KR20120125665A - 다중 스펙트럼 감광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 다중 스펙트럼 감광소자를 제공하는 바, 이는 단일면 가공 또는 이중면 가공의 방식을 이용하여 규소의 P 또는 N 기저층 내에 두 개, 세 개 또는 네 개 상하로 구비되는 다중층 복합 감광 픽셀을 구현하고, 각각은 가시광선 또는 가시광선 및 적외선 스펙트럼 내에 직교되거나 상호 보완되는 스펙트럼을 감지한다. 복합 감광 픽셀 중의 부동한 층의 기본 감광 픽셀은 부동한 컬러 또는 스펙트럼을 감지하도록 디자인될 수 있으며, 하나 이상의 복합 감광 픽셀로 구성된 매크로 유닛을 중복 배열하는 것을 통하여 하나의 다중 스펙트럼 감광칩을 취득한다. 본 발명에는 또 새로운 다중층 감광 픽셀의 디자인과 이가 단일면 이중층, 이중면 이중층, 이중면 3중층, 이중면 4중층, 단일면 혼합 이중층과 이중면 혼합 이중층 또는 다중층 다중 스펙트럼 감광소자에 이용되는 예가 포함된다. 본 발명의 다중 스펙트럼 감광소자는 더욱 훌륭한 컬러 감광 성능 및 채색 감광과 적외선 감광의 집적 및 간단한 가공 공정이 포함된다.

Description

다중 스펙트럼 감광소자{MULTISPECTRAL PHOTOSENSITIVE DEVICE}
본 발명은 다중 스펙트럼 감광소자에 관한 것으로서, 특히 다중 스펙트럼 감광소자의 물리적인 구현과 제작에 관한 것이다. 특히 본 발명은 CCD 또는 CMOS를 이용하여 동시에 여러 개의 스펙트럼(예를 들면, 가시광선과 적외선)을 감지할 수 있는 풀컬러 이미지에 이용되는 감광소자에 관한 것이다. 여기에서, 풀컬러는 관심을 갖는 전반 스펙트럼을 뜻한다. 일반(가시광선) 감광소자에 상대하여, 풀컬러는 적색, 녹색, 청색과 백색을 포함하는 전반 가시광선 스펙트럼을 뜻한다. 적외선과 컬러가 일체화된 감광소자에 상대하여, 풀컬러는 가시광선 스펙트럼과 적외선 스펙트럼을 뜻한다. 본 발명은 적외색, 흑백과 컬러 이미지를 포함하는 다중 스펙트럼 감광소자에 적용될 수 있다.
본 발명은 본 발명인의 약간 전의 "다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제작 방법"(PCT/CN2007/071262)과 "다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제작 방법(중국 출원번호 200810217270.2)의 계속으로서, 더욱 구체적이고 바람직한 반도체 물리 구현 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이전의 감광소자는 컬러 가시광선에 초점을 맞추던가, 아니면 적외선에 초점을 맞추었으며, 양자를 결합시킨 것이 아주 적다. 비록 기타의 발명과 출원, 예를 들면, 인듐 안티모니를 이용하는 반도체 기술("Silicon infrared focal plane arrays", M. Kimata, in Handbook of Infrared Detection Technologies, edited by M. Henini and M. Razeghi, pp. 352-392, Elsevier Science Ltd., 2002)을 이용하여 동시에 가시광선과 적외선의 감지를 구현하기는 하지만, 이들은 채색을 취득하지 못한다. 종래의 동시에 채색과 적외선을 감지하는 방법은 하나의 채색 감광소자와 하나의 적외선 감광소자를 물리적으로 중첩시키는 것이다(예를 들면, "Backside-hybrid Photodetector for trans-chip detection of NIR light", by T. Tokuda et al., in IEEE Workshop on Charge-coupled Devices & Advanced Image Sensors, Elmau, Germany, May 2003, and "A CMOS image sensor with eye-safe detection function using backside carrier injection", T. Tokuda et al., J. Inst Image Information & Television Eng., 60(3):366-372, March 2006).
종래의 감광소자에 있어서, 채색 감광소자와 적외선 감광소자를 하나로 집적시키지 못하는데는 주요하기 하기 세 가지 원인이 있다. 첫 번째 원인은 종래의 채색 감광소자는 모두 채색 필터링 막(적색/녹색/청색 또는 청록색/황색/마젠타색/녹색)을 이용하여 채색을 취득하여야 하기 때문이다. 하지만 이러한 필터링 막은 적외선에 대해서도 아주 강한 필터링 특성을 가진다. 그리고, 채색이 선명해지도록 하기 위하여, 또 전문적으로 렌즈 상에 적외석 필터링 렌즈를 추가하여 적외선에 채색 이미지에 가져다는 주는 곰팡이 현상을 제거한다. Foveon사의 X3 3중층 감광기술은 깊이를 통하여 컬러의 선택을 구현하고 필터링 막을 제거하기는 하였지만, 3중층 감광기술 제작은 이미 아주 어렵게 되었고 산업화 상황이 좋지 않기 때문에, 아래에 또 적외선 층을 더한다면 상황은 더욱 복잡하게 되어 실용가치를 잃게될 것이다. 두 번째 원인은 반도체에서 일반적으로 이용되는 규소는 통상적으로 1100 나노 이하 파장의 적외선만 흡수할 수 있다. 그러므로 많은 적외선 감광에 이용되는 소자가 이용하는 것은 기타 반도체 재로인 바, 예를 들면 규소 게르마늄 혼합 결정체, HgCdTe, InSb 등 재료이다. 이러한 재료는 가시광선에 이용하기 적합하지 않다. 세 번째 원인은 실행가능한 이중층 또는 다중층 감광소자의 제작기술의 부재이다.
그러므로 어떻게 더욱 후륭한 채색 감광을 구현하고, 또 채색 감광소자와 적이선 감광소자를 집적시킬 것인가 하는 등 문제는 진일보로 연구와 개선이 필요한 것이다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 다중 스펙트럼 감광소자를 제공하여 더욱 훌륭하게 채색 감광을 구현할 뿐 아니라, 채색 감광소자와 적외선 감광소자를 집적시키는 구현 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술문제를 해결하기 위한 기술방안은 하기와 같다.
다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 하나의 기저층을 포함하고, 상기 기저층 상에 복수개의 사전 설정된 패턴에 따라 중복되게 배열되는 복합 감광 픽셀 매크로 유닛이 구비되며, 상기 복합 감광 픽셀 매크로 유닛에는 적어도 하나의 복합 감광 픽셀이 포함되고, 상기 복합 감광 픽셀은 적어도 두 개의 기본 감광 픽셀로 구성되며, 상기 기본 감광 픽셀은 빛의 조사 방향에 따라 각 층이 하나의 분층으로 구비되고 또 일면이 최대로 두 층의 방식으로 기저층의 상단면 또는 저면 또는 상단면과 저면에 분포된다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자의 한 실시예에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 두 개가 포함되고, 기저층의 상단면 또는 저면에서 두 층으로 나뉘어 구비되어 단일면 이중층 복합 감광 픽셀을 형성하거나, 또는 각각 기저층의 상단면과 저면에 구비되어 이중면 이중층 복합 감광 픽셀을 형성한다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 기저층 중의 복합 감광 픽셀은 단일면 이중층 복합 감광 픽셀일 수 있는 바, 이로써 상기 다중 스펙트럼 감광소자로 하여금 단일면 이중층 감광소자를 구성할 수 있도록 한다.
상기 단일면 이중층 복합 감광 픽셀은 하나의 N 규소 기저층 상에 우선 P 도핑(P doping)을 진행한 후 다시 P 도핑된 층 상면에 N 도핑을 진행하여 구성된 N-P-N 복합구조에 의하여 형성될 수 있다.
