KR20220090079A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 선형 편광자(Linear Polarizer)를 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 기술이다. 이러한 본 발명은 제 1면과 제 2면을 포함하는 기판, 제 1면의 상부에 형성되는 컬러필터, 기판 내에 형성되며 컬러필터에 대응하도록 배치되는 광전변환소자, 제 1면과 광전변환소자 사이에 형성되며 기판의 내부에 매립되는 편광자를 포함한다.
Description
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것으로, 편광 성능을 개선하기 위한 이미지 센싱 장치에 관한 기술이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 광 감지 반도체 물질의 성질을 이용하여 광학 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 자동차, 의료, 컴퓨터 및 통신 등 산업의 발전에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등과 같은 다양한 분야에서 고성능(high-performance) 이미지 센싱 장치에 대한 수요가 증대되고 있다.
이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센싱 장치는 CMOS 이미지 센싱 장치에 비해 더 나은 이미지 품질을 제공하나, 더 큰 크기로 구현되고 더 많은 전력을 소비하는 경향이 있다. 반면에, CMOS 이미지 센싱 장치는 CCD 이미지 센싱 장치에 비해 더 작은 크기로 구현될 수 있고, 더 적은 전력을 소비한다. 또한, CMOS 이미지 센싱 장치는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제조되므로, 광 감지 소자 및 신호 처리 회로를 단일 칩에 통합할 수 있으며, 이를 통해 저렴한 비용으로 소형의 이미지 센싱 장치를 생산할 수 있다. 이러한 이유로, CMOS 이미지 센싱 장치는 모바일 장치를 포함한 많은 애플리케이션을 위해 개발되고 있다.
본 발명의 실시예는 편광자를 기판 내에 매립하고 컬러 필터에 따라 편광자의 폭 또는 높이를 다르게 형성하여 편광 성능을 개선하고 크로스토크(cross talk)를 방지할 수 있도록 하는 이미지 센싱 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 제 1면과 제 2면을 포함하는 기판; 제 1면의 상부에 형성되는 컬러필터; 기판 내에 형성되며 컬러필터에 대응하도록 배치되는 광전변환소자; 제 1면과 광전변환소자 사이에 형성되며 기판의 내부에 매립되는 편광자를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 제 1면과 제 2면을 포함하는 기판; 제 1면의 상부에 형성되며, 제 1컬러를 갖는 제 1컬러필터; 제 1면의 상부에 형성되며, 제 2컬러를 갖는 제 2컬러필터; 제 1컬러필터의 하부에 형성되며 기판의 내부에 매립되는 제 1편광자; 및 제 2컬러필터의 하부에 형성되며 기판의 내부에 매립되는 제 2편광자를 포함한다.
본 발명의 실시예는 광손실을 최소화하면서 크로스토크(cross talk)를 효과적으로 방지할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 실시예는 예시를 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 단위 픽셀에 대한 단면도를 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 도시된 기판의 형상을 설명하기 위한 도면.
도 4 내지 도 8은 도 2에 도시된 편광자의 다른 형태를 도시하는 실시예들.
도 9는 도 4에 도시된 편광자의 매립 구조를 보여주는 사시도.
도 10 및 도 11은 도 4에 도시된 편광자의 다른 형태를 도시하는 실시예.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이의 단위 픽셀에 대한 단면도를 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 도시된 기판의 형상을 설명하기 위한 도면.
도 4 내지 도 8은 도 2에 도시된 편광자의 다른 형태를 도시하는 실시예들.
도 9는 도 4에 도시된 편광자의 매립 구조를 보여주는 사시도.
