KR20240002081A - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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이준호
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문상은
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Abstract

이미지 센서는 이차원 배열된 복수의 화소를 구비하는 화소 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 화소는, 제1 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드; 상기 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드; 및 상기 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드;를 포함하며, 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열될 수 있다. 또한, 상기 화소 어레이의 중심부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태가 상기 화소 어레이의 주변부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태와 동일할 수 있다.

Description

이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Image sensor and electronic apparatus including the image sensor}
개시된 실시예들은 이미지 센서 및 이를 포함하는 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. 이미지 센서의 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다. 이에 따라, 컬러 필터를 사용하지 않고 이미지 센서의 각 화소로 컬러를 분리하는 방안이 시도되고 있다.
한편, 고해상도화에 대한 요구가 높아짐에 따라, 화소 크기는 점차적으로 작아지고 있어 이러한 색 분리 기능에 한계가 나타날 수 있다. 또한, 색분리 방식은 단위 픽셀로 들어온 에너지가 R,G,B 유효 면적으로 나누어 흡수되는 방식이므로, 서브 화소 별로 하나의 컬러를 담당하게 되며, 신호 처리 과정에서 기본적으로 존재하는 언더 샘플링(under-sampling)에 의해 해상도 열화가 발생할 수 있다. 이에 따라, 고해상도 구현에 적합한 풀 컬러(full color) 화소를 구현하는 방안이 모색되고 있다.
풀 컬러(full color) 화소를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
또한 입사광의 주광선 각도가 상이한 중심부와 주변부에서 거의 균일한 흡수 스펙트럼을 갖는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 이차원 배열된 복수의 화소를 구비하는 화소 어레이를 포함하고, 상기 복수의 화소 각각은: 제1 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드; 상기 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드; 및 상기 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드;를 포함하며, 하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열되어 있고, 상기 화소 어레이의 중심부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태가 상기 화소 어레이의 주변부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태와 동일할 수 있다.
상기 화소 어레이의 중심부와 주변부에서, 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드들이 서로 동일한 구조를 가지며, 상기 제2 메타 포토다이오드들이 서로 동일한 구조를 갖고, 상기 제3 메타 포토다이오드들이 서로 동일한 구조를 가질 수 있다.
하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격을 S, 상기 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭의 합을 W라고 할 때, W/2 + 40 nm > S를 만족할 수 있다.
하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 150 nm 이하이고 상기 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭의 합의 1/2 이상일 수 있다.
하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 상기 회절 한계의 1/3 이하일 수 있다.
상기 화소 어레이의 중심부는 입사광이 수직으로 입사하는 영역이고 상기 화소 어레이의 주변부는 상기 중심부를 둘러싸며 입사광이 경사지게 입사하는 영역일 수 있다.
상기 화소 어레이는 상기 복수의 화소의 입광면에 마주하여 배치되며 입사광의 진행 방향을 상기 복수의 화소의 입광면에 수직하게 바꾸는 광학 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 광학 플레이트는 디지털 마이크로 렌즈 어레이 또는 디지털 디플렉터를 포함할 수 있다.
상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 각각은 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 위에 적층된 진성 반도체층, 및 상기 진성 반도체층 위에 적층된 제2 도전형 반도체층을 포함하는 막대 형상이고, 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 상기 적층된 방향에 수직한 방향으로 서로 다른 제1 폭, 제2 폭, 및 제3 폭을 각각 가질 수 있다.
상기 제1 폭, 제2 폭, 및 제3 폭은 50 nm 이상 200 nm 이하일 수 있다.
상기 제1 파장 대역은 상기 제2 파장 대역보다 크고, 상기 제2 파장 대역은 상기 제3 파장 대역보다 크며, 상기 제1 폭은 상기 제2 폭보다 크고, 상기 제2 폭은 상기 제3 폭보다 클 수 있다.
상기 적층된 방향으로 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드의 높이는 500 nm 이상일 수 있다.
상기 적층된 방향으로 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드의 높이는 서로 동일할 수 있다.
상기 복수의 화소 각각의 폭은 250 nm 이상 450 nm 이하일 수 있다.
