KR20230080192A - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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노숙영
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Abstract

이미지 센서는 제1 파장의 광을 감지하는 복수의 제1 화소들 및 제2 파장의 광을 감지하는 복수의 제2 화소들을 포함하는 센서 기판, 및 센서 기판 상에 제공되는 반사 방지 요소를 포함하되, 반사 방지 요소는, 복수의 저굴절률 패턴들 및 복수의 저굴절률 패턴들과 센서 기판 사이에 제공되는 고굴절률 막을 포함한다.

Description

이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치{IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC APPARATUS INCLUDING SAME}
본 개시는 이미지 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 입사광의 색을 감지한다. 그런데, 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다. 또한 이미지 센서는 서로 다른 굴절률을 갖는 여러 층들로 구성되므로 층들의 경계에서 입사광이 반사될 수 있다. 이미지 센서의 광 이용 효율을 높이기 위해 이미지 센서는 입사광에 대해 낮은 반사율을 가질 것이 요구된다.
해결하고자 하는 과제는 낮은 반사율 및 향상된 양자 효율(Quantum efficiency)을 갖는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공하는 것이다.
해결하고자 하는 과제는 낮은 제조 비용을 갖는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공하는 것이다.
다만, 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
일 측면에 있어서, 제1 파장의 광을 감지하는 복수의 제1 화소들 및 제2 파장의 광을 감지하는 복수의 제2 화소들을 포함하는 센서 기판; 및 상기 센서 기판 상에 제공되는 반사 방지 요소;를 포함하되, 상기 반사 방지 요소는, 복수의 저굴절률 패턴들 및 상기 복수의 저굴절률 패턴들과 상기 센서 기판 사이에 제공되는 고굴절률 막을 포함하는 이미지 센서가 제공될 수 있다.
상기 고굴절률 막의 두께는 5 나노미터(nm) 내지 50 나노미터(nm)일 수 있다.
상기 센서 기판은 입사 광이 제1 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제1 영역 및 상기 입사 광이 제1 주광선 각도보다 큰 제2 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제2 영역을 포함하되, 상기 제2 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터는 상기 제1 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터보다 크고, 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 필 팩터는 상기 복수의 저굴절률 패턴들 배열 주기와 폭의 비율일 수 있다.
상기 제1 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제1 파장의 광을 상기 복수의 제1 화소들로 집광하고, 상기 제2 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제2 파장의 광을 상기 복수의 제2 화소들로 집광하는 색 분리 렌즈 어레이;을 더 포함할 수 있다.
상기 색 분리 렌즈 어레이는 상기 센서 기판 및 상기 반사 방지 요소 사이에 제공될 수 있다.
상기 반사 방지 요소는 상기 색 분리 렌즈 어레이 및 상기 센서 기판 사이에 제공될 수 있다.
상기 반사 방지 요소와 상기 색 분리 렌즈 어레이 사이에 제공되는 컬러 필터 어레이;를 더 포함하되, 상기 컬러 필터 어레이는: 상기 복수의 제1 화소들에 각각 대응하도록 배치되고 상기 제1 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 복수의 제1 컬러 필터들; 및 상기 복수의 제2 화소들에 각각 대응하도록 배치되고 상기 제2 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 복수의 제2 컬러 필터들;을 포함할 수 있다.
상기 색 분리 렌즈 어레이는, 복수의 나노포스트들 및 상기 복수의 나노포스트들을 둘러싸는 주변 물질 층을 포함하되, 상기 복수의 나노포스트들과 상기 복수의 저굴절률 패턴들은 상기 센서 기판의 상면에 수직한 방향을 따라 정렬될 수 있다.
상기 색 분리 렌즈 어레이는, 복수의 나노포스트들 및 상기 복수의 나노포스트들을 둘러싸는 주변 물질 층을 포함하되, 상기 복수의 나노포스트들과 상기 복수의 저굴절률 패턴들은 서로 어긋나도록 상기 기판의 상면에 수직한 방향을 따라 배열될 수 있다.
상기 색 분리 렌즈 어레이는, 하부 어레이 및 상기 하부 어레이 상에 제공되는 상부 어레이를 포함하되, 상기 하부 어레이 및 상기 상부 어레이의 각각은 복수의 나노포스트들 및 상기 복수의 나노포스트들을 둘러싸는 주변 물질 층을 포함할 수 있다.
상기 상부 어레이의 상기 복수의 나노포스트들과 상기 복수의 저굴절률 패턴들은 상기 센서 기판의 상면에 수직한 방향을 따라 정렬될 수 있다.
상기 복수의 저굴절률 패턴들은 SiO2를 포함하고, 상기 고굴절률 막은 AlO, SiN, 및 HfO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 화소들 및 상기 복수의 제2 화소들의 상부에 각각 제공되는 복수의 셀 분리 막들;을 더 포함할 수 있다.
상기 센서 기판의 중심부에서 상기 셀 분리 막들은 대응하는 제1 화소들 또는 제2 화소들의 중심부들에 각각 배치되고, 상기 센서 기판의 가장자리에서 상기 셀 분리 막들은 대응하는 제1 화소들 또는 제2 화소들의 중심부들로부터 상기 센서 기판의 중심부를 향해 시프트될 수 있다.
일 측면에 있어서, 제1 파장의 광을 감지하는 복수의 제1 화소들 및 제2 파장의 광을 감지하는 복수의 제2 화소들을 포함하는 센서 기판; 및 상기 센서 기판 상에 제공되는 반사 방지 요소;를 포함하되, 상기 반사 방지 요소는, 복수의 반사 방지 홀들을 갖는 저굴절률 막 및 상기 저굴절률 막들과 상기 센서 기판 사이에 제공되는 고굴절률 막을 포함할 수 있다.
상기 고굴절률 막의 두께는 5 나노미터(nm) 내지 50 나노미터(nm)일 수 있다.
상기 센서 기판은 입사 광이 제1 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제1 영역 및 상기 입사 광이 제1 주광선 각도보다 큰 제2 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제2 영역을 포함하되, 상기 제2 영역의 상기 복수의 반사 방지 홀들의 배열 주기 및 필 팩터는 상기 제1 영역의 상기 복수의 반사 방지 홀들의 배열 주기 및 필 팩터보다 크고, 상기 복수의 반사 방지 홀들의 필 팩터는 상기 복수의 반사 방지 홀들의 배열 주기와 폭의 비율일 수 있다.
일 측면에 있어서, 광학상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 상기 이미지 센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지 센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서; 및 피사체로부터 오는 광을 상기 이미지 센서에 제공하는 렌즈 어셈블리;를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 제1 파장의 광을 감지하는 복수의 제1 화소들 및 제2 파장의 광을 감지하는 복수의 제2 화소들을 포함하는 센서 기판 및 상기 센서 기판 상에 제공되는 반사 방지 요소를 포함하되, 상기 반사 방지 요소는, 복수의 저굴절률 패턴들 및 상기 복수의 저굴절률 패턴들과 상기 센서 기판 사이에 제공되는 고굴절률 막을 포함하는 전자 장치가 제공될 수 있다.
상기 고굴절률 막의 두께는 5 나노미터(nm) 내지 50 나노미터(nm)일 수 있다.
상기 센서 기판은 입사 광이 제1 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제1 영역 및 상기 입사 광이 제1 주광선 각도보다 큰 제2 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제2 영역을 포함하되, 상기 제2 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터는 상기 제1 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터보다 크고, 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 필 팩터는 상기 복수의 저굴절률 패턴들 배열 주기와 폭의 비율일 수 있다.
본 개시는 낮은 반사율 및 향상된 양자 효율(Quantum efficiency)을 갖는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.
본 개시는 낮은 제조 비용을 갖는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1의 화소 어레이의 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 3 및 도 4는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도들이다.
도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4의 반사 방지 요소를 예들을 나타내는 평면도들이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반사 방지 요소의 효과를 설명하기 위한 비교 그래프이다.
도 8은 예시적인 실시예의 화소 어레이에서 화소의 배열을 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 9는 예시적인 실시예의 색 분리 렌즈 어레이의 복수 영역에 복수의 나노포스트들이 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 도 8의 일부를 확대하여 상세히 보인 평면도이다.
도 11 및 도 12는 색 분리 렌즈 어레이의 다른 다양한 형태를 예시적으로 보이는 평면도들이다.
도 13은 색 분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 8의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 나타낸다.
도 14는 색 분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 나타낸다.
도 15는 색 분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 나타낸다.
도 16은 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다.
도 17은 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다.
도 18은 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다.
도 19는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다.
도 20은 색 분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 8의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 나타낸다.
도 21은 색 분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 나타낸다.
도 22는 색 분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 나타낸다.
도 23은 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다.
도 24는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다.
도 25는 제2 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다.
도 26은 제2 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다.
도 27은 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 28은 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 29 내지 도 31은 도 27 및 도 28을 참조하여 설명된 저굴절률 패턴들의 주기와 필 팩터에 따른 반사율 그래프들이다.
