KR20190094580A - 이미지 센서 및 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 기판에 집적되어 있고 적외선 영역의 광을 감지하는 광 다이오드, 상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 가시광선 영역의 광을 감지하는 광전변환소자, 그리고 상기 광전변환소자의 상부에 위치하는 복수의 색 필터를 포함하고, 상기 광전변환소자는 서로 마주하는 한 쌍의 전극, 그리고 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전변환층을 포함하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.

Description

이미지 센서 및 전자 장치{IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE}
이미지 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
카메라와 캠코더 등에는 영상을 촬영하여 전기적 신호로 저장하는 이미지 센서를 포함한다. 근래, 센서를 생체 인식 장치로 사용하는 기술 또한 연구되고 있다. 이미지 센서를 포함한 다양한 센서는 날이 갈수록 소형화 및 높은 해상도가 요구되고 있을 뿐만 아니라 여러 기능을 복합적으로 수행할 수 있는 능력 또한 요구되고 있다.
일 구현예는 크기를 늘리지 않고 성능을 개선할 수 있는 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 반도체 기판에 집적되어 있고 적외선 영역의 광을 감지하는 광 다이오드, 상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 가시광선 영역의 광을 감지하는 광전변환소자, 그리고 상기 광전변환소자의 상부에 위치하는 복수의 색 필터를 포함하고, 상기 광전변환소자는 서로 마주하는 한 쌍의 전극, 그리고 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전변환층을 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 광전변환층은 가시광선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 광전변환층은 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있고, 상기 n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
상기 p형 반도체는 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 1종 이상의 p형 반도체와 상기 n형 반도체를 조합하여 가시광선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 각각 적외선 영역의 광을 흡수하지 않을 수 있다.
상기 n형 반도체는 상기 p형 반도체와 같거나 그보다 많이 포함되어 있을 수 있다.
상기 광전변환층은 적어도 하나의 유기 물질을 포함하는 유기 광전변환층일 수 있다.
상기 복수의 색 필터는 각각 적색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 청색 파장 영역 중 적어도 하나와 적외선 영역의 광을 투과할 수 있다.
상기 복수의 색 필터는 적색 필터, 청색 필터, 녹색 필터, 시안 필터, 마젠타 필터, 옐로우 필터 및 백색 필터에서 각각 독립적으로 선택될 수 있다.
상기 색 필터의 약 800nm 내지 1000nm의 적외선 영역에서의 평균 광 투과도는 70% 이상일 수 있다.
상기 광 다이오드는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 0 내지 7000nm의 깊이 중 적어도 일부에 위치할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판과 상기 광전변환소자 사이에 위치하는 가시광 차단막을 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 반도체 기판과 상기 광전변환소자 사이에 위치하는 반투과막을 더 포함할 수 있고, 상기 반투과막은 가시광선 영역 중 적어도 일부를 선택적으로 반사할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 색 필터의 상부에 위치하고 가시광선 영역 및 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 밴드패스 필터를 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 광의 입사 방향으로부터 색 필터, 유기 광전변환소자 및 무기 광 다이오드가 차례로 적층되어 있고, 상기 유기 광전변환소자는 상기 색 필터를 통과한 가시광선 영역의 광을 광전 변환하고, 상기 무기 광 다이오드는 적외선 영역의 광을 감지하는 이미지 센서를 제공한다.
상기 색 필터와 상기 유기 광전변환소자는 반도체 기판의 상부에 위치할 수 있고, 상기 무기 광 다이오드는 상기 반도체 기판의 내부에 집적되어 있을 수 있다.
상기 무기 광 다이오드는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 0 내지 7000nm 의 깊이 중 적어도 일부에 위치할 수 있다.
상기 유기 광전변환소자는 서로 마주하는 한 쌍의 전극, 그리고 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함할 수 있다.
상기 유기 광전변환층은 유기 흡광 물질과 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
상기 유기 광전변환층은 가시광선 전영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 색 필터는 적색 필터, 청색 필터, 녹색 필터, 시안 필터, 마젠타 필터, 옐로우 필터 및 백색 필터에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
이미지 센서의 크기를 늘리지 않고 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 2는 도 1의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 3 내지 도 6은 도 1의 일 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 화소 배치의 예들을 보여주는 평면도이고,
도 7은 도 1의 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 8은 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 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.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하에서 '하부' 및 '상부' 용어는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 위치 관계를 한정하는 것은 아니다.
이하에서 이미지 센서의 상부가 수광면(light-receiving side)으로 설명하지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 위치 관계를 한정하는 것은 아니다.
이하 일 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고, 도 3 내지 도 6은 도 1의 일 구현예에 따른 이미지 센서의 단위 화소의 화소 배치의 예들을 보여주는 평면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 가시광선 영역의 광을 감지하는 감지 소자(이하 ‘가시광 감지 소자’라고 한다)(100)와 적외선 영역의 광을 감지하는 감지 소자(이하 ‘적외광 감지 소자’라고 한다)(200)를 포함한다. 가시광 감지 소자(100)와 적외광 감지 소자(200)는 적층되어 있으며, 가시광 감지 소자(100)는 적외광 감지 소자(200)보다 수광면에 더 가깝게 위치되어 있다.
가시광 감지 소자(100)는 일 예로 2x2 매트릭스 구조의 단위 화소를 포함할 수 있으며, 일 예로 가시광선 영역 중 서로 같거나 다른 파장 영역을 감지하는 복수의 화소(VIS1, VIS2, VIS3 및 VIS4)를 포함할 수 있다. 그러나 단위 화소는 이에 한정되지 않고 3x3 또는 4x4와 같은 다양한 구조일 수 있다.
