KR20210137811A - 센서 및 전자 장치 - Google Patents

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KR20210137811A
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sensor
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박경배
박성준
방비비
윤성영
임선정
허철준
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삼성전자주식회사
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Abstract

제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 상기 제1 전극과의 쇼트키 접합을 형성하는 광 활성층을 포함하고, 상기 광 활성층은 상기 제1 전극에 인접한 위치에 상기 흡광 반도체의 광 흡수에 의해 생성된 광생성 전하들을 포획할 수 있는 전하 트랩 사이트를 가지며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가된 바이어스에 따라 외부양자효율(EQE)을 조절할 수 있는 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.

Description

센서 및 전자 장치{SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE}
센서 및 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.
일 구현예는 효율 및 감도를 개선할 수 있는 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 상기 제1 전극과의 쇼트키 접합(schottky junction)을 형성하는 흡광 반도체를 포함하는 광 활성층을 포함하고, 상기 광 활성층은 상기 제1 전극에 인접한 위치에 상기 흡광 반도체의 광 흡수에 의해 생성된 광생성 전하들(photo-generated charges)을 포획할 수 있는 전하 트랩 사이트를 가지며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가된 바이어스에 따라 외부양자효율(EQE)을 조절할 수 있는 센서를 제공한다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 바이어스가 커질수록 상기 센서의 외부양자효율(EQE)은 높아질 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가되는 전계는 0 초과 약 0.5MV/㎝일 수 있다.
상기 센서의 외부양자효율(EQE)은 100%를 초과할 수 있다.
상기 흡광 반도체는 p형 비폴리머 반도체 및 n형 비폴리머 반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 활성층은 상기 p형 비폴리머 반도체 및 상기 n형 비폴리머 반도체 중 어느 하나로 이루어진 단일 연속 상을 형성할 수 있다.
상기 p형 비폴리머 반도체는 분자량 약 5000 이하의 p형 단량체일 수 있고, 상기 n형 비폴리머 반도체는 분자량 약 5000 이하의 n형 단량체일 수 있다.
상기 p형 단량체는 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결 모이어티 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 유기 반도체일 수 있다.
상기 흡광 반도체는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 파장 영역 중 적어도 하나의 파장 영역의 광을 흡수할 수 있다.
상기 흡광 반도체는 상기 광 활성층의 총 부피에 대하여 약 90 내지 100%로 포함될 수 있다.
상기 광 활성층의 두께는 약 100nm 초과 3㎛ 이하일 수 있다.
상기 광 활성층은 상기 제1 전극에 가까운 제1 표면, 그리고 상기 제1 표면에 마주하고 상기 제2 전극에 가까운 제2 표면을 가질 수 있고, 상기 광 활성층의 제1 표면의 표면 거칠기는 약 10nm 미만일 수 있다.
상기 전하 트랩 사이트는 상기 광 활성층의 제1 표면으로부터 상기 광 활성층의 총 두께의 약 50% 이내의 위치에 존재할 수 있다.
상기 광생성 전하들은 상기 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘(interfacial band bending)을 유도하는 스위칭 역할을 할 수 있고, 상기 바이어스에 의해 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전하들이 이동할 수 있으며, 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 이동하는 전하들은 상기 광생성 전하들보다 많을 수 있다.
상기 센서는 상기 광 활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기 센서는 반도체 기판을 더 포함할 수 있고, 상기 반도체 기판은 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되어 있는 전하 저장소를 포함할 수 있다.
상기 센서는 상기 반도체 기판 위에서 상기 광 활성층과 중첩하게 위치하는 색 필터 층을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판은 광 다이오드를 더 포함할 수 있다.
상기 흡광 반도체는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중에서 선택된 제1 파장 영역의 광을 흡수할 수 있고, 상기 광 다이오드는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중에서 선택되는 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 다이오드를 포함할 수 있으며, 상기 제1 파장 영역과 상기 제2 파장 영역은 서로 다를 수 있다.
상기 광 다이오드는 상기 반도체 기판 내에서 상기 제1 광 다이오드와 적층되어 있는 제2 광 다이오드를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 광 다이오드는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중에서 선택되는 제3 파장 영역의 광을 감지할 수 있으며, 상기 제3 파장 영역은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 각각 다를 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 제1 전극; 흡광 반도체를 포함하는 광 활성층; 그리고 제2 전극을 포함하는 센서의 동작 방법으로서, 상기 광 활성층에서 빛을 흡수하여 광생성 전하들을 생성하는 단계, 상기 광생성 전하들을 상기 광 활성층 내에 위치한 전하 트랩 사이트에서 포획하는 단계, 상기 포획된 광생성 전하들에 의해 상기 제1 전극과 상기 광 활성층 사이에 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘(interfacial band bending)을 유도하는 단계, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 바이어스를 인가하고 상기 바이어스에 의해 상기 제1 전극으로부터 상기 광 활성층을 통해 상기 제2 전극으로 전하들을 전달하는 단계, 그리고 상기 제2 전극에 전달된 전기적 신호를 읽는 단계를 포함하는 센서의 동작 방법을 제공한다.
상기 빛의 흡수에 의해 발생된 광생성 전하들은 상기 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도하는 스위칭 역할을 할 수 있고, 상기 제2 전극에 전달된 전하들은 상기 광생성 전하들보다 많을 수 있다.
상기 제2 전극에 전달된 전기적 신호는 상기 광생성 전하들에 의한 전기적 신호를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 바이어스를 인가하는 단계는 0 초과 약 0.5MV/㎝의 바이어스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 센서의 외부양자효율(EQE)은 약 100%를 초과할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 센서를 포함하는 카메라 모듈을 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 센서 또는 상기 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치를 제공한다.
센서의 효율 및 감도를 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 소자의 일 예를 개략적으로 보여주는 단면도이고,
도 2는 도 1의 소자의 일 예에 따른 에너지 다이아그램이고,
도 3은 일 구현예에 따른 소자의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일
예를 보여주는 평면도이고,
도 6은 도 5의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 7은 도 5의 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 8은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 평면도이고,
도 9는 도 8의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 10은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 평면도이고,
도 11은 도 10의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 13은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 14는 일 구현예에 따른 전자 장치의 개략적인 다이아그램이고,
도 15는 실시예 1과 참고예 1에 따른 소자의 전계에 따른 외부양자효율(EQE)의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16은 실시예 2와 참고예 2에 따른 소자의 전계에 따른 외부양자효율(EQE)의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 17은 실시예 1에 따른 소자의 파장에 따른 외부양자효율(EQE)을 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 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 센서의 상부가 수광면(light-receiving side)으로 설명하지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 위치 관계를 한정하는 것은 아니다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자, 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 실릴기, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, '헤테로'란, N, O, S, Se, Te, Si 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1개 내지 4개 함유한 것을 의미한다.
