KR20140053943A - Cmos 이미지 센서를 갖는 ir 업 컨버전 디바이스를 집적한 적외선 이미징 디바이스 - Google Patents
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Abstract
이미징 디바이스는, CMOS 이미지 센서(CIS) 상에 IR 업 컨버전 디바이스를 포함하고, 상기 업 컨버전 디바이스는 투명 다층 스택을 포함한다. 다층 스택은 투명 애노드와 투명 캐소드 사이에 위치한 IR 감광층 및 광 발산층을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 다층 스택은 기계적 패스너 또는 접착제에 의해, 또는 접합에 의해 CIS에 결합된 투명 서포트 상에 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에서, CIS는 다층 스택의 형성을 위한 지지 기판으로서 동작한다.
Description
본 출원은 2011년 6월 6일 출원된 미국 가출원 일련 번호 61/493,691의 우선권을 주장하고, 도표, 표 또는 도면을 포함하여 그 내용 전체가 참조로써 본문에 포함된다.
최근에, 야간 영상, 거리 측정 및 보안뿐만 아니라 반도체 웨이퍼 검사에서의 잠재적 적용가능성으로 인해 광(light) 업 컨버전 디바이스들의 연구가 큰 관심을 끌어오고 있다. 초기의 근적외선(near infrared; NIR) 업 컨버전 디바이스들은 대부분 광검출 및 발광 섹션이 연속으로 배치된 무기 반도체(inorganic semiconductor)의 이종결합 구조에 기초하였다. 업 컨버전 디바이스는 주로 광검출의 방법에 의해 구분된다. 디바이스들의 업 컨버전 효율은 일반적으로 매우 낮다. 예를 들면, 반도체 기반 광검출기(photodetector)를 갖는 발광 다이오드(light-emitting diode; LED)를 내장하는 하나의 NIR-가시광(NIR-to-visible) 광 업 컨버전 디바이스는 고작 0.048 (4.8%) W/W의 최대 외부 전환 효율을 보인다. InGaAs/InP 광검출기가 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode; OLED)에 결합된 하이브리드 유기/무기 업 컨버전 디바이스는 0.7% W/W의 외부 전환 효율을 보인다.
현재, 무기 및 하이브리드 업 컨버전 디비이스들은 제조하기에 고가이고 이들 디바이스를 제조하기에 사용되는 공정들은 다양한 분야의 적용에 호환되지 않는다. 비록 실용적 업 컨버전 디바이스를 위한 충분한 효율을 허용하는 것이 확인되지 않았지만, 더 높은 전환 효율을 갖는 저비용의 업 컨버전 디바이스를 얻기 위한 노력들이 수행되고 있다. 야간 촬상 디바이스들 등의 일부 애플리케이션들에서, 넓은 흡수 스펙트럼을 갖는 적외선(IR) 감광층을 갖는 업 컨버전 디바이스들이 매우 바람직하다. 또한, 달빛 또는 임의의 부가적 조명 소스(source)가 필요없이 신호를 증폭하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예들은 다층 스택(multilayer stack) 구조 및 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor; CIS)를 갖는 투명 적외선(IR)-가시광 업 컨버전 디바이스를 구비하는 이미징 디바이스들에 관한 것이다. 스택층 구조는 투명 애노드(anode), 적어도 하나의 정공 차단층, IR 감광층, 적어도 하나의 정공 수송층(HTL), 발광층(LED), 적어도 하나의 전자 수송층(ETL), 및 투명 캐소드(cathode)를 포함한다. 부가적으로, 업 컨버전 디바이스는 반사방지 층 및/또는 IR 통과 가시광 차단 층(IR pass visible blocking layer)을 포함할 수 있다. 다층 스택은 기판 상에 형성될 수 있다. 기판은 CIS일 수 있다. 기판은 단단한(rigid) 서포트 층 일수 있고 업 컨버전 디바이스는 기계적 패스너(fastener) 또는 접착제로 CIS에 결합되거나, 또는 서포트 층은 가요성일 수 있고 업 컨버전 디바이스는 CIS 상에 적층되어(laminated) 이미징 디바이스를 형성한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 CMOS 이미지 센서(CIS)와 함께 이용될 적외선-가시광 업 컨버전 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 2는 도 1의 업 컨버전 디바이스의 에너지 대역 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미징 디바이스의 적외선(IR) 감광층으로서 결합될 수 있는 다양한 직경에 대한 흡수 스펙트럼(PBSe QDs)의 합성도를 나타내고, 삽화는 두께가 50nm인 단분산 PbSe의 필름에 대한 흡수 스펙트럼 및 그 필름의 TEM 이미지를 나타낸다.
