KR20170000547A - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

복수의 화소로 이루어진 단위 화소 군이 행 및 열을 따라 반복적으로 배열되고, 상기 단위 화소 군은 가시광선 파장 영역의 광을 감지하는 적어도 하나의 제1 화소, 그리고 적외선 파장 영역의 광을 감지하는 제2 화소를 포함하고, 상기 제2 화소는 상기 제2 화소 내에 구획되어 있는 제1 광전 소자를 포함하고, 상기 제1 광전 소자는 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외광 흡수층을 포함하는 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 소자에 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.
디지털 카메라와 캠코더 등에는 영상을 촬영하여 전기적 신호로 저장하는 촬상 소자가 사용되고, 촬상 소자는 입사하는 빛을 파장에 따라 분해하여 각각의 성분을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서를 포함한다.
이미지 센서는 날이 갈수록 소형화 및 높은 해상도가 요구되고 있으며, 근래에는 실내 환경이나 야간과 같이 저조도 환경에서 이미지의 감도 및 휘도를 개선하는 요구가 늘어나고 있다.
일 구현예는 저조도 환경에서도 고감도 및 고휘도 특성을 발휘할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 복수의 화소로 이루어진 단위 화소 군이 행 및 열을 따라 반복적으로 배열되고, 상기 단위 화소 군은 가시광선 파장 영역의 광을 감지하는 적어도 하나의 제1 화소, 그리고 적외선 파장 영역의 광을 감지하는 제2 화소를 포함하고, 상기 제2 화소는 상기 제2 화소 내에 구획되어 있는 제1 광전 소자를 포함하고, 상기 제1 광전 소자는 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외광 흡수층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 적외광 흡수층은 상기 단위 화소 군의 전면(whole surface)에 위치할 수 있고, 상기 적외광 흡수층은 상기 제2 화소에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하여 제1 광전 소자를 형성하는 광전 변환 영역, 그리고 상기 제1 화소에 위치하는 비광전 변환 영역을 포함할 수 있다.
상기 적외광 흡수층은 적어도 1종의 유기 물질을 포함할 수 있다.
상기 적외광 흡수층은 퀴노이드 금속 착화합물(quinoid metal complex), 시아닌 화합물(cyanone compound), 임모늄 화합물(immonium compound), 디임모늄 화합물(diimmonium compound), 트리아릴메탄 화합물(triarylmethane compound), 디피로메텐 화합물(dipyrromethene compound), 디퀴논 화합물(diquinone compound), 나프토퀴논 화합물(naphthoquinone compound), 안트라퀴논 화합물(anthraquinone compound), 스퀘리륨 화합물(squarylium compound), 릴렌 화합물(ryleme compound), 프탈로시아닌 화합물(phthalocyanine compound), 나프탈로시아닌 화합물(naphthalocyanine compound), 퍼릴렌 화합물(perylene compound), 수쿠아레인(squaraine) 화합물, 보론 디피로메텐(boron-dipyrromethene) 화합물, 니켈-디티올 착화합물(nickel-dithiol complex), 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 화소는 가시광선 파장 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 감지하는 제3 화소, 제4 화소 및 제5 화소를 포함할 수 있고, 상기 제3 화소는 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제1 가시광을 선택적으로 감지하는 제1 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 상기 제4 화소는 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제2 가시광을 선택적으로 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 상기 제5 화소는 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 제3 광 감지 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 화소는 상기 제1 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제1 가시광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터, 상기 제2 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터, 그리고 상기 제3 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 제3 색 필터를 포함할 수 있고, 상기 제2 화소는 색 필터를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광 감지 소자는 실리콘 기판 내에 집적되어 있을 수 있다.
상기 제1 내지 제3 광 감지 소자는 수평 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제1 광전 소자는 상기 제1 내지 제3 광 감지 소자보다 광이 입사되는 측에 가까이 배치될 수 있다.
상기 제2 화소와 상기 제3 내지 제5 화소 중 적어도 하나는 나머지 화소들과 다른 면적을 가질 수 있다.
상기 제3 화소는 상기 제2 화소, 상기 제4 화소 및 상기 제5 화소보다 큰 면적을 가질 수 있다.
상기 제4 화소와 상기 제5 화소는 동일한 면적을 가질 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제1 광전 소자의 일면에 위치하는 제2 광전 소자를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 광전 소자는 서로 마주하는 제3 전극과 제4 전극, 그리고 상기 제3 전극과 상기 제4 전극 사이에 위치하고 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 가시광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함할 수 있다.
상기 제1 화소는 가시광선 파장 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 감지하는 제4 화소 및 제5 화소를 포함할 수 있고, 상기 제4 화소는 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제2 가시광을 선택적으로 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함할 수 있고, 상기 제5 화소는 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 제3 광 감지 소자를 포함할 수 있다.
상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자는 실리콘 기판 내에 집적되어 있을 수 있다.
상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자는 수평 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제1 광전 소자는 상기 제2 광전 소자보다 광이 입사되는 측에 가까이 배치될 수 있고, 상기 제2 광전 소자는 상기 제2 및 제3 광 감지 소자보다 광이 입사되는 측에 가까이 배치될 수 있다.
상기 제1 화소는 상기 제2 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터 및 상기 제3 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 제3 색 필터를 포함할 수 있고, 상기 제2 화소는 색 필터를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자는 수직 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제2 광전 소자의 일면에 위치하는 제3 광전 소자 및 제4 광전 소자를 더 포함할 수 있고, 상기 제3 광전 소자는 서로 마주하는 제5 전극과 제6 전극, 그리고 상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 위치하고 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제2 가시광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함할 수 있고, 상기 제4 광전 소자는 서로 마주하는 제7 전극과 제8 전극, 그리고 상기 제7 전극과 상기 제8 전극 사이에 위치하고 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제3 가시광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함할 수 있고, 상기 제2 내지 제4 광전 소자는 수직 방향으로 적층되어 있을 수 있다.
상기 제1 화소와 상기 제2 화소는 색 필터를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제2 내지 제4 광전 소자는 상기 제1 광전 소자의 하부에 위치할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
저조도 환경에서도 고감도 및 고휘도 특성을 발휘할 수 있는 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 단위 화소 군을 예시적으로 보여주는 평면도이고,
도 2는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 군을 개략적으로 보여주는 평면도이고,
도 3은 도 2의 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이고,
도 4는 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 군을 예시적으로 보여주는 평면도이고,
도 5는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이고,
도 6은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 7은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
이하, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예를 상세히 설명한다. 그러나 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 일 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 이미지 센서는 복수의 화소로 이루어진 단위 화소 군(unit pixel group)이 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 형태의 화소 배열(pixel array)을 가진다.
