KR20140030265A - 패시베이션된 기립 나노구조물 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 기판에 기본적으로 수직으로 확장되는 하나 이상의 나노구조물을 포함하고, 여기서 나노구조물은 도핑된 반도체의 코어, 코어 위에 배치된 첫 번째 층, 및 첫 번째 층 위에 배치되고 코어와 반대 유형의 두 번째 층을 포함하는 장치이다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국 특허 출원 번호 61/266,064, 61/357,429, 61/306,421, 12/204,686 (미국 특허 번호 7,646,943으로 등록), 12/270,233, 12/472,264, 12/472,271, 12/478,598, 12/633,297, 12/621,497, 12/648,942, 12/910,664, 12/966,514, 12/573,582, 12/575,221, 12/633,323, 12/633,318, 12/633,313, 12/633,305, 12/982,269, 12/966,573, 12/967,880, 12/974,499, 12/945,492, 13/047,392, 13/048,635 및 12/966,535에 관련되고, 이들 출원의 공개는 전체 참조로 본 명세서에 포함된다.
반도체 표면은 종종 반도체의 전기, 광학적, 및 화학적 특성에 불리한 영향을 미치는 결함의 원천이다. 적절한 패시베이션 기술은 결함을 제거하거나 또는 결함의 악영향을 방지한다.
본 발명은 기판; 기판에 기본적으로 수직으로 확장되는 하나 이상의 나노구조물을 포함하는 장치를 제공하고, 여기서 나노구조물은 도핑된 반도체의 코어, 상기 코어 위에 배치된 진성 비정질 반도체 층, 및 상기 진성 비정질 반도체 층 위에 배치된 코어와 반대 유형의 고농도로 도핑된 비정질 반도체 층을 포함한다.
또한, 본 발명은 기판; 기판에 기본적으로 수직인 하나 이상의 나노구조물을 포함하는 장치를 제공하고, 여기서 나노구조물은 코어 및 패시베이션 층을 포함하고, 비정질 물질을 포함하는 패시베이션 층은 적어도 코어의 표면을 패시베이션하며, 코어와 p-i-n 접합을 형성하기 위하여 배치된다.
본원에서 사용된 용어 "패시베이션(passivation)" 및 "페시베이트(passivate)"는 불포화 결합(dangling bond)(즉, 고정된 원자들의 불만족된 원자가)을 제거하는 과정을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "이미지 센서(image sensor)"는 광학 이미지를 전기적 신호로 전환하는 장치를 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "컬러 이미지 센서(color image sensor)"는 가시 스펙트럼에서의 광학 이미지(즉, 컬러 이미지)를 전기적 신호로 전환할 수 있는 이미지 센서를 의미한다. 본원에 사용된 용어 "투명한(transparent)"은 적어도 70%의 투과율을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "편광(polarized light)"은 편광을 가진 빛을 의미한다. 본원에서 사용된 "선형 편광(linear polarization)"은 빛의 전계가 빛의 전파 방향을 따라 소정의 평면에 한정되는 것을 의미한다. 본원에서 사용된 "원 편광(circular polarization)"은 빛의 전계가 강도를 변하지는 않지만 회전형 방식으로 오직 방향을 변화시키는 것을 의미한다. 본원에서 사용된 "타원형 편광(elliptical polarization)"은 빛의 전계가 빛의 전파 방향에 수직이고, 교차하는 임의의 고정된 면에서의 타원을 설명하는 것을 의미한다. 본원에 사용된 용어 "광전변환 장치(photovoltatic device)"는 태양 복사와 같은 빛을 전기로 변환하여 전력을 생성할 수 있는 장치를 의미한다. 본원에서 사용된 구조물이 단결정이라는 것은 전체 구조물의 결정 격자가 연속적이고, 그 안에 어떠한 결정 입계(grain boundary) 없이 전체 구조물을 통해서 깨지지 않았다는 것을 의미한다. 전기 전도성 물질은 근본적으로 제로(zero) 밴드 갭을 가진 물질일 수 있다. 전기 전도성 물질의 전기 전도도는 일반적으로 103 S/cm 이상이다. 반도체는 약 3eV 까지의 유한한 밴드 갭을 가진 물질일 수 있고, 일반적으로 103 내지 10-8 S/cm 범위의 전기 전도도를 가진다. 전기적 절연체는 약 3eV 보다 더 큰 밴드 갭을 가진 물질일 수 있고, 일반적으로 10-8 S/cm 이하의 전기 전도도를 가진다. 본원에서 사용된 용어 "기판에 기본적으로 수직인 구조물(structure essentially perpendicular to the substrate)"은 구조물과 기판 사이의 각도가 0보다 더 크거나, 바람직하게는 5°보다 더 크거나, 더 바람직하게는 85°내지 90°인 것을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "리세스(recess)"는 기판에 있는 빈(hollow) 공간을 의미하며, 기판 외부 공간에 열려 있다. 본원에서 사용된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 물질은 Ⅲ족 원소 및 Ⅴ족 원소로 구성된 화합물을 의미한다. Ⅲ족 원소는 B, Al, Ga, In, Tl, Sc, Y, 란탄족 원소 및 악티늄족 원소일 수 있다. Ⅴ족 원소는 V, Nb, Ta, Db, N, P, As, Sb 및 Bi일 수 있다. 본원에서 사용된 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 물질은 Ⅱ족 원소 및 Ⅵ족 원소로 구성된 화합물을 의미한다. Ⅱ족 원소는 Be, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 Ra일 수 있다. Ⅵ족 원소는 Cr, Mo, W, Sg, O, S, Se, Te 및 Po일 수 있다. 4차 물질은 4개의 원소로 구성된 화합물이다. 본원에서 사용된 용어 "메시(mesh)"는 망(web)-같은 패턴 또는 양식을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "돌출된 부분(overhanging portion)"은 리세스의 측면 벽에 대해 투영되는 구조물의 일 부분을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "구조물의 상부 표면의 윤곽(contour of a top surface of the structure)"은 구조물의 상부 표면의 가장자리를 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "전극(electrode)"은 광전 변환 장치와 전기적 접촉을 위해 이용되는 전도체를 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "연속적인(continuous)"은 어떠한 간격, 구멍, 틈을 갖지 않는 것을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "p-i-n 접합(p-i-n junction)"은 p-형 반도체 영역 및 n-형 반도체 영역 사이에 샌드위치된 저농도로 도핑되거나 진성인 반도체의 구조물을 의미한다. p-형 및 n-형 영역은 옴 접촉(ohmic contact)을 위해 고농도로 도핑될 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "p-n 접합(p-n junction)"은 서로 접촉하는 p-형 반도체 영역 및 n-형 반도체 영역을 가진 구조물을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "게이트 전극(gate electrode)"은 게이트 전극에 인가된 전압에 의하여 전류 흐름을 조절할 수 있는 전극을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "나노기둥(nanopillar)"는 다른 차원에서는 비제한적이고, 2차원에서는 기껏해야 1000 nm로 제한된 크기를 가지는 구조물을 의미한다. 또한, 용어 "나노기둥"은 다른 차원에서는 비제한적이고, 2차원에서는 기껏해야 100 마이크론으로 제한된 크기를 가지는 구조물을 의미할 수도 있다. 본원에서 사용된 용어 "게이트 선(gate line)"은 게이트 전극에 전기 신호를 전송하도록 작동하는 전극 또는 전도체 선을 의미한다. 본원에서 사용된 용어 "다중화기(multiplexer)"는 다중화하는 장치를 의미하는 것으로, 많은 아날로그 또는 디지털 입력 신호 중의 하나를 선택하고, 그 선택된 입력을 하나로 선으로 전달한다. 아날로그-디지털 변환기(약칭 ADC, A/D 또는 A 에서 D)는 연속적인 양을 비연속적인 수치 값으로 변환하는 장치이다. 디지털-아날로그 변환기(약칭 DCA 또는 D 에서 A)는 디지털 코드(일반적으로 이진수)를 아날로그 신호(전류, 전압, 또는 전하)로 변환하는 장치이다. 본원에서 사용된 용어 "앞 광학(foreoptics)"은 이미지 센서 전의 광학 통로에 배치된 광학 구성요소들(예로, 렌즈, 거울)을 의미한다.
또한 도핑되지 않은 반도체 또는 i-형 반도체라고 불리는, 진성 반도체는 임의의 상당한 도펀트 종을 가지지 않은 실질적으로 순수한 반도체이다. 고농도 도핑된 반도체는 높은 도핑 수준을 가지는 반도체로 반도체보다는 전기적으로 더욱 금속처럼 행동하기 시작한다. 저농도 도핑된 반도체는 고농도 도핑된 반도체만큼 높은 도핑 수준을 가지지 않는 도핑된 반도체이다. 저농도 도핑된 반도체에서, 도펀트 원자는 각각 전도대 또는 원자가 전자대에 열 상승(thermal promotion)(또는 광학 전이)에 의해 전자 또는 정공을 부여할 수 있는 지역화된 상태로 종종 간주될 수 있는 개별 도핑 수준을 만들 수 있다. 충분히 높은 불순물 농도(예로, 고농도 도핑)에서 개별 불순물 원자는 이웃들과 충분히 가까워서 자신의 도핑 수준을 불순물 대(impurity band)와 병합하고, 이러한 시스템의 행동은 반도체의 전형적인 특징(예로, 온도에 따른 전도도의 증가)을 보여주는 것을 중단한다. 본원에서 사용된 "단 결정(single crystal)" 반도체는 반도체의 결정 격자가 그 안에 어떠한 결정 입계(grain boundary) 없이 연속적이고, 깨지지 않았다는 것을 의미한다. 본원에서 사용된 "다중-결정(multi-crystall)"인 반도체는 반도체가 결정 입계에 의해 분리된 결정의 입자를 포함하는 것을 의미한다. 본원에서 사용된 "비정질(amorphous)"인 반도체는 반도체가 무질서한 원자 구조를 가지는 것을 의미한다.
도 1a-1c는 각각 기판(20)으로부터 기본적으로 수직인 나노구조물(1)의 부분 단면도를 나타낸다.
도 1a의 부분 단면도에 나타난 바와 같이, 일 실시예에 따른 나노구조물(1)은 기판(20)으로부터 기본적으로 수직으로 확장되고, 도핑된 반도체 물질의 코어(11), 기판(20)으로부터 적어도 단부(end portion, 16)에 대해 등방성으로 배치된 진성 비정질 반도체 층(12), 및 진성 비정질 반도체 층(12)의 적어도 일 부분에 대해 등방성으로 배치된 코어(11)와 반대 유형의 고농도로 도핑된 비정질 반도체 층(13)을 포함한다.
도 1b의 부분 단면도에 나타난 바와 같이, 일 실시예에 따른 나노구조물(1)은 기판(20)으로부터 기본적으로 수직으로 확장되고, 도핑된 반도체 물질의 코어(11), 기판(20)으로부터 단부 표면(end surface, 16)위에 배치된 진성 비정질 반도체 층(12), 및 진성 비정질 반도체 층(12) 위에 배치된 코어(11)와 반대 유형의 고농도로 도핑된 비정질 반도체 층(13)을 포함한다. 바람직하게는, 진성 비정질 반도체 층(12) 및 고농도로 도핑된 비정질 반도체 층(13)은 적어도 기판(20)에 평행한 방향으로 코어(11)와 같은 공간을 차지한다. 바람직하게는, 코어(11)의 측면벽은 전기 절연 층(15)에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있다.
도 1c의 부분 단면도에 나타난 바와 같이, 일 실시예에 따른 나노구조물(1)은 기판(20)에 기본적으로 수직으로 확장되고, 도핑된 반도체 물질의 코어(11), 기판(20)으로부터 단부 표면(end surface, 16)위에 배치된 진성 비정질 반도체 층(12), 및 진성 비정질 반도체 층(12) 위에 배치된 코어(11)와 반대 유형의 고농도로 도핑된 비정질 반도체 층(13)을 포함한다. 바람직하게는, 코어(11)의 측면벽은 전기 절연 층(15)에 의해 적어도 부분적으로 덮여 있다. 바람직하게는, 진성 비정질 반도체 층(12) 및 고농도로 도핑된 비정질 반도체 층(13)은 적어도 기판(20)에 평행한 방향으로 전기 절연층(15)과 같은 공간을 차지한다.
기판(20)은 임의의 적절한 물질: 반도체(예로, 실리콘), 절연체(예로, 유리), 금속(예로, 금)을 포함할 수 있다. 기판(20)은 트랜지스터, 배선, 바이어스, 다이오드, 증폭기 등과 같은 임의의 적절한 전자 부품을 포함할 수 있다.
코어(11)는 도핑된 실리콘, 도핑된 게르마늄, 도핑된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체(예로, 갈륨 비소, 질화 갈륨, 등), 도핑된 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체(예로, 셀렌화 카드뮴, 황화 카드뮴, 텔루르화 카드뮴, 아연 산화물, 셀렌화 아연, 등) 또는 도핑된 4차 반도체(예로, 구리 인듐 갈륨 셀레나이드)와 같은 임의의 적절한 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있다. 코어(11)는 실질적으로 결정 반도체 물질인 것이 바람직하다. 코어(11)은 저농도 도핑되는 것이 바람직하다. 코어(11)는 그 안에 p-n 접합 또는 p-i-n 접합을 포함할 수 있다.
진성 비정질 반도체 층(12)는 진성 비정질 실리콘, 진성 비정질 게르마늄, 진성 비정질 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체와 같은 임의의 적절한 진성 비정질 반도체 물질을 포함할 수 있다. 진성 비정질 반도체 층(12)는 약 2 nm 내지 약 100 nm의 두께를 가지는 것이 바람직하고, 약 2 nm 내지 약 30 nm를 가지는 것이 더욱 바람직하다. 진성 비정질 반도체 층(12)는 적어도 코어(11)의 표면을 패시베이션하기 위해 배치된다. 진성 비정질 반도체 층(12)은 원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 증착될 수 있다.
고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)은 고농도 도핑된 비정질 실리콘, 고농도 도핑된 비정질 게르마늄, 고농도 도핑된 비정질 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체와 같은 임의의 적절한 고농도 도핑된 비정질 반도체 물질을 포함할 수 있다. 고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)이 코어(11)과 반대 유형이라는 것은, 만일 코어가 p-형이면, 고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)이 n-형이고, 만일 코어가 n-형이면, 고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)이 p-형인 것을 의미한다. 고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)은 적어도 약 10 nm, 예를 들어 약 10 nm 내지 약 200 nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)은 원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD)과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 증착될 수 있다.
고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13), 진성 비정질 반도체 층(12) 및 코어(11)은 p-i-n 접합을 형성한다.
전기 절연 층(15)는 HfO2, SiO2, Al2O3, Si3N4 등과 같은 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다.
