KR20180064134A - 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 개시에 따른 적층형 이미지 센서는, 제 1 파장 대역의 광을 흡수하는 제 1 포토다이오드, 상기 제 1 포토다이오드 상에 마련되며, 제 2 파장 대역의 광을 흡수하는 제 2 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드, 메타필터를 포함한다. 메타필터는 제 1 포토다이오드 하부에 마련되어 제 1 파장대역의 광을 상기 제 1 포토다이오드로 반사하는 제 1 메타필터를 포함한다.
Description
본 개시는 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서에 관한 것이다.
대상을 촬영하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서는 디지털 카메라, 휴대전화용 카메라 및 휴대용 캠코더와 같은 일반 소비자용 전자기기뿐만 아니라, 자동차, 보안장치 및 로봇에 장착되는 카메라에도 사용된다. 이러한 이미지 센서는 픽셀 어레이를 구비할 수 있고, 픽셀 어레이에 포함된 각각의 단위 픽셀은 광 감지 소자를 포함할 수 있다. 광 감지 소자는 흡수하는 빛의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시킬 수 있고, 예컨대 광 감지 소자 중 포토다이오드는 빛을 흡수함에 따라 전류를 발생시킬 수 있다.
이미지 센서는 광 감지 소자뿐만 아니라 광 감지 소자를 제어하기 위한 트랜지스터, 픽셀 어레이를 구동하기 위한 회로 및 픽셀 어레이의 출력 신호를 측정하기 위한 회로를 포함할 수 있고, 이들 각각은 반도체 제조 공정을 통해서 형성될 수 있다. 예컨대, 광 감지 소자가 발생시킨 전기적 신호는 적어도 하나의 트랜지스터를 통과하여 빛의 세기에 따라 전압이 변하는 출력 신호로 변화될 수 있고, 픽셀 어레이는 출력 신호를 외부로 출력할 수 있다.
이미지 센서는 휴대 전화, 디지털 카메라, 디스플레이 소자 등의 외부 장치에 적용됨에 따라 매우 작게 만들어야 한다. 이미지 센서의 크기를 줄이거나, 하나의 기판 상에 만들어지는 이미지 센서 픽셀의 수를 증가시키기 위하여, 하나의 포토다이오드 상에 다른 하나의 포토다이오드를 접합하여 구성되는 적층형 이미지 센서 개발이 필요하다.
본 개시는 서브파장 조건을 만족하여 입사광의 파장에 따른 투과 및 반사 정도를 조절할 수 있는 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서를 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서는, 제 1 파장 대역의 광을 흡수하는 제 1 포토다이오드, 상기 제 1 포토다이오드 상에 마련되며, 제 2 파장 대역의 광을 흡수하는 제 2 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드; 및 서브파장 조건을 만족하는 복수의 나노구조체를 포함하며, 미리 정해진 파장대역의 광은 반사하며 나머지 파장대역의 광은 투과시키는 메타필터;를 포함하고, 상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드 하부에 마련되어 제 1 파장대역 의 광을 상기 제 1 포토다이오드로 반사하는 제 1 메타필터를 포함한다.
상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드와 상기 제 2 포토다이오드 사이에 마련되어 제 2 파장대역의 광을 상기 제 2 포토다이오드로 반사하고, 제 1 파장 대역의 광은 투과시키는 제 2 메타필터를 포함할 수 있다.
상기 제 1 포토다이오드는 광 선택성이 없는 실리콘 포토다이오드이거나 또는 제 1 파장 대역의 광을 흡수하는 광 선택성을 가지는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제 2 포토다이오드는 제 2 파장 대역의 광을 흡수하는 광 선택성을 가지는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드 중 어느 하나일 수 있다.
상기 포토다이오드는, 상기 제 2 포토다이오드 상에 마련되며, 제 3 파장 대역의 광을 흡수하는 제 3 포토다이오드를 더 포함하고, 상기 메타필터는, 상기 제 2 포토다이오드 및 상기 제 3 포토다이오드 사이에 마련되며, 제 3 파장 대역의 광을 상기 제 3 포토다이오드로 반사하며, 나머지 파장대역의 광은 투과시키는 제 3 메타필터;를 더 포함할 수 있다.
상기 제 3 포토다이오드는 제 3 파장 대역의 광 선택성을 가지는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드 중 어느 하나 일 수 있다.
상기 제 1 메타필터는 제 3 파장대역의 광을 반사할 수 있다.