상기 복수의 화소 각각은 1개의 상기 제1 메타 포토다이오드, 1개의 상기 제2 메타 포토다이오드, 및 2개의 상기 제3 메타 포토다이오드를 포함하고, 상기 제1 메타 포토다이오드와 상기 제2 메타 포토다이오드는 제1 대각선 방향으로 배치되고 상기 2개의 제3 메타 포토다이오드는 제1 대각선 방향에 교차하는 제2 대각선 방향으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 화소 각각에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 상기 제2 메타 포토다이오드, 및 상기 제3 메타 포토다이오드의 개수의 합은 9개이고, 9개의 메타 포토다이오드들이 3×3 어레이의 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 화소 각각은 1개의 상기 제1 메타 포토다이오드, 복수 개의 상기 제2 메타 포토다이오드, 및 복수 개의 상기 제3 메타 포토다이오드를 포함하고, 상기 제1 메타 포토다이오드는 상기 복수의 화소 각각의 중심에 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따른 이미지 센서는 이차원 배열된 복수의 화소를 구비하는 화소 어레이를 포함하고, 상기 복수의 화소 각각은: 제1 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드; 상기 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드; 및 상기 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드;를 포함하며, 하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열되어 있고, 하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 150 nm 이하이고 상기 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭의 합의 1/2 이상일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 전자 장치는 피사체의 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리; 상기 렌즈 어셈블리가 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서에서 생성된 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하며, 상기 이미지 센서는 이차원 배열된 복수의 화소를 구비하는 화소 어레이를 포함하고, 상기 복수의 화소 각각은: 제1 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드; 상기 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드; 및 상기 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드;를 포함하며, 하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열되어 있고, 상기 화소 어레이의 중심부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태가 상기 화소 어레이의 주변부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태와 동일할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 회절 한계 이하의 작은 폭을 가지는 개개의 화소가 복수 종류의 파장 대역의 광을 구분하여 검출할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 이미지 센서는 색분리 소자, 컬러 필터와 같은 구성을 사용하지 않아 높은 광효율을 나타낼 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서의 화소들은 입사광의 주광선 각도가 상이한 중심부와 주변부에서 거의 균일한 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 이미지 센서는 중심부와 주변부에서 화소의 구조가 동일할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는, 예를 들어, 멀티-컬러 센서, 펄티-파장 센서, 초분광(hyper-spectral) 센서로 활용될 수 있고, 컬러 영상과 깊이 영상을 함께 제공하는 3차원 영상 센서로 활용될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 이미지 센서는 고해상도 카메라 모듈로 적용되어 다양한 전자 장치에서 활용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이의 화소 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 3은 도 1의 이미지 센서를 포함하는 카메라 모듈을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 4는 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 상세히 보이는 사시도이다.
도 5는 도 4의 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 5의 A-A, B-B 단면을 도시한 단면도이다.
도 7은 메타 포토다이오드들의 크기 및 메타 포토다이오드들 사이의 간격에 따른 색분리 결과를 서로 다른 주광선 각도에 대해 비교하여 보이는 표이다.
도 8a 내지 도 12c는 메타 포토다이오드들의 크기 및 메타 포토다이오드들 사이의 간격에 따른 청색광, 녹색광, 및 적색광의 흡수 스펙트럼 변화를 서로 다른 주광선 각도에 대해 비교하여 보이는 그래프이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 보이는 평면도이다.
도 14a 내지 도 16c는 화소들 사이의 분리막의 폭에 따른 청색광, 녹색광, 및 적색광의 흡수 스펙트럼 변화를 서로 다른 주광선 각도에 대해 비교하여 보이는 그래프이다.
도 17은 비교예에 따른 이미지 센서의 예시적인 화소 배열을 보인다.
도 18은 비교예에 따른 이미지 센서의 컬러별 효율을 보인 그래프이다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 20 내지 도 23은 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서 각각에서 하나의 화소에 구비되는 여러 종류의 메타 포토다이오드들의 배치 형태를 보인 평면도이다.
도 24는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 보이는 단면도이다.
도 25는 화소 어레이의 중심부에 위치하는 광학 플레이트의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 26은 화소 어레이의 중심부에서 광학 플레이트의 하나의 디지털 마이크로 렌즈를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 27은 화소 어레이의 주변부에 위치하는 광학 플레이트의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 28은 화소 어레이의 주변부에서 광학 플레이트의 하나의 디지털 마이크로 렌즈를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 29는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 보이는 단면도이다.
