮으며,
    상기 중간층은 WTe2를 포함하는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 도전성 기판을 포함하는 이미지 센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 실리콘 기판을 포함하는 이미지 센서.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 기판과 그 위에 마련된 상기 광검출층 사이에 마련된 절연층을 더 포함하는 이미지 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판과 그 위에 마련된 사이 광검출층은 상기 절연층에 형성된 비아홀을 통해 서로 전기적으로 연결되는 이미지 센서.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 절연층과 그 위에 마련된 상기 광검출층 사이에 마련된 제2 전극을 더 포함하는 이미지 센서.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 절연성 기판을 포함하는 이미지 센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 기판에 마련된 제2 전극을 더 포함하는 이미지 센서.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 중간층은 0.05nm ~ 10cm의 두께를 가지는 이미지 센서.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 광검출층은 Si, TMDC, 양자점 및 유기 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서.
  25. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명 전극인 이미지 센서.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 투명 전극은 투명한 도전성 산화물 또는 그래핀을 포함하는 이미지 센서.
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