KR20170014797A - 유기광검출기 및 이미지센서 - Google Patents

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Abstract

서로 마주하는 애노드와 캐소드, 그리고 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하고 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하는 활성층을 포함하고, 상기 애노드 또는 상기 캐소드와 상기 활성층의 에너지 장벽은 1.3eV 이상이고, 상기 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이는 0.8eV 이상인 유기광검출기 및 이를 포함하는 이미지센서에 관한 것이다.

Description

유기광검출기 및 이미지센서{ORGANIC PHOTODETECTOR AND IMAGE SENSOR}
유기광검출기 및 이미지센서에 관한 것이다.
광검출기는 빛을 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광다이오드 및 광트랜지스터 등을 포함하며, 이미지센서, 태양전지 등에 적용될 수 있다.
광다이오드를 포함하는 이미지센서는 날이 갈수록 해상도가 높아지고 있으며, 이에 따라 화소 크기가 작아지고 있다. 현재 주로 사용하는 실리콘 광다이오드의 경우 화소의 크기가 작아지면 흡수 면적이 줄어들기 때문에 감도 저하가 발생할 수 있다. 이에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 유기물질이 연구되고 있다.
유기물질은 흡광계수가 크고 분자 구조에 따라 특정 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있으므로, 광다이오드와 색 필터를 동시에 대체할 수 있어서 감도 개선 및 고집적에 매우 유리하다.
이러한 유기물질을 포함하는 유기광검출기는 예컨대 이미지센서에 적용될 수 있으며, 고성능 이미지센서를 구현하기 위해서는 유기광검출기의 감도를 높이는 것이 중요하다.
유기광검출기의 감도를 높이는 방법 중 하나로 어둠전류밀도(dark current density)를 낮추는 방안이 고려될 수 있다.
일 구현예는 어둠전류밀도를 낮추어 감도를 개선할 수 있는 유기광검출기를 제공한다.
다른 구현예는 상기 유기광검출기를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 서로 마주하는 애노드와 캐소드, 그리고 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하고 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하는 활성층을 포함하고, 상기 애노드 또는 상기 캐소드와 상기 활성층의 에너지 장벽은 약 1.3eV 이상이고, 상기 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이는 약 0.8eV 이상인 유기광검출기를 제공한다.
상기 애노드 또는 상기 캐소드와 상기 활성층의 에너지 장벽은 상기 애노드의 일 함수와 상기 p형 반도체의 LUMO 에너지 준위 사이의 에너지 차이 또는 상기 캐소드의 일 함수와 상기 n형 반도체의 HOMO 에너지 준위 사이의 에너지 차이일 수 있다.
상기 유기광검출기는 -3V의 역바이어스에서 약 10-10A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 나타낼 수 있다.
상기 애노드 또는 상기 캐소드와 상기 활성층의 에너지 장벽은 약 1.5eV 이상일 수 있고, 상기 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이는 약 1.0eV 이상일 수 있다.
상기 유기광검출기는 -3V의 역바이어스에서 약 10-12A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 나타낼 수 있다.
상기 활성층은 상기 애노드에 가깝게 위치하고 p형 반도체를 포함하는 p형 층, 그리고 상기 캐소드에 가깝게 위치하고 n형 반도체를 포함하는 n형 층을 포함할 수 있다.
상기 유기광검출기는 상기 애노드와 상기 활성층 사이 또는 상기 캐소드와 상기 활성층 사이에 전하 차단 층을 포함하지 않을 수 있다.
상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 가시광선 파장 영역 중 일부를 선택적으로 흡수할 수 있다.
상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 녹색 파장 영역을 선택적으로 흡수할 수 있다.
상기 애노드가 ITO이고 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위가 약 -4.1 eV 일 때, 10-10 A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 얻기 위해서는 상기 p형 반도체는 약 -2.6 내지 -3.5 eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 -4.9 내지 -5.8eV의 HOMO 에너지 준위를 만족하는 물질에서 선택될 수 있다.