나노구조물(1)은 나노와이어 또는 나노슬래브(nanoslab)일 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "나노와이어"는 기판에 수직인 방향(본원에서 "수직 방향(normal direction)"으로 참조된)에서의 차수가 수직 방향에 수직인 임의의 방향(본원에서 "횡 방향"으로 참조된)에서의 구조물의 차수보다 실질적으로 더 큰 구조물을 의미하고, 횡 방향에서의 차수는 1000 nm보다 더 작다. 본원에서 사용된 용어 "나노슬래브"는 수직 방향 및 횡 방향에서의 차수가 수직 방향 및 횡 방향의 둘 다에 수직인 방향(본원에서 "두께 방향"으로 참조된)에서의 구조물의 차수보다 실질적으로 더 큰 것을 의미하고, 두께 방향에서의 차수는 1000 nm 보다 더 작다. 나노슬래브는 직사각형, 타원형, 볼록-볼록(즉, 이중-볼록 렌즈와 같은), 오목-오목(즉, 이중-오목 렌즈와 같은), 평면-볼록(즉 평면-볼록 렌즈와 같은), 평면-오목(즉 평면-오목 렌즈와 같은)과 같은 기판에 평행한 단면에서 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 나노구조물(1)은 태양 차광 자외선(SBUV) 검출기로 구성된다. SBUV 영역은 지구의 대기가 태양으로부터 지구까지의 모든 자외선을 흡수하는 파장의 범위이다. 예를 들어, 300 nm 내지 200 nm의 파장 영역은 SBUV 영역 내에 있다. SBUV 영역에서 오직 방사선을 검출하고 가시광선 및 적외선을 거부하는 장치는 SBUV 검출기 또는 SBUV 센서로 불린다.
태양광은 본원의 실시예의 SBUV 검출기를 간섭하거나 차폐(blind)하지 않는다. 따라서, 본원의 실시예의 SBUV 검출기는 SBUV 영역에서 방출되는 인공 방사선원을 검출하는데 특히 유용하고, 매우 낮은 잘못된 경보 비율을 가진다. 이러한 인공 방사선원은 휴대용 지대공 미사일(shoulder launched surface to air missiles, SLSAM), 화염 및 불꼿, 또는 수소 불꽃을 포함하는 임의의 다른 UV 방출원의 배기 가스 기둥을 포함할 수 있다. 본원의 일 실시예의 SBUV 검출기는 태양 복사의 간섭 없이, 매우 높은 신호 대 바탕비(signal to background ratio)를 가지고, 전 일광을 포함한 모든 번개 조건에서 작동할 수 있다.
일 실시예에 따르면, SBUV 검출기는 앞서 언급된 것(본원에서 "픽셀"로 참조된)으로 정의된 다수의 영역을 가지는 기판을 포함한다. 각각의 픽셀에서 SBUV 검출기는 기판으로부터 기본적으로 수직으로 확장된 하나 이상의 나노구조물(1)을 포함한다. SBUV 검출기에 있는 나노구조물(1)은 나노와이어이다. 하나 이상의 나노구조물(1)은 정규적인 배열 또는 무작위적으로 배열되어 서로 간에 균등하게 또는 불균등하게 위치할 수 있다. 다수의 나노구조물(1)은 오직 SBUV 영역에서 방사선에 반응하고, SBUV 영역 밖에서는 방사선에 반응하지 않도록 구성된다. 본원에서 용어 "반응(react)"은 광범위하게 흡수, 반사, 커플링, 검출, 상호 작용, 전기 신호로 변환 등을 포함하는 것을 의미한다.
도 2a는 SBUV(S10) 위의 다수의 나노구조물(1)(SBUV에 있는 나노와이어)중의 하나를 나타낸다. 간결성을 위해, 오직 하나의 나노구조물(1)을 나타내었지만 SBUV(S10)은 1000 이상 또는 1000000 이상과 같은 다수의 나노구조물(1)을 포함한다. 나노구조물(1)은 기판(S130)으로부터 기본적으로 수직으로 확장된다. 각각의 나노구조물(1)은 바람직하게 나노구조물(1)을 둘러싸는 클래딩(S120)을 포함한다. 기판(S130)은 금속인 것이 바람직하다. 나노구조물(1)은 클래딩(S120)보다 더 높은 굴절률을 가지는 것이 바람직하다. 본원에서 사용된 용어 "클래딩(cladding)" 또는 "클래드(clad)"는 나노구조물(1)을 둘러싸는 물질의 층을 의미한다.
도 2b는 수직 방향으로 입사되는, 100 내지 400 nm사이의 파장을 가진 UV 광에 대한 SBUV 검출기(S10)의 시뮬레이션된 흡수율을 나타낸다. 도 2b는 SBUV 검출기(S10)의 흡수율이 140 내지 290 nm 사이의 파장을 가진 UV 광에서 50% 이상이고, SBUV 검출기(S10)의 흡수율은 140 내지 290 nm 사이의 파장 영역 밖에서는 빠르게 거의 0으로 떨어지는 것을 나타낸다. 도 2b는 SBUV 검출기(S10)가 실제로 SBUV 영역의 방사선에 오직 반응하는 것을 나타낸다. 도 2c에 나타난 바와 같이, 각각의 나노구조물(1)은 기판(s130)(본원에서 "수신 단부(receiving end)"로 참조된)으로부터 나노구조물(1)의 단부에 배치된 연결기(coupler, S140)를 더 포함할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "연결기(coupler)"는 나노구조물(1)로 빛을 안내하는데 효과적인 층을 의미한다.
일 실시예에 따르면, 나노구조물(1)은 나노와이어이고, 약 5 nm 내지 약 30 nm, 바람직하게는 약 20 nm의 지름을 가진다. 일 실시예에 따르면, 나노구조물(1)은 약 5 nm 내지 약 150 nm의 지름을 가진다. 클래딩(S130)은 약 10 nm 내지 약 200 nm, 바람직하게는 약 30 nm의 두께를 가진다. 나노구조물(1)의 피치(즉, 다수의 나노와이어 중의 하나가 가장 가까운 이웃까지의 중심 대 중심의 거리)는 약 0.2 um 내지 약 2 um이다. 나노구조물(1)의 높이(즉, 수직 방향에서의 차수)는 약 0.1 um 내지 약 5 um이다. 각 픽셀은 하나 이상의 나노구조물(1)을 가질 수 있다.
도 2d 및 도 2e는 각각 SBUV 검출기(S10)의 사시도 및 평면도를 나타낸다. 간결성을 위해, 오직 네 개의 픽셀(점으로 표시된 직사각형에 의해 둘러싸인 지역)을 나타내었다. 나노구조물(1)은 바람직하게는 그것을 전기 신호로 변환하여 SBUV 영역에서 UV 방사선을 검출한다. 예를 들어, 각각의 나노구조물(1)은 기판(S130)과 함께 포토다이오드(애벌란시 포토다이오드와 같은)을 포함하거나, 또는 포토다이오드(애벌란시 포토다이오드와 같은)를 형성할 수 있다. SBUV 검출기(S10)은 나노구조물(1)로부터의 전기 신호를 검출하기 위해 배치되는 전기 부품, 예를 들어, 전체 SBUV 검출기(S10)에서 기판(S130)에의 판독 집적 회로(ROIC), 각 픽셀에서 모든 나노구조물(1)에 전기적으로 연결되고, 배치된 전극(S150), 모든 나노구조물(110)의 수신 단부에 전기적으로 연결되고, 배치된 공통 전극(S160)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, SBUV 검출기(S10)은 분리적으로 다른 픽셀에 있는 나노구조물(1)로부터 전기 신호를 검출할 수 있다.
도 2f에 나타난 바와 같이, 일 실시예에 따르면 SBUV 검출기(S10)는 태양광-차폐 이미지 센서 안에 전자 회로와 통합될 수 있다. 전자 회로는 나노구조물(1)을 구동하기 위해 주소 해독기(address decoder), 상호연관 이중 샘플링 회로(correlated double sampling circuit, CDS), 신호 처리기, 다중화기 및 고전압 공급(예를 들어, 적어도 50V, 100V, 200V 또는 그 이상을 제공할 수 있는 DC 고전압 공급)을 포함할 수 있다. 전자 회로는 나노구조물(1)에 의해 생성된 전기 신호를 검출하기 위하여 작동한다.
도 2g에 개략적으로 나타난 바와 같이, SBUV 검출기(S10)는 또한 광 검출기장치에서 앞 광학으로 사용될 수 있다.
편광은 자신의 진동의 방향을 설명하는 파(wave)의 특정 유형의 속성이다. 가시광선을 포함하는 전자기파는 편광을 나타낼 수 있다. 관례상, 빛의 편광은 진동의 1 주기에 대해 공간의 한 지점에서 빛의 전계의 방향을 지정하여 설명한다. 대부분의 경우에 빛이 자유 공간에서 이동할 때, 횡파로 전파되며, 즉 편광은 빛의 방향에 수직이다. 이 경우, 전계는 한 방향(선형 편광)으로 배향될 수 있거나, 또는 파동 이동량(wave travel, 원형 또는 타원형 편광)으로 회전할 수 있다. 후자의 경우에, 진동은 주행 방향에 있어서, 오른쪽 또는 왼쪽으로 회전할 수 있다. 주어진 파에 회전의 존재 여부에 따라, 파의 키랄성(chirality) 또는 손잡이(handedness)이라고 불린다. 완전히 편광된 빛의 편광은 존스 벡터(Jones vector)로 나타낼 수 있다. z-방향을 따라 이동하는 빛의 전계의 복소 진폭(complex amplitude)의 x 및 y 성분, Ex(t) 및 Ey(t)는 하기로 표시된다.
편광되지 않거나, 부분적으로 편광된, 및 완전히 편광된 빛을 포함하는, 임의의 편광을 가진 빛의 편광은 스토크스 매개 변수(Stokes parameters)로 표시될 수 있고 그것은 상호 독립적인 네 개의 매개 변수이다.
빛의 편광을 검출하거나, 또는 빛의 존스 벡터 또는 스토크스 매개변수를 측정할 수 있는 장치는 많은 응용 분야에서 유용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 장치는 상기(본원에서 "서브픽셀"; "서브픽셀"과 관련된 군은 "픽셀"로 참조될 수 있음) 정의된 다수의 영역을 가지는 기판을 포함한다. 각각의 서브픽셀에서, 장치는 나노슬래브인 다수의 나노구조물(1)을 포함한다. 다수의 나노구조물(1)은 서로 간에 균등하거나, 비균등하게 위치할 수 있다. 다른 서브픽셀에 있는 다수의 나노구조물(1)은 같은 편광을 가진 빛에 다르게 반응하기 위해 작동한다. 용어 "반응(react)"은 광범위하게 흡수, 반사, 커플링, 검출, 상호 작용, 전기 신호로 변환 등을 포함하는 것을 의미한다. 첫 번째 서브픽셀에 있는 다수의 나노구조물(1)은 첫 번째 횡 방향으로 확장하고; 두 번째 서브픽셀에 있는 다수의 나노구조물(1)은 두 번째 횡 방향으로 확장하고, 여기서 첫 번째 및 두 번째 픽셀은 인접하며, 첫 번째 횡 방향은 두 번째 횡 방향과 다르다.
도 3a은 일 실시예에 따른 장치(P10)를 나타낸다. 간결성을 위해, 기판(P110)의 두 개의 서브픽셀 (P10a) 및 (P10b)이 설명되었다. 그러나, 장치(P10)은 100 이상, 1000 이상, 1000000 이상과 같은 다수의 서브픽셀을 포함한다. 서브픽셀은 약 1 마이크론 내지 100 마이크론(더 바람직하게는 5 마이크론)의 피치를 가지는 것이 바람직하다. 각각의 서브픽셀 (P10a) 및 (P10b)에서, 장치 (P10)은 각각 다수의 나노구조물(1)(즉, 적어도 두 개의 형태)을 포함한다. 서브픽셀(P10a)에 있는 나노구조물(1) 및 서브픽셀(P10b)에 있는 나노구조물(1)은 다른 횡 방향으로 확장된다. 나노구조물(1)은 바람직하게 약 0.5 내지 5 마이크론(더 바람직하게는 약 1 마이크론)의 피치(즉, 상기 두께 방향에서 인접한 형태(100)들 사이의 공간), 약 0.3 내지 10 마이크론(더 바람직하게는 약 5 마이크론)의 높이(즉, 수직 방향에서의 차수), 및 적어도 4:1, 바람직하게는 적어도 10: 1의 종횡 비(즉, 두께 방향에서의 차수에 대한 횡 방향에서의 차수의 비율)를 가진다. 각각의 나노구조물(1)은 기판(P110)과 p-i-n 다이오드를 형성하고, p-i-n 다이오드는 그 위에 충돌하는 적어도 빛의 일 부분을 전기 신호로 변환하기 위하여 작동한다. 장치(P10)는 나노구조물(1)로부터 전기 신호를 검출하기 위하여 구성된 전기 부품, 예를 들어, 상기 모든 나노구조물(1)에 전기적으로 연결되고, 각각의 서브픽셀 위에 배치된 투명 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 서브픽셀 위에 있는 투명 전극은 인접한 서브픽셀에 있는 투명 전극과 분리되는 것이 바람직하다. 반사 물질은 나노구조물(1) 사이에 있는 기판(P110)의 영역에 증착될 수 있다. 기판(P110)은 약 5 내지 700 마이크론(바람직하게는 120 마이크론)의 수직 방향에서의 두께를 가질 수 있다.
도 3b는 서로 다른 편광을 가진 빛이 그 위에서 충돌할 때, 하나의 서브픽셀에서 나노구조물(1)의 개략도를 나타낸다. 기본적으로 나노구조물(1)의 두께 방향에서 선형 편광 및 약 400 nm의 파장을 갖는 빛(P15a)에 대하여, 나노구조물(1)의 흡수율은 약 35%이다. 반대로, 기본적으로 나노구조물(1)의 횡 방향에서 선형 편광 및 빛(P15)과 같은 파장을 갖는 빛(P15b)에 대하여, 나노구조물(1)의 흡수율은 약 95%이다.
도(P10)에 나타난 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 장치(P10)은 편광 검출 배열 안에 전자 회로와 통합될 수 있다. 전자 회로는 검출기 배열의 양 방향에 있는 주소 해독기, 상호연관 이중 샘플링 회로(CDS), 신호 처리기, 다중화기를 포함할 수 있다. 전자 회로는 그 위에 충돌된 적어도 빛의 일 부분으로부터 나노구조물(100)에 의해 변환된 전기 신호를 검출하기 위하여 작동한다. 전기 회로는 같은 횡 방향으로 확장되는 특징을 가진 몇몇의 서브픽셀로부터 전기 신호의 내삽을 계산하기 위하여 더욱 작동할 수 있다. 전자 회로의 다른 기능은 게인 조정(gain adjustment), 스토크스 매개 변수의 계산을 포함할 수 있다. 특히, 서브픽셀은 군(즉, 픽셀)으로 배열될 수 있다. 예로, 도 3c에서, 서브픽셀 A 및 서브픽셀 B, C 및 D는 서로 간에 근접하게 배열될 수 있고, 픽셀로 참조되고, 여기에서 서브픽셀 B, C 및 D 에서의 형태는 서브픽셀 A에서의 형태가 확장하는 횡 방향에 비해 45°, 90° 및 -45° 횡 방향으로 확장한다.
도 3d에서 나타난 바와 같은 일 실시예에 따르면, 나노구조물(100)은 각각의 측면벽(즉, 횡 방향 및 수직 방향에서 확장되는 표면) 위에 각각 금속 층을 포함할 수 있다. 금속 층은 약 5 nm 내지 약 100 nm의 두께를 가지는 것이 바람직하고, 약 50 nm를 가지는 것이 더욱 바람직하다. 금속 층은 실질적으로 전체 측면벽을 덮고, 금속 층은 수직 방향에서 나노구조물의 양단으로 확장되지 않는다.
태양 전지(solar cell)로도 불리는, 광전 변환 소자는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 태양 에너지를 직접적으로 전기로 변환하는 고체 상태 소자이다. 전지의 어셈블리는 태양 전지판(solar panel)으로도 알려진 태양 전지 모듈을 만드는데 사용된다. 태양열 발전(solar power)으로도 불리는, 태양 전지 모듈에 의해 생성된 에너지는 태양 에너지의 예이다.
