KR20150052695A - 광학 결정을 포함하는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 데이터 처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서는 반도체 기판의 내부에 형성된 광전 변환 소자와 상기 광전 변환 소자의 위(above)에 형성되고, 돌출부들과 홈들을 포함하는 광학 결정을 포함하고, 상기 돌출부들의 굴절률은 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질의 굴절률보다 큰다.

Description

광학 결정을 포함하는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 데이터 처리 시스템{IMAGE SENSOR INCLUDING PHOTONIC CRYSTAL, METHOD THEREOF, AND DATA PROCESSING SYSTEM INCLUDING THE IMAGE SENSOR}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 광 투과율을 높일 수 있고 반사형 컬러 필터로서 사용될 수 있는 광학 결정을 포함하는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 데이터 처리 시스템에 관한 것이다.
픽셀마다 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서에서, 상기 컬러 필터는 입사되는 가시광의 1/3만을 투과시키고, 상기 컬러 필터를 투과하는 광은 상기 컬러 필터에 의해 흡수된다.
입사되는 가시 광이 컬러 필터에 의해 손실되므로, 상기 컬러 필터의 하부에 형성된 광전 변환 소자로 입사되는 광자의 수는 감소한다.
광학 결정(photonic crystal)은 특정 주파수를 차단하는 밴드갭(bandgap) 또는 포토닉 밴드갭(photonic bandgap)을 갖고 있다. 굴절률이 서로 다른 두 종류의 물질들을 특정 광의 반 파장 정도로 주기적으로 정렬시키면, 상기 특정 광의 존재를 허용하지 않는 포토닉 밴드갭이 생성된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 광 투과율을 높일 수 있고 반사형 컬러 필터로서 사용될 수 있는 광학 결정을 포함하는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 데이터 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판의 내부에 형성된 광전 변환 소자와, 상기 광전 변환 소자의 위(above)에 형성되고, 돌출부들과 홈들을 포함하는 광학 결정(photonic crystal)을 포함하고, 상기 돌출부들의 굴절률은 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질의 굴절률보다 큰다.
실시 예에 따라, 상기 이미지 센서는 상기 광전 변환 소자와 상기 광학 결정 사이에 형성된 메탈 층과 유전 층 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 홈들은 마이크로렌즈의 상부 표면을 식각(etch)하여 형성될 수 있다.
상기 이미지 센서는 전면 조사형(front side illumination(FSI)) 이미지 센서 또는 후면 조사형(back side illumination(BSI)) 이미지 센서로 구현될 수 있다.
상기 광학 결정이 3차원 광학 결정일 때, 상기 이미지 센서는 상기 3차원 광학 결정의 위(above)에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함한다. 이때, 상기 이미지 센서는 BSI 이미지 센서로 구현될 수 있다.
상기 공간 물질은 공기일 수 있다.
상기 광학 결정의 수평 치수(horizontal dimension)는 상기 광전 변환 소자의 수평 치수보다 길게 형성될 수 있다.
상기 광학 결정을 투과하는 빛의 양은 상기 광학 결정으로부터 반사되는 빛의 양보다 많을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 데이터 처리 시스템은 이미지 센서와, 상기 이미지 센서의 동작을 제어하는 프로세서를 포함하며, 상기 이미지 센서는 반도체 기판의 내부에 형성된 광전 변환 소자와, 상기 광전 변환 소자의 위(above)에 형성되고, 돌출부들과 홈들을 포함하는 광학 결정을 포함하고, 상기 돌출부들의 굴절률은 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질의 굴절률보다 큰다.
단위 면적당 상기 돌출부들과 상기 홈들의 개수는 상기 광학 결정으로부터 반사되는 빛의 파장에 따라 결정된다.
상기 이미지 센서는 컬러 필터를 포함하지 않는다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은 광전 변환 소자의 위에 형성되고, 돌출부들(protrusions), 홈들(grooves), 및 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질을 포함하는 광학 결정(photonic crystal)을 이용하여 입사광을 수신하는 단계와, 상기 광학 결정을 이용하여, 상기 입사광 중에서 제1부분을 반사시키고 상기 입사광 중에서 상기 제1부분보다 많은 제2부분을 상기 광전 변환 소자로 투과시키는 단계를 포함하며, 상기 돌출부들의 굴절률은 상기 공간 물질의 굴절률보다 크다.