도 32은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다.
도 33은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다.
도 34 및 도 35는 도 33의 반사 방지 요소를 예들을 나타내는 평면도들이다.
도 36은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다.
도 37은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다.
도 38은 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 39는 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 40은 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 41은 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 42는 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 43은 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 44는 이미지 센서를 포함하는 전자 장치의 일 예를 나타내는 블럭도이다.
도 45는 도 44의 카메라 모듈을 예시하는 블럭도이다.
도 46 내지 도 55는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
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” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
이하에서, 'a, b, 및 c 중 적어도 하나'는 '오직 a', '오직 b', '오직 c', 'a와 b', 'a와 c', 'b와 c', 또는 'a, b, 및 c'를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다. 도 2는 도 1의 화소 어레이의 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.
화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소들을 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 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. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이하에서, 화소의 배열이 도 2를 참조하여 설명된다.
도 2는 이미지 센서(1000)에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 나타낸다. 하나의 단위 패턴은 네 개의 사분 영역(quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 패턴이 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 패턴 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다. 아래에서는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것을 예로 설명하지만, 동작 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.
도 3 및 도 4는 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도들이다. 도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4의 반사 방지 요소를 예들을 나타내는 평면도들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 광을 센싱하는 복수의 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 상에 제공되는 컬러 필터 어레이(140), 컬러 필터 어레이(140) 상에 배치된 투명한 스페이서 층(120), 스페이서 층(120) 상에 배치된 색 분리 렌즈 어레이(130), 및 색 분리 렌즈 어레이(130) 상에 제공되는 반사 방지 요소(150)을 포함할 수 있다.
센서 기판(110)은 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 화소(111), 제2 화소(112), 제3 화소(113), 제4 화소(114), 및 제1 내지 제4 화소들(111, 112, 113, 114) 사이에 제공되는 화소 분리막(101)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 화소(111)와 제2 화소(112)는 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열될 수 있다. 제1 화소(111) 및 제2 화소(112)에 대해 제2 방향(Y 방향)의 위치가 다른 단면에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 제3 화소(113)와 제4 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다. 제3 화소(113)와 제1 화소(111)는 제2 방향(Y 방향)을 따라 차례로 배열될 수 있다. 제4 화소(114)와 제2 화소(112)는 제2 방향(Y 방향)을 따라 차례로 배열될 수 있다. 일 예에서, 제1 내지 제4 화소들(111, 112, 113, 114)은 도 2에 도시된 베이어 패턴 배열을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 화소(111)와 제4 화소(114)는 녹색광을 센싱하는 녹색 화소이고, 제2 화소(112)는 청색광을 센싱하는 청색 화소이고, 제3 화소(113)는 적색광을 센싱하는 적색 화소일 수 있다. 2×2 어레이 형태의 단위 패턴 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 녹색 화소인 제1 화소(111)와 제4 화소(114)가 배치되며, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 청색 화소와 적색 화소인 제2 화소(112)와 제3 화소(113)가 배치될 수 있다.
화소 분리막(101)은 제1 내지 제4 화소들(111, 112, 113, 114)을 분리하여 제1 내지 제4 화소들(111, 112, 113, 114) 사이에서 크로스토크(crosstalk)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 화소분리막(101)은 센서 기판(110)의 상부 표면으로부터 센서 기판(110)의 하부 표면까지 제3 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다.
컬러 필터 어레이(140)는 센서 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 컬러 필터 어레이(140)는 제1 화소(111) 위에 배치된 제1 컬러 필터(141), 제2 화소(112) 위에 배치된 제2 컬러 필터(142), 제3 화소(113) 위에 배치된 제3 컬러 필터(143), 및 제4 화소(114) 위에 배치된 제4 컬러 필터(144)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 컬러 필터(141) 및 제4 컬러 필터(144)는 녹색광만을 투과시키는 녹색 컬러 필터이고, 제2 컬러 필터(142)는 청색광만을 투과시키는 청색 컬러 필터이고, 제3 컬러 필터(143)는 적색광만을 투과시키는 적색 컬러 필터일 수 있다. 후술되는 색 분리 렌즈 어레이(130)에 의해 상당한 정도로 색 분리된 광이 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)를 향해 진행하기 때문에, 컬러 필터 어레이(140)를 사용하더라도 광 손실은 적을 수 있다. 컬러 필터 어레이(140)를 사용하면 이미지 센서(1000)의 색순도를 더욱 향상시킬 수 있다. 그러나, 컬러 필터 어레이(140)는 필수적인 구성이 아니며, 색 분리 렌즈 어레이(130)의 색 분리 효율이 충분히 높다면 컬러 필터 어레이(140)는 생략될 수도 있다.
스페이서 층(120)은 센서 기판(110)과 색 분리 렌즈 어레이(130) 사이에 배치되어 센서 기판(110)과 색 분리 렌즈 어레이(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있다. 스페이서 층(120)은 가시광에 대해 투명한 물질, 예를 들어, SiO2, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등 후술되는 색 분리 렌즈 어레이(130)의 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 스페이서 층(120)의 두께(120h)는 색 분리 렌즈 어레이(130)에 의해 집광되는 광의 초점거리를 기준으로 정해질 수 있으며, 예를 들면, 기준파장(λ0) 광의 초점거리의 약 1/2일 수 있다. 색 분리 렌즈 어레이(130)에 의해 집광되는 기준파장(λ0) 광의 초점거리(f)는, 기준파장(λ0)에 대한 스페이서 층(120)의 굴절률을 n, 화소의 피치를 p라고 할 때, 다음의 [수학식 1]로 표시될 수 있다.
Figure pat00001
기준파장(λ0)을 녹색광인 540 nm, 화소(111, 112, 113, 114)의 피치를 0.8 μm, 540 nm의 파장에서 스페이서 층(120)의 굴절률(n)을 1.46이라고 가정하면, 녹색광의 초점거리(f), 즉, 색 분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면과 녹색광이 수렴하는 지점 사이의 거리는 약 1.64 μm일 수 있고, 스페이서 층(120)의 두께(120h)는 약 0.82 μm일 수 있다. 다른 예로 기준파장(λ0)을 녹색광인 540 nm, 화소(111, 112, 113, 114)의 피치를 1.2 μm, 540 nm의 파장에서 스페이서 층(120)의 굴절률(n)을 1.46이라고 가정하면, 녹색광의 초점거리(f)는 약 3.80 μm일 수 있고, 스페이서 층(120)의 두께(120h)는 1.90 μm일 수 있다. 앞서 설명한 스페이서 층(120)의 두께(120h)를 다른 말로 표현하면, 스페이서 층(120)의 두께(120h)는 화소 피치가 0.5 μm 내지 0.9 μm 일 때, 화소 피치의 70% 내지 120% 일 수 있고, 화소 피치가 0.9 μm 내지 1.3 μm 일 때, 화소 피치의 110% 내지 180% 일 수 있다.
색 분리 렌즈 어레이(130)는 스페이서 층(120)에 의해 지지되며, 입사광의 위상을 변화시키는 나노포스트들(NP) 및 나노포스트들(NP)을 둘러싸는 주변 물질층(PM)을 포함할 수 있다. 주변 물질층(PM)은 나노포스트들(NP)보다 굴절률이 낮은 유전체, 예를 들면, 공기 또는 SiO2를 포함할 수 있다. 색 분리 렌즈 어레이(130)는 후술된다.
반사 방지 요소(150)는 색 분리 렌즈 어레이(130) 상에 제공될 수 있다. 반사 방지 요소(150)은 고굴절률 막(151) 및 상기 고굴절률 막(151) 상에 제공되는 저굴절률 패턴들(152)을 포함할 수 있다. 고굴절률 막(151)은 저굴절률 패턴들(152)보다 굴절률이 높은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고굴절률 막(151)은 AlO, SiN, 및 HfO 중 적어도 하나를 포함하고, 저굴절률 패턴들(152)은 SiO2를 포함할 수 있다. 일 예에서, 고굴절률 막(151)은 저굴절률 패턴들(152)을 형성하는 공정 시 식각 정지 층(Etch stop layer)일 수 있다. 구체적으로, 저굴절률 패턴들(152)이 고굴절률 막(151) 상에 증착된 저굴절률 물질 막을 패터닝하여 형성되는 경우, 고굴절률 막(151)은 저굴절률 물질 막에 대한 패터닝 공정의 식각 정지 층일 수 있다. 다만, 필요에 따라 고굴절률 막(151)은 제공되지 않을 수 있다. 즉, 저굴절률 패턴들(152)이 색 분리 렌즈 어레이(130) 상에 바로 제공될 수 있다.