상기 제 3 포토다이오드는 적색 파장 대역, 녹색 파장 대역, 청색 파장 대역 중 어느 한 파장 대역 중 어느 한 파장 대역의 광을 흡수하고, 상기 제 2 포토다이오드는 적색 파장 대역, 녹색 파장 대역, 청색 파장 대역 중 어느 한 파장 대역의 광을 흡수하되, 상기 제 3 포토다이오드가 흡수하는 광과 다른 파장 대역의 광을 흡수하고, 상기 제 1 포토다이오드는 적색 파장 대역, 녹색 파장 대역, 청색 파장 대역 중 어느 한 파장 대역의 광을 흡수하되, 상기 제 3 포토다이오드 및 상기 제 2 포토다이오드가 흡수하는 광과 다른 파장 대역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 메타필터는 파장대역의 중심파장의 절반 이하의 주기를 가지는 나노구조체 배열을 포함할 수 있다.
상기 메타필터는 1차원 또는 2차원의 나노구조체 배열을 포함할 수 있다.
상기 메타필터가 2차원 나노구조체 배열을 포함하는 경우, 상기 나노구조체는 사각기둥, 원통기둥, 타원기둥, 정사면체, 삼각뿔, 원뿔 중 어느 한 형상을 가질 수 있다.
상기 메타필터가 1차원 나노구조체 배열을 포함하는 경우, 상기 나노구조체는 바(bar)형태를 가지고, 상기 바(bar)형태는 삼각형, 사각형, 오각형 이상의 다면체, 원형, 타원형 중 어느 한 형상의 단면을 가질 수 있다.
상기 메타필터는 상기 나노구조체 배열을 둘러싸며, 상기 나노구조체보다 낮은 굴절률을 가지는 주변체를 포함할 수 있다.
상기 나노구조체는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, GaAs, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
상기 주변체는 폴리머, 산화물 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
상기 메타필터는 상기 나노구조체 배열을 둘러싸며, 상기 나노구조체보다 높은 굴절률을 가지는 주변체를 포함할 수 있다.
상기 나노구조체는 폴리머, 산화물 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 주변체는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, GaAs, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
상기 메타필터는 수평 방향을 따라 폭, 간격, 대칭축 방향 중 적어도 한가지 요소가 변화되는 나노구조체 배열을 포함할 수 있다.
상기 제 1 포토다이오드는 두께 30nm 내지 250nm인 유기 포토다이오드 일 수 있다.
상기 제 2 포토다이오드는 두께 30nm 내지 250nm인 유기 포토다이오드 일 수 있다.
상기 제 3 포토다이오드는 두께 30nm 내지 250nm인 유기 포토다이오드 일 수 있다.
다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서는, 제 1 파장 대역의 광을 흡수하는 제 1 포토다이오드; 상기 제 1 포토다이오드 상에 마련되며, 제 2 파장 대역의 광을 흡수하는 제 2 포토다이오드; 및 서브파장 조건을 만족하는 복수의 나노구조체를 포함하며, 미리 정해진 파장대역의 광은 반사하며 나머지 파장대역의 광은 투과시키는 메타필터;를 포함하고, 상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드와 상기 제 2 포토다이오드 사이에 마련되어 제 2 파장대역의 광을 상기 제 2 포토다이오드로 반사하고, 제 1 파장 대역의 광은 투과시키는 제 1 메타필터를 포함한다.
상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드 하부에 마련되어 제 1 파장대역 의 광을 상기 제 1 포토다이오드로 반사하는 제 2 메타필터를 포함할 수 있다.
상기 제 2 포토다이오드 상에 마련되며, 제 3 파장 대역의 광을 흡수하는 제 3 포토다이오드;를 더 포함하고, 상기 메타필터는 상기 제 2 포토다이오드와 상기 제 3 포토다이오드 사이에 마련되어 제 3 파장대역의 광을 상기 제 3 포토다이오드로 반사하고, 제 2 파장대역의 광은 투과시키는 제 3 메타필터를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서는, 상술한 실시예에 따른 적층형 이미지 센서가 하나의 픽셀에 대응할 때, 상기 픽셀이 2 X 2 어레이 배열된다.
본 개시에 따른 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서는, 적층되는 복수의 포토 다이오드의 사이에 메타필터를 포함한다. 메타필터는 투과대역에 해당하는 파장의 광은 투과시키고 나머지 파장의 광은 반사시킨다. 이러한 메타필터가 포토 다이오드의 사이마다 마련됨으로써 광흡수율이 상승하고, 광-전기 변환 효율이 상승할 수 있다.
또한 상기 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서는, 메타필터가 통상의 반도체 공정으로 형성될 수 있어, 공정이 용이하고, 대량 생산이 가능하며, 비용을 절감할 수 있다.
또한 상기 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서는, 종래의 이미지 센서에 비해 SNR(signal to noise ratio)가 높고 얇을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 나노구조체의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 적층형 이미지 센서를 복수 개 포함하는 이미지 센서 어레이를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9 는 일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다.