상기 단일면 이중층 복합 감광 픽셀은 또 하나의 P 규소 기저층 상에 우선 N 도핑(N doping)을 진행한 후 다시 N 도핑된 층 상면에 P 도핑을 진행하여 구성된 P-N-P 복합구조에 의하여 형성될 수 있다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 기저층 중의 복합 감광 픽셀은 이중면 이중층 복합 감광 픽셀일 수 있는 바, 이로써 상기 다중 스펙트럼 감광소자로 하여금 이중면 이중층 감광소자를 구성할 수 있도록 한다.
상기 이중면 이중층 복합 감광 픽셀은 하나의 N 규소의 기저층의 상단면과 저면에 모두 P 도핑(P doping)을 진행하여 구성된 P-N-P 복합구조에 의하여 형성될 수 있다.
상기 이중면 이중층 복합 감광 픽셀은 하나의 P 규소의 기저층의 상단면과 저면에 모두 N 도핑(N doping)을 진행하여 구성된 N-P-N 복합구조에 의하여 형성될 수 있다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자의 한 실시예에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 3개 또는 4개가 포함되고, 그 중에서, 두 개는 기저층의 상단면 또는 저면에서 두 층으로 나뉘어 구비되고, 나머지 기본 감광 픽셀은 기저층의 저면 또는 상단면에서 한 층 또는 두 층으로 나뉘어 구비되어 이중면 다중층 복합 감광 픽셀을 형성한다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 기저층 중의 복합 감광 픽셀은 이중면 다중층 복합 감광 픽셀일 수 있는 바, 이로써 상기 다중 스펙트럼 감광소자로 하여금 이중면 다중층 감광소자를 구성할 수 있도록 한다.
상기 이중면 다중층 복합 감광 픽셀은 하나의 N 규소의 기저층의 상단면과 저면에 모두 P 도핑(P doping)을 진행하고 또 P 도핑층에 N 도핑을 진행하여 구성된 P-N-P, N-P-N-P, P-N-P-N, N-P-N-P-N의 복합구조에 의하여 형성될 수 있다.
상기 이중면 다중층 복합 감광 픽셀은 하나의 규소의 P 기저층의 상단면과 저면에 모두 N 도핑을 진행하고 또 N 도필층에 P 도핑을 진행하여 구성된 N-P-N, N-P-N-P, P-N-P-N 또는 P-N-P-N-P의 복합구조에 의하여 형성될 수 있다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 각각 가시광선 또는 가시광선 및 적외선의 두 개씩 직교되는 하나의 스펙트럼 구간을 감지하고, 상기 복합 감광 픽셀 매크로 유닛의 모든 복합 감광 픽셀이 감지한 스펙트럼 정보를 결합시키면 RGB 또는 CMYK 컬러 재구성에 필요한 스펙트럼 정보를 포함한다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀 중에서 광원과 가장 가까운 기본 감광 픽셀이 감지하는 스펙트럼에는 빈색, 청색, 녹색, 청록색, 백색과 백색+적외색이 포함된다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀 중에서 광원과 가장 먼 기본 감광 픽셀이 감지하는 스펙트럼에는 빈색, 녹색, 적색, 황색, 백색, 적색+적외색, 황색+적외색과 백색+적외색이 포함된다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀 유닛의 저부층의 적외선을 감지하는 기본 감광 픽셀의 저부 표면에는 또 적외선에 대한 흡수가 더욱 훌륭한 규소 게르마늄 결정체층 또는 게르마늄 결정체층이 자라있다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 적외선을 감지하는 기본 감광 픽셀의 저부 표면에는 또 거울면 반사 코팅막이 코팅되어 있다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀은 주동적인 방식으로 샘플링을 진행하여 주동 감광 픽셀(Active Pixel)을 형성한다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀은 피동적인 방식으로 샘플링을 진행하여 피동 감광 픽셀(Passive Pixel)을 형성한다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 포토다이오드 또는 포토게이트이다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 다중 스펙트럼 감광소자의 감광 방식에는 정면 감광, 배면 감광 또는 양방향 감광 방식이 포함되고, 상기 양방향 감광 방식에는 시간 분할 방향 선택 또는 픽셀 방향 선택 방식이 포함된다.
상기 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 상기 사전 설정된 패턴에는 복합 픽셀의 중복 배열, 정방형 배열 또는 허니컴 패턴 배열이 포함된다.
본 발명의 유익한 효과는 하기와 같다.
1. 더욱 훌륭한 채색 감광 성능 및 채색 감광과 적외선 감광의 집적이다. 본 발명에 있어서, 적어도 두 개의 기본 감광 픽셀을 포함하는 복합 감광 픽셀의 형식으로 광원 조사 방향 상의 적어도 두 개의 감광 픽셀층을 제공고, 기본 감광 픽셀이 부동한 층 상에서 스펙트럼의 각 스펙트럼 구간을 감지하며, 이로써 감광 픽셀층의 깊이 상에 구비하는 것을 통하여 기저층 한 표면 상의 동일한 픽셀 위치에서 적어도 두 개의 스펙트럼 구간을 감지하도록 함으로써, 해당 표면 상의 복합 감광 픽셀 매크로 유닛 패턴 배열 상의 더욱 훌륭한 영활성 및 더욱 많은 픽셀 분포를 갖도록 하여, 감광소자의 감도, 해상도와 동적 범뤼를 크게 향상시킨다. 다른 일 방면으로, 두 개의 감광 픽셀층을 하는 가시광선을 감지하도록 하고, 다른 하나는 적외선을 감지하도록 하여, 쉽게 가시광선과 적외선의 집적을 구현하고, 동시에 채색과 적외선을 감지하도록 하였다.
2. 제품을 구현하는 가공 공정이 간단하다. 본 발명은 종래의 CCD 또는 CMOS 감광칩 가공 공정과 설비를 이용하여 쉽게 정면 감광, 배면 감광 또는 양방향 감광에 이용되는 단일면 이중층 다중 스펙트럼 감광소자, 이중면 이중층 다중 스펙트럼 감광소자와 이중면 다중층 다중 스펙트럼 감광소자를 제적할 수 있다. 배경 기술 중의 Foveon사의 3중층 감광소자는 채색 감광을 구현하기 위하여 반드시 동일한 위치에 세 개의 층을 구비하여 각각 RGB 세 색을 감지하여 컬러 재구성을 완성한다. 하지만 이러한 방식은 세 개 층의 가공 상에서 난이도가 아주 클 뿐 아니라, 배선에 있어서 각 층 사이의 리드선이 상호 격리되어야 하기 때문에 세 개 층의 리드선은 배선 상의 어려움을 가져다 준다. 이러한 기초 상에서, 만일 한 층을 추가하여 적외선 감광을 진행하려면 거의 불가능한 것이다. 하지만 보 발명에서는 평면 상의 픽셀 패턴 배열에 의하여 컬러 재구성을 완성하기 때문에, 깊이 방향에서 세 개의 층을 구비하여 컬러 재구성을 구현할 필요가 없기 때문에, 동일한 면 상에 최대로 두 층의 기본 감광 픽셀을 구비하는 방식을 통하여 더욱 훌륭한 채색 감광 성능을 구현할 수 있다. 동일한 면 상에 최대로 단지 두 개의 감광 픽셀층을 구비하기 때문에, 입체 가공 공정의 어려움을 현저히 낮추고, 배선 상에서도 상대적으로 간단하다. 특히 이중면 이중층 방식을 취할 때, 즉 복합 감광 픽셀 중의 두 개의 기본 감광 픽셀이 각각 서로 마주하는 두 면에 구비될 때, 단일면 이중층 방식과 같이 더욱 훌륭한 채색 감광 성능을 가질 뿐 아니라, 각 면이 모두 평면 가공 공정으로 간략화 되는 바, 일면에 하나의 감광 픽셀층의 평면 가공을 완성한 후, 기저층을 뒤집어 다른 한 면에서 마찬가지로 평면 가공 공정에 의하여 다른 한 감광 픽셀층의 가공을 완성할 수 있으므로, 가공 공정이 종래의 단일면 단일층 감광소자의 가공 공정에 가깝게 된다.