도 4는 삽화에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 근적외선(NIR) 조명 하에서 투명 업 컨버전 디바이스를 위한 상이한 바이어스들(biases)에 대한 전환 효율들의 합성도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 리지형(ridged) 업 컨버전 디바이스가 CIS에 결합되어 있는 이미징 디바이스의 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 가요성 업 컨버전 디바이스가 CIS에 적층되어 있는 이미징 디바이스의 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 업 컨번전 디바이스가 CIS 기판 상에 직접적으로 형성되어 있는 이미징 디바이스를 도시한다.
도 2는 도 1의 업 컨버전 디바이스의 에너지 대역 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미징 디바이스의 적외선(IR) 감광층으로서 결합될 수 있는 다양한 직경에 대한 흡수 스펙트럼(PBSe QDs)의 합성도를 나타내고, 삽화는 두께가 50nm인 단분산 PbSe의 필름에 대한 흡수 스펙트럼 및 그 필름의 TEM 이미지를 나타낸다.
도 4는 삽화에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서 사용될 수 있는 근적외선(NIR) 조명 하에서 투명 업 컨버전 디바이스를 위한 상이한 바이어스들(biases)에 대한 전환 효율들의 합성도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 리지형(ridged) 업 컨버전 디바이스가 CIS에 결합되어 있는 이미징 디바이스의 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 가요성 업 컨버전 디바이스가 CIS에 적층되어 있는 이미징 디바이스의 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 업 컨번전 디바이스가 CIS 기판 상에 직접적으로 형성되어 있는 이미징 디바이스를 도시한다.
본 발명의 실시예들은 CMOS 이미지 센서(CIS) 상에 형성되거나 또는 CIS에 결합되는 가시광 발광층을 적외선(IR) 감광층과 결합시키는 업 컨버전 디바이스에 대한 것이다. 도 1은, 캐소드와 애노드 사이에 샌드위치되어 있고 가시광을 발생시키는 유기 발광층(LED) 및 IR 감광층을 포함하는 다층 스택을 구비하는 업 컨버전 디바이스의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 업 컨버전 디바이스에 대한 대역(band) 다이어그램을 나타내고, 여기서 IR 감광층과 애노드 사이에 정공 차단층이 삽입되어 업 컨버전 디바이스에서의 암전류(dark current)를 감소시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 업 컨버전 디바이스는 다분산 PbSe 양자 도트들(quantum dots; QDs)의 필름을 IR 감광층으로서 이용하고, 여기서, 다양한 크기의 QD들은, 1㎛ 미만부터 약 2㎛까지의 파장 범위에 걸쳐 다수의 흡수 최대값들을 갖는 IR 방사, 또는 본문에서 사용된 바와 같은 IR을 흡수하여, IR 감광층의 넓은 스펙트럼 민감도를 제공한다.
