KR20230057769A - 포토다이오드 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 포토다이오드는 반도체층; 상기 반도체층 상에 배치되고, 투명 전도성 산화물을 포함하는 제1전도층; 및 상기 반도체층과 상기 제1전도층 사이에 배치되고, 상기 제1전도층과 다른 일함수를 가지며, 상기 반도체층과의 사이에 쇼트키 접합(Schottky Junction) 구조를 형성하는, 제2전도층;을 포함한다. 상기 제2전도층의 일함수는 쇼트키 배리어 높이를 낮출 수 있도록 설정되어, 넓은 파장 대역의 광을 센싱할 수 있다.

Description

포토다이오드 및 이를 포함하는 전자 장치 {Photo-diode and electronic device including the same}
개시된 실시예들은 포토다이오드 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
기존의 포토다이오드(photodiode) 또는 포토 센서(photosensor)에는 주로 가시광 대역에서 작동하는 실리콘 기반의 P-N 접합 기술이 널리 활용되고 있다. 이러한 구조는 특히, 가시광 대역에서 실리콘의 빛에 대한 흡수율이 크고, 광전류(photocurrent)의 선형성이 뛰어나고, 높은 양자 효율(~80%)과 낮은 잡음을 가지며, 또한, 실리콘의 가격도 저렴하므로 여러 종류의 CMOS 이미지 센서에 사용되고 있다.
한편, 실리콘의 P-N 접합을 활용하는 포토다이오드는 실리콘의 밴드갭 에너지(~1.12 eV) 보다 낮은 에너지의 포톤(photon)은 흡수할 수가 없다. 따라서, 실리콘 포토다이오드 또는 이를 응용한 실리콘 CMOS 이미지 센서는 주로 가시광(400~700 nm)용 카메라에 널리 사용된다.
가시광보다 긴 파장인 near infrared (700~1600 nm) 대역에서는 실리콘에서 광흡수가 잘 일어나지 않기 때문에 Ge 또는 InGaAs와 같이 낮은 밴드갭 에너지를 가지는 물질을 사용하여야 한다. 그러나 이런 물질들은 성장이나 합성이 어렵고 특히 실리콘 기판 위에 형성이 어렵기 때문에 매우 고가의 제품이나 특정 제품에 한정되어 개발되고 있다.
넓은 파장 대역의 광을 센싱할 수 있는 포토다이오드가 제공된다.
포토다이오드를 활용한 전자 장치가 제공된다.
실시예에 따르면, 반도체층; 상기 반도체층 상에 배치되고, 투명 전도성 산화물을 포함하는 제1전도층; 및 상기 반도체층과 상기 제1전도층 사이에 배치되고, 상기 제1전도층과 다른 일함수를 가지며, 상기 반도체층과의 사이에 쇼트키 접합(Schottky Junction) 구조를 형성하는, 제2전도층;을 포함하는, 포토 다이오드가 제공된다.
상기 제2전도층의 일함수는 상기 쇼트키 접합 구조의 쇼트키 배리어(Schottkey-barrier) 높이가 상기 제1전도층의 재질과 상기 반도체층의 재질이 접합되는 구조에서 나타나는 쇼트키 배리어 높이보다 낮은 값을 나타내도록 설정될 수 있다.
상기 반도체층이 n형인 경우, 상기 제2전도층의 일함수는 다음 조건을 만족할 수 있다.
φM > φMi > χs
여기서, φM은 상기 제1전도층의 일함수이고, φMi은 상기 제2전도층의 일함수이며, χs는 상기 반도체층의 전자친화도이다.
상기 반도체층이 p형인 경우, 상기 제2전도층의 일함수는 다음 조건을 만족할 수 있다.
φM < φMi < χs + Eg
여기서, φM은 상기 제1전도층의 일함수이고, φMi은 상기 제2전도층의 일함수이고, χs는 상기 반도체층의 전자친화도이며, Eg는 상기 반도체층의 밴드갭 에너지이다.
상기 제2전도층은 금속, 합금, 금속 산화물, 금속 질화물 또는, 실리사이드를 포함할 수 있다.
상기 제2전도층의 두께는 0보다 크고 10nm 이하일 수 있다.
상기 포토다이오드는 실리콘 기판을 더 포함하며, 상기 반도체층은 상기 실리콘 기판의 일부 영역일 수 있다.
상기 포토다이오드는 상기 실리콘 기판 상에 배치되어, 상기 쇼트키 접합 구조에 전기 신호를 인가하거나 상기 쇼트키 접합 구조에서 발생한 전기 신호를 측정하기 위한 전극들을 더 포함할 수 있다. .
상기 실리콘 기판은 상기 쇼트키 접합 구조와 이격되고 상기 반도체층보다 높은 도핑 농도를 갖는 오믹 컨택(Ohmic contact) 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 포토다이오드는 상기 제1전도층과 전기적으로 접촉하는 제1전극과, 상기 오믹 컨택 영역과 전기적으로 접촉하는 제2전극을 더 포함할 수 있다.
상기 포토다이오드는 가시광선 및 적외선 대역의 광을 센싱할 수 있다.
실시예에 따르면, 복수의 광 감지 요소를 포함하며, 상기 복수의 광 감지 요소 각각은 제1항의 포토 다이오드를 포함하는, 센서 어레이; 및 상기 복수의 광 감지 요소 각각에서 발생한 광전 신호를 판독하는 프로세서;를 포함하는, 이미지 센서가 제공된다.
상기 이미지 센서는 상기 센서 어레이 상에 배치되고, 상기 복수의 광 감지 요소와 각각 마주하는 복수의 필터 요소를 포함하는 필터 어레이를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 필터 요소는 적색 필터, 청색 필터, 녹색 필터를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 광전 신호를 처리하여 가시광 영상을 형성할 수 있다.
상기 복수의 필터 요소는 가시광 대역의 밴드 패스 필터와 적외선 대역의 밴드 패스 필터를 포함할 수 있다.
상기 복수의 필터 요소는 이차원적으로 반복 배열된 복수의 필터 그룹을 포함하며, 상기 복수의 필터 그룹 각각은 상기 복수의 광 감지 요소와 각각 마주하게 배치된 적색 필터, 녹색 필터, 청색 필터 및 적외선 필터를 포함할 수 있다.