도 11 은 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 나노구조체의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 적층형 이미지 센서를 복수 개 포함하는 이미지 센서 어레이를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9 는 일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다.
도 11 은 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서에 대해 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 개시에서 사용되는 용어는 실시예들에서 구성요소들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 실시예에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 메타필터(120)를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 3은 나노구조체(ns)의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)은 포토다이오드(110)와 메타필터(120)를 포함할 수 있다.
포토다이오드(110)는 제 1 포토다이오드(113), 제 1 포토다이오드(113) 상에 마련되는 제 2 포토다이오드(112), 제 2 포토다이오드(1120) 상에 마련되는 제 3 포토다이오드(111)를 포함할 수 있다. 제 1 메타필터(123)는 제 1 포토다이오드(113)의 하부에 마련되고, 제 2 메타필터(122)는 제 1 포토다이오드(113)와 제 2 포토다이오드(112) 사이에 마련되고, 제 3 메타필터(123)은 제 2 포토다이오드(112)와 제 3 포토다이오드(111) 사이에 마련될 수 있다.
포토다이오드(110)는 해당 소자에 입사된 광의 세기에 비례하는 크기의 전기적 신호를 발생시킨다. 제 1 포토다이오드(111)는 제 1 파장을 포함하는 제 1 광(l1)을 흡수하여 전기적 신호를 발생시키고, 제 2 포토다이오드(112)는 제 2 파장을 포함하는 제 2 광(l2)을 흡수하여 전기적 신호를 발생시키고, 제 3 포토다이오드(113)는 제 3 파장을 포함하는 제 3 광(l3)을 흡수하여 전기적 신호를 발생시킨다. 예를 들어, 포토다이오드(110)는 특정 파장의 광만을 흡수하는 유기 포토다이오드, 또는 양자점 포토다이오드일 수 있다. 예를 들어, 포토다이오드(110)는 파장 선별성 없이 모든 파장의 광을 흡수하는 실리콘 포토다이오드 일 수 있다.
종래 유기포토다이오드를 채용한 적층형 이미지 센서의 경우 유기 포토다이오드의 두께가 100nm 이거나 그 이상이었다.
유기 포토다이오드는 두께가 두꺼울수록 광흡수 효율은 증가하나, 전하들을 외부로 전달시키는 것이 어려운 전기적인 문제가 발생할 수 있다. 이에, 두께 100nm인 유기 포토다이오드는 전기적인 문제를 해결하면서도 일정 수준의 광흡수 효율을 가질 수 있었다.
그러나 본 실시예에 따른 적층형 이미지 센서(100)은 메타필터(120)를 포함함으로써, 유기 포토다이오드의 두께가 100nm이거나 그 이하일 수 있다. 유기 포토다이오드의 두께가 100nm인 경우 종래의 적층형 이미지 센서 대비 50%의 광흡수 효율이 향상된다. 유기 포토다이오드의 두께가 50nm~70nm인 경우에도, 종래의 유기 포토다이오드의 두께가 100nm인 경우의 적층형 이미지 센서와 비슷한 수준의 광흡수 효율을 가질 수 있다. 자세한 시뮬레이션 결과는 도 9내지 11에서 후술하도록 한다.
따라서, 실시예에 따른 적층형 이미지 센서(100)은 메타필터(120)를 포함함으로써, 유기 포토다이오드의 두께를 100nm으로 하여 광흡수 효율을 종래대비 향상시키거나, 또는 두께를 50 ~ 100nm으로 하여, 광흡수 효율은 유지하면서도 두께를 얇게할 수 있다.
본 실시예에 따른 적층형 이미지 센서(100)에 있어서, 제 1 포토다이오드(113)에 도달할 수 있는 광은 제 2 메타필터(122)와 제 3 메타필터(121)를 통과한 제 1 광(l1)이다. 따라서, 제 1 포토다이오드(113)는 제 1 광(l1) 파장의 광만을 흡수하는 유기 포토다이오드이거나 양자점 포토다이오드뿐만 아니라, 파장 선별성 없이 모든 파장의 광을 흡수하는 실리콘 포토다이오드 일 수도 있다.
그러나, 제 2 포토다이오드(112)에 도달할 수 있는 광은 제 2 광(l2)뿐만 아니라, 제 1 광(l1)도 함께 도달하므로, 제 2 포토다이오드(112)는 제 2 광(l2)은 흡수하고 제 1 광(l1)은 흡수하지 않아야 할 수 있다. 따라서, 제 2 포토다이오드(112)는 제 2 광(l2)에 대한 선택성을 가지는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드여야 하며, 실리콘 포토다이오드는 이용될 수 없다.