일 예로, 가시광 감지 소자(100)는 가시광선 영역의 광을 흡수하여 광전변환하는 광전변환소자일 수 있다.
가시광 감지 소자(100)의 복수의 화소(VIS1, VIS2, VIS3 및 VIS4)는 각각 독립적으로 예컨대 적색 파장 영역의 광을 광전변환하는 적색 화소(R); 녹색 파장 영역의 광을 광전변환하는 녹색 화소(G); 청색 파장 영역의 광을 광전변환하는 청색 화소(B); 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 광전변환하는 시안 화소(C); 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 광전변환하는 마젠타 화소(M); 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역을 광전변환하는 옐로우 화소(Y); 및 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 광전변환하는 백색 화소(W)에서 선택될 수 있다.
일 예로, 도 3을 참고하면, 가시광 감지 소자(100)의 단위 화소는 하나의 적색 화소(R), 하나의 청색 화소(B) 및 두 개의 녹색 화소(G)를 포함하는 RGB 어레이를 가질 수 있다.
일 예로, 도 4를 참고하면, 가시광 감지 소자(100)의 단위 화소는 하나의 적색 화소(R), 하나의 청색 화소(B), 하나의 녹색 화소(G) 및 하나의 백색 화소(W)를 포함하는 RGBW 어레이를 가질 수 있다.
일 예로, 도 5를 참고하면, 가시광 감지 소자(100)의 단위 화소는 하나의 시안 화소(C), 하나의 마젠타 화소(M), 하나의 녹색 화소(G) 및 하나의 옐로우 화소(Y)를 포함하는 CMGY 어레이를 가질 수 있다.
일 예로, 도 6을 참고하면, 가시광 감지 소자(100)의 단위 화소는 하나의 시안 화소(C), 하나의 마젠타 화소(M) 및 두 개의 옐로우 화소(Y)를 포함하는 CYYM 어레이를 가질 수 있다.
적외광 감지 소자(200)는 광 다이오드(photo diode)가 배치된 복수의 화소를 포함할 수 있으며, 광 다이오드가 배치된 복수의 화소는 열 및/또는 행을 따라 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 광 다이오드는 적외선 영역의 광(IR)을 감지할 수 있다.
도 2를 참고하면, 가시광 감지 소자(100)와 적외광 감지 소자(200)는 적층되어 있으며 각각 반도체 기판(210)의 외부 및 내부에 위치하고 있다. 구체적으로 가시광 감지 소자(100)는 반도체 기판(210)의 상부에 위치한 광전변환소자(120) 및 색 필터 층(110)을 포함하고 적외광 감지 소자(200)는 반도체 기판(210)의 내부에 집적된 광 다이오드(220)를 포함한다. 광전변환소자(120), 색 필터 층(110) 및 광 다이오드(220)는 중첩되어 있을 수 있다.
가시광 감지 소자(100)는 이미지 센서(300)의 전면(whole surface)에 위치한 광전변환소자(120)와 광전변환소자(120)의 상부에 위치하는 색 필터 층(110)을 포함한다.
광전변환소자(120)는 서로 마주하는 하부 전극(121a, 121b, 121c)과 상부 전극(122), 그리고 하부 전극(121a, 121b, 121c)과 상부 전극(122) 사이에 위치하는 광전변환층(123)을 포함한다.
하부 전극(121a, 121b, 121c)은 화소 전극(pixel electrode)일 수 있으며, 각 화소마다 독립적으로 구동될 수 있다. 상부 전극(122)은 공통 전극(common electrode)일 수 있으며, 빛을 받는 측에 위치하는 수광 전극(light receiving electrode)일 수 있다.
하부 전극(121a, 121b, 121c)과 상부 전극(122)은 각각 투광 전극일 수 있고, 투광 전극은 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 같은 도전성 산화물 또는 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전변환층(123)은 하부 전극(121a, 121b, 121c)과 상부 전극(122) 사이에 개재되어 있으며, 이미지 센서(300)의 전면(whole surface)에 형성되어 있을 수 있다.
광전변환층(123)은 가시광선 영역의 광을 흡수하고 적외선 영역의 광을 실질적으로 흡수하지 않는 흡광 물질을 포함할 수 있다. 여기서 가시광선 영역은 예컨대 약 380nm 내지 700nm 일 수 있고 적외선 영역은 근적외선 영역, 중간 적외선 영역 및 원적외선 영역을 포함할 수 있으며 예컨대 약 700nm 초과, 예컨대 약 750nm 이상 또는 예컨대 약 780nm 이상일 수 있고, 예컨대 근적외선 영역일 수 있고, 예컨대 약 700nm 초과 3000nm 이하, 약 750nm 내지 3000nm, 약 780nm 내지 3000nm, 약 800nm 내지 3000nm, 약 800nm 내지 2000nm 또는 약 800nm 내지 1000nm일 수 있다.
광전변환층(123)은 1종 또는 2종 이상의 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 가시광선 전 영역의 광을 흡수하는 흡광 물질을 포함할 수도 있고 가시광선 영역 중 서로 다른 영역의 광을 흡수하는 복수의 흡광 물질을 포함할 수도 있다. 광전변환층(123)은 적어도 하나의 유기 흡광 물질을 포함하는 유기 광전변환층일 수 있다.