상기 단위 화소 군은 가시광선 파장 영역의 광을 감지하는 적어도 하나의 화소(이하 '가시광 감지 화소'라 한다)와 적외선 파장 영역의 광을 감지하는 화소(이하 '적외광 감지 화소'라 한다)를 포함한다. 상기 단위 화소 군에 포함된 화소의 개수는 다양할 수 있으며, 예컨대 2개, 4개 또는 9개 등의 화소를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서에서 단위 화소 군을 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 군(10)은 두 개의 행과 두 개의 열(2x2)로 배열된 화소 1(PX1), 화소 2(PX2), 화소 3(PX3) 및 화소 4(PX4)로 이루어진다. 화소 1(PX1), 화소 2(PX2), 화소 3(PX3) 및 화소 4(PX4) 중 세 개는 풀 컬러(full color)를 감지하기 위한 기본 화소일 수 있고 나머지 하나는 이미지 센서의 감도 및 휘도를 보완하기 위한 보조 화소일 수 있다. 그러나 기본 화소 및 보조 화소는 필요에 따라 추가되거나 감소될 수 있다.
일 예로, 화소 1(PX1), 화소 2(PX2) 및 화소 3(PX3)은 가시광 감지 화소일 수 있고, 화소 4(PX4)는 적외광 감지 화소일 수 있다.
가시광 감지 화소인 화소 1(PX1), 화소 2(PX2) 및 화소 3(PX3)은 각각 가시광선 파장 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 감지할 수 있다. 예컨대 가시광 감지 화소 중, 화소 1(PX1)은 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 가시광을 감지하는 화소일 수 있고, 화소 2(PX2)는 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 가시광을 감지하는 화소일 수 있고, 화소 3(PX3)은 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 가시광을 감지하는 화소일 수 있다. 예컨대 화소 1(PX1)은 녹색 광을 선택적으로 감지하는 녹색 화소일 수 있고 화소 2(PX2)는 청색 광을 선택적으로 감지하는 청색 화소일 수 있고 화소 3(PX3)는 적색 광을 선택적으로 감지하는 적색 화소일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 화소의 배열 및 순서는 다양하게 변형될 수 있다.
적외광 감지 화소인 화소 4(PX4)는 약 700nm 초과에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 적외광을 선택적으로 감지하는 화소일 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 700nm 초과 내지 3㎛에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 800nm 내지 1500nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 군을 개략적으로 보여주는 평면도이고, 도 3은 도 2의 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2 및 도 3에서는 설명의 편의를 위해 가시광 감지 화소를 녹색 화소(G), 청색 화소(B) 및 적색 화소(R)인 경우를 예시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 도 2 및 도 3에서 예시한 녹색 화소(G), 청색 화소(B) 및 적색 화소(R)의 배열 및 구성은 다양하게 변형될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(100)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터층(70), 상부 절연층(80) 및 적외광 광전 소자(90)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50)는 예컨대 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
광 감지 소자(50), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 예컨대 녹색 광 감지 소자(50G) 및 전송 트랜지스터는 녹색 화소(G)마다 집적되어 있을 수 있고 청색 광 감지 소자(50B) 및 전송 트랜지스터는 청색 화소(B)마다 집적되어 있을 수 있고 적색 광 감지 소자(50R) 및 전송 트랜지스터는 적색 화소(R)마다 집적되어 있을 수 있고 전하 저장소(55) 및 전송 트랜지스터는 적외광 감지 화소(I)마다 집적되어 있을 수 있다. 전하 저장소(55)는 후술하는 적외광 광전 소자(90)와 전기적으로 연결되어 있다.
녹색 광 감지 소자(50G), 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)은 수평 방향으로 이격되어 배치될 수 있다.
광 감지 소자(50)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(55)는 후술하는 적외광 광전 소자(90)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 하부 절연층(60)은 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치를 가질 수 있다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다. 하부 절연층(60)은 생략될 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 가시광 감지 화소에 형성될 수 있으며 각 가시광 감지 화소에 따라 가시광선 파장 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 선택적으로 투과하는 색 필터가 형성될 수 있다. 일 예로 녹색 화소(G)에는 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 녹색 광을 선택적으로 투과하는 녹색 필터(70G)가 형성될 수 있고 청색 화소(B)에는 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 청색 광을 선택적으로 투과하는 청색 필터(70B)가 형성될 수 있고 적색 화소(R)에는 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 적색 광을 선택적으로 투과하는 적색 필터(70R)가 형성될 수 있다.
녹색 필터(70G)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시켜 녹색 광 감지 소자(50G)로 전달하고 청색 필터(70B)는 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시켜 청색 광 감지 소자(50B)로 전달하고 적색 필터(70R)는 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시켜 적색 광 감지 소자(50R)로 전달할 수 있다.
색 필터 층(70)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
색 필터 층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터 층(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상부 절연층(80) 및 하부 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 전하 저장소(55)를 드러내는 접촉구(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 화소 전극(91)이 형성되어 있다. 화소 전극(91)은 적외광 감지 화소(I) 내에 구획되어 있으며 적외광 감지 화소(I) 외에 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)에는 형성되지 않는다.
화소 전극(91) 위에는 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외광 흡수층(92)이 형성되어 있다. 상기 적외선 영역은 예컨대 근적외선 영역, 중간 적외선 영역 및 원적외선 영역을 모두 포함할 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 예컨대 약 700nm 초과에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 700nm 초과 내지 3㎛에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 800nm 내지 1500nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 적외선 파장 영역을 제외한 영역의 광은 적외광 흡수층(92)을 그대로 통과할 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 예컨대 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn접합(pn junction)을 형성할 수 있다. 상기 p형 반도체 및 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 적외선 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 반도체 중 적어도 하나는 1종 이상의 유기 물질을 포함할 수 있다. 상기 유기 물질은 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있는 물질이면 특별히 한정되지 않으며, 일 예로 상기 p형 반도체 및 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 퀴노이드 금속 착화합물(quinoid metal complex), 시아닌 화합물(cyanone compound), 임모늄 화합물(immonium compound), 디임모늄 화합물(diimmonium compound), 트리아릴메탄 화합물(triarylmethane compound), 디피로메텐 화합물(dipyrromethene compound), 디퀴논 화합물(diquinone compound), 나프토퀴논 화합물(naphthoquinone compound), 안트라퀴논 화합물(anthraquinone compound), 스퀘리륨 화합물(squarylium compound), 릴렌 화합물(ryleme compound), 프탈로시아닌 화합물(phthalocyanine compound), 나프탈로시아닌 화합물(naphthalocyanine compound), 퍼릴렌 화합물(perylene compound), 수쿠아레인(squaraine) 화합물, 보론 디피로메텐(boron-dipyrromethene) 화합물, 니켈-디티올 착화합물(nickel-dithiol complex), 메로시아닌(merocyanine), 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrroles), 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 상기 p형 반도체는 메로시아닌, 디케토피롤로피롤, 보론 디피로메텐 화합물, 나프탈로시아닌 화합물, 수쿠아레인 화합물, 이들의 유도체 또는 이들의 조합일 수 있고 상기 n형 반도체는 C60, C70, 티오펜, 이들의 유도체 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
적외광 흡수층(92)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 적외광 흡수층(92)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 부피비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1: 1의 부피비로 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.