본 발명의 실시 예에 따른 반사형 컬러 필터로서 사용될 수 있는 광학 결정을 포함하는 이미지 센서는 광전 변환 소자로 입사되는 광 투과율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 3은 파장별 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 4부터 도 6은 광학 결정들 각각의 평면도와 단면도를 나타낸다.
도 7은 광학 결정에 포함된 돌출부들과 홈들을 생성하는 방법을 설명하는 개념도이다.
도 8은 도 1 또는 도 2에 도시된 픽셀들을 포함하는 데이터 처리 시스템의 일 실시 예에 따른 블록도를 나타낸다.
도 9는 도 1 또는 도 2에 도시된 픽셀들을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 실시 예에 따른 블록도를 나타낸다.
도 10은 도 1 또는 도 2에 도시된 픽셀들을 포함하는 데이터 처리 시스템의 또 다른 실시 예에 따른 블록도를 나타낸다.
도 11은 도 1에 도시된 2차원 광학 결정을 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 12는 도 2에 도시된 3차원 광학 결정을 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
본 명세서에서 광학 결정(photonic crystal)은 요철 패턴들(uneven patterns), 예컨대, 돌출부들(protrusions)과 홈들(grooves)을 포함한다.
상기 돌출부들과 상기 홈들은 식각 공정(etching process)을 통해 형성될 수 있다. 여기서, 돌출부는 식각 공정에 의해 식각되지 않는 부분을 의미할 수 있고, 홈은 상기 식각 공정에 의해 식각된 부분을 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀들(10A)은 복수의 광전 변환 소자들 (20-1, 20-2, 및 20-3)과 복수의 마이크로렌즈들(40-1, 40-2, 및 40-3)을 포함한다. 상기 이미지 센서는 전면 조사형(front side illumination(FSI)) 이미지 센서 또는 후면 조사형(back side illumination(BSI)) 이미지 센서로 구현될 수 있다.
복수의 광전 변환 소자들(20-1, 20-2, 및 20-3)은 반도체 기판(10)의 내부에 형성될 수 있다. 복수의 광전 변환 소자들(20-1, 20-2, 및 20-3) 각각은 포토다이오드, 포토 트랜지스터, 포토게이트(photogate), 또는 핀드 포토다이오드(pinned photo diode)로 구현될 수 있다.
복수의 마이크로렌즈들(40-1, 40-2, 및 40-3) 각각은 복수의 광전 변환 소자들(20-1, 20-2, 및 20-3) 각각의 위(on 또는 above)에 형성(또는 배열)될 수 있다.
복수의 마이크로렌즈들(40-1, 40-2, 및 40-3) 각각은 2차원 광학 결정 컬러 반사기(2D photonic crystal color reflector)의 기능을 수행할 수 있다.
복수의 광학 결정들 각각은 복수의 마이크로렌즈들(40-1, 40-2, 및 40-3) 각각의 상부 표면을 식각(etch)하여 형성될 수 있다. 따라서, 복수의 마이크로렌즈들 (40-1, 40-2, 및 40-3) 각각은 컬러 필터의 기능과 마이크로렌즈의 기능을 수행할 수 있다.
제1광학 결정을 포함하는 제1마이크로렌즈(40-1)는 가시 광(IL) 중에서 레드 영역의 파장들(RC)을 반사시키고 그린 영역의 파장들(GC)과 블루 영역의 파장들 (BC)을 투과시키는 구조를 갖는다.
제2광학 결정을 포함하는 제2마이크로렌즈(40-2)는 가시 광(IL) 중에서 그린 영역의 파장들(GC)을 반사시키고 레드 영역의 파장들(RC)과 블루 영역의 파장들 (BC)을 투과시키는 구조를 갖는다.
제3광학 결정을 포함하는 제3마이크로렌즈(40-3)는 가시 광(IL) 중에서 블루 영역의 파장들(BC)을 반사시키고 레드 영역의 파장들(RC)과 그린 영역의 파장들 (GC)을 투과시키는 구조를 갖는다.