상기 애노드와 상기 활성층 사이에 전자차단층이 개재되어 있지 않을 수 있다.
상기 애노드가 ITO이고 상기 n형 반도체가 C60(LUMO 에너지 준위 약 -4.5 eV) 일 때 10-10 A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 얻기 위해서는 상기 p형 반도체는 약 -5.3 내지 -5.8eV의 HOMO 에너지 준위를 만족하는 물질에서 선택될 수 있다.
상기 애노드와 상기 활성층 사이에 전자차단층이 개재되어 있지 않을 수 있다.
상기 애노드와 상기 캐소드는 투광전극일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 유기광검출기를 포함하는 이미지센서를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 이미지센서를 포함하는 전자장치를 제공한다.
어둠전류밀도를 낮출 수 있는 활성층의 물질을 선택함으로써 유기광검출기의 감도를 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기광검출기를 도시한 단면도이고,
도 2는 일 구현예에 따른 유기광검출기에서 전극과 활성층의 에너지 준위 관계를 보여주는 다이아그램이고,
도 3은 일 구현예에 따른 유기광검출기에 -3V의 역바이어스 인가시 에너지 장벽과 에너지 준위의 차이에 따른 어둠전류밀도를 보여주는 그래프이고,
도 4는 일 구현예에 따른 유기광검출기의 흡수 파장과 p형 반도체 및 n형 반도체의 에너지 준위와의 관계를 보여주는 그래프이고,
도 5는 다른 구현예에 따른 유기광검출기를 도시한 단면도이고,
도 6은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 7은 도 6의 유기 CMOS 이미지센서의 단면도이다.
이하, 구현예들에 대하여 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예들에 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.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 유기광검출기를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기광검출기를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기광검출기(100)는 서로 마주하는 애노드(10)와 캐소드(20), 그리고 애노드(10)와 캐소드(20) 사이에 위치하는 활성층(30)을 포함한다.
애노드(10)와 캐소드(20) 중 적어도 하나는 투광전극일 수 있고, 상기 투광전극은 예컨대 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO) 또는 인듐아연산화물(indium zinc oxide, IZO)과 같은 투명도전체, 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속박막으로 만들어질 수 있다. 애노드(10)와 캐소드(20) 중 하나가 불투광전극인 경우 예컨대 알루미늄(Al)과 같은 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
일 예로, 애노드(10)와 캐소드(20)는 모두 투광전극일 수 있다.
활성층(30)은 p형 반도체와 n형 반도체가 포함되어 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다.
활성층(30)은 애노드(10)에 가깝게 위치하고 p형 반도체를 포함하는 p형 활성층과 캐소드(20)에 가깝게 위치하고 n형 반도체를 포함하는 n형 활성층을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 p형 반도체와 n형 반도체가 단일층에서 혼합되어 있는 벌크 이종접합(bulk heterojunction)일 수도 있고 p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층 등 다양하게 적용될 수 있다.
p형 반도체 및 n형 반도체 중 적어도 하나는 유기반도체를 포함할 수 있으며, p형 반도체는 애노드(10)로 정공 이동이 용이한 화합물에서 선택될 수 있으며 n형 반도체는 캐소드(20)로 전자 이동이 용이한 화합물에서 선택될 수 있다.
한편, 역바이어스(reverse bias) 인가시 애노드(10) 및 캐소드(20)로부터 활성층(30)으로 전하가 역으로 주입될 수 있다. 즉 역바이어스 인가시 애노드(10)로부터 활성층(30)으로 전자가 주입될 수 있고 캐소드(20)로부터 활성층(30)으로 정공이 주입될 수 있다.
또한 역바이어스 인가시 활성층(30)의 pn 접합(pn junction) 부분에서 전자-정공 쌍(electron-hole pairs)으로부터 어둠전류가 발생될 수 있다.
