KR20200097330A - 화상 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기 물질로 이루어진 광다이오드(OPD)와 비-유기 기술의 판독 회로의 어레이를 구비하는 화상 센서(10)에 관한다.

Description

화상 센서
본 특허 출원은 본원에 참조로서 포함되는 프랑스 특허 출원 17/62783호를 우선권으로 주장한다.
본 명세서는 화상 센서 또는 전자 이미저(imager)에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 명세서는 유기 광검출기를 구비하는 장치에 관한 것이다.
화상 센서는 많은 분야에서 사용되며, 특히 소형화에 의한 전자 장치에 사용된다. 화상 센서는 촬상 응용 뿐만아니라 맨-머신 인터페이스(man-machine interface) 응용에서도 발견될 수 있다.
본 명세서는 더 상세하게는 유기 물질로 이루어진 광검출기로 형성된 화상 센서에 관한 것이다.
유기 물질로 이루어진 광검출기의 일 예가 미국 특허 US-B-9,417,731호 공보에 기재되어 있다.
공보 US 2015/060775호에는 이중 전자 차단층을 갖는 유기 광다이오드가 기재되어 있다.
공보 US 2009/090903에는 티오펜 유도체를 갖는 CMOS 화상 센서가 기재되어 있다.
공보 WO 99/39372호에는 유기 반도체로부터 형성된 화상 센서가 기재되어 있다.
일 실시형태는 유기 물질로 이루어진 광검출기를 포함하고 있는 화상 센서의 단점의 전부 또는 일부를 극복한다.
일 실시형태는 전체 화상 센서를 위한 유기 기술의 사용을 피하는 해결책을 제공한다.
따라서, 일 실시형태는 유기 물질로 이루어진 광다이오드와 비-유기 기술의 판독 회로의 어레이를 구비하는 화상 센서를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 판독 회로는 CMOS 기술이다.
일 실시형태에 따르면, 각 광다이오드는 전기적-절연성 물질로 이루어진 스페이서에 의하여 옆 광다이오드들로부터 분리된다.
일 실시형태에 따르면, 스페이서는 투명 물질로 이루어져 있다.
일 실시형태에 따르면, 스페이서는 광에 불투명이다.
일 실시형태에 따르면, 스페이서는 광을 흡수한다.
일 실시형태에 따르면, 각 광다이오드는 관련된 판독 회로의 화소 또는 서브-화소의 크기를 갖는 제1 전극을 구비한다.
일 실시형태에 따르면, 제1 전극은 판독 회로의 제1 트랜지스터의 게이트에 접속된다.
일 실시형태에 따르면, 제1 전극은 하나 또는 복수의 부가 트랜지스터를 통하여 판독 회로의 제1 트랜지스터의 게이트에 연결된다.
일 실시형태에 따르면, 광다이오드의 제2 전극은 복수의 판독 회로에 공통이다.
일 실시형태에 따르면, 제2 전극은 투명 유기 도전층으로 형성된다.
일 실시형태에 따르면, 각 화소 또는 서브-화소는 약 50㎛ 변 길이를 갖는 정사각형 내에서 내접된다.
일 실시형태에 따르면, 화소 또는 서브-화소는 5㎛보다 작은 크기 만큼 측면으로 떨어져 있다.
일 실시형태에 따르면, 제2 전극은 반투명 보호층으로 덮혀 있다.
앞에서 기재한 특징 및 장점 뿐만 아니라, 다른 특징 및 장점이, 동봉된 도면을 참조하여, 설명을 위하여 제공된 것으로 그것으로 한정되지 않는 특정 실시형태에 대한 이하의 기재에서 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 화상 센서의 일 실시형태를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 화상 센서의 일 실시형태의 단면도이다.
도 3은 도 2의 화상 센서의 단순화된 상면도이다.
도 4는 3개의 트랜지스터를 갖는 CMOS 판독 회로의 단순화된 전기 다이어그램을 보여준다.
도 5는 유기 광다이오드의 층의 일 예를 매우 개략적으로 보여준다.
동일한 소자는 각 도면에서 동일한 참조번호로 지정된다.
명확성을 위하여, 기재될 실시형태의 이해에 유용한 단계들과 소자들만을 도시하여 설명할 것이다. 특히, 화상 센서의 작동은 상세하게 설명되지 않을 것이며, 기재된 실시형태는 일반적인 센서와 양립가능하며, 그들은 순수 화상 센서들이거나 또는 디스플레이를 통합하고 있는 센서들이다. 또한, 화상 센서를 통합하고 있는 전자 장치의 다른 구성부품은 어느 것도 상세히 설명되지 않으며, 기재된 실시형태는 화상 센서 활용을 갖는 전자 장치의 일반적인 다른 구성부품과 양립가능하다.