도 30은 실시예들에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 31은 도 30의 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 32 내지 도 41은 실시예들에 따른 이미지센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 대해 상세하게 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" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
제1, 제2 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 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 이미지 센서의 개략적인 블록도이고, 도 2는 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이의 화소 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소(PX)들을 포함한다. 화소(PX)들 각각은 복수의 p-i-n 메타 포토다이오드를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 도 4 이하에서 상세히 설명할 것이다.
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)를 이루는 복수의 화소(PX)들은 각각이 임의의 컬러를 감지할 수 있는, 풀 컬러(full-color) 화소이다. 즉, 화소(PX)에 입사된 광이 파장 대역별로 구분되어, 예를 들어, 적색광 성분, 녹색광 성분, 청색광 성분의 양이 구별되어 감지될 수 있다. 따라서, 기존의 컬러 필터를 구비하는 이미지 센서에서 일어나는, 서브 화소의 컬러에 따라 특정 컬러의 광이 손실되는 작용은 본 실시예의 이미지 센서에서는 발생하지 않는다. 다시 말하면, 화소(PX)로 입사된 광은 화소(PX) 내의 영역 위치에 거의 구애됨이 없이, 각 컬러 성분이 검출될 수 있다. 이러한 점에서, 실시예의 이미지 센서(1000)의 화소(PX)는 풀컬러 화소로 불리거나, 또는 특정 컬러만을 인지하는 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소 등과 구별되는 의미로, RGB화소로 불릴 수 있다.
화소(PX)들은 도 2에 도시된 바와 같이, 이차원적으로 배열될 수 있고, 화소(PX)의 폭, p는 회절 한계(D) 이하의 크기를 갖는다. 여기서, 폭은 이차원 배열을 정의하는 어느 한 방향의 폭을 의미하며, 두 방향의 폭이 모두 D 이하일 수 있다.
회절 한계(diffraction limit), D는 피사체가 구분되어 이미징될 수 있는 최소 크기를 의미하며, 다음 식으로 표현된다.
D = λ/(2NA) = λ*F
여기서, λ는 입사광의 파장이고, NA 및 F는 각각 이미징 광학계(또는, 렌즈 어셈블리)의 개구수(numerical aperture) 및 F 수(F number)를 의미한다.
NA는 이미징 공간에서 가장 가장자리 광선 각도의 sine 값으로 정의되며, NA가 클수록 집광되는 빛의 각도 분포가 커짐을 의미한다. F 수는 1/(2NA)의 관계로 정의된다. 이미징 시스템의 고해상도화, 소형화 경향에 따라 상기 가장자리 광선 각도는 커지는 추세이며 이에 따라 F 수가 작은 모듈 렌즈들이 개발되고 있다. 이상적으로 줄일 수 있는 F 수는 1.0정도라고 할 때, 회절 한계는 λ가 된다.
이와 같은 전제하에, 청색광의 중심 파장을 기준으로 회절 한계는, 예를 들어, 약 450 nm로 표현될 수 있다. 즉, 화소 어레이(1100)를 이루는 각 화소(PX)는 약 450 nm × 450 nm 이하의 크기를 가질 수 있다. 다만, 이 수치는 예시적이며, 구체적인 크기는 함께 구비되는 이미징 광학계에 따라 변경될 수 있다.
화소(PX)의 최소 폭은 화소(PX)에 구비되는 후술할 메타 포토다이오드들의 크기와 개수에 따라 설정될 수 있다. 화소(PX)의 폭은 예를 들어, 약 250 nm 이상, 또는 약 300 nm 이상일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 이미지 센서(1000)는 카메라 모듈과 같은 다양한 광학 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 도 1의 이미지 센서를 포함하는 카메라 모듈을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 카메라 모듈(1880)은 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 렌즈 어셈블리(1910), 렌즈 어셈블리(1910)에 의해 형성된 광학상을 전기적인 영상 신호로 변환하는 이미지 센서(1000), 및 이미지 센서(1000)로부터 출력된 전기적 신호를 영상 신호로 처리하는 이미지 시그널 프로세서(1960)를 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1880)은 또한, 이미지 센서(1000)와 렌즈 어셈블리(1910) 사이에 배치되는 적외선 차단 필터, 이미지 시그널 프로세서(1960)에서 형성한 영상을 표시하는 디스플레이 패널, 이미지 시그널 프로세서(1960)에서 형성한 영상 데이터를 저장하는 메모리를 더 포함할 수도 있다. 이러한 카메라 모듈(1880)은, 예를 들어, 핸드폰, 노트북, 태블릿 PC 등과 같은 모바일 전자 장치 내에 장착될 수 있다.
