KR20130070892A - 광 검출기 소자 - Google Patents
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Abstract
광 검출기 소자를 제공한다. 이 광 검출기 소자는 하부 및 상부 캐리어 운반층들 사이에 개재된 광전 변환층; 및 상부 캐리어 운반층 상에 배치된 공통 전극을 포함하되, 광전 변환층은 실리콘 나노 결정(Silicon Nanocrystals)을 함유하는 복수개의 광 흡수층들을 포함하고, 실리콘 나노 결정의 크기는 공통 전극에 가까울수록 순차적으로 증가된다.
Description
본 발명은 광 검출기 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광 효율을 향상시킬 수 있는 광 검출기 소자에 관한 것이다.
광 검출기 소자는 광학적 신호를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 그 예로 이미지 센서 등이 있다. 광 검출기 소자 중 하나인 CMOS 이미지 센서는 생산단가 및 소비전력이 낮고, 동일한 칩 상에 주변회로를 집적하기 쉬우며, 처리속도가 빠르다는 장점이 있어 활발한 기술 개발이 진행중이다.
CMOS 이미지 센서는 실리콘 p-n 접합 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 광을 검출하며, CMOS 이미지 센서의 영상 분해능 및 고화질의 영상을 얻기 위하여 단위 화소, 즉 실리콘 p-n 포토다이오드 단위 픽셀 크기를 작게 하여 고집적 픽셀 구조를 제조하기 위한 기술 개발이 이루어지고 있다.
그러나, CMOS 이미지 센서를 이용하여 피상체를 이미지화 하기 위해서는 광학 렌즈와 같은 광학 시스템을 이용하여야 하기 때문에, 광학 렌즈의 크기에 따라서 이미지 센서의 크기는 제한된 면적 내에 집적될 수 밖에 없는 한계가 존재하며, 실리콘 p-n 포토다이오드의 단위 픽셀 크기가 너무 작아지면 외부로부터 들어오는 광 흡수량이 적어 광전 변환에 의한 광 전류값이 임계값 이상이 되지 않아 이미지를 검출할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 상기한 문제점들을 극복하기 위하여, 광 흡수 효율을 증가시키고 흡수된 광의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 구조가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 광 검출기 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 광 검출기 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 소자는 하부 및 상부 캐리어 운반층들 사이에 개재된 광전 변환층; 및 상기 상부 캐리어 운반층 상에 배치된 공통 전극을 포함하되, 상기 광전 변환층은 실리콘 나노 결정(Silicon Nanocrystals)을 함유하는 복수개의 광 흡수층들을 포함하고, 상기 복수개의 광 흡수층들 간의 상기 실리콘 나노 결정의 크기는 서로 다를 수 있다.
상기 광 흡수층들은 상기 공통 전극에 가까울수록 순차적으로 증가된 크기를 갖는 실리콘 나노 결정을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환층은 실리콘 나노 결정을 함유하는 실리콘 질화막(SiNx)을 포함할 수 있다.
상기 상부 캐리어 운반층 및 상기 공통 전극 사이에 개재된 금속 입자층을 더 포함하되, 상기 금속 입자층은 나노미터 오더의 크기를 갖는 금속 입자들을 포함할 수 있다. 상기 금속 입자층은 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 금속 입자들을 포함할 수 있다.
상기 하부 캐리어 운반층은 제1 도전형으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있고, 상기 상부 캐리어 운반층은 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 상부 캐리어 운반층은 실리콘 카바이드계 물질을 포함할 수 있다.