적외광 흡수층(92)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 적외선 영역의 광을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 이미지 센서(100)의 전면(whole surface)에 형성될 수 있다. 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 적외광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 늘려 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
적외광 흡수층(93) 위에는 공통 전극(93)이 형성되어 있다. 공통 전극(93)은 적외광 흡수층(92)의 전면에 형성될 수도 있고 화소 전극(91)과 중첩되는 영역에 선택적으로 형성될 수도 있다.
화소 전극(91)과 공통 전극(93) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 예컨대 화소 전극(91)이 애노드이고 공통 전극(93)이 캐소드일 수 있다.
화소 전극(91)과 공통 전극(93)은 모두 투광 전극 또는 반투광 전극일 수 있다. 투광 전극 또는 반투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO) 또는 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, 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.
화소 전극(91)과 공통 전극(93) 중 어느 하나는 반사 전극일 수 있으며, 예컨대 화소 전극(91)이 반사 전극일 수 있다. 반사 전극은 예컨대 알루미늄, 구리, 은 등과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 적외광 감지 화소(I)에서 화소 전극(91)과 공통 전극(93) 사이에 위치하는 광전 변환 영역(92a)과 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)에 위치하는 비광전 변환 영역(92b)를 포함한다.
화소 전극(91), 공통 전극(93), 그리고 화소 전극(91)과 공통 전극(93)에 의해 구획된 영역에 위치하는 적외선 흡수층(92)의 광전 변환 영역(92a)은 적외광 광전 소자(90)를 형성한다. 즉 공통 전극(93) 측으로부터 빛이 입사되어 적외광 흡수층(92)에서 적외선 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하면 적외광 흡수층(92)의 광전 변환 영역(92a)에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 정공과 전자로 분리되고 분리된 정공은 화소 전극(91)과 공통 전극(93) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 화소 전극(91)과 공통 전극(93) 중 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 한다. 분리된 전자 또는 정공은 화소 전극(91)을 통해 전하 저장소(55)에 모아질 수 있다.
적외광 흡수층(92)의 비광전 변환 영역(92b)은 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있고 적외선 영역을 제외한 나머지 파장 영역의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 따라서 적외광 흡수층(92)의 비광전 변환 영역(92b)은 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)에 위치하여 적외선 파장 영역의 광이 녹색 광 감지 소자(50G), 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)으로 유입되는 것을 차단하는 적외광 여과층(IR filter layer)으로 역할을 할 수 있다. 따라서 이미지 센서 외부에 별도의 적외광 여과 필터를 부착할 필요가 없다.
공통 전극(93) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 구현예에 따른 이미지 센서는 가시광 영역의 광을 감지하는 가시광 감지 화소와 적외선 영역의 광을 감지하는 적외광 감지 소자를 포함함으로써 예컨대 약 11lux 미만의 저조도 환경에서 이미지 센서의 감도 및 휘도가 급격히 저하되는 것을 방지하고 고감도 및 고휘도 특성을 구현할 수 있다.
또한 가시광 감지 화소 위에 적외선 흡수층(92)을 배치함으로써 가시광 감지 화소로 유입되는 적외선 영역의 광을 미리 차단함으로써 별도의 적외선 여과 필터(IR filter)을 구비할 필요가 없다.
또한 적외광 감지 화소가 가시광 감지 화소와 분리됨으로써 적외광 광전 소자(90)와 전하 저장소(55) 사이의 적외광 신호 전달 구조가 가시광 감지 화소를 관통하지 않음으로써 구조 및 공정을 단순화할 수 있다. 만일 가시광 감지 화소 내에 적외광의 신호 전달 구조가 위치하는 경우 상기 신호 전달 구조를 위한 영역을 확보하기 위하여 색 필터의 면적이 줄어들어 각 화소의 개구율이 감소될 수 있고 공정이 복잡할 수 있으나, 본 구현예에서는 적외광 감지 화소를 별도로 둠으로써 가시광 감지 화소의 개구율을 충분히 확보할 수 있고 공정을 단순화할 수 있다.
또한 적외광 감지 화소가 가시광 감지 화소와 분리됨으로써 가시광 감지 화소에 적외광 광전 소자(90)를 위한 화소 전극(91)을 형성하지 않음으로써 화소 전극(91)에 의해 가시광의 일부가 흡수 및/또는 반사되어 가시광 투과도가 감소하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 가시광 감지 화소로 유입되는 가시광 투과도의 감소 및 이로 인한 효율의 저하를 방지할 수 있다.
도 4는 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 군을 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 4를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 군(20)은 전술한 구현예와 마찬가지로 두 개의 행과 두 개의 열(2x2)로 배열된 화소 1(PX1), 화소 2(PX2), 화소 3(PX3) 및 화소 4(PX4)로 이루어진다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소 군(20)은 전술한 구현예와 달리, 화소 1(PX1), 화소 2(PX2), 화소 3(PX3) 및 화소 4(PX4) 중 적어도 하나의 화소는 나머지 화소들과 다른 면적을 가질 수 있다. 단위 화소 군(20)의 각 화소의 면적은 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
일 예로, 화소 1(PX1)은 화소 2(PX2), 화소 3(PX3) 및 화소 4(PX4)보다 큰 면적을 가질 수 있다.
일 예로, 화소 2(PX2)와 화소 3(PX3)은 동일한 면적을 가질 수 있다.
일 예로, 화소 1(PX1)의 면적이 가장 클 수 있고 화소 2(PX2), 화소 3(PX3) 및 화소 4(PX4)의 면적이 동일할 수 있다.