도 10 및 도 11은 도 4에 도시된 편광자의 다른 형태를 도시하는 실시예.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예가 설명될 것이다. 그러나, 본 개시는 특정한 실시 예에 한정되지 않고, 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시의 실시 예는 본 개시를 통해 직간접적으로 인식될 수 있는 다양한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 드라이버(row driver, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 드라이버(column driver, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170)를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우들(rows) 및 복수의 컬럼들(columns)로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 단위 픽셀들은 로우들 및 컬럼들을 포함하는 2차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 단위 이미지 픽셀들은 3차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 복수의 단위 픽셀들은 단위 픽셀 단위로 또는 픽셀 그룹 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 픽셀 그룹 내 단위 픽셀들은 적어도 특정 내부 회로를 공유할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)의 해당 단위 픽셀은 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호에 대응하는 동작을 수행하도록 활성화될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(170)에 의해 공급되는 명령들 및 제어 신호들에 기초하여 해당 로우에 포함된 단위 픽셀들에 대해 특정 동작들을 수행하도록 픽셀 어레이(110)를 활성화할 수 있다. 일 실시예에서, 로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우에 배열된 적어도 하나의 단위 픽셀을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호는 단위 픽셀의 센싱 노드(예컨대, 플로팅 디퓨전 노드)가 리셋되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호이고, 영상 신호는 단위 픽셀에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호일 수 있다. 픽셀 고유의 리셋 노이즈(reset noise)를 나타내는 기준 신호와, 입사광의 세기를 나타내는 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 두 샘플들 사이의 차이를 제거하기 위해 픽셀 신호를 두 번 샘플링 함으로써, 고정 패턴 노이즈와 같은 픽셀의 원치 않는 오프셋 값을 제거할 수 있도록 상관 이중 샘플링을 이용할 수 있다. 일 예로, 상관 이중 샘플링은 입사광에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되기 전후로 획득된 픽셀 출력 전압들을 비교함으로써, 원치 않는 오프셋 값을 제거하여 오직 입사광에 기초하는 픽셀 출력 전압이 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터의 제어 신호에 기초하여 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 램프 비교 타입(ramp-compare type) ADC로 구현될 수 있다. 램프 비교 타입 ADC는 시간에 따라 상승 또는 하강하는 램프 신호와 아날로그 픽셀 신호를 비교하는 비교 회로, 및 램프 신호가 아날로그 픽셀 신호에 매칭(matching)될 때까지 카운팅 동작을 수행하는 카운터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 컬럼들 각각을 위한 상관 이중 샘플러(130)에 의해 생성된 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)의 각 컬럼은 각 컬럼 카운터에 연결되며, 영상 데이터는 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환함에 의해 생성될 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 일시적으로 홀딩하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 ADC(140)로부터 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센싱 장치(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력되도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 드라이버(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼으로부터 영상 데이터가 외부로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나에 제공할 수 있다. 일 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이(110)의 단위 픽셀(110a)에 대한 단면도를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 픽셀 어레이(110)에는 많은 개수의 단위 픽셀들이 포함될 수 있으나, 설명의 편의상 도 2에는 하나의 단위 픽셀(110a)에 대해서만 도시되었다. 그리고, 도 3은 도 2에 도시된 기판(101)의 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단위 픽셀(110a)은 기판(101), 광전변환소자(102), 편광자(103), 컬러필터(104), 렌즈층(105) 및 소자 분리막(106)을 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들에서 기판(101)의 상부면에 평행하면서 서로 교차되는 두 방향을 각각 제 1방향(X 방향) 및 제 2방향(Y 방향)으로 정의하고, 기판(100)의 상부면으로부터 수직하게 돌출되는 방향을 제 3방향(Z 방향)으로 정의할 것이다. 제 1방향과 제 2방향은 실질적으로 서로 수직하게 교차할 수 있다. 제 3방향은 제 1방향 및 제 2방향과 수직한 방향에 해당할 수 있다.
기판(101)은 제 1면(S1)과, 제 1면(S2)의 하측에 제 2면(S2)을 포함할 수 있다. 기판(101)의 제 2면(S2)은 전면(front-side)으로 정의되고 제 1면(S1)은 후면(back-side)으로 정의될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다. 기판(101)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 반도체 기판(101)은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있으며, 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다. 기판(101)은 P형 불순물을 포함할 수 있다. 기판(101)은 P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다. 기판(101)의 내부에는 광전변환소자(102)와 편광자(103)가 형성될 수 있다. 기판(101)의 상부에 컬러필터(104)와 렌즈층(105)이 제 3방향으로 차례로 적층될 수 있다.