저굴절률 패턴들(152)의 두께는 고굴절률 막(151)의 두께보다 클 수 있다. 일 예에서, 저굴절률 패턴들(152)의 두께는 100 나노미터(nm) 내지 180 나노미터(nm)일 수 있다. 일 예에서, 고굴절률 막(151)의 두께는 5 나노미터(nm) 내지 50 나노미터(nm)일 수 있다. 예를 들어, 고굴절률 막(151)의 두께는 50 나노미터(nm)이고, 저굴절률 패턴들(152)의 두께는 100 나노미터(nm)일 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)은 고굴절률 막(151) 상에서 배열될 수 있다. 예를 들어, 저굴절률 패턴들(152)은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 배열될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 저굴절률 패턴들(152)의 배열 형태는 필요에 따라 결정될 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)은 기둥 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 저굴절률 패턴들(152)은 사각 기둥 형상 또는 원 기둥 형상을 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 저굴절률 패턴들(152)은 사각 기둥이 아닌 다각 기둥 형상(예를 들어, 삼각 기둥 또는 오각 기둥)을 가질 수 있다.
저굴절률 패턴들(152)의 유효 굴절률은 색 분리 렌즈 어레이(130)의 유효 굴절률의 제곱근과 실질적으로 동일할 수 있다. 일 예에서, 저굴절률 패턴들(152)의 유효 굴절률은 저굴절률 패턴들(152)의 필 팩터(fill factor)에 의해 정의될 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)의 필 팩터는 저굴절률 패턴(152)의 폭(152w)과 저굴절률 패턴들(152)의 배열 주기(152p)의 비율일 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)이 서로 접하는 경우, 필 팩터는 1이다. 저굴절률 패턴(152)의 폭(152w)과 저굴절률 패턴들(152)의 배열 주기(152p)의 절반인 경우, 필 팩터는 0.5이다.
저굴절률 패턴들(152)의 유효 굴절률은 패터닝되지않은 저굴절률 물질 막의 유효 굴절률보다 낮을 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 저굴절률 패턴들(152)의 유효 굴절률은 저굴절률 패턴들(152)의 필 팩터에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 색 분리 렌즈 어레이(130)의 유효 굴절률은 1.6일 수 있다. 이 경우, 저굴절률 패턴들(152)의 필 팩터는 패터닝되지 않은 저굴절률 물질 막의 유효 굴절률이 1.6의 제곱근인 약 1.26이 되도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 저굴절률 패턴들(152)이 SiO2 패턴들인 경우, 유효 굴절률인 약 1.48인 패터닝되지않은 SiO2 막을 패터닝하여 약 0.5의 필 팩터를 갖는 저굴절률 패턴들(152)(즉, 패터닝되지않은 SiO2 막의 절반 정도가 제거하고 남은 저굴절률 패턴들(152))이 형성될 수 있다. 다만, 일 예에서, 후술되는 바와 같이, 저굴절률 패턴들(152)의 필 팩터는 위치에 따라 다를 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 반사 방지 요소의 효과를 설명하기 위한 비교 그래프이다.
도 7을 참조하면, 반사율에 대한 그래프 ① 내지 그래프 ④가 도시된다. 그래프 ①(Reference)은 도 3 및 도 4에 도시된 화소 어레이(1100)에서 컬러 필터 어레이(140) 상에 스페이서 층(120), 색 분리 렌즈 어레이(130), 및 반사 방지 요소(150) 대신 마이크로렌즈 어레이가 적용된 경우의 반사율 그래프이다. 그래프 ②(No AR)는 도 3 및 도 4에 도시된 화소 어레이(1100)에서 반사 방지 요소(150)가 제공되지 않은 경우의 반사율 그래프이다. 그래프 ③(2 flat layer)은 도 3 및 도 4에 도시된 화소 어레이(1100)에서 반사 방지 요소(150)가 저굴절률 패턴들(152) 대신 고굴절률 막(151) 상에 적층되는 저굴절률 물질 막을 포함하는 경우의 반사율 그래프이다. 이때 고굴절률 막(151)은 50 nm의 AlO막이고, 저굴절률 물질 막은 100 nm의 SiO2막이었다. 그래프 ④(2D Patterned)는 도 3 및 도 4에 도시된 화소 어레이(1100)에서 고굴절률 막(151)의 두께가 50 나노미터(nm)이고, 저굴절률 패턴들(152)의 두께가 100 나노미터(nm)인 경우의 반사율 그래프이다. 400 나노미터(nm) 내지 700 나노미터(nm) 대역에서 그래프 ① 내지 그래프 ④의 평균 반사율은 각각 3.69 %, 6.69 %, 5.07 %, 및 3.44 %였다. 따라서, 본 개시는 가시광선 대역에서 낮은 반사율 및 향상된 양자 효율(Quantum efficiency)을 갖는 화소 어레이(1100) 및 이미지 센서(1000)를 제공할 수 있다.
이하에서, 색 분리 렌즈 어레이(130)가 상세히 설명된다.
도 8은 예시적인 실시예의 화소 어레이에서 화소의 배열을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 9는 예시적인 실시예의 색 분리 렌즈 어레이의 복수 영역에 복수의 나노포스트들이 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 10은 도 8의 일부를 확대하여 상세히 보인 평면도이다. 도 11 및 도 12는 색 분리 렌즈 어레이의 다른 다양한 형태를 예시적으로 보이는 평면도들이다.
도 8을 참조하면, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 도 3 및 도 4의 각 화소(111, 112, 113, 114)에 대응하는 4개의 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)으로 구획될 수 있다. 예컨대, 제1 화소 대응 영역(131)은 제1 화소(111)에 대응하며 제3 방향(Z 방향)을 따라 제1 화소(111) 상부에 배치될 수 있고, 제2 화소 대응 영역(132)은 제2 화소(112)에 대응하며 제3 방향(Z 방향)을 따라 제2 화소(112) 상부에 배치될 수 있고, 제3 화소 대응 영역(133)은 제3 화소(113)에 대응하며 제3 방향(Z 방향)을 따라 제3 화소(113) 상부에 배치될 수 있고, 제4 화소 대응 영역(134)은 제4 화소(114)에 대응하며 제3 방향(Z 방향)을 따라 제4 화소(114) 상부에 배치될 수 있다. 즉, 색 분리 렌즈 어레이(130)의 제1 내지 제4 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)은 센서 기판(110)의 대응하는 제1 내지 제4 화소(111, 112, 113, 114)와 제3 방향(Z 방향)을 따라 마주하게 배치될 수 있다. 제1 내지 제4 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)은 제1 화소 대응 영역(131) 및 제2 화소 대응 영역(132)이 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 제3 화소 대응 영역(133) 및 제4 화소 대응 영역(134)이 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향(Y 방향)을 따라 서로 교대로 반복되도록 이차원 배열될 수 있다. 색 분리 렌즈 어레이(130)도 센서 기판(110)의 화소 어레이와 같이 2차원 배열된 복수의 단위 패턴을 포함하며, 각각의 단위 패턴은 2×2의 형태로 배열된 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)을 포함한다.
일 예에서, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 녹색광을 집광하는 녹색광 집광 영역, 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역, 및 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역으로 구획될 수도 있다. 예를 들어, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 제1 및 제4 화소(111, 114)로 녹색광이 분기되어 집광되고, 제2 화소(112)로 청색광이 분기되어 집광되며, 제3 화소(113)로 적색 광이 분기되어 집광되도록 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 정해진 나노포스트들(NP)을 포함할 수 있다. 한편, 제3 방향(Z 방향)을 따른 색 분리 렌즈 어레이(130)의 두께는 나노포스트(NP)의 높이와 유사할 수 있으며, 500 nm 내지 1500 nm일 수 있다.
제1 내지 제4 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)은 원형 단면을 가지는 원기둥 형태의 나노포스트들(NP)을 포함할 수 있고, 각 영역의 중심부에는 단면적이 서로 다른 나노포스트(NP)가 배치되고, 화소간 경계선 상의 중심 및 화소 경계선의 교차점에도 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다.
도 9는 도 8의 일부 영역, 즉, 단위 패턴을 구성하는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 포함된 나노포스트(NP)의 배열을 상세히 보인다. 도 9에서 나노포스트들(NP)은 단위 패턴 단면의 크기에 따라 1~5로 표시되어 있다. 도 9를 참조하면, 나노포스트들(NP) 중, 제2 화소 대응 영역(132) 중심에 단면의 크기가 가장 큰 나노포스트(1)가 배치되고, 단면의 크기가 가장 작은 나노포스트(5)는 나노포스트(1) 및 나노포스트(3)의 주변 및 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134) 중심에 배치될 수 있다. 이는 하나의 예에 불과하고, 필요에 따라 다양한 형상, 크기, 배열의 나노포스트들(NP)이 적용될 수 있다.