마찬가지로, 제 3 포토다이오드(111)도 제 3 광(l1) 에 대한 선택성을 가지는 양자 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드여야 하며, 실리콘 포토다이오드는 이용될 수 없다.
메타필터(120)는 특정 파장의 광을 투과시키고 나머지는 반사시키도록 구성될 수 있다. 메타필터(120)는 제 1 광(l1)을 반사시키는 제 1 메타필터(123), 제 2 광(l2)을 반사시키고 나머지 파장의 광을 투과시키는 제 2 메타필터(122), 제 3 광(l3)을 반사시키고 나머지 파장의 광을 투과시키는 제 3 메타필터(121)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 메타필터(123)는 적색광을 반사하고, 제 1 포토다이오드(113)가 적색광을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 제 2 메타필터(122)는 녹색광을 반사하고, 제 2 포토다이오드(112)가 녹색광을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 제 3 메타필터(121)는 청색광을 반사하고, 제 3 포토다이오드(111)가 청색광을 흡수할 수 있다.
도 2를 참조하면, 메타필터(120)는 서브파장(sub-wavelength) 조건을 만족하는 나노구조체(ns)의 배열을 포함할 수 있다. 이러한 메타필터(120)는 나노구조체(ns)를 도입함으로써 두께를 가능한 줄이면서, 공정의 속도와 비용을 절감할 수 있다. 나노구조체(ns)는 주변체(sr)에 의해 덮일 수 있다.
나노구조체(ns)는 미리 결정된 주기로 반복 배치된 고굴절률 물질일 수 있다. 도 2에 도시된바에 따르면, 나노구조체(ns)는 육면체 블록 형태로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 3을 참조하면, (a)타원기둥 (b)원기둥 (c)정육면체 블록 (d)직육면체 블록 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 나노구조체(ns)는 행과 열을 맞추어 2차원적으로 배열된 것으로 도시되었으나, 각 행 또는 각 열의 나노구조체(ns)는 서로 엇갈려 배열될 수도 있다. 예를 들어, 나노구조체(ns)는 2차원적 육각형 패턴을 이루도록 배열될 수도 있다.
나노구조체(ns)의 배열은 서브파장 조건을 만족할 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(ns)가 배열되는 주기는 투과시키고자 하는 투과 파장 대역의 중심 파장보다 작은 수치일 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(ns)가 배열되는 주기는 중심 파장의 2/3 이하일 수 있다. 나노구조체(ns)의 단면 중 가장 긴 길이를 가지는 차원 요소는 투과 대역의 중심 파장보다 작은 수치일 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(ns)의 단면 중 가장 긴 길이를 가지는 차원 요소는 투과 대역의 중심 파장의 절반 이하일 수 있다.
나노구조체(ns)는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, GaAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
주변체(sr)는 나노구조체(ns)를 둘러쌀 수 있다. 주변체(sr)은 나노구조체(ns)보다 저 굴절률의 물질로 형성될 수 있다. 주변체(sr)는 나노구조체(ns)의 하부를 지지하는 하부층, 나노구조체(ns)와 동일한 층에 위치하는 중간층, 나노구조체(ns)의 상부를 덮는 상부층을 포함할 수 있다. 하부층, 중간층, 상부층은 서로 동일한 소재로 형성될 수도 있고, 또는 나노구조체(ns)보다 낮은 굴절률을 만족하는 서로 다른 소재로 형성될 수도 있다. 이러한 나노구조체(ns)가 주변체(sr)보다 높은 굴절률을 가지는 메타필터(120)를 이하 “양각구조 메타필터”라고 칭하기로 한다.
주변체(sr)는 SU8, PMMA와 같은 폴리머, SiO2 등의 산화체중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다. 중간층은 공기(air)로 이루어 질 수도 있다.
제 1 메타필터(123), 제 2 메타필터(122), 제 3 메타필터(121)은 각기 다른 투과 대역을 가질 수 있으므로, 각 메타필터가 포함하는 나노구조체(ns)의 주기, 물질, 형상, 두께등의 세부적인 사항 중 적어도 어느 하나가 다르게 정해질 수 있다. 나노구조체(ns)의 형상, 나노구조체(ns)와 주변체(sr)와의 굴절률 차이, 나노구조체(ns)의 배열, 주기, 두께 등에 따라, 투과 대역은 다양하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 나노구조체(ns)의 재질, 형상은 각각의 제 1 메타필터(123), 제 2 메타필터(122), 제 3 메타필터(121)에서 동일하게 하고, 주기 또는 두께가 제 1 메타필터(123), 제 2 메타필터(122), 제 3 메타필터(121) 각각에서 다르게 조절되어 선택 파장 대역이 조절될 수 있다.