도 3에 도시된 복합 스펙트럼들에 다양한 크기의 QD들에 대한 가변 흡수 최대값들이 도시되어 있다. 도 3의 삽화는 1.3㎛에서 흡수 피크값을 갖는 단분산 PbSe QD들의 50nm 두께의 필름에 대한 흡수 스펙트럼을 도시한다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 도 3의 삽화에서 도시된 단분산 QD들로 구성된 업 컨버전 디바이스에 대한 광자-광자 전환 효율은, 20V의 상대적으로 높은 바이어스에서조차, NIR 조사(irradiation)에 대해 불과 수 퍼센트의 효율밖에 얻지 못한다. 이 범위에서 전환 효율이 10% 미만이기 때문에, IR 신호의 타당한 검출은 IR 입력 또는 가시광 출력 신호의 증폭에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 출력 신호는 업 컨버전 디바이스를 CIS에 결합시킴으로써 최적화된다. 업 컨버전 디바이스의 전극들은 투명해서, 입사 IR 방사(entering IR radiation)는 IR 감광층으로 수송되고, 입사 광 및 발생된 광은 업 컨버전 디바이스의 광 사출(exiting) 표면에서 CIS의 표면에 도달할 수 있다. CIS 기술은 성숙되어 있고 상업적으로 이용가능한 디지털 카메라를 위한 이미지 캡처에 널리 이용된다. 이들 CIS는 광검출기를 갖는 적어도 하나의 증폭기를 구비한 픽셀들을 포함한다. 업 컨버전 디바이스를 갖는 CIS를 포함함으로써, IR 생성 이미지 신호의 증폭은 CIS와 결합함으로써 달성되어, IR 조사 소스가 낮은 강도인 경우에도 이미징 디바이스가 야간 촬상 애플리케이션들에 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 다분산 QD들을 포함하는 광역 흡수 감광층일 수 있는 IR 감광층을 구비한 업 컨버전 디바이스의 개략적 에너지 밴드 다이어그램이다. HBL은 예를 들면, 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BCP) p-비 스(트리페닐실릴)벤젠 (UGH2), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BPhen), 트리스-(8-하이드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3), 3,5'-N,N'-디카바졸-벤젠 (mCP), C60, 또는 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보란 (3TPYMB)을 포함하는 유기 HBL일 수 있다. 정공 차단층(hole blocking layer; HBL)은 예를 들면, ZnO 또는 TiO2을 포함하는 무기 HBL일 수 있다. 애노드는 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide; IZO), 알루미늄 주석 산화물(aluminum tin oxide; ATO), 알루미늄 아연 산화물(aluminum zinc oxide; AZO) 또는 탄소 나노튜브(carbon nanotubes)일 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
정공 수송층(hole transport layer; HTL)들로서 사용될 수 있는 물질들은 1,1-비스[(디-4-톨릴아미노)페닐]사이클로헥산 (TAPC), N,N'-디페닐-N,N'(2-나프틸)-(1,1'-페닐)-4,4'-디아민 (NPB), 및 N,N'-디페닐-N,N'-디(m-톨릴) 벤지딘 (TPD)을 포함하지만, 이에 국한되지는 않는다. 사용될 수 있는 전계발광(electroluminescent light emitting; LED) 물질들은 트리스-(2-페닐피리딘) 이리듐, Ir(ppy)3, 폴리-[2-메톡시, 5-(2'-에틸-헥실옥시) 페닐린 비닐렌] (MEH-PPV), 트리스-(8-하이드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3), 및 이리듐 (III) 비스-[(4,6-디-플루오로페닐)-피리디네이트-N,C2']피콜리네이트 (FIrpic)을 포함하지만, 이에 국한되지는 않는다. 전자 수송층(ETL)으로서 사용될 수 있는 물질들은 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보란 (3TPYMB), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BCP), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BPhen), 및 트리스-(8-하이드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3)을 포함하지만, 이에 국한되지는 않는다.
