KR20130014222A - 3d image sensor and electronic system including the same - Google Patents

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KR20130014222A
KR20130014222A KR1020110076202A KR20110076202A KR20130014222A KR 20130014222 A KR20130014222 A KR 20130014222A KR 1020110076202 A KR1020110076202 A KR 1020110076202A KR 20110076202 A KR20110076202 A KR 20110076202A KR 20130014222 A KR20130014222 A KR 20130014222A
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image sensor
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light
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KR1020110076202A
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박윤동
진영구
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삼성전자주식회사
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Abstract

PURPOSE: A 3D image sensor and an electronic system including the same are provided to improve performance by vertically laminating a color filter and an organic photoconductive conversion layer for sensing depth information. CONSTITUTION: A unit pixel(100) includes a color filter(150) and an infrared sensing part. The color filter selectively absorbs visible light and converts the light into electricity. A readout circuit reads out the image information sensed from a pixel array. An infrared sensing part includes a first electrode(141), a second electrode(142), and an organic photoconductive conversion layer(130). The organic photoconductive conversion layer is formed between the first electrode and the second electrode. The visible light passes through the organic photoconductive conversion layer, and infrared light is selectively absorbed for photoelectric conversion.

Description

3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자시스템{3D IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC SYSTEM INCLUDING THE SAME}3D image sensor and electronic system including the same {3D IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명은 이미지 센서의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 깊이 센서와 컬러 센서를 구현한 3차원 이미지 센서의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 3차원 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an image sensor and an image sensor manufactured by the present invention, and more particularly, to a method of manufacturing a three-dimensional image sensor that implements a depth sensor and a color sensor, and a three-dimensional image sensor manufactured thereby. .

이미지 센서(Image Sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.An image sensor is an element that converts an optical image into an electrical signal. Recently, with the development of the computer industry and the communication industry, the demand for improved image sensors in various fields such as digital cameras, camcorders, PCS (personal communication systems), gaming devices, security cameras, medical micro cameras, robots, etc. is increasing. .

이미지 센서는 복수의 단위 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이와 상기 픽셀 어레이에 센싱된 이미지 정보를 리드아웃하기 위한 리드아웃(read-out) 회로를 포함한다. 단위 픽셀은, 특히, 3차원 이미지를 위한 깊이 픽셀은 고주파수 동작의 제어 라인이 추가되며 컬러 픽셀을 동일 플레인(plane)상에 배치가 어렵다. 또한 동일 플레인상에 컬러 픽셀과 깊이 픽셀을 함께 배치하더라도 각각의 특성을 최적화하기 어려운 문제점이 있다.The image sensor includes a pixel array in which a plurality of unit pixels are arranged, and a read-out circuit for reading out image information sensed by the pixel array. The unit pixel, in particular, the depth pixel for the three-dimensional image is added to the control line of the high frequency operation, it is difficult to place the color pixel on the same plane (plane). In addition, even if the color pixels and depth pixels are arranged on the same plane, there is a problem that it is difficult to optimize each characteristic.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 깊이 센서와 컬러 센서를 하나의 칩에 구현할 수 있는 3차원 이미지 센서 및 그에 의해 제조된 3차원 이미지 센서를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a three-dimensional image sensor capable of implementing a depth sensor and a color sensor on a single chip, and a three-dimensional image sensor manufactured thereby.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 센서는 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터에 수직방향으로 배치되는 적외선 센싱부를 포함하는 복수의 단위 픽셀들로 이루어진 픽셀 어레이; 및 상기 픽셀 어레이에 엑세스 하기 위한 엑세스 회로를 포함하고, 상기 적외선 센싱부는 상기 가시광선 파장 대역의 광을 투과하며 서로 이격되어 마련되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어, 가시광선 파장 대역의 광은 투과하고 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 유기 광전변환막을 포함한다.In order to solve the above technical problem, a three-dimensional image sensor according to an embodiment of the present invention includes a color filter for selectively absorbing light in the visible light wavelength band photoelectric conversion; And a pixel array including a plurality of unit pixels including an infrared sensing unit disposed perpendicular to the color filter. And an access circuit for accessing the pixel array, wherein the infrared sensing unit transmits light in the visible wavelength band and is spaced apart from each other; And an organic photoelectric conversion film formed between the first electrode and the second electrode to transmit light in a visible wavelength band and selectively absorb and absorb light in an infrared wavelength band.

상기 제1 전극은 투명산화물 또는 투명 금속 박막으로 상기 유기 광전변환막 하부에 형성되고, 상기 제2 전극은 상기 투명 산화물로 이루어져 상기 유기 광전 변환막 상부에 형성된다.The first electrode is formed of a transparent oxide or a transparent metal thin film under the organic photoelectric conversion film, and the second electrode is formed of the transparent oxide and formed on the organic photoelectric conversion film.

상기 적외선 센싱부는 상기 제1및 제2전극과 상기 유기 광전변환막 사이에 각각 형성되는 절연층들을 더 포함할 수 있다.The infrared sensing unit may further include insulating layers formed between the first and second electrodes and the organic photoelectric conversion layer, respectively.

상기 컬러 필터는 상기 적외선 센싱부의 상부에 적층하여 배치될 수 있다.The color filters may be stacked on the infrared sensing unit.

또는 상기 컬러 필터는 상기 적외선 센싱부의 하부에 적층하여 배치될 수 있다.Alternatively, the color filters may be stacked below the infrared sensing unit.

상기 유기 광전변환막은 상기 제1전극 상에 형성되는 P형 유기물질층과, 상기 P형 유기물질층 상에 형성되는 N형 유기물질층을 포함하고, 상기 P형 유기물질층과 상기 N형 유기물질층은 PN접합을 이룰 수 있다.The organic photoelectric conversion film includes a P-type organic material layer formed on the first electrode and an N-type organic material layer formed on the P-type organic material layer, wherein the P-type organic material layer and the N-type organic material The material layer may form a PN junction.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 이미지 센서는 단일의 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성되는 포토다이오드 영역; 상기 포토다이오드 영역 위에 형성되는 중간절연층; 상기 중간절연층 내에 형성되는 메탈라인; 상기 중간절연층 위에 형성되는 적외선 센싱부; 및 상기 적외선 센싱부에 수직방향으로 적층되어 형성되며, 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 컬러 필터를 포함한다.In order to solve the above technical problem, a three-dimensional image sensor according to another embodiment of the present invention comprises a single semiconductor substrate; A photodiode region formed on the semiconductor substrate; An intermediate insulating layer formed over the photodiode region; A metal line formed in the intermediate insulating layer; An infrared sensing unit formed on the intermediate insulating layer; And a color filter which is formed by being stacked in the vertical direction in the infrared sensing unit and selectively absorbs light in a visible wavelength band and photoelectrically converts the light.