광기전력 효과(photovoltaic effect)는 빛에 노출될 때, 물질에서 전압(또는 상응하는 전류)을 생성하는 것이다. 광기전력 효과가 광전 효과(photoelectric effect)와 직접적으로 관련되어있지만, 두 과정은 다르며 서로 구별되어야 한다. 광전 효과에서는, 충분한 에너지의 방사선에 노출될 때, 전자가 물질의 표면으로부터 방출된다. 광기전력 효과는 생성된 전자가 물질내의 다른 밴드(즉, 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로) 사이를 이동하여 두 전극 사이에 전압을 만든다는 점에서 다르다.
광전 변환은 태양 에너지를 전기로 변환하기 위해, 태양광 전지를 이용하여 전력(electric power)을 생성하는 방법이다. 광기전력 효과는 전기를 생성하기 위해, 전자를 더 높은 상태의 에너지로 노킹하는(knocking)-태양 에너지의 패킷(packet)-빛의 광자로 언급된다. 더 높은 상태의 에너지에서, 전자는 반도체에서 단일 원자와 연관된 이의 정상위치(normal position)에서 탈출하여, 전기 회로에서 전류의 일부분이 될 수 있다. 이 광자들은 태양광 스페트럼의 다른 파장에 따른 다른 양의 에너지를 포함한다. 광자가 PV 전지에 부딪칠 때, 그들은 반사 또는 흡수되거나, 또는 바로 통과할 수 있다. 흡수된 광자는 전기를 생성할 수 있다. 용어 광전 변환은 소자를 통한 전류가 전적으로 빛 에너지에서 기인된 것인 광다이오드(photodiode)의 비평향된(unbiased) 작동 모드를 나타낸다. 거의 모든 광전 변환 소자는 광다이오드의 몇가지 유형이다.
통상적인 태양 전지는 종종 빛을 받아들이는 표면에 불투명(opaque)한 전극을 가진다. 이러한 불투명 전극 위로 입사되는 임의의 빛은 태양 전지로부터 멀리 반사되거나 또는 불투명 전극에 의해 흡수되어, 전기를 생성하는데 기여하지 않는다. 그러므로, 이러한 결점을 가지지 않은 광전 변환 소자가 요구되고 있다.
도 4a는 또 하나의 실시예에 따른 광전변환 소자(V200)의 개략적인 단면도를 나타낸다. 광전변환 소자(V200)는 기판(V205), 기판(V205)에 기본적으로 수직인 다수의 나노구조물(1), 나노구조물(1) 사이에 있는 하나 이상의 리세스(V230)를 포함한다. 각각의 리세스(V230)는 측면 벽(V230a) 및 바닥 벽(V230b)을 가진다. 바닥 벽(V230b)은 평면 반사 층(V232)을 가진다. 측면 벽(V230a)은 어떠한 평면 반사층(V232)도 가지지 않는다. 연속적인 클래딩 층(V240)은 전체의 나노구조물(1) 위에 배치된다. 광전변환 소자(V200)는 클래딩 층(V240) 및 상부 표면(V220a)의 위에 오직 직접적으로 배치된 결합 층(V260)을 더 포함할 수 있다.
나노구조물(1)은 임의의 단면 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(1)은 타원형, 원형, 직사각형 및 다각형 단면을 가진 원통(cylinder) 또는 각기둥(prism)일 수 있다. 또한, 나노구조물(1)은 도 4f에 나타난 바와 같이 스트립, 또는 도 4g에 나타난 바와 같이 메시일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 나노구조물(1)은 50 nm 내지 5000 nm의 지름, 1000 nm 내지 20000 nm의 높이, 300 nm 내지 15000 nm의 두 개의 가장 근접한 기둥 사이의 중심-대-중심의 거리를 가진 기둥들이다. 바람직하게는, 나노구조물(1)은 나노구조물(1)의 상부 표면(V220a)의 전체 윤곽을 따라 돌출된 부분(V224)을 가진다.
각 리세스(V230)는 측면 벽(V230a)과 바닥 벽(V230b) 사이에 둥근 또는 비스듬한 내부 가장자리를 가지는 것이 바람직하다.
평면 반사 층(V232)은 임의의 적절한 물질, 예를 들어 ZnO, Al, Au, Ag, Pd, Cr, Cu, Ti, 및 이들의 조합 등일 수 있다. 평면 반사 층(V232)은 전기 전도성 물질이 바람직하고, 금속이 더욱 바람직하다. 평면 반사 층(V232)은 임의의 파장의 가시광선에 대해 적어도 50%의 반사도, 더 바람직하게는 적어도 70%의 반사도, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 반사도를 가진다. 평면 반사 층(V232)은 바람직하게는 적어도 5 nm, 더 바람직하게는 적어도 20 nm의 두께를 가진다. 모든 리세스(V230)에 있는 평면 반사 층(V232)은 연결되어있는 것이 바람직하다. 평면 반사 층(V232)은 그 위에 입사된 빛을 나노구조물(1)로 반사하는 기능을 하여 나노구조물(1)에 의해 빛을 흡수시킨다. 평면 반사 층(V232)은 광전 변환 소자(V200)의 전극으로서 작동한다.
클래딩 층(V240)은 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 70%, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 투과도를 가진 가시광선에 상당히 투명하다. 클래딩 층(V240)은 전기 전도성 물질로 만들어질 수 있다. 클래딩 층(V240)은 ITO(인듐 주석 산화물), AZO(알루미늄 도핑된 산화 아연), ZIO(아연 인듐 산화물), ZTO(아연 주석 산화물) 등과 같은 투명한 전도성 산화물로 만들어진 것이 바람직하다. 클래딩 층(V240)은 약 50 nm 내지 약 5000 nm의 두께를 가질 수 있다. 클래딩 층(v240)은 나노구조물(1)과 함께 옴 접촉을 형성하는 것이 바람직하다. 클래딩 층(V240)은 평면 반사 층(V232)과 함께 옴 접촉을 형성하는 것이 바람직하다. 클래딩 층(V240)은 광전 변환 소자(V200)의 전극으로서 작동하는 것이 바람직하다..
기판(V205)은 나노구조물(1) 맞은편에 평평한 표면(V250)을 가지는 것이 바람직하다. 평평한 표면(V250)은 나노구조물(1)의 코어(11)와 반대 전도 타입의 도핑 층(V251)을 가질 수 있고, 즉, 만일 코어가(11)가 n 타입이면, 도핑 층(V251)은 p 타입이고; 만일 코어가(11)가 p 타입이면, 도핑 층(V251)은 n 타입이다. 도핑 층(V251)은 각 나노구조물(1)에 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 평평한 표면(V250)은 도핑 층(V251) 위에 배치된 금속 층(V252)을 가질 수 있다. 금속 층(V252)은 도핑 층(V251)과 함께 옴 접촉을 형성한다. 기판(V205)은 적어도 50 마이크론의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 평면 반사 층(V232)의 총 면적은 평평한 표면(V250)의 표면적의 적어도 40%인 것이 바람직하다.
결합 층(V260)은 클래딩 층(V240)과 다른 물질이거나, 또는 클래딩 층(V240)과 동일한 물질일 수 있다. 도 4b에 나타난 바와 같이, 나노구조물(1)의 코어(11)의 굴절률 n1, 클래딩 층(V240)의 굴절률 n2, 결합 층(V260)의 굴절률 n3, 나노구조물(1) 사이의 공간의 굴절률 n4는 n1>n2>n4 및 n1>n3>n4의 관계를 만족시키는 것이 바람직하고, 이것은 나노구조물(1)에서 빛 농도를 향상시키는 것을 유도한다.
일 실시예에서, 나노구조물(1)은 직사각형 배열, 육각형 배열, 사각형 배열 및 동심 고리와 같은 배열로 정렬된 기둥들이다. 각 기둥은 약 5 마이크론의 높이이다. 나노구조물(1)의 피치는 300 nm 내지 15 마이크론이다. 클래딩 층(V240)은 약 175 nm 두께이다.
도 4c은 광전 변환 소자(V200)의 예시적인 상부 단면도를 나타낸다. 도 4d은 광전 변환 소자(V200)의 예시적인 사시도를 나타낸다.
빛을 전기로 변환하는 방법은 광전 변환 소자(V200)를 빛에 노출하는 단계; 평면 반사 층(V232)을 이용하여 빛을 나노구조물(1)에 반사하는 단계; 나노구조물(1)을 이용하여 빛을 흡수하고, 빛을 전기로 변환하는 단계; 광전 변환 소자(V200)로부터 전류를 끌어오는 단계를 포함한다. 도4e에 나타난 바와 같이, 광전 변환 소자(V200)에서, 전류는 금속 층(V252) 및 평면 반사 층(V232)으로부터 각각 끌려올 수 있다
도 5a는 또 하나의 실시예에 따른 광전변환 소자(W200)의 개략적인 단면도를 나타낸다. 광전변환 소자(W200)는 기판(W205), 기판(W205)에 기본적으로 수직인 다수의 나노구조물(1), 나노구조물(1) 사이에 있는 하나 이상의 리세스(W230) 및 전극 층(W280)을 포함한다. 각각의 리세스(W230)는 투명한 물질(W240)로 채워진다. 각각의 리세스(W230)는 측면 벽(W230a) 및 바닥 벽(W230b)을 가진다. 바닥 벽(W230b)은 평면 반사 층(W232)을 가진다. 측면 벽(W230a)은 어떠한 평면 반사층(W232)도 가지지 않는다. 투명한 물질(W240)은 나노구조물(1)의 상부 표면(W220a)과 같은 공간을 차지하는(coextensive) 표면을 가진다. 광전 변환 소자(W200)는 투명한 물질(W240) 및 나노구조물(1) 위에 배치된 전극 층(W280)을 더 포함한다. 광전 변환 소자(W200)는 전극 층(W280) 및 오직 상부 표면(W220a) 위에 배치된 결합 층(W260)을 더 포함한다.
나노구조물(1)은 임의의 단면 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(1)은 타원형, 원형, 직사각형 및 다각형 단면을 가진 원통(cylinder) 또는 각기둥(prism)일 수 있다. 또한, 나노구조물(1)은 도 4f에 나타난 바와 같이 스트립 또는 도 4g에 나타난 바와 같이 메시일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 나노구조물(1)은 50 nm 내지 5000 nm의 지름, 1000 nm 내지 20000 nm의 높이, 300 nm 내지 15000 nm의 두 개의 가장 근접한 기둥 사이의 중심-대-중심의 거리를 가진 기둥들이다. 바람직하게는, 나노구조물(1)은 나노구조물(1)의 상부 표면(W220a)의 전체 윤곽을 따라 돌출된 부분(W224)을 가진다.
각 리세스(W230)는 측면 벽(W230a)과 바닥 벽(W230b) 사이에 둥근 또는 비스듬한 내부 가장자리를 가지는 것이 바람직하다.
평면 반사 층(W232)은 임의의 적절한 물질, 예를 들어 ZnO, Al, Au, Ag, Pd, Cr, Cu, Ti, Ni 및 이들의 조합 등일 수 있다. 평면 반사 층(W232)은 전기 전도성 물질이 바람직하고, 금속이 더욱 바람직하다. 평면 반사 층(W232)은 임의의 파장의 가시광선에 대해 적어도 50%의 반사도, 더 바람직하게는 적어도 70%의 반사도, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 반사도를 가진다. 평면 반사 층(W232)은 바람직하게는 적어도 5 nm, 더 바람직하게는 적어도 20 nm의 두께를 가진다. 모든 리세스(W230)에 있는 평면 반사 층(W232)은 연결되어있는 것이 바람직하다. 평면 반사 층(W232)은 그 위에 입사된 빛을 나노구조물(1)로 반사하는 기능을 하여 나노구조물(1)에 의해 빛을 흡수시킨다. 평면 반사 층(W232)은 광전 변환 소자(W200)의 전극으로서 작동한다.
투명한 물질(W240)은 바람직하게는 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 70%, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 투과도를 가진 가시광선에 상당히 투명하다. 투명한 물질(W240)은 전기 전도성 물질일 수 있다. 투명한 물질(W240)은 ITO(인듐 주석 산화물), AZO(알루미늄 도핑된 산화 아연), ZIO(아연 인듐 산화물), ZTO(아연 주석 산화물) 등과 같은 투명한 전도성 산화물로 만들어진 것이 바람직하다. 투명한 물질(W240)은 나노구조물(1)의 고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)과 함께 옴 접촉을 형성하는 것이 바람직하다. 투명한 물질(W240)은 평면 반사 층(W232)과 함께 옴 접촉을 형성하는 것이 바람직하다. 투명한 물질(W240)은 광전 변환 소자(W200)의 전극으로서 작동하는 것이 바람직하다. 또한, 투명한 물질(W240)은 SiO2 또는 고분자 같은 적절한 전기 절연 물질일 수 있다.
기판(W205)은 나노구조물(1) 맞은편에 평평한 표면(W250)을 가지는 것이 바람직하다. 평평한 표면(W250)은 나노구조물(1)의 코어(11)와 반대 전도 타입의 도핑 층(W251)을 가질 수 있고, 즉, 만일 코어(11)가 n 타입이면, 도핑 층(W251)은 p 타입이고; 만일 코어(11)가 p 타입이면, 도핑 층(W251)은 n 타입이다. 도핑 층(W251)은 각 나노구조물(1)에 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 평평한 표면(W250)은 도핑 층(W251) 위에 배치된 금속 층(W252)을 가질 수 있다. 금속 층(W252)은 도핑 층(W251)과 함께 옴 접촉을 형성한다. 기판(W205)은 적어도 50 마이크론의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 평면 반사 층(W232)의 총 면적은 평평한 표면(W250)의 표면적의 적어도 40%인 것이 바람직하다.
전극 층(W280)은 투명한 물질(W240)과 다른 물질이거나, 또는 투명한 물질(w240)과 동일한 물질일 수 있다. 전극 층(W280)은 바람직하게는 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 70%, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 투과도를 가진 가시광선에 상당히 투명하다. 전극 층(W280)은 전기 전도성 물질이다. 전극 층(W280)은 ITO(인듐 주석 산화물), AZO(알루미늄 도핑된 산화 아연), ZIO(아연 인듐 산화물), ZTO(아연 주석 산화물) 등과 같은 투명한 전도성 산화물이다. 전극 층(W280)은 고농도 도핑된 비정질 반도체 층(13)과 함께 옴 접촉을 형성하는 것이 바람직하다. 전극 층(W280)은 광전 변환 소자(W200)의 전극으로서 작동하는 것이 바람직하다.
결합 층(W260)은 투명한 물질(W240)과 다른 물질이거나, 또는 투명한 물질(W240)과 동일한 물질일 수 있다. 도 5b에 나타난 바와 같이, 나노구조물(1)의 코어(11)의 굴절률 n1, 투명한 물질(w240)의 굴절률 n2, 결합 층(w260)의 굴절률 n3는 n1>n2 및 n1>n3의 관계를 만족시키는 것이 바람직하고, 이것은 나노구조물(1)에서 빛 농도를 향상시키는 것을 유도한다.
일 실시예에서, 나노구조물(1)은 직사각형 배열, 육각형 배열, 사각형 배열 및 동심 고리와 같은 배열로 정렬된 기둥들이다. 각 기둥은 약 5 마이크론의 높이이다. 나노구조물(1)의 피치는 300 nm 내지 15 마이크론이다.