광전변환층(123)은 pn 접합(pn junction)을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있다.
p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 가시광선 영역의 광을 흡수할 수 있는 흡광 물질일 수 있으며, 예컨대 가시광선 전 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있는 흡광 물질일 수 있다. 일 예로, p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 유기 흡광 물질일 수 있다. 일 예로, p형 반도체와 n형 반도체는 각각 실리콘(Si)을 포함하지 않을 수 있다. 일 예로, p형 반도체와 n형 반도체는 각각 적외선 영역의 광을 실질적으로 흡수하지 않을 수 있다.
일 예로, p형 반도체는 가시광선 영역 중 적어도 일부를 흡수하는 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 가시광선 전 영역의 광을 흡수하는 흡광 물질을 포함하거나 가시광선 영역 중 서로 다른 영역의 광을 흡수하는 1종 이상의 흡광 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, p형 반도체 중 적어도 하나는 유기 흡광 물질일 수 있다.
p형 반도체는 예컨대 폴리-3-헥실 티오펜(poly(3-hexylthiophene)), 폴리-3-부틸 티오펜(poly(3-butylthiophene))과 같은 티오펜 화합물; 폴리[2-메틸, 5-(3’,7’-디메틸옥틸옥시)]-1,4-페닐렌비닐렌(poly[2-methyl,5-(3’,7’-dimethyloctyloxy)]-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV), 폴리[2-메톡시, 5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐비닐렌](poly[2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene], MEH-PPV)과 같은 페닐렌비닐렌 화합물; 폴리[2,7-(9,9-디옥틸-플루오렌)-알트-5,5(2,3,6,7-테트라페닐-9,10-디티엔-2-일 피라지노[2,3-g]퀴노잘라인)](poly[2,7-(9,9-dioctyl-fluorene)-alt-5,5(2,3,6,7-tetraphenyl-9,10-dithien-2-yl pyrazino[2,3-g]quinoxaline)]), 폴리 [2,7-(9,9-디옥틸-플루오렌)-알트-5,5-(2,3-비스(4-(2-에틸헥실옥시)페닐)-5,7-디(티오펜-2-일)티에노[3,4-b]피라진)](poly[2,7-(9,9-dioctyl fluorene)-alt-5,5-(2,3-bis(4-(2-ethylhexyloxy)phenyl)-5,7-di(thiophene-2-yl)thieno[3,4-b]pyrazine)]) 등의 플루오렌 화합물; 폴리[N-9”-헵타-데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4’,7’-디-2-티에닐-2’,1’,3’-벤조티아디아졸)](poly[N-9”-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4’,7’-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole)], PCDTBT), [2,6-(4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-싸이클로펜타[2,1-b;3,4-b’]-디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)]([2,6-(4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)], PCPDTBT) 등의 벤조티디아졸 화합물; 중심금속이 Cu, Fe, Co, Ni등이 배위된 프탈로시아닌, 무금속 프탈로시아닌, 알루미늄클로로프탈로시아닌, 인듐프탈로시아닌, 갈륨프탈로시아닌과 같은 프탈로시아닌 화합물; 안트라센; 테트라센; 펜타센; 히드라존 화합물; 피라졸린 화합물; 트리페닐메탄 화합물; 트리페닐아민 화합물; 및 이들의 공중합체 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
p형 반도체는 예컨대 적색 파장 영역의 광을 흡수하는 흡광 물질, 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 흡광 물질 및 청색 파장 영역의 광을 흡수하는 흡광 물질 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
일 예로, n형 반도체는 가시광선 영역 중 적어도 일부를 흡수하는 흡광 물질일 수 있으며, 예컨대 C60, C70, C71, C74, C76, C78, C82, C84, C720 또는 C860과 같은 플러렌(fullerene); 비-플러렌(non-fullerene); 티오펜; 이들의 유도체; 또는 이들의 조합일 수 있다. 플러렌 유도체는 예컨대 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM), [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다.
일 예로, 1종 이상의 p형 반도체와 n형 반도체는 조합하여 가시광선 전 영역의 광을 흡수할 수 있다.
일 예로, p형 반도체는 1종 이상의 유기 흡광물질일 수 있고 n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다.
광전변환층(123)은 p형 반도체와 n형 반도체가 소정 비율로 혼합되어 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 이룰 수 있으며, p형 반도체와 n형 반도체는 예컨대 약 1:100 내지 100:1, 약 1:50 내지 50:1, 약 1:10 내지 10:1, 약 1:5 내지 5:1, 또는 약 1:1의 부피비로 포함될 수 있다. 일 예로, n형 반도체는 p형 반도체와 같거나 그보다 많이 포함되어 있을 수 있으며, 예컨대 진성층(I층) 내에서 p형 반도체와 n형 반도체는 약 1:1 내지 1:10의 부피비로 포함될 수 있다.
광전변환층(123)은 p형 반도체를 포함한 p형 층과 n형 반도체를 포함한 n형 층을 포함할 수 있다. p형 층은 전술한 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 전술한 n형 반도체를 포함할 수 있다. 일 예로, n형 층의 두께는 p형 층의 두께와 같거나 그보다 두꺼울 수 있으며, 예컨대 p형 층과 n형 층의 두께 비는 약 1:1 내지 1:10 일 수 있다.
광전변환층(123)은 진성층(I층), p형층/n형층, p형층/I층, I층/n형층, p형층/I층/n형층 등 다양한 조합일 수 있다. 여기서 진성층은 상술한 p형 반도체와 n형 반도체의 혼합층일 수 있다.
광전변환층(123)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 광전변환층(123)은 상기 범위 내에서 예컨대 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있고, 예컨대 약 5nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다.
광전변환층(123)은 가시광선 영역의 광을 흡수하여 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 하부 전극(121a, 121b, 121c)과 상부 전극(122) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 하부 전극(121a, 121b, 121c)과 상부 전극(122) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 광전변환 효과를 낼 수 있다. 분리된 전자 및/또는 정공은 전하 저장소(230a, 230b, 230c)에 모아질 수 있다.