3. 본 발명의 감광소자가 깊이 스펙트럼 필터링 및 평면 패턴 배열을 결합시키는 방식에 의하여 컬러 재구성을 완성하기 때문에, 일 방면으로 컬러 필터링 막을 구비할 필요가 없으므로 양품율을 대폭 향상시킨다. 다른 일 방면으로, 중복되는 컬러 정보를 제공할 수 있기 때문에, 많은 불량 포인트와 데드 포인트 상황에서 후단 처리를 통하여 중복 컬러 정보를 이용하여 복구할 수 있다. 이로써 전반적으로 감광소자의 고장 발생율을 낮출 수 있다.
본 발명에서는 실시예를 통하여 다수의 가시광선과 적외선에 이용되는 이중층과 다중층 다중 스펙트럼 감광소자의 구현 방법을 설명하기로 한다. 이러한 구현 방법은 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 제한하는 것이 아니다.
당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 상기 및 기타 목적과 장점은 하기 도면을 참조한 구체적인 실시방식의 상세한 기재를 통하여 더욱 명료하게 될 것이다.
간략한 설명을 위하여 하기의 도면에 대한 설명은 주요하게 모두 포토다이오드(Photo Diode)를 기반으로 하는 도면이다. 하지만 거의 모든 예는 모두 마찬가지로 포토게이트(Photo Gate)에 이용될 수 있다.
도 1은 하나의 종래의 단일층 포토다이오드의 도면이다.
도 2는 Foveon사에서 발명한 3중층 복합 포토다이오드 도면으로서, 그 중에서 상단면 다이오드는 청색을 감지하고, 중간의 다이오드는 녹색을 감지하며, 저부층의 다이오드는 적색을 감지한다. 이러한 방식은 빛의 투과 깊이와 파장과 관련된 관계를 충분히 이용한다. 이러한 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 감광소자는 픽셀을 리드하는 방면의 어려움을 알 수 있는 바, 세 개 부동한 컬러의 픽셀의 리드 회로는 아주 큰 공간을 차지하고 또 배선이 아주 어렵다.
도 3의 (a) 및 3(b)는 각각 본 발명과 관련된 다중층 다중 스펙트럼 감광소자의 도면이다. 도 3의 (a)는 단일면 이중층 감광소자에 이용되고, 도 3의 (b)는 이중면 이중 감광소자에 이용된다. 그 중에 있어서, 깊이 T1, T2, T3과 T4는 빛의 기저층 재료(규소) 중의 입사 깊이와 파장의 관계 곡선에 의하여 결정된다(Gerald C. Holst and Terrance S. Lomheim, "CMOS/CCD Sensors and Camera Systems", JCD Publishing, pp. 125-125, ISBN 9780819467300, 2007). 예를 들면, 만일 상단층에서 청색(또는 청록색)을 취득하려면, 그 중의 T1은 응당 1.5um 가량(또는 4.5um 가량)을 선택하여야 하고; 저부층에서 적색을 취득하려면, T2와 T4는 적어도 8um이어야 하고, T3은 적어도 4.5um이어야 한다. 만일 저부층에서 황색을 취득하려면, T2와 T4는 적어도 8um이어야 하고, T3은 적어도 1.5um이어야 한다. 상단층의 포토다이오드와 저부층의 포토다이오드는 하나의 복합 다이오드 쌍(복합 감광 픽셀)을 구성한다. 빛이 상단으로부터 조사될 때, 상단층의 포토다이오드는 광원과 더욱 가깝다. 빛이 저부으로부터 조사될 때, 저부층의 포토다이오드는 광원과 더욱 가깝다.
도 4의 (a)와 도 4의 (b)는 동시에 가시광선과 적외선을 감지하는 복합 포토다이오드 쌍(복합 감광 픽셀)을 보여준다. 적외선을 받아들이기 위하여 규소 기저층의 두께(도 3 중의 T2와 T4)는 더 두꺼울 수 있다.
도 5의 (a)와 도 5의 (b)는 단일면 이중층 감광소자 중의 복합 포토다이오드 쌍이 배면 조사될 때의 상황을 보여주는 바, 그 중에서, 도 5의 (a)는 단지 가시광선을 감지하고, 도 5의 (b)는 동시에 가시광선과 적외선을 감지한다. 두 가지 복합 포토다이오드의 두께가 기봉상 일치하게 하기 위하여, 적외선을 감지하는 포토다이오드의 배면에 적외선을 더욱 잘 흡수할 수 있는 게르마늄 또는 규소 게르마늄 결정체(SiGe)를 성장시킬 수 있다.
도 6의 (a)와 도 6의 (b)는 이중면 이중층 감광소자 중의 복합 포토다이오드 쌍이 정면 조사될 때의 상황을 보여주는 바, 그 중에서, 도 6의 (a)는 단지 가시광선을 감지하고, 도 6의 (b)는 동시에 가시광선과 적외선을 감지한다. 마찬가지로, 두 가지 복합 포토다이오드의 두께가 기본상 일치하게 하기 위하여, 적외선을 감지하는 포토다이오드의 배면에 적외선을 더욱 잘 흡수할 수 있는 게르마늄 또는 규소 게르마늄 결정체(SiGe)를 성장시킬 수 있다.
도 7은 도 3의 (a) 중의 복합 포토다이오드의 리드장치가 구비된 상황을 보여준다. 단일면 이중층 감광소자는 배선과 리드 회로 공유의 어려움으로 인하여, (FD와 증폭 회로를 구비하지 않은) 피동 감광 픽셀(Passive Pixel)을 이용하여 구현하는 것이 바람직 하다.
도 8은 도 3의 (b) 중의 복합 포토다이오드의 리드장치가 구비된 상황을 보여준다. 비교에 의하면, 이중면 이중층 감광소자는 리드 회로를 구성할 때 단일층 감광소자보다 쉽게 영활성이 있다. 그러므로, 이중면 이중층 감광소자는 피동 감광 픽셀(Passive Pixel)을 이용하여 구현할 수도 있고, 주동 감광 픽셀(Active Pixel)을 이용하여 구현할 수도 있으며, 또 주동 감광 픽셀(Active Pixel)을 이용하여 구현할 때, 각 픽셀은 평균으로 단지 1.5개 게이트를 이용하거나(3T 리드 회로 이용), 또는 1.75개 게이트를 이용할 수 있다(4T 리드 회로 이용).
도 9는 현재 비교적 훌륭한 4-포인트 공유 4T 주동 감광 픽셀의 리드 회로를 보여주는 바, 각 픽셀은 평균으로 1.75개 게이트를 이용한다. 이로써 본 발명의 이중층 또는 다중층 감광소자는 현재 비교적 표준적인 리드 및 샘플링 회로를 이용할 수 있다.