기판(101)은 입사광을 전하로 변환하고, 그에 상응하는 전기 신호를 생성하기 위해 단위화소들을 포함할 수 있다. 이를 위하여, 단위 화소들은 광전변환소자(102) 및 복수의 트랜지스터들(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 씨모스 이미지 센서에서 단위 화소가 5-트랜지스터 구조를 갖는 경우, 단위 화소는 플로팅 디퓨전 노드(미도시)를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 광전하를 증폭하여 전송하는 소스 팔로워 트랜지스터, 단위 픽셀에 연결된 컬럼 라인으로 픽셀 신호를 출력하는 셀렉트 트랜지스터, 광전하를 플로팅 디퓨전 노드(미도시)로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터 및 바이어스 트랜지스터를 포함할 수 있다. 다만, 도 2에서는 단위 화소를 설명함에 있어서 복수의 트랜지스터들(미도시)에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 2의 광전변환소자(102)는 기판(101) 내에 각 단위 픽셀(110a)에 대응하는 영역에 배치될 수 있다. 광전변환소자(102)는 특정 가시광 파장 대역의 광의 세기에 대응하는 광전하를 생성 및 축적할 수 있다. 입사광은 렌즈층(105), 컬러필터(104) 및 편광자(103)를 거쳐 광전변환소자(102)에 입사될 수 있다. 광전변환소자(102)는 제 1면(S1)을 통해 입사되는 광을 광전변환시켜 광전하를 생성할 수 있다. 예를 들어, 광전변환소자(102)는 입사된 광에 응답하여 전자와 정공 쌍을 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 광전변환소자(102)는 유기 또는 무기 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀형(pinned) 광전변환소자 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다. 광전변환소자(102)가 포토 다이오드로 구현되는 경우, N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드는 복수의 도핑 영역들이 수직 방향으로 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 P형 이온 및 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다. 광전 변환 소자(102)는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 서로 인접하는 픽셀들의 광전 변환 소자들 사이에는 전기적 분리 및 광학적 분리를 위해 수직으로 깊게 파인 형태를 가지는 소자 분리막(106)이 형성될 수 있다.
편광자(103)는 렌즈층(105)을 투과한 입사광에서 특정 방향의 편광 성분만을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 편광자(103)는 이미지 센싱 장치(100)에 입사되는 광에서, 대상 물체에 조사한 광의 편광 성분과 같은 편광 성분을 갖는 광만을 통과시키고 다른 편광 성분들(노이즈)은 차단할 수 있다.
편광자(103)는 와이어 그리드 타입으로 형성될 수 있다. 와이어 그리드 타입의 편광자(103)에 대해서는 후술하는 도 9에서 상세히 설명하기로 한다. 편광자(103)는 제 1방향을 따라 일정 간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 편광자(103)는 컬러필터(104)의 하부(제 1면(S1))에 형성될 수 있다. 편광자(103)는 컬러필터(104)와 광전변환소자(102) 사이에 형성될 수 있다.
그리고, 편광자(103)는 기판(101)의 내부에 매립될 수 있다. 편광자(103)는 제 1면(S1)으로부터 제 2면(S2)으로 갈수록 좌우 방향(제 1방향, X 방향)의 폭이 좁아지는 삼각형의 단면을 가질 수 있다. 편광자(103)가 역삼각형의 형태를 가지면, 빛을 투과시킬 편광방향, 즉, 전기장 방향의 폭이 좁아져 투과시킬 수 있는 빛의 양을 증가시킬 수 있도록 한다. 실시예에 따라, 편광자(103)를 역삼각형 형태로 구현하는 경우, 사각형태와 대비하여 메탈의 사용양이 상대적으로 적어 공정 비용을 줄일 수 있다. 편광자(103)는 금속 재질로 구성될 수 있으며, 일 실시예에 따라 서로 다른 또는 동일한 금속 재질이 적층되어 형성될 수도 있다.
도 3에서와 같이, 편광자(103)를 제거한 기판(101)의 모양은 기판(101)의 제 1면(S1)이 V자형 홈(HO)이 파진 형태로 나타날 수 있다. 다시 말하면, 기판(101)의 제 1면(S1)에 삼각형 단면의 요철이 형성되도록 기판(101)을 에칭한 후, 편광자(103)의 물질(예를 들면, 금속)을 증착할 수 있다. 도 2 및 도 3의 실시예에서는 편광자(103)가 3개 형성되는 것을 일 예로 설명하였으나, 이는 실시예에 불과하며 기판(101)에 매립되는 편광자(103)의 개수는 이에 한정되지 않는다.