상기 공통 전극은 ITO(Indium tin oxide) 전극 또는 SnO2, In2O3, Cd2SnO4, ZnO 등의 물질을 포함할 수 있다. 상기 투명 전극 상에 배치된 상부 전극 및 상기 하부 캐리어 운반층 아래에 배치된 하부 전극을 더 포함하되, 상기 상부 및 하부 전극들은 니켈(Ni) 또는 금(Au)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기 소자는 하부 캐리어 운반층 상에 차례로 배치된 제1 내지 제3 광전 변환층들; 및 상기 제3 광전 변환층들 상에 배치된 상부 캐리어 운반층을 포함하되, 상기 제1 광전 변환층은 제1 크기를 갖는 제1 나노 결정을 포함하고, 상기 제2 광전 변환층은 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기를 갖는 제2 나노 결정을 포함하고, 상기 제3 광전 변환층은 상기 제2 크기보다 작은 제3 크기를 갖는 제3 나노 결정을 포함할 수 있다.
상기 광 검출기 소자는 상기 상부 캐리어 운반층의 상부면으로부터 광이 입사될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광전 변환층들은 실리콘 질화막일 수 있으며, 상기 제1 내지 제3 나노 결정들은 실리콘 나노 결정일 수 있다.
본 발명에 따른 광 검출기 소자는 다중층의 광 흡수층들을 갖는 광전 변환층을 제공한다. 상기 광전 변환층은 외부에서 입사된 광이 먼저 도달하는 층부터 순서대로 나노 결정의 크기가 점점 작아지도록 광 흡수층들을 배치함으로써, 작은 에너지를 갖는 광부터 큰 에너지를 갖는 광까지 순차적으로 광을 흡수할 수 있어, 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 광 검출기 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 광 검출기 소자는 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로 배치된 광전 변환층을 제공한다. 상기 광전 변환층에 포함된 실리콘 나노 결정은 양자화되어, 이미지 센서로 흡수된 광의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 광전 변환층은 실리콘 질화막으로 배치됨으로써, 일반적인 실리콘 산화막보다 작은 밴드갭을 가져 상기 광전 변환층으로부터 생성된 전자와 정공들의 이동이 용이하고, 실리콘 질화막과 실리콘 나노 결정 사이의 계면에 결함이 적어 고효율의 이미지 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 광 검출기 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 광 검출기 소자의 광 흡수 경로를 설명하기 위해 도 1의 A 부분을 확대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 소자의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 3의 광 검출기 소자의 광 흡수 경로를 설명하기 위해 도 3의 B 부분을 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 광 검출기 소자의 광 흡수 경로를 설명하기 위해 도 1의 A 부분을 확대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 소자의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 3의 광 검출기 소자의 광 흡수 경로를 설명하기 위해 도 3의 B 부분을 확대한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막을 다른 영역 또는 막과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1막질로 언급된 막질이 다른 실시예에서는 제2막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다.
도 1은 일반적인 광 검출기 소자를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 광 검출기 소자의 광 흡수 경로를 설명하기 위해 도 1의 A 부분을 확대한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 광 검출기 소자는 하부 캐리어 운반층(10) 상에 광전 변환층(20), 상부 캐리어 운반층(30) 및 공통 전극(40)이 배치된다. 상기 공통 전극(40) 상에 상부 전극(50) 및 상기 하부 캐리어 운반층(10) 아래에 하부 전극(60)이 더 배치될 수 있다.
상기 광전 변환층(20)은 상기 광 검출기 소자의 외부로부터 입사된 광의 전자 및 정공을 생성하는 기능을 할 수 있다. 상기 광전 변환층(20)에서 생성된 전자 및 정공은 다시 상기 하부 및 상부 캐리어 운반층들(100, 120)을 통해 이동하여 전류의 흐름이 생성될 수 있다. 즉, 상기 광전변환층(110)으로부터 생성된 전자 및 정공들은 상기 상, 하부 캐리어 운반층들(100, 120)을 지나 상기 상부 및 하부 전극들(140, 150)을 통해 전기적 신호로 변환되어, 이를 검출하는 광 검출기의 기능을 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 광전 변환층(20)은 나노 결정(25)을 포함한 물질로 제공될 수 있다. 상기 광전 변환층(20)이 상기 나노 결정(25)을 포함함으로써, 상기 광전 변환층(20)에서 전자 및 정공이 생성되는 효율을 증가시킬 수 있다.