상기 광전 신호를 처리하여, 가시광 영상 및 적외선 영상을 형성할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 광전 신호를 처리하여, 3차원 영상을 형성할 수 있다.
상기 필터 요소는 적외선 대역 투과 필터를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 광전 신호를 처리하여 적외선 영상을 형성할 수 있다.
실시예에 따르면, 피사체로부터 반사된 광을 집속하여 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리; 및 상기 렌즈 어셈블리에서 형성한 광학 상을 전기 신호로 변환하는 제12항의 이미지 센서;를 포함하는, 전자 장치.
실시예에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 배치된 광원; 상기 광원에서의 광을 전송하는 광도파로; 및 상기 광도파로를 통해 전송된 광을 전기 신호로 변환하는 전술한 어느 하나의 포토 다이오드를 포함하는, 광 집적 회로가 제공된다.
상기 기판은 실리콘 기판이고, 상기 포토 다이오드의 반도체층은 실리콘 기반의 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 광원은 800nm 내지 1700nm 파장 범위의 광을 출력할 수 있다.
상술한 포토다이오드는 가시광 대역과 적외선 대역을 포함하는 넓은 파장 대역의 광을 센싱할 수 있다.
상술한 포토다이오드는 간소한 구조를 가지며 높은 외부 광자 효율을 나타낼 수 있다.
상술한 포토다이오드는 일반적인 P-N 접합 보다 낮은 전압에서 구동 가능하며, 고속 switching이 가능하다. 또한 P-N 접합 기술 보다 CMOS process가 간단하여 양산 비용이 절감되는 효과가 있다.
상술한 포토다이오드는 다양한 파장 대역에 적용가능한 이미지 센서를 제공할 수 있고, 상술한 이미지 센서를 구비하는 카메라 모듈은 다양한 전자 장치에 활용될 수 있다.
상술한 포토다이오드는 실리콘 포토닉스에 용이하게 활용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 포토다이오드의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 포토다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 보이며, 각각 바이어스 전압이 인가되지 않은 상태와 역바이어스 전압이 인가된 상태에 대한 것이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 포토다이오드의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 포토다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 보이며, 각각 바이어스 전압이 인가되지 않은 상태와 역바이어스 전압이 인가된 상태에 대한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 비교예에 따른 포토다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 보이며, 각각 바이어스 전압이 없는 상태 및 역 바이어스 전압이 인가된 상태에 대한 것이다.
도 6 내지 도 9는 실리콘 기판에 구현한 다양한 예의 포토다이오드의 개략적인 구조를 보이는 단면도들이다.
도 10a 및 도 10b은 실시예에 따른 포토다이오드에 대한 광전 신호 측정 결과를 보이는 그래프들이다.
도 11은 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 12는 도 11의 이미지 센서의 회로 구성을 보이는 블록도이다.
도 13 내지 도 15는 도 11의 이미지 센서에 구비될 수 있는 필터 어레이의 예들을 보이는 평면도이다.
도 16은 실시예에 따른 이미지 센서를 구비하는 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 17은 도 16의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 18은 실시예에 따른 광 집적 회로의 예시적인 구성을 개념적으로 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 포토다이오드의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
포토다이오드(100)는 반도체층(110), 반도체층(110) 상에 배치된 제1전도층(150), 제1전도층(150) 상에 배치된 제2전도층(130)을 포함한다.
제1전도층(150)은 적외선 내지 가시광선 대역의 광에 대해 투명한 성질을 갖는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)을 포함한다. 제1전도층(150)은 예를 들어, ITO, IWO, IZO, GZO, GIZO, 또는 AZO를 포함할 수 있다.
제2전도층(130)은 반도체층(110)과의 사이에 쇼트키 접합(Schottky Junction) 구조(SBJ)를 형성하는 것으로, 제1전도층(150)과 다른 일함수를 가지는 물질로 이루어진다. 제2전도층(130)의 일함수는 쇼트키 배리어(Schottky Barrer)의 높이를 낮출 수 있도록, 인접하는 제1전도층(150), 반도체층(110)의 물질을 고려하여 정해진다. 제2전도층(130)의 일함수는 예를 들어, 쇼트키 접합(Schottky Junction) 구조(SBJ)에 형성되는 쇼트키 배리어의 높이가 제1전도층(150)을 이루는 물질과 반도체층(110)을 이루는 물질의 두 층으로 쇼트키 접합 구조가 형성되는 경우의 쇼트키 배리어 높이보다 낮아지도록, 설정될 수 있다. 쇼트키 배리어 높이는 입사광에 의해 제2전도층(130)에 형성된 캐리어가 반도체층(110)으로 이동하기 위해 필요한 에너지로서, 이하에서 쇼트키 배리어 에너지라는 표현과 혼용될 수 있다. 제2전도층(130)은 금속, 합금, 금속 산화물, 금속 질화물 또는, 실리사이드(silicide)를 포함할 수 있다. 제2전도층(130)은 예를 들어, IZO, GIZO, AZO, TiN, Ti. Al, AlNd, Pt, Ni, Silicide, Oxide를 포함할 수 있다. Silicicide는 예를 들어, PtSi, NiSi, IrSi, OsSi, 또는, Ru2Si3를 포함할 수 있다.
제2전도층(130)의 두께는 제1전도층(150)을 통해 입사된 광이 통과될 수 있는 두께로 설정된다. 제2전도층(130)의 두께는 0보다 크고 대략 10nm 이하일 수 있다. 제2전도층(130)의 두께는 5nm 이하 또는 3nm 이하일 수 있다.
반도체층(110)은 실리콘 반도체를 포함할 수 있다. 반도체층(110)은 n-Si일 수 있다. 반도체층(110)의 재질, 도전형(n형, p형) 여하 및 제1전도층(150)의 일함수에 따라 제2전도층(130)의 일함수는 다르게 설정된다.
반도체층(110)이 n형인 경우, 제2전도층(130)의 일함수는 다음 요건을 만족할 수 있다.
φM > φMi > χs (1)
여기서, φM은 제1전도층(150)의 일함수이고, φMi은 제2전도층(130)의 일함수이며, χs는 반도체층(110)의 전자친화도이다.