이하에서 ‘조합’이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하에서, 별도의 정의가 없는 한, 에너지 준위(energy level)는 최고점유분자궤도(highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지 준위 또는 최저비점유분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 에너지 준위이다.
이하에서, 별도의 정의가 없는 한, 일 함수(workfunction) 또는 에너지 준위는 진공 레벨(vacuum level)로부터의 절대값으로 표시된다. 또한 일 함수 또는 에너지 준위가 깊다, 높다 또는 크다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 큰 것을 의미하고 일 함수 또는 에너지 준위가 얕다, 낮다 또는 작다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 작은 것을 의미한다.
이하 일 구현예에 따른 소자를 설명한다.
일 구현예에 따른 소자는 예컨대 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 광 활성층(photo-active layer)을 포함할 수 있고, 광 활성층은 예컨대 광 전기 물질(opto-electronic material)을 포함할 수 있다. 광 전기 물질은 예컨대 빛을 받아 전기적 특성을 나타내는 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 구현예에 따른 소자는 소자는 예컨대 광전변환소자, 광 센서 또는 광 검출기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 따른 소자는 예컨대 적어도 하나의 유기 물질을 포함하는 유기 소자일 수 있으며, 예컨대 적어도 하나의 유기 물질을 포함하는 유기 다이오드(organic diode)일 수 있다.
일 구현예에 따른 소자는 소자는 예컨대 바이어스(bias) 하에서 쇼트키 접합(schottky junction)을 형성하는 쇼트키 다이오드(schottky diode)일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 소자의 일 예를 개략적으로 보여주는 단면도이고, 도 2는 도 1의 소자의 일 예에 따른 에너지 다이아그램이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 소자(100)는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 그리고 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 광 활성층(photo-active layer)(30)을 포함한다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 예컨대 제1 전극(10)은 애노드이고 제2 전극(20)은 캐소드일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 캐소드이고 제2 전극(20)은 애노드일 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있다. 투명 전극은 약 80% 이상의 투과율을 가질 수 있고 예컨대 약 85% 이상, 약 88% 이상 또는 약 90% 이상의 투과율을 가질 수 있다. 투명 전극은 예컨대 산화물 도전체, 탄소 도전체 및 금속 박막 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 산화물 도전체는 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 주석 산화물(zinc tin oxide, ZTO), 알루미늄 주석 산화물(Aluminum tin oxide, ATO) 및 알루미늄 아연 산화물(Aluminum zinc oxide, AZO)에서 선택된 하나 이상일 수 있고, 탄소 도전체는 그래핀 및 탄소나노체에서 선택된 하나 이상일 수 있고, 금속 박막은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 은(Ag), 금(Au), 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함한 매우 얇은 박막일 수 있다. 수광 전극(light-receiving electrode)은 투명 전극일 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 반사 전극일 수 있다. 반사 전극은 예컨대 약 10% 미만의 광 투과도 또는 약 5% 이상의 높은 반사율을 가질 수 있다. 반사 전극은 금속과 같은 반사 도전체를 포함할 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 각각 투명 전극일 수 있다. 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 수광 전극일 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)은 투명 전극이고 제2 전극(20)은 반사 전극일 수 있다. 제1 전극(10)은 수광 전극일 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)은 반사 전극이고 제2 전극(20)은 투명 전극일 수 있다. 제2 전극(20)은 수광 전극일 수 있다.
광 활성층(30)은 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치할 수 있다.
광 활성층(30)은 광을 흡수하여 광 생성 전하(photogenerated charge carriers)를 생성할 수 있다. 광은 예컨대 청색 파장 영역의 광(이하 ‘청색 광’이라 한다), 녹색 파장 영역의 광(이하 ‘녹색 광’이라 한다), 적색 파장 영역의 광(이하 ‘적색 광’이라 한다) 및 적외선 파장 영역의 광(이하 ‘적외 광’이라 한다) 중 적어도 일부일 수 있다.
일 예로, 광 활성층(30)은 청색 광, 녹색 광, 적색 광 및 적외 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수할 수 있다. 여기서 청색 광, 녹색 광, 적색 광 및 적외 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수한다는 것은 흡광 스펙트럼의 피크 흡수 파장(λmax)이 약 380nm 이상 500nm 미만(청색 광), 약 500 내지 600nm(녹색 광), 약 600nm 초과 700nm 이하(적색 광) 및 약 700nm 초과 내지 3000nm 이하(적외 광)의 파장 영역 중 어느 하나에 존재하고 해당 파장 영역 내의 흡광 스펙트럼이 그 외 파장 영역의 흡광 스펙트럼보다 현저히 높은 것을 의미한다. 여기서 현저히 높은 것은 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상 또는 약 95% 이상을 의미할 수 있다.
일 예로, 광 활성층(30)은 청색 광, 녹색 광, 적색 광 및 적외 광 중 적어도 둘을 흡수할 수 있으며, 예컨대 청색 광, 녹색 광 및 적색 광을 흡수할 수 있다.
광 활성층(30)은 전술한 흡광 특성을 가진 흡광 반도체를 포함할 수 있다. 흡광 반도체는 전술한 흡광 특성을 가지는 p형 반도체 및 n형 반도체 중 어느 하나일 수 있고, p형 반도체 또는 n형 반도체는 제1 전극(10)과의 쇼트키 접합(schottky junction)을 형성할 수 있다. 쇼트키 접합은 전극과 p형 반도체 또는 전극과 n형 반도체 사이에서 형성되므로, pn 접합과 달리 p형 반도체와 n형 반도체를 함께 포함하지 않는다. p형 반도체는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있으며, n형 반도체는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
흡광 반도체는 예컨대 전술한 흡광 특성을 가지는 p형 또는 n형의 비폴리머 반도체(non-polymeric semiconductor)일 수 있으며, p형 또는 n형의 비폴리머 반도체는 예컨대 p형 또는 n형의 무기 반도체, p형 또는 n형의 유무기 반도체, p형 또는 n형의 비폴리머 유기 반도체(저분자 반도체) 또는 이들의 조합일 수 있다. 예컨대 p형 또는 n형의 무기 반도체, p형 또는 n형의 유무기 반도체, p형 또는 n형의 비폴리머 유기 반도체(저분자 반도체)는 청색 광, 녹색 광, 적색 광 및 적외 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 파장 선택성 흡광 물질일 수 있다.
p형 또는 n형의 비폴리머 반도체는 분자들의 정렬(arrangement), 배향(alignment) 및/또는 스태킹(stacking)과 같은 분자들 자체의 구조(conformation)에 의해 의도적으로 또는 비의도적으로 후술하는 전하 트랩 사이트(charge carrier trapping site)(30a)를 형성할 수 있다.
일 예로, 흡광 반도체는 p형 무기 반도체, p형 유무기 반도체, p형 저분자 반도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. p형 저분자 반도체는 예컨대 p형 단량체(p-type monomer)일 수 있으며, 예컨대 약 5000 이하, 약 4000 이하 또는 약 3000 이하의 분자량을 가진 p형 단량체일 수 있다.