편광자(103)는 특정 편광 방향의 광은 투과시키고 다른 편광 방향의 광은 반사시켜 제거하는 선형 편광 소자이다. 그런데, 편광자(103)가 기판(101)의 상면에 노출되는 경우(도 2에서 점선으로 가정하여 표시), 비스듬히 입사한 광원이 편광자(103)의 측면 부분에서 반사되어 기판(101)으로 입사될 수 있다. 즉, 편광자(103)가 기판(101)의 상면에 노출되는 경우, 편광 성능을 보장하는 각도 범위(acceptance angle)가 좁다. 편광자(103)에 수직으로 입사되지 않고 비스듬히 입사되는 빛이 기판(101) 방향으로 반사되어 흡수되는 경우 크로스토크(cross talk)가 발생될 수 있다. 이러한 경우 빛에 대한 편광 성능이 감소될 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 편광자(103)를 기판(101)의 내부에 매립시켜 편광자(103)의 측면이 노출되지 않도록 한다. 즉, 편광자(103)를 기판(101) 내부에 형성하면 기판(101)의 위에 노출되는 부분이 줄어들어 비스듬한 각도로 편광된 빛이 기판(101)으로 흡수되는 것을 감소시킬 수 있도록 한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 다양한 각도에서 입사한 빛이 반사되어 기판(101)으로 재입사되는 것을 방지함으로써 편광 성능을 개선할 수 있도록 한다.
컬러필터(104)는 기판(101) 및 편광자(103)의 상부를 덮는 형태로 배치될 수 있다. 컬러필터(104)는 각 픽셀에 대응하는 컬러의 광을 선택적으로 투과할 수 있도록 형성될 수 있다. 컬러필터(104)는 렌즈층(105)을 통해 입사되는 가시광 파장 대역 중 특정 파장 대역의 가시광을 필터링하여 선택적으로 통과시킨다. 예컨대, 컬러필터(104)는 가시광에서 적색광만을 통과시키는 레드필터(red filter), 가시광에서 녹색광만을 통과시키는 그린필터(green filter) 및 가시광에서 청색광만을 통과시키는 블루필터(blue filter)를 포함할 수 있다. 컬러필터(104)는 레드필터, 그린필터 및 블루필터가 반복적으로 배치되는 베이어 패턴 형태로 배열될 수 있다. 또한, 컬러필터(104)는 사이언 필터(cyan filter), 옐로우 필터(yellow filter), 마젠타 필터(magenta filter)화이트필터(white filter), 블랙필터(black filter)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 컬러 필터(104)는 단위 픽셀이 깊이 픽셀(depth pixel)에 해당하는 경우 생략되거나 적외광 통과 필터로 대체될 수 있다.
렌즈층(105)은 입사광이 단위 화소들의 광전변환소자(102)에 효율적으로 입사되도록 입사광을 가이드(guide)할 수 있다. 렌즈층(105)은 외부로부터 입사되는 광을 집광하여 컬러필터(104)로 전달한다. 렌즈층(105)은 컬러필터(104)의 상부에 반구형으로 형성될 수 있다. 렌즈층(105)은 컬러필터(104)의 상부에 형성되는 마이크로 렌즈(또는 온 칩 렌즈들)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 렌즈층(105)은 디지털 렌즈(digital lens)를 포함할 수 있다. 렌즈층(105)의 상부 또는 하부에는 외부로부터 입사되는 광의 난반사를 방지하여 플레어 특성을 억제할 수 있는 오버 코팅층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다.