상기 적외선 센싱부는 투명 산화물로써 서로 이격되어 마련되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어, 가시광선 파장 대역의 광은 투과하고 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 유기 광전변환막을 포함한다.The infrared sensing unit is a transparent oxide, the first and second electrodes provided spaced apart from each other; And an organic photoelectric conversion film formed between the first electrode and the second electrode to transmit light in a visible wavelength band and selectively absorb and absorb light in an infrared wavelength band.

상기 적외선 센싱부는 상기 제1및 제2전극과 상기 유기 광전변환막 사이에 각각 형성되는 절연층들을 더 포함할 수 있다.The infrared sensing unit may further include insulating layers formed between the first and second electrodes and the organic photoelectric conversion layer, respectively.

상기 컬러 필터는 상기 적외선 센싱부의 상부에 적층하여 배치될 수 있다.The color filters may be stacked on the infrared sensing unit.

또는 상기 컬러 필터는 상기 적외선 센싱부의 하부에 적층하여 배치될 수 있다.Alternatively, the color filters may be stacked below the infrared sensing unit.

상기 유기 광전변환막은 상기 제1전극 상에 형성되는 P형 유기물질층과, 상기 P형 유기물질층 상에 형성되는 N형 유기물질층을 포함하고, 상기 P형 유기물질층과 상기 N형 유기물질층은 PN접합을 이룰 수 있다.The organic photoelectric conversion film includes a P-type organic material layer formed on the first electrode and an N-type organic material layer formed on the P-type organic material layer, wherein the P-type organic material layer and the N-type organic material The material layer may form a PN junction.

본 발명의 실시 예에 따른 3차원 이미지 센서 및 그 제조방법, 이를 포함하는 전자시스템은 컬러 필터와 깊이 정보를 센싱하는 유기 광전 변환막을 수직방향으로 적층하여 상기 센서의 면적을 하나의 칩으로 줄임으로써 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, a three-dimensional image sensor, a manufacturing method thereof, and an electronic system including the same include stacking a color filter and an organic photoelectric conversion layer sensing depth information in a vertical direction, thereby reducing the area of the sensor to one chip. This has the effect of improving performance.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2d는 다양한 단위 픽셀의 예를 도시한 상세 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 3차원 이미지 센서에 포함된 단위픽셀의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 3차원 이미지 센서의 다른 일실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다.
도 5는 다른 일 실시예에 의한 도 1에 도시된 3차원 이미지 센서에 포함된 단위픽셀의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 3차원 이미지 센서의 다른 일 실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 3차원 이미지 센서의 또다른 일실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In order to better understand the drawings cited in the detailed description of the invention, a brief description of each drawing is provided.
1 is a block diagram of a three-dimensional image sensor according to an embodiment of the present invention.
2A to 2D are detailed circuit diagrams illustrating examples of various unit pixels.
3 is a cross-sectional view of a unit pixel included in the 3D image sensor shown in FIG. 1.
4 is a cross-sectional view of a unit pixel according to another exemplary embodiment of the 3D image sensor illustrated in FIG. 3.
5 is a cross-sectional view of a unit pixel included in the 3D image sensor shown in FIG. 1 according to another embodiment.
6 is a cross-sectional view of a unit pixel according to another exemplary embodiment of the 3D image sensor illustrated in FIG. 5.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a unit pixel according to another exemplary embodiment of the 3D image sensor illustrated in FIG. 3.
8 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment of the present invention.
9 illustrates an electronic system and interface including a three-dimensional image sensor according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Specific structural and functional descriptions of embodiments of the present invention disclosed herein are illustrated for purposes of illustrating embodiments of the inventive concept only, And can be embodied in various forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The embodiments according to the concept of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first and / or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are intended to distinguish one element from another, for example, without departing from the scope of the invention in accordance with the concepts of the present invention, the first element may be termed the second element, The second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "immediately between," or "neighboring to," and "directly neighboring to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and are not construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined herein. Do not.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 블록도이다.1 is a block diagram of a three-dimensional image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 3차원 이미지 센서(10)는 TOF(time of flight) 원리를 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 3차원 이미지 센서(10)는 반도체 집적회로(20), 광원(32) 및 렌즈 모듈(34)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the 3D image sensor 10 may measure a distance by using a time of flight (TOF) principle. The 3D image sensor 10 includes a semiconductor integrated circuit 20, a light source 32, and a lens module 34.

상기 반도체 집적회로(20)는 복수의 단위 픽셀들(100)이 배열된 픽셀 어레이(40)와 리드아웃(read-out) 회로(50)를 포함하며, 이때 리드아웃 회로(50)는 상기 픽셀 어레이에 센싱된 이미지 정보를 리드아웃하기 위한 것으로, 로우 디코더(24), 광원 드라이버(30), 타이밍 컨트롤러(26), 포토 게이트 컨트롤러(28) 및 로직 회로(36)를 포함한다.The semiconductor integrated circuit 20 includes a pixel array 40 in which a plurality of unit pixels 100 are arranged and a read-out circuit 50, wherein the read-out circuit 50 is the pixel. To read out image information sensed in an array, the row decoder 24 includes a row decoder 24, a light source driver 30, a timing controller 26, a photo gate controller 28, and a logic circuit 36.

픽셀 어레이(40)는 복수의 단위 픽셀들(100)을 포함한다. 설명의 편의를 위하여 단위 픽셀(100)에 대해 이후에 설명하기로 한다.The pixel array 40 includes a plurality of unit pixels 100. For convenience of explanation, the unit pixel 100 will be described later.

로우 디코더(row decoder; 24)는 타이밍 컨트롤러(timing controller; 26)로부터 출력된 로우 어드레스(row address)에 응답하여 복수의 로우들 중에서 어느 하나의 로우를 선택한다. 여기서, 로우(row)란 픽셀 어레이(40)에서 X-방향으로 배치된 복수의 깊이 픽셀들의 집합을 의미한다.The row decoder 24 selects any one of the plurality of rows in response to a row address output from the timing controller 26. Here, the row refers to a set of a plurality of depth pixels arranged in the X-direction in the pixel array 40.

포토 게이트 컨트롤러(Photo Gate Controller; 28)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에 복수의 포토 게이트 컨트롤 신호들을 생성하여 이들을 픽셀 어레이(40)로 공급할 수 있다.The photo gate controller 28 may generate a plurality of photo gate control signals and supply them to the pixel array 40 under the control of the timing controller 26.