도 10은 간단하고 직접적으로 단일면 이중층 감광소자를 이중면 감광에 이용하여 취둑한 이중면 3중층 감광소자의 하나의 예를 보여주는 바, 그 중에서, 도a의 정면이 한 층이고, 배면이 두 층이며, 도 10b의 정면이 두 층이고, 배면이 한 층이다. 이러한 마찬가지의 3중층 감광소자는 Foveon사의 X3 3중층 감광소자에 비하여 구현이 쉽고 훨씬 많은 변화를 가져올 수 있다. 도 10과 도 2의 구별점에 유의하여야 한다. 도 2 중의 3개의 칼의 감광 픽셀은 모두 하나의 면 상에 집중되어 있으나, 도 10 중에서는 단지 2개의 픽셀이 하나의 면 상에 위치하고, 다른 하나의 픽셀은 다른 한 면 상에 위치한다.
도 11은 단일면 이중층 감광소자를 이중면 감광 방식에 따라 결합시켜 생성되는 이중면 4중층 감광소자를 보여준다. 이러한 감광소자를 이용하면, 각 화소에서 동시에 청색, 녹색, 적색과 적외색 4개 컬러를 취득할 수 있다. 컬러가 더 많고 차원이 더 많기는 하지만, 제작 방면에 있어서 여전히 Foveon사의 X3 3중 감광소자보다 쉽다.
도 12는 3중층과 4중층이 혼합된 이중면 다중층 감광소자의 예를 보여준다.
도 13은 이중층과 4중층이 혼합된 이중면 다중층 감광소자의 예를 보여준다.
도 14는 이중층과 3중층이 혼합된 이중면 다중층 감광소자의 예를 보여준다.
도 15와 도 16은 이중층과 한 층이 혼합된 단일면 또는 이중면 이중층 감광소자의 예를 보여준다.
도 12 내지 도 16에 있어서, 다중층 복합 감광 픽셀의 한 가지 퇴화 상황을 보여주는 바, N중층 복합 감광 픽셀 중의 하나가 빈 픽셀일 때, N중층 복합 감광 픽셀은 (N-1)중층 복합 감광 픽셀로 퇴화된다. 도 15와 도 16은 일부 이중층 감광 픽셀이 단일층으로 퇴화된 상황을 보여준다. 그 중의 두 개가 빈 픽셀일 때, N중층 복합 감광 픽셀은 (N-2)중층 복합 감광 픽셀로 퇴화되며, 이렇게 유추된다.
복합 픽셀 중의 층 수가 불일치할 때, 그 중의 일부 층에 빈 픽셀이 포함된 것으로 간주할 수 있다(빈색 감지). 그러므로 다중층 감광소자를 혼합시키는 것은 다중층 감광소자의 특수 예로서, 즉 그 중의 일부 복합 픽셀에 빈 픽셀이 포함되는 것이다.
이러한 예들은 단일면 이중층 감광소자와 이중면 이중층 감광소자 또는 다중층 감광소자의 장점을 충분히 보여준다. 이 두 가지 소자의 기술을 결합시키면, 일련의 새로운 풍부한 고성능 감광소자를 생성할 수 있다. 특히 유의하여야 할 바로는, 하나의 3중층 이상의 감광소자에 있어서, 각 층에 위치하는 포토다이오드가 응용하는 스펙트럼은 반드시 두 개씩 직교되어야 한다는 것이다(즉 이론상에서 공통 또는 중첩된 부분이 없음).
도 17a와 도 17b는 정방형 배열과 허니컴 배열의 이중면 이중층 감광소자의 조감도를 보여주는 바, 그 중에서, FD는 상하 두 층이 공용하는 리드 커패시터이다. 만일 필요하다면 상하 두 층이 각각 하나의 리드 커패시터를 이용하거나 내지는 각각 한 그룹의 리드 회로를 이용할 수 있음은 물론이다.
도 18a는 정방형 배열의 이중면 이중층 다중 스펙트럼(채색+적외색) 감공소자의 조감도를 보여주는 바, 그 중에서, FD는 상하 두 층이 공용하는 리드 커패시터이다. 도 18b는 정방형 배열의 이중면 이중층 다중 스펙트럼(채색+적외색) 감공소자의 조감도를 보여주는 바, 그 중에서, FD는 상하 두 층이 공용하는 리드 커패시터이다. 이러한 두 개의 복합 픽셀로 구성된 매크로 픽셀 유닛은 도 9의 4-포인트 공유 주동 감광 픽셀의 리드 회로를 이용할 수도 있다. 단일면 단일층의 감광소자와 달리, 도 18b 중의 공용 리드 회로의 4개 포토다이오드는 두 개의 면 상에 분포된다.
도 19는 이중면 이중층 다중 스펙트럼(채색+적외색) 감광소자의 8-포인트 공유 또는 4-포인트 공유 리드 회로의 단면도(3T 또는 4T 리드 회로 제거)를 보여준다. 여기에 보여주는 것은 극단적인 FD를 상하 공용하는 상황이다. 이중면 이중층 다중 스펙트럼(채색+적외색) 감광소자에 있어서, 4-포인트 공유 리드 회로라 할지라도 두 가지 선택 가능성이 있는 바, 하나는 4개의 포인트가 하나의 동일한 면에 위치하는 것이고, 다른 하나는 4개의 포인트가 부동한 면에 우치하는 것이다. 이 도면에 있어서, 다른 한 가지 방법으로 적외선의 흡수율을 향상시키는 방법을 제시하고 있는 바, 즉 게르마늄 또는 규소 게르마늄 층의 배면에 거울면 반사 재료(예를 들면, 알루미늄 또는 기타 게르마늄 또는 규소와 잘 배합되는 반사 재료)를 코팅하는 것이다.
도 20은 이중면 이중층 다중 스펙트럼(채색+적외색) 감광소자의 8-포인트 공유 또는 4-포인트 공유 리드 회로의 단면도(3T 또는 4T 리드 회로 제거)를 보여준다. 여기에 보여주는 것은 간단한 FD가 상하로 통하지 않는 상황이다. FD가 상하로 통하지 않을 때, 상단면과 저면은 모두 단일면 단일층의 상황과 동일하다.
도 21은 간단하게 이중면 이중층의 감광소자를 제작하는 상황을 보여준다. 기저층이 불투명할 때, 상하 두 층은 간단하게 단일면 단일층 감광소자를 2회 반복하는 방법으로 취득할 수 있다. 두 면 상의 소자는 완전히 독립될 수 있다. 이는 양방향 감광소자를 제작하는 가장 간단한 방식이다.
도 22a와 도 22b는 단일면 이중층 감광소자가 각각 정면 감광과 배면 감광에 이용될 때의 상황을 보여준다. 유의하여야 할 바로는, 도면 중의 두 층의 포토다이오드에 있어서, 광원과 가까운 포토다이오드가 더욱 짧은 파장의 컬러를 취득한다.
도 23a와 도 23b는 이중면 이중층 감광소자가 각각 정면 감광과 배면 감광에 이용될 때의 상황을 보여준다. 도면 중의 두 층의 포토다이오드 쌍에 있어서, 광원이 방향을 개변할 때 컬러가 변화한다. 양방향 대칭성의 이중면 이중층 감광소자에 있어서("다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제작 방법"(중국 출원번호 200810217270.2) 참조), 일반적인 상황에서, 광원이 방향을 개변할 때, 청록색과 황색이 뒤바뀌고, 청색과 적색이 뒤바뀌며, 녹색이 불변한다.
도 24a와 도 24b는 매크로 픽셀이 3개 복합 포토다이오드(복합 감광 픽셀)를 이용하는 이중면 이중층 감광소자의 정면과 배면의 상황을 보여준다. 매크로 픽셀에 3개 점이 포함될 때, 일반적으로 허니컴 배열을 이용한다.