도 4 내지 도 8은 도 2에 도시된 편광자(103)의 다른 형태를 도시하는 실시예들이다. 픽셀 어레이(100)에 포함된 각 단위 픽셀의 상세 구조 및 기능은 도 2에 상응하는 바, 도 2와 중복되는 설명은 생략하고 편광자(103)의 형태를 위주로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 편광자(103_1)는 제 1방향을 따라 일정 간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 편광자(103_1)는 컬러필터(104)의 하부(제 1면(S1))에 형성될 수 있다. 편광자(103_1)는 컬러필터(104)와 광전변환소자(102) 사이에 형성될 수 있다. 그리고, 편광자(103_1)는 기판(101)의 내부에 매립될 수 있다. 편광자(103_1)는 기판(101) 내에서 직사각형 형태의 단면을 가질 수 있다. 편광자(103_1)는 제 3방향의 세로 길이가 제 1방향의 가로 길이보다 긴 바(Bar) 형태로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 편광자(103_2)는 제 1방향을 따라 일정 간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 편광자(103_2)는 컬러필터(104)의 하부(제 1면(S1))에 형성될 수 있다. 편광자(103_2)는 컬러필터(104)와 광전변환소자(102) 사이에 형성될 수 있다. 그리고, 편광자(103_2)는 기판(101)의 내부에 매립될 수 있다. 편광자(103_2)는 기판(101) 내에서 측벽이 경사 형태로 형성될 수 있다. 편광자(103_2)는 제 1면(S1)으로부터 거리가 멀어질수록 좌우 방향(제 1방향, X 방향)의 폭이 점진적으로 감소할 수 있다. 즉, 편광자(103_2)는 제 1면(S1)으로부터 제 2면(S2)으로 갈수록 좌우 방향(제 1방향, X 방향)의 폭이 좁아지는 역 사다리꼴 형태의 단면을 가질 수 있다. 편광자(103_2)는 제 1면(S1)과 접하는 상부면의 길이가 제 2면(S2)과 가까운 하부면의 길이보다 길 수 있다. 도 5의 실시예와 같이, 편광자(103_2)가 역 사다리꼴의 형태를 가지면, 빛을 투과시킬 편광방향, 즉, 전기장 방향의 폭이 좁아져 투과시킬 수 있는 빛의 양을 증가시키고, 공정적으로 구현하기 용이할 수 있다.
도 6을 참조하면, 편광자(103_3)는 제 1방향을 따라 일정 간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 편광자(103_3)는 컬러필터(104)의 하부(제 1면(S1))에 형성될 수 있다. 편광자(103_3)는 컬러필터(104)와 광전변환소자(102) 사이에 형성될 수 있다. 그리고, 편광자(103_3)는 기판(101)의 내부에 매립될 수 있다. 편광자(103_3)는 기판(101) 내에서 측벽이 경사 형태로 형성될 수 있다. 편광자(103_3)는 제 1면(S1)으로부터 거리가 멀어질수록 좌우 방향(제 1방향, X 방향)의 폭이 점진적으로 증가할 수 있다. 즉, 편광자(103_3)는 제 1면(S1)으로부터 제 2면(S2)으로 갈수록 좌우 방향(제 1방향, X 방향)의 폭이 넓어지는 사다리꼴 형태의 단면을 가질 수 있다. 편광자(103_3)는 제 1면(S1)과 접하는 상부면의 길이가 제 2면(S2)과 가까운 하부면의 길이보다 짧을 수 있다.
도 7을 참조하면, 편광자(103_4)는 제 1방향을 따라 일정 간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 편광자(103_4)는 컬러필터(104)의 하부(제 1면(S1))에 형성될 수 있다. 편광자(103_4)는 컬러필터(104)와 광전변환소자(102) 사이에 형성될 수 있다. 그리고, 편광자(103_4)는 기판(101)의 내부에 매립될 수 있다. 편광자(103_4)는 제 1면(S1)에 인접한 제 1영역(RG1)이 직사각형 형태의 단면을 가질 수 있으며, 제 3방향의 세로 길이가 제 1방향의 가로 길이보다 긴 바(Bar) 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 편광자(103_4)는 제 2면(S2)과 인접한 제 2영역(RG2)이 제 1면(S1)으로부터 제 2면(S2)으로 갈수록 좌우 방향(제 1방향, X 방향)의 폭이 좁아지는 사다리꼴 형태의 단면을 가질 수 있다. 즉, 편광자(103_4)는 좌우 방향(제 1방향, X 방향)의 폭이 동일하게 유지되다가 하방으로 갈수록 폭이 줄어드는 형태의 단면을 가질 수 있다. 단파장의 빛은 컬러필터(104)와 맞닿은 편광자(103_4)의 표면, 즉, 제 1면(S1)의 근처에서 대부분 반사될 수 있다. 이에, 제 2면(S2)과 가까운 깊이까지 메탈을 두껍게 구현할 필요가 없으므로, 편광자(103_4)의 제 2영역(RG2)을 사다리꼴 형태로 구현할 수 있다.