달리 명시되지 않았다면, 두 개의 소자가 서로 접속되어 있다라고 할 때, 이것은 도전체 이외의 어떤 중간 소자없이 직접 접속되어 있음을 의미하며, 두 개의 소자가 서로 연결되어 있다라고 할 때, 이것은 이 두 개의 소자가 접속될 수도 있고, 또는 하나 이상의 다른 소자를 통하여 연결될 수도 있음을 의미한다.
이하의 설명에 있어서, 용어 "약", "거의" 및 "의 정도"가 언급되는 경우에는, 이것은 10% 내에, 바람직하게는 5% 내에 있음을 의미한다.
또한, 이하의 설명에 있어서, 용어 "높은", "낮은", "왼쪽", "오른쪽", 등과 같은 절대 위치, 또는 용어 "위에", "아래에", "보다 위", "보다 아래" 등과 같은 상대 위치를 부여하는 용어, 또는 용어 "수평의", "수직의" 등과 같은 방향을 부여하는 용어가 언급될 때에는, 특별한 언급이 없는 한은, 도면의 방향이 언급될 것이다.
도 1은 화상 센서(10)의 일 예를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
센서(10)는 포톤 센서, 또는 광검출기(12)의 조립체, 예를 들어 광검출기 어레이를 구비한다. 이 예에서, 광검출기(12)는 평탄한 표면 상에 배치된다. 그러나, 광검출기(12)가 비-평탄 표면에 배치되는 실시형태가 제공될 수도 있다. 광검출기 어레이(12)는, 투명 또는 반투명 코팅(14), 예를 들어 유리 플레이트, 플라스틱 코팅, 원자 모노층의 연속적인 증착 또는 하나 또는 복수의 다른 패시베이션층의 증착을 사용함에 의한 증착물로 덮혀 있을 수 있다. 광검출기 어레이(12)는 광검출기에 의하여 포착된 신호를 측정하기 위하여, 판독 회로(16) 어레이와 연관되어 있다. 판독 회로는, 대응하는 광검출기에 의하여 정의된 화소 또는 서브-화소를 판독하고, 어드레싱(addressing)하고, 제어하기 위한 트랜지스터의 조립체를 의미한다. 그런 회로는 화소 어레이 또는 네트워크와 동일한 실리콘 표면에 통합될 수 있거나, 또는 화소 어레이와 연관된 전자 회로의 조립체 또는 회로일 수 있다.
어레이(12)에 사용된 광검출기의 존재와 있을 수도 있는 필터의 존재에 따르면, 장치(10)는 새도우, 적외 화상, 흑백 화상, 컬러 화상(RGB) 등을 촬상할 수 있다.
화상 센서(10)는 또한 상호 인터페이스를 형성하기 위하여, 디스플레이와 연관될 수 있다.
이후에 기재되는 실시형태는, 결합되는 것을 포함하여, 이 모든 응용에 적용된다.
유기 센서는, 일반적으로, 제1 방향을 따라서 스트립(strip)을 형성하는 제1 전극과, 제2 방향을 따라서 스트립을 형성하는 제2 전극과, 그들 사이에 있는 활성 물질과 함께 배치되어 있다. 센서의 각 화소는, 전극 스트립들 사이의 교차 지점에 유기 물질로 이루어진 광검출기 소자를 구비한다. 전극을 가로지르는 신호를 해석하는 회로는, 일반적으로 화소 어레이의 평면 외부에 있다.
도 2는 화상 센서(10)의 일 실시형태의 부분 단면도이다.
도 3은 유기 소자(10)의 레벨에서의, 도 2의 화상 센서의 단순화된 상면도이다.
기재된 실시형태에 따르면, 반도체 기판 상의 CMOS 기술에 있어서, 광검출기 또는 유기 광다이오드(OPD)와 비-유기 판독 회로를 연관시켜 화상 센서를 형성하도록 제공된다. 더 상세하게는, 유기 광다이오드(OPD)의 어레이를 CMOS 판독 회로 어레이 또는 CMOS 화소 상에 적층하도록 제공되며, 각 광다이오드는 화상 센서의 화소(21) 또는 서브-화소의 검출 소자를 형성한다.
화소와 관련하여 이후에 설명될 모든 것은 좀 더 일반적으로는 서브-화소에 적용되며, 특히, 일반적으로 4개의 서브-화소로 형성된 각 화소를 갖는 컬러 화상 센서용 서브-화소에 적용된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 각 광다이오드는 스페이서(23)에 의해서 인접하는 광다이오드와 분리되어 있다. 따라서, 스페이서(23)는 그들 서로를 전기적으로 절연하도록 하여 광다이오드의 활성 영역을 한정한다. 따라서, 스페이서(23)는 전기적-절연성 물질로 이루어져 있다.