일 예로, 화소 1(PX1)의 면적이 가장 클 수 있고 화소 2(PX2)와 화소 3(PX3)의 면적이 동일할 수 있고 화소 4(PX4)의 면적이 가장 작을 수 있다.
일 예로, 화소 1(PX1)의 면적이 가장 클 수 있고 화소 2(PX2)와 화소 3(PX3)의 면적이 가장 작을 수 있고 화소 4(PX4)의 면적이 화소 1(PX1)의 면적보다 작고 화소 2(PX2) 또는 화소 3(PX3)의 면적보다 클 수 있다.
일 예로, 화소 1(PX1)는 녹색 화소(G)일 수 있고 화소 2(PX2)는 청색 화소(B)일 수 있고 화소 3(PX3)은 적색 화소(R)일 수 있고 화소 4(PX4)는 가시광 감지 화소(I)일 수 있다.
일 예로, 녹색 화소(G)는 적색 화소(R), 청색 화소(B) 및 적외광 감지 화소(I)보다 큰 면적을 가질 수 있다.
일 예로, 적색 화소(R)와 청색 화소(B)는 동일한 면적을 가질 수 있다.
일 예로, 녹색 화소(G)의 면적이 가장 클 수 있고 적색 화소(R), 청색 화소(B) 및 적외광 감지 화소(I)의 면적이 동일할 수 있다.
일 예로, 녹색 화소(G)의 면적이 가장 클 수 있고 적색 화소(R)와 청색 화소(B)의 면적이 동일할 수 있고 적외광 감지 화소(I)의 면적이 가장 작을 수 있다.
일 예로, 녹색 화소(G)의 면적이 가장 클 수 있고 적색 화소(R)와 청색 화소(B)의 면적이 가장 작을 수 있고 적외광 감지 화소(I)의 면적이 녹색 화소(G)의 면적보다 작고 적색 화소(R) 또는 청색 화소(B)의 면적보다 클 수 있다.
이와 같이 단위 화소 군(20)의 각 화소의 면적을 다르게 함으로써, 적외광 감지 화소(I)로 인해 가시광 감지 화소의 면적이 감소되더라도 가시광 감지 화소의 비율을 조절함으로써 가시광 감지 효율의 감소를 방지하고 고해상도 이미지 센서를 구현할 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서에 대하여 설명한다.
본 구현예에 따른 이미지 센서 또한 전술한 구현예에 따른 이미지 센서와 마찬가지로, 복수의 화소로 이루어진 단위 화소 군이 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 형태의 화소 배열을 가진다.
상기 단위 화소 군은 하나 또는 둘 이상의 화소를 포함하는 가시광 감지 화소와 적외광 감지 화소를 포함할 수 있다.
상기 가시광 감지 화소는 약 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 가시광을 감지하는 화소, 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 가시광을 감지하는 화소 및 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 가시광을 감지하는 화소 중 하나 또는 둘을 포함할 수 있다. 예컨대 상기 가시광 감지 화소는 녹색 광 감지 소자를 포함하는 녹색 화소(G), 청색 광 감지 소자를 포함하는 청색 화소(B) 및 적색 광 감지 소자를 포함하는 적색 화소(R) 중 하나 또는 둘을 포함할 수 있다.
예컨대 상기 가시광 감지 화소는 청색 광 감지 소자를 포함하는 청색 화소(B)와 적색 광 감지 소자를 포함하는 적색 화소(R)을 포함할 수 있고, 청색 화소(B), 적색 화소(R) 및 상기 적외광 감지 화소(I)를 포함하는 단위 화소 군이 행 및 열을 따라 교대로 배열될 수 있다. 상기 단위 화소 군에 포함된 화소의 개수는 다양할 수 있으며, 예컨대 상기 단위 화소 군은 9개의 화소를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 단위 화소 군이 9개의 화소를 포함하는 경우, 4개의 청색 화소(B), 4개의 적색 화소(R) 및 1개의 적외광 감지 화소(I)가 세 개의 행과 세 개의 열(3x3)로 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 구현예와 달리, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 가시광 감지 화소 중 하나를 생략할 수 있고 생략된 화소의 광 감지 소자는 수직 방향으로 적층될 수 있다. 이에 따라 해상도 및 감도를 저하시키지 않으면서 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있다.
상기 적외광 감지 화소는 약 700nm 초과에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 적외광을 선택적으로 감지하는 화소일 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 700nm 초과 내지 3㎛에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 800nm 내지 1500nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
도 5는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 5를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(200)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터층(70), 상부 절연층(80) 및 적외광 광전 소자(90)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55, 56G)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50)는 예컨대 광 다이오드일 수 있다.
전술한 구현예와 달리, 광 감지 소자(50)는 적색 광 감지 소자(50R)과 청색 광 감지 소자(50B)를 포함한다. 예컨대 적색 광 감지 소자(50R) 및 전송 트랜지스터는 적색 화소(R)마다 집적되어 있고 청색 광 감지 소자(50B) 및 전송 트랜지스터는 청색 화소(B)마다 집적되어 있을 수 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 수평 방향으로 이격되어 있을 수 있다.
광 감지 소자(50)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(55)는 후술하는 적외광 광전 소자(90)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 전하 저장소(56G)는 후술하는 녹색 광전 소자(30G)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(56G)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 하부 절연층(60)은 전하 저장소(55, 56G)를 드러내는 트렌치 및/또는 접촉구를 가질 수 있다. 트렌치 및/또는 접촉구는 충전재로 채워져 있을 수 있다. 하부 절연층(60)은 생략될 수 있다.
하부 절연층(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 가시광 감지 화소에 형성될 수 있으며 각 가시광 감지 화소에 따라 가시광선 파장 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 선택적으로 투과하는 색 필터가 형성될 수 있다. 일 예로 청색 화소(B)에는 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 청색 광을 선택적으로 투과하는 청색 필터(70B)가 형성될 수 있고 적색 화소(R)에는 약 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 적색 광을 선택적으로 투과하는 적색 필터(70R)가 형성될 수 있다.
청색 필터(70B)는 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시켜 청색 광 감지 소자(50B)로 전달하고 적색 필터(70R)는 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시켜 적색 광 감지 소자(50R)로 전달할 수 있다.
색 필터 층(70)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
색 필터 층(70) 위에는 중간 절연층(65)이 형성되어 있다. 중간 절연층(65)은 색 필터 층(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 중간 절연층(65) 및 하부 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 전하 저장소(55, 56G)를 드러내는 접촉구를 가진다.