렌즈 어셈블리(1910)는 카메라 모듈(1880)의 외부에 있는 피사체의 상을 이미지 센서(1000), 더욱 정확히는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100) 상에 포커싱하는 역할을 한다. 도 3에는 편의상 하나의 렌즈로 간략하게 표시되었지만 실제 렌즈 어셈블리(1910)는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 화소 어레이(1100)가 렌즈 어셈블리(1910)의 초점 평면 상에 정확하게 위치하면, 피사체의 어느 한 점에서 출발한 빛은 렌즈 어셈블리(1910)를 통해 화소 어레이(1100) 상의 한 점으로 다시 모이게 된다. 예를 들어, 광축(OX) 상의 어느 한 점(A)에서 출발한 빛은 렌즈 어셈블리(1910)를 통과한 후, 광축(OX) 상에 있는 화소 어레이(1100)의 중심에 모이게 된다. 광축(OX)에서 벗어난 어느 한 점(B, C, D)에서 출발한 빛은 렌즈 어셈블리(1910)에 의해 광축(OX)을 가로질러 화소 어레이(1100)의 주변부의 한 점에 모이게 된다. 예를 들어, 도 3에서 광축(OX)보다 위쪽에 있는 한 점(B)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 화소 어레이(1100)의 아래쪽 가장자리에 모이게 되며, 광축(OX)보다 아래쪽에 있는 한 점(C)에서 출발한 빛은 광축(OX)을 가로질러 화소 어레이(1100)의 위쪽 가장자리에 모이게 된다. 또한, 광축(OX)과 점(B) 사이에 위치한 점(D)에서 출발한 빛은 화소 어레이(1100)의 중심과 아래쪽 가장자리 사이의 주변부에 모이게 된다.
따라서, 서로 다른 점(A, B, C, D)들에서 각각 출발한 빛은 상기 점(A, B, C, D)들과 광축(OX) 사이의 거리에 따라 서로 다른 각도로 화소 어레이(1100)에 입사한다. 화소 어레이(1100)에 입사하는 빛의 입사각은 주광선 각도(CRA; chief ray angle)로 정의된다. 주광선(chief ray)은 피사체의 한 점으로부터 렌즈 어셈블리(1910)의 중심을 지나 화소 어레이(1100)에 입사하는 광선을 의미하며, 주광선 각도는 주광선이 광축(OX)과 이루는 각도를 의미한다. 광축(OX)에 있는 점(A)에서 출발한 빛은 주광선 각도가 0도이며, 화소 어레이(1100)의 중심부에 수직하게 입사한다. 출발점이 광축(OX)에서 멀어질수록 주광선 각도는 증가하게 된다.
이미지 센서(1000)의 관점에서 보면, 화소 어레이(1100)의 중심부에서 입사광의 주광선 각도는 0도이며, 화소 어레이(1100)의 중심부를 둘러싸는 주변부에서 입사광이 경사지게 입사한다. 또한, 화소 어레이(1100)의 가장자리로 갈수록 입사광의 주광선 각도가 커지게 된다. 예컨대, 점(B)와 점(C)에서 출발하여 화소 어레이(1100)의 제일 가장자리에 입사하는 빛의 주광선 각도가 가장 크고, 점(A)에서 출발하여 화소 어레이(1100)의 중심부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 0도이다. 또한, 점(D)에서 출발하여 화소 어레이(1100)의 중심과 가장자리 사이의 주변부에 입사하는 빛의 주광선 각도는 점(B)와 점(C)에서 출발한 빛의 주광선 각도보다 작고 0도보다 크다.