그러나, 일반적인 광전 변환층(20)은 단일층으로 형성되며, 그에 따라 상기 광전 변환층(20) 내에 형성된 상기 나노 결정(25)은 일정한 크기를 갖고 배치된다. 이 경우, 상기 광 검출기의 외부로부터 입사된 광은 상기 나노 결정(25)의 크기에 의해 결정되는 특정한 파장을 갖는 광만이 상기 광전 변환층(20) 내에 흡수되고, 다른 파장을 갖는 광은 상기 광전 변환층(20)을 투과하거나, 상기 광전 변환층(20)에서 반사되어 외부로 방출된다. 그 결과, 상기 광전 변환층(20)의 광 흡수 효율 및 광전 변환 효율이 높지 않은 문제점이 있다.
이에 본 발명은 광전 변환층의 광 흡수 효율 및 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 광 검출기 소자를 제공하며, 이를 이하에서 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기 소자의 구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 도 3의 광 검출기 소자의 광 흡수 경로를 설명하기 위해 도 3의 B 부분을 확대한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 하부 캐리어 운반층(100) 상에 광전 변환층(200)이 배치된다. 상기 하부 캐리어 운반층(100)은 반도체 기판, 예를 들어 실리콘(Si) 기판일 수 있다. 상기 하부 캐리어 운반층(100)은 제1 도전형으로 도핑된 기판일 수 있으며, 일례로 p형으로 도핑된 기판일 수 있다.
상기 광전 변환층(200)은 실리콘 질화막(SiNx)을 포함할 수 있다. 상기 광전 변환층(200)은 실리콘 나노 결정들(Silicon Nanocrystals, Si-NCs)을 더 포함할 수 있다. 상기 실리콘 나노 결정들은 상기 실리콘 실화막 내에 함유될 수 있다. 상기 광전 변환층(200)의 두께는 대략 1nm 이상으로 배치될 수 있다. 일례로, 상기 실리콘 나노 결정의 크기는 대략 1 nm 내지 10 nm일 수 있다. 상기 실리콘 나노 결정의 형태는 구형, 정사면체(tetrahedron), 원통형, 막대형(rod), 삼각형, 원판형(disk), 트리포드(tripod), 테트라포드(tetrapod), 큐브(cube), 박스(box), 스타(star), 튜브(tube) 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
상기 광전 변환층(200)은 다중층(multi-layer)으로 배치될 수 있다. 일례로, 상기 광전 변환층(200)은 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 상기 하부 캐리어 운반층(100) 상에 차례로 적층되어 배치될 수 있다. 상기 하부 캐리어 운반층(100) 상에 상기 제1 광흡수층(210)이 배치되고, 상기 제1 광흡수층(210) 상에 상기 제2 광흡수층(220)이 배치되고, 상기 제2 광흡수층(220) 상에 상기 제3 광흡수층(230)이 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 각각 실리콘 나노 결정들을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230) 내의 상기 실리콘 나노 결정들은 서로 다른 크기를 갖고 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230) 내의 상기 실리콘 나노 결정들은 순차적으로 다른 크기를 갖도록 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 상기 하부 캐리어 운반층(100)과 가까울수록 작은 크기의 나노 결정을 가질 수 있다. 일례로, 상기 제2 광흡수층(220)의 나노 결정의 크기는 상기 제3 광흡수층(230)의 나노 결정의 크기보다 작고, 상기 제1 광흡수층(210)의 나노 결정의 크기는 상기 제2 광흡수층(220)의 나노 결정의 크기보다 작을 수 있다.
상기 광전 변환층(200)은 증착 공정, 예를 들어 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 형성될 수 있다. 상기 광전 변환층(200)은 이미지 센서에 입사된 광의 전자 및 정공을 생성하는 기능을 할 수 있다.
상기 광전 변환층(200)이 실리콘 나노 결정을 포함함으로써, 화합물 반도체의 밴드 구조와 같은 직접 천이형 밴드 구조를 가지게 되어, 에너지 준위가 양자화될 수 있다. 이로써 상기 광전 변환층(200)의 에너지 준위 밀도가 증가할 수 있으며, 결과적으로 고효율의 이미지 센서를 제공할 수 있다.