제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)에 구비된 나노포스트들(NP)은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)에 배치된 나노포스트들(NP)은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 다른 크기 배열을 가질 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 나노포스트들(NP) 중, 제1 화소 대응 영역(131)과 제1 방향(X 방향)으로 인접한 제2 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(4)의 단면적과 제2 방향(Y 방향)으로 인접하는 제3 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트들(5)의 단면적은 서로 다르다. 마찬가지로, 제4 화소 대응 영역(134)과 제1 방향(X 방향)으로 인접한 제3 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트(5)의 단면적과 제2 방향(Y 방향)으로 인접하는 제2 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(4)의 단면적은 서로 다르다.
반면, 제2 화소 대응 영역(132) 및 제3 화소 대응 영역(133)에 배치된 나노포스트들(NP)은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 대칭적인 분포 규칙을 가질 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 나노포스트들(NP) 중, 제2 화소 대응 영역(132)과 제1 방향(X 방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(4)와 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(4)의 단면적은 서로 같으며, 또한, 제3 화소 대응 영역(133)에서도 제1 방향(X 방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(5)와 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(5)의 단면적이 서로 같다.
이러한 분포는, 베이어 패턴의 화소 배열에 기인한다. 제2 화소(112)와 제3 화소(113)는 모두 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 화소들이 녹색 화소로 동일한 반면, 제1 화소(111)는 제1 방향(X 방향)으로 인접한 화소가 청색 화소이고 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 화소가 적색 화소로 서로 다르고, 제4 화소(114)는 제1 방향(X 방향)으로 인접한 화소가 적색 화소이고 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 화소가 청색 화소로 서로 다르다. 그리고 제1 및 제4 화소(111, 114)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 녹색 화소이고, 제2 화소(112)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 적색 화소로 서로 같고, 제3 화소(113)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 청색 화소로 서로 같다. 따라서, 제2 및 제3 화소 대응 영역(132, 133)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 나노포스트들(NP)이 배열되고, 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 나노포스트들(NP)이 배열될 수 있다. 특히, 제1 화소 대응 영역(131)과 제4 화소 대응 영역(134)은 서로에 대해 90도 회전되어 있다.
나노포스트들(NP)의 배열은 도 8 및 도 9에 도시된 배열 외에도 다양한 배열이 가능하다. 예를 들어, 도 10은 색 분리 렌즈 어레이(130)의 제1 내지 제4 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134) 내에서 나노포스트들(NP)의 다른 배열 형태를 보인다. 도 10에 도시된 색 분리 렌즈 어레이(130)의 제1 내지 제4 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)에도 위에서 설명한 나노포스트들(NP)의 배열 원리가 적용될 수 있다.
도 8 내지 도 10의 나노포스트들(NP)은 모두 대칭적인 원형의 단면 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 비대칭 형상의 단면 형상을 갖는 나노포스트 또는 다각형의 단면 형상을 갖는 나노포스트가 적어도 일부 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용되고, 제2 및 제3 화소 대응 영역(132, 133)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 같은 대칭적인 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용될 수 있다. 예시된 나노포스트(NP)의 배열 규칙은 일 예시이며, 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.
도 8 내지 도 10에 도시된 색 분리 렌즈 어레이(130)는 예시적인 것으로, 색 분리 렌즈 어레이의 크기, 두께, 색 분리 렌즈 어레이가 적용될 이미지 센서의 색 특성, 화소 피치, 색 분리 렌즈 어레이와 이미지 센서 사이의 거리, 입사광의 입사각 등에 따라, 상술한 최적화 설계를 통해 다양한 형태의 색 분리 렌즈 어레이를 얻을 수 있다. 또한, 나노포스트 대신에 다양한 다른 패턴으로 색 분리 렌즈 어레이를 구현할 수도 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 색 분리 렌즈 어레이(130a)의 제1 내지 제4 화소 대응 영역(131a, 132a, 133a, 134a) 각각은 16×16의 직사각형 배열로 디지털화 된 바이너리 형태로 최적화되었으며, 도 11의 단위 패턴은 32×32의 직사각형 배열로 이루어진 형태를 가진다. 이와 달리, 도 12에 도시된 색 분리 렌즈 어레이(130b)의 제1 내지 제4 화소 대응 영역들(131b, 132b, 133b, 134b) 각각은 디지털화 되지 않은 연속적인 곡선 형태로 최적화될 수도 있다.
도 13은 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 8의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 나타낸다. 도 14는 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 나타낸다. 도 15는 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 나타낸다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제1 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후 위치, 다시 말해 색 분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서 층(120)의 상부 표면에서, 녹색광의 위상이, 제1 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X 방향 및 Y 방향으로는 제2 및 제3 화소 대응 영역(132, 133)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 제1 화소 대응 영역(131)과 제4 화소 대응 영역(134)의 접점에서 최소가 된다.
제1 화소 대응 영역(131) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 녹색광의 위상을 2π라고 정하면, 제2 및 제3 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제4 화소 대응 영역(134) 중심에서는 위상이 2π, 제1 화소 대응 영역(131)과 제4 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1π 내지 1.5π인 녹색광이 출사할 수 있다. 따라서, 제1 화소 대응 영역(131)의 중심을 통과한 녹색광과 제2 및 제3 화소 대응 영역(132, 133)의 중심을 통과한 녹색광의 위상 차이는 0.9π 내지 1.1π일 수 있다.
한편, 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)는 제1 화소 대응 영역(131) 중심을 통과한 광의 위상 지연량이 가장 크다는 것을 의미하는 것은 아니며, 제1 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 정했을 때 다른 위치를 통과한 광의 위상 지연이 더 커서 2π 보다 큰 위상 값을 가진다면, 2nπ 만큼 제거하고 남은 값, 즉, 랩(wrap)된 위상의 분포일 수 있다. 예를 들어, 제1 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 했을 때, 제2 화소 대응 영역(132)의 중심을 통과한 광의 위상이 3π 라면, 제2 화소 대응 영역(132)에서의 위상은 3π에서 2π(n=1인 경우)를 제거하고, 남은 π 일 수 있다.
도 13 및 도 15를 참조하면, 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광은 제2 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 제2 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 청색광 위상 분포(PPB)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색 분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 청색광의 위상이, 제2 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 제2 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)으로는 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 제3 화소 대응 영역(133)의 중심에서 최소가 된다. 청색광의 제2 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 제3 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상은 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.5π 내지 0.9π일 수 있다.
도 16은 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다. 도 17은 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다.
도 16을 참조하면, 제1 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광은 색 분리 렌즈 어레이(130)에 의해, 제1 화소(111)로 집광되며, 제1 화소(111)에는 제1 화소 대응 영역(131) 외에도 제2 및 제3 화소 대응 영역(132, 133)에서 오는 녹색광이 입사한다. 즉, 도 13 및 도 14를 참조하여 설명된 녹색광의 위상 분포는 제1 화소 대응 영역(131)과 한 변을 맞대고 인접한 2개의 제2 화소 대응 영역(132)과 2개의 제3 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결한 제1 녹색광 집광 영역(GL1)을 통과한 녹색광을 제1 화소(111)에 집광한다. 따라서, 도 17에 도시된 바와 같이, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 제1 화소(111)에 녹색광을 집광하는 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 어레이로 동작할 수 있다. 제1 녹색광 집광 영역(GL1)은 대응하는 제1 화소(111)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.
도 18은 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다. 도 19는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다.
청색광은 색 분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 18과 같이 제2 화소(112)로 집광되며, 제2 화소(112)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 청색광이 입사한다. 앞서 도 13 및 도 15에서 설명한 청색광의 위상 분포는 제2 화소 대응 영역(132)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 제3 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결하여 만든 청색광 집광 영역(BL)를 통과한 청색광을 제2 화소(112)에 집광한다. 따라서, 도 19에 도시된 바와 같이, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 제2 화소(112)에 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역(BL) 어레이로 동작할 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 대응하는 제2 화소(112)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 일부 영역이 전술한 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 및 후술하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 및 적색광 집광 영역(RL)과 중첩될 수 있다.
도 20은 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 8의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 나타낸다. 도 21은 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 나타낸다. 도 22는 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 나타낸다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광은 제3 화소 대응 영역(133)의 중심에서 가장 크고, 제3 화소 대응 영역(133)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 적색광 위상 분포(PPR)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색 분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 적색광의 위상이, 제3 화소 대응 영역(133)의 중심에서 가장 크고, 제3 화소 대응 영역(133)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)으로는 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 제2 화소 대응 영역(132)의 중심에서 최소가 된다. 적색광의 제3 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 제2 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상은 제1 및 제4 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.6π 내지 0.9π일 수 있다.
