KR20160019722A - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치

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KR20160019722A
KR20160019722A KR1020140104386A KR20140104386A KR20160019722A KR 20160019722 A KR20160019722 A KR 20160019722A KR 1020140104386 A KR1020140104386 A KR 1020140104386A KR 20140104386 A KR20140104386 A KR 20140104386A KR 20160019722 A KR20160019722 A KR 20160019722A
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Abstract

적어도 하나의 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에 위치하는 불순물 도핑된 제1 투광 전극, 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 상기 광 감지 소자에서 감지하는 파장과 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전변환층, 그리고 상기 유기 광전변환층의 일면에 위치하는 제2 투광 전극을 포함하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.

Description

이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치{IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
광전 소자는 광전 효과를 이용하여 빛을 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 이미지 센서, 태양 전지 등에 적용될 수 있다.
광 다이오드를 포함하는 이미지 센서는 날이 갈수록 소형화 및 높은 해상도가 요구되고 있으며, 이에 따라 화소 크기를 줄이는 것이 필요하다. 그러나 현재 주로 사용하는 실리콘 광 다이오드의 경우 화소 크기가 작아지면서 흡수 면적이 줄어들기 때문에 감도 저하가 발생할 수 있다. 이에 따라 실리콘 광 다이오드의 적어도 일부를 대체하는 유기 광전 소자가 연구되고 있다.
그러나 실리콘 광 다이오드와 유기 광전 소자를 함께 형성함으로써 공정이 복잡하고 이미지 센서로 유입되는 광의 손실이 커질 수 있다.
일 구현예는 소형화에 적합하고 광의 손실을 줄일 수 있으면서도 공정을 단순화할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에 위치하는 불순물 도핑된 제1 투광 전극, 상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 상기 광 감지 소자에서 감지하는 파장과 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전변환층, 그리고 상기 유기 광전변환층의 일면에 위치하는 제2 투광 전극을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 제1 투광 전극, 상기 유기 광전변환층 및 상기 제2 투광 전극은 유기 광전 소자를 형성할 수 있다.
상기 제1 투광 전극은 상기 반도체 기판의 표면에 위치하고 n형 또는 p형 불순물 도핑된 비정질 규소를 포함할 수 있다.
상기 제1 투광 전극은 약 2nm 내지 50nm 두께를 가질 수 있다.
상기 반도체 기판에 집적되어 있는 광 감지 소자는 제1 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자 및 상기 제1 파장 영역과 상이한 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 상기 유기 광전변환층은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 상이한 제3 파장 영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 다른 깊이에 위치할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 장파장 영역의 광을 감지할 수 있고, 상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 상기 반도체 기판의 표면으로부터 깊게 위치할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제1 투광 전극의 사이에 위치하는 반투과 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 반투과 영역은 상기 제1 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키고 상기 제2 파장 영역의 광을 선택적으로 반사 또는 흡수할 수 있다.
상기 반투과 영역은 결정질 규소를 포함할 수 있다.
상기 제1 투광 전극은 비정질 규소를 포함할 수 있고 상기 반투과 영역은 결정질 규소를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제2 투광 전극의 일면에 위치하는 색 필터 층을 더 포함할 수 있다.
상기 색 필터 층은 상기 제1 광 감지 소자에 대응하게 위치하고 제1 파장 영역 및 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제1 색 필터, 그리고 상기 제2 광 감지 소자에 대응하게 위치하고 제2 파장 영역 및 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 색 필터를 포함할 수 있다.
상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자는 수평방향으로 이격되어 위치할 수 있다.
상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 절연막이 개재되어 있지 않을 수 있다.
상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 유기 색 필터가 개재되어 있지 않을 수 있다.
상기 제1 파장 영역, 상기 제2 파장 영역 및 상기 제3 파장 영역은 각각 가시광선 영역의 삼원색 중 하나일 수 있다.
상기 제1 파장 영역은 적색 파장 영역일 수 있고, 상기 제2 파장 영역은 청색 파장 영역일 수 있고, 상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역일 수 있다.