상기 광전 변환층(200) 상에 상부 캐리어 운반층(120)이 배치될 수 있다. 상기 상부 캐리어 운반층(120)은 반도체 물질을 포함할 수 있으며, 일례로 실리콘 카바이드계 물질(SiC, SiCN)을 포함할 수 있다. 상기 상부 캐리어 운반층(120)은 상기 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형으로 도핑될 수 있으며, 일례로 n형으로 도핑될 수 있다. 상기 상부 캐리어 운반층(120)의 두께는 대략 1 nm 이상으로 배치될 수 있다.
상기 상부 캐리어 운반층(120) 상에 공통 전극(130)이 배치될 수 있다. 상기 공통 전극(130)은 ITO(Indium tin oxide) 전극 또는 SnO2, In2O3, Cd2SnO4, ZnO 등의 물질을 포함하는 전도성 전극일 수 있다. 상기 공통 전극(130)의 두께는 대략 1 nm 이상으로 배치될 수 있다.
상기 공통 전극(130) 상에 상부 전극(140) 및 상기 하부 캐리어 운반층(100) 아래에 하부 전극(150)이 더 배치될 수 있다. 상기 상부 및 하부 전극들(140, 150)은 도전성 물질일 수 있으며, 일례로 니켈(Ni), 금(Au) 등의 금속 물질을 포함할 수 있다.
이로써, 상기 하부 캐리어 운반층(100), 상기 광전 변환층(200), 상기 상부 캐리어 운반층(120), 상기 공통 전극(130) 및 상기 상부 및 하부 전극들(140, 150)을 포함하는 광 검출기 소자가 제공될 수 있다.
본 실시예에 따른 광 검출기 소자는 상기 광전 변환층(200)이 다중층으로 배치되어, 상기 광전 변환층(200)으로의 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다. 이를 이하에서 구체적으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 상기 광전 변환층(도 3의 200)은 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)을 포함한다. 상기 제1 광흡수층(210)은 제1 나노 결정(215)을 함유하고, 상기 제2 광흡수층(220)은 제2 나노 결정(225)을 함유하고, 상기 제3 광흡수층(230)은 제3 나노 결정(235)을 함유한다.
상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 순차적으로 다른 크기를 갖는 나노 결정을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제1 나노 결정(215)의 크기가 가장 작고, 상기 제3 나노 결정(235)의 크기가 가장 크도록 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 상부로 올라갈수록 순차적으로 나노 결정의 크기가 커지도록 배치된 광전 변환층을 설명하지만, 광 검출기 소자의 투명 전극이 하부면에 배치되는 경우에는 아래쪽으로 내려갈수록 나노 결정의 크기가 순차적으로 커지도록 배치될 수도 있으며, 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 외부에서 광이 입사되는 면의 나노 결정이 가장 크고, 그 반대면으로 갈수록 나노 결정이 작아지도록 배치된다.
일례로, 상기 광 검출기 소자의 상부면으로부터 서로 다른 파장을 갖는 제1 내지 제3 광들(λ1, λ2, λ3)이 입사될 수 있다. 상기 제1 광(λ1)의 파장이 가장 길고, 상기 제3 광(λ3)의 파장이 가장 짧을 수 있으며, 즉 상기 제1 광(λ1)의 에너지가 가장 작고, 상기 제3 광(λ3)의 에너지가 가장 클 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광들(λ1, λ2, λ3)이 상기 제3 광흡수층(230)에 도달하면, 상기 제3 광흡수층(230) 내의 상기 제3 나노 결정(235)의 크기에 따라 결정되는 특정한 파장의 광이 흡수될 수 있다. 상기 제3 나노 결정(235)의 크기는 상기 제1 및 제2 나노 결정들(215, 225)에 비해 가장 크도록 배치됨에 따라, 가장 작은 에너지를 갖는 상기 제1 광(λ1)이 상기 제3 광흡수층(230) 내에 흡수될 수 있으며, 더 큰 에너지를 가지는 상기 제2 및 제3 광들(λ2, λ3)은 상기 제3 광흡수층(230)에 흡수되거나 또는 반사되지 않고, 상기 제3 광흡수층(230)을 투과한다.