도 8을 참조하면, 편광자(103_5)는 제 1방향을 따라 일정 간격으로 연속적으로 배치될 수 있다. 편광자(103_5)는 컬러필터(104)의 하부(제 1면(S1))에 형성될 수 있다. 편광자(103_5)는 컬러필터(104)와 광전변환소자(102) 사이에 형성될 수 있다. 그리고, 편광자(103_5)는 기판(101)의 내부에 매립될 수 있다. 편광자(103_5)는 제 1면(S1)과 가까운 상부 측에 형성된 제 1편광소자(107)와, 제 1편광소자(107)의 하부에 형성된 제 2편광소자(108)를 포함할 수 있다. 제 1편광소자(107)는 직사각형 형태의 단면을 가질 수 있으며, 제 3방향의 세로 길이가 제 1방향의 가로 길이보다 짧은 바(Bar) 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 제 2편광소자(108)는 제 1편광소자(107)의 하부 면과 접속될 수 있다. 제 2편광소자(108)는 제 3방향의 세로 길이가 제 1방향의 가로 길이와 동일한 정사각형 형태로 형성될 수 있다. 제 1편광소자(107)와 제 2편광소자(108)는 "T" 자 형태의 단면을 가질 수 있다. 단파장의 빛은 컬러필터(104)와 맞닿은 편광자(103_5)의 표면, 즉, 제 1면(S1)의 근처에서 대부분 반사될 수 있다. 이에, 제 2면(S2)과 가까운 깊이까지 메탈을 두껍게 구현할 필요가 없으므로, 제 2편광소자(108)의 폭을 제 1편광소자(107) 보다 좁은 형태로 구현할 수 있다.
도 9는 와이어 그리드 타입의 편광자(103_1)의 매립 구조를 보여주는 사시도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 와이어 그리드 타입의 편광자(103_1)는 전도성 와이어 그리드(wire grid)를 이용하여 편광을 만들어내는 소자이다. 기판(101)에 매립된 편광자(103_1)는 전도성 물질로 구성된 와이어가 나노 사이즈로 주기적으로 평행하게 배열될 수 있다. 편광자(103_1)에서 폭은 "W"로 나타낼 수 있고, 높이는 "H"로 나타낼 수 있으며, 길이는 "L"로 나타낼 수 있다.
이러한 편광자(103_1)는 와이어 그리드의 주기가 입사광의 파장보다 작으면 회절이 일어나지 않는다. 따라서, 입사광 중 전도성의 와이어 그리드와 직교하는 진동 방향을 가지는 성분, 즉, TM(Transverse Magnetic) 편광은 투과하고 와이어 그리드와 평행한 진동 방향을 가지는 성분, 즉 TE(Transverse Electric) 편광은 반사시키게 된다.
도 10 및 도 11은 도 4에 도시된 편광자(103_1)의 다른 형태를 도시하는 실시예들이다. 도 10 및 도 11에 도시된 편광자는 도 2 또는 도 4~8에 도시된 편광자(103_1~103_5) 구조일 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 도 4에 도시된 편광자(103_1)의 구조를 일 예로 설명하기로 한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예는 컬러필터(104)의 컬러에 따라 편광자(103_1)의 폭(Width)(W)이 서로 다르게 형성될 수 있다. 즉, 편광자(103_1)는 컬러필터(104)의 컬러 별로 좌우 폭(X 방향의 폭)(W)이 서로 다르게 설정될 수 있다.