중간 절연층(65) 위에는 녹색 광전 소자(30G)가 형성되어 있다. 녹색 광전 소자(30G)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 감지할 수 있다.
녹색 광전 소자(30G)는 서로 마주하는 화소 전극(31)과 공통 전극(33), 그리고 화소 전극(31)과 공통 전극(33) 사이에 위치하는 녹색 광 흡수층(32G)을 포함한다. 화소 전극(31)과 공통 전극(33) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다.
화소 전극(31)과 공통 전극(33)은 모두 투광 전극일 수 있으며, 상기 투광 전극은 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.
녹색 광 흡수층(32G)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하고 녹색 파장 영역이 아닌 파장 영역, 즉 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광은 그대로 통과시킬 수 있다.
녹색 광 흡수층(32G)은 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn 접합을 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 엑시톤을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다. 녹색 광 흡수층(30G)은 녹색 필터를 대체할 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 0.7eV의 LUMO 차이를 가질 수 있다.
상기 p형 반도체는 예컨대 퀴나크리돈(quinacridone) 또는 그 유도체, 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine) 또는 그 유도체일 수 있으며, 상기 n형 반도체는 예컨대 티오펜 유도체, 시아노비닐기를 가지는 티오펜 유도체, 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
녹색 광 흡수층(32G)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 녹색 광 흡수층(32G)은 예컨대 진성층(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 부피비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1: 1의 부피비로 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.
녹색 광 흡수층(32G)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.
녹색 광 흡수층(30G)은 이미지 센서의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 늘려 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
녹색 광전 소자(30G)는 공통 전극(33) 측으로부터 빛이 입사되어 녹색 광 흡수층(32G)이 녹색 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 녹색 광 흡수층(32G)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 화소 전극(31)과 공통 전극(32) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 화소 전극(31)과 공통 전극(32) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다. 분리된 전자 또는 정공은 전하 저장소(56G)에 모아질 수 있다. 녹색 파장 영역을 제외한 나머지 파장 영역의 빛은 화소 전극(31) 및 색 필터 층(70)을 통과하여 청색 광 감지 소자(50B) 또는 적색 광 감지 소자(50R)에 의해 센싱될 수 있다.
녹색 광전 소자(30G) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 예컨대 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 상부 절연층(80)은 생략될 수 있다.
상부 절연층(80) 위에는 화소 전극(91)이 형성되어 있다. 화소 전극(91)은 적외광 감지 화소(I) 내에 구획되어 있으며 적외광 감지 화소(I) 외에 적색 화소(R) 및 청색 화소(B)에는 형성되지 않을 수 있다.
화소 전극(91) 위에는 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외광 흡수층(92)이 형성되어 있다. 상기 적외선 영역은 예컨대 근적외선 영역, 중간 적외선 영역 및 원적외선 영역을 모두 포함할 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 예컨대 약 700nm 초과에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 700nm 초과 내지 3㎛에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 800nm 내지 1500nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 예컨대 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn접합을 형성할 수 있다. 상기 p형 반도체 및 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 적외선 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다.
상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 1종 이상의 유기 물질을 포함할 수 있다. 일 예로 상기 p형 반도체 및 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 퀴노이드 금속 착화합물, 시아닌 화합물, 임모늄 화합물, 디임모늄 화합물, 트리아릴메탄 화합물, 디피로메텐 화합물, 디퀴논 화합물, 나프토퀴논 화합물, 안트라퀴논 화합물, 스퀘리륨 화합물, 릴렌 화합물, 프탈로시아닌 화합물, 나프탈로시아닌 화합물, 퍼릴렌 화합물, 수쿠아레인 화합물, 보론 디피로메텐 화합물, 니켈-디티올 착화합물, 메로시아닌 화합물, 디케토피롤로피롤 화합물, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 상기 p형 반도체는 메로시아닌, 디케토피롤로피롤, 보론 디피로메텐 화합물, 나프탈로시아닌 화합물, 수쿠아레인 화합물, 이들의 유도체 또는 이들의 조합일 수 있고 상기 n형 반도체는 C60, C70, 티오펜, 이들의 유도체 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
적외광 흡수층(92)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 적외광 흡수층(92)은 예컨대 진성층(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 부피비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1: 1의 부피비로 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.
적외광 흡수층(92)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 적외선 영역의 광을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 이미지 센서(100)의 전면에 형성될 수 있다. 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 적외광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 늘려 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
적외광 흡수층(92) 위에는 공통 전극(93)이 형성되어 있다. 공통 전극(93)은 적외광 흡수층(92)의 전면에 형성될 수도 있고 화소 전극(91)과 중첩되는 영역에 선택적으로 형성될 수도 있다.
화소 전극(91)과 공통 전극(93) 중 어느 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다. 예컨대 화소 전극(91)이 애노드이고 공통 전극(93)이 캐소드일 수 있다.
화소 전극(91)과 공통 전극(93)은 모두 투광 전극 또는 반투광 전극일 수 있다. 투광 전극 또는 반투광 전극은 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO) 또는 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.
화소 전극(91)과 공통 전극(93) 중 어느 하나는 반사 전극일 수 있으며, 예컨대 화소 전극(91)이 반사 전극일 수 있다. 반사 전극은 예컨대 알루미늄, 구리, 은 등과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 적외광 감지 화소(I)에서 화소 전극(91)과 공통 전극(93) 사이에 위치하는 광전 변환 영역(92a)과 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)에 위치하는 비광전 변환 영역(92b)를 포함한다.
화소 전극(91), 공통 전극(93), 그리고 화소 전극(91)과 공통 전극(93)에 의해 구획된 영역에 위치하는 적외선 흡수층(92)의 광전 변환 영역(92a)은 적외광 광전 소자(90)를 형성한다. 즉 공통 전극(93) 측으로부터 빛이 입사되어 적외광 흡수층(92)에서 적외선 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하면 적외광 흡수층(92)의 광전 변환 영역(92a)에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 정공과 전자로 분리되고 분리된 정공은 화소 전극(91)과 공통 전극(92) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 화소 전극(91)과 공통 전극(92) 중 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 한다. 분리된 전자 또는 정공은 화소 전극(91)을 통해 전하 저장소(55)에 모아질 수 있다.
적외광 흡수층(92)의 비광전 변환 영역(92b)은 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있고 적외선 영역을 제외한 나머지 파장 영역의 광을 그대로 통과시킬 수 있다. 따라서 적외광 흡수층(92)의 비광전 변환 영역(92b)은 적색 화소(R) 및 청색 화소(B)에 위치하여 적외선 파장 영역의 광이 녹색 광전 소자(30G), 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)으로 유입되는 것을 차단하는 적외광 여과층으로 역할을 할 수 있다.