일 예로, 흡광 반도체는 n형 무기 반도체, n형 유무기 반도체, n형 저분자 반도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. n형 저분자 반도체는 예컨대 n형 단량체(n-type monomer)일 수 있으며, 예컨대 약 5000 이하, 약 4000 이하 또는 약 3000 이하의 분자량을 가진 n형 단량체일 수 있다.
일 예로, p형 단량체는 전자 공여 모이어티(electron-donating moiety), 파이 공액 연결기(π-conjugated linking group) 및 전자 수용 모이어티(electron-accepting moiety)를 포함하는 코어 구조를 가질 수 있다.
일 예로, p형 저분자 반도체는 예컨대 하기 화학식 A로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 A]
EDM - LM - EAM
상기 화학식 A에서,
LM은 파이 공액 연결기로서, O, S, Se, Te 및 Si 중 적어도 하나를 가지는 C2 내지 C30 헤테로고리기일 수 있고,
EDM은 전자 공여 모이어티일 수 있고,
EAM은 전자 수용 모이어티일 수 있다.
일 예로, 화학식 A로 표현되는 p형 단량체는 녹색 광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 예컨대 하기 화학식 A-1로 표현될 수 있다.
[화학식 A-1]
Figure pat00001
상기 화학식 A-1에서,
X는 O, S, Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 일 수 있고,
Ar은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기일 수 있고,
R1a 내지 R3a, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기 또는 이들의 조합일 수 있고,
R1a 내지 R3a와 Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 존재하거나 인접한 2개가 서로 결합되어 융합 고리를 형성할 수 있다.
일 예로, 화학식 A-1에서, Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
일 예로, 화학식 A-1의 Ar1a 및 Ar2a는 서로 융합되어 고리를 형성할 수 있고, Ar1a 및 Ar2a는 예컨대 단일 결합, -(CRgRh)n2- (n2는 1 또는 2), -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나로 연결되어 고리를 형성할 수 있다. 여기서 Rg 내지 Rm은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐, 시아노기 또는 이들의 조합일 수 있다.
일 예로, 화학식 A-1의 R1a와 Ar1a는 서로 융합되어 고리를 형성할 수 있고, 예컨대 단일 결합, -(CRgRh)n2- (n2는 1 또는 2), -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나로 연결되어 고리를 형성할 수 있다. 여기서 Rg 내지 Rm은 전술한 바와 같다.
일 예로, 화학식 A-1로 표현되는 p형 단량체는 예컨대 하기 화학식 A-2 내지 A-7 중 어느 하나로 표현될 수 있다.
[화학식 A-2] [화학식 A-3]
Figure pat00002
Figure pat00003
[화학식 A-4] [화학식 A-5]
Figure pat00004
Figure pat00005
[화학식 A-6] [화학식 A-7]
Figure pat00006
Figure pat00007
상기 화학식 A-2 내지 A-7에서,
X와 R1a 내지 R3a는 전술한 바와 같고,
Ar3는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있고,
G는 단일 결합, -(CRgRh)n2- (n2는 1 또는 2), -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRi-, -SiRjRk- 또는 -GeRlRm- 일 수 있고, 여기서 Rg 내지 Rm은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기 또는 이들의 조합일 수 있고, Rg와 Rh, Rj와 Rk 및 Rl와 Rm은 각각 독립적으로 존재하거나 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고,
Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rq)(CN)(여기에서 Rq는 수소, 시아노기(-CN) 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨)에서 선택될 수 있고,
R6a 내지 R6d. R7a 내지 R7d, R16, R17, Rg 및 Rh는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기 또는 이들의 조합일 수 있고,
R1a 내지 R3a, R6a 내지 R6d 및 R7a 내지 R7d는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 인접한 2개가 서로 연결되어 융합고리를 형성할 수 있다.
일 예로, 화학식 A-2, A-4 및/또는 A-6의 Ar3는 벤젠, 나프틸렌, 안트라센, 티오펜, 셀레노펜, 텔루로펜, 피리딘, 피리미딘 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있다.
흡광 반도체는 광 활성층(30)의 대부분을 차지할 수 있으며, 예컨대 흡광 반도체는 광 활성층(30)의 총 부피에 대하여 약 90% 내지 100%, 약 92% 내지 100%, 약 95% 내지 100%, 약 97% 내지 100%, 약 98% 내지 100% 또는 약 99% 내지 100% 포함될 수 있다.
일 예로, 광 활성층(30)은 전술한 p형 비폴리머 반도체 및 n형 비폴리머 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, p형 비폴리머 반도체 및 n형 비폴리머 반도체 중 어느 하나로 이루어진 단일 연속 상(monocontinuous phase)을 형성할 수 있다.
일 예로, 광 활성층(30)은 흡광 반도체 이외에 흡광 특성 및/또는 전기적 특성을 개선할 수 있는 첨가제를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 첨가제는 예컨대 무기물, 유기물 및/또는 유무기물일 수 있다. 일 예로, 첨가제는 비흡광 물질 또는 흡광 물질일 수 있다. 첨가제는 광 활성층(30)에 소량 포함될 수 있으며, 예컨대 광 활성층(30)의 총 부피에 대하여 약 10% 미만, 약 9% 이하, 약 5% 이하, 약 3% 이하, 약 2% 이하, 약 1% 이하 또는 약 0.5% 이하로 포함될 수 있다.
광 활성층(30)은 제1 전극(10)과 쇼트키 접합을 형성할 수 있다. 일 예로, 광 활성층(30)은 제1 전극(10)에 가까운 제1 표면(30-1)과 제1 표면(30-1)에 마주하고 제2 전극(20)에 가까운 제2 표면(30-2)을 가질 수 있으며, 제1 전극(10)과 광 활성층(30)의 제1 표면(30-1) 사이에 쇼트키 접합을 형성할 수 있다. 소자(100)는 쇼트키 다이오드일 수 있다.
소자(100)는 소정 전압 이상에서 전류가 흐를 수 있고 전압에 따라 전류가 변하는 전류-전압(I-V) 특성을 가질 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 소정의 전압이 인가될 때, 광 활성층(30)에 전류가 흐를 수 있으며, 인가 전압이 높아짐에 따라 광 활성층(30)에 흐르는 전류량은 선형적으로 증가할 수 있다.