광전변환소자(120)는 하부 전극(121a, 121b, 121c)과 광전변환층(123) 사이 및/또는 상부 전극(122)과 광전변환층(123) 사이에 위치하는 보조층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 보조층은 전하 보조층, 흡광 보조층 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보조층은 예컨대 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자의 이동을 저지하는 전자 차단층(electron blocking layer, EBL), 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(electron injecting layer, EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL) 및 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layer, HBL)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
보조층은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. 상기 유기물은 정공 또는 전자 특성을 가지는 유기 화합물일 수 있고, 상기 무기물은 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물과 같은 금속 산화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전변환소자(120)의 두께는 약 1.5㎛ 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1.2㎛ 이하, 예컨대 약 1.0㎛ 이하일 수 있다.
색 필터 층(110)은 광전변환소자(120)의 상부에 위치되어 있으며, 각 화소마다 배치된 색 필터(110a, 110b, 110c)를 포함한다. 색 필터(110a, 110b, 110c)는 광전변환소자(120)에 유입되는 광을 파장에 따라 분리하여 소정 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
색 필터(110a, 110b, 110c)는 가시광선 영역 및 적외선 영역의 광을 투과시킬 수 있으며, 각 색 필터(110a, 110b, 110c)는 가시광선 영역 중 서로 같거나 다른 파장 영역의 광을 투과시킬 수 있다.
일 예로, 색 필터(110a, 110b, 110c)는 각각 독립적으로 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중 적어도 하나를 선택적으로 투과시킬 수 있으며 공통적으로 적외선 영역의 광을 투과시킬 수 있다.
여기서 청색 파장 영역은 약 380nm 내지 490nm일 수 있으며 녹색 파장 영역은 예컨대 약 500nm 내지 600nm일 수 있으며 적색 파장 영역은 약 610nm 내지 700nm일 수 있다. 또한, 여기서 적외선 영역은 근적외선 영역, 중간 적외선 영역 및 원적외선 영역을 포함할 수 있고, 예컨대 약 700nm 초과, 예컨대 약 750nm 이상 또는 예컨대 약 780nm 이상일 수 있고, 예컨대 근적외선 영역일 수 있고, 예컨대 약 700nm 초과 3000nm 이하, 약 750nm 내지 3000nm, 약 780nm 내지 3000nm, 약 800nm 내지 3000nm, 약 800nm 내지 2000nm 또는 약 800nm 내지 1000nm일 수 있다. 또한, 여기서 ‘투과’는 각 파장 영역에서의 평균 광 투과도가 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상 또는 약 80% 이상인 것을 의미할 수 있다. 또한, 여기서 ‘선택적으로 투과’는 가시광선 영역 중 특정 파장 영역에서의 투과도가 가시광선 영역의 그 외 파장 영역에서의 투과도보다 현저히 높은 것을 의미할 수 있고 예컨대 약 2배 이상, 약 3배 이상, 약 4배 이상 또는 약 5배 이상 높은 것을 의미할 수 있다.
예컨대, 각 색 필터(110a, 110b, 110c)는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중 적어도 하나를 가시광선 영역의 그 외 파장 영역과 비교하여 2배 이상, 3배 이상, 약 4배 이상 또는 약 5배 이상 높게 투과시킬 수 있으며, 색 필터(110a, 110b, 110c)의 적외선 영역, 예컨대 800nm 내지 1000nm 영역에서의 평균 광 투과도는 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상 또는 약 80% 이상일 수 있다.
일 예로, 각 색 필터(110a, 110b, 110c)는 청색 파장 영역과 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과하는 청색 필터; 녹색 파장 영역과 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과하는 녹색 필터; 및 적색 파장 영역과 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과하는 적색 필터에서 선택될 수 있다.
일 예로, 각 색 필터(110a, 110b, 110c)는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과하는 시안 필터; 청색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과하는 마젠타 필터; 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과하는 옐로우 필터; 및 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과하는 백색 필터에서 선택될 수 있다.
일 예로, 색 필터 층(110)은 적어도 하나의 청색 필터, 적어도 하나의 녹색 필터 및 적어도 하나의 적색 필터를 포함할 수 있다.
일 예로, 색 필터 층(110)은 적어도 하나의 청색 필터, 적어도 하나의 녹색 필터, 적어도 하나의 적색 필터 및 적어도 하나의 백색 필터를 포함할 수 있다.
일 예로, 색 필터 층(110)은 적어도 하나의 시안 필터, 적어도 하나의 마젠타 필터 및 적어도 하나의 옐로우 필터를 포함할 수 있다.
일 예로, 색 필터 층(110)은 적어도 하나의 시안 필터, 적어도 하나의 마젠타 필터, 적어도 하나의 옐로우 필터 및 적어도 하나의 백색 필터를 포함할 수 있다.
일 예로, 색 필터 층(110)은 청색 필터, 녹색 필터 및 적색 필터에서 선택된 적어도 하나와 시안 필터, 마젠타 필터 및 옐로우 필터에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 예로, 색 필터 층(110)은 청색 필터, 녹색 필터 및 적색 필터에서 선택된 적어도 하나; 시안 필터, 마젠타 필터 및 옐로우 필터에서 선택된 적어도 하나; 및 백색 필터를 포함할 수 있다.