제1전도층(150)이 ITO이고, 반도체층(110)이 n-Si일 때, 제2전도층(130)은 예를 들어, TiN일 수 있다. 다만, 이는 예시적이며, 이에 한정되지 않는다. 제2전도층(130)으로는 TiN 외에, AlN, TaN, Ta2N, Ta3N5, W2N, WN, WN2 와 같은 금속 질화물, 이외에도 일함수가 비교적 작은 물질로 Ta, Al, Ti, Mo, V, Mn, Nb, Mo 등이 가능하다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 포토다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 보이며, 각각 바이어스 전압이 없는 상태와 역바이어스 전압이 인가된 상태에 대한 것이다.
도면에서, 제2전도층(130)의 일함수(φMi)는 식 (1)의 요건에 따라 도시되고 있다.
쇼트키 배리어 높이(에너지) φB는 다음 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
(2)
제1전도층(150)이 ITO이고, 제2전도층(130)이 TiN이고, 반도체층(110)이 n-Si인 경우, φB는 식(2)에 따라, 4.5-4.05=0.45eV 가 된다.
한편, ITO와 n-Si의 결합에 의해 쇼트키 배리어가 형성되는 경우의 쇼트키 배리어 높이는 φM -χs 의 식으로 계산되며, 4.7-4.05=0.65(eV) 이다.
즉, 실시예에서의 쇼트키 배리어 높이(에너지)는 제1전도층(150)의 재질과 반도체층(110)의 재질이 결합된 경우의 쇼트키 배리어 높이보다 낮게 나타난다. 쇼트키 배리어 높이가 낮아지는 경우, 포토다이오드(100)가 센싱할 수 있는 광 에너지가 낮아지므로, 보다 긴 파장의 광을 센싱할 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 포토다이오드의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다. 도 4a 및 도 4b는 도 3의 포토다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 보이며, 각각 바이어스 전압이 인가되지 않은 상태와 역바이어스 전압이 인가된 상태에 대한 것이다.
포토다이오드(101)는 반도체층(111), 반도체층(111) 상에 배치된 제1전도층(150), 제1전도층(150) 상에 배치된 제2전도층(131)을 포함한다.
본 실시예의 포토다이오드(101)는 반도체층(111)이 p-Si를 포함하고, 이에 따라, 제2전도층(131)의 일함수가 설정된 점에서, 도 1의 포토다이오드(100)와 차이가 있다. 제2전도층(131)의 일함수는 다음 요건을 만족한다.
φM < φMi < χs + Eg (3)
여기서, φM은 제1전도층(150)의 일함수이고, φMi은 제2전도층(131)의 일함수이고, χs는 반도체층(111)의 전자친화도이며, Eg는 상기 반도체층(111)의 밴드갭 에너지이다.
제1전도층(150)이 ITO이고, 반도체층(110)이 p-Si일 때, 제2전도층(130)은 예를 들어, Cu 또는 Ni일 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 에너지 밴드 다이어그램에서 제2전도층(131)의 일함수(φMi)는 식 (3)의 요건에 따라 도시되고 있다.
쇼트키 배리어 높이(에너지) φB는 다음 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00002
(4)
제1전도층(150)이 ITO이고, 제2전도층(131)이 Cu(111)이고, 반도체층(111)이 p-Si 인 경우, φB는 식(4)에 따라, 1.12-(4.98-4.05)=0.19 (eV)가 된다.
제1전도층(150)이 ITO이고, 반도체층(111)이 p-Si이고 제2전도층(131)이 Ni(110)인 경우, φB는 식(4)에 따라, 1.12-(5.04-4.05)=0.13 (eV)가 된다.
한편, ITO와 p-Si의 결합에 의한 쇼트키 배리어 높이는 Eg-(φM -χs)의 식으로 계산될 수 있고, 1.12-(4.7-4.05)=0.47(eV)이다.
이와 같이, 반도체층(111)이 p형인 실시예의 포토다이오드(101)의 경우에도, 쇼트키 배리어 높이(에너지)는 제1전도층(150)의 재질과 반도체층(111)의 재질이 결합된 경우의 쇼트키 배리어 높이보다 낮게 나타난다. 쇼트키 배리어 높이가 낮아지는 경우, 포토다이오드(101)가 센싱할 수 있는 광 에너지가 낮아지므로, 보다 긴 파장의 광을 센싱할 수 있다.
상술한 포토다이오드(100)(101)과 같이, 전도층과 반도체층의 결합에 의한 Schottky junction을 구비하는 경우, 전도층 내부에서의 광흡수에 의한 internal photoemission effect(IPE)에 의해, 쇼트키 배리어를 넘어서는 입사광 에너지만 있으면 광전류(photocurrent) 생성이 가능하다. 따라서, 일반적인 실리콘 P-N 접합 구조에서 가시광 대역의 광만을 센싱할 수 있는 것과 달리, 가시광보다 긴 파장의 광을 포함하여 넓은 파장 대역의 광을 센싱할 수 있다.
상술한 실시예의 포토다이오드(100)(101)는 또한, internal photoemission(IPE) 및 photovoltaic(PV)의 두 mechanism에 의해 광을 센싱할 수 있다. 즉, 입사광의 에너지(hυ)가 쇼트키 배리어 높이(φB)보다 크고 반도체층의 밴드갭 에너지(Eg)보다 작은 경우, 즉, Eg > hυ > φB 인 경우, IPE 작용으로 광을 센싱하게 되며, 입사광의 에너지(hυ)가 반도체층의 밴드갭 에너지(Eg)보다 큰 경우, 즉, hυ > Eg 인 경우, PV 작용으로 광을 센싱하게 된다.
이와 같이, 실시예의 포토다이오드(100)(101)는 쇼트키 배리어를 낮추고, 두 가지 작용으로 광전류를 생성할 수 있어, 넓은 파장 대역, 예를 들어, 가시광 대역과 적외선 대역을 모두 포함하는 파장 대역의 광을 효율적으로 센싱할 수 있다. 실시예의 포토다이오드(100)(101)는 예를 들어, 400nm~1700nm 파장 대역의 광을 센싱할 수 있다.