각 포토다이오드(112내지114)에서 해당 파장 영역의 광을 흡수하여 전하를 생성하면, 이러한 전하를 판독하기 위한 신호배선층(미도시)이 마련될 수 있다. 이러한 신호배선층(미도시)는 제 1 포토다이오드(113), 제 2 포토다이오드(112), 및 제 3 포토다이오드(111)마다 각각 별도로 마련될 수 있다. 예를 들어, 신호배선층은 제 1 포토다이오드(113), 제 2 포토다이오드(112), 및 제 3 포토다이오드(111)의 각각 하부에 마련되거나, 또는 각각 측면에 마련될 수도 있다. 신호배선층(미도시)는 종래의 기술을 이용할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 주변체(sr')의 중간층이 고굴절률 물질로 형성되고, 나노구조체(ns')이 저굴절률 물질로 형성되는 음각구조 메타필터일 수 있다. 도 2에 따른 메타필터와 비교해볼 때, 도 4에 따른 메타펠터는 나노구조체(ns')와 주변체(sr')의 중간층이 반대 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
주변체(sr')는 나노구조체(ns')와 동일층에 위치하는 중간층과, 나노구조체(ns')의 하부에 위치하는 하부층, 나노구조체(ns')의 상부를 덮는 상부층을 포함할 수 있다.
주변체(sr') 중 중간층은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, GaAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.
주변체(sr') 중 상부층과 하부층은 SU8, PMMA와 같은 폴리머, SiO2 등의 산화체 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
나노구조체(ns')는 공기(air)로 이루어 지거나, 또는 SU8, PMMA와 같은 폴리머, SiO2 등의 산화체중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 메타필터 또한 나노구조체(ns')의 형상, 주기, 배열에 따라 투과 대역의 파장이 달라질 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 메타필터를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 나노구조체(ns)가 일차원적으로 반복 배열된 점에서 전술한 실시예에 따른 메타필터들과 차이가 있다. 나노구조체(ns)는 스트라이프 형으로 돌출된 형상을 가지며, 스트라이프 방향과 다른 방향으로 반복 배치되어 있다. 예를 들어, 스트라이프 방향과 수직인 방향으로 상기 스트라이프 형상이 반복 배치될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 나노구조체(ns)들 사이의 주변체(sr') 영역은 공기(air)로 채워지거나, 또는 SU8, PMMA와 같은 폴리머, SiO2 등의 산화체중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다. 주변체(sr)는 SU8, PMMA와 같은 폴리머, SiO2 등의 산화체 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
도 5에 따른 메타필터는 양각구조 메타필터인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 음각구조 메타필터일 수도 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서(200)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 적층형 이미지 센서(200)는 제 1 포토다이오드(113)의 하부에 마련되는 거울 메타필터(220)을 포함할 수 있다. 이외의 구성요소는 도 1에 따른 적층형 이미지 센서(100)에서 설명한 것과 중복되므로 자세한 설명은 생략한다.
거울 메타필터(220)는 제 1 포토다이오드(113)가 흡수하는 제 1 광(l1)을 포함하는 반사 영역 대의 광을 반사시킬 수 있다. 거울 메타필터(220)는 메타필터(120)와는 달리 일정 영역 대의 광은 투과시키고, 일정 영역 대의 광은 반사시키는 것이 아니라, 넓은 파장 대역의 광을 반사시킬 수 있다. 따라서, 거울 메타필터(220)는 단순 거울(금속 박막 등을 비롯한)을 사용하거나, 단순 거울 기능을 하는 메타구조로 구현 할 수 있다.
거울 메타필터(220)는 제 1 광(l1)을 비롯한 반사 영역 대의 광을 반사시키기 위한 나노구조체의 배열, 형상, 주기를 가질 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서(300)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 메타필터(320)가 제 1 포토다이오드(113)의 하부에만 마련될 수 있다.
메타필터(320)는 제 1 광(l1), 제 2 광(l2), 제 3 광(l3)을 포함하는 파장 영역의 광은 반사시키고, 나머지 파장의 광은 투과시킬 수 있다. 또는 메타필터(320)는 제 1 광(l1), 제 2 광(l2), 제 3 광(l3)을 비롯한 모든 파장 영역의 광을 반사시킬 수 있다.
메타필터(320)는 단층 구조를 가지거나, 또는 적층구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 메타필터(320)는 하나의 나노구조체(ns) 배열을 가짐으로써, 제 1 광(l1), 제 2 광(l2), 제 3 광(l3)을 포함하는 파장 영역의 광을 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 메타필터(320)는 제 1 광(l1)을 반사시키는 메타필터(도 1의 113), 제 2 광(l2)을 반사시키는 메타필터(도 1의 112), 제 3 광(l3)을 반사시키는 메타필터(도 1의 111)이 적층된 구조를 가질 수도 있다.