광 활성층(30)은 제1 전극(10)의 인접한 위치, 즉 광 활성층(30)의 제1 표면(30-1) 부근에 전하 트랩 사이트(charge carrier trap site)(30a)를 가질 수 있다. 전하 트랩 사이트(30a)는 광 활성층(30)의 HOMO 에너지 준위와 LUMO 에너지 준위 사이에 위치하는 복수의 트랩 상태들(trap states)를 가질 수 있으며, 복수의 트랩 상태들은 전술한 바와 같이 p형 또는 n형의 비폴리머 반도체 분자들의 정렬, 배향 및/또는 스태킹과 같은 분자들의 구조에 의해 의도적으로 또는 비의도적으로 형성될 수 있다. 복수의 트랩 상태들은 예컨대 약 1011 내지 1015개일 수 있으며, 약 1012 내지 1014개일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
만일 광 활성층(30)에 고분자 반도체를 포함하는 경우, 제1 전극(10)과 접하는 광 활성층(30)의 제1 표면(30-1)에 복수의 트랩 상태들을 가진 전하 트랩 사이트를 형성하기 위하여 별도의 처리가 요구되는데 반해, 본 구현예에 따른 소자(100)는 광 활성층(30)에 p형 비폴리머 반도체 또는 n형 비폴리머 반도체를 포함함으로써 별도의 처리 없이 복수의 트랩 상태들을 가진 전하 트랩 사이트가 형성될 수 있다. 일 예로, 만일 고분자 반도체를 포함하는 광 활성층(30)은 표면에 전하 트랩 사이트를 형성하기 위하여 약 10nm 이상의 높은 표면 거칠기를 형성하는 공정이 요구되는 반면, 본 구현예에 따른 소자(100)의 광 활성층(30)은 별도 처리 없이도 약 10nm 미만의 낮은 표면 거칠기와 함께 충분한 두께의 전하 트랩 사이트를 가질 수 있다.
일 예로, 전하 트랩 사이트(30a)의 위치 및 두께는 흡광 반도체의 종류에 따라 다를 수 있으며, 예컨대 광 활성층(30)의 제1 표면(30-1)으로부터 광 활성층(30)의 총 두께의 약 50% 이내에 대부분 존재할 수 있다.
도 2를 참고하면, 소자(100)에 빛이 유입될 때, 전술한 흡광 반도체의 광 흡수에 의해 광 활성층(30) 내에 광생성 전하들이 생성될 수 있으며, 전하 트랩 사이트(30a) 내의 복수의 트랩 상태들은 이러한 광생성 전하들을 포획할 수 있다. 포획된 광생성 전하들은 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이의 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘(interfacial band bending)을 유도하여 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이의 에너지 장벽(Δd1)을 낮추거나 제거할 수 있고, 역바이어스(reverse bias)와 같이 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 인가된 외부 전압에 의해 제1 전극(10)으로부터 광 활성층(30)으로 전하가 효과적으로 주입될 수 있다.
즉 빛에 의해 광 활성층(30)에 생성된 광생성 전하들은 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도하는 스위칭(switching) 역할을 할 수 있고 외부 전압의 인가에 의해 제1 전극(10)으로부터 광 활성층(30)으로 전하가 효과적으로 주입되고 주입된 전하는 제2 전극(20)으로 전달되어 소자(100)의 전기적 신호로 읽을 수 있다. 이때 인가된 전압의 세기에 따라 제1 전극(10)으로부터 제2 전극(20)까지 전달되는 전하의 양(전류 량)을 조절할 수 있고, 인가된 전압의 세기가 클수록 전류 량을 높일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 인가되는 전계는 0 초과 약 0.5MV/㎝ 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 본 구현예에 따른 소자(100)에서, 빛에 의한 광생성 전하는 계면 띠 굽힘을 유도하는 스위칭 역할을 하고 외부 바이어스의 세기에 의해 제1 전극(10)으로부터 제2 전극(20)으로 전달되는 전하의 양을 조절할 수 있으며, 외부 바이어스가 클수록, 즉 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 인가 전압이 높아질수록 광 활성층(30)에 흐르는 전류량은 선형적으로 증가할 수 있다. 이에 따라, 흡수되는 빛의 양에 따라 전류 량이 결정되는 pn접합 소자와 달리, 본 구현예에 따른 소자(100)는 약한 빛의 환경에서도 외부 바이어스의 조절에 의해 충분한 전류 량을 얻을 수 있어서 고효율 소자를 구현할 수 있다.
일 예로, pn 접합 소자의 경우, 빛에 의한 광생성 전하가 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)으로 이동하여 pn 접합 소자의 전류 값으로 읽히므로 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)이 100%를 초과할 수 없는데 반하여, 본 구현예에 따른 소자(100)의 경우, 빛에 의한 광생성 전하의 양과 무관하게, 외부 바이어스의 세기에 따라 원하는 전류 값을 얻을 수 있으므로 100% 초과의 외부양자효율을 얻을 수 있다. 즉, 외부 바이어스에 따라 제1 전극(10)으로부터 제2 전극(20)으로 이동하는 전하들은 광생성 전하들보다 많을 수 있다. 일 예로, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이의 바이어스가 커질수록 센서(100)의 외부양자효율(EQE)은 높아질 수 있고, 센서(100)의 외부양자효율(EQE)은 약 100% 초과, 약 1000% 초과 또는 약 10000% 초과도 가능할 수 있다.
한편, 본 구현예에 따른 소자(100)는 빛이 없는 환경에서 광생성 전하가 생성되지 않으므로 전술한 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘이 일어나지 않고 이에 따라 전술한 매커니즘이 작동하지 않아 암전류(dark current)의 발생을 억제할 수 있다.
광 활성층(30)의 두께는 약 100nm 초과 약 3㎛ 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 200nm 내지 3㎛, 약 300nm 내지 3㎛ 또는 약 500nm 내지 3㎛ 일 수 있다.
소자(100)는 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)의 일면에 반사방지층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 반사방지층은 광이 입사되는 측에 배치되어 입사 광의 반사도를 낮춤으로써 광 흡수도를 더욱 개선할 수 있다. 예컨대 제1 전극(10) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제1 전극(10)의 일면에 위치할 수 있고 제2 전극(20) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제2 전극(20)의 일면에 위치할 수 있다.
반사방지층은 예컨대 약 1.6 내지 2.5의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 범위의 굴절률을 가지는 금속 산화물, 금속 황화물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반사방지층은 예컨대 알루미늄 함유 산화물, 몰리브덴 함유 산화물, 텅스텐 함유 산화물, 바나듐 함유 산화물, 레늄 함유 산화물, 니오븀 함유 산화물, 탄탈륨 함유 산화물, 티타늄 함유 산화물, 니켈 함유 산화물, 구리 함유 산화물, 코발트 함유 산화물, 망간 함유 산화물, 크롬 함유 산화물, 텔러륨 함유 산화물 또는 이들의 조합과 같은 금속 산화물; 아연설파이드와 같은 금속 황화물; 또는 아민 유도체와 같은 유기물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 소자(100)는 크게 광 활성층(30)에 빛을 공급하는 단계 및 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 바이어스를 인가하는 단계에 의해 동작할 수 있으며, 구체적으로 광 활성층(30)에서 빛을 흡수하여 광생성 전하들을 생성하는 단계, 광생성 전하들을 광 활성층(30) 내에 위치한 전하 트랩 사이트 내의 트랩 상태들에서 포획하는 단계, 포획된 광생성 전하들에 의해 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이에 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도하는 단계, 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 바이어스를 인가하고 (역)바이어스에 의해 제1 전극(10)으로부터 광 활성층(30)을 통해 제2 전극(20)으로 전하들을 전달하는 단계, 그리고 제2 전극(20)에 전달된 전기적 신호를 읽는 단계를 포함할 수 있다.