도 20 및 도 22를 참조하면, 색 분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제4 화소 대응 영역(134)의 중심에서 가장 크고, 제4 화소 대응 영역(134)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)를 가질 수 있다. 도 13의 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)와 도 20의 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)를 비교하면, 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)는 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)를 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)으로 1 화소 피치만큼 평행 이동한 것과 같다. 즉, 제1 녹색광 위상 분포(PPG1)는 제1 화소 대응 영역(131)의 중심에서 위상이 가장 큰 반면, 제2 녹색광 위상 분포(PPG2)는 제1 화소 대응 영역(131)의 중심에서 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)으로 1 화소 피치만큼 떨어진 제4 화소 대응 영역(134)의 중심에서 위상이 가장 크다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보여주는 도 14와 도 22의 위상 분포는 동일할 수 있다. 다시 한번 제4 화소 대응 영역(134)을 기준으로 녹색광의 위상 분포를 설명하면, 녹색광의 제4 화소 대응 영역(134) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 제2 및 제3 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제1 화소 대응 영역(131) 중심에서는 위상이 2π, 제1 화소 대응 영역(131)과 제4 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1π 내지 1.5π인 광이 출사할 수 있다.
도 23은 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다. 도 24는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다. 도 25는 제2 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 나타낸다. 도 26은 제2 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 나타낸다.
적색광은 색 분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 23과 같이 제3 화소(113)로 집광되며, 제3 화소(113)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 적색광이 입사한다. 앞서 도 20 및 도 21에서 설명한 적색광의 위상 분포는 제3 화소 대응 영역(133)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 제2 화소 대응 영역(132)의 중심을 연결하여 만든 적색광 집광 영역(RL)을 통과한 적색광을 제3 화소(113)에 집광한다. 따라서, 도 24에 도시된 바와 같이, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 제3 화소(113)에 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역(RL) 어레이로 동작할 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 대응하는 제3 화소(113)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 일부 영역이 제1 및 제2 녹색광 집광 영역(GL1, GL2) 및 청색광 집광 영역(BL)과 중첩될 수 있다.
도 25 및 도 26를 참조하면, 제4 화소 대응 영역(134) 주변으로 입사한 녹색광은 제1 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광에 대해 설명한 것과 유사하게 진행하며, 도 25에 도시한 것과 같이, 제2 화소(114)로 집광된다. 따라서, 도 26에 도시된 바와 같이, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 제4 화소(114)에 녹색광을 집광하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 어레이로 동작할 수 있다. 제2 녹색광 집광 영역(GL2)은 대응하는 제4 화소(114)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.
앞서 설명한 위상 분포 및 성능을 만족하는 색 분리 렌즈 어레이(130)는 다양한 방식의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 자동화된 설계가 가능하다. 예를 들자면, 유전자 알고리즘(genetic algorithm), 입자 군집 최적화(particle swarm optimization) 알고리즘, 개미 집단 최적화(ant colony optimization) 등과 같은 자연 모사 알고리즘(nature-inspired algorithm)을 이용하거나 또는 어드조인트 최적화(adjoint optimization) 알고리즘에 기반한 역설계 방식을 통해 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)의 구조를 최적화할 수 있다.
색 분리 렌즈 어레이의 설계를 위하여, 색 분리 스펙트럼, 광 효율, 신호대잡음비 등의 평가 요소들로 복수의 후보 색 분리 렌즈 어레이들의 성능을 평가하면서 녹색, 청색, 적색 및 적외선 화소 대응 영역의 구조를 최적화할 수 있다. 예를 들어, 각각의 평가 요소에 대한 목표 수치값을 미리 결정한 후, 복수의 평가 요소들에 대한 목표 수치값과의 차이의 합을 최소화하는 방식으로 녹색, 청색, 적색 및 적외선 화소 대응 영역의 구조를 최적화할 수 있다. 또는, 각각의 평가 요소 별로 성능을 지표화하고, 성능을 나타내는 값이 최대가 되도록 녹색, 청색, 적색 및 적외선 화소 대응 영역의 구조를 최적화할 수 있다.
한편, 화소 어레이(1100)의 제1 내지 제4 화소들(111, 112, 113, 114)의 전부 또는 일부는 2개 이상의 독립적인 광감지셀을 포함할 수 있고, 1개의 화소에 포함된 2개 이상의 광감지셀은 색 분리 렌즈 어레이(130)의 집광 영역을 공유할 수 있다. 하나의 화소 내에 독립적으로 광을 감지할 수 있는 복수의 광감지셀을 포함하는 경우, 이미지 센서(1000)의 해상도가 향상될 수 있고, 각각의 광감지셀로부터 획득한 신호들의 차이를 이용하여 이미지 센서(1000) 및/또는 이미지 센서(1000)를 포함하는 카메라 장치의 자동 초점 기능을 구현할 수 있다.
예를 들어, 위상차 검출 자동 초점(phase-detection auto-focus) 방식은 하나의 화소 내의 2개의 독립적인 광감지셀들에 각각 입사하는 광의 세기 차이를 이용하여 자동 초점 기능을 구현한다. 예를 들어, 카메라의 렌즈 어셈블리의 초점이 화소 어레이(1100)의 표면 상에 정확히 위치하는 경우, 렌즈 어셈블리의 양쪽 가장자리를 각각 통과한 광은 화소 어레이(1100)의 표면 상의 한 점에 모이게 된다. 그러면, 화소 내의 2개의 독립적인 광감지셀들에 각각 입사하는 광의 세기가 동일하게 된다. 그러나, 카메라의 렌즈 어셈블리의 초점이 화소 어레이(1100)의 표면 상에 위치하지 않는 경우, 화소 어레이(1100)의 각각의 화소에는 렌즈 어셈블리의 어느 한쪽 가장자리를 통과한 광이 다른 쪽 가장자리를 통과한 광보다 더 많이 입사하게 된다. 또한 이 경우에 화소 어레이(1100)의 각각의 화소에 입사하는 광의 입사각은 주광선 각도(CRA, chief ray angle)보다 더 기울어지게 된다. 그러면, 화소 내의 2개의 독립적인 광감지셀들에 각각 입사하는 광의 세기가 서로 달라지게 된다. 따라서, 화소 내의 2개의 독립적인 광감지셀들로부터 각각 얻은 2개의 초점 신호를 비교함으로써 자동 초점 기능을 구현할 수 있다.
상술한 위상차 검출 자동 초점 방식에서 자동 초점 성능은 2개의 초점 신호 사이의 대조비가 높을수록 향상될 수 있다. 색 분리 렌즈 어레이(130)를 포함하는 이미지 센서(1000)에서 자동 초점 성능을 향상시키기 위하여, 각각의 화소에 대해 자동 초점 신호의 대조비를 최대화하도록 광감지셀들의 배열 방향을 최적화할 수 있다.
도 27은 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 도 28은 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 27을 참조하면, 화소 어레이(1100)의 중심부에서 광은 0도의 주광선 각도로 화소 어레이(1100)의 표면에 수직하게 입사할 수 있다. 저굴절률 패턴(152)은 제1 폭(152w)을 가질 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)은 제1 주기(152p)로 배열되고, 제1 필 팩터를 가질 수 있다.
도 28을 참조하면, 이미지 센서(1000)의 가장자리에서 광은 0도보다 큰 주광선 각도로 화소 어레이(1100)의 표면에 경사지게 입사한다. 저굴절률 패턴(152)은 제2 폭(152w)을 가질 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)은 제1 주기(152p)보다 큰 제2 주기(152p)로 배열되고, 제1 필 팩터보다 큰 제2 필 팩터를 가질 수 있다.
도 29 내지 도 31은 도 27 및 도 28을 참조하여 설명된 저굴절률 패턴들의 주기와 필 팩터에 따른 반사율 그래프들이다.
도 29 내지 도 31을 참조하면, 주광선 각도가 0 도(°)인 경우의 반사율 그래프(도 29), 주광선 각도가 20 도(°)인 경우의 반사율 그래프(도 30), 및 주광선 각도가 40 도(°)인 경우의 반사율 그래프(도 31)가 도시된다. 점선 동그라미는 반사율이 가장 낮은 부분들을 나타낸다. 주광선 각도가 0 도(°)인 경우는, 예를 들어, 입사 광이 화소 어레이(1100)의 중심부에 입사하는 경우일 수 있다. 주광선 각도가 20 도(°)인 경우는, 예를 들어, 입사 광이 화소 어레이(1100)의 제1 가장자리에 입사하는 경우일 수 있다. 주광선 각도가 40 도(°)인 경우는, 예를 들어, 입사 광이 화소 어레이(1100)의 제1 가장자리보다 중심부로부터 멀리 이격되는 화소 어레이(1100)의 제2 가장자리에 입사하는 경우일 수 있다.
주광선 각도가 20 도(°)일 때 반사율을 가장 낮게 하는 저굴절률 패턴들(152)의 배열 주기 및 필 팩터는 주광선 각도가 0 도(°)일 때 반사율을 가장 낮게 하는 저굴절률 패턴들(152)의 배열 주기 및 필 팩터보다 크다. 주광선 각도가 40 도(°)일 때 반사율을 가장 낮게 하는 저굴절률 패턴들(152)의 배열 주기 및 필 팩터는 주광선 각도가 20 도(°)일 때 반사율을 가장 낮게 하는 저굴절률 패턴들(152)의 배열 주기 및 필 팩터보다 크다. 즉, 주광선 각도가 클수록 반사율이 가장 낮아지는 저굴절률 패턴들(152)의 주기 및 필 팩터도 클 수 있다.