공통 전극(93) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 구현예에서는 반도체 기판(110) 내에 집적된 적색 광 감지 소자(50R) 및 청색 광 감지 소자(50B)를 예시하고 이미지 센서의 전면에 위치된 녹색 광전 소자(30G)를 예시적으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 반도체 기판(110) 내에 적색 광 감지 소자(50R)와 녹색 광 감지 소자가 집적되고 이미지 센서의 전면에 청색 광전 소자가 배치될 수도 있고 반도체 기판(110) 내에 청색 광 감지 소자(50B)와 녹색 광 감지 소자가 집적되고 이미지 센서의 전면에 적색 광전 소자가 배치될 수도 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서는 전술한 구현예에 따른 이미지 센서의 이점에 더하여, 가시광 감지 화소 중 하나를 생략할 수 있고 생략된 화소의 광 감지 소자를 수직 방향으로 적층함으로써 해상도 및 감도를 저하시키지 않으면서 이미지 센서의 면적을 줄일 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 6은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 6을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 녹색 광전 소자(30G), 상부 절연층(80) 및 적외광 광전 소자(90)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55, 56G)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50)는 예컨대 광 다이오드일 수 있다.
광 감지 소자(50)는 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)를 포함하고, 전술한 구현예와 달리 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)가 수직 방향으로 이격되어 있다. 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 전하 저장소(55, 56G)를 드러내는 접촉구를 가질 수 있다.
전술한 구현예와 달리, 하부 절연층(60) 위에는 색 필터 층이 생략되어 있다. 전술한 바와 같이 청색 광 감지 소자(50B)와 적색 광 감지 소자(50R)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으므로, 가시광선 파장 영역의 광을 화소 별로 분리하기 위한 색 필터가 별도로 필요하지 않다.
하부 절연층(60) 위에는 녹색 광전 소자(30G)가 형성되어 있다. 녹색 광전 소자(30G)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 감지할 수 있다.
녹색 광전 소자(30G)는 서로 마주하는 화소 전극(31)과 공통 전극(33), 그리고 화소 전극(31)과 공통 전극(33) 사이에 위치하는 녹색 광 흡수층(32G)을 포함하며, 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
녹색 광전 소자(30G) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다.
상부 절연층(80) 위에는 적외광 감지 화소(I) 내에 구획되어 있는 화소 전극(91)이 형성되어 있다. 화소 전극(91) 위에는 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외광 흡수층(92) 및 공통 전극(93)이 차례로 형성되어 있다.
적외광 흡수층(92)은 적외광 감지 화소(I)에서 화소 전극(91)과 공통 전극(93) 사이에 위치하는 광전 변환 영역(92a)과 적색 화소(R), 녹색 화소(G) 및 청색 화소(B)에 위치하는 비광전 변환 영역(92b)을 포함한다. 적외광 흡수층(92)의 광전 변환 영역(92a)은 화소 전극(91) 및 공통 전극(93)과 함께 적외광 광전 소자(90)를 형성하고, 적외광 흡수층(92)의 비광전 변환 영역(92b)은 적외선 파장 영역의 광이 녹색 광전 소자(30G), 청색 광 감지 소자(50B) 및 적색 광 감지 소자(50R)으로 유입되는 것을 차단하는 적외광 여과층으로 역할을 할 수 있다.
공통 전극(93) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 구현예에서는 반도체 기판(110) 내에 집적된 적색 광 감지 소자(50R) 및 청색 광 감지 소자(50B)를 예시하고 이미지 센서의 전면에 위치된 녹색 광전 소자(30G)를 예시적으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 반도체 기판(110) 내에 적색 광 감지 소자(50R)와 녹색 광 감지 소자가 집적되고 이미지 센서의 전면에 청색 광전 소자가 배치될 수도 있고 반도체 기판(110) 내에 청색 광 감지 소자(50B)와 녹색 광 감지 소자가 집적되고 이미지 센서의 전면에 적색 광전 소자가 배치될 수도 있다.
상기와 같이 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 광전 소자가 적층된 구조를 가지고 적색 광 감지 소자와 청색 광 감지 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 별도의 적외광 감지 화소를 둠으로써 저조도 환경에서 이미지 센서의 감도 및 휘도가 급격히 저하되는 것을 방지하고 고감도 및 고휘도 특성을 구현할 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서에 대하여 설명한다.
본 구현예에 따른 이미지 센서 또한 전술한 구현예와 마찬가지로, 복수의 화소로 이루어진 단위 화소 군이 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 형태의 화소 배열을 가진다.
상기 단위 화소 군은 가시광 감지 화소(RGB)와 적외광 감지 화소(I)를 포함할 수 있다.
예컨대 상기 가시광 감지 화소(RGB)는 후술하는 녹색 광전 소자, 청색 광전 소자 및 적색 광전 소자와 각각 연결되어 있는 전하저장소들을 포함하는 화소일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 녹색 광전 소자, 청색 광전 소자 및 적색 광전 소자는 적층될 수 있다.
가시광 감지 화소(RGB)와 적외광 감지 화소(I)를 포함하는 단위 화소 군은 행 및 열을 따라 교대로 배열될 수 있으며, 상기 단위 화소 군에 포함된 화소의 개수는 다양할 수 있다. 예컨대 상기 단위 화소 군은 2개의 화소를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 상기 단위 화소 군이 2개의 화소를 포함하는 경우, 1개의 가시광 감지 화소(RGB)와 1개의 적외광 감지 화소(I)가 하나의 행과 두 개의 열(1x2) 또는 두 개의 행과 하나의 열(2x1)로 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 7을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 제1 중간 절연층(65), 제2 중간 절연층(75), 상부 절연층(80), 녹색 광전 소자(30G), 청색 광전 소자(30B), 적색 광전 소자(30R) 및 적외광 광전 소자(90)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55, 56G, 56B, 56R)가 집적되어 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다.
하부 절연층(60) 위에는 적색 광전 소자(30R)가 형성되어 있다. 적색 광전 소자(30R)는 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 감지할 수 있다.
적색 광전 소자(30R)는 서로 마주하는 화소 전극(37)과 공통 전극(39), 그리고 화소 전극(37)과 공통 전극(39) 사이에 위치하는 적색 광 흡수층(38R)을 포함한다. 화소 전극(37)과 공통 전극(39) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다.