실시예의 포토다이오드(100)(101)는 역방향 전압 인가시 P-N 접합 보다 낮은 전압에서도 구동 가능하며, 고속으로 순방향과 역방향 바이어스 전환이 가능하여 고속 switching이 가능하다. 또한 P-N 접합 기술 보다 CMOS process가 간단하여 양산 비용이 절감되는 효과가 있다.
도 5a 및 도 5b는 비교예에 따른 포토다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 보이며, 각각 바이어스 전압이 없는 상태 및 역 바이어스 전압이 인가된 상태에 대한 것이다.
비교예의 포토다이오드는 반도체층(11)과 전도층(14)이 접합되어 쇼트키 배리어를 형성하는 구조이며 반도체층(11)은 n형인 경우이다. 전도층(14)이 금속 물질로 이루어진 경우, IPE 작용의 1-mechanism으로만 광을 센싱한다. 입사광의 에너지(hυ)가 쇼트키 배리어 높이(φB)보다 크고 반도체층의 밴드갭 에너지(Eg)보다 작은 경우, 즉, Eg > hυ > φB 인 경우, IPE 작용으로 광을 센싱한다. 입사광의 에너지(hυ)가 반도체층(11)의 밴드갭 에너지(Eg)보다 큰, hυ > Eg 인 경우, 이러한 가시광 대역의 광은 금속 물질로 된 전도층(14)에서 대부분 반사된다.
또는, 전도층(14)이 ITO와 같이 투명 전도성 물질로 이루어진 경우라면, 반도체층이 n-Si일 때, 쇼트키 배리어 높이는 φM -χs 의 식으로 계산되며, 4.7-4.05=0.65(eV) 이다. 이러한 수치는 도 2a 설명시 살펴본 바와 같이, ITO와 n-Si 사이에 ITO와 다른 일함수의 전도층, 예를 들어, TiN이 게재된 실시예의 경우의 쇼트키 배리어 0.45eV 보다 높다. 다시 말하면, 비교예의 경우에는 실시예와 달리, 0,65eV보다 작고 0.45eV보다 큰 광 에너지를 가지는 광을 센싱할 수 없다.
도 6 내지 도 9는 실리콘 기판에 구현한 다양한 예의 포토다이오드의 개략적인 구조를 보이는 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 포토다이오드(103)는 n형의 실리콘 기판(113) 상에 형성된 제2전도층(133), 제1전도층(150)을 포함한다. 실리콘 기판(113)과 제2전도층(133)의 계면에 쇼트키 배리어 접합 구조(SBJ)가 형성된다.
실리콘 기판(113) 상에는 쇼트키 접합 구조(SBJ)에 전기 신호를 인가하거나, 쇼트키 접합 구조(SBJ)에서 발생한 전기 신호를 측정하기 위한 전극들이 더 형성될 수 있다. 예를 들어, 도시한 바와 같이, 제1전도층(150)과 전기적으로 접촉하는 제1전극(180), 제1전도층(150)과는 이격되며 실리콘 기판(113)과 전기적으로 접촉하는 제2전극(190)이 배치될 수 있다. 실리콘 기판(113)의 일부 영역에 다른 영역보다 높은 고농도로 n형 도펀트로 도핑된 오믹 컨택 영역(163)이 형성될 수 있다. 제2전극(190)은 오믹 컨택 영역(163)과 접촉되게 형성될 수 있다. 제1전극(180)은 제1전도층(150), 제2전도층(133)의 측면 및 상면 일부와 접촉하는 형태로 형성될 수 있으며, 이는 예시적인 것이다. 제1전극(180)은 제1전도층(150)을 통해 광이 입사되는 개구를 확보하면서 제1전도층(150)에 전기적으로 접촉될 수 있는 다양한 형태를 가질 수 있다.
제1전극(180), 제2전극(190)은 각각 복수층으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, TiN층, Mo층을 포함할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 제1전극(180), 제2전극(190) 각각과 실리콘 기판(113) 사이에는 절연층(170)이 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 포토다이오드(104)는 p형의 실리콘 기판(114') 상에 형성된 제2전도층(134), 제1전도층(150)을 포함한다. p형의 실리콘 기판(114')의 일부 영역에 n형 우물층(114)이 형성되고, n형 우물층(114)과 제2전도층(134)의 계면에 쇼트키 배리어 접합 구조(SBJ)가 형성된다. n형 우물층(114)의 일부 영역이 n형 도펀트로 고농도로 도핑되어 오믹 컨택 영역(164)을 형성하며, 제2전극(190)은 오믹 컨택 영역(164)에 접촉되게 형성된다.
도 8을 참조하면, 포토다이오드(105)는 p형의 실리콘 기판(115) 상에 형성된 제2전도층(135), 제1전도층(150)을 포함한다. 실리콘 기판(115)과 제2전도층(135)의 계면에 쇼트키 배리어 접합 구조(SBJ)가 형성된다. 실리콘 기판(115)의 일부 영역에 다른 영역보다 높은 고농도로 p형 도펀트로 도핑된 오믹 컨택 영역(165)이 형성될 수 있다. 제2전극(190)은 오믹 컨택 영역(165)과 접촉되게 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 포토다이오드(106)는 n형의 실리콘 기판(116') 상에 형성된 제2전도층(136), 제1전도층(150)을 포함한다. n형의 실리콘 기판(116')의 일부 영역에 p형 우물층(116)이 형성되고, p형 우물층(116)과 제2전도층(136)의 계면에 쇼트키 배리어 접합 구조(SBJ)가 형성된다. p형 우물층(116)의 일부 영역이 n형 도펀트로 고농도로 도핑되어 오믹 컨택 영역(166)을 형성하며, 제2전극(190)은 오믹 컨택 영역(166)에 접촉되게 형성된다.
도 10a 및 도 10b는 실시예에 따른 포토다이오드에 대한 광전 신호 측정 결과를 보이는 그래프로서 각각 Linear plot과 Log plot이다.
도 10a 및 도 10b는 ITO-TiN-nSi 구조에 대한 것이며, 인가 전압에 따라 980nm 파장의 광에 의한 전류 신호를 측정한 결과이다. dark current가 약 0.5 nA로 측정된 전압 조건에서, 파장 980 nm 광이 입사할 경우, dark current 대비 약 3016배 높은 광 전류(photocurrent)가 생성되는 것으로 측정되었다.