이미지 센서의 픽셀들(10A)은 반도체 기판(10)과 복수의 광학 결정들(40-1, 40-2, 및 40-3)에 형성된 중간층(30)을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 중간층(30)은 메탈 층(metal layer)과 유전 층(dielectric layer) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시 예들에 따라, 제1마이크로렌즈(40-1)를 통과한 파장들(GC와 BC)은 제1광전 변환 소자(20-1)로 직접 입사되거나 중간층(30)을 통해 제1광전 변환 소자 (20-1)로 입사된다.
제2마이크로렌즈(40-2)를 통과한 파장들(RC와 BC)은 제2광전 변환 소자(20-2)로 직접 입사되거나 중간층(30)을 통해 제2광전 변환 소자(20-2)로 입사된다.
제3마이크로렌즈(40-3)를 통과한 파장들(RC와 GC)은 제3광전 변환 소자(20-3)로 직접 입사되거나 중간층(30)을 통해 제3광전 변환 소자(20-3)로 입사된다.
각 마이크로렌즈(40-1, 40-2, 및 40-3)에 구현된 각 광학 결정은 돌출부들과 홈들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 돌출부들에 상응하는 물질의 굴절률은 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질(space material)에 상응하는 굴절률보다 크다.
돌출부들은 서로 분리된 기둥들(a plurality of pillars spaced apart from each other)로 구현될 수 있다.
상기 기둥들의 굴절률은 상기 공간 물질의 굴절률보다 크게 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 공간 물질은 공기(air)일 수 있다. 상기 기둥들이 특정한 굴절률을 갖는 기둥 물질로 구현될 때, 상기 공간 물질은 상기 기둥 물질의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 물질이면 족하다. 즉, 상기 홈들 사이들에는 상기 기둥 물질의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 공간 물질이 채워질 수 있다.
광학 결정으로부터 반사되는 파장들은 상기 광학 결정에 포함된 돌출부들 각각과 홈들 각각의 높이, 폭, 및 피치에 따라 결정된다.
각 마이크로렌즈(40-1, 40-2, 및 40-3))에 구현된 각 광학 결정의 수평 치수 (horizontal dimension; 예컨대 가로 길이)는 각 광전 변환 소자(20-1, 20-2, 및 20-3)의 수평 치수보다 길게 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀들의 단면도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서의 픽셀들(10B)은 복수의 광전 변환 소자들 (20-1, 20-2, 및 20-3), 복수의 광학 결정들(41-1, 41-2, 및 41-3), 및 복수의 마이크로렌즈들(50-1, 50-2, 및 50-3)을 포함한다.
상기 이미지 센서가 BSI 이미지 센서로 구현될 때, 복수의 광학 결정들(41-1, 41-2, 및 41-3)이 용이하게 형성될 수 있다.
복수의 광전 변환 소자들(20-1, 20-2, 및 20-3)은 반도체 기판(10)의 내부에 형성될 수 있다.
복수의 광학 결정들(41-1, 41-2, 및 41-3) 각각은 복수의 광전 변환 소자들 (20-1, 20-2, 및 20-3) 각각의 위(on 또는 above)에 형성(또는 배열)될 수 있다.
복수의 광학 결정들(41-1, 41-2, 및 41-3) 각각은 3차원 광학 결정 컬러 반사기(3D photonic crystal color reflector)의 기능을 수행할 수 있다.
각 광학 결정(41-1, 41-2, 및 41-3)은 복수의 단위 광학 결정들(L1, L2, L3, 및 L4)을 포함하고, 각 단위 광학 결정(L1, L2, L3, 및 L4)은 서로 적층(stack)된다.
제1마이크로렌즈(50-1)를 투과한 가시 광(IL)은 제1광학 결정(41-1)으로 입사된다. 제1광학 결정(41-1)은 가시 광(IL) 중에서 레드 영역의 파장들(RC)을 반사시키고 그린 영역의 파장들(GC)과 블루 영역의 파장들(BC)을 투과시키는 구조를 갖는다.