화소 전극(37)과 공통 전극(39)은 모두 투광 전극일 수 있으며, 상기 투광 전극은 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.
적색 광 흡수층(38R)은 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
적색 광 흡수층(38R)은 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다. 적색 광 흡수층(38R)은 적색 필터를 대체할 수 있다.
적색 광 흡수층(38R)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 적색 광 흡수층(38R)은 예컨대 진성층(I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다. 진성층은 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체를 함께 포함할 수 있으며, p형 층은 상기 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 상기 n형 반도체를 포함할 수 있다.
적색 광 흡수층(38R)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.
적색 광 흡수층(38R)은 이미지 센서의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 늘려 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
적색 광전 소자(30R)는 공통 전극(39) 측으로부터 빛이 입사되어 적색 광 흡수층(38R)이 적색 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 적색 광 흡수층(38R)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 화소 전극(37)과 공통 전극(39) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 화소 전극(37)과 공통 전극(39) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다. 분리된 전자 또는 정공은 전하 저장소(56R)에 모아질 수 있다.
적색 광전 소자(30R) 위에는 제1 중간 절연층(65)이 형성되어 있다. 제1 중간 절연층(65)은 예컨대 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
제1 중간 절연층(65) 위에는 청색 광전 소자(30B)가 형성되어 있다.
청색 광전 소자(30B)는 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 감지할 수 있다. 청색 광전 소자(30B)는 서로 마주하는 화소 전극(34)과 공통 전극(36), 그리고 화소 전극(34)과 공통 전극(36) 사이에 위치하는 청색 광 흡수층(35B)을 포함한다. 화소 전극(34)과 공통 전극(36) 중 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드이다.
화소 전극(34)과 공통 전극(36)은 모두 투광 전극일 수 있으며, 상기 투광 전극은 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.
청색 광 흡수층(35B)은 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
청색 광 흡수층(35B)은 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하여 광전 효과를 낼 수 있다. 청색 광 흡수층(35B)은 청색 필터를 대체할 수 있다.
청색 광 흡수층(35B)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수 있다. 청색 광 흡수층(35B)은 예컨대 진성층(I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다. 진성층은 상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체를 함께 포함할 수 있으며, p형 층은 상기 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 상기 n형 반도체를 포함할 수 있다.
청색 광 흡수층(35B)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.
청색 광 흡수층(35B)은 이미지 센서의 전면에 형성될 수 있으며, 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 광을 흡수할 수 있어서 광 면적을 늘려 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
청색 광전 소자(30B)는 공통 전극(36) 측으로부터 빛이 입사되어 청색 광 흡수층(35B)이 청색 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 청색 광 흡수층(35B)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 화소 전극(34)과 공통 전극(36) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 화소 전극(34)과 공통 전극(36) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다. 분리된 전자 또는 정공은 전하 저장소(56B)에 모아질 수 있다.
청색 광전 소자(30B) 위에는 제2 중간 절연층(75)이 형성되어 있다. 제2 중간 절연층(75)은 예컨대 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
하부 절연층(60), 제1 중간 절연층(65) 및 제2 중간 절연층(75)은 전하 저장소(55, 56G. 56B, 56R)를 드러내는 트렌치 및/또는 접촉구를 가질 수 있다.
제2 중간 절연층(75) 위에는 녹색 광전 소자(30G)가 형성되어 있다. 녹색 광전 소자(30G)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 감지할 수 있다.
녹색 광전 소자(30G)는 서로 마주하는 화소 전극(31)과 공통 전극(33), 그리고 화소 전극(31)과 공통 전극(33) 사이에 위치하는 녹색 광 흡수층(32G)을 포함하며, 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.
녹색 광전 소자(30G) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치 및/또는 접촉구를 가질 수 있다.
상부 절연층(80) 위에는 적외광 감지 화소(I) 내에 구획되어 있는 화소 전극(91)이 형성되어 있다. 화소 전극(91) 위에는 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외광 흡수층(92) 및 공통 전극(93)이 차례로 형성되어 있다.
화소 전극(91)은 적외광 감지 화소(I) 내에 구획되어 있으며 적외광 감지 화소(I) 외에 가시광 감지 화소(RGB)에는 형성되지 않을 수 있다.
적외광 흡수층(92)은 적외광 감지 화소(I)에서 화소 전극(91)과 공통 전극(93) 사이에 위치하는 광전 변환 영역(92a)과 가시광 감지 화소(RGB)에 위치하는 비광전 변환 영역(92b)을 포함한다. 적외광 흡수층(92)의 광전 변환 영역(92a)은 화소 전극(91) 및 공통 전극(93)과 함께 적외광 광전 소자(90)를 형성하고, 적외광 흡수층(92)의 비광전 변환 영역(92b)은 적외선 파장 영역의 광이 녹색 광전 소자(30G), 청색 광전 소자(30B) 및 적색 광전 소자(30R)로의 유입을 차단하는 적외광 여과층으로 역할을 할 수 있다.
공통 전극(93) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 구현예에서는, 적색 광전 소자(30R), 청색 광전 소자(30B) 및 녹색 광전 소자(30G)가 차례로 적층된 구조를 예시하였지만 이에 한정되지 않고 적층 순서는 다양하게 변형될 수 있다.
전술한 구현예와 달리, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판(110)에 집적된 광 감지 소자 및 색 필터 층을 생략하고 적색 광전 소자(30R), 청색 광전 소자(30B) 및 녹색 광전 소자(30G)가 수직 방향으로 적층되어 있다. 따라서 본 구현예에 따른 이미지 센서는 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소 대신 하나의 가시광 감지 화소로 대체할 수 있어서 이미지 센서의 면적을 크게 줄일 수 있다.
또한 전술한 바와 같이 별도의 적외광 감지 화소를 둠으로써 저조도 환경에서 이미지 센서의 감도 및 휘도가 급격히 저하되는 것을 방지하고 고감도 및 고휘도 특성을 구현할 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.