캐소드는 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄 주석 산화물(ATO), 알루미늄 아연 산화물(AZO), 탄소 나노튜브, 은 나노와이어(silver nanowire), 또는 Mg:Al 층일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 20nm 미만의 두께를 갖는 적층된 10:1 Mg:Ag 층이 투명 전극으로서 사용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 반사방지 층은 투명 전극의 외부 표면 상에 배치된다. 예를 들면, Alq3 층의 두께가 약 100nm 미만인 경우, Alq3 층은 양호한 투과성을 제공할 수 있는 반사방지 층일 수 있다. 대안적으로, 반사방지 층은, 두께가 약 50nm 이하인 MoO3와 같은 금속 산화물일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 가시광 사출 면은 약 10nm의 10:1 Mg:Al 캐소드 층을 포함하고, 50nm의 Alq3 층은 캐소드 상에 배치된다.
본 개시의 이점을 가진 통상의 기술자는, 상대 일 함수들, HOMO 및 LUMO 레벨들, 층 호환, 및 제조 중에 사용되는 임의의 바람직한 피착 방법의 본질에 의해, 애노드, 캐소드, LED 물질, 정공 수송층, HBL, 및 전자 수송층의 적절한 조합을 용이하게 식별할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 애노드 및 캐소드는 투명하고, 다층 스택은 유리와 같이 단단하거나, 또는 유기 고분자와 같이 가요성인 투명한 서포트 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 업 컨버전 디바이스는 기판과 애노드 사이에 위치한 IR 통과 가시광 차단 층을 포함한다. 업 컨버전 디바이스에 사용되는 IR 통과 가시광 차단 층은 멀티 유전체 적층(multi dielectric stack layer)을 사용할 수 있다. IR 통과 가시광 차단 층은 상이한 굴절율들 - 하나는 높은 굴절율 그리고 다른 하다는 현격히 낮은 굴절율 - 을 갖는 교번층(alternating films)을 구비한 유전체 필름의 스택(stack)을 포함한다. 예시적인 IR 통과 가시광 차단 층은 두께가 10 내지 100 nm인 Ta2O5 (RI = 2.1) 및 SiO2 (RI = 1.45)의 2 내지 80 개의 교번층들의 복합물로 구성되어 있다.
이미징 디바이스를 형성하기 위한 업 컨버전 디바이스와 CIS의 결합은 다양한 방식으로 얻을 수 있다. 도 5 및 도 6에서, 업 컨버전 디바이스는 CIS에 독립적으로 구성되어 있고, 두 다바이스는 두 디바이스를 적층함으로써 결합되어 발광층에 의해 방사되는 가시광이 CIS의 픽셀들의 광검출기를 활성화시키고, 결과적으로 전자 신호가 픽셀 내의 증폭기에 의해 증폭된다. 도 5의 업 컨버전 디바이스는 한 쌍의 유리 기판들을 포함하고 CIS 상에 배치된다. 2개의 단단한 디바이스는 예를 들면, 기계적인 패스너(fastener) 또는 접착제에 의해 결합될 수 있다. 도 6에서, 업 컨버전 디바이스는 CIS에 연속하여 적층되는 투명 가요성 필름으로 제작된다.
본 발명의 일부 실시예들에서, CIS는 이미지 센서이고, 특정 방사 주파수 범위를 위한 필터들 또는 픽셀들의 광검출기로 빛을 향하게 하는(direct) 마이크로 렌즈들을 필요로 하지 않고 증폭을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 7에 도시된 바와 같이, CIS는 업 컨버전 디바이스의 층들이 제작되는 기판으로서 사용되고, 결과적으로 이미징 디바이스의 업 컨버전 디바이스 및 CIS를 포함하는 단일 모듈이 된다.
참조되거나 인용된 모든 특허들, 특허 출원들, 가출원들, 및 공개 공보들은, 모든 도면들 및 표들을 포함하여, 본 명세서의 명백한 교시들과 일치하지 않는 범위까지, 참조로써 그 전체가 본문에 포함된다.
본문에 기술된 예들 및 실시예들은 오직 예시적 목적이고, 이러한 관점에서 다양한 수정들 및 변형들이 통상의 기술자에 제시될 것이며, 이들은 본 발명의 진의 및 범위 내에 포함되어야 함을 이해해야 한다.