이 경우 유기광검출기(100)의 어둠전류밀도가 높아져 효율 및 감도를 저하시킬 수 있다.
본 구현예에서는 전극과 활성층(30) 사이의 전하 주입 에너지 장벽(charge injection energy barrier) 및 활성층(30) 내에서 p형 반도체와 n형 반도체의 에너지 준위를 조절함으로써 역바이어스 인가시 전극으로부터 활성층(30)으로 전하가 역으로 주입되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 유기광검출기에서 전극과 활성층의 에너지 준위 관계를 보여주는 다이아그램이다.
도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 유기광검출기는 차례로 적층된 애노드(10); p형 반도체와 n형 반도체를 포함하는 활성층(30); 그리고 캐소드(20)를 포함하고, 애노드(10)와 활성층(30) 사이의 에너지 장벽(ΔEIB e) 및/또는 캐소드(20)와 활성층(30) 사이의 에너지 장벽(ΔEIB h), 그리고 활성층(30) 내에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)가 역바이어스 인가시 전하가 역으로 주입되는 것을 방지하기 위한 중요한 요소이다.
여기서 애노드(10)와 활성층(30) 사이의 에너지 장벽(ΔEIB e)은 애노드(10)의 일 함수와 활성층(30)의 p형 반도체의 LUMO 에너지준위 사이의 에너지 차이일 수 있고, 캐소드(20)와 활성층(30) 사이의 에너지 장벽(ΔEIB h)은 캐소드(20)의 일 함수와 활성층(30)의 n형 반도체의 HOMO 에너지준위 사이의 에너지 차이일 수 있다.
일 예로, 애노드(10)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB e)은 약 1.3eV 이상일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 0.8eV 이상일 수 있다.
일 예로, 애노드(10)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB e)은 약 1.3eV 내지 3.0eV일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 0.8eV 내지 2.4eV일 수 있다.
일 예로, 캐소드(20)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB h)은 약 1.3eV 이상일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 0.8eV 이상일 수 있다.
일 예로, 캐소드(20)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB h)은 약 1.3eV 내지 3.0eV일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 0.8eV 내지 2.4eV일 수 있다.
일 예로, 애노드(10)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB e)은 약 1.3eV 이상일 수 있고, 캐소드(20)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB h)은 약 1.3eV 이상일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 0.8eV 이상일 수 있다.
상기 범위의 에너지 준위를 만족함으로써 역바이어스 인가시 전극으로부터 활성층(30)으로 전하가 주입되는 것을 방지할 수 있으며, 구체적으로 역바이어스 인가시 애노드(10)로부터 활성층(30)으로 전자가 주입되는 것을 방지할 수 있고 캐소드(20)로부터 활성층(30)으로 정공이 주입되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 역바이어스 인가시 어둠전류밀도를 낮출 수 있다.
예컨대, 상기 범위의 에너지 준위를 만족함으로써 -3V의 역바이어스 인가시 10-10 A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 나타낼 수 있다.
다른 일 예로, 애노드(10)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB e)은 약 1.5eV 이상일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 1.0eV 이상일 수 있다.
다른 일 예로, 애노드(10)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB e)은 약 1.5eV 내지 3.0eV 일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 1.0eV 내지 2.4eV일 수 있다.
다른 일 예로, 캐소드(20)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB h)은 약 1.5eV 이상일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 1.0eV 이상일 수 있다.
다른 일 예로, 캐소드(20)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB h)은 약 1.5eV 내지 3.0eV 일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 1.0eV 내지 2.4eV 일 수 있다.
다른 일 예로, 애노드(10)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB e)은 약 1.5eV 이상일 수 있고, 캐소드(20)와 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB h)은 약 1.5eV 이상일 수 있고, 활성층(30)에서 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이(ΔEDA)는 약 1.0eV 이상일 수 있다.
예컨대, 상기 범위의 에너지 준위를 만족함으로써 -3V의 역바이어스 인가시 10-12 A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 나타낼 수 있다.