제2마이크로렌즈(50-2)를 투과한 가시 광(IL)은 제2광학 결정(41-2)으로 입사된다. 제2광학 결정(41-2)은 가시 광(IL) 중에서 그린 영역의 파장들(GC)을 반사시키고 레드 영역의 파장들(RC)과 블루 영역의 파장들(BC)을 투과시키는 구조를 갖는다.
제3마이크로렌즈(50-3)를 투과한 가시 광(IL)은 제3광학 결정(41-2)으로 입사된다. 제3광학 결정(41-3)은 가시 광(IL) 중에서 블루 영역의 파장들(BC)을 반사시키고 레드 영역의 파장들(RC)과 그린 영역의 파장들 (GC)을 투과시키는 구조를 갖는다.
제1광학 결정(41-1)을 통과한 파장들(GC와 BC)은 제1광전 변환 소자(20-1)로 입사된다.
제2광학 결정(41-2)을 통과한 파장들(RC와 BC)은 제2광전 변환 소자(20-2)로 입사된다.
제3광학 결정(41-3)을 통과한 파장들(RC와 GC)은 제3광전 변환 소자(20-3)로 입사된다.
각 광학 결정(41-1, 41-2, 및 41-3)의 각 단위 광학 결정(L1, L2, L3, 및 L4)은 요철 패턴들, 예컨대, 돌출부들(예컨대, 기둥들)과 상기 돌출부들 사이에 형성된 홈들을 포함할 수 있다.
상기 기둥들의 굴절률은 상기 홈들 사이의 공간 물질의 굴절률보다 크다. 예컨대, 상기 공간 물질은 공기일 수 있다. 상기 기둥들이 특정한 굴절률을 갖는 기둥 물질로 구현될 때, 상기 공간 물질의 굴절률은 상기 기둥 물질의 굴절률보다 작다.
각 광학 결정(41-1, 41-2, 및 41-3)으로부터 반사되는 파장들은 각 광학 결정(41-1, 41-2, 및 41-3)에 포함된 돌출부들 각각과 홈들 각각의 높이, 폭, 및 피치에 따라 결정된다.
각 광학 결정(41-1, 41-2, 및 41-3)의 수평 치수는 각 광전 변환 소자(20-1, 20-2, 및 20-3)의 수평 치수보다 길게 구현될 수 있다.
도 3은 파장별 반사율을 나타내는 그래프이다. 도 3의 X-축은 파장을 나타내고 Y-축은 반사율을 나타낸다.
도 4부터 도 6은 광학 결정들 각각의 평면도와 단면도를 나타낸다.
도 4부터 도 6을 참조하면, 각 2차원 광학 결정은 복수의 돌출부들과 상기 돌출부 사이에 형성된 공간 물질을 포함한다.
각 피치 또는 각 패턴 크기(L1, L2, 및 L3)는 반사시킬 파장들에 따라 결정될 수 있다. 도 4부터 도 6에서, 각 기둥의 높이(H)는 동일하게 도시되어 있으나 반사시킬 파장들에 따라 각 기둥의 높이가 결정될 수 있다.
즉, 반사시킬 파장들에 따라 돌출부의 높이, 상기 돌출부의 폭(W1, W2, 및 W3) 및/또는 상기 돌출부의 피치(L1, L2, 및 L3)가 결정되고 설계될 수 있다. 또한, 반사시킬 파장들에 따라 홈의 깊이, 상기 홈의 폭 및/또는 상기 홈의 피치가 결정되고 설계될 수 있다. 여기서 폭은 돌출부의 가로 길이와 세로 길이를 의미할 수 있다.
예컨대, 도 4의 2차원 광학 결정은 레드 영역의 파장들(RC)을 반사시키고 그린 영역의 파장들(GC)과 블루 영역의 파장들 (BC)을 투과시킬 수 있다.
도 5의 2차원 광학 결정은 그린 영역의 파장들(GC)을 반사시키고 레드 영역의 파장들(RC)과 블루 영역의 파장들(BC)을 투과시킬 수 있다.
도 6의 2차원 광학 결정은 불루 영역의 파장들(BC)을 반사시키고 레드 영역의 파장들(RC)과 그린 영역의 파장들(GC)을 투과시킬 수 있다.