따라서, 화소 어레이(1100) 내에서 화소들의 위치에 따라 화소들에 입사하는 입사광의 주광선 각도가 달라지게 된다. 실시예에 따르면, 화소 어레이(1100)의 중심부에 위치하는 화소들과 주변부에 위치하는 화소들의 흡수 스펙트럼이 균일하도록 후술할 메타 포토다이오드들의 간격이 정해질 수 있다.
도 4는 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 상세히 보이는 사시도이다. 도 5는 도 4의 평면도이고, 도 6a 및 도 6b는 각각 도 5의 A-A, B-B 단면을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 화소 어레이(1100)에 포함된 복수의 화소(PX) 각각은 제1 파장 대역(예컨대, 적색 파장 대역)의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드(100), 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역(예컨대, 녹색 파장 대역)의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역(예컨대, 청색 파장 대역)의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드(300)를 포함할 수 있다.
또한, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 회로 기판(SU)을 더 포함할 수 있다. 회로 기판(SU)은 복수의 제1 메타 포토다이오드(100), 복수의 제2 메타 포토다이오드(200), 및 복수의 제3 메타 포토다이오드(300)를 지지하며, 또한 각 화소(PX)에서의 신호를 처리하는 회로 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 회로 기판(SU)은 화소(PX)에 구비된 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)를 위한 전극들과 배선 구조들을 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서(1000)에 필요한 다양한 회로 요소들이 회로 기판(SU)에 집적 배치될 수 있다. 예를 들어, 회로 기판(SU)은 다양한 아날로그 회로, 디지털 회로 등을 포함하는 로직 레이어를 더 포함할 수 있고, 데이터가 저장되는 메모리 레이어를 더 포함할 수 있다. 로직 레이어와 메모리 레이어는 다른 층으로 구성되거나 또는 같은 층으로 구성될 수 있다. 도 1에 예시한 회로 요소들의 일부가 회로 기판(SU)에 구비될 수 있다.
제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 각각 입사광의 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 막대(rod) 형상의 수직형 포토다이오드로서, 도파 모드 기반의 공진에 의해 특정 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 스펙트럼들은 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 폭, 높이, 단면 형태, 배열 형태, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격 등에 의해 결정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)가 서로 다른 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하도록, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 각각은 높이 방향(Z 방향)에 수직한 방향(X 방향 또는 Y 방향)으로 서로 다른 제1 폭(w1), 제2 폭(w2) 및 제3 폭(w3)을 가질 수 있다. 제1 폭(w1), 제2 폭(w2) 및 제3 폭(w3)은, 예를 들어, 약 50 nm 이상 약 200 nm 이하의 범위를 가질 수 있다. 제1 폭(w1), 제2 폭(w2) 및 제3 폭(w3)은 화소(PX)에 입사된 광 중 각 도파 모드 공진 요건을 만족하는 파장의 광이 해당 메타 포토다이오드 내부에서 가이드될 수 있도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 폭(w1)은 약 100 nm 내지 약 200 nm 범위, 제2 폭(w2)는 약 80 nm 내지 약 150 nm의 범위, 제 3폭(w3)은 약 50 nm 내지 약 120 nm의 범위일 수 있다.
제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 각각 입사광 중 적색광, 녹색광, 및 청색광을 흡수할 수 있다. 따라서, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 더 큰 폭을 갖는 메타 포토다이오드가 더 장파장 대역의 광을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 제1 폭(w1)은 제2 폭(w2)보다 크고, 제2 폭(w2)은 제3 폭(w3)보다 클 수 있다. 도 5에서, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300) 주위로 표시된 원은 적색광, 녹색광, 및 청색광이 각각 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300) 내부로 가이드됨을 개념적으로 도시한 것이며 한정적인 의미는 아니다. 화소(PX) 영역 내의 임의의 위치로 입사된 적색광은 거의 대부분 제1 메타 포토다이오드(100)에 흡수될 수 있고, 녹색광은 거의 대부분 제2 메타 포토다이오드(200)에 흡수될 수 있고, 청색광은 거의 대부분 제3 메타 포토다이오드(300)에 흡수될 수 있다.