도 3은 일 구현예에 따른 유기광검출기에 -3V의 역바이어스 인가시 주입장벽과 에너지 준위의 차이에 따른 어둠전류밀도를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참고하면, 활성층(30)의 두께를 50nm로 가정할 때, 전극(10, 20)과 활성층(30)의 에너지 장벽(ΔEIB e, ΔEIB h)과 활성층(30)에서 p형 반도체와 n형 반도체의 에너지 준위 차이(ΔEDA)에 의한 -3V의 역바이어스 인가시 어둠전류밀도의 영향을 예측할 수 있으며, 이로부터 원하는 어둠전류밀도를 결정함으로써 에너지 준위를 고려하여 p형 반도체 및/또는 n형 반도체를 선택할 수 있다.
활성층(30)의 p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 가시광선 파장 영역 중 일부를 선택적으로 흡수하는 물질일 수 있으며, 예컨대 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 녹색 파장 영역을 선택적으로 흡수하는 물질일 수 있다.
전술한 에너지 준위는 활성층(30)의 흡수 파장과도 관련되어 있다.
도 4는 일 구현예에 따른 유기광검출기의 흡수 파장과 p형 반도체 및 n형 반도체의 에너지 준위와의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 4는 일 예로 -3V의 역바이어스 인가시 약 10-10 A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 나타낼 수 있는 p형 반도체 및 n형 반도체의 에너지 준위를 보여준다. 예컨대 녹색 파장 영역인 약 535nm에서 -3V의 역바이어스 인가시 약 10-10 A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 나타내기 위하여 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위, p형 반도체의 HOMO 에너지 준위 및 LUMO 에너지 준위를 정할 수 있다.
예컨대 애노드(10)가 ITO(일함수 약 4.8eV)이고 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위가 약 -4.1 eV일 때 p형 반도체는 약 -2.6 내지 -3.5 eV의 LUMO 에너지 준위 및 약 -4.9 내지 -5.8eV의 HOMO 에너지 준위를 각각 만족하는 물질에서 선택될 수 있다.
예컨대 애노드(10)가 ITO이고 상기 n형 반도체가 C60(LUMO 에너지 준위 약 -4.5 eV) 일 때 p형 반도체는 약 -5.3 내지 -5.8eV의 HOMO 에너지 준위를 만족하는 물질에서 선택될 수 있다.
즉 애노드(10) 또는 캐소드(20), 그리고 p형 반도체 또는 n형 반도체를 고정하고 상기 에너지 준위를 고려하여 어둠전류밀도를 낮출 수 있는 n형 반도체 또는 p형 반도체를 용이하게 선택할 수 있다.
이와 같이 전극과 활성층(30) 사이의 전하 주입 에너지 장벽 및 활성층(30) 내에서 p형 반도체와 n형 반도체의 에너지 준위를 조절함으로써 역바이어스 인가시 전극으로부터 활성층(30)으로 전하가 역으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 애노드(10)로부터 활성층(30)으로 전자가 역으로 유입되는 것을 방지하기 위한 전자차단층(electron blocking layer) 및/또는 캐소드(20)로부터 활성층(30)으로 정공이 역으로 유입되는 것을 방지하기 위한 정공차단층(hole blocking layer)과 같은 전하차단층을 별도로 둘 필요 없다.
유기광검출기(100)는 애노드(10) 및/또는 캐소드(20) 측으로부터 빛이 입사되어 활성층(30)이 소정 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 활성층(30)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 애노드(10) 측으로 이동하고 분리된 전자는 캐소드(20) 측으로 이동하여 유기광검출기에 전류가 흐를 수 있게 된다.
이하 다른 구현예에 따른 유기광검출기를 설명한다.
도 5는 다른 구현예에 따른 유기광검출기를 도시한 단면도이다.