상기 적색 파장 영역은 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 청색 파장 영역은 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
소형화에 적합하고 하부로 유입되는 광의 손실을 줄일 수 있으면서도 이미지 센서의 구조 및 공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 3은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 4는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(110), 반도체 기판(110) 내에 위치하는 하부 전극(10), 반도체 기판(110)의 일면에 위치하는 유기 광전변환층(30) 및 유기 광전변환층(30)의 일면에 위치하는 상부 전극(20)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 단결정의 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 기판(110)은 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55B, 55R, 55G) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
청색 광 감지 소자(50B), 전하 저장소(55B) 및 전송 트랜지스터는 청색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 청색 광 감지 소자(50B)는 관통구(57B)를 통해 전하 저장소(55B)와 전기적으로 연결되어 있다. 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55R) 및 전송 트랜지스터는 적색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 적색 광 감지 소자(50R)는 관통구(57R)를 통해 전하 저장소(55R)와 전기적으로 연결되어 있다. 전하 저장소(55G)는 관통구(57G)를 통해 하부 전극(10)과 전기적으로 연결되어 있다.
청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 다른 깊이에 위치할 수 있고 장파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 단파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)보다 반도체 기판(110)의 표면으로부터 깊게 위치할 수 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
한편 적색 광 감지 소자(50R)는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 소정 깊이에 위치함으로써 적색 광 감지 소자(50R)의 상부에 소정 두께의 단결정 또는 다결정과 같은 결정질 실리콘 영역이 위치할 수 있고, 상기 결정질 실리콘 영역에 의해 단파장 영역, 즉 청색 파장 영역의 광에 대한 반사도를 높여 적색 광 감지 소자(50R)로 유입되는 광의 파장 선택도를 높일 수 있다.
하부 전극(10)은 각 화소마다 배치될 수 있으며 반도체 기판(110)의 표면에 n형 또는 p형 불순물이 고농도로 도핑된 도전층일 수 있다. 일 예로, 하부 전극(10)은 n형 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 비정질 실리콘은 적색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 청색 파장 영역을 포함한 가시광선 영역에서 반사도 또는 흡수도가 낮으므로 높은 투광성을 가질 수 있다. 상기 n형 불순물은 예컨대 인(P), 비소(As) 및/또는 안티몬(Sb)일 수 있고 p형 불순물은 예컨대 붕소(B), 알루미늄(Al) 및/또는 갈륨(Ga)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 n형 또는 p형 불순물은 예컨대 약 1*1014 /cm2 이상의 농도로 도핑될 수 있으며, 예컨대 약 5*1014 /cm2 내지 9*1016 /cm2의 농도로 도핑될 수 있다.
하부 전극(10)은 투광 전극이고, 예컨대 약 2nm 내지 50nm 두께를 가질 수 있다.
유기 광전변환층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역 이외의 파장 영역, 즉 청색 파장 영역과 적색 파장 영역의 광을 그대로 통과시킨다.
유기 광전변환층(30)은 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있다. 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다.
상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 각각 예컨대 약 2.0 내지 2.5eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 예컨대 약 0.2 내지 0.9eV의 LUMO 차이를 가질 수 있다.
상기 p형 반도체 물질은 예컨대 퀴나크리돈(quinacridone) 또는 그 유도체, 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine) 또는 그 유도체일 수 있으며, 상기 n형 반도체 물질은 예컨대 시아노비닐기를 가지는 티오펜 유도체(cyanovinyl group containing thiophene derivative), 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine) 또는 그 유도체, 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 광전변환층(30)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 유기 광전변환층(30)은 예컨대 진성층(intrinsic layer, I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다.
진성층(I층)은 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체가 약 1:100 내지 약 100:1의 두께 비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 두께 비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 두께 비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1: 1의 두께 비로 포함될 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체가 상기 범위의 조성비를 가짐으로써 효과적인 엑시톤 생성 및 pn 접합 형성에 유리하다.
p형 층은 상기 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 상기 n형 반도체를 포함할 수 있다.