또한, 하나의 화소(PX)는 적색광을 흡수하는 1개의 제1 메타 포토다이오드(100), 녹색광을 흡수하는 1개의 제2 메타 포토다이오드(200), 청색광을 흡수하는 2개의 제3 메타 포토다이오드(300)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 4개의 메타 포토다이오드들의 중심을 연결한 선이 정사각형이 되도록, 1개의 제1 메타 포토다이오드(100), 1개의 제2 메타 포토다이오드(200), 및 2개의 제3 메타 포토다이오드(300)가 배열될 수 있다. 제1 메타 포토다이오드(100)와 제2 메타 포토다이오드(200)는 정사각형의 제1 대각선 방향으로 배치되고, 2개의 제3 메타 포토다이오드(300)는 제1 대각선 방향에 교차하는 제2 대각선 방향으로 배치될 수 있다. 다만, 이러한 배치는 예시적인 것이다. 예를 들어, 하나의 화소(PX) 내에서 4개의 메타 포토다이오드들의 중심을 연결한 선이 직사각형이 되도록 메타 포토다이오드들이 배열될 수도 있고, 또는 5개 이상의 메타 포토다이오드들이 배열될 수도 있다.
도 4 및 도 5에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 원기둥 형태로 도시되었으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 타원 기둥, 또는 사각기둥, 육각기둥 등 다각형 기둥 형상을 가질 수도 있다. 다시 말해, 높이 방향(Z 방향)에 수직한 방향(X 방향 또는 Y 방향)으로 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 단면 형태는 원형, 타원형, 또는 다각형 형태를 가질 수 있다. 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 단면 형태가 원형인 경우, 제1 폭(w1), 제2 폭(w2) 및 제3 폭(w3)은 각각 제1 직경, 제2 직경, 및 제3 직경으로 표기될 수도 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 높이(H)는 약 500 nm이상, 또는 약 1 ㎛ 이상, 또는 약 2 ㎛ 이상일 수 있다. 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 높이(H)는 파장별로 나타나는 양자 효율(quantum efficiency)과 공정 난이도를 고려하여 적절한 상한이 설정될 수 있으며, 예를 들어, 10㎛ 이하, 또는 5㎛ 이하가 될 수 있다. 한편, 에너지가 높은 짧은 파장의 광일수록 메타 포토다이오드의 상부 표면에 가까운 쪽에서 흡수되고, 긴 파장의 광은 메타 포토다이오드의 좀 더 깊은 위치에서 흡수될 수 있다. 따라서, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 높이(H)는 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300) 내로 입사된 광이 흡수되는 위치, 즉, 표면으로부터 깊이 위치를 고려하여 결정될 수 있다.
제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 제3 메타 포토다이오드(300)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 동일한 높이를 가질 수도 있다. 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 제3 메타 포토다이오드(300)가 동일한 높이를 갖는 경우, 제조 공정이 용이할 수 있다. 이 경우, 긴 파장 대역의 광에 기준을 맞추어 광 흡수가 충분히 이루어지는 높이를 선택할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 서로 다른 높이를 가질 수도 있다. 예를 들어, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 더 큰 높이를 갖는 메타 포토다이오드가 더 장파장 대역의 광을 흡수할 수 있다. 다시 말해, 제1 메타 포토다이오드(100)의 높이를 h1, 제2 메타 포토다이오드(200)의 높이를 h2, 제3 메타 포토다이오드(300)의 높이를 h3라 하면, h1 > h2 > h3의 조건을 만족할 수도 있다.
제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300) 각각은 막대 형상의 p-i-n 포토다이오드이다. 예를 들어, 제1 메타 포토다이오드(100)는 제1 도전형 반도체층(11), 제3 방향(Z 방향)으로 제1 도전형 반도체층(11) 위에 적층된 진성 반도체층(12), 및 제3 방향(Z 방향)으로 진성 반도체층(12) 위에 적층된 제2 도전형 반도체층(13)을 포함하고, 제2 메타 포토다이오드(200)는 제1 도전형 반도체층(21), 제3 방향(Z 방향)으로 제1 도전형 반도체층(21) 위에 적층된 진성 반도체층(22), 및 제3 방향(Z 방향)으로 진성 반도체층(22) 위에 적층된 제2 도전형 반도체층(23)을 포함하고, 제3 메타 포토다이오드(300)는 제1 도전형 반도체층(31), 제3 방향(Z 방향)으로 제1 도전형 반도체층(31) 위에 적층된 진성 반도체층(32), 및 제3 방향(Z 방향)으로 진성 반도체층(32) 위에 적층된 제2 도전형 반도체층(33)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 도전형 반도체층(11, 21, 31), 진정 반도체층(21, 22, 32) 및 제2 도전형 반도체층(13, 23, 33)들이 적층되는 방향과 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 높이 방향은 동일한 방향일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(11, 21, 31)은 제1 도전형으로 도핑된 반도체 재료를 포함하고, 제2 도전형 반도체층(13, 23, 33)은 전기적으로 제1 도전형과 상반되는 제2 도전형으로 도핑된 반도체 재료를 포함하고, 진성 반도체층(12, 22, 32)은 도핑되지 않은 반도체 재료를 포함할 수 있다.