도 25, 도 26, 도 27은 다른 몇 가지 이중면 이중층 감광소자의 구현 방법을 보여준다. 이러한 도면들은 이중면 이중층 감광소자의 영활성과 다양성 특징을 충분히 보여준다. 도 3 내지 도 16 중의 복합 다이오드에 대한 내용은 합리적인 변화를 거쳐 모두 도 22 내지 도 27의 상황에 적용될 수 있다. 여기에서는 적은 수량의 도면으로 원리를 설명할 뿐이지 본 발명의 기본사상과 범위를 제한하는 것이 아니다.
도 28은 포토게이트(Photo Gate)의 원리를 설명하는 도면이다. 상기의 도면에 있어서, 만일 기본 감광 픽셀로서의 포토다이오드(Photo Diode)를 포토게이트(Photo Gate)로 대체한다면, 많은 완전히 유사한 구현 방법과 결론을 도출할 수 있을 것이다.
본 발명 및 종래 기술과의 구별점을 설명하기 위하여, 이중층 감광소자, 다중층 감광소자, 이중면 감광소자 및 양방향 감광소자에 대한 정의를 내리도록 한다. 그 중에서, 이중층 감광소자는 감광픽셀이 물리적으로 두 층으로 구분되고, 각 층에 모두 특정 스펙트럼을 감지하는 감광 픽셀이 포함되어 있는 것을 말한다. 다중층 감광소자는 두 층 이상의 감광소자로서, 예를 들면, Foveon사의 X3 감광소자 등이다. 이중면 감광소자는 감광소자에 두 개의 감광 표면이 구비되고, 각 면이 모두 적어도 한 방향으로부터 감광을 진행하는 것을 말한다. 양방향 감광소자는 감광소자가 두 방향(일반적으로 서로 180도)으로부터 감광을 진행할 수 있는 것을 말하는 바, 즉 감광소자의 정면과 배면으로부터 모두 감광을 진행할 수 있는 말한다.
하나의 감광소자는 이중층 또는 다중층, 이중면 그리고 양방향 이 세 가지 특징 중의 한 가지, 두 가지 또는 세 가지 특징을 모두 구비할 수 있다. 본 발명은 주요하게 단일면 이중층 감광소자(예를 들면, 도 22a와 도 22b), 이중면 이중층 감광소자(예를 들면, 도 23a와 도 23b)와 이중면 다중층 감광소자(도 10 내지 14)에 관한 것이다. 단일면 이중층, 이중면 이중층 또는 다중층 감광소자를 물론하고, 모두 정면 감광(예를 들면, 도 22a), 배면 감광(예를 들면, 도 22b) 또는 양방향 감광(예를 들면, 도 21 또는 도 23)에 이용될 수 있다. 하지만 부동한 조사 상황에 이용될 때, 감광소자의 디자인은 부동하다.
본 발명의 구체적인 실시 방식의 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 하나의 기저층을 포함하고, 상기 기저층 상에 복수개의 사전 설정된 패턴에 따라 중복되게 배열되는 복합 감광 픽셀 매크로 유닛이 구비되며, 상기 복합 감광 픽셀 매크로 유닛에는 적어도 하나의 복합 감광 픽셀이 포함되고, 상기 복합 감광 픽셀은 적어도 두 개의 기본 감광 픽셀로 구성되며, 상기 기본 감광 픽셀은 빛의 조사 방향에 따라 각 층이 하나의 분층으로 구비되고 또 일면이 최대로 두 층의 방식으로 기저층의 상단면 또는 저면 또는 상단면과 저면에 분포된다. 유의하여야 할 바로는, 여기에서는 단지 상단면과 저면의 개념으로 기저층 양면의 상대적인 위치를 표시하였고, 이는 기저층 표면의 절대적인 물리적 위치에 대한 제한이 아니며, 하기 내용에 있어서, 광원에 대한 상대적인 위치로 기저층의 정면과 배면의 개념을 유사한 형식으로 기재하고 있다.
여기에서, 세 가지 개념이 제시되었는 바, 즉 복합 감광 픽셀 매크로 유닛, 복합 감광 픽셀과 기본 감광 픽셀이며, 그 중에서, 기본 감광 픽셀은 각 층 상에서 더는 분할할 수 없는 감광 픽셀이고, 복합 감광 픽셀은 적어도 두 개의 기본 감광 픽셀의 조합이며, 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 빛이 조사되는 방향에 따라 분층되는 형식으로 구비되고, 각 층에 하나의 기본 감광 픽셀을 구비하는데, 예를 들면, 상기 도면 설명 중에서와 같이, 기본 감광 픽셀은 포도다이오드 또는 포토게이트로 구현할 수 있고, 포토다이오드 형식으로 구현될 때, 복합 감광 픽셀은 복합 포토다이오드 쌍을 형성한다. 유의하여야 할 바로는, 복합 감광 픽셀 중의 각 감광 픽셀층은 광원이 조사되는 방향(일반적으로는 기본층 감광 표면의 법선 방향)에 따라 구비되나, 단지 기저층의 한 면에 구비되는 것으로 제한되지 않으며, 만일 광원의 조사가 경과하는 마주하는 양면 중에 광원과 가까운 일면을 기저층 정면으로 하고, 광원과 먼 일면을 기저층 배면으로 하면, 복합 감광 픽셀 중의 각 감광 픽셀층은 모두 기저층 정면이거나 기저층 배면 또는 각각 기저층의 정면과 배면에 위치할 수 있으나, 한 면에 최대로 두 개의 감광 픽셀층을 구비한다. 감광 픽셀층의 위치와 수량 관계를 총화하면, 하나의 광원 조사 방향에 대하여, 감광 픽셀층의 구비 분포 방식은 [2,0], [0,2](단일면 이중층), [1,1](이중면 이중층), [1,2], [2,1], [2,2](이중면 다중층)이 있을 수 있다. 그 중에서, 앞의 숫자는 복합 감광 픽셀 중에 기저층 정면에 구비된 감광 픽셀층 수량이고, 뒤의 숫자는 복합 감광 픽셀 중에 구비된 기저층 배면의 감광 픽셀층 수량이다. 복합 감광 픽셀 매크로 유닛은 컬러를 재구성할 수 있는 최소 수량의 복합 감광 픽셀의 집합으로서, 매크로 픽셀이라고도 불리고, 이 복합 감광 픽셀 매크로 유닛을 사전 설정된 패턴(예를 들면, 정방형 배열 또는 허니컴 패턴 배열 방식 또는 중복 배열)에 따라 중복되게 배열하여 전반 이미지 평면에서 컬러 재구성을 구현할 수 있다. 이중층 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 복합 감광 픽셀 매크로 유닛에는 일반적으로 적어도 두 개의 복합 픽셀이 포함된다. 하지만 이중면 다중층 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서, 매크로 유닛은 단일 복합 픽셀일 수도 있다.
하나의 복합 감광 픽셀이 여러 가지 유형이 있기 때문에, 기저층 상에 구비된 다수의 복합 감광 픽셀은 부동한 유형을 가질 수 있으므로 본 발명의 감광소자는 여러 가지 영활성 있는 형식이 있다. 한 복합 감광 픽셀의 입장에서 보면, 그의 기본 감광 픽셀의 수량 및 분포에 의하여 단일면 이중층 복합 감광 픽셀, 이중면 이중층 목셀 및 이중면 다중층 복합 감광 픽셀이 포함된다. 상술한 바와 같이, 소위 말하는 단일면 이중층 복합 감광 픽셀과 이중면 이중층 복합 감광 픽셀에 있어서, 그의 기본 감광 픽셀은 모두 두 개이고 단지 분포만 부동하며, 단일면 이중층 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 기저층의 일면에 분층되어 구비되며; 이중면 이중층 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 기저층의 양면에 구비된다. 이중면 다중층 복합 감광 픽셀에 있어서, 그의 기본 감광 픽셀은 3개 또는 4개일 수 있고, 기저층의 일면에 최대로 두 층의 감광 픽셀이 구비되기 때문에, 이때의 기본 감광 픽셀은 반드시 기저층의 양면에 분포되고, 그 중의 적어도 일면은 두 개 기본 감광 픽셀의 분층 분포이다. 유의하여야 할 바로는, 복합 감광 픽셀의 한 가지 특수 상황은 그 중에 빈 픽셀이 포함되는 것으로서, 또 해당 감광 픽셀이 빈색을 감지한다고 할 수 있으며, 이때, 예를 들면 단일면 이중층 복합 감광 픽셀 중의 한 기본 감광 픽셀이 빈 픽셀일 때, 감광의 유효성을 놓고 말하면 이는 하나의 단일면 단일층의 복합 감광 픽셀과 같다.