유기 광전변환층(30)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 빛을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상부 전극(20)은 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하고 광이 입사되는 투광 전극일 수 있다. 상부 전극(20)은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 아연 옥사이드(IZO)와 같은 투명 도전체로 만들어지거나 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막 또는 금속 산화물이 도핑된 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 단일 층 또는 복수 층의 금속 박막일 수 있다. 하부 전극(10)과 상부 전극(20) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
하부 전극(10), 유기 광전변환층(30) 및 상부 전극(20)은 유기 광전 소자를 형성하며, 상부 전극(20) 측으로부터 빛이 입사되어 유기 광전변환층(30)이 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 유기 광전변환층(30)에서 정공과 전자로 분리되고 분리된 정공은 하부 전극(10)과 상부 전극(20) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(10)과 상부 전극(20) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다. 분리된 전자 또는 정공은 전하 저장소(55G)에 모아질 수 있다. 녹색 파장 영역을 제외한 나머지 파장 영역의 빛은 하부 전극(10)을 통과하여 청색 광 감지 소자(50B) 또는 적색 광 감지 소자(50R)에 의해 센싱될 수 있다.
유기 광전 소자(100)는 이미지 센서의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 높여 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
도 1에서는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있고 유기 광전 소자(100)가 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층(30)을 포함하는 구조를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 청색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조이거나 적색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
여기서 상기 적색 파장 영역은 예컨대 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 청색 파장 영역은 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있고, 상기 녹색 파장 영역은 예컨대 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 바와 같이 반도체 기판(110)의 표면에 도전층을 형성하여 유기 광전 소자(100)의 하나의 전극으로 활용함으로써 구조 및 공정을 단순화할 수 있다. 또한 이와 같은 구조에 의해 반도체 기판(110)과 유기 광전 소자(100) 사이에 별도의 절연막을 형성하지 않음으로써 절연막에 의한 광의 흡수 및/또는 반사를 줄여 반도체 기판 측으로 유입되는 광의 손실을 줄일 수 있다.
또한 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110)으로부터 다른 깊이에 위치하고 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수함으로써 별도의 유기 색 필터 층을 구비할 필요 없이 높은 색 분리 특성을 가질 수 있다.
더구나 전술한 바와 같이 적색 광 감지 소자(50R)의 상부에 위치하는 소정 두께의 결정질 실리콘 영역에 의해 단파장 영역, 즉 청색 파장 영역의 광에 대한 반사도를 높여 적색 광 감지 소자(50R)로 유입되는 광의 파장 선택도를 높일 수 있어서 색 필터 없이도 색 분리 특성을 더욱 높일 수 있다. 이에 따라 이미지 센서의 구조 및 공정을 단순화할 수 있다.
도 2는 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 구현예와 마찬가지로 반도체 기판(110), 반도체 기판(110) 내에 위치하는 하부 전극(10), 반도체 기판(110)의 일면에 위치하는 유기 광전변환층(30) 및 유기 광전변환층(30)의 일면에 위치하는 상부 전극(20)을 포함하고, 하부 전극(10), 유기 광전변환층(30) 및 상부 전극(20)은 유기 광전 소자를 형성한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 단결정의 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 기판(110)은 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55B, 55R, 55G) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다.
청색 광 감지 소자(50B), 전하 저장소(55B) 및 전송 트랜지스터는 청색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 청색 광 감지 소자(50B)는 관통구(57B)를 통해 전하 저장소(55B)와 전기적으로 연결되어 있다. 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55R) 및 전송 트랜지스터는 적색 화소마다 집적되어 있을 수 있고 적색 광 감지 소자(50R)는 관통구(57R)를 통해 전하 저장소(55R)와 전기적으로 연결되어 있다. 전하 저장소(55G)는 관통구(57G)를 통해 하부 전극(10)과 전기적으로 연결되어 있다.
청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 다른 깊이에 위치할 수 있고 장파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 단파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)보다 반도체 기판(110)의 표면으로부터 깊게 위치할 수 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
본 구현예는 전술한 구현예와 달리, 적색 광 감지 소자(50R)의 상부에 반투과 영역(80)이 형성되어 있다. 반투과 영역(80)은 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 반사 또는 흡수할 수 있으며, 예컨대 결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 여기서 결정질 실리콘은 단결정 실리콘 및/또는 다결정 실리콘일 수 있다. 반투과 영역(80)은 전술한 구현예와 같이 실리콘 기판을 그대로 이용하거나 레이저 등을 사용하여 인위적으로 형성할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 이와 같이 적색 광 감지 소자(50R)의 상부에 반투과 영역(80)을 포함함으로써 적색 광 감지 소자(50R)로 유입되는 광의 파장 선택성을 높여 이미지 센서의 감도를 높이고 크로스토크를 줄일 수 있다.