광원 드라이버(light source driver; 30)는, 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에, 광원(32)을 드라이빙할 수 있는 클락 신호(MLS)를 생성할 수 있다.The light source driver 30 may generate a clock signal MLS capable of driving the light source 32 under the control of the timing controller 26.

광원(32)은 클락 신호(MLS)에 응답하여 변조된 광신호를 타켓 물체(1)로 방사한다. 광원(32)으로서 LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light-Emitting Diode) 또는 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 변조된 광신호는 정현파 또는 구형파일 수 있다.The light source 32 emits a modulated optical signal to the target object 1 in response to the clock signal MLS. As the light source 32, a light emitting diode (LED), an organic light-emitting diode (OLED), or a laser diode may be used. The modulated optical signal may be a sine wave or a square file.

광원 드라이버(30)는 클락 신호(MLS) 또는 클락 신호(MLS)에 대한 정보를 포토 게이트 컨트롤러(28)로 공급한다.The light source driver 30 supplies the clock signal MLS or the information about the clock signal MLS to the photo gate controller 28.

로직 회로(Logic Circuit, 36)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에, 픽셀 어레이(40)에 구현된 복수의 단위 픽셀들(100)에 의하여 감지된 신호들을 처리하고 처리된 신호들을 프로세서(미도시)로 출력할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 처리된 신호들에 기초하여 거리를 계산할 수 있다. 3차원 이미지 센서(10)가 상기 프로세서를 포함할 때, 3차원 이미지 센서(10)는 거리 측정 장치일 수 있다.The logic circuit 36 processes signals sensed by the plurality of unit pixels 100 implemented in the pixel array 40 under the control of the timing controller 26 and processes the processed signals into a processor (not shown). Can be printed as The processor may calculate a distance based on the processed signals. When the 3D image sensor 10 includes the processor, the 3D image sensor 10 may be a distance measuring device.

실시 예에 따라 3차원 이미지 센서(10)와 상기 프로세서(미도시)는 별개의 칩으로 구현될 수 있다.According to an embodiment, the 3D image sensor 10 and the processor (not shown) may be implemented as separate chips.

실시 예에 따라, 로직 회로(36)는 픽셀 어레이(40)로부터 출력된 감지 신호들을 디지털 신호들로 변환할 수 있는 아날로그-디지털 변환 블록(미도시)을 포함할 수 있다. 로직 회로(36)는 상기 아날로그-디지털 변환 블록으로부터 출력되는 상기 디지털 신호들에 CDS(correlated double sampling)를 수행하기 위한 CDS 블록(미도시)을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the logic circuit 36 may include an analog-to-digital conversion block (not shown) capable of converting sensing signals output from the pixel array 40 into digital signals. The logic circuit 36 may further include a CDS block (not shown) for performing correlated double sampling (CDS) on the digital signals output from the analog-digital conversion block.

다른 실시 예에 따라, 로직 회로(36)는 픽셀 어레이(40)로부터 출력된 감지 신호들에 CDS를 수행하기 위한 CDS 블록, 및 상기 CDS 블록에 의하여 CDS된 신호들을 디지털 신호들로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환 블록을 포함할 수 있다.According to another embodiment, the logic circuit 36 may include a CDS block for performing a CDS on sensing signals output from the pixel array 40, and an analog for converting the signals CDS by the CDS block into digital signals. May comprise a digital conversion block.

또한, 로직 회로(36)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에 상기 아날로그-디지털 변환 블록 또는 상기 CDS 블록의 출력 신호들을 상기 프로세서로 출력하기 위한 컬럼 디코더를 더 포함할 수 있다.In addition, the logic circuit 36 may further include a column decoder for outputting the output signals of the analog-to-digital conversion block or the CDS block to the processor under the control of the timing controller 26.

반사된 광신호들을 렌즈 모듈(34)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된다. The reflected optical signals are incident to the pixel array 40 through the lens module 34.

3차원 이미지 센서(10)는 렌즈 모듈(34)의 주변에 원형으로 배열되는 복수의 광원들을 포함하나, 설명의 편의를 위하여 하나의 광원(32)만을 도시한다.The three-dimensional image sensor 10 includes a plurality of light sources arranged in a circle around the lens module 34, but only one light source 32 is shown for convenience of description.

렌즈 모듈(34)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된 광신호들은 복수의 단위 픽셀들(100)에 의하여 복조될 수 있다. 즉, 렌즈 모듈(34)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된 광신호들은 이미지를 형성할 수 있다.The optical signals incident on the pixel array 40 through the lens module 34 may be demodulated by the plurality of unit pixels 100. That is, the optical signals incident on the pixel array 40 through the lens module 34 may form an image.

도 2a 내지 도 2d는 다양한 단위 픽셀의 예를 도시한 상세 회로도이다.2A to 2D are detailed circuit diagrams illustrating examples of various unit pixels.

도 2a를 참조하면, 단위 픽셀(100a)은 포토다이오드(PD)와, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 센싱 노드 (FD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.Referring to FIG. 2A, the unit pixel 100a includes a photodiode PD, a transfer transistor Tx, a sensing node FD, a reset transistor Rx, a drive transistor Dx, and a select transistor Sx. ).

여기서, 포토다이오드 (PD)는 포토트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Here, the photodiode PD may include at least one of a photo transistor, a photo gate, a pinned photo diode (PPD), and a combination thereof.

도 2a에서는 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터들(Tx, Rx, Dx, 및 Sx)을 구비하는 4T 구조의 단위 픽셀을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 드라이브 트랜지스터(Dx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하는 적어도 3개의 트랜지스터들과 포토다이오드(PD)를 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시 예가 적용될 수 있다. Although FIG. 2A illustrates a unit pixel having a 4T structure including one photodiode PD and four MOS transistors Tx, Rx, Dx, and Sx, an embodiment according to the present invention is not limited thereto. In an embodiment, the present invention may be applied to at least three transistors including the drive transistor Dx and the select transistor Sx and all circuits including the photodiode PD.

단위 픽셀의 다른 실시 예가 도 2b 내지 도 2d에 도시된다. Another embodiment of a unit pixel is shown in FIGS. 2B-2D.

도 2b에 도시된 단위 픽셀(100b)은 3-트랜지스터(3T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다. The unit pixel 100b illustrated in FIG. 2B is a unit pixel having a three-transistor 3T structure, and includes a photodiode PD, a reset transistor Rx, a drive transistor Dx, and a select transistor Sx. do.