복합 감광 픽셀의 여러 가지 유형의 특징으로 인하여, 픽셀을 구비할 때 아주 영활성있게 구비할 수 있는 바, 예를 들면, 기저층의 한 픽셀 위치 상에 단일면 이중층 복합 감광 픽셀을 구비하고, 그 인접된 위치에 이중면 이중층 복합 감광 픽셀을 구비할 수 있으며, 또 다른 한 인접된 위치에 이중면 다중층 복합 감광 픽셀을 구비할 수 있으며, 총적으로 말하여, 기저층의 부동한 픽셀 위치에 부동한 유형의 복합 감광 픽셀을 구비할 수 있고, 이러한 특징에 의하여, 특히 기저층 중의 모든 복합 감광 픽셀이 동일한 유형일 때의 감광소자를 복합 감광 픽셀의 유형에 의하여 정의할 수 있는데, 예를 들면, 기저층 중의 모든 복합 감광 픽셀이 단일면 이중층 복합 감광 픽셀일 때, 상응하게 형성되는 감광소자는 단일면 이중층 감광소자라 칭하고, 상기 다른 두 가지 복합 감광 픽셀이 형성하는 감광소자는 상응하게 이중면 이중층 감광소자 또는 이중면 다중층 감광소자라 칭한다. 유의하여야 할 바로는, 상술한 바와 같이, 복합 감광 픽셀 중에 빈 픽셀을 포함할 수 있기 때문에, 기저층의 일부 픽셀 위치의 복합 감광 픽셀에 퇴화가 발생할 수 있는데, 예를 들면, 한 단일면 이중층 감광소자에 있어서, 만일 한 복합 감광 픽셀에 하나의 빈 픽셀이 포함되면, 이 단일면 이중층 복합 감광 픽셀은 실제상에 하나의 단일면 단일층의 감광 픽셀로 퇴화되므로, 한 단일면 이중층 감광소자 중의 복합 감광 픽셀은 완전한 단일면 이중층 복합 감광 픽셀이 아니지만, 전반적으로 보면, 여전히 이러한 상황의 감광소자를 단일면 이중층 감광소자에 귀속시키며, 특히 이를 혼합된 단일면 이중층 감광소자라 칭할 수 있고, 상응하게 혼합된 이중면 이중층 감광소자와 혼합된 이중면 다중층 감광소자가 존재한다.
복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 일반적으로 가시광선 또는 가시광선 및 적외선 감광의 부동한 스펙트럼 구간을 감지하도록 배정되는 바, 예를 들면, 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀이 각각 가시광선 또는 가시광선 및 적외선의 두 개씩 직교되는 한 스펙트럼 구간을 감지하고, 복합 감광 픽셀 매크로 유닛 중의 각 복합 감광 픽셀 및 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀을 통하여 스펙트럼의 부동한 스펙트럼 구간을 감지하며, 복합 감광 픽셀 매크로 유닛의 모든 복합 감광 픽셀이 감지한 스펙트럼 정보를 결합시키면 GRB 또는 CMYK 채색 재구성에 필요한 스펙트럼 정보를 포함한다.
그 중에서, 복합 감광 픽셀 중의 광원과 가장 가까운 기본 감광 픽셀이 감지하는 스펙트럼에는 빈색, 청색, 녹색, 청록색, 백색과 백색+적외색이 포함된다. 복합 감광 픽셀 중의 광원과 가장 먼 기본 감광 픽셀이 감지하는 스펙트럼에는 빈색, 녹색, 적색, 황색, 백색, 적색+적외색, 황색+적외색과 백색+적외색이 포함된다.
상기 내용은 본 발명 중의 감광 픽셀을 어떻게 배열하는가 하는데 대한 설명이고, 아래 본 발명의 구체적인 실시 방식의 다중 스펙트럼 감광소자의 가공 방법을 설명하도록 한다. 기저층의 재료가 부동함에 따라, 단일면 이중층 다중 스펙트럼 감광소자의 구현 방법의 한 가지는, 결정체의 N 기저층(도 5의 (a) 참조)을 취하고, 해당 N 기저층 일면 상의 한 픽셀 위치에 컬러의 깊이 요구에 따라 해당 픽셀 위치 표면으로부터 기저층 내부로 일정 깊이의 P 도핑을 진행하여 하나의 P 도핑층을 형성하는 바, 해당 P 도핑층은 바로 복합 감광 픽셀의 한 감광층이고, 즉 복합 감광 픽셀 중의 한 기본 감광 픽셀을 형성한다. 그 후 해당 P 도핑층에 다른 하나의 일정 깊이의 N 도핑을 진행하여 P 도핑층 중의 N 도핑층을 형성하는 바, 해당 N 도핑층은 바로 복합 감광 픽셀의 다른 한 감광층이고, 즉 복합 감광 픽셀 중의 다른 한 기본 감광 픽셀을 형성하며, 이때 이러한 단일면 이중층 복합 감광 픽셀은 P-N-P의 복합구조에 의해 형성된다.
다른 하나의 방법으로는, 결정체의 P 기저층(도 5의 (b) 참조)을 취하고, 해당 P 기저층 일면 상의 한 픽셀 위치에 컬러의 깊이 요구에 따라 해당 픽셀 위치 표면으로부터 기저층 내부로 일정 깊이의 N 도핑을 진행하여 하나의 N 도핑층을 형성하는 바, 해당 N 도핑층은 바로 복합 감광 픽셀의 한 감광층이고, 즉 복합 감광 픽셀 중의 한 기본 감광 픽셀을 형성한다. 그 후 해당 N 도핑층에 다른 하나의 일정 깊이의 P 도핑을 진행하여 N 도핑층 중의 P 도핑층을 형성하는 바, 해당 P 도핑층은 바로 복합 감광 픽셀의 다른 한 감광층이고, 즉 복합 감광 픽셀 중의 다른 한 기본 감광 픽셀을 형성하며, 이때 이러한 단일면 이중층 복합 감광 픽셀은 N-P-N의 복합구조에 의해 형성된다.
상기 내용은 한 복합 감광 픽셀의 제작에 관한 것으로서, 기저층 감광면 상의 기타 복합 감광 픽셀의 제작은 동일한 방식으로 가공할 수 있으며, 단지 부동한 픽셀 위치에 있어서, 도핑의 깊이는 대응되는 픽셀이 감지하고자 하는 컬러의 스펙트럼의 파장에 결정되어 약간 다르다.
이중면 이중층 다중 스펙트럼 감광소자의 구현 방법은 하기와 같다.
결정체의 N 기저층(도 4의 (a) 참조)을 취하고, 정면 표면의 픽셀을 필요한 컬러에 따라 분류하고 각 유형의 픽셀에 대하여 컬러 깊이 요구에 따라 일정한 깊이의 P 도핑을 진행한다. 마찬가지로, 배면의 픽셀을 필요한 컬러에 따라 분류하고 각 유형의 픽셀에 대하여 컬러 깊이 요구에 따라 일정한 깊이의 P 도핑을 진행한다. P 도핑의 깊이는 감지하고자 하는 스펙트럼의 파장에 의해 결정된다.