상기 제2 및 제3 광들(λ2, λ3)이 상기 제2 광흡수층(220)에 도달하면, 상기 제2 광흡수층(220) 내의 상기 제2 나노 결정(225)의 크기에 따라 결정되는 특정한 파장의 광이 흡수될 수 있다. 상기 제2 나노 결정(225)의 크기는 상기 제1 나노 결정(215)에 비해 가장 크도록 배치됨에 따라, 상기 제3 광(λ3)보다 작은 에너지를 갖는 상기 제2 광(λ2)이 상기 제2 광흡수층(220) 내에 흡수될 수 있으며, 더 큰 에너지를 가지는 상기 제3 광(λ3)은 상기 제2 광흡수층(220)에 흡수되거나 또는 반사되지 않고, 상기 제2 광흡수층(220)을 투과한다.
상기 제3 광(λ3)이 상기 제1 광흡수층(210)에 도달하면, 상기 제1 광흡수층(210) 내의 상기 제1 나노 결정(215)의 크기에 따라 결정되는 특정한 파장의 광이 흡수될 수 있다. 상기 제1 나노 결정(215)의 크기는 상기 제2 나노 결정(225)에 비해 작게 배치됨에 따라, 상기 제2 광(λ2)보다 큰 에너지를 갖는 상기 제3 광(λ3)이 상기 제1 광흡수층(210) 내에 흡수될 수 있다.
본 발명에 따라 제공되는 다중층의 상기 광전 변환층(200)은 외부에서 입사된 광이 먼저 도달하는 순서대로 나노 결정의 크기가 점점 작아지도록 광 흡수층들을 배치함으로써, 작은 에너지를 갖는 광은 흡수하고 큰 에너지를 갖는 광은 투과시킬 수 있다. 이로써, 작은 에너지를 갖는 광부터 큰 에너지를 갖는 광까지 순차적으로 상기 광전 변환층(200)에 흡수될 수 있어, 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 광전 변환층(200)이 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 질화막으로 제공됨에 따라, 상기 광전 변환층(200)은 실리콘 질화막을 성장시킴과 동시에 상기 실리콘 질화막 내에 실리콘 나노 결정을 형성할 수 있어, 실리콘 산화막으로 제공되는 경우처럼 고온의 열처리 공정이 필요하지 않아 제조 공정을 단순화할 수 있다. 상기 실리콘 질화막은 실리콘 산화막보다 작은 밴드갭을 가짐으로써, 상기 광전 변환층(200)으로부터 생성된 전자와 정공들이 상기 상부 및 하부 캐리어 운반층들(100, 120)으로의 이동이 용이하고, 상기 실리콘 질화막과 실리콘 나노 결정 사이의 계면에 결함이 적어 상기 광전 변환층(200)에서 생성된 전자 및 정공들의 손실이 작아, 광 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 검출기 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도 3에 설명한 바와 같이, 하부 캐리어 운반층(100) 상에 광전 변환층(200), 상부 캐리어 운반층(120), 및 공통 전극(130)이 차례로 배치될 수 있다.
상기 광전 변환층(200)은 다중층(multi-layer)으로 배치될 수 있다. 일례로, 상기 광전 변환층(200)은 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 상기 하부 캐리어 운반층(100) 상에 차례로 적층되어 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 각각 서로 다른 크기를 갖는 실리콘 나노 결정들을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(210, 220, 230)은 상기 하부 캐리어 운반층(100)과 가까울수록 작은 크기의 나노 결정을 가질 수 있다. 일례로, 상기 제2 광흡수층(220)의 나노 결정의 크기는 상기 제3 광흡수층(230)의 나노 결정의 크기보다 작고, 상기 제1 광흡수층(210)의 나노 결정의 크기는 상기 제2 광흡수층(220)의 나노 결정의 크기보다 작을 수 있다.