도 7은 광학 결정에 포함된 돌출부들과 홈들을 생성하는 방법을 설명하는 개념도이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 광학 결정에 포함된 돌출부들은 홈(홀)-기반 구조 (groove(hole)-based structure)로 구현될 수 있다. 도 7의 (b)를 참조하면, 광학 결정에 포함된 돌출부들은 기둥(또는 폴)-기반 구조(pillar(pole)-based structure)로 구현될 수 있다.
광학 결정에 포함된 돌출부 또는 홈의 수평 단면 모양(horizontal cross sectional shape)은 원(circular), 직사각형((rectangular), 오각형(pentagonal) 또는 다각형(polygon)일 수 있다.
상술한 바와 같이, 마스크(mask)를 이용하여 식각된 부분들은 홈들이 되고 식각되지 않은 부분들은 돌출부들이 된다.
도 8은 도 1 또는 도 2에 도시된 픽셀들을 포함하는 데이터 처리 시스템의 일 실시 예에 따른 블록도를 나타낸다.
도 1, 도 2, 및 도 8을 참조하면, 데이터 처리 시스템(500)은 디지털 카메라, 켐코더, 또는 CMOS 이미지 센서(505)를 포함하는 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다. 상기 휴대용 전자 장치는 이동 전화기, 스마트폰, 태블릿 PC, 모바일 인터넷 장치(mobile internet device(MID)) 또는 웨어러블 컴퓨터로 구현될 수 있다.
데이터 처리 시스템(500)은 광학 렌즈(503), CMOS 이미지 센서(505), 디지털 신호 프로세서(600), 및 디스플레이(640)를 포함한다.
CMOS 이미지 센서(505)는 광학 렌즈(503)를 통하여 입사된 피사체(501)에 대한 이미지 데이터(IDATA)를 생성할 수 있다.
CMOS 이미지 센서(505)는 픽셀 어레이(510), 로우 드라이버(520), 리드아웃 회로(525), 타이밍 생성기(530), 제어 레지스터 블록(550), 기준 신호 생성기 (560), 및 버퍼(570)를 포함한다.
픽셀 어레이(510)는 복수의 픽셀들(10A 또는 10B, 집합적으로 10)을 포함한다. 이미지 센서의 픽셀(10)은 CMOS 제조 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
픽셀 어레이(510)는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 픽셀들(10)을 포함한다. 픽셀들(10)은 출력 신호들을 컬럼 라인들로 전송한다.
로우 드라이버(520)는 타이밍 생성기(530)의 제어에 따라 픽셀들(10) 각각의 동작을 제어하기 위한 제어 신호들을 픽셀 어레이(510)로 드라이빙한다.
로우 드라이버(520)는 제어 신호들을 생성할 수 있는 제어 신호 생성기의 기능을 수행할 수 있다.
타이밍 생성기(530)는 제어 레지스터 블록(550)의 제어에 따라 로우 드라이버(520), 리드아웃 회로(525), 및 기준 신호 생성기(560)의 동작을 제어한다.
리드아웃 회로(525)는 컬럼별 아날로그-디지털 변환기(526)와 컬럼별 메모리(527)를 포함한다. 실시 예에 따라, 아날로그-디지털 변환기(526)는 상관 이중 샘플링 기능을 수행할 수 있다.
리드아웃 회로(525)는 각 픽셀로부터 출력된 픽셀 신호에 상응하는 디지털 이미지 신호를 출력한다.
제어 레지스터 블록(550)은, 디지털 신호 프로세서(600)의 제어에 따라, 타이밍 생성기(530), 기준 신호 생성기(560), 및 버퍼(570)의 동작을 제어한다.
버퍼(570)는 리드아웃 회로(525)로부터 출력된 복수의 디지털 이미지 신호들에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 디지털 신호 프로세서(600)로 전송한다.
디지털 신호 프로세서(600)는 이미지 신호 프로세서(610), 센서 컨트롤러 (620), 및 인터페이스(630)를 포함한다.
이미지 신호 프로세서(610)는 제어 레지스터 블록(550)을 제어하는 센서 컨트롤러(620), 및 인터페이스(630)를 제어한다.