상술한 포토다이오드는 넓은 파장 대역의 광에 대해 높은 외부 양자 효율을 나타낼 수 있다. 이러한 포토다이오드는 제2전도층의 재질을 제1전도층, 반도체층과의 관계에서 적절히 설정하여 동작 파장 대역이 정해질 수 있고, 다양한 파장 대역의 광에 적합한 광 센서로 활용될 수 있다.
상술한 포토다이오드는 가시광 이미지를 획득하기 위한 일반 카메라의 이미지 센서로 활용될 수 있을 뿐 아니라, 근적외선(near infrared; NIR, short wavelength infrared; SWIR)를 활용하여, 야간, 방범용 카메라에 적합한 이미지 센서로 활용될 수 있다. 또한, 적외선(mid wavelength infrared;MWIR, long wavelength infrared; LWIR)을 활용하는 열화상 카메라, 군사용 카메라에 적합한 이미지 센서로 활용될 수 있다.
이하에서는 상술한 포토다이오드를 활용한 다양한 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 설명할 것이다. 상술한 바와 같이 이미지 센서의 동작 파장 대역은 포토다이오드에 형성되는 쇼트키 배리어의 높이에 따라 조절되는 것이므로, 이하 설명에서 이미지 센서의 동작 파장 대역은 특별히 한정되지 않는다.
도 11은 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 12는 도 11의 이미지 센서의 회로 구성을 보이는 블록도이다.
이미지 센서(1000)는 복수의 화소(PX)를 포함하는 화소 어레이(1100)를 포함한다. 화소 어레이(1100)는 복수의 광 감지 요소(SE)들을 구비하는 센서 어레이(1110)를 포함한다. 센서 어레이(1110)의 광 감지 요소(SE)에는 전술한 포토다이오드(100)(101)(103)(104)(105)(106) 중 어느 하나 또는 이들로부터 또는 이들로부터 조합 변형된 구조가 채용될 수 있다. 인접하는 광 감지 요소(SE)들 사이에는 분리막이 형성될 수도 있다. 센서 어레이(1110) 상에는 복수의 광 감지 요소(SE)와 각각 마주하는 복수의 필터 요소(FE)를 포함하는 필터 어레이(1130)가 배치될 수 있다. 필터 요소(FE)는 소정 파장 대역에 대한 대역 투과 필터일 수 있으며, 이미지 센서(1000)에서 획득하고자 하는 영상 종류에 따라 알맞은 파장 대역의 필터 요소(FE)가 설정될 수 있다. 필터 요소(FE)는 예를 들어, 가시광 대역의 밴드 패스 필터 또는 적외선 대역의 밴드 패스 필터일 수 있다. 필터 어레이(1130)는 서로 다른 복수 파장 대역을 투과시키는 복수 종류의 필터 요소(FE)를 포함할 수 있다. 필터 어레이(1130)는 일반적인 컬러 필터일 수도 있다. 광 감지 요소(SE) 및 이에 대응하게 배치된 필터 요소(FE)를 이하에서는 화소(PX)로 지칭할 수 있다.
이미지 센서(1000)는 또한, 복수의 광 감지 요소(SE) 각각과 연결된 회로 요소들을 포함하며 복수의 광 감지 요소(SE) 각각에서 발생한 광전 신호를 판독하는 회로부를 포함한다. 도 12에 도시된 회로 기판(SU)에는 상기 회로부의 적어도 일부가 구비될 수 있고, 광 감지 요소(SE)들은 회로 기판(SU)내의 회로 요소와 연결되도록 회로 기판(SU) 상에 배치될 수 있다.
이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 출력 회로(1030) 및 프로세서(1070)를 포함할 수 있다.
화소 어레이(1100)의 화소(PX)들은 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열될 수 있다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 중에서 하나를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC, 또는, 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다.
프로세서(1070)는 출력 회로(1030)로부터의 전기 신호를 처리하여 영상을 형성할 수 있다. 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 구비되는 화소(PX)들은 가시광 대역 및 적외선 대역의 광을 모두 센싱할 수 있는 포토 다이오드를 광 감지 요소(SE)로 사용하므로, 출력 회로(1030)로부터 나오는 전기 신호는 가시광에 의한 광전 신호(S1) 및/또는 적외선에 의한 광전 신호(S2)를 포함할 수 있다. 따라서, 프로세서(1070)는 이러한 신호를 처리하여, 가시광 영상 및/또는 적외선 영상을 형성할 수 있고, 3차원 영상을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 가시광에 의한 광전 신호(S1)로부터 2차원 영상을 형성하고, 적외선에 의한 광전 신호(S2)로부터 2차원 영상의 각 위치의 깊이 정보를 ToF(time of flight) 방법 등으로 연산한 후, 2차원 영상에 깊이 정보를 결합하여 3차원 영상을 형성할 수도 있다.
타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 출력 회로(1030) 및 프로세서(1070)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다.
도 13 내지 도 15는 도 11의 이미지 센서에 구비될 수 있는 필터 어레이의 예들을 보이는 평면도이다.
도 13을 참조하면, 필터 어레이(1130)는 적색 필터(RF), 녹색 필터(GF), 청색 필터(BF)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 베이어 패턴의 화소 배열을 형성하도록, 두 개의 녹색 필터(GF)와 하나의 적색 필터(RF), 하나의 청색 필터(BF)가 하나의 필터 그룹(G1)을 형성하고 필터 그룹(G1)이 이차원적으로 배열될 수 있다. 이러한 필터 어레이(1130)가 이미지 센서(1000)에 적용될 때, 이미지 센서(1000)의 프로세서(1070)는 화소 별 신호를 처리하여 가시광 영상을 형성할 수 있다.
도 13에서는 가시광 영상을 형성하기 위해 베이어 패턴 형태의 컬러 배열을 가지는 필터 그룹(G1)를 예시하였으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색의 컬러 배열을 사용하는 RGBW 방식이나, 사이안, 마젠타, 녹색, 옐로우의 컬러 배열을 사용하는 CMGY 형태로 필터 그룹을 형성하고, 이들을 활용하여 가시광 영상을 형성하기 할 수도 있다.