일 예에서, 화소 어레이(1100)의 중심부에서 주광선 각도는 0 도()이고, 중심부에서 멀어질수록 주광선 각도가 커질 수 있다. 따라서, 저굴절률 패턴들(152)의 배열 주기 및 필 팩터를 화소 어레이(1100)의 중심부에서 멀어질수록 커지도록 하여 낮은 반사율 및 향상된 양자 효율을 갖는 화소 어레이(1100) 및 이미지 센서(1000)를 제공할 수 있다.
도 32은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3을 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 32를 참조하면, 도 3을 참조하여 설명된 것과 달리, 반사 방지 요소(150)는 컬러 필터 어레이(140)와 스페이서 층(120) 사이에 제공될 수 있다. 반사 방지 요소(150)는 저굴절률 패턴들(152) 사이를 채우는 갭필 패턴들(153)을 더 포함할 수 있다. 갭필 패턴들(153)의 굴절률은 저굴절률 패턴들(152)의 굴절률과 고굴절률 막(151)의 굴절률 사이의 값을 가질 수 있다.
본 개시의 방사 방지 요소(150)는 도 4에 도시된 화소 어레이(1100)에 동일하게 적용될 수 있다.
본 개시는 낮은 반사율 및 향상된 양자 효율을 갖는 화소 어레이(1100) 및 이미지 센서(1000)를 제공할 수 있다.
도 33은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다. 도 34 및 도 35는 도 33의 반사 방지 요소를 예들을 나타내는 평면도들이다. 도 33의 설명의 간결함을 위해, 도 3을 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 33을 참조하면, 도 3을 참조하여 설명된 것과 달리, 반사 방지 요소(150)는 저굴절률 패턴들(152) 대신 반사 방지 홀들(154)을 포함하는 저굴절률 막(155)을 포함할 수 있다. 저굴절률 막(155)은 고굴절률 막(151)보다 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저굴절률 막(155)은 SiO2를 포함할 수 있다. 저굴절률 막(155)의 두께는 고굴절률 막(151)의 두께보다 클 수 있다. 예를 들어, 고굴절률 막(151)의 두께는 50 나노미터(nm)이고, 저굴절률 막(155)의 두께는 100 나노미터(nm)일 수 있다.
반사 방지 홀들(154)은 저굴절률 막(155)을 관통할 수 있다. 반사 방지 홀들(154)은 고굴절률 막(151)을 노출할 수 있다. 반사 방지 홀들(154)은 고굴절률 막(151) 상에서 배열될 수 있다. 반사 방지 홀들(154)은 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 배열될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 반사 방지 홀들(154)의 배열 형태는 필요에 따라 결정될 수 있다. 반사 방지 홀들(154)은 기둥 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 34 및 도 35에 도시된 것과 같이, 반사 방지 홀들(154)은 사각 기둥 형상 또는 원 기둥 형상을 가질 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이다. 다른 예에서, 반사 방지 홀들(154)은 사각 기둥 형상이 아닌 다각 기둥 형상(예를 들어, 삼각 기둥 형상 또는 오각 기둥 형상)을 가질 수 있다.
저굴절률 막(155)의 유효 굴절률은 색 분리 렌즈 어레이(130)의 유효 굴절률의 제곱근과 실질적으로 동일할 수 있다. 일 예에서, 저굴절률 막(155)의 유효 굴절률은 반사 방지 홀들(154)의 필 팩터에 의해 정의될 수 있다. 반사 방지 홀들(154)의 필 팩터는 반사 방지 홀(154)의 폭(154w)과 반사 방지 홀들(154)의 배열 주기(154p)의 비율일 수 있다. 저굴절률 막(155)에서 반사 방지 홀들(154)이 차지하는 영역이 클수록 반사 방지 홀들(154)의 필 팩터가 클 수 있다.
저굴절률 막(155)의 유효 굴절률은 패터닝되지않은 저굴절률 물질 막의 유효 굴절률보다 낮을 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 저굴절률 막(155)의 유효 굴절률은 반사 방지 홀들(154)의 필 팩터에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 색 분리 렌즈 어레이(130)의 유효 굴절률은 1.6일 수 있다. 이 경우, 반사 방지 홀들(154)의 필 팩터는 패터닝되지 않은 저굴절률 물질 막의 유효 굴절률이 1.6의 제곱근인 약 1.26이 되도록 결정될 수 있다. 예를 들어, 저굴절률 막(155)이 SiO2 들인 경우, 유효 굴절률인 약 1.48인 패터닝되지않은 SiO2 막을 패터닝하여 약 0.5의 필 팩터를 갖는 반사 방지 홀들(154)(즉, 패터닝되지않은 SiO2 막의 절반 정도가 제거하고 남은 저굴절률 막(155))이 형성될 수 있다. 다만, 일 예에서, 반사 방지 홀들(154)의 필 팩터는 위치에 따라 다를 수 있다.
본 개시의 방사 방지 요소(150)는 도 4에 도시된 화소 어레이(1100)에 동일하게 적용될 수 있다.
본 개시는 낮은 반사율 및 향상된 양자 효율을 갖는 화소 어레이(1100) 및 이미지 센서(1000)를 제공할 수 있다.
도 36은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 3을 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 36을 참조하면, 도 3에 도시된 것과 달리, 반사 방지 요소(150)의 저굴절률 패턴들(156)은 바로 인접한 나노포스트들(NP)과 제3 방향(Z 방향)을 따라 각각 정렬될 수 있다. 저굴절률 패턴들(156)은 나노포스트들(NP)과 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노포스트들(NP)이 원 기둥 형상을 갖는 경우, 저굴절률 패턴들(156)은 대응하는 나노포스트들(NP)과 동일한 단면적을 갖는 원 기둥 형상을 가질 수 있다. 일 예에서, 저굴절률 패턴들(156)은 나노포스트들(NP)를 형성하는 공정 시 이용된 식각 마스크를 이용하여 형성될 수 있다. 저굴절률 패턴들(156)과 나노포스트들(NP)이 동일한 식각 마스크를 이용하여 형성되는 경우, 별도의 식각 마스크를 이용하는 경우에 요구되는 공정 비용(또는 공정 단가)이 절감될 수 있다. 본 개시의 방사 방지 요소(150)는 도 4에 도시된 화소 어레이(1100)에 동일하게 적용될 수 있다.
도 37은 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 개략적인 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 32를 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 37을 참조하면, 도 32에 도시된 것과 달리, 반사 방지 요소(150)의 저굴절률 패턴들(156)은 바로 인접한 나노포스트들(NP)과 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬될 수 있다. 저굴절률 패턴들(156)은 나노포스트들(NP)과 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노포스트들(NP)이 원 기둥 형상을 갖는 경우, 저굴절률 패턴들(156)은 대응하는 나노포스트들(NP)과 동일한 단면적을 갖는 원 기둥 형상을 가질 수 있다. 일 예에서, 나노포스트들(NP)은 저굴절률 패턴들(156)을 형성하는 공정 시 이용된 식각 마스크를 이용하여 형성될 수 있다. 저굴절률 패턴들(156)과 나노포스트들(NP)이 동일한 식각 마스크를 이용하여 형성되는 경우, 별도의 식각 마스크를 이용하는 경우에 요구되는 공정 비용(또는 공정 단가)이 절감될 수 있다.
도 38은 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 도 39는 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 27 및 도 28을 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 38 및 도 39를 참조하면, 도 27 및 도 28에 도시된 것과 달리, 색 분리 렌즈 어레이(130)는 하부 어레이(130a) 및 하부 어레이(130a) 상에 제공되는 상부 어레이(130b)를 포함할 수 있다. 하부 어레이(130a) 및 상부 어레이(130b)의 각각은 입사광의 위상을 변화시키는 나노포스트들(NP) 및 나노포스트들(NP)을 둘러싸는 주변 물질 층(PM)을 포함할 수 있다. 주변 물질 층(PM)은 나노포스트들(NP)보다 굴절률이 낮은 유전체, 예를 들면, 공기 또는 SiO2를 포함할 수 있다. 일 예에서, 하부 어레이(130a) 및 상부 어레이(130b)는 서로 동일할 수 있다. 일 예에서, 하부 어레이(130a) 및 상부 어레이(130b)의 각각은 도 3 및 도 4에 도시된 색 분리 렌즈 어레이(130)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 38에 도시된 것과 같이, 화소 어레이(1100)의 중심부에서 하부 어레이(130a)의 나노포스트들(NP)과 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)은 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬될 수 있다. 하부 어레이(130a)의 나노포스트들(NP)과 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)은 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하부 어레이(130a)의 나노포스트들(NP)이 원 기둥 형상을 갖는 경우, 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)은 대응하는 하부 어레이(130a)의 나노포스트들(NP)과 동일한 단면적을 갖는 원 기둥 형상을 가질 수 있다. 화소 어레이(1100)의 중심부에서 컬러 필터들(141, 142)과 이에 대응하는 화소들(111, 112)은 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬될 수 있다. 다시 말해, 제1 컬러 필터(141) 및 제2 컬러 필터(142)는 제1 화소(111) 및 제2 화소(112)와 각각 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬될 수 있다. 도시되지 않았지만, 화소 어레이(1100)의 중심부에서 제3 컬러 필터(143) 및 제4 컬러 필터(144)는 이에 대응하는 제3 화소(113) 및 제4 화소(114)와 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬될 수 있다.