하부 전극(10)은 각 화소마다 배치되어 있는 투광 전극이고 반도체 기판(110)의 표면에 n형 또는 p형 불순물이 고농도로 도핑된 도전층일 수 있다. 일 예로, 하부 전극(10)은 n형 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘일 수 있다.
유기 광전변환층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역 이외의 파장 영역, 즉 청색 파장 영역과 적색 파장 영역의 광을 그대로 통과시킨다.
상부 전극(20)은 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하고 광이 입사되는 투광 전극일 수 있다. 하부 전극(10)과 상부 전극(20) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
도 2에서는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있고 반투과 영역(80)이 적색 광 감지 소자(50R)의 상부에 위치하며 유기 광전 소자(100)가 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층(30)을 포함하는 구조를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 청색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있고 반투과 영역이 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자의 상부에 위치하며 유기 광전 소자(100)가 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조이거나 적색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 반투과 영역이 적색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자의 상부에 위치하며 유기 광전 소자(100)가 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 바와 같이 반도체 기판(110)의 표면에 도전층을 형성하여 유기 광전 소자(100)의 하나의 전극으로 활용함으로써 구조 및 공정을 단순화할 수 있다. 또한 이와 같은 구조에 의해 반도체 기판(110)과 유기 광전 소자(100) 사이에 별도의 절연막을 형성하지 않음으로써 절연막에 의한 광의 흡수 및/또는 반사를 줄여 반도체 기판 측으로 유입되는 광의 손실을 줄일 수 있다.
또한 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110)으로부터 다른 깊이에 위치하고 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수함으로써 별도의 유기 색 필터 층을 구비할 필요 없이 높은 색 분리 특성을 가질 수 있다. 더구나 전술한 바와 같이 적색 광 감지 소자(50R)의 상부에 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키고 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 반사 또는 흡수할 수 있는 반투과 영역(80)을 형성함으로써 적색 광 감지 소자(50R)에 유입되는 광의 파장 선택성을 더욱 높여 감도를 높이고 크로스토크를 줄일 수 있다.
도 3은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 구현예와 마찬가지로 반도체 기판(110), 반도체 기판(110) 내에 위치하는 하부 전극(10), 반도체 기판(110)의 일면에 위치하는 유기 광전변환층(30) 및 유기 광전변환층(30)의 일면에 위치하는 상부 전극(20)을 포함하고, 하부 전극(10), 유기 광전변환층(30) 및 상부 전극(20)은 유기 광전 소자를 형성한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 단결정의 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 기판(110)은 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55B, 55R, 55G) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B)는 관통구(57B)를 통해 전하 저장소(55B)와 전기적으로 연결되어 있고 적색 광 감지 소자(50R)는 관통구(57R)를 통해 전하 저장소(55R)와 전기적으로 연결되어 있다. 전하 저장소(55G)는 관통구(57G)를 통해 하부 전극(10)과 전기적으로 연결되어 있다.
청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 다른 깊이에 위치할 수 있고 장파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)는 단파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)보다 반도체 기판(110)의 표면으로부터 깊게 위치할 수 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
본 구현예는 전술한 구현예와 달리, 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수직 방향으로 적층되어 있다. 이와 같이 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수직 방향으로 적층됨으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
하부 전극(10)은 각 화소마다 배치되어 있는 투광 전극이고 반도체 기판(110)의 표면에 n형 또는 p형 불순물이 고농도로 도핑된 도전층일 수 있다. 일 예로, 하부 전극(10)은 n형 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘일 수 있다.
유기 광전변환층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역 이외의 파장 영역, 즉 청색 파장 영역과 적색 파장 영역의 광을 그대로 통과시킨다.