도 5d에 나타난 바와 같이, 광전 변환 소자(W200)는 투명한 물질(W240) 및 전극 층(W280)과 평면 반사 층(W232) 사이에 있는 적어도 하나의 바이아(via)(W599)를 더 포함할 수 있고, 여기서 적어도 하나의 바이아(W599)는 전기 전도성 물질이고, 바람직하게는 전기 전도성 투명한 물질(예로, ITO, AZO, 등)이고, 적어도 하나의 바이아는 전극 층(W280) 및 평면 반사 층(W232)을 전기적으로 연결한다. 도 5c에 나타난 바와 같이, 바이아(W599)는 평면 반사 층(W232)이 노출될 때까지, 전극 층(W280) 및 투명한 물질(W240)을 통해 리세스(W598)을 식각한 후, 리세스(W598)를 채워 바이아(W599)를 형성함으로써 만들어질 수 있다. 도 5e 및 5f에 나타난 바와 같이, 바이아(W599)는 막대(rod)-모양 또는 바(bar)-모양과 같은 임의의 적절한 모양일 수 있다.
빛을 전기로 변환하는 방법은 광전 변환 소자 (W200)를 빛에 노출하는 단계; 평면 반사 층(W232)을 이용하여 빛을 구조물(W220)에 반사하는 단계; 구조물(W220)을 이용하여 빛을 흡수하고, 빛을 전기로 변환하는 단계; 광전 변환 소자(W200)로부터 전류를 끌어오는 단계를 포함한다. 도 5g 나타난 바와 같이, 광전 변환 소자(W200)에서, 전류는 금속 층(W252) 및 평면 반사 층(W232)으로부터 각각 끌려올 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이미지 센서는 다수의 픽셀을 포함하고, 이의 각 픽셀은 최소한 그 위에 닿는 빛을 전기적 신호로 변환할 수 있는 나노와이어의 형태인 적어도 하나의 나노구조물(1) 및 바람직하게는 이의 하단 부분에 가까운(즉, 기판에 연결된 끝부분) 나노구조물(1)을 둘러싼 게이트 전극을 가진다. 게이트 전극은 나노구조물(1)의 다른 위치에 위치할 수 있다. 게이트 전극은 개별적으로 나노구조물(1)에 전기적으로 연결하거나 외부 판독 회로(external readout circuitry)로부터 나노구조물(1)의 연결을 끊는 기능이 있다. 픽셀은 사각 격자, 육각 격자, 및 동심원상 링과 같은 어느 적합한 패턴으로 배열될 수 있다. 픽셀은 자외선(UV), 가시광선(VIS) 또는 적외선(IR) 영역의 빛을 흡수하도록 및 그것에 대응하여 검출가능한 전기적 신호를 발생시키도록 제조될 수 있다.
나노구조물(1)은 기본적으로 기판으로부터 수직으로 확장하며, 이는 또한 "기립(standing-up)"이라 지칭될 수 있다.
이미지 센서는 소형의 이미지 센서 및 분광광도계(spectrophotometer)와 같이 다양한 유형의 사용을 위하여 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 픽셀은 다수의 "열(row)"로 조직된다. 각 열에 있는 픽셀은 판독선(readout line)에 평행하게 전기적으로 연결된다. 다른 열에 있는 픽셀은 다른 판독선에 전기적으로 연결된다. 픽셀은 각 행 내의 픽셀의 게이트 전극이 게이트선에 평행하게 전기적으로 연결되고, 다른 행 내의 픽셀의 게이트 전극이 다른 게이트선에 전기적으로 연결되고, 두개의 다른 픽셀이 동일한 판독선에 연결되지 않으며 그들의 게이트 전극은 동일한 게이트선에 연결되도록 다수의 "행(column)"으로 조직될 수 있다. 용어 "열(row)" 및 "행(column)"은 픽셀이 어느 특정 방식으로 물리적으로 정렬되거나 정리되어 있는 것을 요구하지 않고, 오히려, 픽셀, 판독선 및 게이트선 사이의 위상적 관계를 설명하는데 사용된다. 본 실시예에 따른 예시적인 이미지 센서는 첫 번째, 두 번째, 세 번째, 네 번째 픽셀을 포함하고, 이들 각각은 게이트 전극, 첫번째와 두번째 픽셀에 전기적으로 연결된 첫번째 판독선, 세번째와 네번째 픽셀에 전기적으로 연결된 두번째 판독선, 첫번째와 세번째 픽셀의 게이트 전극에 전기적으로 연결된 첫번째 게이트선 및 두번째와 네번째 픽셀의 게이트 전극에 전기적으로 연결된 두번째 게이트선을 가진다.
일 실시예에서, 각 픽셀은 최소한 하나의 나노구조물(1)을 가진다. 픽셀에 있는 나노구조물(1)은 그 위에 닿는 빛을 흡수, 제한 및 전송하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 나노구조물(1)은 이의 물리적 범위에 의해 결정된 방향으로 빛을 제한하고 향하게 할 수 있는 도파관(waveguide)으로서 기능할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 픽셀은 예를 들어, 편향 전압을 제공하기 위해서, 그것에 전기적으로 연결된 공통의 전극(common electrode)을 가질 수 있다. 공통의 전극은 ITO(인듐 주석 산화물, indium tin oxide) 또는 알루미늄이 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO, AZO)과 같이 투명한 전도 물질로 제조된 상부층(top layer)일 수 있다.
일 실시예에서, 판독선 및 게이트선은 증폭기, 다중화기, D/A 또는 A/D 변환기, 컴퓨터, 극소 연산 처리 장치, 디지털 신호 처리기 등과 같은 그것에 연결되는 적합한 전기적 장치를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 나노구조물(1) 및 기판은 Si, GaAs, InAs, Ge, ZnO, InN, GaInN, GaN, AlGaInN, BN, InP, InAsP, GaInP, InGaP:Si, InGaP:Zn, GaInAs, AlInP, GaAlInP, GaAlInAsP, GaInSb, InSb, Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2, In, AuGa, AuSb, AuGe, PdGe, Ti/Pt/Au, Ti/Al/Ti/Au, Pd/Au, ITO (InSnO)와 같은 적합한 반도체 물질 및/또는 금속을 포함할 수 있다. 나노구조물(1) 및 기판은 GaP, Te, Se, S, Zn, Fe, Mg, Be, Cd 등과 같은 적합한 도펀트에 의해 도핑될 수 있다. Si3N4, GaN, InN 및 AlN와 같은 질화물의 사용이 종래 기술에 의해 쉽게 접근할 수 없었던 파장 영역의 빛을 검출할 수 있는 이미지 센서의 제조를 용이하게 할 수 있다는 것을 주목해야한다. 나노구조물(1) 및 기판의 도핑 수준은 1020 atoms/cm3까지 가능하다. 다른 적합한 물질도 가능하다.
이미지 센서의 제조 방법은 "박스 분리 기법(Box Isolation Technique)"으로도 알려진 얕은 트렌치 소자분리(shallow trench isolation, STI)를 포함할 수 있으며, STI는 일반적으로 250 나노미터 및 그보다 작은 노드를 처리하는 CMOS 기술에서 사용된다. 구형 CMOS 기술 및 비-MOS 기술은 보통 실리콘 국소 산화법(Local Oxidation of Silicon, LOCOS)에 기초한 분리를 이용한다. STI는 트랜지스터가 형성되기 전에, 일반적으로 반도체 소자 제조 과정 동안 초기에 만들어진다. STI 공정의 단계는 예를 들어, 기판 내의 트렌치의 패턴을 에칭하는 단계, 트렌치를 채우기 위해 하나 또는 그 이상의 유전체(dielectric) 물질(이산화규소와 같은)을 증착시키는 단계, 및 화학적-기계적 평탄화(chemical-mechanical planarization)와 같은 기술을 이용하여 과량의 유전체를 제거하는 단계를 포함한다.
나노구조물(1)은 적합한 리소그래피 기술(예를 들어, 광리소그래피(photolithography), 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 홀로그램 리소그래피(holographic lithography))과 결합한 딥 에칭법, 또는 보슈법(Bosch process)과 같은 드라이 에칭(dry etching)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 나노구조물(1)은 기체-액체-고체(VLS) 방법을 통해서 형성될 수 있다. 나노구조물(1)의 직경은 10에서 2000 nm, 바람직하게는 50에서 150 nm, 더 바람직하게는 90에서 150 nm일 수 있다. 나노 기둥의 길이는 10 nm에서 10000 nm, 바람직하게는 1000 nm에서 8000 nm, 더 바람직하게는 4000 nm에서 6000 nm일 수 있다. 나노구조물(1)은 원형, 사각형, 육각형과 같은 어느 적합한 단면 형상을 가질 수 있다.
나노구조물(1)은 예를 들어, 본원에 전체 참조로 포함된, 2010.6.22일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허출원번호 제61/357,429호에서 설명하는 바와 같이, 관심 있는 파장 영역을 선택적으로 흡수하기 위한 크기일 수 있다. 흡수율은 특히 일치에 가까운 다양한 나노구조물(1) 간격(피치(pitch))에 의해 조절될 수 있다.
나노구조물(1)은 클래딩 물질을 가질 수 있다. 나노구조물(1)은 UV 광, 적색광, 녹색광, 청색광, 또는 IR 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
이미지 센서는 예를 들어, 백만 또는 그 이상의 매우 많은 나노구조물(1)을 가질 수 있다.
이미지 센서의 사용 방법은 (a) 픽셀을 빛에 노출시키는 단계; (b) 픽셀의 최소한 하나의 나노 기둥 주위의 게이트 전극을 이용하여, 픽셀 내의 최소한 하나의 나노 기둥을 외부 판독회로에 연결함으로써 픽셀로부터 전기적 신호를 판독하는 단계를 포함한다. 전기적 신호는 나노 기둥에 축적된 전하, 나노 기둥을 통한 전류의 변화, 또는 나노 기둥의 전기적 임피던스의 변화일 수 있다.
도 6a 및 6b는 이미지 센서 및 제어 회로를 포함하는 장치를 나타낸다. 제어 회로는 디코더(S410) 및 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)와 다중 회로(S420)를 포함한다. 이미지 센서 및 제어 회로는 집적 회로 또는 칩(chip)으로서 형성될 수 있다. 나노 기둥을 제어 또는 다루기 위해서, 게이트 전압은 전류가 특정 게이트선(S1570)에 연결된 이들 나노 기둥을 지나도록 게이트선(S1570) 중 하나에 선택적으로 가해질 수 있으며, 판독선(S1021)은 이들 나노 기둥 각각으로부터의 전류를 판독하는데 사용될 수 있다. 이렇게 하여, 어드레싱 방법(addressing scheme)은 열별로(row-by-row)(즉, 게이트선별로(gate line by gate line)) 실행될 수 있다. TIA 및 다중화기 회로(S420)는 각 판독선(S1021)에 연결되고 각 판독선(S1021)로부터의 전류를 연속적으로 단일 단말기에 출력하기 위해 다중화기를 포함할 수 있다. TIA 및 다중화기 회로(S420)는 각 판독선(S1021)의 전류를 증폭시키고 이를 전압 신호로 변환할 수 있다. 디코더 어레이(S410)는 각 게이트선(S1570)에 연결되고 게이트 전압을 연속적으로 각 게이트선(S1570)에 가하기 위해 다중화기를 포함할 수 있다. TIA 및 다중 회로(S420) 및 디코더 어레이(S410)는 타이밍 펄스 입력으로부터의 공통의 타이밍 신호에 의해 동기화될 수 있다. 제어기는 타이밍 신호를 발생시키는데 이용될 수 있다. 제어 회로는 예를 들어, 아날로그 디지털 변환기, 노출 제어기(exposure controller), 및 편향 전압 회로 등과 같은 다른 기능적 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예시적인 TIA는 OPA381일 수 있다; 예시적인 다중화기는 ADG732일 수 있고, 예시적인 디코더는 SN74154일 수 있다(모두 Texas Instruments Inc). 이는 물론 다른 판독회로 구성요소 또한 사용될 수 있다고 인정될 것이다.
제어 회로는 와이어 본딩, 플립 칩 본딩 또는 범프 본딩과 같은 어느 적합한 관련 기술에 의한 이미지 센서에 연결될 수 있다.
도 6a에서 나타낸 바와 같이, 판독선(S1021)과 게이트선(S1570)은 평행하거나, 또는 도 6b에서 나타낸 바와 같이 "팬 출력" 모양("fan-out" shape)을 가질 수 있다. 인정되는 바와 같이, 팬 출력 모양의 전극이 외부 회로와의 연결을 위한 더 큰 공간을 제공한다.
본 발명에서 개시되는 이미지 센서는 밀착형 이미지 센서(contact image sensor, CIS)를 포함하는 다양한 이미지 센서로서 사용될 수 있다. 밀착형 이미지 센서는 픽셀의 크기와 거의 동일한 크기의 형상을 분석하는 것이 가능하다. 픽셀의 크기는 나노 기둥의 크기 및 표면장(evanescent field)이 전파되는 주위 영역에 의해 결정될 수 있다. CISs는 저출력 및 휴대용 응용에서 빠르게 교체되는 전하결합소자(charge-coupled devices, CCDs)인 광학 평판 스캐너 분야에서 비교적 최근의 기술 혁신이다. 이름이 암시하듯이, CISs는 종래의 CCD 스캐너의 경우와 같이, 고정 센서에 빛을 반사시키기 위해 거울을 이용하는 것과 달리, 이미지 센서를 스캔될 물체와 근처에 직접 접촉하도록 놓아 둔다. CIS는 일반적으로 검출용 선형 어레이(linear array of detector)로 구성되며, 초점렌즈(focusing lens)에 의해 덮여있고, 조명용 적색, 녹색, 및 청색 LED가 측면에 있다. 예를 들어, 유니버셜 시리얼 버스(universal serial bus, USB)의 연결을 통해 공급된 최소선 전압을 통해 전력으로 작동하는 많은 스캐너에서 LED의 사용은 CIS를 비교적 전력 효율적이게 한다. CIS 소자는 일반적으로 CCD 소자와 비교하여 낮은 품질의 이미지를 생산한다; 특히, 장(field)의 깊이는 제한되고, 이는 완전히 편평하지 않은 물질의 문제점을 제기한다. 하지만, CIS 밀착형 센서는 일반적으로 모듈화된다. 필요한 모든 광학 소자는 밀착형 모듈에 포함될 수 있다. 따라서, CIS 모듈은 스캐너의 내부 구조를 단순화하도록 할 수 있다. 또한, CIS 밀착형 센서는 일반적으로 CCD 선 센서보다 작고 가볍다. CIS를 이용하여, 스캐너는 30mm 정도의 높이로 이동할 수 있다.
CIS는 조명, 광학 이미징 및 검출 시스템을 포함하는 연장된 광학 어셈블리(optical assembly)를 포함할 수 있다. 조명원은 물체 부분(일반적으로 "스캔 영역"이라 한다)에 빛을 비추는 반면, 광학 이미징 시스템은 조명된 스캔 영역에서 반사된 빛을 모으고 CIS의 픽셀 위의 조명된 스캔 영역의 작은 부분(일반적으로 "스캔선(scan line)"이라 한다)에 초점을 맞춘다. 픽셀은 그 위에 입사된 빛을 전기적 신호로 변환한다. 그 다음, 전체 물체를 대표하는 이미지 데이터는 전체 물체에 걸쳐 CIS를 전면적으로(sweeping) 얻을 수 있다.