광전변환소자(120)는 각 화소에 대응하는 복수의 광전변환영역(120a, 120b, 120c)을 포함할 수 있다. 각 광전변환영역(120a, 120b, 120c)은 하부 전극(121a, 121b, 121c), 광전변환층(123), 상부 전극(122) 및 색 필터(110a, 110b, 110c)에 의해 구획되는 영역으로 정의될 수 있으며, 도 1의 화소(VIS1, VIS2, VIS3, VIS4) 중 하나에 대응될 수 있다.
예컨대, 광전변환소자(120)는 하부 전극(121a), 광전변환층(123), 상부 전극(122) 및 색 필터(110a)가 중첩되는 영역에 의해 정의되는 제1 광전변환영역(120a); 하부 전극(121b), 광전변환층(123), 상부 전극(122) 및 색 필터(110b)가 중첩되는 영역에 의해 정의되는 제2 광전변환영역(120b); 및 하부 전극(121c), 광전변환층(123), 상부 전극(122) 및 색 필터(110c)가 중첩되는 영역에 의해 정의되는 제3 광전변환영역(120c)을 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 광전변환영역(120a, 120b, 120c)은 색 필터(110a, 110b, 110c)에 의해 선택적으로 투과되는 광에 의해 광전변환되는 가시광선 파장 영역이 결정될 수 있다.
일 예로, 색 필터(110a)가 청색 필터인 경우, 제1 광전변환영역(120a)의 광전변환층(123)은 가시광선 영역 중 청색 파장 영역 광을 선택적으로 공급받고 이를 흡수하여 청색 파장 영역의 광을 광전변환시킬 수 있다.
일 예로, 색 필터(110b)가 녹색 필터인 경우, 제2 광전변환영역(120b)의 광전변환층(123)은 가시광선 영역 중 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 공급받고 이를 흡수하여 녹색 파장 영역의 광을 광전변환시킬 수 있다.
일 예로, 색 필터(110c)가 적색 필터인 경우, 제3 광전변환영역(120c)의 광전변환층(123)은 가시광선 영역 중 적색 파장 영역의 광을 공급받고 이를 선택적으로 흡수하여 적색 파장 영역의 광을 광전변환시킬 수 있다.
일 예로, 색 필터(110a)가 시안 필터인 경우, 제1 광전변환영역(120a)의 광전변환층(123)은 가시광선 영역 중 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 공급받고 이를 흡수하여 청색 파장 영역 및 녹색 파장 영역의 광을 광전변환시킬 수 있다.
일 예로, 색 필터(110b)가 마젠타 필터인 경우, 제2 광전변환영역(120b)의 광전변환층(123)은 가시광선 영역 중 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 공급받고 이를 흡수하여 청색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 광전변환시킬 수 있다.
일 예로, 색 필터(110c)가 옐로우 필터인 경우, 제3 광전변환영역(120c)의 광전변환층(123)은 가시광선 영역 중 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 공급받고 이를 선택적으로 흡수하여 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역의 광을 광전변환시킬 수 있다.
이에 따라 제1 내지 제3 광전변환영역(120a, 120b, 120c)은 색 필터(110a, 110b, 110c)에 따라 서로 같거나 다른 가시광선 파장 영역의 광을 광전변환시킬 수 있다.
적외광 감지 소자(200)는 가시광 감지 소자(100)의 하부에 위치할 수 있으며, 가시광 감지 소자(100)를 통과한 적외선 영역의 광을 감지할 수 있다. 가시광선 영역의 광은 전술한 바와 같이 가시광 감지 소자(100)에서 흡수되고 광전변환되므로 적외광 감지 소자(200)에 공급되지 않는다.
적외광 감지 소자(200)는 반도체 기판(110)에 집적된 광 다이오드(220a, 220b, 220c)일 수 있으며, 광 다이오드(220a, 220b, 220c)는 색 필터(110a, 110b, 110c)와 중첩하게 위치될 수 있다. 광 다이오드(220a, 220b, 220c)는 각 화소 내에서 색 필터(110a, 110b, 110c) 및 광전변환소자(120)를 통과한 빛을 감지할 수 있으며, 각각 독립적으로 적외선 영역의 광을 감지할 수 있다. 일 예로, 전술한 바와 같이 각 색 필터(110a, 110b, 110c)는 가시광선 영역 중 일부 및 적외선 영역의 광을 투과시킬 수 있고, 각 색 필터(110a, 110b, 110c)를 통과한 가시광선 영역의 광은 각 광전변환영역(120a, 120b, 120c)의 광전변환층(30)에 의해 각각 흡수될 수 있으므로, 광 다이오드(220a, 220b, 220c)는 적외선 영역의 광을 감지할 수 있다.
반도체 기판(210)은 무기 반도체 기판일 수 있으며 예컨대 실리콘 기판 또는 InGaAs 기판일 수 있다. 광 다이오드(220a, 220b, 220c)는 반도체 기판(210) 내에서 적외선 영역의 광을 감지할 수 있는 깊이에 위치할 수 있으며, 예컨대 반도체 기판(210)의 표면으로부터 약 0 내지 7000nm의 깊이 중 적어도 일부에 위치할 수 있다.
반도체 기판(210)에는 전하 저장소(230a, 230b, 230c) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 또한 집적되어 있다. 전하 저장소(230a, 230b, 230c)는 광전변환소자(120)의 광전변환영역(120a, 120b, 120c)에 각각 전기적으로 연결되어 있어서 전송 트랜지스터로 정보를 전달할 수 있고, 전송 트랜지스터는 광 다이오드(220a, 220b, 220c) 및 전하 저장소(230a, 230b, 230c)로부터 정보를 전달받을 수 있다.
반도체 기판(210)의 상부 또는 하부에는 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.