실시 예에 따라, CMOS 이미지 센서(505)와 디지털 신호 프로세서(600)는 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지(multi-chip package)로 구현될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, CMOS 이미지 센서(505)와 이미지 신호 프로세서 (610)는 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지로 구현될 수 있다.
이미지 신호 프로세서(610)는 버퍼(570)로부터 전송된 이미지 데이터 (IDATA)를 처리하고, 처리된 이미지 데이터를 인터페이스(630)로 전송한다.
센서 컨트롤러(620)는, 이미지 신호 프로세서(610)의 제어에 따라, 제어 레지스터 블록(550)을 제어하기 위한 다양한 제어 신호들을 생성할 수 있다.
인터페이스(630)는 이미지 신호 프로세서(610)에서 처리된 이미지 데이터를 디스플레이(640)로 전송할 수 있다.
디스플레이(640)는 인터페이스(630)로부터 출력된 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 디스플레이(640)는 TFT-LCD(thin film transistor-liquid crystal display), LED(light emitting diode) 디스플레이, OLED(organic LED) 디스플레이, AMOLED(active-matrix OLED) 디스플레이, 또는 플렉시블 디스플레이로 구현될 수 있다.
도 9는 도 1 또는 도 2에 도시된 픽셀들을 포함하는 데이터 처리 시스템의 다른 실시 예에 따른 블록도를 나타낸다.
도 8과 도 9를 참조하면, 데이터 처리 시스템(600)은 MIPI®(mobile industry processor interface)를 사용 또는 지원할 수 있는 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다.
상기 휴대용 전자 장치는 상술한 바와 같이 CMOS 이미지 센서(505)와 CMOS 이미지 센서(505)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)를 포함할 수 있는 처리 회로를 포함한다.
이미지 처리 시스템(600)은 애플리케이션 프로세서(application processor(AP); 610), 이미지 센서(505), 및 디스플레이(630)를 포함한다.
AP(610)에 구현된 CSI(camera serial interface) 호스트(613)는 카메라 시리얼 인터페이스(CSI)를 통하여 이미지 센서(505)의 CSI 장치(506)와 시리얼 통신할 수 있다.
실시 예에 따라, CSI 호스트(613)에는 디시리얼라이저(DES)가 구현될 수 있고, CSI 장치(506)에는 시리얼라이저(SER)가 구현될 수 있다.
AP(610)에 구현된 DSI(display serial interface(DSI)) 호스트(611)는 디스플레이 시리얼 인터페이스를 통하여 디스플레이(630)의 DSI 장치(631)와 시리얼 통신할 수 있다.
실시 예에 따라, DSI 호스트(611)에는 시리얼라이저(SER)가 구현될 수 있고, DSI 장치(631)에는 디시리얼라이저(DES)가 구현될 수 있다. 디시리얼라이저(DES)와 시리얼라이저(SER) 각각은 전기적인 신호 또는 광학적인 신호를 처리할 수 있다.
이미지 처리 시스템(600)은 AP(610)와 통신할 수 있는 RF(radio frequency) 칩(640)을 더 포함할 수 있다. AP(610)의 PHY(physical layer; 615)와 RF 칩(640)의 PHY(641)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
이미지 처리 시스템(600)은 GPS(650) 수신기, DRAM(dynamic random access memory)과 같은 메모리(651), NAND 플래시-기반 메모리와 같은 불휘발성 메모리로 구현된 데이터 저장 장치(653), 마이크(655), 또는 스피커(657)를 더 포함할 수 있다.
이미지 처리 시스템(600)은 적어도 하나의 통신 프로토콜(또는 통신 표준), 예컨대, WiMAX(worldwide interoperability for microwave access; 659), WLAN(Wireless LAN; 661), UWB(ultra-wideband; 663), 또는 LTETM(long term evolution; 665) 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 이미지 처리 시스템(600)은 블루투스 또는 WiFi를 이용하여 외부 무선 통신 장치와 통신할 수 있다.
실시 예에 따라, AP(610)은 도 10에 도시된 각 구성 요소(711, 720, 740, 및 750)를 더 포함할 수 있다.
도 10은 도 1 또는 도 2에 도시된 픽셀들을 포함하는 데이터 처리 시스템의 또 다른 실시 예에 따른 블록도를 나타낸다.