상기 상부 캐리어 운반층(120) 및 상기 공통 전극(130) 사이에 금속 입자층(250)이 배치될 수 있다. 상기 금속 입자층(250)은 금(Au), 은(Ag), 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 금속 입자들(255)를 포함할 수 있다. 상기 금속 입자층(250) 내의 상기 금속 입자들(255)의 크기는 나노미터 오더를 가질 수 있으며, 일례로 대략 1 nm 내지 1000 nm일 수 있다. 상기 금속 입자들(255)은 원, 타원, 또는 막대 모양 등의 다양한 형태를 가지고 배치될 수 있다. 상기 금속 나노 입자층(250)은 물리적, 화학적 증착 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 금속 입자층(250)의 두께, 상기 금속 입자들(255)의 종류 및 모양에 따라 광 흡수량은 조절될 수 있다.
상기 공통 전극(130) 상에 상부 전극(140) 및 상기 하부 캐리어 운반층(100) 아래에 하부 전극(150)이 더 배치될 수 있다. 상기 상부 및 하부 전극들(140, 150)은 도전성 물질일 수 있으며, 일례로 니켈(Ni), 금(Au) 등의 금속 물질을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 광 검출기 소자는 외부로부터 광이 입사하면, 상기 공통 전극(130)을 투과하여 상기 금속 입자층(250)에 도달한다. 상기 공통 전극(130) 및 상기 상부 캐리어 운반층(120) 사이에 개재된 상기 금속 입자층(250)에 도달한 상기 광은 상기 금속 입자들(255)에 의해 산란, 회절 및/또는 표면 플라즈몬(plasmon) 현상이 발생할 수 있다. 이에 따라 상기 광은 상기 광 검출기 소자의 외부로 반사되지 않고, 상기 광 검출기 소자 내부로 입사되어 상기 광전 변환층(200)으로 도달하는 빈도가 증가될 수 있다. 이로써 상기 광 검출기 소자의 광 흡수 효율이 더욱 증가될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 반도체 기판(300) 상에 절연층(310)이 배치될 수 있으며, 상기 절연층(310)의 내부에는 전하 이송 수단이 형성될 수 있다. 상기 절연층(310)의 상부에는 각각의 단위 화소별로 화소 전극들(320)이 배치될 수 있다. 상기 화소 전극들(320)은 각각의 단위 화소별로 전기적으로 격리되어 배치될 수 있으며, 전도성이 있는 물질을 포함할 수 있다.
상기 화소 전극들(320) 상에는 각각의 단위 화소별 R, G, B 파장 영역의 빛을 흡수하여 전기적 신호로 변환시키는 광전 변환층들(400R, 400G, 400B)이 배치될 수 있다. 상기 광전 변환층들(400R, 400G, 400B)은 도 3 및 도 5에 설명한 바와 같이, 다중층(multi-layer)으로 배치될 수 있다. 일례로, 상기 광전 변환층들(400R, 400G, 400B)은 제1 내지 제3 광흡수층들(410, 420, 430)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(410, 420, 430)은 상기 화소 전극들(320) 상에 차례로 적층되어 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광흡수층들(410, 420, 430)은 각각 서로 다른 크기를 갖는 실리콘 나노 결정들을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제3 광흡수층들(410, 420, 430)은 상기 화소 전극들(320)과 가까울수록 작은 크기의 나노 결정을 가질 수 있다. 일례로, 상기 제2 광흡수층(420)의 나노 결정의 크기는 상기 제3 광흡수층(430)의 나노 결정의 크기보다 작고, 상기 제1 광흡수층(410)의 나노 결정의 크기는 상기 제2 광흡수층(420)의 나노 결정의 크기보다 작을 수 있다.