본 실시예에 따른 적층식 이미지 센서(300)의 경우, 제 1 광(l1), 제 2 광(l2), 제 3 광(l3) 이 제 1 포토다이오드(113), 제 2 포토다이오드(112), 제 3 포토다이오드(111)에 모두 제한 없이 도달할 수 있다. 따라서, 파장 선택성이 없는 실리콘 다이오드를 이용할 수 없고, 파장 선택성이 있는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드를 이용할 수 있다. 예를 들어, 제 1 포토다이오드(113)는 청색 파장의 광만을 흡수하고, 제 2 포토다이오드(112)는 녹색 파장의 광만을 흡수하고, 제 1 포토다이오드(111)은 적색 파장의 광만을 흡수할 수 있다.
도 8은 전술한 실시예에 따른 적층형 이미지 센서를 복수 개 포함하는 이미지 센서 어레이(400)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 기판(SUB) 상에 전술한 실시예에 따른 이미지 센서(P1, P2, P3, P4, P5)가 각각 하나의 픽셀에 대응되는 픽셀 어레이(PA)가 마련되고, 각 픽셀에 대응되는 마이크로 렌즈 어레이가 포함될 수 있다.
이미지 센서 어레이(400)는 도 1 내지 도 7에 따른 적층형 이미지 센서를 하나의 픽셀로 삼아 2차원 어레이 배열할 수 있다. 종래의 이미지 센서는 하나의 픽셀이 한가지 색상에만 대응함으로써 하나의 픽셀을 구현하기 위해서는 복수 색상에 대응하는 포토다이오드가 예를 들어 2 X 2로 배열되어야 했다. 따라서, 면적 대비 픽셀의 개수가 적었다. 그러나 본 실시예에 따른, 이미지 센서 어레이 (400)는 하나의 픽셀이 적색, 녹색, 청색을 모두 각각 센싱할 수 있음으로써, 면적대비 고해상도를 가질 수 있으며, 메타필터를 포함함으로써, 비용이 절감되고 종래의 이미지 센서 대비 50% 이상의 광흡수율을 가지는 고효율 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 9 및 10은 일 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다. 도 9 및 도 10은 도 1에 따른 적층형 이미지 센서(100)를 기준으로 시뮬레이션 된 결과를 나타내는 그래프이다.
본 시뮬레이션에 사용된 적층형 이미지 센서(100)는 포토다이오드(110)로 두께가 100nm인 유기 포토다이오드를 채용하였다. 유기 포토다이오드의 경우 두께가 두꺼울수록 해당 색상의 광흡수 효율이 증가하나, 두께가 두꺼워 유기 포토다이오드에 흡수된 전하들을 외부로 전달시키는 것이 어려운 전기적인 문제가 발생할 수 있다. 두께 100nm인 유기 포토다이오드는 전기적인 문제를 해결하면서도 일정 수준의 광흡수 효율을 가질 수 있으므로 시뮬레이션에 채용되었다.
제 1 포토다이오드(113)는 청색광을 흡수하고, 제 2 포토다이오드(112)가 녹색광을 흡수하고, 제 3 포토다이오드(111)가 적색광을 흡수한다. 제 1 메타필터(121)이 청색광을 반사하고, 제 2 메타필터(122)가 녹색광을 반사하고, 제 3 메타필터(123)이 적색광을 반사한다.
도 9를 참조하면, 실선으로 도시된 그래프(B-1, G-1, R-1)는 통상의 컬러필터를 채용한 적층형 이미지 센서의 파장별 광흡수율을 나타낸다. 점선으로 도시된 그래프(B-2, G-2, R-2)는 메타필터를 채용한 적층형 이미지 센서의 파장별 광흡수율을 나타낸다. 쇄선으로 도시된 그래프(B-3, G-3, R-3)는 거울형 메타필터를 채용한 적층형 이미지 센서의 파장별 광흡수율을 나타낸다. 도 9를 참조하면, 메타필터를 채용한 적층형 이미지 센서(B-2, G-2, R-2, B-3, G-3, R-3)가 종래의 컬러필터를 채용한 이미지 센서(B-1, G-1, R-1)에 비해, 청색광에서 57%의 광흡수율 증가를, 녹색광에서 49%의 광흡수율 증가를, 적색광에서 47%의 광흡수율 증가를 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 10을 참조하면, 청색광을 반사하는 제 1 메타필터가 400~450nm 영역의 광을 반사하고 나머지 광을 투과(B)시키고, 녹색광을 반사하는 제 2 메타필터가 500~550nm 영역의 광을 반사하고 나머지 광을 투과(G)시키고, 적색광을 반사하는 제 3 메타필터가 570~650nm 영역의 광을 반사하고 나머지 광을 투과(R)시키는 것을 확인할 수 있다.