또한, 하나 이상의 전극층(일반적으로 캐소드층(25))이 대응하는 화소의 CMOS 회로(27)와 수직하게 일직선인 광다이오드의 캐소드를 정의하도록 구조화(화소화(pixelated))되어 있다. 다른 전극(애노드(29))도 또한 화소화될 수 있으나, 변형으로서 스트립을 형성할 수 있다. 그러나, 애노드가 화소화되어 있는 경우에, 애노드 전극은 적어도 제1 방향에서 상호접속되어 있어서 그들의 바이어싱(biasing)을 허용한다.
CMOS 회로 또는 화소는 매우 개략적으로 도시되어 있으며, 그들 제조는 통상적으로, 기재된 실시형태는, 실리콘 기판 또는, 비-유기, 반도체 및 도체 물질에 기초하는, 다른 기판 상에 형성된, 통상의 CMOS 회로와 양립할 수 있다. 트랜지스터의 금속 상호접속 레벨(31)이 도 2에 나타내어져 있다.
일 실시형태에 따르면, 스페이서(23)는 투명 물질로 이루어져 있다.
다른 실시형태에 따르면, 스페이서(23)는 바람직하게는 불투명 및/또는 광-흡수 물질로 이루어져 있다. 이것은 한 화소에서 다음 화소로의 광 누출을 피할 수 있음과 동시에 서로 근접한 화소를 갖는 CMOS 이미저의 그래뉼라리티(granularity)의 장점을 얻을 수 있게 한다. 실제로, 실리콘 상의 CMOS 센서의 화소는, 예로서, 약 50㎛ 변 길이를 가지며, 5㎛보다 작은 크기 만큼 서로 거리를 두고 있다. 지금, 유기 광다이오드의 활성층의 두께는 일반적으로 수 ㎛이고, 따라서 두 화소 사이의 간격과 동일한 정도의 크기이다. 스페이서를 불투명하게 또는 흡수성으로 만드는 것은 화소들 사이에서의 광 간섭을 회피하여서 화상 센서의 선명도를 개선한다.
특정 실시형태로서, 스페이서(23)가 수지, 플루오린-계 수지, 또는 폴리이미드 또는 파릴렌 또는 다른 절연 물질 기반 수지로 이루어진다.
도 4는 유기 광다이오드(OPD)와 연관된, 3개의 트랜지스터를 갖는 CMOS 판독 회로 또는 화소(27)의 단순화된 전기 다이어그램을 보여준다.
판독 회로(27)는 DC 전압(VDD) 인가의 두 단자(45 및 47) 사이에서, MOS 선택 트랜지스터(43)와 직렬로 되어 있는, MOS 검출 트랜지스터(41)를 구비한다. 트랜지스터(43)의 게이트는 화소 선택 신호(SEL)를 수신하기 위한 것이다. 트랜지스터(41)의 게이트(49)는 CMOS 회로의 입력 단자를 규정한다. 게이트(49)는, MOS 리셋 트랜지스터(51)에 의하여, 리셋 전위(VR)의 인가 단자에 연결된다. 트랜지스터(51)의 게이트는 화소 리셋 제어 신호(R)(검출 트랜지스터(41)의 게이트(49)를 방전하기 위한)를 수신하기 위한 것이다.
트랜지스터(41)의 게이트(49)는 고려되는 화소의 유기 광다이오드(OPD)의 캐소드 전극(25)에 연결된다. 광다이오드(OPD)의 애노드 전극(29)은 고정 전위(미도시) 또는 접지에 연결되지만, 다른 전위로 얻어지게 주문될 수도 있다.
CMOS 판독 회로의 작동은 공지되어 있으며 기재된 실시형태에 의하여 변형되지 않는다. 또한, 전송 트랜지스터가 광다이오드(OPD)의 캐소드(25)와 검출 트랜지스터(41)의 게이트(49) 사이에 끼워져 있는 4개의 트랜지스터(4T)를 갖는 CMOS 판독 트랜지스터, 또는 캐소드(25)와 트랜지스터(49)의 게이트 사이에 복수의 부가 트랜지스터를 갖는 4개 보다 많은 트랜지스터를 갖는 CMOS 판독 트랜지스터도 사용될 수 있다.
도 5는 유기 광다이오드의 층들의 예를 매우 개략적으로 나타내고 있다.