다른 한 가지 더욱 바람직한 방법은, 결정체의 P 기저층(도 4의 (b) 참조)을 취하고, 정면 표면의 픽셀을 필요한 컬러에 따라 분류하고 각 유형의 픽셀에 대하여 컬러 깊이 요구에 따라 일정한 깊이의 N 도핑을 진행한다. 마찬가지로, 배면의 픽셀을 필요한 컬러에 따라 분류하고 각 유형의 픽셀에 대하여 컬러 깊이 요구에 따라 일정한 깊이의 N 도핑을 진행한다. N 도핑의 깊이는 감지하고자 하는 스펙트럼의 파장에 의해 결정된다. 이러한 N-P-N 복합구조가 형성하는 이중면 이중층 복합 감광 픽셀이 상기 P-N-P 복합구조가 형성하는 이중면 이중층 복합 감광 픽셀보다 우월한 것은 N보다 P의 유동성이 강하기 때문이다.
이중면 다중층 다중 스펙트럼 감광소자의 구현 방법은 하기와 같다.
결정체의 N 또는 P 기저층(도 9~14 참조)을 취하고, 정면 표면을 단일면 이중층 또는 단일층의 방식으로 하나 또는 두 개 감광 픽셀층으로 구성하고, 배면을 단일면 이중층 또는 단일층의 방식으로 하나 또는 두 개의 감광 픽셀층으로 구성한다. 이러한 분포가 부동함에 따라, 한 이중면 다중층 복합 감광 픽셀을 구성하는 복합구조에는 N-P-N, P-N-P, N-P-N-P, P-N-P-N, N-P-N-P-N과 P-N-P-N-P 등 여러 가지 상황이 포함된다.
복합 감광 픽셀을 취득한 후, 만일 빛 전기 신호를 읽으려면 또 리드 회로와 기타 제어 회로를 구비하여야 한다. 리드 회로와 기타 제어 회로의 구성은 피동 픽셀(Passive Pixel)인지 아니면 주동 픽셀(Active Pixel)인지에 의하여 디자인을 진행하는 바, 만일 주동 픽셀을 이용한다면, 도 3의 (a)에 도시된 포토다이오드 외, 또 도 7에 도시된 바와 같은 리드 회로와 많은 도면에 도시되지 않은 표준 시간 순서와 제어 회로가 있다.
적외선을 감지하는 감광 픽셀층에 있어서, 대응되는 위치의 배면, 즉 적외선을 감지하는 감광 픽셀층 저부 표면에 또 게르마늄 또는 규소 게르마늄 결정체층을 성장시켜 적외선 스펙트럼의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 게르마늄 또는 규소 게르마늄 결정체층을 성장시킨 후, 또 알루미늄 재질, 은 재질 또는 기타 재료를 이용하여 제작된 거울면 반사 코팅막을 코딩시켜 흡수되지 않은 적외선 광자를 반사시켜 적외선 감광 픽셀층에 다시 흡수되도록 한다. 반사의 강도는 적외선 감광 픽셀층의 두께와 흡수율에 의하여 결정되고, 기타 픽셀에 대하여 불필요한 간섭이 발생되는 것을 방지한다.
만일 양방향 감광에 이용되고 도 "다중 스펙트럼 감광소자 및 그 제작 방법"(중국 출원번호: 200810217270.2)에 기재된 픽셀 방향 선택 또는 구역 분할 방향 선택 방식을 이용한다면, 정면의 일부 픽셀 또는 픽셀 구역에 빛가림 코팅막을 코팅하고 또 배면의 기타 픽셀 또는 픽셀 구역에 빛가림 코팅막을 코팅한다.
상기 구현 방법에 있어서, 얼마든지 포토게이트(Photo Gate)를 이용하여 포토다이오드(Photo Diode)를 대체하여 포토게이트를 기반으로 하는 단일면 이중층, 이중면 이중층과 이중면 다중층 감광소자를 얻을 수 있다
본 발명의 단일면 이중층, 이중면 이중층 또는 이중면 다중층 감광소자가 중복 컬러 정보를 제공하기 때문에, 많은 원가와 치수가 모두 아주 중요한 응용(예를 들면, 핸드폰)에 있어서, 일부 복합 픽셀은 빈 픽셀을 포함할 수 있으며, 이로써 토화된 혼합 단일면 이중층, 혼합 이중면 이중층과 혼합 이중면 다중층 감광소자를 얻을 수 있다.
본 발명은 CCD의 기술과 공정에 의하여 제작될 수도 있고, 또 CMOS의 기술과 공정에 의하여 제작될 수도 있다. 본 발명이 제공하는 초감도에 의하여, 기본 감광 픽셀은 피동 감광 픽셀(Passive Pixel)의 방식 또는 주동 감광 픽셀(Active Pixel)의 방식에 의하여 읽을 수 있다. 이러한 특징으로 인하여, 본 발명은 종래의 성숙된 반도체 감광칩 제작 기술과 완전히 융합될 수 있고 널리 응용될 수 있다. 본 발명은 감광칩의 성능과 기능을 대폭 증가시킴과 아울러, 양품율이 향상되기 때문에 원가를 낮추거나 적어도 증가시키지 않을 수 있다.
본 발명은 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀을 최적화하여 두 깊이 상에 구비하고 또 단일면 이중층, 이중면 이중층과 이중면 다중층 감광소자의 여러 가지 유형을 형성하는 것을 통하여, 감광칩의 종류를 크게 증가시키고 또 최초로 물리적으로 적외선 감광과 채색 감광의 동일한 칩 상의 중첩과 집적을 구현하였다.
본 발명에서 제공하는 제작 방식과 이 기초상의 자연적이고 약간한 변화를 진행하기만 하면(예를 들면, 필터링 막 추가), 단일면 이중층, 이중면 이중층, 단일면 또는 이중면 다중층의 형식을 통하여 (빈색, 백색), 청색, 황색), (청색, 녹색), (녹색, 적색), (청색, 적색), (청색, 적색+적외색), (청색, 황색+적외색), (빈색, 백색+적외색), (백색+적외색), (청색/녹색/적색/청록색/황색/백색, 적외색) 등 모든 가시광선 또는 가시광선+적외선 중의 직교되는 이중층 또는 다중층 복합 감광 픽셀을 형성할 수 있다.