도 11 은 다른 실시예에 따른 적층형 이미지 센서의 광효율을 나타내는 그래프이다. 도 11 은 도 1에 따른 적층형 이미지 센서(100)를 기준으로 시뮬레이션 된 결과를 나타내는 그래프이다.
본 시뮬레이션에 사용된 적층형 이미지 센서(100)는 포토다이오드(110)로 두께가 300nm인 유기 포토다이오드를 채용하였다. 유기 포토다이오드의 경우 두께가 두꺼울수록 해당 색상의 광흡수 효율이 증가하나, 두께가 두꺼워 유기 포토다이오드에 흡수된 전하들을 외부로 전달시키는 것이 어려운 전기적인 문제가 발생할 수 있다. 두께 300nm인 유기 포토다이오드는 높은 수준의 광흡수 효율을 가질 수 있으므로 시뮬레이션에 채용되었다.
제 1 포토다이오드(113)는 청색광을 흡수하고, 제 2 포토다이오드(112)가 녹색광을 흡수하고, 제 3 포토다이오드(111)가 적색광을 흡수한다. 제 1 메타필터(121)이 청색광을 반사하고, 제 2 메타필터(122)가 녹색광을 반사하고, 제 3 메타필터(123)이 적색광을 반사한다.
도 11를 참조하면, 실선으로 도시된 그래프(B-1, G-1, R-1)는 통상의 컬러필터를 채용한 적층형 이미지 센서의 파장별 광흡수율을 나타낸다. 점선으로 도시된 그래프(B-2, G-2, R-2)는 메타필터를 채용한 적층형 이미지 센서의 파장별 광흡수율을 나타낸다. 쇄선으로 도시된 그래프(B-3, G-3, R-3)는 메타필터를 채용한 적층형 이미지 센서의 파장별 광흡수율을 나타낸다. 도 11을 참조하면, 메타필터를 채용한 적층형 이미지 센서(B-2, G-2, R-2, B-3, G-3, R-3)가 종래의 컬러필터를 채용한 이미지 센서(B-1, G-1, R-1)에 비해, 청색광에서 22%의 광흡수율 증가를, 녹색광에서 25%의 광흡수율 증가를, 적색광에서 52%의 광흡수율 증가를 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 9와 도 11을 비교할 때, 도 11의 광흡수율 증가가 상대적으로 적은 것을 확인할 수 있다. 이는, 도 11은 포토다이오드(110)가 두께 300nm인 두꺼운 유기 포토다이오드를 차용함으로써 기본적인 광 효율이 높았기 때문에, 도 9는 포토다이오드(110)가 두께 100nm인 유기 포토다이오드를 차용하여 기본적인 광효율이 낮았기 때문이다.
도 9와 도 11을 비교하면, 두께 100nm인 유기 포토다이오드와 메타필터를 차용한 적층형 이미지센서는 두께 300nm인 유기 포토다이오드와 종래의 컬러필터를 차용한 적층형 이미지센서와 거의 동일한 광효율을 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 메타필터를 차용함으로써, 상대적으로 적은 두께의 유기 포토다이오드를 사용하면서도 높은 광효율을 구현할 수 있으므로 적층형 이미지 센서의 박형화에 기여할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 200, 300, 400 : 적층형 이미지 센서
110 : 포토다이오드
113 : 제 1 포토다이오드
112 : 제 2 포토다이오드
111 : 제 3 포토다이오드
120 : 메타필터
123 : 제 1 메타필터
122 : 제 2 메타필터
123 : 제 3 메타필터
110 : 포토다이오드
113 : 제 1 포토다이오드
112 : 제 2 포토다이오드
111 : 제 3 포토다이오드
120 : 메타필터
123 : 제 1 메타필터
122 : 제 2 메타필터
123 : 제 3 메타필터
Claims (20)
- 제 1 파장 대역의 광을 흡수하는 제 1 포토다이오드, 상기 제 1 포토다이오드 상에 마련되며, 제 2 파장 대역의 광을 흡수하는 제 2 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드; 및
서브파장 조건을 만족하는 복수의 나노구조체를 포함하며, 미리 정해진 파장대역의 광은 반사하며 나머지 파장대역의 광은 투과시키는 메타필터;를 포함하고,
상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드 하부에 마련되어 제 1 파장대역 의 광을 상기 제 1 포토다이오드로 반사하는 제 1 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드와 상기 제 2 포토다이오드 사이에 마련되어 제 2 파장대역의 광을 상기 제 2 포토다이오드로 반사하고, 제 1 파장 대역의 광은 투과시키는 제 2 메타필터를 더 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 포토다이오드는 광 선택성이 없는 실리콘 포토다이오드이거나 또는 제 1 파장 대역의 광을 흡수하는 광 선택성을 가지는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드 중 어느 하나인 적층형 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 포토다이오드는 제 2 파장 대역의 광을 흡수하는 광 선택성을 가지는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드 중 어느 하나인 적층형 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 포토다이오드는 제 2 포토다이오드 상에 마련되며, 제 3 파장 대역의 광을 흡수하는 제 3 포토다이오드를 더 포함하고,