도 14를 참조하면, 필터 어레이(1130)는 적색 필터(RF), 녹색 필터(GF), 청색 필터(BF) 및 적외선 필터(IF)를 포함할 수 있다. 적색 필터(RF), 녹색 필터(GF), 청색 필터(BF) 및 적외선 필터(IF)가 하나의 필터 그룹(G2)을 헝성하고 이러한 복수의 필터 그룹(G2)이 이차원적으로 배열될 수 있다.
이러한 필터 어레이(1130)가 이미지 센서(1000)에 적용될 때, 이미지 센서(1000)의 프로세서(1070)는 화소 별 신호를 처리하여 두 종류의 영상, 즉, 가시광 영상과 적외선 영상을 형성할 수 있다.
이미지 센서(1000)는 3차원 영상을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 적색 필터(RF), 녹색 필터(GF), 청색 필터(BF)에 대응하는 화소에서의 전기 신호로부터 2차원 영상을 형성하고, 적외선 필터(IF)에 대응하는 화소에서의 전기 신호로부터 2차원 영상의 각 위치의 깊이 정보를 ToF(time of flight) 방법 등으로 연산한 후, 2차원 영상에 깊이 정보를 결합하여 3차원 영상을 형성할 수 있다.
도 14에서 적색 필터(RF), 녹색 필터(GF), 청색 필터(BF) 및 적외선 필터(IF)는 모두 같은 개수로 구비된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 적외선 필터(IF)는 다른 개수 및/또는 다른 배열로 구비될 수도 있다.
도 15를 참조하면, 필터 어레이(1130)의 필터 요소들은 모두 적외선 필터(IF)일 수 있다. 이러한 필터 어레이(1130)가 이미지 센서(1000)에 적용될 때, 이미지 센서(1000)의 프로세서(1070)는 화소 별 신호를 처리하여 적외선 영상을 형성할 수 있다.
도 15와 같은 필터 어레이(1130)는 도시된 바와 같은 영역 구분 없이 한 장의 필터로 구성될 수도 있다. 또는, 적외선 필터(IF)는 투과 파장 대역의 다른 복수 종류의 적외선 필터(IF)를 포함할 수도 있다.
도 16은 실시예에 따른 이미지 센서를 구비하는 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이고, 도 17은 도 16의 전자 장치에 구비되는 카메라 모듈의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 16을 참조하면, 네트워크 환경(2200)에서 전자 장치(2201)는 제1 네트워크(2298)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(2202)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(2299)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(2204) 및/또는 서버(2208)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 서버(2208)를 통하여 전자 장치(2204)와 통신할 수 있다. 전자 장치(2201)는 프로세서(2220), 메모리(2230), 입력 장치(2250), 음향 출력 장치(2255), 표시 장치(2260), 오디오 모듈(2270), 센서 모듈(2210), 인터페이스(2277), 햅틱 모듈(2279), 카메라 모듈(2280), 전력 관리 모듈(2288), 배터리(2289), 통신 모듈(2290), 가입자 식별 모듈(2296), 및/또는 안테나 모듈(2297)을 포함할 수 있다. 전자 장치(2201)에는, 이 구성요소들 중 일부가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(2210)의 지문 센서나 또는, 홍채 센서, 조도 센서 등은 표시 장치(2260)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.
프로세서(2220)는, 소프트웨어(프로그램(2240) 등)를 실행하여 프로세서(2220)에 연결된 전자 장치(2201) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(2220)는 다른 구성요소(센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(2232)에 로드하고, 휘발성 메모리(2232)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(2234)에 저장할 수 있다. 프로세서(2220)는 메인 프로세서(2221)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(2223)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(2223)는 메인 프로세서(2221)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.
보조 프로세서(2223)는, 메인 프로세서(2221)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(2221)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(2221)와 함께, 전자 장치(2201)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(2260), 센서 모듈(2210), 통신 모듈(2290) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(2223)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(2280), 통신 모듈(2290) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.
메모리(2230)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220), 센서모듈(2210) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(2240) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(2230)는, 휘발성 메모리(2232) 및/또는 비휘발성 메모리(2234)를 포함할 수 있다.
프로그램(2240)은 메모리(2230)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(2242), 미들 웨어(2244) 및/또는 어플리케이션(2246)을 포함할 수 있다.
입력 장치(2250)는, 전자 장치(2201)의 구성요소(프로세서(2220) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(2201)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(2250)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(2255)는 음향 신호를 전자 장치(2201)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(2255)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.
표시 장치(2260)는 전자 장치(2201)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(2260)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 상술한 디스플레이 장치(1000)(1001)(1002)(1003) 중 어느 하나 또는 이들로부터 변형된 구조의 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 표시 장치(2260)는 복수개로 구비될 수도 있다.
오디오 모듈(2270)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(2270)은, 입력 장치(2250)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(2255), 및/또는 전자 장치(2201)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(2210)은 전자 장치(2201)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(2210)은, 지문 센서, 가속도 센서, 위치 센서, 3D 센서등을 포함할 수 있고, 이 외에도 홍채 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(2277)는 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(2277)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(2278)는, 전자 장치(2201)가 다른 전자 장치(전자 장치(2102) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(2278)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(2279)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(2279)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(2280)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 하나 이상의 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 전술한 이미지 센서(1000), 또는 이로부터 변형된 구조를 가질 수 있고, 이미지 센서(1000)의 화소들은 전술한 포토다이오드(100)(101)(103)(104)(105)(106) 중 어느 하나 또는 이로부터 조합, 변형된 구조를 를 가질 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 다양한 파장 대역에 대해 동작하는 복수개로 구비될 수도 있다.
어플리케이션(2246)은 표시 장치(2260)와 연계하여 실행되는 하나 이상의 어플리케이션을 포함할 수 있다. 이러한 어플리케이션은 사용자 환경에 알맞는 부가 정보를 표시 장치(2260)에 표시되도록 할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(2280)은 사용자 환경을 인식하는 센서로 활용될 수 있고, 인식된 결과에 따라 필요한 부가 정보가 표시 장치(2260)에 표시될 수 있다.
전력 관리 모듈(2288)은 전자 장치(2201)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(388)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(2289)는 전자 장치(2201)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(2289)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(2290)은 전자 장치(2201)와 다른 전자 장치(전자 장치(2102), 전자 장치(2104), 서버(2108) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 프로세서(2220)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 통신 모듈(2290)은 무선 통신 모듈(2292)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(2294)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(2298)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(2299)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(2292)은 가입자 식별 모듈(2296)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(2201)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(2297)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(2297)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(2290)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(2298) 및/또는 제2 네트워크(2299)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(2290)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(2297)의 일부로 포함될 수 있다.