도 8과 도 10을 참조하면, 데이터 처리 시스템(700)은 PC(personal computer) 또는 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다.
상기 휴대용 전자 장치는 상술한 바와 같이 CMOS 이미지 센서(505)와 CMOS 이미지 센서(505)로부터 출력된 이미지 데이터(IDATA)를 포함할 수 있는 처리 회로를 포함한다.
이미지 처리 시스템(700)은 이미지 센서(505), 프로세서(710), 메모리(760), 및 디스플레이(또는 디스플레이 장치(770))를 포함할 수 있다.
이미지 센서(505)는 카메라 모듈에 포함될 수 있다. 상기 카메라 모듈은 이미지 센서(505)의 동작을 제어할 수 있는 기계적인 구성 요소들을 포함할 수 있다.
프로세서(710)는 집적 회로, 시스템 온 칩(system on chip(SoC)), 애플리케이션 프로세서, 또는 모바일 애플리케이션 프로세서로 구현될 수 있다.
프로세서(710)는 이미지 센서(505), 메모리(760), 및 디스플레이(770)의 동작을 제어할 수 있고, 이미지 센서(505)로부터 출력된 이미지 데이터를 처리하고, 처리된 이미지 데이터를 메모리(760)에 저장하거나 디스플레이(770)를 통해 디스플레이할 수 있다.
프로세서(710)는 CPU(central processing unit; 720), 카메라 인터페이스 (730), 메모리 인터페이스(740), 및 디스플레이 컨트롤러(750)를 포함한다.
CPU(720)는 버스(711)를 통해 카메라 인터페이스(730), 메모리 인터페이스 (740), 및 디스플레이 컨트롤러(750)의 동작들을 제어할 수 있다.
CPU(720)는 멀티-코어 프로세서 또는 멀티-CPU로 구현될 수 있다.
CPU(720)의 제어에 따라 카메라 인터페이스(730)는 이미지 센서(505)를 제어하기 위한 제어 신호들을 이미지 센서(505)로 전송하고, 이미지 센서(505)로부터 출력된 이미지 데이터 신호를 CPU(720), 메모리 인터페이스(740), 및/또는 디스플레이 컨트롤러(750)로 전송할 수 있다.
메모리 인터페이스(740)는 프로세서(710)와 메모리(760) 사이에서 주고받는 데이터를 인터페이싱할 수 있다.
디스플레이 컨트롤러(750)는 디스플레이(770)에서 디스플레이될 데이터를 디스플레이(770)로 전송할 수 있다.
메모리(760)는 DRAM과 같은 휘발성 메모리, 또는 플래시-기반 메모리일 수 있다. 상기 플래시-기반 메모리는 MMC(multimedia card), 임베디드 MMC(wmbedded NNC(eMMC)), eSSD(embedded solid state drive), 또는 UFS(universal flash memory)로 구현될 수 있다.
도 11은 도 1에 도시된 2차원 광학 결정을 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다. 도 1과 도 11을 참조하면, 반도체 기판(10)의 내부에 각 광전 변환 소자 (20-1, 20-2, 및 20-3)가 형성된다(S100). 각 광전 변환 소자(20-1, 20-2, 및 20-3)의 위(on 또는 above)에 대응되는 광학 결정을 포함하는 각 마이크로렌즈(40-1, 40-2, 및 40-3)가 형성된다(S110). 상기 광학 결정은 식각 공정에 따라 정의되는 돌출부들과 홈들을 포함한다.
도 12는 도 2에 도시된 3차원 광학 결정을 제조하는 방법을 설명하는 플로우차트이다.
도 2와 도 12를 참조하면, 반도체 기판(10)의 내부에 각 광전 변환 소자 (20-1, 20-2, 및 20-3)가 형성된다(S100). 각 광전 변환 소자(20-1, 20-2, 및 20-3)의 위에 대응되는 각 3차원 광학 결정(41-1, 41-2, 및 41-3)이 형성된다(S210).
각 3차원 광학 결정(41-1, 41-2, 및 41-3)의 위(on or above)에 각 마이크로렌즈(50-1, 50-2, 및 50-3)가 형성된다(S220).