도 39에 도시된 것과 같이, 화소 어레이(1100)의 가장자리에서 하부 어레이(130a)와 상부 어레이(130b)는 화소 어레이(1100)의 중심부를 향해 시프트될 수 있다. 일 예에서, 상부 어레이(130b)는 하부 어레이(130a)보다 화소 어레이(1100)의 중심부를 향해 더 시프트될 수 있다. 이에 따라, 하부 어레이(130a)의 나노포스트들(NP)과 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)은 서로 어긋나도록 제3 방향(Z 방향)을 따라 배열될 수 있다. 다시 말해, 하부 어레이(130a)의 나노포스트들(NP)과 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)은 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬되지 않을 수 있다. 화소 어레이(1100)의 가장자리에서 컬러 필터 어레이(140)는 화소 어레이(1100)의 중심부를 향해 시프트될 수 있다. 이에 따라, 컬러 필터들(141, 142)과 이에 대응하는 화소들(111, 112)은 서로 어긋나도록 제3 방향(Z 방향)을 따라 배열될 수 있다. 다시 말해, 컬러 필터들(141, 142)과 이에 대응하는 화소들(111, 112)은 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬되지 않을 수 있다.
도 40은 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 도 41은 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 38 및 도 39를 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 40 및 도 41을 참조하면, 도 38 및 도 39에 도시된 것과 달리, 반사 방지 요소(150)의 저굴절률 패턴들(152)은 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)과 제3 방향(Z 방향)을 따라 정렬될 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)은 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)과 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)이 원 기둥 형상을 갖는 경우, 저굴절률 패턴들(152)은 대응하는 나노포스트들(NP)과 동일한 단면적을 갖는 원 기둥 형상을 가질 수 있다. 일 예에서, 저굴절률 패턴들(152)은 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)를 형성하는 공정 시 이용된 식각 마스크를 이용하여 형성될 수 있다. 저굴절률 패턴들(152)과 상부 어레이(130b)의 나노포스트들(NP)이 동일한 식각 마스크를 이용하여 형성되는 경우, 별도의 식각 마스크를 이용하는 경우에 요구되는 공정 비용(또는 공정 단가)이 절감될 수 있다.
도 42는 화소 어레이의 중심부에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 도 43은 화소 어레이의 가장자리에서 화소 어레이의 예시적인 구조를 나타내는 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 40 및 도 41을 참조하여 설명된 화소 어레이와의 차이점이 중점적으로 설명된다.
도 42 및 도 43을 참조하면, 도 40 및 도 41에 도시된 것과 달리, 센서 기판(110)은 인접한 광센싱셀들을 분리하기 위한 셀 분리 막(102)을 더 포함할 수 있다. 셀 분리 막(102)의 높이는 화소분리막(101)의 높이보다 작을 수 있다. 예를 들어, 셀 분리 막(102)의 높이는 화소분리막(101)의 1/4 내지 1/2일 수 있다. 셀 분리 막(102)은 센서 기판(110)의 상부 표면으로부터 센서 기판(110)의 광전달층(103)의 내부의 중간 부분까지 제3 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다. 셀 분리 막(102)은 인접한 인접한 광센싱셀들 사이의 크로스토크를 저감하여 자동 초점 신호의 대조비를 더욱 향상시킬 수 있다. 그러나, 이러한 셀 분리 막(102)은 광을 흡수/반사하여 광 손실을 일으킬 수도 있기 때문에, 필요에 따라서는 생략될 수도 있다. 예를 들어, 양자 효율(quantum efficiency)이 비교적 낮은 적색 화소인 제3 화소(113)에는 셀 분리 막(102)을 배치하지 않을 수도 있다.
도 42에 도시된 것과 같이, 화소 어레이(1100)의 중심부에서 셀 분리 막(102)은 각각의 화소들의 중앙에 위치할 수 있다. 예컨대, 화소 어레이(1100)의 중심부에 위치한 제1 화소(111)에서 셀 분리 막(102)은 제1 화소(111)의 중앙을 지나고, 화소 어레이(1100)의 중심부에 위치한 제2 화소(112)에서 셀 분리 막(102)은 제2 화소(112)의 중앙을 지나도록 위치할 수 있다.
도 43에 도시된 것과 같이, 화소 어레이(1100)의 가장자리에 위치한 각각의 화소 내의 셀 분리 막(102)은 화소 어레이(1100)의 중심부를 향해 시프트될 수 있다. 이에 따라, 화소 어레이(1100)의 가장자리에서 셀 분리 막(102)은 각각의 화소들의 가장자리에 위치할 수 있다. 일 예에서, 화소 어레이(1100)의 가장자리에서 셀 분리 막(102)이 각각의 화소들의 중앙에서 벗어난 정도는 주광선 각도의 크기가 클수록 클 수 있다.
도 44는 이미지 센서(1000)를 포함하는 전자 장치(ED01)의 일 예를 나타내는 블럭도이다.
도 44를 참조하면, 네트워크 환경(ED00)에서 전자 장치(ED01)는 제1 네트워크(ED98)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(ED02)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(ED99)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(ED04) 및/또는 서버(ED08)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 서버(ED08)를 통하여 전자 장치(ED04)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 프로세서(ED20), 메모리(ED30), 입력 장치(ED50), 음향 출력 장치(ED55), 표시 장치(ED60), 오디오 모듈(ED70), 센서 모듈(ED76), 인터페이스(ED77), 햅틱 모듈(ED79), 카메라 모듈(ED80), 전력 관리 모듈(ED88), 배터리(ED89), 통신 모듈(ED90), 가입자 식별 모듈(ED96), 및/또는 안테나 모듈(ED97)을 포함할 수 있다. 전자 장치(ED01)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(ED60) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(ED76)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(ED60)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.
프로세서(ED20)는, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등)를 실행하여 프로세서(ED20)에 연결된 전자 장치(ED01) 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(ED20)는 다른 구성요소(센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(ED32)에 로드하고, 휘발성 메모리(ED32)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(ED34)에 저장할 수 있다. 프로세서(ED20)는 메인 프로세서(ED21)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(ED23)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)는 메인 프로세서(ED21)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.
보조 프로세서(ED23)는, 메인 프로세서(ED21)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(ED21)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)와 함께, 전자 장치(ED01)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(ED60), 센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(ED80), 통신 모듈(ED90) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.
메모리(ED30)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20), 센서모듈(ED76) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(ED30)는, 휘발성 메모리(ED32) 및/또는 비휘발성 메모리(ED34)를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리(ED32)는 전자 장치(ED01) 내에 고정 장착된 내장 메모리(ED36)과 탈착 가능한 외장 메모리(ED38)를 포함할 수 있다.
프로그램(ED40)은 메모리(ED30)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(ED42), 미들 웨어(ED44 ) 및/또는 어플리케이션(ED46)을 포함할 수 있다.
입력 장치(ED50)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(ED01)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(ED50)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.
음향 출력 장치(ED55)는 음향 신호를 전자 장치(ED01)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(ED55)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(ED60)는 전자 장치(ED01)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(ED60)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(ED60)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.
오디오 모듈(ED70)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(ED70)은, 입력 장치(ED50)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(ED55), 및/또는 전자 장치(ED01)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(ED76)은 전자 장치(ED01)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(ED76)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(ED77)는 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 복수의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(ED77)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(ED78)는, 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(ED78)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있
햅틱 모듈(ED79)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(ED79)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(ED80)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 하나 또는 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리, 도 1의 이미지 센서(1000), 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다.
전력 관리 모듈(ED88)은 전자 장치(ED01)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(ED88)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(ED89)는 전자 장치(ED01)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(ED89)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(ED90)은 전자 장치(ED01)와 다른 전자 장치(전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 프로세서(ED20)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 또는 복수의 커뮤니케이션 프로세서들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 무선 통신 모듈(ED92)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(ED94)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(ED98)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(ED99)(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(ED92)은 가입자 식별 모듈(ED96)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(ED01)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(ED97)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(ED97)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(ED90)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(ED90)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(ED97)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(ED99)에 연결된 서버(ED08)를 통해서 전자 장치(ED01)와 외부의 전자 장치(ED04)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(ED02, ED04)은 전자 장치(ED01)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(ED01)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(ED02, ED04, ED08) 중 하나 또는 복수의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(ED01)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(ED01)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.