도 2c에 도시된 단위 픽셀(100c)은 5-트랜지스터(5T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하며, 이외에 하나의 트랜지스터(Gx)를 더 포함한다.The unit pixel 100c illustrated in FIG. 2C is a unit pixel having a 5-transistor 5T structure and includes a photodiode PD, a reset transistor Rx, a drive transistor Dx, and a select transistor Sx. In addition, it further includes one transistor (Gx).

도 2d에 도시된 단위 픽셀(100d)은 5-트랜지스터 단위 픽셀로서, 포토다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx)와, 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하며, 이외에 한 개의 트랜지스터(Px)를 더 포함한다.The unit pixel 100d illustrated in FIG. 2D is a 5-transistor unit pixel, and includes a photodiode PD, a reset transistor Rx, a drive transistor Dx, and a select transistor Sx. Further includes P transistors.

도 1 내지 도 2d를 참조하면, 3차원 이미지 센서(10)는 광 신호를 전기 신호로 변환하여 출력한다. 타이밍 컨트롤러(26)는 3차원 이미지 센서(10)의 동작 타이밍을 제어한다. 예컨대, 타이밍 컨트롤러(26)는 3차원 이미지 센서(10)의 트랜스퍼게이트(TG) 제어신호를 통해 집광 시간을 제어할 수 있다.1 to 2D, the 3D image sensor 10 converts an optical signal into an electrical signal and outputs the electrical signal. The timing controller 26 controls the operation timing of the three-dimensional image sensor 10. For example, the timing controller 26 may control the condensing time through the transfer gate (TG) control signal of the 3D image sensor 10.

도 3은 도 1에 도시된 3차원 이미지 센서에 포함된 단위픽셀의 단면도이고 도 4는 도 3에 도시된 3차원 이미지 센서의 다른 일실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of a unit pixel included in the 3D image sensor illustrated in FIG. 1, and FIG. 4 is a cross-sectional view of a unit pixel according to another embodiment of the 3D image sensor illustrated in FIG. 3.

도 3을 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이가 형성될 픽셀 영역이 정의된 단일의 반도체 기판(110)을 제공한다. 한편 도시되지는 않았으나 외부 신호와 접속하는 금속 패드가 형성될 영역인 패드 영역이 더 포함된다.Referring to FIG. 3, a single semiconductor substrate 110 in which a pixel region in which an active pixel sensor array is to be formed is defined is provided. Although not shown, a pad region, which is a region where a metal pad to be connected to an external signal, is to be formed, is further included.

반도체 기판(110)은 반도체 기판, SOI(silicon On Insulator) 기판, 갈륨 비소(GaAs) 기판, 실리콘 게르마늄(SiGe) 기판, 세라믹 기판, 석영 기판 또는 디스플레이용 유리 기판 등을 포함한다. 또한 반도체 기판은 주로 P형 기판을 사용하며, 도면에는 도시하지 않았으나, 그 상부에 P형 에피층(epitaxial layer)이 성장된 복층 구조를 사용할 수 있다.The semiconductor substrate 110 may include a semiconductor substrate, a silicon on insulator (SOI) substrate, a gallium arsenide (GaAs) substrate, a silicon germanium (SiGe) substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or a glass substrate for a display. In addition, a semiconductor substrate mainly uses a P-type substrate, and although not shown in the drawing, a multilayer structure in which a P-type epitaxial layer is grown may be used.

픽셀 영역(40)에 형성되는 액티브 픽셀 센서 어레이는 2차원적으로 배열된 다수의 단위 픽셀을 포함하며, 각 단위 픽셀은 도 2a 내지 도 2d의 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 포토 다이오드(117)는 핀드 포토다이오드(Pinned Photo Diode; PPD)를 사용하여 설명하나 이에 제한되지 않음은 물론이다.The active pixel sensor array formed in the pixel region 40 includes a plurality of unit pixels arranged in two dimensions, and each unit pixel may have a structure of FIGS. 2A to 2D. In the embodiment of the present invention, the photodiode 117 is described using a pinned photodiode (PPD), but is not limited thereto.

포토 다이오드(117)는 반도체 기판(110) 내에 형성된다. 포토 다이오드(117)는 각 파장의 입사광에 대응하여 생성된 전하를 축적한다. 즉, 전자는 감지된 광량에 비례하여 발생하고, 트랜스퍼 게이트(TG)가 턴오프(turn-off)일 때는 게이트 장벽에 의해 포토 다이오드(117)에 구속되어 있다가, 트랜스퍼 게이트가 턴온(turn-on)될 때 상기 트랜스퍼 게이트 하단에 생기는 채널영역을 통해 전하 검출부로 전송된다. 포토 다이오드(117)의 최대 불순물 농도는 1x1017 내지 1x1018 원자 /cm3일 수 있다. 다만, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.The photodiode 117 is formed in the semiconductor substrate 110. The photodiode 117 accumulates charges generated corresponding to incident light of each wavelength. That is, electrons are generated in proportion to the amount of light sensed. When the transfer gate TG is turned off, the electrons are constrained to the photodiode 117 by the gate barrier, and the transfer gate is turned on. When turned on, it is transmitted to the charge detector through the channel region formed at the bottom of the transfer gate. The maximum impurity concentration of the photodiode 117 may be 1 × 10 17 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 . However, the concentration and position to be doped may vary depending on the manufacturing process and the design, so that the present invention is not limited thereto.

포토 다이오드(117) 상부에는 반도체 기판(110)의 전면을 덮으며 트랜지스터들이 형성되지 않은 빈 공간을 채우도록 중간 절연막(120)을 형성할 수 있다. 중간 절연막은 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있다.An intermediate insulating layer 120 may be formed on the photodiode 117 to cover the entire surface of the semiconductor substrate 110 and fill an empty space in which the transistors are not formed. The intermediate insulating film may be, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ).

중간 절연막(120) 상부에는 컬러 필터(150)를 형성한다. 컬러 필터(150)는 특정 컬러의 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 전기적 신호로 변환한다. 블루 필터는 블루 영역 파장을, 그린 필터는 그린 영역 파장을, 레드 필터는 레드 영역 파장을 각각 선택적으로 흡수한다. 컬러 필터(150)의 배열은 다양하게 변형될 수 있다.The color filter 150 is formed on the intermediate insulating layer 120. The color filter 150 selectively absorbs light of a wavelength band of a specific color and converts the light into an electrical signal. The blue filter selectively absorbs the blue region wavelength, the green filter the green region wavelength, and the red filter selectively absorbs the red region wavelength. The arrangement of the color filter 150 may be variously modified.