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(2299)에 연결된 서버(2208)를 통해서 전자 장치(2201)와 외부의 전자 장치(2204)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(2202, 2204)은 전자 장치(2201)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(2201)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(2202, 2204, 2208) 중 하나 이상의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(2201)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 이상의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 이상의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(2201)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
도 17을 참조하면, 카메라 모듈(2280)은 렌즈 어셈블리(CM10), 플래시(CM20), 이미지 센서(CM30), 이미지 스태빌라이저(CM40), 메모리(CM50)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(CM60)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(CM30)는 전술한 포토다이오드 (100) (101) (103) (104) (105) (106)들을 활용한 이미지 센서, 예를 들어, 도 11, 도 12에서 설명한 이미지 센서(1000)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(CM30)는 컬러 필터와 함께 RGB 센서, BW(Black and White) 센서로 구현될 수 있고, 또는 IR 센서, 또는 UV 센서로 구현될 수도 있고, 또는 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 더 포함할 수도 있다. 이미지 센서(CM30)에 포함된 각각의 센서들은, 전술한 포토다이오드 소자 (100) (101) (103) (104) (105) (106)들을 활용한 센서 외에, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수도 있다.
렌즈 어셈블리(CM10)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 렌즈 어셈블리(CM10)는 피사체로부터의 광을 집속하여 이미지 센서(CM30)에 광학 상(optical image)를 형성할 수 있다. 카메라 모듈(2280)은 복수의 렌즈 어셈블리(CM10)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(2280)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(CM10)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(CM10)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래시(CM20)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래시(CM20)는 하나 또는 복수의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 플래시(CM20)는 이미지 센서(CM30)의 동작 파장 대역에 알맞은 광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 가시광, 근적외선, 또는 적외선 대역의 광을 제공할 수 있다.
이미지 스태빌라이저(CM40)는 카메라 모듈(2280) 또는 이를 포함하는 전자 장치(CM01)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(CM10)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지센서(1000)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(CM40)는 카메라 모듈(2280)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(2280) 또는 전자 장치의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(CM40)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(CM50)는 이미지센서(1000)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(CM50)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(CM60)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(CM50)는 전자 장치(2201)의 메모리(2230)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(CM60)는 이미지 센서(CM30)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(CM50)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다.
이미지 처리들은, 이외에도, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 카메라 모듈(2280)에 포함된 구성 요소들(이미지 센서(CM30) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(CM50)에 다시 저장되거나 카메라 모듈(2280)의 외부 구성 요소(메모리(2230), 표시 장치(2260), 전자 장치(2202), 전자 장치(2204), 서버(2208) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 프로세서(2220)에 통합되거나, 프로세서(2220)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)가 프로세서(2220)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(CM60)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(2220)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(2260)를 통해 표시될 수 있다.
전자 장치(2201)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(2280)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 복수의 카메라 모듈(2280)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다. 복수의 카메라 모듈(2280)들은 가시광 카메라, 적외선 카메라, 또는 3차원 카메라를 포함할 수 있다.
실시예들에 따른 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.
실시예들에 따른 이미지센서(1000)는 모바일폰 또는 스마트폰, 태블릿 또는 스마트 태블릿, 디지털 카메라 또는 캠코더, 노트북 컴퓨터, 텔레비전 또는 스마트 텔레비전 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰 또는 스마트 태블릿은 고해상 이미지센서가 각각 탑재된 복수의 고해상 카메라를 포함할 수 있다. 고해상 카메라들을 이용하여 영상 내 피사체들의 깊이 정보를 추출하거나, 영상의 아웃포커싱을 조절하거나, 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 스마트 냉장고, 보안 카메라, 로봇, 의료용 카메라 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고는 이미지센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 차량에 적용될 수 있다. 차량은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라를 포함할 수 있으며. 복수의 차량용 카메라 중 일부는 가시광 이미지를 획득하는 카메라일 수 있고, 일부는 야간용 적외선 이미지를 획득하는 카메라일 수 있다. 차량은 복수의 차량용 카메라를 이용하여 차량내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수도 있다.
이 외에도, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC(personal computer), 가전 제품, 보안 카메라, 군사용 카메라, 의료용 카메라, 또는 사물인터넷(IoT;Internet of Things) 기기, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치 등에 상술한 이미지 센서가 구비될 수 있다. 이러한 기기에 탑재된 카메라들을 이용하여 어두운 환경, 사람이 직접 접근할 수 없는 환경 등, 다양한 환경에서 영상을 획득하고 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다. 또한, 증강 현실 장치에서 사용자 환경을 인식하고 이에 알맞은 부가 영상을 제공할 수 있다.
도 18은 실시예에 따른 광 집적 회로의 예시적인 구성을 개념적으로 보이는 블록도이다.
광 집적 회로(3000)는 광원(3100), 광원(3100)에서의 광을 전송하는 광도파로(3400), 광도파로(3400)를 통해 전송된 광을 전기 신호로 변환하는 포토디텍터(3600)를 포함할 수 있다. 포토디텍터(3600)는 전술한 포토다이오드(100)(101)(103)(104)(105)(106)들 중 어느 하나 또는 이들의 변형된 구조를 포함할 수 있다.
이러한 구조는 예를 들어, 광 트랜시버(optical transceiver)를 이루는 회로의 일부일 수 있다. 광 집적 회로(3000)는 광원(3100), 광도파로(3400)에 배치된 광변조기(3200), 광변조기(3200)에 변조 신호를 인가하는 전자회로(3700), 포토디텍터(3600)에서 변환된 전기 신호가 전달되는 전자회로(3800)를 더 포함할 수 있다. 광원(3100), 광변조기(3200), 광도파로(3400), 포토디텍터(3600)들의 사이에는 커플러(coupler)가 배치될 수 있고, 이외에도, passive circuit, isolator, duplexer, splitter, filter등의 구성이 더 포함될 수 있다.