본 발명은 상기 이중면, 양방향, 이중층과 다중층 등 감광 방식의 응용을 통하여, 단일한 감광소자를 양방향 감광 시스템에 이용하여 시스템 원가를 크게 낮출 수 있고 크기를 작게 할 수 있으며, 시스템 복잡성을 감소시킬 수 있고; 또 일부 동일한 시스템 상에서 다중 스펙트럼 또는 여려 방향(또는 두 방향으로부터의 다중 스펙트럼 신호)의 응용이 가능하도록 하였다. 예를 들면, 현재 환자의 위장계를 검사하는 환약 카메라는 단지 일단에 카메라가 구비된다. 위장계의 어느 위치의 이미지를 취득하기 위하여, 여러 차례의 촬열이 필요하기 때문에 환자에게 큰 고통과 커다란 경제적이 부담을 안겨준다. 그러므로, 단일 회 촬영의 촬영 범위를 넓혀야 하는데, 만일 환약 카메라의 타단에도 카메라를 설치하려면, 종래의 기술에 의하면 반드시 아주 작은 공간 내에 두 세트의 시스템을 설치하여야 하기 때문에, 구현에 커다란 어려움이 있다. 하지만 본 발명을 이용하기만 하면, 단지 타단에 하나의 렌즈를 추가하고 감광칩은 여전히 하나를 이용하기만 하면 되므로, 공간에 대한 요구가 높지 않을 뿐 아니라, 경제적인 원가도 두 세트 시스템의 소모보다 적다. 그리고, 본 발명은 하나의 모니터링 카메라에서 동시에 전화 두 방향의 모니터링이 가능하도록 하며, 많은 전후 두 개의 카메라가 구비된 3G 핸드폰에 있어서, 본 발명을 이용하면 하나의 양방향 카메라로 대체할 수 있고 전자 또는 기계적 스위칭을 통하여 전후 씬의 스위칭을 구현할 수 있다. 일부 고급호텔의 모니터링 시스템에 있어서, 이가 만일 복도 양단의 상황을 모니터링 하려 할 때, 본 발명을 이용하면 더는 두 세트의 모니터링 시스템으로 각각 두 방향을 모니터링 할 필요가 없이, 단지 한 세트의 모니터링 시스템만 있으면 필요한 모니터링을 완성할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 집적 방식은 동일한(CMOS 또는 CCD 반도체) 소자 상에서 채색과 적외색의 동시 감광을 구현하며, 채색 이미지와 적외색 이미지는 공간 위치 상에서 중첩된다. 이러한 신형의 감광소자는 감광소자의 능동적인 범위를 크게 확충시켜 자동차, 보안 등 분야의 고성능 요구를 만족시킬 수 있을 뿐 아니라, 이를 작은 크기의 채색 감광소자, 예를 들면 핸드폰용 카메라에 이용하여도 이미지 품질을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명을 바람직한 구현 방법에 의하여 설명하기는 하였지만, 이는 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 이미지 감광소자(예를 들면, 반도체 칩)에 익숙하고 또 본 명세서를 깊이 이해하면, 여러 가지 변화와 개선을 진행할 수 있는 바, 이러한 변화와 개선이 본 발명의 기본사상에 속하고 간단한 변화라면 여전히 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (22)

  1. 다중 스펙트럼 감광소자에 있어서,
    하나의 기저층을 포함하고, 상기 기저층 상에 복수개의 사전 설정된 패턴에 따라 중복되게 배열되는 복합 감광 픽셀 매크로 유닛이 구비되며, 상기 복합 감광 픽셀 매크로 유닛에는 적어도 하나의 복합 감광 픽셀이 포함되고, 상기 복합 감광 픽셀은 적어도 두 개의 기본 감광 픽셀로 구성되며, 상기 기본 감광 픽셀은 빛의 조사 방향에 따라 각 층이 하나의 분층으로 구비되고 또 일면이 최대로 두 층의 방식으로 기저층의 상단면 또는 저면 또는 상단면과 저면에 분포되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 두 개가 포함되고, 기저층의 상단면 또는 저면에서 두 층으로 나뉘어 구비되어 단일면 이중층 복합 감광 픽셀을 형성하거나, 또는 각각 기저층의 상단면과 저면에 구비되어 이중면 이중층 복합 감광 픽셀을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기저층 중의 복합 감광 픽셀은 단일면 이중층 복합 감광 픽셀인 바, 이로써 상기 다중 스펙트럼 감광소자로 하여금 단일면 이중층 감광소자를 구성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 단일면 이중층 복합 감광 픽셀은 하나의 N 규소 기저층 상에 우선 P 도핑을 진행한 후 다시 P 도핑된 층 상면에 N 도핑을 진행하여 구성된 N-P-N 복합구조에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 단일면 이중층 복합 감광 픽셀은 또 하나의 P 규소 기저층 상에 우선 N 도핑을 진행한 후 다시 N 도핑된 층 상면에 P 도핑을 진행하여 구성된 P-N-P 복합구조에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 기저층 중의 복합 감광 픽셀은 이중면 이중층 복합 감광 픽셀인 바, 이로써 상기 다중 스펙트럼 감광소자로 하여금 이중면 이중층 감광소자를 구성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  7. 제2항 또는 제6항에 있어서,
    상기 이중면 이중층 복합 감광 픽셀은 하나의 N 규소의 기저층의 상단면과 저면에 모두 P 도핑을 진행하여 구성된 P-N-P 복합구조에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  8. 제2항 또는 제6항에 있어서,
    상기 이중면 이중층 복합 감광 픽셀은 하나의 P 규소의 기저층의 상단면과 저면에 모두 N 도핑(N doping)을 진행하여 구성된 N-P-N 복합구조에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 3개 또는 4개가 포함되고, 그 중에서, 두 개는 기저층의 상단면 또는 저면에서 두 층으로 나뉘어 구비되고, 나머지 기본 감광 픽셀은 기저층의 저면 또는 상단면에서 한 층 또는 두 층으로 나뉘어 구비되어 이중면 다중층 복합 감광 픽셀을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기저층 중의 복합 감광 픽셀은 이중면 다중층 복합 감광 픽셀인 바, 이로써 상기 다중 스펙트럼 감광소자로 하여금 이중면 다중층 감광소자를 구성할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 이중면 다중층 복합 감광 픽셀은 하나의 N 규소의 기저층의 상단면과 저면에 모두 P 도핑을 진행하고 또 P 도핑층에 N 도핑을 진행하여 구성된 P-N-P, N-P-N-P, P-N-P-N, N-P-N-P-N의 복합구조에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 이중면 다중층 복합 감광 픽셀은 하나의 규소의 P 기저층의 상단면과 저면에 모두 N 도핑을 진행하고 또 N 도필층에 P 도핑을 진행하여 구성된 N-P-N, N-P-N-P, P-N-P-N 또는 P-N-P-N-P의 복합구조에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    동일한 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 각각 가시광선 또는 가시광선 및 적외선의 두 개씩 직교되는 하나의 스펙트럼 구간을 감지하고, 상기 복합 감광 픽셀 매크로 유닛의 모든 복합 감광 픽셀이 감지한 스펙트럼 정보를 결합시키면 RGB 또는 CMYK 컬러 재구성에 필요한 스펙트럼 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀 중에서 광원과 가장 가까운 기본 감광 픽셀이 감지하는 스펙트럼에는 빈색, 청색, 녹색, 청록색, 백색과 백색+적외색이 포함되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀 중에서 광원과 가장 먼 기본 감광 픽셀이 감지하는 스펙트럼에는 빈색, 녹색, 적색, 황색, 백색, 적색+적외색, 황색+적외색과 백색+적외색이 포함되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀 유닛의 저부층의 적외선을 감지하는 기본 감광 픽셀의 저부 표면에는 또 적외선에 대한 흡수가 더욱 훌륭한 규소 게르마늄 결정체층 또는 게르마늄 결정체층이 자라있는 것을 특징으로,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  17. 제1항 내지 제16항에 있어서,
    상기 적외선을 감지하는 기본 감광 픽셀의 저부 표면에는 거울면 반사 코팅막이 더 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀은 주동적인 방식으로 샘플링을 진행하여 주동 감광 픽셀을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀은 피동적인 방식으로 샘플링을 진행하여 피동 감광 픽셀을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 감광 픽셀 중의 기본 감광 픽셀은 포토다이오드 또는 포토게이트인 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다중 스펙트럼 감광소자의 감광 방식에는 정면 감광, 배면 감광 또는 양방향 감광 방식이 포함되고, 상기 양방향 감광 방식에는 시간 분할 방향 선택 또는 픽셀 방향 선택 방식이 포함되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사전 설정된 패턴에는 복합 픽셀의 중복 배열, 정방형 배열 또는 허니컴 패턴 배열이 포함되는 것을 특징으로 하는,
    다중 스펙트럼 감광소자.
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