컬러 필터(150) 상부에는 제1전극(142), 유기 광전변환막(131) 및 제2전극(141)을 포함하는 적외선 센싱부가 형성될 수 있다. 컬러필터(150)는 적외선 센싱부의 상부 또는 하부에 수직방향으로 적층되어 구현된다.An infrared sensing unit including the first electrode 142, the organic photoelectric conversion layer 131, and the second electrode 141 may be formed on the color filter 150. The color filter 150 is implemented by being stacked in the vertical direction above or below the infrared sensing unit.

적외선 센싱부는 제1 전극(141), 제2전극(142) 및 유기 광전변환막(130)을 포함한다. 제1 전극(142) 및 제2전극(141)은 컬러 필터(150)와 수직방향으로 적층되어 배치되고, 상기 제1 전극(142) 및 제2 전극(141) 사이에는 유기 광전변환막(130)이 형성된다.The infrared sensing unit includes a first electrode 141, a second electrode 142, and an organic photoelectric conversion layer 130. The first electrode 142 and the second electrode 141 are stacked in a vertical direction with the color filter 150, and the organic photoelectric conversion film 130 is disposed between the first electrode 142 and the second electrode 141. ) Is formed.

제1 및 제2전극(142,141)은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다. 이때, 제1전극(141)의 일함수는 제2전극(142)의 일함수보다 더 큰 값을 갖는다. 제1 전극(142) 및 제2 전극(141)은 ITO, IZO, ZnO, SnO2,ATO(antimony-doped tin oxide), AZO(Al-doped zine oxide), GZO(gallium-doped zinc oxide), TiO2 및 FTO(fluorine-doped tin oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물로 형성되는 투명 산화물 전극일 수 있다. 제1 전극(142)의 경우 Al,Cu,Ti,Au,Pt,Ag 및 Cr로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속으로 형성되는 금속 박막일 수도 있다. 제1전극(142)이 금속으로 형성되는 경우, 투명성을 확보하기 위하여 20nm이하의 두께로 형성될 수 있다.The first and second electrodes 142 and 141 may be formed of a transparent conductive material. In this case, the work function of the first electrode 141 has a larger value than the work function of the second electrode 142. The first electrode 142 and the second electrode 141 are ITO, IZO, ZnO, SnO 2 , antimony-doped tin oxide (ATO), Al-doped zine oxide (AZO), gallium-doped zinc oxide (GZO), It may be a transparent oxide electrode formed of at least one oxide selected from the group consisting of TiO 2 and fluorine-doped tin oxide (FTO). The first electrode 142 may be a metal thin film formed of at least one metal selected from the group consisting of Al, Cu, Ti, Au, Pt, Ag, and Cr. When the first electrode 142 is formed of a metal, it may be formed to a thickness of 20 nm or less in order to secure transparency.

유기 광전변환막(130)은 입사광 중 적외선을 흡수하는 적외선 선택흡수성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 적외선 선택흡수성 물질은 유기안료 등의 유기물질 일 수 있는 바, 예를 들어, 프탈로시아닌계, 나프토퀴논계, 나프탈로시아닌계, 피롤계, 고분자축합아조계, 금속착체유기계색소, 안트라퀴논계, 시아닌계, 및 이들의 혼합물 또는 복합체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 또한 안티몬계 등의 무기물질과 혼합사용할 수도 있으며, 투명성을 확보하기 위해 나노 사이즈의 미세입자를 이용할 수 있다.The organic photoelectric conversion layer 130 may be made of an infrared selective absorbing material that absorbs infrared rays from incident light. The infrared selective absorbing material may be an organic material such as an organic pigment, for example, phthalocyanine-based, naphthoquinone-based, naphthalocyanine-based, pyrrole-based, polymer condensed azo-based, metal complex organic pigment, anthraquinone-based, cyanine System, and mixtures or complexes thereof. In addition, it may be used in combination with an inorganic material such as antimony. In order to ensure transparency, nano-sized fine particles can be used.

그 결과, 단위픽셀(100)이 반사광을 수신하면, 적외선 영역의 빛은 제1 전극(142) 및 제2 전극(141) 간 IR-모듈레이션(modulation)을 통해 유기 광전변환막(130)에서 전기적인 신호로 광전변환되어 메탈라인(106)을 따라 깊이 정보로 센싱된다. 깊이 정보는 상기 흡수된 적외선 파장 대역의 광을 광전변환하는 방법으로 센싱되어, 연결노드(115) 및 제1리드아웃 회로(170)를 통해 3차원 이미지 정보로 출력된다.As a result, when the unit pixel 100 receives the reflected light, the light in the infrared region is electrically charged in the organic photoelectric conversion film 130 through IR-modulation between the first electrode 142 and the second electrode 141. The photoelectric conversion is performed by the conventional signal and sensed as depth information along the metal line 106. Depth information is sensed by photoelectric conversion of light in the absorbed infrared wavelength band, and is output as three-dimensional image information through the connection node 115 and the first lead-out circuit 170.

가시광선 영역의 빛은 상기 제1 및 제2 전극(142,141)과 상기 유기 광전변화막(130)을 통과하여 컬러필터(150)에서 특정 파장 영역의 빛(예를 들어, R,G,B 중 어느 하나)만 투과되어 포토 다이오드(117)에 흡수한다. 컬러 정보는 포토 다이오드(117)에서 상기 흡수된 특정 파장 대역의 광을 광전변환하는 방법으로 센싱되어, 제2리드아웃 회로(172)를 통해 3차원 이미지 정보로 출력된다.Light in the visible region passes through the first and second electrodes 142 and 141 and the organic photoelectric conversion layer 130, and the light of the specific wavelength region of the color filter 150 (for example, among R, G, and B). Only one) is transmitted and absorbed by the photodiode 117. The color information is sensed by photoelectric conversion of the light of the specific wavelength band absorbed by the photodiode 117 and output as 3D image information through the second lead-out circuit 172.

도 4에 도시된, 또다른 일 실시예에 따라, 단위 픽셀(100')은 상기 유기 광전변환막(130)과 제1 및 제2 전극(142,141) 사이에 제1 및 제2 절연층(143,144)을 더 포함할 수 있다.According to another embodiment, shown in FIG. 4, the unit pixel 100 ′ may include first and second insulating layers 143 and 144 between the organic photoelectric conversion layer 130 and the first and second electrodes 142 and 141. ) May be further included.

제1 및 제2 절연층(143,144)은 상기 유기 광전변환막(130)의 외부에서 형성되는 다른 에너지(예를 들어 표면에서 발생하는 전자들에 의한 암전류)의 간섭을 차단하기 위한 것으로 포텐셜 장벽(potential barrier)의 기울기를 상기 유기 광전변환막(130)보다 높게 조절함으로써 형성할 수 있다.The first and second insulating layers 143 and 144 may block interference of other energy (for example, dark current caused by electrons generated at the surface) formed outside the organic photoelectric conversion layer 130. It can be formed by adjusting the slope of the potential barrier higher than the organic photoelectric conversion film 130.