상부 전극(20)은 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하고 광이 입사되는 투광 전극일 수 있다. 하부 전극(10)과 상부 전극(20) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
도 3에서는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110) 내에 수직 방향으로 적층되어 있고 유기 광전 소자(100)가 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층(30)을 포함하는 구조를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 청색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 수직으로 적층되고 유기 광전 소자(100)가 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조이거나 적색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 수직으로 적층되고 유기 광전 소자(100)가 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 바와 같이 반도체 기판(110)의 표면에 도전층을 형성하여 유기 광전 소자(100)의 하나의 전극으로 활용함으로써 구조 및 공정을 단순화할 수 있다. 또한 이와 같은 구조에 의해 반도체 기판(110)과 유기 광전 소자(100) 사이에 별도의 절연막을 형성하지 않음으로써 절연막에 의한 광의 흡수 및/또는 반사를 줄여 반도체 기판 측으로 유입되는 광의 손실을 줄일 수 있다.
또한 반도체 기판(110) 내에 집적되어 있는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110)으로부터 다른 깊이에 위치하고 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수함으로써 별도의 색 필터 층을 구비할 필요가 없다. 더구나 전술한 바와 같이 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수직 방향으로 적층됨으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 4는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 4를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 구현예와 마찬가지로 반도체 기판(110), 반도체 기판(110) 내에 위치하는 하부 전극(10), 반도체 기판(110)의 일면에 위치하는 유기 광전변환층(30) 및 유기 광전변환층(30)의 일면에 위치하는 상부 전극(20)을 포함하고, 하부 전극(10), 유기 광전변환층(30) 및 상부 전극(20)은 유기 광전 소자를 형성한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 단결정의 실리콘 기판일 수 있다. 반도체 기판(110)은 청색 광 감지 소자(50B), 적색 광 감지 소자(50R), 전하 저장소(55B, 55R, 55G) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B)는 관통구(57B)를 통해 전하 저장소(55B)와 전기적으로 연결되어 있고 적색 광 감지 소자(50R)는 관통구(57R)를 통해 전하 저장소(55R)와 전기적으로 연결되어 있다. 전하 저장소(55G)는 관통구(57G)를 통해 하부 전극(10)과 전기적으로 연결되어 있다.
본 구현예에서는 전술한 구현예와 달리 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110)의 표면으로부터 실질적으로 동일한 깊이에 수평 방향으로 이격되어 위치되어 있다.
하부 전극(10)은 각 화소마다 배치되어 있는 투광 전극이고 반도체 기판(110)의 표면에 n형 또는 p형 불순물이 고농도로 도핑된 도전층일 수 있다. 일 예로, 하부 전극(10)은 n형 또는 p형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘일 수 있다.
유기 광전변환층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역 이외의 파장 영역, 즉 청색 파장 영역과 적색 파장 영역의 광을 그대로 통과시킨다.
상부 전극(20)은 유기 광전변환층(30)의 상부에 위치하고 광이 입사되는 투광 전극일 수 있다. 하부 전극(10)과 상부 전극(20) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드일 수 있다.
본 구현예에서는 전술한 구현예와 달리, 상부 전극(20) 위에 색 필터 층(70)을 포함한다. 색 필터 층(70)은 적색 광 감지 소자(50R)에 대응하게 위치하고 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제1 색 필터(71)와 청색 광 감지 소자(50B)에 대응하게 위치하고 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 색 필터(72)를 포함한다. 일 예로 제1 색 필터(71)는 황색(yellow) 필터일 수 있고 제2 색 필터(72)는 시안(cyan) 필터일 수 있다.
도 4에서는 청색 파장 영역의 광을 감지하는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 파장 영역의 광을 감지하는 적색 광 감지 소자(50R)가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층(30)을 포함하며 적색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제1 색 필터(71)와 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 색 필터(72)를 포함하는 구조를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 청색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하며 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 색 필터와 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 색 필터를 포함하는 구조이거나 적색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자와 녹색 파장 영역의 광을 감지하는 광 감지 소자가 반도체 기판(110) 내에 집적되고 유기 광전 소자(100)가 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하며 적색 파장 영역 및 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 색 필터와 녹색 파장 영역 및 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 색 필터를 포함하는 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 바와 같이 반도체 기판(110)의 표면에 도전층을 형성하여 유기 광전 소자(100)의 하나의 전극으로 활용함으로써 구조 및 공정을 단순화할 수 있다. 또한 이와 같은 구조에 의해 반도체 기판(110)과 유기 광전 소자(100) 사이에 별도의 절연막을 형성하지 않음으로써 절연막에 의한 광의 흡수 및/또는 반사를 줄여 반도체 기판 측으로 유입되는 광의 손실을 줄일 수 있다.