도 5를 참고하면, 본 구현예에 따른 유기광검출기(200)는 전술한 구현예와 마찬가지로 서로 마주하는 애노드(10)와 캐소드(20), 그리고 애노드(10)와 캐소드(20) 사이에 위치하는 활성층(30)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 유기광검출기(200)는 전술한 구현예와 달리 애노드(10)와 활성층(30) 사이 및 캐소드(20)와 활성층(30) 사이에 각각 전하보조층(40, 50)을 더 포함한다. 전하보조층(40, 50)은 활성층(30)에서 분리된 정공과 전자의 이동을 용이하게 하여 효율을 높일 수 있다.
전하보조층(40, 50)은 정공의 주입을 용이하게 하는 정공주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공수송층(hole transporting layer, HTL), 전자의 주입을 용이하게 하는 전자주입층(electron injecting layer, EIL) 및 전자의 수송을 용이하게 하는 전자수송층(electron transporting layer, ETL)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전하보조층(40, 50)은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. 상기 유기물은 정공 또는 전자 특성을 가지는 유기화합물일 수 있고, 상기 무기물은 예컨대 몰리브덴산화물, 텅스텐산화물, 니켈산화물과 같은 금속 산화물일 수 있다.
상기 정공수송층(HTL)은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, ?-NPD), m-MTDATA, 4,4',4-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층(ETL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전하보조층(40, 50) 중 어느 하나는 생략될 수 있다.
상기 유기광검출기는 태양 전지, 이미지센서, 광 검출기, 광 센서 및 유기발광다이오드 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 상기 유기광검출기를 적용한 이미지센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지센서에 대하여 설명한다.
도 6은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 7은 도 6의 유기 CMOS 이미지센서의 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지센서(300)는 광 감지 소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 유기광검출기(100)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광감지소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있다. 광감지 소자(50R, 50B)는 광다이오드일 수 있다.
광감지소자(50B, 50R), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 광감지 소자(50B, 50R)는 청색 화소 및 적색 화소에 포함될 수 있고 전하 저장소(55)는 녹색 화소에 포함될 수 있다.
광감지소자(50B, 50R)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(55)는 후술하는 유기광검출기(100)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
도면에서는 광감지소자(50B, 50R)가 나란히 배열된 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고 청색 광감지소자(50B)와 적색 광감지소자(50R)가 수직으로 적층되어 있을 수도 있다.
반도체 기판(110) 위에는 또한 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(g) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광감지소자(50B, 50R)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 무기절연물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 하부 절연층(60)은 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치를 가진다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
하부 절연막(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70B)와 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70R)를 포함한다. 본 구현예에서는 녹색 필터를 구비하지 않은 예를 설명하지만, 경우에 따라 녹색 필터를 구비할 수도 있다.
색 필터 층(70)은 경우에 따라 생략될 수 있으며, 일 예로 청색 광감지소자(50B)와 적색 광감지소자(50R)가 수직으로 적층되어 있는 구조에서는 청색 광감지소자(50B)와 적색 광감지소자(50R)가 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으므로 색 필터 층(70)을 구비하지 않을 수도 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 녹색 화소의 전하 저장소(55)를 드러내는 관통구(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 전술한 유기광검출기(100)가 형성되어 있다. 유기광검출기(100)는 전술한 바와 같이 애노드(10), 활성층(30) 및 캐소드(20)를 포함한다.
애노드(10)와 캐소드(20)는 모두 투명전극일 수 있으며, 활성층(30)은 전술한 바와 같다. 활성층(30)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며 녹색 화소의 색 필터를 대체할 수 있다.
애노드(10) 측으로부터 입사된 광은 활성층(30)에서 녹색 파장 영역의 빛이 주로 흡수되어 전하로 변환될 수 있고 나머지 파장 영역의 빛은 캐소드(20)를 통과하여 광감지소자(50B, 50R)에 센싱될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 캐소드(20) 측으로부터 입사된 광은 활성층(30)에서 녹색 파장 영역의 빛이 주로 흡수되어 전하로 변환될 수 있고 나머지 파장 영역의 빛은 애노드(10)를 통과하여 광감지소자(50B, 50R)에 센싱될 수 있다.