pn접합 소자와 달리, 본 구현예에 따른 소자(100)는 광생성 전하들이 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도하는 스위칭 역할을 하므로, 제2 전극(20)에 전달된 전기적 신호는 외부 바이어스의 세기에 따라 결정될 수 있으며 광생성 전하에 의한 전기적 신호는 읽히지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 구현예에 따른 소자(100)는 광생성 전하에 의해 스위칭되고 외부 바이어스의 세기에 위해 전류 값을 조절할 수 있으므로 약한 빛의 환경에서도 외부 바이어스의 조절에 의해 충분한 전류 량을 얻을 수 있고 이에 따라 저조도 환경에서도 고효율 소자를 구현할 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 소자의 다른 예를 설명한다.
도 3은 일 구현예에 따른 소자의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 소자(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 제1 전극(10), 제2 전극(20) 및 광 활성층(30)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 소자(100)는 전술한 구현예와 달리, 제2 전극(20)과 광 활성층(30) 사이에 버퍼층(40)을 더 포함한다. 버퍼층(40)은 광 활성층(30)으로부터 제2 전극(20)으로 전하의 이동성을 높이는 동시에 제2 전극(20)으로부터 광 활성층(30)으로 전하의 역이동을 차단할 수 있다.
버퍼층(40)은 예컨대 유기물, 무기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있다.
버퍼층(40)은 예컨대 하기 화학식 B-1 또는 B-2로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 B-1]
Figure pat00008
[화학식 B-2]
Figure pat00009
상기 화학식 B-1 또는 B-2에서,
M1 및 M2는 각각 독립적으로 CRnRo, SiRpRq, NRr, O, S, Se 또는 Te 이고,
Ar1b, Ar2b, Ar3b 및 Ar4b는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
G2 및 G3는 각각 독립적으로 단일 결합, -(CRsRt)n3 -, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRu-, -SiRvRw- 또는 -GeRxRy- 이고, 여기서 n3는 1 또는 2이고,
R30 내지 R37 및 Rn 내지 Ry는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이다.
화학식 B-1 또는 B-2로 표현되는 화합물은 예컨대 하기 화학식 B-3 또는 B-4로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 B-3]
Figure pat00010
[화학식 B-4]
Figure pat00011
상기 화학식 B-3 또는 B-4에서,
M1, M2, G2, G3, R30 내지 R37는 전술한 바와 같고,
R38 내지 R45는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기일 수 있다.
화학식 B-3 또는 B-4로 표현되는 화합물은 예컨대 하기 화학식 B-5 또는 B-6으로 표현되는 화합물일 수 있다.
[화학식 B-5]
Figure pat00012
[화학식 B-6]
Figure pat00013
상기 화학식 B-5 또는 B-6에서, R38 내지 R45 및 Ro 및 Rn은 전술한 바와 같다.
전술한 소자(100)는 예컨대 센서에 적용될 수 있으며, 센서는 예컨대 이미지 센서일 수 있다. 전술한 소자(100)가 적용된 이미지 센서는 전술한 바와 같이 약한 빛의 환경에서도 외부 바이어스에 의해 외부양자효율(EQE)과 같은 전기적 특성을 조절할 수 있으므로 저조도 환경에서 사용되는 이미지 센서 및/또는 고효율이 요구되는 이미지 센서에 효과적으로 적용될 수 있다.
이하 상술한 소자를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 4는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 반도체 기판(110), 절연층(80), 소자(100) 및 색 필터 층(70)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있다. 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(155)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있다. 전하 저장소(155)는 소자(100)와 전기적으로 연결되어 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(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
금속 배선 및 패드 위에는 절연층(80)이 형성되어 있다. 절연층(80)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 절연층(80)은 전하 저장소(155)를 드러내는 트렌치(85)를 가진다. 트렌치(85)는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
절연층(80) 위에는 전술한 소자(100)가 형성되어 있다. 소자(100)는 도 1 또는 도 3에 도시된 구조일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 소자(100)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나는 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 다른 하나는 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 소자(100)의 제1 전극(10)은 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제2 전극(20)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 소자(100)의 제2 전극(20)은 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제1 전극(10)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다.
소자(100) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70a), 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70b) 및 녹색 화소에 형성되어 있는 녹색 필터(70c)를 포함한다. 그러나 이에 한정되지 않고 시안 필터, 마젠타 필터 및/또는 옐로우 필터를 대신 또는 추가적으로 포함할 수 있다.
소자(100)와 색 필터 층(70) 사이에는 절연막(180)이 형성되어 있다. 절연막(180)은 생략될 수 있다.
색 필터 층(70) 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.
도 5는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 보여주는 평면도이고, 도 6은 도 5의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(400)는 광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있는 반도체 기판(110); 하부 절연층(60); 색 필터 층(70); 상부 절연층(80); 및 전술한 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(150a, 150b)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(155)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 광 감지 소자(150a, 150b)는 청색 화소 및 적색 화소에 각각 포함될 수 있고 전하 저장소(155)는 녹색 화소에 포함될 수 있다.
광 감지 소자(150a, 150b)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(155)는 소자(100)에 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(155)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 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(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(150a, 150b)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(155)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(70a)와 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70b)를 포함한다. 그러나 이에 한정되지 않고 시안 필터, 마젠타 필터 및/또는 옐로우 필터를 대신 또는 추가적으로 포함할 수 있다. 본 구현예에서는 녹색 필터를 구비하지 않은 예를 설명하지만, 경우에 따라 녹색 필터를 구비할 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(155)를 드러내는 트렌치(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 전술한 소자(100)가 형성되어 있다. 소자(100)는 도 1 또는 도 3에 도시된 구조일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 소자(100)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나는 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 다른 하나는 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 소자(100)의 제1 전극(10)은 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제2 전극(20)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 소자(100)의 제2 전극(20)은 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제1 전극(10)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다.
소자(100) 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.
도 7은 도 5의 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(500)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(500)는 전술한 구현예와 달리, 광 감지 소자(150a, 150b)가 수직 방향으로 적층되어 있고 색 필터 층(70)이 생략되어 있다. 광 감지 소자(150a, 150b)는 전하 저장소(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있고 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 광 감지 소자(150a, 150b)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
소자(100)는 도 1 또는 도 3에 도시된 구조일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 소자(100)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나는 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 다른 하나는 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 소자(100)의 제1 전극(10)은 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제2 전극(20)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 소자(100)의 제2 전극(20)은 수광 전극일 수 있고 소자(100)의 제1 전극(10)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다.