CIS를 이용하여 물체를 스캔하는 방법은 기본적으로 세단계를 포함한다: 첫 번째, CIS의 픽셀은 물체로부터 받은 반사광을 아날로그 전기적 신호로 변환한다; 두 번째, 아날로그 전기적 신호를 증폭시킨다; 세 번째, 증폭된 아날로그 전기적 신호를 아날로그 디지털(A/D) 변환기에 의해 디지털 전기적 신호로 변환시킨다. 디지털 신호는 원한다면 더 처리되거나 및/또는 저장될 수 있다.
도 6c은 일 실시예에 따른 장치(S600)를 개략적으로 나타낸 도이다. 장치(S600)는 포어옵틱(foreoptics)(S610), 이미지 센서(S620), 판독회로(ROC)(S630), 및 처리기(processor)(S640)를 포함한다. 하우징(housing)은 상기한, 장치(S600)의 하나 또는 그 이상의 구성 요소를 과도하거나 또는 주위 밝기, 환경(예를 들어, 습기, 먼지 등), 기계적 손상(예를 들어, 진동, 충격) 등으로부터 둘러싸고 보호할 수 있다.
장면(S)으로부터의 빛(L)은 장치(S600)를 향하여 발산한다. 명확성을 위해, 장치(S600) 위에 닿는 S로부터의 L만이 묘사된다. (S로부터의 L이 모든 방향으로 전파된다고 인정될지라도).
포어옵틱(S610)은 S로부터 L을 받고, 받은 L을 이미지 센서(S620)로 초점을 맞추거나 평행하도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 포어옵틱(S610)은 하나 또는 그 이상의 렌즈, 광학 필터, 편광판(polarizer), 산광기(diffuser), 시준기(collimator) 등을 포함할 수 있다.
이미지 센서(S620) 내의 픽셀은 관심 있는 파장 영역에 걸쳐 선택적인 빛의 탐지를 위하여 다른 크기(예를 들어, 약 50에서 200 nm)의 나노 기둥들을 포함할 수 있다.
ROC(630)는 이미지 센서(620)에 연결될 수 있으며, 그것으로부터 출력된 것을 받도록 설정된다.
처리기(S640)는 ROC(S630)로부터 출력된 것을 받도록 설정된다. 처리기(S640)는 어떤 경우에는, 원하는 대로 결함 수정, 선형 보정(linearity correction), 데이터 스케일링(data scaling), 주밍/확대(zooming/magnification), 데이터 압축(data compression), 색상 식별(color discrimination), 필터링(filtering), 및/또는 다른 이미지 처리를 제공하도록 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 처리기(S640)는 응용 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuits, ASICs), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Arrays, FPGAs), 디지털 신호 처리기(Digital signal processor, DSPs), 또는 다른 집적 포맷(integrated formats)과 같은 하드웨어를 포함할 수 있다. 그러나, 본 기술분야의 숙련된 자는 처리기(S640)가 전체적 또는 부분적으로, 컴퓨터로 실행 가능한 명령을 갖는 하나 또는 그 이상의 컴퓨터 프로그램 또는 하나 또는 그 이상의 컴퓨터에서 실행되는 부호로서(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 컴퓨터 시스템에서 실행되는 하나 또는 그 이상의 프로그램으로서), 하나 또는 그 이상의 처리기에서 실행되는 하나 또는 그 이상의 프로그램으로서(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 마이크로프로세서에서 실행되는 하나 또는 그 이상의 프로그램으로서), 펌웨어(firmware)로서, 또는 사실상 그들의 어느 조합으로서 집적 회로 내에서 동등하게 실행될 수 있다는 것과, 회로를 설계하고 및/또는 소프트웨어 및/또는 펌웨어를 위한 부호를 작성하는 것이 여기서 개시된 빛의 기술 분야에서 숙련된 자의 기술로 잘 진행될 것이라는 것을 인식할 것이다. 또한, 본 기술분야의 숙련된 자는 본원에 기재된 대상(subject matter)의 메커니즘이 다양한 형식의 프로그램 제품으로 나누어질 수 있다는 것과, 본원에 기재된 대상의 구체적인 실시예가 실제로 분배를 수행하는데 이용되는 컴퓨터 판독가능한 매체의 특정 유형에 관계없이 적용된다는 것을 인정할 것이다.
어떤 실행시, 장치(S600)는 분광광도계로서 하나 이상의 파장에서 반사 또는 흡수 세기를 측정하도록 설정될 수도 있다.
이미지 센서(S620)의 구조에 따라서, 다른 파장의 빛은 다른 위치에서 다른 크기를 가진 나노 기둥을 탐지할 수 있다. 세개- 또는 네개-나노 기둥 픽셀이 제조될 수 있다. 물론, 추가적 기둥을 가진 픽셀도 가능하다.
도 6d 및 6e는 실시예에 따른 예시적인 세개-나노 기둥 픽셀 및 예시적인 네개-나노 기둥 픽셀을 나타낸다. 이들 픽셀들은 이미지 센서에 포함될 수 있다.
도 6d는 일 실시예에 따른 각각 적색광, 녹색광, 및 청색광을 흡수 및/또는 검출하도록 설정된 다른 크기를 갖는 세개의 나노 기둥 R, G, B를 포함하는 픽셀(S710)을 나타낸다. 예를 들어, R, G, B 나노 기둥은 각각 약 650 nm, 510 nm, 및 475 nm 파장의 빛을 흡수 및/또는 검출하는데 효과적인 크기를 가질 수 있다. 픽셀(S710)의 직경은 10μm 이하일 수 있다. 픽셀(S710)은 표시 장치(display device)를 기초로 한 차폐된 전통적인 쉐도우에서 사용될 수 있다.
도 6e는 일 실시예에 따른 각각 적색광, 녹색광, 및 청색광을 흡수 및/또는 탐지하도록 설정된 다른 크기를 갖는 네 개의 나노 기둥 R, G, B, G를 포함하는 픽셀(S720)을 나타낸다. 두 개의 나노 기둥, G는 녹색광을 흡수 및/또는 검출한다. 픽셀(S720)의 직경은 10 μm 이하일 수 있다.
클래딩은 어떤 경우에는, 빛 흡수를 증가시키기 위해 이미지 센서의 적어도 하나의 픽셀을 둘러쌀 수 있다. 픽셀(S710) 및 (S720)의 클래딩은 예를 들어, 산화 하프늄 또는 질화규소로부터 형성될 수 있다.
인간의 눈은 단 (S, 420-440 nm), 중간(M, 530-540 nm), 장(L, 560-580 nm) 파장에서의 민감도 피크를 갖는 중간- 및 고-휘도 색각(color vision)에 대한 광수용체(추상 세포(cone cells)라 불리는)를 가지고 있다(또한, 490-495 nm에서 피크 민감도를 가진, 막대 세포라 불리는, 저-휘도 단색의 "암-시(night-vision)" 수용체가 있다). 따라서, 원칙적으로, 세 개의 매개 변수가 색감(color senstion)을 나타낸다. 색깔의 삼자극 값(tristimulus value)은 해당 테스트 색에 맞게 필요한 삼-성분계 가색 모델(three-component additive color model)에서의 세 개의 주요 색깔의 양이다. 삼자극 값은 대부분 종종 X, Y, 및 Z로 표시되는 CIE 1931 색 공간(color space)에 주어진다.
CIE XYZ 색 공간에서, 삼자극 값은 인간 눈의 S, M, 및 L 반응이 아니며, X, Y, 및 Z로 불리는 삼자극 값의 집합으로 대략 각각 적색, 녹색, 및 청색이다(X, Y, Z 값이 물리적으로 적색, 녹색, 청색으로 관찰되지 않는다는 것을 주의하라, 오히려, 그들은 적색, 녹색, 청색으로부터 '유래된' 매개변수로 간주될 수 있을 것이다). 다양한 파장의 상이한 혼합물로 이루어진, 두 개의 광원은 같은 색으로 나타날 수 있으며; 이러한 효과는 조건 등색(metamerism)이라 불린다. 빛의 스펙트럼 분포가 그들을 생성하기 위해 사용되었을지라도 두 개의 광원이 동일한 삼자극 값을 가질 때, 관찰자에게는 동일한 명백한 색깔을 가진다.
눈에 원뿔(cone)의 분배 성질로 인하여, 삼자극 값은 관찰자의 시계에 의존한다. 이러한 변수를 제거하기 위해, CIE는 표준(비색) 관찰자를 정의한다. 색-민감한 원뿔이 중심와(fovea)의 2°아크(arc) 내에 존재하기 때문에, 원래 평균 인간의 염색질 반응(chromatic response)은 2°의 각도를 통해서 보는 것으로 취해졌다. 따라서, CIE 1931 표준 관찰자는 CIE 1931 2°표준 관찰자로도 알려져 있다. 더욱 현대적이나 덜 사용되는 대안은 CIE 1964 10°표준 관찰자로, 스틸레스(Stiles) 및 버치(Burch), 및 스퍼란스카야(Speranskaya)의 작업으로부터 유래된다.
색 매칭 함수는 상기 설명된 것처럼, 관찰자의 염색질 반응의 수치적 표현이다.
CIE는 
및 
라 불리는, 삼 색-매칭 함수의 집합을 정의하며, CIE XYZ 삼자극 값 X, Y, 및 Z를 부여하는 세 개의 선형 광 검출기의 스펙트럼 민감도 곡선으로 고려될 수 있다. 이 함수는 CIE 표준 관찰자로서 총체적으로 알려져 있다.
분광 분포(spectral power distribution, I(λ))를 가진 색에 대한 삼자극 값은
도 1a-1c는 각각 나노구조물의 부분 단면도를 나타낸다.
도 2a는 기판상의 나노구조물을 나타낸다.
도 2b는 도 2a의 나노구조물의 시뮬레이션된 흡수율을 나타낸다.
도 2c는 나노구조물 위의 임의의 연결기(coupler)를 나타낸다.
도 2d 및 2e는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 사시도 및 평면도를 나타낸다.
도 2f는 태양 차광(solar-blind) 이미지 센서의 블록도를 나타낸다.
도 2g는 앞 광학(fore optics)으로 사용되는 SBUV 검출기의 개략도를 나타낸다.
도 3a는 일 실시예에 따른 장치의 사시도를 나타낸다.
도 3b는 다른 편광 빛이 그 위에 충돌할 때 서브픽셀에 있는 나노구조물의 개략도를 나타낸다.
도 3c는 편광 검출기 배열을 나타낸다.
도 3d는 도 3a의 장치에 있는 나노구조물의 평면도 및 사시도를 나타내고, 여기서 측면벽에 금속 층을 가지는 것을 특징으로 한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 광전변환 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 4b는 광전변환 장치의 구조물에서 개략적인 빛 집중을 나타낸다.
도 4c는 광전변환 장치의 예시적인 상부 단면도를 나타낸다.
도 4d는 광전변환 장치의 예시적인 사시도를 나타낸다.
도 4e는 도 4a의 광전변환 장치로부터 전류를 끌어당기는 개략도를 나타낸다.
도 4f는 광전변환 장치의 대안적인 줄무늬-형상의 구조물을 나타낸다.
도 4g는 광전변환 장치의 대안적인 메쉬-형상의 구조물을 나타낸다.
도 5a는 일 실시예에 따른 광전변환 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 5b는 광전변환 장치의 구조물에서 개략적인 빛 집중을 나타낸다.
도 5c 및 5d는 바이아스(vias)의 제조 과정을 나타낸다.
도 5e 및 5f는 예시적인 바이아스(vias)의 평면도를 나타낸다.
도 5g는 도 5a의 광전변환 장치로부터 전류를 끌어당기는 개략도를 나타낸다.
도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 장치를 나타낸다.
도 6c은 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 또 하나의 장치를 나타낸다.
도 6d 및 6e는 이미지 센서의 픽셀의 개략도를 나타내고, 상기 픽셀은 일 실시예에 따른 다른 파장 또는 색깔의 빛을 흡수 및/또는 검출하기 위해 크기화된 하나 이상의 나노기둥(nanopillar)을 가진다.
도 7a는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 7b는 도 7a의 이미지 센서의 개략적인 평면도를 나타낸다.
도 7c는 도 7a의 이미지 센서의 픽셀에 있는 두 개의 서브픽셀에 있는 두 개의 나노와이어의 예시적인 흡수 스펙트럼 및 도 7a의 이미지 센서의 기판상의 포토다이오드를 나타낸다.
도 7d는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 7e는 도 7d의 이미지 센서의 개략적인 평면도를 나타낸다.
도 7f는 도 7d의 이미지 센서의 픽셀에 있는 세 개의 서브픽셀에 있는 세 개의 나노와이어의 예시적인 흡수 스펙트럼 및 도 7d의 이미지 센서의 기판을 나타낸다.
도 7g는 도 7d의 이미지 센서의 픽셀에 있는 네 개의 서브픽셀에 있는 네 개의 나노와이어의 예시적인 흡수 스펙트럼 및 도 7d의 이미지 센서의 기판을 나타낸다.
도 7h는 개략적인 연결기 및 자외선 필터를 나타낸다.
도 7i는 이미지 센서에 있는 세 개의 서브픽셀의 예시적인 컬러-매칭 기능 및 CIE 표준 관찰자의 컬러-매칭 기능을 나타낸다.
도 8a는 전면 조사형(front side illumination)을 가진 나노와이어 구조의 광검출기를 가진 일 실시예의 픽셀의 간략화된 단면도를 나타낸다.
도 8b는 NW 구조의 광검출기에 두 부분의 마이크로렌즈를 가진 도 8a에 설명된 실시예의 양상을 나타낸다.
도 8c는 후면 조사형(back side illumination)을 가진 나노와이어 구조의 광검출기를 가진 일 실시예의 픽셀의 간략화된 단면도를 나타낸다.
도 8d는 나노와이어를 가진 CMOS 픽셀 및 수직 포토게이트(VPG)를 갖는 일 실시예를 나타낸다.
도 8e는 전위 분포(potential profile)의 일 실시예를 나타낸다.
도 8f는 이중(dual) 포토다이오드 구조물을 갖는 일 실시예의 단면도를 나타내고, 거기서 p 도핑된 NW는 p-n 접합을 형성하기 위해 n+ 에피 층으로 피복된다.
도 8g는 나노와이어 구조의 포토게이트 검출기를 가진 CMOS 픽셀의 일 실시예를 나타낸다.
도 8h은 나노와이어 구조의 p-i-n 포토다이오드 및 NW 주위의 수직 포토게이트를 가진 CMOS 능동 픽셀의 일 실시예를 나타낸다.
도 8i은 나노와이어 구조의 p-i-n 포토다이오드 및 NW 주위의 수직 포토게이트를 가진 CMOS 능동 픽셀의 또 하나의 실시예를 나타낸다.
도 8j는 후면 조사형 이미지 센서의 일 실시예를 나타낸다.
도 8k은 후면 조사형 이미지 센서의 또 하나의 실시예를 나타낸다.
도 8l 및 8m은 이미지 센서의 후면에 위치한 나노와이어를 가진 후면조사형 이미지 센서를 포함하는, 나노와이어와 같은 도파관(waveguide) 구조물의 단면도의 설명적인 실시예를 나타낸다.
도 2a는 기판상의 나노구조물을 나타낸다.
도 2b는 도 2a의 나노구조물의 시뮬레이션된 흡수율을 나타낸다.
도 2c는 나노구조물 위의 임의의 연결기(coupler)를 나타낸다.
도 2d 및 2e는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 사시도 및 평면도를 나타낸다.