예컨대, 단위 픽셀(UPX1)의 컬러필터(104)가 블루필터(BCF)이고, 단위 픽셀(UPX2)의 컬러필터(104)가 그린필터(GCF)이며, 단위 픽셀(UPX3)의 컬러필터(104)가 레드필터(RCF)인 것을 가정한다. 여기서, 블루필터(BCF), 그린필터(GCF), 레드필터(RCF)의 순으로 컬러의 파장이 길다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는 블루필터(BCF), 그린필터(GCF), 레드필터(RCF)의 순으로 편광자(103_1)의 폭(W)이 넓어지도록 구현할 수 있다. 즉, 단위 픽셀(UPX1)은 블루필터(BCF)와 대응되는 편광자(103_1)의 폭을 가장 좁게 형성하여 가장 짧은 파장을 갖는 블루 컬러만 투과될 수 있도록 한다. 그리고, 단위 픽셀(UPX3)은 레드필터(RCF)와 대응되는 편광자(103_1)의 폭을 가장 넓게 형성하여 가장 긴 파장을 갖는 레드 컬러만 투과될 수 있도록 한다. 즉, 가장 긴 파장을 갖는 레드필터(RCF)와 대응하는 편광자(103_1)의 폭이 가장 넓은 경우, 상대적으로 작은 파장을 갖는 블루 컬러와 그린 컬러의 투과율을 감소시킬 수 있다. 또한, 단위 픽셀(UPX2)은 그린필터(GCF)와 대응하는 편광자(103_1)의 폭을 중간 폭으로 형성하여 블루 컬러와 레드 컬러 사이의 파장을 갖는 그린 컬러만 투과될 수 있도록 한다. 즉, 중간 파장을 갖는 그린필터(GCF)와 대응하는 편광자(103_1)의 폭을 중간 넓이로 설정하는 경우, 상대적으로 작은 파장을 갖는 블루 컬러의 투과율을 감소시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예는 컬러필터(104)의 컬러에 따라 편광자(103_1)의 높이(Height)(H)가 서로 다르게 형성될 수 있다. 즉, 편광자(103_1)는 컬러필터(104)의 컬러 별로 상하 높이(Z 방향의 높이)(H)가 서로 다르게 설정될 수 있다.
예컨대, 단위 픽셀(UPX1)의 컬러필터(104)가 블루필터(BCF)이고, 단위 픽셀(UPX2)의 컬러필터(104)가 그린필터(GCF)이며, 단위 픽셀(UPX3)의 컬러필터(104)가 레드필터(RCF)인 것을 가정한다. 여기서, 블루필터(BCF), 그린필터(GCF), 레드필터(RCF)의 순으로 컬러의 파장이 길다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는 블루필터(BCF), 그린필터(GCF), 레드필터(RCF)의 순으로 편광자(103_1)의 높이(H)가 높아지도록 구현할 수 있다. 즉, 단위 픽셀(UPX1)은 블루필터(BCF)와 대응되는 편광자(103_1)의 높이를 가장 낮게 형성하여 가장 짧은 파장을 갖는 블루 컬러만 투과될 수 있도록 한다. 그리고, 단위 픽셀(UPX3)은 레드필터(RCF)와 대응되는 편광자(103_1)의 높이를 가장 높게 형성하여 가장 긴 파장을 갖는 레드 컬러만 투과될 수 있도록 한다. 즉, 가장 긴 파장을 갖는 레드필터(RCF)에 대응하는 편광자(103_1)의 높이가 가장 높은 경우, 상대적으로 작은 파장을 갖는 블루 컬러와 그린 컬러의 투과율을 감소시킬 수 있다. 또한, 단위 픽셀(UPX2)은 그린필터(GCF)와 대응되는 편광자(103_1)의 높이를 중간 높이로 형성하여 블루 컬러와 레드 컬러 사이의 파장을 갖는 그린 컬러만 투과될 수 있도록 한다. 즉, 중간 파장을 갖는 그린필터(GCF)와 대응하는 편광자(103_1)의 높이를 중간 높이로 설정하는 경우, 상대적으로 작은 파장을 갖는 블루 컬러의 투과율을 감소시킬 수 있다.
편광자(103_1)는 편광 방향으로 전자들이 진동할 수 있는 충분한 크기를 가지면 빛을 반사시켜 해당 편광 성분의 입사를 막는다. 전자들이 진동할 수 있는 크기는 빛의 파장에 대해 상대적이므로 모든 파장대에서 동일한 크기를 유지할 필요는 없다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 측정하고자 하는 파장이 길수록 편광자(103_1)의 폭(W) 또는 높이(H)를 증가시켜 원하는 편광 성분만 투과되도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 컬러필터(104)의 컬러에 대응하여 편광자(103_1)의 폭(W) 또는 높이(H)를 서로 다르게 형성하여 투과시키려는 컬러의 파장보다 낮은 파장을 갖는 컬러의 투과율을 감소시킨다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 타겟이 되는 파장 외의 빛 투과를 최소화시킴으로써 크로스 토크를 줄일 수 있도록 한다.