이 예에서, 각 유기 광다이오드(OPD)는, CMOS 회로에 접속된 캐소드 전극(25)부터 다음의 순서로,
짙게-도핑된 유기 반도체 폴리머로 이루어진 층(61)(정공 도너(hole donor)층)과,
유기 반도체 폴리머, 예를 들어 P3HT로 알려진, 폴리(3-헥실티오펜) 또는 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(P-타입 반도체), 또는 PCBM으로 알려진 [6,6]-페닐-C61-메틸부타노에이트(N-타입 반도체)로 이루어진 층(63)과,
짙게-도핑된 투명 유기 반도체 폴리머의 층(65)(전자 도너층)으로서, 예를 들어, Pedot-PPS로 알려져 있는, 폴리(3,4)-에틸렌에디옥시티오펜 및 소듐 폴리스티렌 술포네이트의 혼합물인,폴리머의 층과,
투명층(67)으로서, 예를 들어, 인듐-주석 산화물(ITO), Pedot-PSS, 또는, 예를 들어 도전성 나노와이어, 그라핀, 또는 도전성 또는 반도체 나노파티클 기반의 투명 도전성 유기 물질로 이루어진 투명층
의 적층을 구비한다.
캐소드 전극(25)은, 예를 들어 알루미늄, 은, ITO, 몰리부덴 탄탈륨(MoTa), 텅스텐, 크롬, Pedot-PSS, 또는 다른 금속 또는 도전성 또는 반도체 유기 물질로 이루어져 있다.
층(61 및 65)은, PN 접합과 유사한, 활성 영역(63)과 캐소드 및 애노드 전극 사이의 일함수를 조정하는 기능을 각각 갖는다.
따라서, 다른 층의 일함수에 따라서, 층(67) 또는 층(65)은 직접 애노드(29)를 형성할 수도 있다.
유사하게, 층(25)의 일함수에 따라서, 층(61)은 생략될 수 있다.
유기 광다이오드 제조 기술은, 예를 들어 미국 특허 공부 US-B-9,417,731에 기재되어 있다.
기재된 실시형태의 장점은 실리콘 또는 다른 비-유기 반도체 기판 상에 CMOS 반도체 판독 회로를 제조하는 기술과 유기 광다이오드 제조 기술을 결합할 수 있게 한다는 것이다.
다른 장점은, 유기 광다이오드를 위한 허용 파장 및 비-유기 CMOS 센서의 해상도를 고려하여, 적외선(약1,400㎚) 또는 근적외선(약 940㎚) 센서를 형성하는 것을 가능하게 한다.
기재된 실시형태의 다른 장점은 수행된 화소화가 애노드 측에서의 마이크로렌즈의 부가와 양립할 수 있다는 점이다.
기재된 바와 같은 화상 센서 또는 이미저의 응용 중에서, 시선 트래킹 장치, 안면 인식, 지문 센서, 야시 장비(night vision device), 카메라 등이 주목되고 있다.
다양한 실시형태가 설명되었다. 많은 변형이 당업자에게 나타날 것이다. 특히, 층(61, 63 및 65)을 형성하는 물질의 선택은 그 응용에 의존되며, 특히 검출하고자 하는 파장에 의존된다. 또한, 반사 물질이 캐소드(25)에 제공될 수 있어서 광다이오드의 감도를 개선시킨다. 특히, 금, 또는 텅스텐과 몰리부덴의 합금이 제공될 수 있다. 또한, 기재된 실시형태의 현실적 구현은 앞에서 제공된 기능적 지시에 기초하여 당업자의 능력 내에 있다.

Claims (14)

  1. 유기 물질로 이루어진 광다이오드(OPD)와 비-유기 기술의 판독 회로의 어레이를 구비하는 화상 센서(10).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판독 회로는 CMOS 기술로 만들어진 화상 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 상기 광다이오드(OPD)는, 전기적-절연 물질로 이루어진 스페이서(23)에 의하여 옆의 광다이오드들로부터 분리되어 있는 화상 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서(23)는 투명 물질로 이루어져 있는 화상 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 스페이서(23)는 광에 불투명인 화상 센서.
  6. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 스페이서(23)는 광을 흡수하는 화상 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 광다이오드(OPD)는, 연관된 상기 판독 회로의 화소 또는 서브-화소의 크기를 갖는 제1 전극(25)을 구비하는 화상 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극(25)은 상기 판독 회로(27)의 제1 트랜지스터(41)의 게이트(49)에 접속되어 있는 화상 센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극은, 하나 또는 복수의 부가 트랜지스터를 통하여 상기 판독 회로(27)의 제1 트랜지스터(41)의 게이트(49)에 연결되어 있는 화상 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광다이오드(OPD)의 제2 전극(29)은 복수의 판독 회로(27)에 공통인 화상 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극은 반투명한 보호층(14)으로 덮혀 있는 화상 센서.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제2 전극(29)은 투명 유기 도전층으로 형성되는 화상 센서.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 화소 또는 서브-화소는 50㎛ 보다 작은 변 길이를 갖는 정사각형 내에서 내접되는 화상 센서.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 화소 또는 서브-화소는 5㎛보다 적은 크기 만큼 측면으로 떨어져 있는 화상 센서.
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