도 8은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 평면도이고, 도 9는 도 8의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(600)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 소자가 적층되어 있는 구조이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(600)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155a, 155b, 155c)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 제1 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)가 차례로 형성되어 있다.
제1, 제2 및 제3 소자(100a, 100b, 100c)는 각각 독립적으로 도 1 또는 도 3에 도시된 구조일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다. 제1, 제2 및 제3 소자(100a, 100b, 100c)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나는 수광 전극일 수 있고 제1, 제2 및 제3 소자(100a, 100b, 100c)의 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 다른 하나는 전하 저장소(155a, 155b, 155c)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 제1, 제2 및 제3 소자(100a, 100b, 100c)의 제1 전극(10a, 10b, 10c)은 수광 전극일 수 있고 제1, 제2 및 제3 소자(100a, 100b, 100c)의 제2 전극(20a, 20b, 20c)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다. 일 예로, 제1, 제2 및 제3 소자(100a, 100b, 100c)의 제2 전극(20a, 20b, 20c)은 수광 전극일 수 있고 제1, 제2 및 제3 소자(100a, 100b, 100c)의 제1 전극(10a, 10b, 10c)은 전하 저장소(155)와 연결되어 있을 수 있다.
제1 소자(100a)의 광 활성층(30a)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도할 수 있고 외부 바이어스의 인가에 의해 제1 전극(10a)으로부터 제2 전극(20a)으로 전하가 전달될 수 있다. 예컨대 제1 소자(100a)는 적색 파장 영역의 빛을 흡수하는 적색 소자일 수 있다. 제1 소자(100a) 위에는 중간 절연층(65)이 형성되어 있다.
중간 절연층(65) 위에는 제2 소자(100b)가 형성되어 있다.
제2 소자(100b)의 광 활성층(30b)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도할 수 있고 외부 바이어스의 인가에 의해 제1 전극(10b)으로부터 제2 전극(20b)으로 전하가 전달될 수 있다. 예컨대 제2 소자(100b)는 청색 파장 영역의 빛을 흡수하는 청색 소자일 수 있다.
제2 소자(100b) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60), 중간 절연층(65) 및 상부 절연층(80)은 전하 저장소(155a, 155b, 155c)를 드러내는 복수의 트렌치(85a, 85b, 85c)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 제3 소자(100c)가 형성되어 있다.
제3 소자(100c)의 광 활성층(30c)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도할 수 있고 외부 바이어스의 인가에 의해 제1 전극(10c)으로부터 제2 전극(20c)으로 전하가 전달될 수 있다. 예컨대 제3 소자(100c)는 녹색 파장 영역의 광을 흡수하는 녹색 소자일 수 있다.
제3 소자(100c) 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.
도면에서는 제1 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)가 차례로 적층된 구조를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 적층 순서는 다양하게 바뀔 수 있다.
상기와 같이 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 소자(100a), 제2 소자(100b) 및 제3 소자(100c)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 10은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 평면도이고, 도 11은 도 10의 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 10 및 11을 참고하면, 이미지 센서(1100)는 반도체 기판(110) 위에 위치되어 있는 소자(90)를 포함하고, 소자(90)는 복수의 소자(90-1, 90-2, 90-3)를 포함한다. 복수의 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 서로 다른 파장 영역의 빛(예컨대 청색 광, 녹색 광 또는 적색 광)을 흡수할 수 있다. 도 11을 참고하면, 복수의 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 반도체 기판(110) 위에서 수평 방향으로 나란히 배열되어 있으며 반도체 기판(110)의 표면(110a)에 나란하게 뻗은 방향으로 서로 부분적으로 또는 전체적으로 중첩되어 있다. 각 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 트렌치(85)를 통해서 반도체 기판(110) 내에 집적된 전하 저장소(155)에 연결되어 있다.
각 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 전술한 소자(100)일 수 있다. 일 예로, 둘 이상의 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 소자(90-1, 90-2, 90-3) 사이에서 연속적으로 뻗어 있는 공통의 연속 층의 상이한 부분을 포함할 수 있다. 일 예로, 복수의 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 공통의 제1 전극(10) 및/또는 공통의 제2 전극(20)을 공유할 수 있다. 일 예로, 둘 이상의 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 입사광의 상이한 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 상이한 광 활성층(30)을 가질 수 있다. 이미지 센서(1100)의 그 밖의 구조는 도 4 내지 9에서 설명한 이미지 센서 중 하나 이상과 동일할 수 있다.
도 12는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 12를 참고하면, 이미지 센서(1200)는 반도체 기판(110)과 반도체 기판(110) 위에 적층되어 있는 소자(90-1, 91)를 포함한다. 소자(91)는 복수의 소자(90-2, 90-3)를 포함하고, 복수의 소자(90-2, 90-3)는 반도체 기판(110)의 표면(110a)에 나란하게 뻗은 방향으로 중첩하도록 배열될 수 있다. 복수의 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 서로 다른 파장 영역의 빛(예컨대 청색 광, 녹색 광 또는 적색 광)을 흡수할 수 있다.
일 예로서, 소자(90-1)는 서로 다른 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 수평 배열된 복수의 소자를 포함할 수 있다. 일 예로서, 소자(91)는 청색 광, 녹색 광 및 적색 광에서 선택된 하나의 파장 영역의 광을 흡수할 수 있다. 일 예로서, 소자(91)는 소자(90-1)와 전체적으로 또는 부분적으로 중첩되어 있을 수 있다. 이미지 센서(1200)의 그 밖의 구조는 도 4 내지 9에서 설명한 이미지 중 하나 이상과 동일할 수 있다.
도 13은 일 구현예에 따른 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 13을 참고하면, 이미지 센서(1300)는 광 감지 소자(150a, 150b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(155)가 집적되어 있는 반도체 기판(110); 반도체 기판(110)의 상부에 위치하는 상부 절연층(80) 및 색 필터 층(70); 반도체 기판(110)의 하부에 위치하는 하부 절연층(60) 및 소자(90)를 포함한다. 소자(90)는 전술한 소자(100)일 수 있다. 도 13에서, 소자(90)는 반도체 기판(110)의 하부에 위치함으로써 광 감지 소자(150a, 150b)에 대하여 소자(90)와 색 필터 층(70)은 분리되어 위치되어 있다. 이미지 센서(1300)의 그 밖의 구조는 도 4 내지 9에서 설명한 이미지 센서 중 하나 이상과 동일할 수 있다.
상술한 소자 및 센서는 각각 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 카메라, 보안용 카메라, 생체 인식 장치, 의료 장치 및/또는 자동차 전장부품 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 14는 일 구현예에 따른 전자 장치의 개략적인 다이아그램이다.