Claims (18)
- 투명 IR 업 컨버전 디바이스(up-conversion device) 및 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor; CIS)를 포함하는 이미징 디바이스로서,
상기 투명 IR 업 컨버전 디바이스가, 애노드 층, 정공 차단층, IR 감광층, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층, 및 캐소드를 포함하는 다층 스택(multilayer stack)인 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 애노드는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide; IZO), 알루미늄 주석 산화물(aluminum tin oxide; ATO), 알루미늄 아연 산화물(aluminum zinc oxide; AZO), 탄소 나노튜브(carbon nanotube), 또는 은 나노와이어(silver nanowire)를 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 정공 차단층은 TiO2, ZnO, BCP, Bphen, 3TPYMB, 또는 UGH2를 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 IR 감광층은 PbSe QD들, PbS QD들, PbSe 필름, PbS 필름, InAs 필름, InGaAs 필름, Si 필름, Ge 필름, GaAs 필름, 페릴렌-3,4,9,10-테트라카르복시-3,4,9,10-디안하이드라이드 (PTCDA), 주석 (II) 프탈로시아닌 (SnPc), SnPc:C60, 알루미늄 프탈로시아닌 클로라이드 (AlPcCl), AlPcCl:C60, 티타닐 프탈로시아닌 (TiOPc), 또는 TiOPc:C60을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 정공 수송층은 1,1-비스[(디-4-톨릴아미노)페닐]사이클로헥산 (TAPC), N,N'-디페닐-N,N'(2-나프틸)-(1,1'-페닐)-4,4'-디아민 (NPB), 또는 N,N'-디페닐-N,N'-디(m-톨릴) 벤지딘 (TPD)을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 발광층은 트리스-(2-페닐피리딘) 이리듐, Ir(ppy)3, 폴리-[2-메톡시, 5-(2'-에틸-헥실옥시) 페닐린 비닐렌] (MEH-PPV), 트리스-(8-하이드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3), 또는 이리듐 (III) 비스-[(4,6-디-플루오로페닐)-피리디네이트-N,C2']피콜리네이트 (FIrpic)을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 전자 수송층은 트리스[3-(3-피리딜)-메시틸]보란 (3TPYMB), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BCP), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린 (BPhen), 또는 트리스-(8-하이드록시 퀴놀린) 알루미늄 (Alq3)을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 캐소드는 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄 주석 산화물(ATO), 알루미늄 아연 산화물(AZO), 탄소 나노튜브, 은 나노와이어, 또는 Mg:Al을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 캐소드는 30nm 미만의 두께를 갖는 10:1 Mg:Ag 층을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 다층 스택은 상기 캐소드 상에 반사방지 층을 더 포함하는 이미징 디바이스. - 제9항에 있어서,
상기 반사방지 층은 200nm 미만의 두께를 갖는 Alq3 층을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 다층 스택은 상기 애노드 상에 배치된 IR 통과 가시광 차단 층을 포함하는 이미징 디바이스. - 제11항에 있어서,
상기 IR 통과 가시광 차단 층은 상이한 굴절률을 가진 물질들의 복수의 교번층들을 포함하는 이미징 디바이스. - 제12항에 있어서,
상기 교번층들은 두께가 10 내지 100 nm인 Ta2O5 및 SiO2 층들을 포함하고, 상기 IR 통과 가시광 차단 층은 2 내지 80 개의 층들을 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 CIS는 상기 다층 스택을 위한 기판인 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 다층 스택은 서포트(support) 층을 더 포함하는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 서포트 층은 단단하고(rigid), 상기 업 컨버전 디바이스는 기계적인 패스너(fastener) 또는 접착제에 의해 CIS에 결합되는 이미징 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 서포트 층은 가요성이고, 상이 업 컨버전 디바이스는 상기 CIS에 적층되는 이미징 디바이스.
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