도 2f는 태양 차광(solar-blind) 이미지 센서의 블록도를 나타낸다.
도 2g는 앞 광학(fore optics)으로 사용되는 SBUV 검출기의 개략도를 나타낸다.
도 3a는 일 실시예에 따른 장치의 사시도를 나타낸다.
도 3b는 다른 편광 빛이 그 위에 충돌할 때 서브픽셀에 있는 나노구조물의 개략도를 나타낸다.
도 3c는 편광 검출기 배열을 나타낸다.
도 3d는 도 3a의 장치에 있는 나노구조물의 평면도 및 사시도를 나타내고, 여기서 측면벽에 금속 층을 가지는 것을 특징으로 한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 광전변환 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 4b는 광전변환 장치의 구조물에서 개략적인 빛 집중을 나타낸다.
도 4c는 광전변환 장치의 예시적인 상부 단면도를 나타낸다.
도 4d는 광전변환 장치의 예시적인 사시도를 나타낸다.
도 4e는 도 4a의 광전변환 장치로부터 전류를 끌어당기는 개략도를 나타낸다.
도 4f는 광전변환 장치의 대안적인 줄무늬-형상의 구조물을 나타낸다.
도 4g는 광전변환 장치의 대안적인 메쉬-형상의 구조물을 나타낸다.
도 5a는 일 실시예에 따른 광전변환 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 5b는 광전변환 장치의 구조물에서 개략적인 빛 집중을 나타낸다.
도 5c 및 5d는 바이아스(vias)의 제조 과정을 나타낸다.
도 5e 및 5f는 예시적인 바이아스(vias)의 평면도를 나타낸다.
도 5g는 도 5a의 광전변환 장치로부터 전류를 끌어당기는 개략도를 나타낸다.
도 6a 및 6b는 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 장치를 나타낸다.
도 6c은 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 또 하나의 장치를 나타낸다.
도 6d 및 6e는 이미지 센서의 픽셀의 개략도를 나타내고, 상기 픽셀은 일 실시예에 따른 다른 파장 또는 색깔의 빛을 흡수 및/또는 검출하기 위해 크기화된 하나 이상의 나노기둥(nanopillar)을 가진다.
도 7a는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 7b는 도 7a의 이미지 센서의 개략적인 평면도를 나타낸다.
도 7c는 도 7a의 이미지 센서의 픽셀에 있는 두 개의 서브픽셀에 있는 두 개의 나노와이어의 예시적인 흡수 스펙트럼 및 도 7a의 이미지 센서의 기판상의 포토다이오드를 나타낸다.
도 7d는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 7e는 도 7d의 이미지 센서의 개략적인 평면도를 나타낸다.
도 7f는 도 7d의 이미지 센서의 픽셀에 있는 세 개의 서브픽셀에 있는 세 개의 나노와이어의 예시적인 흡수 스펙트럼 및 도 7d의 이미지 센서의 기판을 나타낸다.
도 7g는 도 7d의 이미지 센서의 픽셀에 있는 네 개의 서브픽셀에 있는 네 개의 나노와이어의 예시적인 흡수 스펙트럼 및 도 7d의 이미지 센서의 기판을 나타낸다.
도 7h는 개략적인 연결기 및 자외선 필터를 나타낸다.
도 7i는 이미지 센서에 있는 세 개의 서브픽셀의 예시적인 컬러-매칭 기능 및 CIE 표준 관찰자의 컬러-매칭 기능을 나타낸다.
도 8a는 전면 조사형(front side illumination)을 가진 나노와이어 구조의 광검출기를 가진 일 실시예의 픽셀의 간략화된 단면도를 나타낸다.
도 8b는 NW 구조의 광검출기에 두 부분의 마이크로렌즈를 가진 도 8a에 설명된 실시예의 양상을 나타낸다.
도 8c는 후면 조사형(back side illumination)을 가진 나노와이어 구조의 광검출기를 가진 일 실시예의 픽셀의 간략화된 단면도를 나타낸다.
도 8d는 나노와이어를 가진 CMOS 픽셀 및 수직 포토게이트(VPG)를 갖는 일 실시예를 나타낸다.
도 8e는 전위 분포(potential profile)의 일 실시예를 나타낸다.
도 8f는 이중(dual) 포토다이오드 구조물을 갖는 일 실시예의 단면도를 나타내고, 거기서 p 도핑된 NW는 p-n 접합을 형성하기 위해 n+ 에피 층으로 피복된다.
도 8g는 나노와이어 구조의 포토게이트 검출기를 가진 CMOS 픽셀의 일 실시예를 나타낸다.
도 8h은 나노와이어 구조의 p-i-n 포토다이오드 및 NW 주위의 수직 포토게이트를 가진 CMOS 능동 픽셀의 일 실시예를 나타낸다.
도 8i은 나노와이어 구조의 p-i-n 포토다이오드 및 NW 주위의 수직 포토게이트를 가진 CMOS 능동 픽셀의 또 하나의 실시예를 나타낸다.
도 8j는 후면 조사형 이미지 센서의 일 실시예를 나타낸다.
도 8k은 후면 조사형 이미지 센서의 또 하나의 실시예를 나타낸다.
도 8l 및 8m은 이미지 센서의 후면에 위치한 나노와이어를 가진 후면조사형 이미지 센서를 포함하는, 나노와이어와 같은 도파관(waveguide) 구조물의 단면도의 설명적인 실시예를 나타낸다.
실시예
도 7a는 일 실시예에 따른 이미지 센서(F100)의 개략적인 단면도를 나타낸다. 이미지 센서(F100)는 기판(F110), 하나 이상의 픽셀(F150)을 포함한다. 적어도 하나의 픽셀(F150)은 클래드(clad, F140) 및 클래드(F140) 안에 내장된 다수의 서브픽셀(F151)을 포함한다. 예로서, 두 개의 서브픽셀(F151 및 F152)을 도 7a에 나타내었다. 각각의 서브픽셀(F140)은 기판(F110)으로부터 기본적으로 수직으로 확장된 나노구조물(1)(예로, 서브픽셀(F151) 안에 있는 나노와이어(F151a) 및 서브픽셀(F152) 안에 있는 나노와이어(F152a))을 포함한다. 픽셀(F150) 사이의 공간은 물질(F160)로 채워지는 것이 바람직하다. 각각의 픽셀(F150)은 기판(F110) 및 나노와이어(F151a 및 F152a) 사이에 위치된 하나 이상의 포토다이오드(F120)를 더 포함한다.
기판(F110)은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 사파이어, 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 질화 갈륨, 게르마늄, 인듐 갈륨 비소, 황화 납, 및/또는 이들의 조합과 같은 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다.
포토다이오드(F120)는 임의의 적절한 포토다이오드일 수 있다. 포토다이오드(F120)는 p-i-n 접합의 p-n 접합 및 임의의 적절한 회로를 가질 수 있다. 포토다이오드(F120)는 클래드(F140)의 밑넓이(footprint)를 완전히 둘러싸는 공간을 가지는 것이 바람직하다.
클래드(F140)는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및/또는 이들의 조합과 같은 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다. 클래드(140)는 바람직하게는 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 70%, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 투과율을 가지는 가시광선에 실질적으로 투명하다. 일 예에서, 클래드(F140)는 실리콘 질화물이며, 약 300 nm의 직경을 갖는 원통 형상을 가진다.
물질(F160)은 이산화규소와 같은 임의의 적절한 물질을 더 포함할 수 있다. 물질(F160)의 굴절률은 클래드(F140)의 굴절률보다 더 작은 것이 바람직하다.
서브픽셀(예로, (F151) 및 (F152))에 있는 나노구조물(1)(예로, 나노와이어(F151a) 및 (F152a))은 클래드(F140)의 굴절률보다 더 크거나 같은 굴절률을 가진다. 나노구조물(1)(예로, 나노와이어(F151a) 및 (F152a)) 및 포토다이오드(F120)는 다른 흡수 스펙트럼을 가진다. 예로, 나노와이어(F151a)는 도 7c의 예시적인 흡수 스펙트럼(F181)에 나타난 바와 같이, 청파장에서 강한 흡수도를 가지며; 나노와이어(F152a)는 도 7c의 예시적인 흡수 스펙트럼(F182)에 나타난 바와 같이, 녹색 파장에서 강한 흡수도를 가지며; 포토다이오드(F120)은 도 7c의 예시적인 흡수 스펙트럼(F180)에 나타난 바와 같이, 적파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어는 다른 직경 및/또는 다른 물질을 가질 수 있다. 하나의 픽셀(F150) 안에 있는 각각의 나노와이어는 같은 픽셀 안에 있는 가장 가깝게 이웃하는 나노와이어에 바람직하게는 적어도 100 nm, 더욱 바람직하게도 적어도 200 nm의 거리를 가진다. 나노와이어는 클래드(F140)에서 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다.
서브픽셀(예로, (151) 및 (152))에 있는 나노구조물(1)(예로, 나노와이어 (F151a) 및 (F152a))은 빛을 받으면 전기 신호를 생성하도록 작동할 수 있다. 하나의 예시적인 나노와이어는 p-n 또는 p-i-n 접합을 가진 포토다이오드로, 이의 상세한 설명은 미국 특허 출원 공개 번호 12/575,221 및 12/633,305에서 확인될 수 있고, 각각 모두 전체 참조로 본원에 포함된다. 전기 신호는 전압, 전류, 전기 전도도 또는 저항, 및/또는 이들의 변화를 포함할 수 있다. 나노와이어는 표면 페시베이션 층을 가질 수 있다.
실질적으로 이미지 센서(F100)에 충돌하는 모든 가시광선(예로, >50%, >70%, 또는 >90%)은 서브픽셀(예로, (151) 및 (152)) 및 포토다이오드(F120)에 의해 흡수된다. 서프픽셀 및 포토다이오드는 다른 파장을 가진 빛을 흡수한다.
이미지 센서(F100)는 서브픽셀 및 포토다이오드(F120)로부터의 전기 신호를 검출할 수 있는 전자 회로(F190)를 더 포함할 수 있다.
일 특정 실시예에서, 각각의 픽셀(F150)은 두 개의 서브픽셀 ((F151) 및 (F152))을 가진다. 각각의 서브픽셀 (F151) 및 (F152)는 오직 하나의 나노구조물(1)(예로, 나노와이어 (F151a) 및 (F152a))을 각각 가진다. 나노와이어(F151a)는 실리콘을 포함하며, 약 25 nm의 반지름을 가지며, 청파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어(F152a)는 실리콘을 포함하며, 약 40 nm의 반지름을 가지며, 청록색 파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어 (F151a) 및 (F152a)는 약 200 nm 떨어져 있으나, 동일한 클래드(F140)에 포함된다. 각각의 픽셀(F150)은 일 실시예에 따라 두 개 이상의 서브픽셀을 가질 수 있다. 나노와이어는 수은 카드뮴 텔루라이드와 같은 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다. 나노와이어는 10 nm 내지 250 nm의 다른 적절한 반지름을 가질 수 있다.
도 7b는 이미지 센서(F100)의 개략적인 부분 평면도를 나타낸다. 예시적인 도 7b에서 나타난 바와 같이, 픽셀(F150)은 다른 입사광의 방향의 영향을 감소시키거나 제거하는 다른 방향을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 이미지 센서(F100)의 각각의 픽셀(F150)에 있는 서브픽셀 ((F151) 및 (F152)) 및 포토다이오드(F120)은 실질적으로 CIE 1931 2°표준 관찰자 또는 CIE 1964 10°표준 관찰자의 색 매칭 함수와 같은 색 매칭 함수를 가진다.
도 7d는 일 실시예에 따른 이미지 센서(F200)의 개략적인 부분 단면도를 나타낸다. 이미지 센서(F200)는 기판(F120), 하나 이상의 픽셀(F250)을 포함한다. 기판(F210)은 그 안에 어떤 포토다이오드도 포함하지 않는 것이 바람직하다. 적어도 하나의 픽셀(F250)은 클래드(F24) 및 클래드(F240) 안에 내장된 다수의 서브픽셀을 포함한다. 일 예로, 세 개의 서브픽셀 ((F251), (F252), 및 (F253))을 도 7d에 나타내었다. 각각의 서브픽셀은 기판(F210)으로부터 기본적으로 수직으로 확장된 나노구조물(1)(예로, 서브픽셀 (F251)에 있는 나노와이어 (F251a), 서브픽셀 (F252)에 있는 나노와이어 (F252a), 및 서브픽셀 (F253)에 있는 나노와이어 (F253a))을 포함한다. 픽셀(F250) 사이의 공간은 물질(F260)로 채워지는 것이 바람직하다.
기판(F210)은 실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 사파이어, 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 질화 갈륨, 게르마늄, 인듐 갈륨 비소, 황화 납, 및/또는 이들의 조합과 같은 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다.
클래드(F240)는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 등과 같은 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다. 클래드(F240)는 바람직하게는 적어도 50%, 더욱 바람직하게는 적어도 70%, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 투과율을 가지는 가시광선에 실질적으로 투명하다. 일 예에서, 클래드(F240)은 실리콘 질화물이며, 약 300 nm의 직경을 갖는 원통 형상을 가진다.
물질(F260)은 이산화규소와 같은 임의의 적절한 물질을 더 포함할 수 있다. 물질(F260)의 굴절률은 클래드(F240)의 굴절률보다 더 작은 것이 바람직하다.
서브픽셀(예로, (F251), (F252) 및 (F253))에 있는 나노구조물(1)(예로, 나노와이어 (251a), (252a), 및 (253a))은 클래드(F240)의 굴절률보다 더 크거나 같은 굴절률을 가진다. 나노와이어 및 기판(F210)은 다른 흡수 스펙트럼을 가진다. 예로, 나노와이어(F251a)는 도 7f의 예시적인 흡수 스펙트럼(F281)에 나타난 바와 같이, 청파장에서 강한 흡수도를 가지며; 나노와이어(F252a)는 도 7f의 예시적인 흡수 스펙트럼(F282)에 나타난 바와 같이, 녹색 파장에서 강한 흡수도를 가지며; 나노와이어(F253a)은 도 7f의 예시적인 흡수 스펙트럼(F283)에 나타난 바와 같이, 전체의 가시광선 스펙트럼에 걸쳐 강한 흡수도를 가지며; 기판(F210)는 도 7f의 예시적인 흡수 스펙트럼(F280)에 나타난 바와 같이, 적파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어는 다른 직경 및/또는 다른 물질을 가질 수 있다. 하나의 픽셀(F250) 안에 있는 각각의 나노와이어는 같은 픽셀 안에 있는 가장 가깝게 이웃하는 나노와이어에 적어도 100 nm, 바람직하게는 적어도 200 nm의 거리를 가진다. 클래드(F240)에 있는 나노와이어는 클래드 (F240)에서 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다. 나노와이어는 표면 패시베이션 층을 가질 수 있다. 나노와이어는 수은 카드뮴 텔루라이드와 같은 다른 적절한 물질을 포함할 수 있다. 나노와이어는 10 nm 내지 250 nm의 다른 적절한 반지름을 가질 수 있다.
서브픽셀(예로, (F251), (F252) 및 (F253))에 있는 나노구조물(1)(예로, 나노와이어 (F251a), (F252a) 및 (F253a))은 빛을 받으면 전기 신호를 생성하도록 작동할 수 있다. 하나의 예시적인 나노와이어는 p-n 또는 p-i-n 접합을 가진 포토다이오드로, 이들의 상세한 설명은 미국 특허 출원 공개 번호 12/575,221 및 12/633,305에서 확인될 수 있고, 이들 각각은 전부 참조로서 본원에 포함된다. 전기 신호는 전압, 전류, 전기 전도도 또는 저항, 및/또는 이들의 변화를 포함할 수 있다.