도 14를 참고하면, 전자 장치(1700)는 버스(bus)(1710)를 통해 서로 전기적으로 연결된 프로세서(1720), 메모리(1730) 및 이미지 센서(1740)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1740)는 전술한 구현예에 따른 어느 하나일 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체인 메모리(1730)는 지시 프로그램을 저장할 수 있다. 프로세서(1720)는 하나 이상의 기능을 수행하기 위하여 저장된 지시 프로그램을 실행할 수 있다. 일 예로서, 프로세서(1720)는 이미지 센서(1740)에 의해 생성된 전기적 신호를 처리할 수 있다. 프로세서(1720)는 그러한 처리에 기초하여 출력(예컨대 디스플레이 인터페이스 상에 표시될 이미지)을 생성할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
소자의 제작
실시예 1
유리 기판 위에 ITO (WF: 4.7eV)를 스퍼터링으로 적층하여 150nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서 하부 전극 위에 화학식 A로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 버퍼층을 형성한다. 이어서 버퍼층 위에 화학식 B로 표현되는 p형 반도체(λmax=555nm)를 증착하여 400nm 두께의 광 활성층을 형성한다. 이어서 광 활성층 위에 ITO를 스퍼터링하여 28nm 두께의 상부 전극을 형성하여 쇼트키 타입의 소자를 제작한다.
[화학식 A]
Figure pat00014
[화학식 B]
Figure pat00015
실시예 2
ITO 대신 Al을 증착하여 80nm 두께의 상부 전극을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 쇼트키 타입의 소자를 제작한다.
참고예 1
유리 기판 위에 ITO (WF: 4.7eV)를 스퍼터링으로 적층하여 150nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서 하부 전극 위에 화학식 A로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 버퍼층을 형성한다. 이어서 버퍼층 위에 화학식 B로 표현되는 p형 반도체(λmax=555nm)와 플러렌(C60)인 n형 반도체를 공증착하여 400nm 두께의 광 활성층을 형성한다. 이어서 광 활성층 위에 ITO를 스퍼터링하여 28nm 두께의 상부 전극을 형성하여 pn 접합 타입의 소자를 제작한다.
참고예 2
ITO 대신 Al을 증착하여 80nm 두께의 상부 전극을 형성한 것을 제외하고 참고예 1과 동일한 방법으로 pn 접합 타입의 소자를 제작한다.
평가 I
실시예와 참고예에 따른 소자의 외부 전기장에 따른 외부양자효율(EQE)을 평가한다.
외부양자효율(EQE)은 전극에 전압을 인가하면서 빛의 파장을 변조하여 소자에서 읽히는 광에 의해서 생긴 전류의 값을 읽어서 평가한다.
그 결과는 표 1, 2와 도 15, 16과 같다.
도 15는 실시예 1과 참고예 1에 따른 소자의 전계에 따른 외부양자효율(EQE)의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 16은 실시예 2와 참고예 2에 따른 소자의 전계에 따른 외부양자효율(EQE)의 변화를 보여주는 그래프이다.
EQE(@540nm, 0.5MV/㎝)(%)
실시예 1 125
참고예 1 70
EQE(@540nm, 0.5MV/㎝)(%)
실시예 2 2468
참고예 2 70
표 1, 2와 도 15, 16을 참고하면, 실시예에 따른 소자는 전계가 커짐에 따라 외부양자효율(EQE)이 높아지는 것을 확인할 수 있으며, 소정 전계 이상(약 0.3 MV/㎝ 이상)에서 참고예에 따른 소자보다 외부양자효율(EQE)이 현저히 높아지는 것을 확인할 수 있다. 특히 실시예에 따른 소자는 소정 전계 이상에서 100% 초과의 외부양자효율(EQE)을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
평가 II
실시예에 따른 소자의 파장에 따른 외부양자효율(EQE)을 평가한다.
도 17은 실시예 1에 따른 소자의 파장에 따른 외부양자효율(EQE)을 보여주는 그래프이다.
도 17을 참고하면, 실시예 1에 따른 소자는 인가 전압에 따라 외부양자효율(EQE)이 변하는 것을 확인할 수 있으며, 약 20V 인가시 약 500nm 내지 600nm의 녹색 파장 영역에서 100% 초과의 외부양자효율(EQE)이 구현될 수 있음을 확인할 수 있다.
평가 III
실시예와 참고예에 따른 소자의 누설 전류 특성을 평가한다.
누설 전류는 암실 조건에서 소자에 역바이어스(reverse bias)를 인가하고 -3V에서의 전류 값을 읽고 전류 값을 면적별 전자의 개수로 단위 변경하여 평가한다.
그 결과는 표 3과 같다.
Dark Current (e/s, @3V) Dark Current (e/s, @20V)
실시예 2 0.8 1.7x103
참고예 2 1.5 5.4x103
표 3을 참고하면, 실시예에 따른 소자는 참고예에 따른 소자와 비교하여 누설 전류가 낮음을 확인할 수 있다.
평가 IV
실시예와 참고예에 따른 소자의 검출능(detectivity)을 평가한다.
검출능은 입사되는 광량을 광 전류로 나눈 값을 노이즈인 암전류로 다시 나눈 값이다.
그 결과는 표 4 및 5와 같다.
Detectivity
(Jones, @540nm, @3V)		 Detectivity
(Jones, @540nm, @20V)
실시예 1 2.9x1012 4.7x1012
참고예 1 1.8x1012 1.3x1012
Detectivity
(Jones, @540nm, @3V)		 Detectivity
(Jones, @540nm, @20V)
실시예 2 5.9x1012 1.1x1014
참고예 2 1.4x1012 1.5x1012
표 4 및 5를 참고하면, 실시예에 따른 소자는 참고예에 따른 소자와 비교하여 검출능이 개선된 것을 확인할 수 있다.
평가 V
실시예 1과 참고예 1에 따른 소자를 적용한 도 5, 6의 이미지 센서(구조 I, pixel size=1.12㎛)와 실시예 2와 참고예 2에 따른 소자를 적용한 도 4의 이미지 센서(구조 II, pixel size=1.4㎛)를 설계하고 이미지 센서의 YSNR10을 평가한다.
이미지 센서의 YSNR10은 신호와 노이즈의 비율(signal/noise)이 10이 되는 최소광량(단위: lux)으로, 여기서 신호는 FDTD (finite difference time domain method) 방법으로 계산된 RGB 원신호(RGB raw signal)를 색 보정 매트릭스(color correction matrix, CCM)를 통한 색 보정 단계를 거쳐 얻은 신호의 감도이며, 노이즈는 이미지 센서에서 신호를 측정할 때 발생하는 노이즈이다. 색 보정 단계는 이미지 센서로부터 얻은 RGB 원신호를 이미지 프로세싱을 수행하여 실제 색과의 차이를 줄이는 과정이다. YSNR10 값이 작을수록 적은 광량에서 이미지 특성이 양호하다는 것을 의미할 수 있다.
그 결과는 표 6 및 7과 같다.