반도체 기판(210)과 광전변환소자(120) 사이에는 절연막(310)이 형성되어 있다. 절연막(310)은 유기, 무기 및/또는 유무기 절연물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질을 포함할 수 있다. 절연막(310)은 예컨대 투명 절연막일 수 있다. 절연막(310)은 전하 저장소(230a, 230b, 230c)를 드러내는 트렌치를 가진다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
광전변환소자(120) 위에는 집광 렌즈(330)가 형성되어 있다. 집광 렌즈(330)는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈(330)는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
집광 렌즈(330) 하부에는 평탄화막(320)이 형성되어 있다. 평탄화막(320)은 색 필터 층(110)의 단차를 제거하고 평탄화할 수 있다. 평탄화막(320)은 유기, 무기 및/또는 유무기 절연물질을 포함할 수 있다. 평탄화막(320)은 생략될 수 있다.
집광 렌즈(330) 상부에는 밴드패스 필터(bandpass filter)(340)가 구비되어 있다. 밴드패스 필터(340)는 소정 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있으며, 예컨대 가시광선 영역 및 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
일 예로, 밴드패스 필터(340)는 가시광선 전 영역 및 적외선 전 영역의 광을 투과시킬 수 있다.
일 예로, 밴드패스 필터(340)는 가시광선 전 영역 및 적외선 영역 중 근적외선 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
일 예로, 밴드패스 필터(340)는 가시광선 전 영역 및 적외선 영역 중 소정 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 여기서 적외선 영역 중 소정 파장 영역은 이미지 센서(300)의 용도에 따라 결정될 수 있으며, 일 예로 약 780nm 내지 1000nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 780nm 내지 900nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 780nm 내지 840nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 800nm 내지 830nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 805nm 내지 815nm의 파장 영역에 속할 수 있고 예컨대 약 810nm일 수 있으며, 다른 예로 예컨대 약 780nm 내지 1000nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 830nm 내지 1000nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 910nm 내지 970nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 930nm 내지 950nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 935nm 내지 945nm의 파장 영역에 속할 수 있고 상기 범위 내에서 예컨대 약 940nm일 수 있다.
도면에서는 밴드패스 필터(340)가 집광 렌즈(330) 상부에 위치한 구조를 예시적으로 도시하였지만, 밴드패스 필터(340)는 집광 렌즈(330)의 하부에 구비될 수도 있다.
본 구현예에 따른 이미지 센서는 가시광선 영역의 광을 흡수하여 광전변환하는 가시광 감지 소자와 적외선 영역의 광을 감지하는 적외광 감지 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 별도의 적외광 감지 화소의 추가 없이 저조도 환경하에서 고감도 이미지 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 가시광선 영역의 광을 흡수하여 광전변환하는 가시광 감지 소자와 적외선 영역의 광을 감지하는 적외광 감지 소자가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 늘리지 않고도 서로 다른 기능을 수행하는 센서를 포함한 복합 센서를 구현할 수 있으며, 예컨대 가시광 감지 소자를 이용한 이미지 센서와 적외광 감지 소자를 이용한 홍채 인식 센서(iris sensor) 또는 거리 센서(depth sensor)를 포함한 복합 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 가시광 감지 소자와 적외광 감지 소자가 적층된 구조를 가지면서 가시광 감지 소자가 수광면 측에 가깝게 배치된 구조를 가짐으로써 적외광 감지 소자에 의한 가시광 감지 소자의 영향 및/또는 가시광 감지 소자에 의한 적외광 감지 소자의 영향을 줄여 이미지 센서의 성능을 개선할 수 있다.
구체적으로, 만일 적외광 감지 소자가 가시광 감지 소자보다 수광면 측에 가깝게 배치된 구조, 예컨대 적외광 감지 소자가 광전변환소자이고 가시광 감지 소자가 반도체 기판에 집적된 광 다이오드인 경우, 광전변환소자의 광전변환층에 포함된 p형 반도체 및/또는 n형 반도체의 적어도 일부는 가시광선 영역의 광을 흡수하는 흡광 물질을 사용하는 것이 불가피하기 때문에, 그로 인해 광 다이오드로 유입되는 가시광선 영역의 광이 감소할 수 있다. 특히 광전변환층에 포함된 n형 반도체로서 플러렌 또는 플러렌 유도체를 사용하는 경우 플러렌 또는 플러렌 유도체의 청색 파장 영역의 흡광 특성으로 인해 광 다이오드로 유입되는 청색 파장 영역의 광이 감소하여 이미지 센서의 광학적 성능이 저하될 수 있다.
또한, 이러한 이미지 센서의 성능 저하를 방지하기 위하여 적외광 감지 소자의 가시광선 영역의 광을 흡수하는 흡광 물질의 함량을 줄이는 경우 적외광 감지 소자의 전기적 특성을 떨어뜨려 이미지 센서의 전기적 성능이 저하될 수 있다.
따라서 본 구현예에 따른 이미지 센서는 가시광 감지 소자가 수광면 측에 가깝게 배치된 구조를 가짐으로써 그 반대의 구조, 즉 적외광 감지 소자가 가시광 감지 소자보다 수광면 측에 가깝게 배치된 구조와 비교하여, 이미지 센서의 컬러 이미지 품질은 개선되고 적외광 신호의 구동 속도는 높아질 수 있다. 이에 따라 이미지 센서의 광학적 전기적 성능이 개선되어 고성능 이미지 센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 구현예에 따른 이미지 센서는 가시광 감지 소자로서 반도체 기판의 상부에 위치한 유기 광전변환층을 포함함으로써 실리콘(Si)과 같은 무기 반도체를 포함한 가시광 감지 소자를 포함한 구조와 비교하여 가시광 감지 소자의 두께를 크게 줄일 수 있고 광학 크로스토크(optical crosstalk)를 줄일 수 있다.