실질적으로 이미지 센서(F200)에 충돌하는 모든 가시광선은 서브픽셀(예로, (F251) 및 (F252) 및 (F253))에 의해 흡수된다. 서프픽셀은 다른 파장을 가진 빛을 흡수한다.
이미지 센서(F200)는 서브픽셀로부터의 전기 신호를 검출할 수 있는 전자 회로(F290)를 더 포함할 수 있다.
일 특정 실시예에서, 각각의 픽셀(F250)은 세 개의 서브픽셀 (F251), (F252), 및 (F253)을 가진다. 각각의 서브픽셀 (F251), (F252) 및 (F253)는 각각 오직 하나의 나노와이어 (F251a), (F252a), 및 (F253a)를 가진다. 나노와이어(F251a)는 실리콘을 포함하며, 약 25 nm의 반지름을 가지며, 청파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어(F252a)는 실리콘을 포함하며, 약 40 nm의 반지름을 가지며, 녹색 파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어(F253a)는 실리콘을 포함하며, 약 45 nm의 반지름을 가지며, 전체 가시광선 스펙트럼에 걸쳐 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어 (F251a), (F252a), 및 (F253a)는 약 200 nm 떨어져 있으나, 동일한 클래드(F240)에 포함된다. 클래드(F240)는 약 400 nm의 지름을 가지는 원통형 모양이다. 각각의 픽셀(F250)은 일 실시예에 따라 세 개 이상의 서브픽셀을 가질 수 있다.
다른 특정 실시예에서, 각각의 픽셀(F250)은 네 개의 서브픽셀 (F251), (F252), (F253) 및 (F254)을 가진다. 각각의 서브픽셀 (F251), (F252), (F253) 및 (F254)는 오직 하나의 나노구조물(1)(예로, 각각 나노와이어 (F251a), (F252a), (F253a) 및 (F254a))을 가진다. 나노와이어(F251a)는 실리콘을 포함하며, 약 25 nm의 반지름을 가지며, 청파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어(F252a)는 실리콘을 포함하며, 약 40 nm의 반지름을 가지며, 녹색 파장에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어(F253a)는 실리콘을 포함하며, 약 45 nm의 반지름을 가지며, 전체 가시광선 스펙트럼에 걸쳐 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어(F254a)는 실리콘을 포함하며, 약 35 nm의 반지름을 가지며, 청녹색 파장(예로, 400 내지 550 nm)에서 강한 흡수도를 가진다. 나노와이어 (F251a), (F252a), (F253a) 및 (F254a)는 약 200 nm 떨어져 있으나, 동일한 클래드(F240)에 포함된다. 클래드(F240)는 약 400 nm의 지름을 가지는 원통형 모양이다. 도 7g는 각각 나노와이어 (F251a), (F252a), (F253a) 및 (F254a)의 예시적인 흡수 스펙트럼 (F291), (F292), (F293) 및 (F294)를 나타낸다.
도 7e는 이미지 센서(F200)의 개략적인 부분 평면도를 나타낸다. 예시적인 도 7e에 나타난 바와 같이, 픽셀(F250)은 입사광의 방향의 영향을 감소시키거나 제거하는 다른 방향을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이미지 센서(F100), 또는 (F200)는 도 7h에 나타난 바와 같이, 각각의 픽셀 (F150) 또는 (F250) 위에 결합기(F350)를 더 포함할 수 있다. 각각의 결합기(F350)는 실질적으로 픽셀 아래 쪽과 같은 동일한 밑넓이를 가지며, 볼록한 표면을 가진다. 결합기(F350)는 그 위에 충돌하는 모든 가시광선을 클래드 (F140) 또는 (F240) 속으로 집중하는데 효과적이다.
도 7h에 나타난 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 이미지 센서(F100) 또는 (F200)은 적외선 필터(F360)를 더 포함할 수 있고, 그것은 픽셀에 도달하는 650 nm 이상의 파장을 가진 빛과 같은 적외선을 막기 위하여 작동한다. 일 실시예에 따르면, 이미지 센서 (F100) 또는 (F200)은 적외선 필터를 포함하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 나노와이어는 드라이 에칭 공정 또는 기체-액체-고체(VLS) 성장 방법에 의해 형성될 수 있다. 물론, 다른 물질 및/또는 제조 기술도 본 발명의 범위를 유지하면서 나노와이어를 제조하는데 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예로, 인듐 비소(InAs) 웨이퍼 또는 관련된 물질로부터 제조된 나노와이어가 IR 응용에 사용될 수 있다.
또한, 나노와이어는 자외선(UV) 또는 적외선(IR) 스펙트럼과 같은, 가시광선 스펙트럼이 아닌, 파장에서 강한 흡수를 가지도록 만들어질 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 나노와이어는 그 안에 또는 그 위에 트랜지스터를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 이미지 센서(F200)의 각각의 픽셀(F250)에 있는 서브픽셀 (F251), (F252), 및 (F253)은 CIE 1931 2°표준 관찰자 또는 CIE 1964 10°표준 관찰자의 색 매칭 함수와 실질적으로 동일한 색 매칭 함수를 가진다.
도 7i는 각각 서브픽셀 (F251), (F252), 및 (F253)의 예시적인 색-매칭 함수 (F451), (F452), 및 (F453)을 나타낸다. 색 매칭 함수 (F461), (F462), 및 (F463)은 CIE 표준 관찰자의 
및 
이다.
이미지 센서 (F100) 또는 (F200)은 이미지를 감지하거나 캡처하는데 사용될 수 있다. 이미지를 감지하는 방법은 렌즈 및/또는 거울과 같은 임의의 적절한 광학 장치를 사용하여 이미지를 이미지 센서 (F100) 또는 (F200)에 투영하는 단계; 적절한 회로를 이용하여 각 픽셀의 각 서브픽셀에 있는 나노와이어로부터 전기 신호를 검출하는 단계; 서브픽셀의 전기 신호로부터 각 픽셀의 색을 계산하는 단계를 포함한다.
도 8a는 이미징 장치에 있는 픽셀의 단순화된 단면도를 나타낸다. 각각의 픽셀은 기판 위에 금속 선(D103)을 가진 반도체 기판(D101) 위에 형성된 판독 회로(D100)를 포함한다. 감광 소자로서, 나노구조물(1)은 기판으로부터 직립으로 형성된다. 광 흡수는 나노구조물(1)의 길이를 따라 발생한다. 나노구조물(1)의 출력은 기판에 위치한 판독 회로(D100)에 연결될 수 있다. 나노구조물(1)의 밑넓이가 작기 때문에, 하나 이상의 나노구조물(1)이 픽셀에 형성될 수 있다. 나노구조물(1)의 긴 수직 구조의 역할은 빛 에너지의 특정 대역을 흡수하고, 상응하는 전기 신호를 생성하고 및/또는 최소한의 손실로 기판 다이오드에 흡수되지 않은 빛 에너지를 유도하는 것으로, 도파관으로서 수행한다. 나노구조물(1)의 상단부에서, 광결합기(optical coupler)(예로, 렌즈)(D105)는 최소한의 손실 또는 반사를 가지고 입사광을 나노구조물(1)로 결합하도록 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 마이크로 렌즈는 결합기로 사용될 수 있다. 마이크로렌즈는 구형의 볼 렌즈일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구형의 볼 렌즈의 결합 효율은 일반적으로 90% 이상이다. 또 다른 측면에서, 이진 마이크로렌즈가 도 8b에 나타난 것처럼 사용될 수 있다.
도 8c은 얇아진 반도체 기판의 후면에 나노구조물(1)을 가지는 픽셀의 간략화된 단면도를 나타낸다. 나노구조물(1)은 특정 대역에서 빛 에너지를 흡수하고 전하를 얇아진 기판에 덤핑하여 광 전하(photo charge)를 생성한다. 그 다음 전계를 이용하여 얇아진 기판에 있는 판독 회로(D100)에 의해 전하를 수집한다. 또한, 나노와이어는 기판(D108)에 흡수되지 않은 빛을 유도하고 결합한다. 기판(D108)의 후면에 나노구조물(1)을 이용하는 이점은 나노와이어의 제조의 용이성이다. 전면 측에 나노와이어를 형성할 때에는, 나노구조물(1)이 제작될 것으로 예상되는 영역에 도 8b에서 설명된 두꺼운 유전체 층(D104)을 제거할 필요가 있다. 대조적으로, 도 8c에 개시된 실시예는 이러한 제거 단계 없이 만들어질 수 있다. 또한, 나노구조물(1)은 CMOS 장치의 전면 측 구조의 수정 없이 제조될 수 있다. 이러한 실시예는 전면의 금속 절연 층(D106) 및 후방의 금속 절연 층(D107) 모두를 포함한다. 또한, 전면 측의 실시예서처럼, 광 결합기(D105)의 마이크로렌즈는 나노구조물(1)에 결합될 수 있다.
나노구조물(1)은 다양한 광검출기 구성으로 구성될 수 있다. 이러한 구성은 광 전도체(photo conductor), 포토다이오드, 또는 포토게이트 장치를 포함한다. 광 전도체는 입사광의 함수로서 변화하는 저항을 가진 감광 장치이다. 포토다이오드는 광 전하로서 전자-정공 쌍을 생성하는 p-n 다이오드 또는 p-i-n 다이오드이다. 포토게이트 장치는 반도체에 전위 웰(potential well)을 생성하고, 전위 웰에 광 전하를 축적하는 바이어스된 게이트를 갖는 MOS(금속-산화물-반도체) 장치이다. 이하의 실시예에서, 포토다이오드, 포토게이트 장치, 또는 포토다이오드와 포토게이트 검출기의 조합의 다양한 구성이 광 검출 소자로 구현된다.
도 8d는 포토게이트 장치로서 구성된 나노구조물(1)을 갖는 CMOS 픽셀의 단면도를 나타낸다. 이 실시예에서, 픽셀 당 두 개의 광검출기, 나노구조물(1) 및 기판 다이오드가 있다. 나노구조물(1)은 유전체 클래딩 층 및 수직 게이트를 가진다. 나노구조물(1)에 의해 둘러싸인 수직 게이트의 역할은 수직 게이트에 약간의 바이어스 전압을 인가함으로써 도 8e에 나타난 바와 같이, 나노구조물(1)을 고갈시키고, 나노구조물(1)에 전위 웰을 생성시키는 것이다. 또한 바이어스 전압의 증가는 나노구조물(1)의 표면 영역을 뒤집을 것이다. 그 결과로서, 나노구조물(1)은 불순물의 도핑없이 핀 포토다이오드(pinned photodiode)와 유사하게 작용한다.
나노구조물(1)의 전위는 나노구조물(1)의 C1-C2 축 방향을 따라 일정하지 않다. 이것은, 나노구조물(1)의 상단부가 열려 있어 게이트 바이어스에 의해 영향받는데 반해, 나노구조물(1)의 하단부는 리셋동안 양의 바이어스 전압을 가지며, 리셋 후에 바이어스를 보유하는 N-웰에 연결되어 있기 때문이다.
기판에서, p-n 접합 다이오드는 p-형 기판과 n-웰 영역 사이에서 형성될 수 있다. p+ 층은 나노구조물(1)의 접합부를 제외한 n-웰 표면을 덮는다. 이 p+의 형상은 나노구조물(1)로부터 오는 광 전하를 받을 수 있으며, 기판의 표면 상태로 인한 암 전류를 억제한다. 나노구조물(1)을 통과한 빛이 기판 다이오드를 조명할 수 있으므로, 광 전하는 기판 다이오드에서 생성되고 전위 웰에서 수집된다. 결과적으로, 전위 웰은 NW 및 기판 다이오드의 양 쪽으로부터 전하를 수집한다. 오직 입사광의 일 부분만을 이용하는 통상적인 CMOS 픽셀과 비교하여, 이 실시예는 대부분의 입사광을 이용함으로써 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
기판 광 다이오드의 n-웰은 저농도로 도핑되어 있으므로, n- 영역은 낮은 바이어스 전압에도 쉽게 고갈될 수 있다. 전송 게이트가 켜져 있을 때, 고갈된 n-웰은 기판 다이오드로부터 감지 노드(sense node)에 완전한 전하 전송을 위해 선호된다. 완전한 전하 전송은 CCD 장치와 유사한 광 전하의 저 잡음 판독을 허용한다.
감지 노드는 기판 내에서 n+ 확산과 함께 형성된다. 감지 노드는 증폭 트랜지스터, 예로, 소스 폴로어 트랜지스터(source follower transistor)로 구성된 트랜지스터에 연결된다. 선택 스위치 트랜지스터는 출력 노드에 증폭기 출력의 연결을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 리셋 트랜지스터는 감지 노드에 연결될 수 있고, 그 결과 리셋 게이트가 활성화될 때, 감지 노드는 VDD에 바이어스된다. 전송 게이트가 활성화될 때, n-웰은 감지 노드에 전기적으로 연결된다. 그 다음, n-웰은 양으로 바이어스되고, 나노구조물(1)에 있는 전위 경사도는 n-웰 전위 및 수직 포토게이트 바이어스 전압 사이에서 확립된다. 도 8f은 이중 포토다이오드 구조물의 단면도이다.
도 8g는 나노구조물(1)을 가진 CMOS 픽셀의 일 실시예를 나타낸다. 이 실시예는 NW 주위에 두 개의 수직 포토게이트(VP 게이트1, VP 게이트2), 기판 포토다이오도, 및 판독 회로를 포함한다. 판독 회로는 전송 게이트(TX), 리셋 게이트(RG), 소스 폴로어 트랜지스터, 및 픽셀 선택 스위치를 포함한다. 도 8g에서 완충 증폭기는 단순화한 소스 폴로어 트랜지스터 및 픽셀 선택 스위치를 나타낸다. 이 실시예에서, 직립 나노구조물은 n-, 즉 저농도로 도핑된 n-형 또는 진성 반도체로 형성되어, 나노구조물(1)이 VP 게이트 1로부터 낮은 음의 바이어스 전압으로도 쉽게 고갈될 수 있다. 바람직하게, 수직 포토게이트 VP 게이트 1으로부터의 음의 바이어스 전압은 도 8e에서 설명된 것처럼, 나노구조물(1)의 표면 상태로 인한 암 전류(dark current)를 억제하기 위해 나노구조물(1)의 표면에 정공을 축적하는 원인이 될 수 있다.
두 번째 수직 포토게이트 VP 게이트 2는 on/off 스위치일 수 있다. 이 스위치는 기판 포토다이오드에서 집적된 광 전하로부터 나노구조물(1)에서 생성된 광 전하를 분리하기 위해 구성될 수 있다. 광 전하는 나노구조물(1) 및 기판 포토다이오드의 양쪽에서 동시에 집적된다. 그러나, 광 전하는 두 번째 포토게이트 VP 게이트 2의 off-상태가 NW 및 기판 포토다이오드 사이에 전위 장벽을 형성하기 때문에 분리된 전위 웰에서 집적된다. 이러한 방식에서, 나노구조물(1) 및 기판 포토다이오드로부터의 신호는 서로 혼합되지 않는다. 이러한 두 포토다이오드는 다른 파장의 방사선에 의해 생선된 전하를 수집하기 위해 사용될 수 있다.