상술한 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라, 생체인식 센서 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 하부 전극
20: 상부 전극
30: 유기 광전변환층
50B: 청색 광 감지 소자
50R: 적색 광 감지 소자
55B, 55R, 55G: 전하 저장소
57B, 57R, 57G: 관통구
70: 색 필터 층
71: 제1 색 필터
72: 제2 색 필터
110: 반도체 기판

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 광 감지 소자가 집적되어 있는 반도체 기판,
    상기 반도체 기판 내에 위치하는 불순물 도핑된 제1 투광 전극,
    상기 반도체 기판의 일면에 위치하고 상기 광 감지 소자에서 감지하는 파장과 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 유기 광전변환층, 그리고
    상기 유기 광전변환층의 일면에 위치하는 제2 투광 전극
    을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 투광 전극, 상기 유기 광전변환층 및 상기 제2 투광 전극은 유기 광전 소자를 형성하는 이미지 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 투광 전극은 상기 반도체 기판의 표면에 위치하고 n형 또는 p형 불순물 도핑된 비정질 규소를 포함하는 이미지 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 투광 전극은 2nm 내지 50nm 두께를 가지는 이미지 센서.
  5. 제1항에서,
    상기 반도체 기판에 집적되어 있는 광 감지 소자는 제1 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 감지 소자 및 상기 제1 파장 영역과 상이한 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함하고,
    상기 유기 광전변환층은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 상이한 제3 파장 영역의 광을 흡수하는 이미지 센서.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 다른 깊이에 위치하는 이미지 센서.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 장파장 영역의 광을 감지하고,
    상기 제1 광 감지 소자는 상기 제2 광 감지 소자보다 상기 반도체 기판의 표면으로부터 깊게 위치하는 이미지 센서.
  8. 제5항에서,
    상기 제1 광 감지 소자와 상기 제1 투광 전극의 사이에 위치하는 반투과 영역을 더 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에서,
    상기 반투과 영역은 상기 제1 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키고 상기 제2 파장 영역의 광을 선택적으로 반사 또는 흡수하는 이미지 센서.
  10. 제8항에서,
    상기 반투과 영역은 결정질 규소를 포함하는 이미지 센서.
  11. 제8항에서,
    상기 제1 투광 전극은 비정질 규소를 포함하고,
    상기 반투과 영역은 결정질 규소를 포함하는
    이미지 센서.
  12. 제5항에서,
    상기 제2 투광 전극의 일면에 위치하는 색 필터 층을 더 포함하는 이미지 센서.
  13. 제12항에서,
    상기 색 필터 층은
    상기 제1 광 감지 소자에 대응하게 위치하고 제1 파장 영역 및 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제1 색 필터, 그리고
    상기 제2 광 감지 소자에 대응하게 위치하고 제2 파장 영역 및 제3 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 제2 색 필터
    를 포함하는 이미지 센서.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자는 수평방향으로 이격되어 위치하는 이미지 센서.
  15. 제1항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 절연막이 개재되어 있지 않은 이미지 센서.
  16. 제1항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환층 사이에 유기 색 필터가 개재되어 있지 않은 이미지 센서.
  17. 제5항에서,
    상기 제1 파장 영역, 상기 제2 파장 영역 및 상기 제3 파장 영역은 각각 가시광선 영역의 삼원색 중 하나인 이미지 센서.
  18. 제5항에서,
    상기 제1 파장 영역은 적색 파장 영역이고,
    상기 제2 파장 영역은 청색 파장 영역이고,
    상기 제3 파장 영역은 녹색 파장 영역인
    이미지 센서.
  19. 제18항에서,
    상기 적색 파장 영역은 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고,
    상기 청색 파장 영역은 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지고,
    상기 녹색 파장 영역은 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는
    이미지 센서.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.


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