광원(3100), 광변조기(3200), 광도파로(3400), 포토디텍터(3600)는 같은 기판(3900) 상에 배치될 수 있다. 기판(3900)은 실리콘 기판일 수 있고, 포토디텍터(3600)도 실리콘 반도체를 활용한 포토다이오드일 수 있다.
광원(3100)은 예를 들어 800nm~1700nm 파장 대역의 광을 출사하는 레이저일 수 있다. 이러한 파장 대역의 광을 센싱하여 전기 신호로 변환하기 위해, 통상, Ⅲ-Ⅴ 반도체 기판의 포토다이오드가 사용되는데, 이를 실리콘 기판에 형성하는 데는 높은 공정난이도와 비용이 요구된다. 실시예와 같이 넓은 파장 대역의 광을 센싱할 수 있는 실리콘 기반의 포도다이오드를 포토디텍터(3600)에 적용하여, 실리콘 포토닉스의 장점, 예를 들어, 대용량 정보 전달, 초고속 처리, 최소 전송 손실, 에너지 소비 절감등의 이점을 활용할 수 있는 광 집적 회로(3000)를 구현할 수 있다.
상술한 포토다이오드, 이를 포함하는 이미지 센서 및 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 101, 103, 104, 105, 106: 포토다이오드
110, 111: 반도체층
113, 114', 115, 116; 실리콘 기판
130, 131, 133, 134, 135, 136 : 제2전도층
150 : 제1전도층
1000, CM30: 이미지 센서
2201: 전자 장치
2280: 카메라 모듈
3000: 광 집적 회로

Claims (23)

  1. 반도체층;
    상기 반도체층 상에 배치되고, 투명 전도성 산화물을 포함하는 제1전도층;
    상기 반도체층과 상기 제1전도층 사이에 배치되고, 상기 제1전도층과 다른 일함수를 가지며, 상기 반도체층과의 사이에 쇼트키 접합(Schottky Junction) 구조를 형성하는, 제2전도층;을 포함하는, 포토 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2전도층의 일함수는
    상기 쇼트키 접합 구조의 쇼트키 배리어(Schottkey-barrier) 높이가
    상기 제1전도층의 재질과 상기 반도체층의 재질이 접합되는 구조에서 나타나는 쇼트키 배리어 높이보다 낮은 값을 나타내도록 설정되는, 포토 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은 p형이고,
    상기 제2전도층의 일함수는 다음 조건을 만족하는, 포토 다이오드.
    φM > φMi > χs
    여기서, φM은 상기 제1전도층의 일함수이고, φMi은 상기 제2전도층의 일함수이며, χs는 상기 반도체층의 전자친화도이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은 n형이고,
    상기 제2전도층의 일함수는 다음 조건을 만족하는, 포토 다이오드.
    φM < φMi < χs + Eg
    여기서, φM은 상기 제1전도층의 일함수이고, φMi은 상기 제2전도층의 일함수이고, χs는 상기 반도체층의 전자친화도이며, Eg는 상기 반도체층의 밴드갭 에너지이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2전도층은
    금속, 합금, 금속 산화물, 금속 질화물 또는, 실리사이드를 포함하는, 포토 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2전도층의 두께는 0보다 크고 10nm 이하인, 포토 다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    실리콘 기판을 더 포함하며,
    상기 반도체층은 상기 실리콘 기판의 일부 영역인, 포토 다이오드.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실리콘 기판 상에 배치되어,
    상기 쇼트키 접합 구조에 전기 신호를 인가하거나, 상기 쇼트키 접합 구조에서 발생한 전기 신호를 측정하기 위한 전극들을 더 포함하는, 포토 다이오드.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은
    상기 쇼트키 접합 구조와 이격되고 상기 반도체층보다 높은 도핑 농도를 갖는 오믹 컨택(Ohmic contact) 영역을 더 포함하는, 포토 다이오드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1전도층과 전기적으로 접촉하는 제1전극과,
    상기 오믹 컨택 영역과 전기적으로 접촉하는 제2전극을 더 포함하는, 포토 다이오드.
  11. 제1항에 있어서,
    가시광선 및 적외선 대역의 광을 센싱하는, 포토 다이오드.
  12. 복수의 광 감지 요소를 포함하며, 상기 복수의 광 감지 요소 각각은 제1항의 포토 다이오드를 포함하는, 센서 어레이; 및
    상기 복수의 광 감지 요소 각각에서 발생한 광전 신호를 판독하는 프로세서;를 포함하는, 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센서 어레이 상에 배치되고, 상기 복수의 광 감지 요소와 각각 마주하는 복수의 필터 요소를 포함하는 필터 어레이를 더 포함하는, 이미지 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 필터 요소는 적색 필터, 청색 필터, 녹색 필터를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 광전 신호를 처리하여 가시광 영상을 형성하는, 이미지 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 필터 요소는
    가시광 대역의 밴드 패스 필터와 적외선 대역의 밴드 패스 필터를 포함하는, 이미지 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 필터 요소는
    이차원적으로 반복 배열된 복수의 필터 그룹을 포함하며,
    상기 복수의 필터 그룹 각각은
    상기 복수의 광 감지 요소와 각각 마주하게 배치된 적색 필터, 녹색 필터, 청색 필터 및 적외선 필터를 포함하는, 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 광전 신호를 처리하여, 가시광 영상 및 적외선 영상을 형성하는, 이미지 센서.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 광전 신호를 처리하여, 3차원 영상을 형성하는, 이미지 센서.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 필터 요소는 적외선 대역 투과 필터를 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 광전 신호를 처리하여 적외선 영상을 형성하는, 이미지 센서.
  20. 피사체로부터 반사된 광을 집속하여 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리; 및
    상기 렌즈 어셈블리에서 형성한 광학 상을 전기 신호로 변환하는 제12항의 이미지 센서;를 포함하는, 전자 장치.
  21. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 광원;
    상기 광원에서의 광을 전송하는 광도파로; 및
    상기 광도파로를 통해 전송된 광을 전기 신호로 변환하는 제1항의 포토 다이오드를 포함하는, 광 집적 회로.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 포토 다이오드의 반도체층은 실리콘 기반의 반도체 물질을 포함하는, 광 집적 회로.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 광원은 800nm 내지 1700nm 파장 범위의 광을 출력하는, 광 집적 회로.
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