도 5는 다른 일 실시예에 의한 도 1에 도시된 3차원 이미지 센서에 포함된 단위픽셀의 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 3차원 이미지 센서의 또다른 일 실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 3 및 도 4와의 차이점을 위주로 설명한다.FIG. 5 is a cross-sectional view of a unit pixel included in the 3D image sensor shown in FIG. 1 according to another embodiment, and FIG. 6 is a view of the unit pixel according to another embodiment of the 3D image sensor shown in FIG. 5. It is a cross section. For convenience of explanation, the differences from FIGS. 3 and 4 will be mainly described.

도 5에 도시된 단위 픽셀(200)은 도 3 또는 도 4의 단위 픽셀(100,101)과 달리 컬러 필터(152)가 제2전극(141) 상부에 형성된다. In the unit pixel 200 illustrated in FIG. 5, unlike the unit pixels 100 and 101 of FIG. 3 or 4, the color filter 152 is formed on the second electrode 141.

입사광이 들어오면, 먼저 컬러필터(152)가 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 센싱하고, 선택되지 않은 파장 대역의 광은 투과시킨다. 투과된 광 중에서 유기 광전변환막(130)은 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하고, 나머지 파장 대역의 광은 투과시킨다. 깊이 정보는 상기 유기 광전변환막(130)에서 상기 흡수된 적외선 파장 대역의 광을 광전변환하는 방법으로 센싱되어, 연결노드(115) 및 제1리드아웃 회로(170)를 통해 3차원 이미지 정보로 출력된다.When incident light comes in, first, the color filter 152 selectively absorbs and detects light in a visible wavelength band, and transmits light in an unselected wavelength band. Of the transmitted light, the organic photoelectric conversion film 130 selectively absorbs light in the infrared wavelength band, and transmits light in the remaining wavelength band. Depth information is sensed by the method of photoelectric conversion of the light of the infrared wavelength band absorbed by the organic photoelectric conversion film 130, the connection node 115 and the first lead-out circuit 170 through the three-dimensional image information Is output.

상기 컬러 필터(152)에서 선택된 가시광선 영역의 빛은 포토 다이오드(117)에 흡수된다. 컬러 정보는 포토 다이오드(117)에서 상기 흡수된 특정 파장 대역의 광을 광전변환하는 방법으로 센싱되어, 제2리드아웃 회로(172)를 통해 3차원 이미지 정보로 출력된다. Light in the visible light region selected by the color filter 152 is absorbed by the photodiode 117. The color information is sensed by photoelectric conversion of the light of the specific wavelength band absorbed by the photodiode 117 and output as 3D image information through the second lead-out circuit 172.

도 6에 도시된 단위 픽셀(200')은 제1 및 제2전극(142,141)과 유기 광전변환막(130) 사이에 제1 및 제2 절연층(143,144)을 더 포함한 것이다. The unit pixel 200 ′ shown in FIG. 6 further includes first and second insulating layers 143 and 144 between the first and second electrodes 142 and 141 and the organic photoelectric conversion layer 130.

제1 및 제2 절연층(143,144)은 상기 유기 광전변환막(130)의 외부에서 형성되는 다른 에너지(예를 들어 표면에서 발생하는 전자들에 의한 암전류)의 간섭을 차단하기 위한 것으로 포텐셜 장벽(potential barrier)의 기울기를 상기 유기 광전변환막(130)보다 높게 조절함으로써 형성할 수 있다.The first and second insulating layers 143 and 144 may block interference of other energy (for example, dark current caused by electrons generated at the surface) formed outside the organic photoelectric conversion layer 130. It can be formed by adjusting the slope of the potential barrier higher than the organic photoelectric conversion film 130.

한편, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 유기 광전 변환막(130)은 다른 일실시예에 따라, 유기 광전변환막(130)은 PN접합 구조를 갖는 P형 유기물질층과 N형 유기물질층을 포함할 수 있다. P형 유기물질층은 제2전극(141) 하부에 형성되며, N형 유기물질층은 P형 유기물질층 하부에 형성된다.On the other hand, the organic photoelectric conversion film 130 described with reference to FIGS. 4 to 6 according to another embodiment, the organic photoelectric conversion film 130 is a P-type organic material layer and a N-type organic material layer having a PN junction structure It may include. The P type organic material layer is formed under the second electrode 141, and the N type organic material layer is formed under the P type organic material layer.

P형 유기물질층은 정공이 다수의 캐리어가 되는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 소망하는 파장 대역을 흡수할 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않는다. N형 유기물질층은 전자가 다수의 캐리어가 되는 반도체 유기물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어 C60(Fullerence Carbon)을 들 수 있다. 또한, P형 유기물질층과 N형 유기물질층 중 적어도 하나는 적외선 영역의 파장을 선택적으로 흡수하는 물질로 이루어질 수 있다. 즉, PN 접합을 통하여 광전변환이 가능하며 적외선(IR)광을 전류로 변환할 수 있는 것이다.The P-type organic material layer may be made of a semiconductor material in which holes are a plurality of carriers, and is not particularly limited as long as it is a material capable of absorbing a desired wavelength band. The N-type organic material layer may be formed of a semiconductor organic material in which electrons become a plurality of carriers, for example, C 60 (Fullerence Carbon). In addition, at least one of the P-type organic material layer and the N-type organic material layer may be formed of a material that selectively absorbs the wavelength of the infrared region. That is, photoelectric conversion is possible through the PN junction, and infrared (IR) light can be converted into a current.

도 4 내지 도 6에 도시된 유기 광전변환막(130)은 PN접합 내지 PIN접합이 단일층 구조를 가지고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 다층으로 형성하여 흡수하고자 하는 광의 파장대역을 보다 유연하게 넓힐 수도 있다.In the organic photoelectric conversion layer 130 illustrated in FIGS. 4 to 6, the PN junction or the PIN junction has a single layer structure, but is not limited thereto. The wavelength band of light to be absorbed by forming a multilayer may be more flexibly expanded. have.

도 4 내지 도 6의 단위픽셀은 전면수광 이미지 센서(FSI)에 한정되는 것이 아니며, 실시예에 따라 당연히 후면수광 이미지 센서(BSI)에도 적용될 수 있다.The unit pixels of FIGS. 4 to 6 are not limited to the front light receiving image sensor FSI, and may be naturally applied to the back light receiving image sensor BSI according to an embodiment.