상기와 같이 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기광검출기가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지센서의 크기를 줄여 소형화 이미지센서를 구현할 수 있다.
또한 전술한 바와 같이 유기광검출기의 어둠전류밀도를 낮추어 감도를 개선함으로써 이미지센서의 감도 또한 개선할 수 있다.
도 7에서는 도 1의 유기광검출기(100)를 포함하는 예를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 도 5의 유기광검출기(200)를 포함하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다.
상기 이미지센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 애노드 20: 캐소드
30: 활성층
100, 200: 유기광검출기
300: 유기 CMOS 이미지센서

Claims (16)

  1. 서로 마주하는 애노드와 캐소드, 그리고
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하고 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하는 활성층
    을 포함하고,
    상기 애노드 또는 상기 캐소드와 상기 활성층의 에너지 장벽은 1.3eV 이상이고,
    상기 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이는 0.8eV 이상인
    유기광검출기.
  2. 제1항에서,
    상기 애노드 또는 상기 캐소드와 상기 활성층의 에너지 장벽은 상기 애노드의 일 함수와 상기 p형 반도체의 LUMO 에너지 준위 사이의 에너지 차이 또는 상기 캐소드의 일 함수와 상기 n형 반도체의 HOMO 에너지 준위 사이의 에너지 차이인 유기광검출기.
  3. 제1항에서,
    -3V의 역바이어스에서 10-10 A/cm2 이하의 어둠전류밀도(dark current density)를 나타내는 유기광검출기.
  4. 제1항에서,
    상기 애노드 또는 상기 캐소드와 상기 활성층의 에너지 장벽은 1.5eV 이상이고,
    상기 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위와 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이는 1.0eV 이상인 유기광검출기.
  5. 제4항에서,
    -3V의 역바이어스에서 10-12 A/cm2 이하의 어둠전류밀도를 나타내는 유기광검출기.
  6. 제1항에서,
    상기 활성층은
    상기 애노드에 가깝게 위치하고 p형 반도체를 포함하는 p형 층, 그리고
    상기 캐소드에 가깝게 위치하고 n형 반도체를 포함하는 n형 층
    을 포함하는 유기광검출기.
  7. 제1항에서,
    상기 애노드와 상기 활성층 사이 또는 상기 캐소드와 상기 활성층 사이에 전하차단층을 포함하지 않는 유기광검출기.
  8. 제1항에서,
    상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 가시광선 파장 영역 중 일부를 선택적으로 흡수하는 유기광검출기.
  9. 제8항에서,
    상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체 중 적어도 하나는 녹색 파장 영역을 선택적으로 흡수하는 유기광검출기.
  10. 제8항에서,
    상기 애노드가 ITO이고 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위가 -4.1 eV일 때 상기 p형 반도체는 각각 -2.6 내지 -3.5 eV의 LUMO 에너지 준위와 -4.9 내지 -5.8eV의 HOMO 에너지 준위를 만족하는 물질에서 선택되는 유기광검출기.
  11. 제10항에서,
    상기 애노드와 상기 활성층 사이에 전자차단층이 개재되어 있지 않은 유기광검출기.
  12. 제8항에서,
    상기 애노드가 ITO이고 상기 n형 반도체가 C60 일 때 상기 p형 반도체는 -5.3 내지 -5.8eV의 HOMO 에너지 준위를 만족하는 물질에서 선택되는 유기광검출기.

  13. 제12항에서,
    상기 애노드와 상기 활성층 사이에 전자차단층이 개재되어 있지 않은 유기광검출기.
  14. 제1항에서,
    상기 애노드와 상기 캐소드는 투광 전극인 유기광검출기.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 유기광검출기를 포함하는 이미지센서.
  16. 제15항에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치.



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