광학 결정에 의해 반사되는 파장이 짧을수록, 상기 광학 결정에 형성되는 요철 패턴들 각각의 구조(예컨대, 돌출부의 3차원 형상, 홈의 3차원 형상, 돌출부들 사이의 거리(또는 피치), 및/또는 홈들 사이의 거리(또는 피치))는 작아진다.
본 발명은 도면에 도시된 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.
10; 반도체 기판
20-1, 20-2, 및 20-3; 광전 변환 소자
30; 중간층
40-1, 40-2, 및 40-3; 광학 결정을 포함하는 마이크로렌즈
41-1, 41-2, 및 41-3; 3차원 광학 결정
50-1, 50-2, 및 50-3; 마이크로렌즈
500, 600, 및 700; 데이터 처리 시스템

Claims (20)

  1. 반도체 기판의 내부에 형성된 광전 변환 소자; 및
    상기 광전 변환 소자의 위(above)에 형성되고, 돌출부들과 홈들을 포함하는 광학 결정(photonic crystal)을 포함하고,
    상기 돌출부들의 굴절률은 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질의 굴절률보다 큰 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이미지 센서는,
    상기 광전 변환 소자와 상기 광학 결정 사이에 형성된 메탈 층과 유전 층 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈들은 마이크로렌즈의 상부 표면을 식각(etch)하여 형성된 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 전면 조사형(front side illumination(FSI)) 이미지 센서인 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 후면 조사형(back side illumination(BSI)) 이미지 센서인 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광학 결정이 3차원 광학 결정일 때,
    상기 이미지 센서는 상기 3차원 광학 결정의 위(above)에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 후면 조사형(back side illumination(BSI)) 이미지 센서인 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공간 물질은 공기인 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광학 결정의 수평 치수는 상기 광전 변환 소자의 수평 치수보다 긴 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 결정을 투과하는 빛의 양은 상기 광학 결정으로부터 반사되는 빛의 양보다 많은 이미지 센서.
  11. 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서의 동작을 제어하는 프로세서를 포함하며,
    상기 이미지 센서는,
    반도체 기판의 내부에 형성된 광전 변환 소자; 및
    상기 광전 변환 소자의 위(above)에 형성되고, 돌출부들과 홈들을 포함하는 광학 결정(photonic crystal)을 포함하고,
    상기 돌출부들의 굴절률은 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질의 굴절률보다 큰 데이터 처리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 홈들은 마이크로렌즈의 상부 표면을 식각하여 형성된 데이터 처리 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광학 결정이 3차원 광학 결정일 때,
    상기 이미지 센서는 상기 3차원 광학 결정의 위(above)에 형성된 마이크로렌즈를 더 포함하는 데이터 처리 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 광학 결정의 수평 치수는 상기 광전 변환 소자의 수평 치수보다 긴 데이터 처리 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    단위 면적당 상기 돌출부들과 상기 홈들의 개수는 상기 광학 결정으로부터 반사되는 빛의 파장에 따라 결정되는 데이터 처리 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 광학 결정을 투과하는 빛의 양은 상기 광학 결정으로부터 반사되는 빛의 양보다 많은 데이터 처리 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 컬러 필터를 포함하지 않는 데이터 처리 시스템.
  18. 광전 변환 소자의 위에 형성되고, 돌출부들, 홈들, 및 상기 홈들 사이에 형성된 공간 물질을 포함하는 광학 결정(photonic crystal)을 이용하여 입사광을 수신하는 단계; 및
    상기 광학 결정을 이용하여, 상기 입사광 중에서 제1부분을 반사시키고 상기 입사광 중에서 상기 제1부분보다 많은 제2부분을 상기 광전 변환 소자로 투과시키는 단계를 포함하며,
    상기 돌출부들의 굴절률은 상기 공간 물질의 굴절률보다 큰 이미지 센서의 동작 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 홈들은 마이크로렌즈의 상부 표면을 식각하여 형성된 이미지 센서의 동작 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 광학 결정이 3차원 광학 결정일 때, 마이크로렌즈를 이용하여 상기 입사광을 상기 3차원 광학 결정으로 투과하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
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