구체적으로, 만일 무기 반도체를 포함한 무기 가시광 감지 소자와 무기 반도체를 포함한 무기 적외광 감지 소자가 적층된 구조의 이미지 센서의 경우, 무기 반도체의 흡광계수(absorption coefficient)가 파장에 따라 크게 변하고 무기 반도체의 깊이에 따라 흡수하는 파장 영역이 상이하므로, 적색, 녹색 및 청색 파장 영역을 포함한 모든 가시광선 영역의 파장을 흡수하기 위해서는 약 4㎛ 이상의 매우 두꺼운 두께가 요구될 수 있다. 또한, 이러한 두꺼운 두께로 인해 따라 집광 렌즈, 무기 가시광 감지 소자 및 무기 적외광 감지 소자 사이의 간격이 커져서 집광 렌즈로부터 제어된 입사 광이 무기 가시광 감지 소자와 무기 적외광 감지 소자에 효과적으로 다다르지 못하여 광학 크로스토크가 발생할 수 있다. 이에 따라 이미지 센서의 성능이 저하될 수 있다.
이에 반해, 유기 광전변환층을 포함한 가시광 감지 소자는 약 1.5㎛ 이하, 예컨대 약 1㎛ 이하의 두께로 모든 가시광선 영역의 파장을 효과적으로 흡수할 수 있으므로 얇은 이미지 센서를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 광학 크로스토크를 줄여 고성능 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 7은 도 1의 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 가시광 감지 소자(100)와 적외광 감지 소자(200)를 포함하고, 가시광 감지 소자(100)는 하부 전극(121a, 121b, 121c), 상부 전극(122) 및 광전변환층(123)을 포함하는 광전변환소자(120); 및 색 필터(110a, 110b, 110c)를 포함하는 색 필터층(110)을 포함하고, 적외광 감지 소자(200)는 반도체 기판(210)에 집적된 광 다이오드(220a, 220b, 220c)를 포함한다. 또한, 본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 전하 저장소(230a, 230b, 230c), 절연막(310), 평탄화막(320), 집광 렌즈(330) 및 밴드패스 필터(340)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 달리, 반도체 기판(210)과 광전변환소자(120) 사이에 위치하는 가시광 차단막(350)을 더 포함한다.
가시광 차단막(350)은 가시광선 영역의 광을 흡수 및/또는 반사시켜 반도체 기판(210)의 광 다이오드(220a, 220b, 220c)로 여분의 가시광이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 가시광 차단막(350)은 예컨대 블랙 매트릭스(black matrix)라 불리우는 차광막일 수 있다.
가시광 차단막(350)은 반도체 기판(210)의 전면에 형성되어 있을 수도 있고 각 화소마다 광 다이오드(220a, 220b, 220c)에 대응되는 위치에 섬형으로 형성되어 있을 수도 있다.
도 8은 도 1의 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 가시광 감지 소자(100)와 적외광 감지 소자(200)를 포함하고, 가시광 감지 소자(100)는 하부 전극(121a, 121b, 121c), 상부 전극(122) 및 광전변환층(123)을 포함하는 광전변환소자(120); 및 색 필터(110a, 110b, 110c)를 포함하는 색 필터층(110)을 포함하고, 적외광 감지 소자(200)는 반도체 기판(210)에 집적된 광 다이오드(220a, 220b, 220c)를 포함한다. 또한, 본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 전하 저장소(230a, 230b, 230c), 절연막(310), 평탄화막(320), 집광 렌즈(330) 및 밴드패스 필터(340)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 전술한 구현예와 달리, 반도체 기판(210)과 광전변환소자(120) 사이에 위치하는 반투과막(360)을 더 포함한다.
반투과막(360)은 가시광선 영역의 광을 선택적으로 반사하고 적외선 영역의 광을 투과시킬 수 있으며 이에 따라 반도체 기판(210)의 광 다이오드(220a, 220b, 220c)로 여분의 가시광이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 반투과막(360)에 의해 반사된 가시광선 영역의 광은 광전변환소자(120)의 광전변환층(123)에 다시 흡수되어 광전변환소자(120)의 광 효율을 높일 수 있다.
반투과막(360)은 각 화소마다 광 다이오드(220a, 220b, 220c)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 반투과막(360)은 동일한 두께를 가질 수도 있고 각 화소마다 다른 두께를 가질 수 있다. 반투과막(360)의 두께가 각 화소마다 다른 경우, 각 화소에서의 반투과막(360)의 두께는 반사되는 가시광선 영역에 따라 결정될 수 있다. 예컨대 적색 화소에서의 반투과막(360)의 두께는 녹색 화소 및 청색 화소에서의 반투과막(360)의 두께보다 두꺼울 수 있으며, 녹색 화소에서의 반투과막(360)의 두께는 청색 화소에서의 반투과막(360)의 두께보다 두꺼울 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 적색 화소에서의 반투과막(360)은 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 반사하여 적색 화소의 광전변환층(123)에 다시 흡수될 수 있고 녹색 화소에서의 반투과막(360)은 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 반사하여 녹색 화소의 광전변환층(123)에 다시 흡수될 수 있고 청색 화소에서의 반투과막(360)은 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 반사하여 청색 화소의 광전변환층(123)에 다시 흡수될 수 있다. 이에 따라 광전변환소자(120)의 광 효율을 높일 수 있다.