상기 각각의 광전 변환층들(400R, 400G, 400B) 상에는 이에 대응하는 R, G, B형 필터층들(340R, 340G, 340B)이 배치될 수 있다. 상기 필터층들(340R, 340G, 340B) 상에는 상기 화소 전극들(320)에 대응하는 공통 전극(350)이 배치될 수 있다. 상기 투명한 공통 전극(350)의 재료로는 SnO2, TiO2, InO2, ITO 등을 사용할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 공통 전극(350)은 일반적인 코팅 방법, 예를 들어 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등의 방법을 이용하거나 또는 전기 영동법을 이용하여 코팅될 수 있다. 상기 공통 전극(350)은 접지되어, 상기 광전 변환층들(400R, 400G, 400B)의 표면 전위를 고정하는 역할을 할 수 있다. 상기 공통 전극(350) 상에는 보호막(360)이 더 배치될 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 다중층의 상기 광전 변환층은 외부에서 입사된 광이 먼저 도달하는 층부터 순서대로 나노 결정의 크기가 점점 작아지도록 광 흡수층들을 배치함으로써, 작은 에너지를 갖는 광부터 큰 에너지를 갖는 광까지 순차적으로 광을 흡수할 수 있어, 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 광 검출기 소자를 제공한다.
본 실시예들에서는 3개의 광 흡수층들을 갖는 광전 변환층을 도시하고 이를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 2개 이상의 복수개의 광 흡수층들을 갖는 광전 변환층을 포함하는 광 검출기 소자를 모두 포함한다.
Claims (14)
- 하부 및 상부 캐리어 운반층들 사이에 개재된 광전 변환층; 및
상기 상부 캐리어 운반층 상에 배치된 공통 전극을 포함하되,
상기 광전 변환층은 실리콘 나노 결정들(Silicon Nanocrystals)을 함유하는 복수개의 광 흡수층들을 포함하고, 상기 복수개의 광 흡수층들의 상기 실리콘 나노 결정들의 크기는 서로 다른 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 나노 결정의 크기는 상기 공통 전극에 가까울수록 순차적으로 증가되는 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광전 변환층은 상기 실리콘 나노 결정들을 함유하는 실리콘 질화막(SiNx)을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 캐리어 운반층 및 상기 공통 전극 사이에 개재된 금속 입자층을 더 포함하되,
상기 금속 입자층은 나노미터 오더의 크기를 갖는 금속 입자들을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 4 항에 있어서,
상기 금속 입자층은 금(Au), 은(Ag) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 금속 입자들을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하부 캐리어 운반층은 제1 도전형으로 도핑된 반도체 물질을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 캐리어 운반층은 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형으로 도핑된 반도체 물질을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 상부 캐리어 운반층은 실리콘 카바이드계 물질을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 공통 전극은 ITO(Indium tin oxide) 전극 또는 SnO2, In2O3, Cd2SnO4, ZnO 등의 물질을 포함하는 전도성 전극인 광 검출기 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 투명 전극 상에 배치된 상부 전극 및 상기 하부 캐리어 운반층 아래에 배치된 하부 전극을 더 포함하되,
상기 상부 및 하부 전극들은 니켈(Ni) 또는 금(Au)을 포함하는 이미지 센서.
- 하부 캐리어 운반층 상에 차례로 배치된 제1 내지 제3 광전 변환층들; 및
상기 제3 광전 변환층들 상에 배치된 상부 캐리어 운반층을 포함하되,
상기 제1 광전 변환층은 제1 크기를 갖는 제1 나노 결정을 포함하고, 상기 제2 광전 변환층은 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기를 갖는 제2 나노 결정을 포함하고, 상기 제3 광전 변환층은 상기 제2 크기보다 작은 제3 크기를 갖는 제3 나노 결정을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 11 항에 있어서,
상기 상부 캐리어 운반층의 상부면으로부터 광이 입사되는 광 검출기 소자.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 광전 변환층들은 실리콘 질화막을 포함하는 광 검출기 소자.
- 제 11 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 나노 결정들은 실리콘 나노 결정인 광 검출기 소자.
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