Claims (20)
- 제 1면과 제 2면을 포함하는 기판;
상기 제 1면의 상부에 형성되는 컬러필터;
상기 기판 내에 형성되며 상기 컬러필터에 대응하도록 배치되는 광전변환소자;
상기 제 1면과 상기 광전변환소자 사이에 형성되며 상기 기판의 내부에 매립되는 편광자를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
제 1방향을 따라 일정 간격으로 연속적으로 배치되는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
와이드 그리드 타입으로 형성되는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
금속 재질을 갖는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
상기 제 1면으로부터 상기 제 2면으로 갈수록 폭이 좁아지는 삼각형의 단면을 가지는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
제 1방향의 폭이 제 2방향의 폭보다 짧은 직사각형 형태의 단면을 갖는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
상기 제 1면으로부터 상기 제 2면으로 갈수록 폭이 좁아지는 역 사다리꼴 형태의 단면을 가지는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
상기 제 1면으로부터 상기 제 2면으로 갈수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 형태의 단면을 가지는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
제 1방향의 폭이 동일하게 유지되다가 하방으로 갈수록 폭이 줄어드는 형태의 단면을 가지는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
상기 제 1면에 인접한 영역에 형성된 제 1편광소자와, 상기 제 1편광소자의 하부에 형성된 제 2편광소자를 포함하며, 상기 제 1편광소자와 상기 제 2편광소자가 T 자 형태의 단면을 갖는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
서로 다른 컬러에 대응하여 제 1방향으로 서로 다른 폭을 갖는 이미지 센싱 장치. - 제 11항에 있어서, 상기 편광자는
상기 컬러의 파장이 길수록 상기 폭이 더 넓게 형성되는 이미지 센싱 장치. - 제 11항에 있어서, 상기 편광자는
상기 컬러필터가 제 1컬러를 갖는 단위 픽셀에 대응하는 제 1편광자;
상기 컬러필터가 제 2컬러를 갖는 단위 픽셀에 대응하는 제 2편광자; 및
상기 컬러필터가 제 3컬러를 갖는 단위 픽셀에 대응하는 제 3편광자를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제 13항에 있어서,
상기 제 1컬러가 블루이고, 상기 제 2컬러가 그린이며, 상기 제 3컬러가 레드인 경우, 상기 제 1편광자, 상기 제 2편광자, 상기 제 3편광자 순으로 상기 폭이 더 넓게 형성되는 이미지 센싱 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 편광자는
서로 다른 컬러에 대응하여 제 2방향으로 서로 다른 높이를 갖는 이미지 센싱 장치. - 제 15항에 있어서, 상기 편광자는
상기 컬러의 파장이 길수록 상기 높이가 더 높게 형성되는 이미지 센싱 장치. - 제 15항에 있어서, 상기 편광자는
상기 컬러필터가 제 1컬러를 갖는 단위 픽셀에 대응하는 제 1편광자;
상기 컬러필터가 제 2컬러를 갖는 단위 픽셀에 대응하는 제 2편광자; 및
상기 컬러필터가 제 3컬러를 갖는 단위 픽셀에 대응하는 제 3편광자를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제 17항에 있어서,
상기 제 1컬러가 블루이고, 상기 제 2컬러가 그린이며, 상기 제 3컬러가 레드인 경우, 상기 제 1편광자, 상기 제 2편광자, 상기 제 3편광자 순으로 상기 높이가 더 높게 형성되는 이미지 센싱 장치. - 제 1면과 제 2면을 포함하는 기판;
상기 제 1면의 상부에 형성되며, 제 1컬러를 갖는 제 1컬러필터;
상기 제 1면의 상부에 형성되며, 제 2컬러를 갖는 제 2컬러필터;
상기 제 1컬러필터의 하부에 형성되며 상기 기판의 내부에 매립되는 제 1편광자; 및
상기 제 2컬러필터의 하부에 형성되며 상기 기판의 내부에 매립되는 제 2편광자를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제 19항에 있어서, 상기 편광자는
상기 제 1컬러 및 상기 제 2컬러에 대응하여 제 1방향의 폭 및 제 2방향의 높이 중 어느 하나가 서로 다르게 형성되는 이미지 센싱 장치.
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