30G: 녹색 광전 소자 30B: 청색 광전 소자
30R: 적색 광전 소자 31, 34, 37, 91: 화소 전극
32G: 녹색 광 흡수층 33, 36, 39, 93: 공통 전극
50: 광 감지 소자 50B: 청색 광 감지 소자
50R: 적색 광 감지 소자 50G: 녹색 광 감지 소자
55, 56G, 56B, 56R: 전하 저장소
60: 하부 절연층
65, 75: 중간 절연층 80: 상부 절연층
90: 적외광 광전 소자 92: 적외광 흡수층
92a: 광전변환영역 92b: 비광전변환영역
100, 200, 300, 400: 이미지 센서
110: 반도체 기판

Claims (23)

  1. 복수의 화소로 이루어진 단위 화소 군이 행 및 열을 따라 반복적으로 배열되고,
    상기 단위 화소 군은
    가시광선 파장 영역의 광을 감지하는 적어도 하나의 제1 화소, 그리고
    적외선 파장 영역의 광을 감지하는 제2 화소
    를 포함하고,
    상기 제2 화소는 상기 제2 화소 내에 구획되어 있는 제1 광전 소자를 포함하고,
    상기 제1 광전 소자는
    서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 적외선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외광 흡수층
    을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 적외광 흡수층은 상기 단위 화소 군의 전면(whole surface)에 위치하고,
    상기 적외광 흡수층은
    상기 제2 화소에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하여 제1 광전 소자를 형성하는 광전 변환 영역, 그리고
    상기 제1 화소에 위치하는 비광전 변환 영역
    을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 적외광 흡수층은 적어도 1종의 유기 물질을 포함하는 이미지 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 적외광 흡수층은 퀴노이드 금속 착화합물(quinoid metal complex), 시아닌 화합물(cyanone compound), 임모늄 화합물(immonium compound), 디임모늄 화합물(diimmonium compound), 트리아릴메탄 화합물(triarylmethane compound), 디피로메텐 화합물(dipyrromethene compound), 디퀴논 화합물(diquinone compound), 나프토퀴논 화합물(naphthoquinone compound), 안트라퀴논 화합물(anthraquinone compound), 스퀘리륨 화합물(squarylium compound), 릴렌 화합물(ryleme compound), 프탈로시아닌 화합물(phthalocyanine compound), 나프탈로시아닌 화합물(naphthalocyanine compound), 퍼릴렌 화합물(perylene compound), 수쿠아레인(squaraine) 화합물, 보론 디피로메텐(boron-dipyrromethene) 화합물, 니켈-디티올 착화합물(nickel-dithiol complex), 메로시아닌(merocyanine) 화합물, 디케토피롤로피롤(diketopyrrolopyrroles) 화합물, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하는 이미지 센서.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 화소는 가시광선 파장 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 감지하는 제3 화소, 제4 화소 및 제5 화소를 포함하고,
    상기 제3 화소는 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제1 가시광을 선택적으로 감지하는 제1 광 감지 소자를 포함하고,
    상기 제4 화소는 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제2 가시광을 선택적으로 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함하고,
    상기 제5 화소는 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 제3 광 감지 소자를 포함하는
    이미지 센서.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 화소는 상기 제1 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제1 가시광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터, 상기 제2 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터, 그리고 상기 제3 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 제3 색 필터를 포함하고,
    상기 제2 화소는 색 필터를 포함하지 않는
    이미지 센서.
  7. 제5항에서,
    상기 제1 내지 제3 광 감지 소자는 실리콘 기판 내에 집적되어 있는 이미지 센서.

  8. 제7항에서,
    상기 제1 내지 제3 광 감지 소자는 수평 방향으로 이격되어 배치되어 있는 이미지 센서.

  9. 제5항에서,
    상기 제1 광전 소자는 상기 제1 내지 제3 광 감지 소자보다 광이 입사되는 측에 가까이 배치되어 있는 이미지 센서.
  10. 제5항에서,
    상기 제2 화소와 상기 제3 내지 제5 화소 중 적어도 하나는 나머지 화소들과 다른 면적을 가지는 이미지 센서.
  11. 제10항에서,
    상기 제3 화소는 상기 제2 화소, 상기 제4 화소 및 상기 제5 화소보다 큰 면적을 가지는 이미지 센서.
  12. 제11항에서,
    상기 제4 화소와 상기 제5 화소는 동일한 면적을 가지는 이미지 센서.
  13. 제1항에서,
    상기 제1 광전 소자의 일면에 위치하는 제2 광전 소자를 더 포함하고,
    상기 제2 광전 소자는
    서로 마주하는 제3 전극과 제4 전극, 그리고
    상기 제3 전극과 상기 제4 전극 사이에 위치하고 500nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제1 가시광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층
    을 포함하는 이미지 센서.

  14. 제13항에서,
    상기 제1 화소는 가시광선 파장 영역 중 서로 다른 파장 영역의 광을 감지하는 제4 화소 및 제5 화소를 포함하고,
    상기 제4 화소는 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제2 가시광을 선택적으로 감지하는 제2 광 감지 소자를 포함하고,
    상기 제5 화소는 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 제3 광 감지 소자를 포함하는 이미지 센서.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 광전 소자는 상기 제2 광전 소자보다 광이 입사되는 측에 가까이 배치되어 있고,
    상기 제2 광전 소자는 상기 제2 및 제3 광 감지 소자보다 광이 입사되는 측에 가까이 배치되어 있는
    이미지 센서.
  16. 제14항에서,
    상기 제1 화소는
    상기 제2 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터, 그리고
    상기 제3 광 감지 소자와 중첩하고 상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 제3 색 필터
    를 포함하고,
    상기 제2 화소는 색 필터를 포함하지 않는 이미지 센서.
  17. 제14항에서,
    상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자는 실리콘 기판 내에 집적되어 있는 이미지 센서.
  18. 제17항에서,
    상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자는 수평 방향으로 이격되어 배치되어 있는 이미지 센서.
  19. 제17항에서,
    상기 제2 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자는 수직 방향으로 이격되어 배치되어 있는 이미지 센서.
  20. 제13항에서,
    상기 제2 광전 소자의 일면에 위치하는 제3 광전 소자 및 제4 광전 소자를 더 포함하고,
    상기 제3 광전 소자는
    서로 마주하는 제5 전극과 제6 전극, 그리고
    상기 제5 전극과 상기 제6 전극 사이에 위치하고 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제2 가시광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하고,
    상기 제4 광전 소자는
    서로 마주하는 제7 전극과 제8 전극, 그리고
    상기 제7 전극과 상기 제8 전극 사이에 위치하고 580nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 제3 가시광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하고,
    상기 제2 내지 제4 광전 소자는 수직 방향으로 적층되어 있는 이미지 센서.
  21. 제20항에서,
    상기 제1 화소와 상기 제2 화소는 색 필터를 포함하지 않는 이미지 센서.
  22. 제20항에서,
    상기 제2 내지 제4 광전 소자는 상기 제1 광전 소자의 하부에 위치하는 이미지 센서.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.




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