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

CMOS 이미지 센서를 갖는 IR 업 컨버전 디바이스를 집적한 적외선 이미징 디바이스{INFRARED IMAGING DEVICE INTEGRATING AN IR UP-CONVERSION DEVICE WITH A CMOS IMAGE SENSOR}
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.
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 (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)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정공 차단층은 TiO2, ZnO, BCP, Bphen, 3TPYMB, 또는 UGH2를 포함하는 이미징 디바이스.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드는 30nm 미만의 두께를 갖는 10:1 Mg:Ag 층을 포함하는 이미징 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다층 스택은 상기 캐소드 상에 반사방지 층을 더 포함하는 이미징 디바이스.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 반사방지 층은 200nm 미만의 두께를 갖는 Alq3 층을 포함하는 이미징 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 다층 스택은 상기 애노드 상에 배치된 IR 통과 가시광 차단 층을 포함하는 이미징 디바이스.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 IR 통과 가시광 차단 층은 상이한 굴절률을 가진 물질들의 복수의 교번층들을 포함하는 이미징 디바이스.
  14. 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.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 CIS는 상기 다층 스택을 위한 기판인 이미징 디바이스.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 다층 스택은 서포트(support) 층을 더 포함하는 이미징 디바이스.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 층은 단단하고(rigid), 상기 업 컨버전 디바이스는 기계적인 패스너(fastener) 또는 접착제에 의해 CIS에 결합되는 이미징 디바이스.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 서포트 층은 가요성이고, 상이 업 컨버전 디바이스는 상기 CIS에 적층되는 이미징 디바이스.
KR1020147000227A 2011-06-06 2012-06-06 Cmos 이미지 센서를 갖는 ir 업 컨버전 디바이스를 집적한 적외선 이미징 디바이스 KR102031996B1 (ko)

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