YSNR10(lux) (구조 I)
실시예 1 59
참고예 1 75
YSNR10(lux)(구조 II)
실시예 2 47.2
참고예 2 75
표 6 및 7을 참고하면, 실시예에 따른 소자를 적용한 이미지 센서는 참고예에 따른 소자를 적용한 이미지 센서와 비교하여 YSNR10이 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 이미지센서의 감도가 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10: 제1 전극
20: 제2 전극
30: 광 활성층
30a: 전하 트랩 사이트
40: 버퍼층
60: 하부 절연층 65: 중간 절연층
70: 색 필터
80: 상부 절연층 85: 트렌치
100: 소자
150a, 150b, 150c: 광 감지 소자
155: 전하 저장소
300, 400, 500, 600, 1100, 1200, 1300: 이미지 센서

Claims (28)

  1. 제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 상기 제1 전극과의 쇼트키 접합(schottky junction)을 형성하는 흡광 반도체를 포함하는 광 활성층
    을 포함하고,
    상기 광 활성층은 상기 제1 전극에 인접한 위치에 상기 흡광 반도체의 광 흡수에 의해 생성된 광생성 전하들(photo-generated charges)을 포획할 수 있는 전하 트랩 사이트를 가지며,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가된 바이어스에 따라 외부양자효율(EQE)을 조절할 수 있는 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 바이어스가 커질수록 상기 센서의 외부양자효율(EQE)은 높아지는 센서.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가되는 전계는 0 초과 0.5MV/㎝ 이하인 센서.
  4. 제1항에서,
    상기 센서의 외부양자효율(EQE)은 100%를 초과하는 센서.
  5. 제1항에서,
    상기 흡광 반도체는 p형 비폴리머 반도체 및 n형 비폴리머 반도체 중 어느 하나를 포함하는 센서.
  6. 제5항에서,
    상기 광 활성층은 상기 p형 비폴리머 반도체 및 상기 n형 비폴리머 반도체 중 어느 하나로 이루어진 단일 연속 상을 형성하는 센서.
  7. 제5항에서,
    상기 p형 비폴리머 반도체는 분자량 5000 이하의 p형 단량체이고,
    상기 n형 비폴리머 반도체는 분자량 5000 이하의 n형 단량체인
    센서.
  8. 제7항에서,
    상기 p형 단량체는 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결 모이어티 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 유기 반도체인 센서.
  9. 제5항에서,
    상기 흡광 반도체는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역, 적색 파장 영역 및 적외선 파장 영역 중 적어도 하나의 파장 영역의 광을 흡수하는 센서.
  10. 제1항에서,
    상기 흡광 반도체는 상기 광 활성층의 총 부피에 대하여 90 내지 100%로 포함되는 센서.
  11. 제1항에서,
    상기 광 활성층의 두께는 100nm 초과 3㎛ 이하인 센서.
  12. 제1항에서,
    상기 광 활성층은
    상기 제1 전극에 가까운 제1 표면, 그리고
    상기 제1 표면에 마주하고 상기 제2 전극에 가까운 제2 표면
    을 가지고,
    상기 광 활성층의 제1 표면의 표면 거칠기는 10nm 미만인 센서.
  13. 제12항에서,
    상기 전하 트랩 사이트는 상기 광 활성층의 제1 표면으로부터 상기 광 활성층의 총 두께의 50% 이내의 위치에 존재하는 센서.
  14. 제1항에서,
    상기 광생성 전하들은 상기 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘(interfacial band bending)을 유도하는 스위칭 역할을 하고,
    상기 바이어스에 의해 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전하들이 이동하며,
    상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 이동하는 전하들은 상기 광생성 전하들보다 많은
    센서.
  15. 제1항에서,
    상기 광 활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 센서.
  16. 제1항에서,
    반도체 기판을 더 포함하고,
    상기 반도체 기판은 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되어 있는 전하 저장소를 포함하는 센서.
  17. 제16항에서,
    상기 반도체 기판 위에서 상기 광 활성층과 중첩하게 위치하는 색 필터 층을 더 포함하는 센서.
  18. 제16항에서,
    상기 반도체 기판은 광 다이오드를 더 포함하는 센서.
  19. 제18항에서,
    상기 흡광 반도체는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중에서 선택된 제1 파장 영역의 광을 흡수하고,
    상기 광 다이오드는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중에서 선택되는 제2 파장 영역의 광을 감지하는 제1 광 다이오드를 포함하며,
    상기 제1 파장 영역과 상기 제2 파장 영역은 서로 다른 센서.
  20. 제19항에서,
    상기 광 다이오드는 상기 반도체 기판 내에서 상기 제1 광 다이오드와 적층되어 있는 제2 광 다이오드를 더 포함하고,
    상기 제2 광 다이오드는 청색 파장 영역, 녹색 파장 영역 및 적색 파장 영역 중에서 선택되는 제3 파장 영역의 광을 감지하며,
    상기 제3 파장 영역은 상기 제1 파장 영역 및 상기 제2 파장 영역과 각각 다른
    센서.
  21. 제1 전극; 흡광 반도체를 포함하는 광 활성층; 그리고 제2 전극을 포함하는 센서의 동작 방법으로서,
    상기 광 활성층에서 빛을 흡수하여 광생성 전하들을 생성하는 단계,
    상기 광생성 전하들을 상기 광 활성층 내에 위치한 전하 트랩 사이트에서 포획하는 단계,
    상기 포획된 광생성 전하들에 의해 상기 제1 전극과 상기 광 활성층 사이에 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘(interfacial band bending)을 유도하는 단계,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 바이어스를 인가하고 상기 바이어스에 의해 상기 제1 전극으로부터 상기 광 활성층을 통해 상기 제2 전극으로 전하들을 전달하는 단계, 그리고
    상기 제2 전극에 전달된 전기적 신호를 읽는 단계
    를 포함하는 센서의 동작 방법.
  22. 제21항에서,
    상기 빛의 흡수에 의해 발생된 광생성 전하들은 상기 쇼트키 접합의 계면 띠 굽힘을 유도하는 스위칭 역할을 하고,
    상기 제2 전극에 전달된 전하들은 상기 광생성 전하들보다 많은
    센서의 동작 방법.
  23. 제21항에서,
    상기 제2 전극에 전달된 전기적 신호는 상기 광생성 전하들에 의한 전기적 신호를 포함하지 않는 센서의 동작 방법.
  24. 제21항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 바이어스를 인가하는 단계는 0 초과 0.5MV/㎝의 바이어스를 인가하는 단계를 포함하는 센서의 동작 방법.
  25. 제21항에서,
    상기 센서의 외부양자효율(EQE)은 100%를 초과하는 센서의 동작 방법.
  26. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 센서를 포함하는 카메라 모듈.
  27. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 센서를 포함하는 전자 장치.
  28. 제26항에 따른 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치.

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