도 7은 도 3에 도시된 3차원 이미지 센서의 또다른 일실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view of a unit pixel according to another exemplary embodiment of the 3D image sensor illustrated in FIG. 3.

도 4 내지 도 6의 단위픽셀의 실시예에서 도 7에 도시된 단위픽셀(100")과 같이 설계에 따라 하나의 리드아웃회로(174)로 3차원 이미지를 출력할 수 있으며, 다양한 설계변경이 가능할 수 있다. In the exemplary embodiment of the unit pixel of FIGS. 4 to 6, a three-dimensional image may be output to one readout circuit 174 according to a design, such as the unit pixel 100 ″ illustrated in FIG. 7. It may be possible.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자장치의 블록도이다. 8 is a block diagram of an electronic device according to an embodiment of the present invention.

도 8에 도시된 전자 장치(300)는 디지털 카메라, 디지털 카메라가 내장된 이동 전화기, 또는 디지털 카메라를 포함하는 모든 전자 장치를 포함한다. 전자 장치(300)는 2차원 이미지 정보 또는 3차원 이미지 정보를 처리할 수 있다. 상기 전자 장치(300)는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 이미지 센서(10)를 포함한다.The electronic device 300 illustrated in FIG. 8 includes all electronic devices including a digital camera, a mobile phone with a digital camera, or a digital camera. The electronic device 300 may process 2D image information or 3D image information. The electronic device 300 includes a three-dimensional image sensor 10 according to an embodiment of the present invention.

전자장치(300)는 상기 센서의 동작을 제어하기 위한 이미지 신호 프로세서(320)를 포함할 수 있다.The electronic device 300 may include an image signal processor 320 for controlling the operation of the sensor.

전자장치(300)는 인터페이스(330)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스(330)는 영상 표시 장치일 수 있다. 또한, 인터페이스(330)는 입출력 장치일 수 있다.The electronic device 300 may further include an interface 330. The interface 330 may be an image display device. In addition, the interface 330 may be an input / output device.

따라서, 영상 표시 장치는 이미지 신호 프로세서(320)의 제어 하에 깊이 센서로부터 캡처된 정지 영상 또는 동영상을 저장할 수 있는 메모리 장치(350)를 포함할 수 있다. 메모리 장치(350)는 비휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있다. 상기 비휘발성 메모리 장치는 다수의 비휘발성 메모리 셀들을 포함할 수 있다.Accordingly, the image display device may include a memory device 350 that may store a still image or a moving image captured by the depth sensor under the control of the image signal processor 320. The memory device 350 may be implemented as a nonvolatile memory device. The nonvolatile memory device may include a plurality of nonvolatile memory cells.

상기 비휘발성 메모리 셀들 각각은 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, MRAM(Magnetic RAM), 스핀전달토크 MRAM(Spin-Transfer Torque MRAM), Conductive bridging RAM(CBRAM), FeRAM(Ferroelectric RAM), OUM(Ovonic Unified Memory)라고도 불리는 PRAM(Phase change RAM), 저항 메모리(Resistive RAM: RRAM 또는 ReRAM), 나노튜브 RRAM(Nanotube RRAM), 폴리머 RAM(Polymer RAM: PoRAM), 나노 부유 게이트 메모리(Nano Floating Gate Memory: NFGM), 홀로그래픽 메모리(holographic memory), 분자 전자 메모리 소자(Molecular Electronics Memory Device), 또는 절연 저항 변화 메모리(Insulator Resistance Change Memory)로 구현될 수 있다.Each of the nonvolatile memory cells includes an electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), a flash memory, a magnetic RAM (MRAM), a spin-transfer torque MRAM (CRAM), a conductive bridging RAM (CBRAM), and a ferroelectric RAM (FeRAM). ), Phase Change RAM (PRAM), also known as OUM (Ovonic Unified Memory), Resistive RAM (RRAM or ReRAM), Nanotube RRAM, Polymer RAM (PoRAM), Nano floating gate memory ( Nano Floating Gate Memory (NFGM), holographic memory, holographic memory, Molecular Electronics Memory Device, or Insulator Resistance Change Memory.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다. 9 illustrates an electronic system and interface including a three-dimensional image sensor according to an embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 상기 전자 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP, IPTV 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 9, the electronic system 1000 may be implemented as a data processing device capable of using or supporting a MIPI interface, such as a mobile phone, a PDA, a PMP, an IPTV, or a smart phone.

상기 전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010), 이미지 센서(1040), 및 디스플레이(1050)를 포함한다.The electronic system 1000 includes an application processor 1010, an image sensor 1040, and a display 1050.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 CSI 호스트(1012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface(CSI))를 통하여 이미지 센서(1040)의 CSI 장치(1041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(1012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(1041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다. 이때 이미지 센서(1040)는 깊이 센서를 포함할 수 있다.The CSI host 1012 implemented in the application processor 1010 may serially communicate with the CSI device 1041 of the image sensor 1040 through a camera serial interface (CSI). In this case, for example, an optical deserializer may be implemented in the CSI host 1012, and an optical serializer may be implemented in the CSI device 1041. In this case, the image sensor 1040 may include a depth sensor.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 DSI 호스트(1011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface(DSI))를 통하여 디스플레이(1050)의 DSI 장치(1051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(1011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(1051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.The DSI host 1011 implemented in the application processor 1010 can communicate with the DSI device 1051 of the display 1050 through a display serial interface (DSI). In this case, for example, an optical serializer may be implemented in the DSI host 1011, and an optical deserializer may be implemented in the DSI device 1051.

전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010)와 통신할 수 있는 RF 칩(1060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(1000)의 PHY(1013)와 RF 칩(1060)의 PHY(1061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.The electronic system 1000 may further include an RF chip 1060 that can communicate with the application processor 1010. The PHY 1013 of the electronic system 1000 and the PHY 1061 of the RF chip 1060 may exchange data according to the MIPI DigRF.