도 45는 도 44의 카메라 모듈(ED80)을 예시하는 블럭도이다.
도 45을 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(CM10), 플래시(CM20), 이미지 센서(1000)(도 1의 이미지 센서(1000) 등), 이미지 스태빌라이저(CM40), 메모리(CM50)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(CM60)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(CM10)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(CM10)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(ED80)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. 이미지 센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지 센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(CM10)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지 센서(1000)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(1000)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.
이미지 스태빌라이저(CM40)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(CM01)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(CM10)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지 센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지 센서(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(ED80)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(ED80) 또는 전자 장치(ED01)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(CM40)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(CM50)는 이미지 센서(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(ED01)의 메모리(ED30)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(CM60)는 이미지 센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(CM50)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 이미지 처리들은, 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(ED80)에 포함된 구성 요소들(이미지 센서(1000) 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(ED80)의 외부 구성 요소(메모리(ED30), 표시 장치(ED60), 전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 프로세서(ED20)에 통합되거나, 프로세서(ED20)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)가 프로세서(ED20)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(CM60)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(ED20)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(ED60)를 통해 표시될 수 있다.
또한 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 이미지 센서(1000)의 각각의 화소로부터 독립적으로 2개의 초점 신호를 수신하고, 2개의 초점 신호의 차로부터 위상차 검출 자동 초점 방식으로 자동 초점 신호를 생성할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 자동 초점 신호를 기초로 렌즈 어셈블리(CM10)의 초점이 이미지 센서(1000)의 표면에 정확하게 맞도록 렌즈 어셈블리(CM10)를 제어할 수 있다.
전자 장치(ED01)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(ED80)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.
도 46 내지 도 55는 예시적인 실시예들에 따른 이미지 센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면들이다.
실시예들에 따른 이미지 센서(1000)는 도 46에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(1100m), 도 47에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(1200), 도 48에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(1300), 도 49에 도시된 노트북 컴퓨터(1400)에 또는 도 50에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(1500) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(1100m) 또는 스마트 태블릿(1200)은 고해상 이미지 센서가 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, 이미지 센서(1000)는 도 51에 도시된 스마트 냉장고(1600), 도 52에 도시된 보안 카메라(1700), 도 53에 도시된 로봇(1800), 도 54에 도시된 의료용 카메라(1900) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(1600)는 이미지 센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라(1700)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(1900)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(1900)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 이미지 센서(1000)는 도 55에 도시된 바와 같이 차량(2000)에 적용될 수 있다. 차량(2000)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)는 실시예에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다. 차량(2000)은 복수의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)를 이용하여 차량(2000) 내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.
상술한 색 분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치가 비록 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. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 파장의 광을 감지하는 복수의 제1 화소들 및 제2 파장의 광을 감지하는 복수의 제2 화소들을 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판 상에 제공되는 반사 방지 요소;를 포함하되,
    상기 반사 방지 요소는, 복수의 저굴절률 패턴들 및 상기 복수의 저굴절률 패턴들과 상기 센서 기판 사이에 제공되는 고굴절률 막을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고굴절률 막의 두께는 5 나노미터(nm) 내지 50 나노미터(nm)인 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 기판은 입사 광이 제1 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제1 영역 및 상기 입사 광이 제1 주광선 각도보다 큰 제2 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제2 영역을 포함하되,
    상기 제2 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터는 상기 제1 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터보다 크고,
    상기 복수의 저굴절률 패턴들의 필 팩터는 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기와 폭의 비율인 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제1 파장의 광을 상기 복수의 제1 화소들로 집광하고, 상기 제2 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제2 파장의 광을 상기 복수의 제2 화소들로 집광하는 색 분리 렌즈 어레이;을 더 포함하는 이미지 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 색 분리 렌즈 어레이는 상기 센서 기판 및 상기 반사 방지 요소 사이에 제공되는 이미지 센서.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사 방지 요소는 상기 색 분리 렌즈 어레이 및 상기 센서 기판 사이에 제공되는 이미지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사 방지 요소와 상기 색 분리 렌즈 어레이 사이에 제공되는 컬러 필터 어레이;를 더 포함하되,
    상기 컬러 필터 어레이는:
    상기 복수의 제1 화소들에 각각 대응하도록 배치되고 상기 제1 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 복수의 제1 컬러 필터들; 및
    상기 복수의 제2 화소들에 각각 대응하도록 배치되고 상기 제2 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 복수의 제2 컬러 필터들;을 포함하는 이미지 센서.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 색 분리 렌즈 어레이는, 복수의 나노포스트들 및 상기 복수의 나노포스트들을 둘러싸는 주변 물질 층을 포함하되,
    상기 복수의 나노포스트들과 상기 복수의 저굴절률 패턴들은 상기 센서 기판의 상면에 수직한 방향을 따라 정렬되는 이미지 센서.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 색 분리 렌즈 어레이는, 복수의 나노포스트들 및 상기 복수의 나노포스트들을 둘러싸는 주변 물질 층을 포함하되,
    상기 복수의 나노포스트들과 상기 복수의 저굴절률 패턴들은 서로 어긋나도록 상기 기판의 상면에 수직한 방향을 따라 배열되는 이미지 센서.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 색 분리 렌즈 어레이는, 하부 어레이 및 상기 하부 어레이 상에 제공되는 상부 어레이를 포함하되,
    상기 하부 어레이 및 상기 상부 어레이의 각각은 복수의 나노포스트들 및 상기 복수의 나노포스트들을 둘러싸는 주변 물질 층을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상부 어레이의 상기 복수의 나노포스트들과 상기 복수의 저굴절률 패턴들은 상기 센서 기판의 상면에 수직한 방향을 따라 정렬되는 이미지 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 저굴절률 패턴들은 SiO2를 포함하고,
    상기 고굴절률 막은 AlO, SiN, 및 HfO 중 적어도 하나를 포함하는 이미지 센서.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 화소들 및 상기 복수의 제2 화소들의 상부에 각각 제공되는 복수의 셀 분리 막들;을 더 포함하는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 센서 기판의 중심부에서 상기 셀 분리 막들은 대응하는 제1 화소들 또는 제2 화소들의 중심부들에 각각 배치되고,
    상기 센서 기판의 가장자리에서 상기 셀 분리 막들은 대응하는 제1 화소들 또는 제2 화소들의 중심부들로부터 상기 센서 기판의 중심부를 향해 시프트되는 이미지 센서.
  15. 제1 파장의 광을 감지하는 복수의 제1 화소들 및 제2 파장의 광을 감지하는 복수의 제2 화소들을 포함하는 센서 기판; 및
    상기 센서 기판 상에 제공되는 반사 방지 요소;를 포함하되,
    상기 반사 방지 요소는, 복수의 반사 방지 홀들을 갖는 저굴절률 막 및 상기 저굴절률 막들과 상기 센서 기판 사이에 제공되는 고굴절률 막을 포함하는 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 고굴절률 막의 두께는 5 나노미터(nm) 내지 50 나노미터(nm)인 이미지 센서.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 센서 기판은 입사 광이 제1 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제1 영역 및 상기 입사 광이 제1 주광선 각도보다 큰 제2 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제2 영역을 포함하되,
    상기 제2 영역의 상기 복수의 반사 방지 홀들의 배열 주기 및 필 팩터는 상기 제1 영역의 상기 복수의 반사 방지 홀들의 배열 주기 및 필 팩터보다 크고,
    상기 복수의 반사 방지 홀들의 필 팩터는 상기 복수의 반사 방지 홀들의 배열 주기와 폭의 비율인 이미지 센서.
  18. 광학상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;
    상기 이미지 센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지 센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서; 및
    피사체로부터 오는 광을 상기 이미지 센서에 제공하는 렌즈 어셈블리;를 포함하고,
    상기 이미지 센서는, 제1 파장의 광을 감지하는 복수의 제1 화소들 및 제2 파장의 광을 감지하는 복수의 제2 화소들을 포함하는 센서 기판 및 상기 센서 기판 상에 제공되는 반사 방지 요소를 포함하되,
    상기 반사 방지 요소는, 복수의 저굴절률 패턴들 및 상기 복수의 저굴절률 패턴들과 상기 센서 기판 사이에 제공되는 고굴절률 막을 포함하는 전자 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 고굴절률 막의 두께는 5 나노미터(nm) 내지 50 나노미터(nm)인 전자 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 센서 기판은 입사 광이 제1 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제1 영역 및 상기 입사 광이 제1 주광선 각도보다 큰 제2 주광선 각도로 상기 센서 기판에 입사하는 제2 영역을 포함하되,
    상기 제2 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터는 상기 제1 영역 상의 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기 및 필 팩터보다 크고,
    상기 복수의 저굴절률 패턴들의 필 팩터는 상기 복수의 저굴절률 패턴들의 배열 주기와 폭의 비율인 전자 장치.
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