반투과막(360)은 예컨대 분포된 브래그 반사(distributed Bragg reflection, DBR) 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 반투과막(360)은 예컨대 고굴절률막과 저굴절률막이 교대로 적층되어 있는 구조일 수 있으며, 고굴절률막의 굴절률은 예컨대 약 2.0 내지 2.8일 수 있고 저굴절률막의 굴절률은 예컨대 약 1.1 내지 1.8일 수 있으며, 예컨대 5개 내지 50개 층을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 고굴절률막 및 저굴절률막은 각각 독립적으로 산화물, 질화물 및/또는 산질화물을 포함할 수 있으며, 예컨대 고굴절률막은 산화티탄을 포함할 수 있고 저굴절률막은 산화규소를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 고굴절률막과 저굴절률막의 두께는 굴절률 및 반사 파장에 따라 결정될 수 있으며, 예컨대 각각 약 10nm 내지 300nm 일 수 있다.
상술한 이미지 센서는 각각 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 전자 장치는 예컨대 카메라, 캠코더, 이들을 내장한 모바일 폰, 디스플레이 장치, 보안 장치 또는 의료 장치 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 가시광 감지 소자 110: 색 필터층
110a, 110b, 110c: 색 필터 120: 광전변환소자
121a, 121b, 121c: 하부 전극 122: 상부 전극
123: 광전변환층 200: 적외광 감지 소자
210: 반도체 기판 220a, 220b, 220c: 광 다이오드
230a, 230b, 230c: 전하 저장소
310: 절연막 320: 평탄화막
330: 집광 렌즈 340: 밴드패스 필터
350: 가시광 차단막

Claims (22)

  1. 반도체 기판에 집적되어 있고 적외선 영역의 광을 감지하는 광 다이오드,
    상기 반도체 기판의 상부에 위치하고 가시광선 영역의 광을 감지하는 광전변환소자, 그리고
    상기 광전변환소자의 상부에 위치하는 복수의 색 필터
    를 포함하고,
    상기 광전변환소자는
    서로 마주하는 한 쌍의 전극, 그리고
    상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 광전변환층을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 광전변환층은 가시광선 전 영역의 광을 흡수하는 이미지 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 광전변환층은 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하고,
    상기 n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함하는 이미지 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 p형 반도체는 1종 이상을 포함하고,
    상기 1종 이상의 p형 반도체와 상기 n형 반도체를 조합하여 가시광선 전 영역의 광을 흡수하는 이미지 센서.
  5. 제3항에서,
    상기 p형 반도체와 상기 n형 반도체는 각각 적외선 영역의 광을 실질적으로 흡수하지 않는 이미지 센서.
  6. 제3항에서,
    상기 n형 반도체는 상기 p형 반도체와 같거나 그보다 많이 포함되어 있는 이미지 센서.
  7. 제1항에서,
    상기 광전변환층은 적어도 하나의 유기 물질을 포함하는 유기 광전변환층인 이미지 센서.
  8. 제1항에서,
    상기 복수의 색 필터는 각각 적색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 청색 파장 영역 중 적어도 하나와 적외선 영역의 광을 투과하는 이미지 센서.
  9. 제1항에서,
    상기 복수의 색 필터는 적색 필터, 청색 필터, 녹색 필터, 시안 필터, 마젠타 필터, 옐로우 필터 및 백색 필터에서 각각 독립적으로 선택되는 이미지 센서.
  10. 제1항에서,
    상기 색 필터의 800nm 내지 1000nm의 적외선 영역에서의 평균 광 투과도는 70% 이상인 이미지 센서.
  11. 제1항에서,
    상기 광 다이오드는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 0 내지 7000nm의 깊이 중 적어도 일부에 위치하는 이미지 센서.
  12. 제1항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 광전변환소자 사이에 위치하는 가시광 차단막을 더 포함하는 이미지 센서.
  13. 제1항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 광전변환소자 사이에 위치하는 반투과막을 더 포함하고,
    상기 반투과막은 가시광선 영역 중 적어도 일부를 선택적으로 반사하는
    이미지 센서.
  14. 제1항에서,
    상기 색 필터의 상부에 위치하고 가시광선 영역 및 적외선 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 밴드패스 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  15. 광의 입사 방향으로부터 색 필터, 유기 광전변환소자 및 무기 광 다이오드가 차례로 적층되어 있고,
    상기 유기 광전변환소자는 상기 색 필터를 통과한 가시광선 영역의 광을 광전 변환하고,
    상기 무기 광 다이오드는 적외선 영역의 광을 감지하는 이미지 센서.
  16. 제15항에서,
    상기 색 필터와 상기 유기 광전변환소자는 반도체 기판의 상부에 위치하고,
    상기 무기 광 다이오드는 상기 반도체 기판의 내부에 집적되어 있는
    이미지 센서.
  17. 제16항에서,
    상기 무기 광 다이오드는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 0 내지 7000nm의 깊이 중 적어도 일부에 위치하는 이미지 센서.
  18. 제15항에서,
    상기 유기 광전변환소자는
    서로 마주하는 한 쌍의 전극, 그리고
    상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하고 가시광선 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 유기 광전변환층을 포함하는 이미지 센서.
  19. 제18항에서,
    상기 유기 광전변환층은 유기 흡광 물질과 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함하는 이미지 센서.
  20. 제18항에서,
    상기 유기 광전변환층은 가시광선 전영역의 광을 흡수하는 이미지 센서.
  21. 제15항에서,
    상기 색 필터는 적색 필터, 청색 필터, 녹색 필터, 시안 필터, 마젠타 필터, 옐로우 필터 및 백색 필터에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.



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