상기 메타필터는, 상기 제 2 포토다이오드 및 상기 제 3 포토다이오드 사이에 마련되며, 제 3 파장 대역의 광을 상기 제 3 포토다이오드로 반사하며, 나머지 파장대역의 광은 투과시키는 제 3 메타필터;를 더 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 3 포토다이오드는 제 3 파장 대역의 광 선택성을 가지는 유기 포토다이오드 또는 양자점 포토다이오드 중 어느 하나인 적층형 이미지 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 포토다이오드는 두께 30 nm 내지 250nm 인 적층형 이미지 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 3 포토다이오드는 적색 파장 대역, 녹색 파장 대역, 청색 파장 대역 중 어느 한 파장 대역 중 어느 한 파장 대역의 광을 흡수하고,
상기 제 2 포토다이오드는 적색 파장 대역, 녹색 파장 대역, 청색 파장 대역 중 어느 한 파장 대역의 광을 흡수하되, 상기 제 3 포토다이오드가 흡수하는 광과 다른 파장 대역의 광을 흡수하고,
상기 제 1 포토다이오드는 적색 파장 대역, 녹색 파장 대역, 청색 파장 대역 중 어느 한 파장 대역의 광을 흡수하되, 상기 제 3 포토다이오드 및 상기 제 2 포토다이오드가 흡수하는 광과 다른 파장 대역의 광을 흡수하는 적층형 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 메타필터는 1차원 또는 2차원의 나노구조체 배열을 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 메타필터가 2차원 나노구조체 배열을 포함하는 경우,
상기 나노구조체는 사각기둥, 원통기둥, 타원기둥, 정사면체, 삼각뿔, 원뿔 중 어느 한 형상을 가지는 적층형 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 메타필터가 1차원 나노구조체 배열을 포함하는 경우,
상기 나노구조체는 바(bar)형태를 가지고, 상기 바(bar)형태는 삼각형, 사각형, 오각형 이상의 다면체, 원형, 타원형 중 어느 한 형상의 단면을 가지는 적층형 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 메타필터는 상기 나노구조체 배열을 둘러싸며, 상기 나노구조체보다 낮은 굴절률을 가지는 주변체를 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 나노구조체는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, GaAs, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 소재로 형성되는 적층형 이미지 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 주변체는 폴리머, 산화물 중 어느 하나의 소재로 형성되는 적층형 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 메타필터는 상기 나노구조체 배열을 둘러싸며, 상기 나노구조체보다 높은 굴절률을 가지는 주변체를 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 나노구조체는 폴리머, 산화물 중 어느 하나로 형성되며,
상기 주변체는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(Amorphous Si), Si3N4, GaP, GaAs, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나의 소재로 형성되는 적층형 이미지 센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 메타필터는 수평 방향을 따라 폭, 간격, 대칭축 방향 중 적어도 한가지 요소가 변화되는 나노구조체 배열을 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 1 파장 대역의 광을 흡수하는 제 1 포토다이오드;
상기 제 1 포토다이오드 상에 마련되며, 제 2 파장 대역의 광을 흡수하는 제 2 포토다이오드; 및
서브파장 조건을 만족하는 복수의 나노구조체를 포함하며, 미리 정해진 파장대역의 광은 반사하며 나머지 파장대역의 광은 투과시키는 메타필터;를 포함하고,
상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드와 상기 제 2 포토다이오드 사이에 마련되어 제 2 파장대역의 광을 상기 제 2 포토다이오드로 반사하고, 제 1 파장 대역의 광은 투과시키는 제 1 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 18 항에 있어서,
상기 메타필터는 상기 제 1 포토다이오드 하부에 마련되어 제 1 파장대역 의 광을 상기 제 1 포토다이오드로 반사하는 제 2 메타필터를 포함하는 적층형 이미지 센서. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 2 포토다이오드 상에 마련되며, 제 3 파장 대역의 광을 흡수하는 제 3 포토다이오드;를 더 포함하고,
상기 메타필터는 상기 제 2 포토다이오드와 상기 제 3 포토다이오드 사이에 마련되어 제 3 파장대역의 광을 상기 제 3 포토다이오드로 반사하고, 제 2 파장대역의 광은 투과시키는 제 3 메타필터를 더 포함하는 적층형 이미지 센서.
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