전자 시스템(1000)은 GPS(1020), 스토리지(1070), 마이크(1080), DRAM(1085) 및 스피커(1090)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전자 시스템(1000)은 Wimax(1030), WLAN(1100) 및 UWB(1110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.The electronic system 1000 may further include a GPS 1020, a storage 1070, a microphone 1080, a DRAM 1085, and a speaker 1090, wherein the electronic system 1000 includes a Wimax 1030, a WLAN. 1100 and UWB 1110 may be used for communication.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

10 : 3차원 이미지 센서 20 : 반도체 집적회로
24 : Row Decoder 26 : T/C
28 : PG CON
30 : Light Source Driver 32 : 광원
34 : 렌즈 36 : Logic Circuit
40 : Pixel Array 50 : 리드 아웃 회로
100,100',100",200,200': 단위 픽셀
110 : 반도체 기판 115 : 연결노드
117 : 포토다이오드 영역 120 : 중간 절연층
170 : 제1리드아웃회로 172 : 제2리드아웃회로
174 : 제3리드아웃회로
160 : 메탈라인 130 : 유기 광전변환막
141 : 제2 전극 142 : 제1 전극
143 : 제1 절연층 144 : 제2 절연층
150, 152 : 컬러 필터
300 : 전자 장치 320 : ISP
330 : I/F 340 : Bus
350 : Memory
1000 : 전자 시스템
10: 3D image sensor 20: semiconductor integrated circuit
24: Row Decoder 26: T / C
28: PG CON
30: Light Source Driver 32: Light Source
34: Lens 36: Logic Circuit
40: Pixel Array 50: Readout Circuit
100,100 ', 100 ", 200,200': unit pixel
110: semiconductor substrate 115: connection node
117 photodiode region 120 intermediate insulating layer
170: first lead-out circuit 172: second lead-out circuit
174: third lead-out circuit
160: metal line 130: organic photoelectric conversion film
141: second electrode 142: first electrode
143: first insulating layer 144: second insulating layer
150, 152: color filter
300: electronic device 320: ISP
330: I / F 340: Bus
350: Memory
1000: Electronic System

Claims (10)

가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터에 수직방향으로 배치되는 적외선 센싱부를 포함하는 복수의 단위 픽셀들로 이루어진 픽셀 어레이; 및
상기 픽셀 어레이로부터 센싱된 이미지 정보를 리드아웃(read out)하기 위한 리드아웃 회로를 포함하고,
상기 적외선 센싱부는
상기 가시광선 파장 대역의 광을 투과하며 서로 이격되어 마련되는 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어, 가시광선 파장 대역의 광은 투과하고 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 유기 광전변환막을 포함하는 3차원 이미지센서.
A color filter for selectively absorbing light in the visible light wavelength band and photoelectric conversion; And a pixel array including a plurality of unit pixels including an infrared sensing unit disposed perpendicular to the color filter. And
A readout circuit for reading out image information sensed from the pixel array;
The infrared sensing unit
First and second electrodes passing through the visible light wavelength band and spaced apart from each other; And
And an organic photoelectric conversion film formed between the first electrode and the second electrode to transmit light in a visible wavelength band and selectively absorb light in an infrared wavelength band to photoelectrically convert.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 투명산화물 또는 투명 금속 박막으로 상기 유기 광전변환막 하부에 형성되고,
상기 제2 전극은 상기 투명 산화물로 이루어져 상기 유기 광전 변환막 상부에 형성되는 3차원 이미지 센서.
The method of claim 1,
The first electrode is formed under the organic photoelectric conversion film as a transparent oxide or a transparent metal thin film,
The second electrode is formed of the transparent oxide is formed on the organic photoelectric conversion film on the three-dimensional image sensor.
제1항에 있어서, 상기 적외선 센싱부는
상기 제1및 제2전극과 상기 유기 광전변환막 사이에 각각 형성되는 절연층들을 더 포함하는 3차원 이미지 센서.
The method of claim 1, wherein the infrared sensing unit
3D image sensor further comprising insulating layers formed between the first and second electrodes and the organic photoelectric conversion film.
제1항에 있어서, 상기 컬러 필터는
상기 적외선 센싱부의 상부에 적층하여 배치되는 3차원 이미지센서.
The method of claim 1, wherein the color filter
3D image sensor is stacked on top of the infrared sensing unit.
제1항에 있어서, 상기 컬러 필터는
상기 적외선 센싱부의 하부에 적층하여 배치되는 3차원 이미지센서.
The method of claim 1, wherein the color filter
3D image sensor is stacked on the lower portion of the infrared sensing unit.
제1항에 있어서, 상기 유기 광전변환막은
상기 제1전극 상에 형성되는 P형 유기물질층과, 상기 P형 유기물질층 상에 형성되는 N형 유기물질층을 포함하고, 상기 P형 유기물질층과 상기 N형 유기물질층은 PN접합을 이루는 3차원 이미지 센서.
The method of claim 1, wherein the organic photoelectric conversion film
A P-type organic material layer formed on the first electrode and an N-type organic material layer formed on the P-type organic material layer, wherein the P-type organic material layer and the N-type organic material layer are PN junctions. Three-dimensional image sensor.
제6항에 있어서, 상기 유기 광전변환막은
상기 P형 유기물질층과 상기 N형 유기물질층 중 적어도 하나가 적외선 영역의 파장을 선택적으로 흡수하는 물질로 이루어진 3차원 이미지 센서.
The method of claim 6, wherein the organic photoelectric conversion film
At least one of the P-type organic material layer and the N-type organic material layer is a three-dimensional image sensor made of a material that selectively absorbs the wavelength of the infrared region.
제1항의 3차원 이미지 센서를 포함하는 전자시스템.An electronic system comprising the three-dimensional image sensor of claim 1. 단일의 반도체 기판;
상기 반도체 기판에 형성되는 포토다이오드 영역;
상기 포토다이오드 영역 위에 형성되는 중간절연층;
상기 중간절연층 내에 형성되는 메탈라인;
상기 중간절연층 위에 형성되는 적외선 센싱부; 및
상기 적외선 센싱부에 수직방향으로 적층되어 형성되며, 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 컬러 필터를 포함하며,
상기 적외선 센싱부는
투명 산화물로써 서로 이격되어 마련되는 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 형성되어, 가시광선 파장 대역의 광은 투과하고 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 유기 광전변환막을 포함하는 3차원 이미지 센서.
A single semiconductor substrate;
A photodiode region formed on the semiconductor substrate;
An intermediate insulating layer formed over the photodiode region;
A metal line formed in the intermediate insulating layer;
An infrared sensing unit formed on the intermediate insulating layer; And
It is formed by stacking in the vertical direction in the infrared sensing unit, and includes a color filter for selectively absorbing the light of the visible wavelength range photoelectric conversion,
The infrared sensing unit
First and second electrodes spaced apart from each other as transparent oxides; And
And an organic photoelectric conversion film formed between the first electrode and the second electrode to transmit light in the visible wavelength band and selectively absorb and absorb light in the infrared wavelength band.
제9항에 있어서, 상기 적외선 센싱부는
상기 제1및 제2전극과 상기 유기 광전변환막 사이에 각각 형성되는 절연층들을 더 포함하는 3차원 이미지 센서.
The method of claim 9, wherein the infrared sensing unit
3D image sensor further comprising insulating layers formed between the first and second electrodes and the organic photoelectric conversion film.
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