이 실시예에서 구현된 수직 포토게이트는 복잡한 이온 주입 공정을 사용하지 않고 나노구조물(1)에 전위 프로파일을 쉽게 변경하는 능력을 허용한다. 통상적인 포토게이트 픽셀은 매우 부족한 양자 효율과 부족한 청색 반응(blue respone)으로부터 고통받는다. 통상적인 포토게이트는 일반적으로 기판 포토다이오드의 상부 표면을 덮고 청색광 근처의 단 파장을 흡수하는 폴리실리콘으로 만들어짐으로써 포토다이오드에 도달하는 청색광을 감소시킨다. 대조적으로 수직 포토게이트는 빛의 경로를 차단하지 않는다. 이것은, 수직 포토게이트(VPG)가 반도체에서 전위 프로파일을 조절하기 위해 포토다이오드를 가로 질러 측면으로 놓여 있지 않기 때문이다.
추가적으로, 이미지 센서의 픽셀 크기가 감소함에 따라, 이미지 센서의 구멍의 크기는 전파되는 빛의 파장과 유사해진다. 통상적인 평판 형 포토다이드의 경우, 이것은 부족한 양자 효율(QE)를 초래한다. 그러나, 나노구조물(1)과 VPG 구조물의 조합은 좋은 QE를 갖는 초소형 픽셀을 허용한다.
본 실시예의 픽셀은 나노구조물(1) 및 기판 다이오드 사이의 신호를 별도로 판독하기 위해 두 단계 공정을 이용한다. 첫 번째 단계에서, 기판 다이오드에서 신호 전하가 판독된다. 그 다음, 기판에 있는 n- 영역이 고갈된다. 두 번째 단계에서, 두 번째 포토게이트 VP 게이트 2가 먼저 켜진다. 다음으로, 나노구조물(1)에 있는 신호 전하가 판독된다.
이 실시예의 장치는 "스냅샷(snapshot)" 작동에서 작동될 수 있다. "스냅샷" 작동에서, 픽셀 배열에 있는 모든 포토게이트 VP 게이트 2는 동시에 on 또는 off되는 것이 바람직하다. 전송 게이트 TX에 대해서도 동일하게 실현된다. 이를 위해, 두 번째 포토게이트 VP 게이트 2는 글로벌(global) 연결과 모두 연결된다. 또한, 모든 전송 게이트 TX는 두 번째 글로벌 연결과 연결된다.
일반적으로, 리셋 게이트 RG의 글로벌 작동은 실용적 이유로 인해 피해야한다. 픽셀 배열에서, 열마다 배열을 글로벌하게 리셋하는 것은 일반적인 것이다. 만일 스냅샷 작동이 이용되지 않는다면, 개별적인 픽셀 작동이 가능할 것이다. 이런 경우, 글로벌한 연결을 가지는 것은 불필요하다.
도 8h 및 도 8i은 나노구조물(1) 주위에 나노와이어 구조의 p-i-n 포토다이오드 및 수직 포토게이트를 갖는 CMOS 능동 픽셀의 실시예를 나타낸다. 나노구조물(1)은 전도성 층 및 금속 층과 같은 에피택셜하게 성장한 층을 포함하는 하나 이상의 수직 포토게이트를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 도 8h에 나타난 바와 같이, 픽셀은 두 개의 포토다이오드, 나노구조물(1) 포토다이오드 및 기판 포토다이오드를 포함할 수 있다. 또한, 이 실시예는 두 개의 수직 포토게이트(VP 게이트 1, VP 게이트 2), 전송 게이트(TX) 및 리셋 게이트(RG)를 포함한다. 바람직하게는, 포토다이오드 둘 다 저농도로 도핑된다. 이것은, 저농도 영역이 낮은 바이어스 전압으로도 쉽게 고갈되기 때문이다.
기판 포토다이오드의 표면 영역은 제조 중에 야기된 공정 유도된 손상 및 나노구조물(1)과 연관된 격자 스트레스로 인해 결함이 생기기 쉬울 수 있다. 이러한 결함은 암 전류원으로 작용할 수 있다.
바람직하게는, 기판은 접지, 즉 제로 전압으로 연결되어 있다. 이 실시예에서, 리셋 드레인은 도핑된 n+인 것이 바람직하고, 양으로 바이어스된다. 전송 게이트 TX 및 리셋 게이트가 켜 있을 때, 기판에서 n- 영역은 양으로 바이어스된다. 이 리셋 작동은 p 기판 및 n- 영역 사이에의 역 바이어스 조건 때문에, n- 영역이 고갈되는 결과를 초래한다. 전송 게이트 TX 및 리셋 게이트 RG가 off 상태일 때, n- 영역은 양의 바이어스를 유지하고, p-서브 영역에 대하여 부동 캐패서터(floating capacitor)를 형성한다.
첫 번째 수직 포토게이트 VP 게이트 1은 나노구조물(1)에서 전위를 조절하기 위해 구성될 수 있고, 전위 경사도는 NW 포토다이오드 및 기판 다이오드 사이에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 나노구조물(1)에 있는 광 전하는 판독 동안 기판의 n- 영역으로 빠르게 이동할 수 있다. 두 번째 수직 포토게이트 VP 게이트 2는 on/off 스위치일 수 있다.
도 8j 및 도 8k는 후-면 조명된 이미지 센서의 실시예를 나타낸다. 나노구조물(1)은 p-기판의 후면에서 형성될 수 있다. 기판은 픽셀 배열을 포함하는 지역에 대해 반도체 기판 물질을 제거함으로써 얇아질 수 있다. 예를 들어, p-기판은 3 내지 50 마이크론, 더욱 바람직하게는 6 내지 20 마이크론 사이의 두께까지 얇아질 수 있다. 기판 포토다이오드는 통상적인 이미지 센서에서처럼 모든 금속 선을 포함하는 측면으로부터가 아니라, 후-면으로부터 모든 빛을 받을 수 있다.
전면은 전송 게이트 TX, 리셋 게이트 RG를 갖는 리셋 스위치, 소스 폴로어 증폭기, 및 선택 스위치를 포함하는 4-T 판독 회로를 포함할 수 있다. 또한, 판독 회로는 리셋 게이트 RG를 갖는 리셋 스위치, 소스 폴로어 증폭기, 및 선택 스위치를 포함하는 3-T 픽셀 회로로 구성될 수 있다. 전면에서, 기판 포토다이오드는 도 8j 및 도 8k에 나타난 바와 같이 얕은 p+ 층과 함께 형성될 수 있다. 기판의 양면에 p+을 가지는 목적은 암 전류를 억제하기 위한 것이다. 매립된 p층은 후면으로부터 들어오는 전하 흐름을 차단하고, n- 영역으로 전하를 들어가게 하기 위해 n+ 확산 층 아래에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 매립된 p 층의 도핑은 p- 기판의 도핑보다 더 높으나, p+ 층의 도핑보다는 높지 않다. 전면 포토다이오드는 광 흡수를 위한 것이 아니라, 나노구조물(1) 및 광 흡수가 발생하는 후면 p- 기판으로부터 오는 전하를 수집하기 위한 것이다. 나노구조물(1)은 NW 및 두 개의 수직 포토게이트, 즉 스위치에 대해 하나, 및 NW에서 전위의 조절에 대해 나머지 하나를 둘러싸는 유전체 층(클래딩 층)을 가질 수 있다.
일반적으로, 도 8j 및 도 8k의 실시예에서, 두 단계 공정은 각각의 포토다이오드로부터 별도로 신호 전하를 판독하기 위해 이용된다. 첫 번째 단계는 전면에 있는 기판 다이오드로부터 전하를 판독하는 것이다. 이 후에 즉시, VP 게이트 1을 켜서, 나노구조물(1)로부터의 전하를 판독할 것이다.
바람직하게는, 도 8j 및 도 8k의 실시예는 중앙에 정공을 가진 후면 기판에 얕은 p+ 층을 가져야하고, 그 결과 p+ 층은 후면 나노구조물(1)로부터 오는 전하를 차단하지 못한다. 또한, 바람직하게는, n-웰이 쉽게 고갈될 수 있도록, 전면에는 얕은 p+ 층 아래에 저농도로 도핑된 n-웰 또는 n-층이 있어야 한다.
도 8k는 후면 조명된 CMOS 픽셀의 대안적인 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 나노구조물(1)을 위한 수직 포토게이트를 가지는 대신, p+ 층은 나노구조물(1)에 NW의 바깥쪽 쉘에 코팅되어, 나노구조물(1)에 고정된 전계를 생성하는 것을 돕는다. 이러한 구성을 가지고, 광 전하는 쉽게 상 방향으로 이동할 수 있다. 후-면 조명 CMOS 픽셀의 특징은 도 8j의 픽셀의 그것과 유사하다.
도 8l는 기판 포토다이오드를 함유하는 완전히 가공된 웨이퍼의 후-면에 나노구조물(1)을 나타낸 실시예이다. 도 8m는 기판 포토다이오드를 함유하는 완전히 가공된 웨이퍼의 후-면에 나노구조물(1)을 나타내는 실시예이다. 기판 포토다이오드는 방사선을 흡수하여 나노와이어로 전달되는 것을 허용하지 않는다. 그 안에 포토다이오드를 가지는 후면 얇아진 이미지 센서의 구조물의 예는 도 8l 및 도 8m에 나타난다.
상기한 상세한 설명은 도표, 순서도, 및/또는 예시에 의한 장치 및/또는 공정의 다양한 실시예를 제시한다. 이러한 도표, 순서도, 및/또는 예시가 하나 또는 그 이상의 기능 및/또는 작용을 포함하는 경우에 있어서, 각 도표, 순서도 또는 예시 내의 각 기능 및/또는 작용이 광범위한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 사실상 이들의 어느 조합에 의해 개별적 및/또는 총괄적으로 수행될 수 있다는 것을 본 기술분야의 숙련된 자에 의해 이해될 것이다.
본 기술분야의 숙련된 자들은 본원에 기재된 방식으로 장치 및/또는 공정을 설명하는 것이 기술 분야에서 공통이라는 것을 인식할 것이고, 그 후, 데이트 처리 시스템으로 상기 설명된 장치 및/또는 공정을 통합하는 공학 실무(engineering practices)를 이용할 것이다. 즉, 적어도 본원에서 설명된 장치 및/또는 공정의 일 부분은 적당한 양의 실험을 통해 데이터 처리 시스템으로 통합될 수 있다.
본 명세서에 기재된 대상은 때때로 기타 구성요소와 연결, 또는 포함된 다른 구성요소들을 나타낸다. 이렇게 묘사된 구조는 단지 예시적인 것이며, 실제로 동일한 기능을 수행하는 많은 다른 구조들이 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 개념적인 의미에서, 동일한 기능이 달성되도록 하는 구성요소의 어느 배열은 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "결합"되어있다. 그러므로, 특정 기능을 달성하기 위하여 여기에서 결합된 어느 두개의 구성요소는 구조 또는 중간 부품과 관계없이 서로 "결합되어" 원하는 기능이 달성된 것처럼 보일 수 있다.
대체로 본 명세서에서 어느 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 본 기술분야의 숙련된 자는 문맥 및/또는 응용에 적합하게 복수에서 단수로 및/또는 단수에서 복수로 번역할 수 있다. 다양한 단수/복수 순열은 명확성을 위하여 본 명세서에 분명히 개시될 수 있다.
특허, 특허 출원 및 비 특허 문헌을 포함하나 이에 국한되지 않는 모든 참고 문헌은 전체 참조로 본원에 포함된다.
다양한 양태 및 실시예가 본원에 개시되었지만, 다른 양태 및 실시예가 본 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 본원에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 설명을 목적으로 한 것으로 이에 한정되는 것은 아니며, 실제 범위와 사상은 다음의 청구범위에 의해 나타난다.
Claims (20)
- 기판:
기판에 기본적으로 수직으로 확장되는 하나 이상의 나노구조물;을 포함하고,
여기서 나노구조물은 첫 번째 유형의 도핑된 반도체의 코어, 저농도로 도핑된 비정질 반도체 또는 진성 비정질 반도체를 포함하는 첫 번째 층, 및 첫 번째 유형과 반대인 두 번째 유형의 고농도로 도핑된 비정질 반도체 층을 포함하는 두 번째 층을 포함하고, 첫 번째 층은 코어 위에 배치되고, 두 번째 층은 첫 번째 층 위에 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 1항에 있어서, 첫 번째 층은 적어도 코어의 표면을 패시베이션하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 1항에 있어서, 첫 번째 층은 기판으로부터 적어도 코어의 단부(end portion)에 대해 등방성으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 3항에 있어서, 두 번째 층은 적어도 첫 번째 층의 일 부분에 대해 등방성으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 1항에 있어서, 첫 번째 층은 기판으로부터 코어의 단부 표면 위에 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 5항에 있어서, 두 번째 층은 첫 번째 층 위에 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 6항에 있어서, 첫 번째 층과 두 번째 층은 적어도 기판에 평행한 방향으로 코어와 같은 공간을 차지하는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 5항에 있어서, 코어의 측면벽은 적어도 부분적으로 전기 절연 층에 의해 덮히는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 8항에 있어서, 첫 번째 층과 두 번째 층은 적어도 기판에 평행한 방향으로 전기 절연 층과 같은 공간을 차지하는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 1항에 있어서, 코어는 도핑된 실리콘, 도핑된 게르마늄, 도핑된 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 도핑된 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, 및 도핑된 4차 반도체로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 도핑된 반도체 물질을 포함하고, 여기에서 첫 번째 층은 진성 비정질 실리콘, 진성 비정질 게르마늄, 진성 비정질 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 및 진성 비정질 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 진성 비정질 반도체를 포함하고, 두 번째 층은 고농도 도핑된 비정질 실리콘, 고농도 도핑된 비정질 게르마늄, 고농도 도핑된 비정질 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 및 고농도 도핑된 비정질 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 고농도 도핑된 비정질 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 1항에 있어서, 코어는 저농도로 도핑되는 것을 특징으로 하는, 장치
- 제 1항에 있어서, 첫 번째 층은 2 nm 내지 100 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 1항에 있어서, 두 번째 층은 적어도 10 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 1항에 있어서, 두 번째 층, 첫 번째 층 및 코어는 p-i-n 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 제 1항에 있어서, 나노구조물은 나노와이어 또는 나노슬래브인 것을 특징으로 하는, 장치.
- 원자층 증착(ALD) 또는 화학 기상 증착(CVD)에 의해 코어 위에 첫 번째 층을 증착하는 단계; 및
ALD 또는 CVD에 의해 첫 번째 층 위에 두 번째 층을 증착하는 단계를 포함하는, 제 1항의 장치의 제조 방법. - 기판:
기판에 기본적으로 수직으로 확장되는 하나 이상의 나노구조물;을 포함하고,
여기서 나노구조물은 코어 및 패시베이션 층을 포함하고, 패시베이션 층은 적어도 코어의 표면을 패시베이션하기 위해 구성되고, 코어와 함께 p-i-n 접합을 형성하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 17항에 있어서, 패시베이션 층은 비정질 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
- 기판;
기판에 기본적으로 수직으로 확장되는 하나 이상의 나노구조물;을 포함하고,
여기서 나노구조물은 코어 및 패시베이션 층을 포함하고, 패시베이션 층은 적어도 코어의 표면을 패시베이션하기 위해 구성되고;
장치는 빛을 전기로 변환하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제 19항에 있어서, 패시베이션 층은 코어와 함께 p-i-n 접합을 형성하기 위해 배치되고, p-i-n 접합은 빛을 전기로 변환하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는, 장치.
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