제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 실리콘 반도체 기반으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(11, 21, 31)은 p-Si일 수 있고, 진성 반도체층(12, 22, 32)은 i-Si 일 수 있고, 제2 도전형 반도체층(13, 23, 33)은 n-Si일 수 있다. 또는, 제1 도전형 반도체층(11, 21, 31)이 n-Si이고, 제2 도전형 반도체층(13, 23, 33)이 p-Si일 수도 있다. 그러나, 반도체 재료가 반드시 실리콘(Si)에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 반도체 재료는 게르마늄(Ge), Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 포함할 수도 있다.
이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)들 사이에 채워진 유전체층(500)을 더 포함할 수 있다. 유전체층(500)은 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)가 감지하고자 하는 파장 대역의 광에 대해 투명한 유전체 재료를 포함할 수 있다. 또한, 유전체층(500)의 유전체 재료는 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 약 630 nm의 파장을 갖는 광에 대한 유전체층(500)의 유전체 재료의 굴절률은, 예를 들어, 1 이상 또는 2 이하일 수 있다. 예를 들어, 유전체층(500)은 공기(air), SiO2, Si3N4, 또는 Al2O3을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 이미징 광학계, 예컨대 렌즈 어셈블리(1910)의 회절 한계 이하의 크기를 갖는 화소(PX) 내에 입사광의 파장보다 작은 폭 또는 직경을 갖는 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)가 배열될 수 있다. 다시 말해, 하나의 화소(PX) 내에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 이미징 광학계, 예컨대 렌즈 어셈블리(1910)의 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열될 수 있다. 그러면, 각각의 화소(PX)는 입사광 내에 포함된 적색광, 녹색광, 및 청색광을 컬러 필터 없이 감지할 수 있다. 이러한 점에서 하나의 화소(PX) 내에서 배열된 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 함께 작용하여 렌즈의 역할, 컬러 필터의 역할, 및 포토다이오드의 역할을 모두 수행한다고 볼 수 있다.
한편, 입사광의 주광선 각도(CRA)에 따른 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 스펙트럼의 변화는 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)들 사이의 간격에 의해 영향을 받을 수 있다. 다시 도 5를 참조하면, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 인접한 2개의 메타 포토다이오드의 중심 사이의 거리로 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 방향(X 방향)을 따른 제1 간격(Sx)은 제2 메타 포토다이오드(200)의 중심과 제3 메타 포토다이오드(300)의 중심 사이의 제1 방향을 따른 거리, 또는 제1 메타 포토다이오드(100)의 중심과 제3 메타 포토다이오드(300)의 중심 사이의 제1 방향을 따른 거리로 정의될 수 있다. 또한, 제2 방향(Y 방향)을 따른 제2 간격(Sy)은 제2 메타 포토다이오드(200)의 중심과 제3 메타 포토다이오드(300)의 중심 사이의 제2 방향을 따른 거리, 또는 제1 메타 포토다이오드(100)의 중심과 제3 메타 포토다이오드(300)의 중심 사이의 제2 방향을 따른 거리로 정의될 수 있다. 하나의 화소(PX) 내에서 4개의 메타 포토다이오드들이 정사각형 형태로 배열된 경우, 제1 간격(Sx)과 제2 간격(Sy)은 동일할 수 있다. 여기서, 제1 방향(X 방향) 또는 제2 방향(Y 방향)은 각각의 화소(PX)의 변의 방향과 평행한 방향일 수 있다.
실시예에 따르면, 제1 간격(Sx)과 제2 간격(Sy)은 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 스펙트럼이 입사광의 주광선 각도(CRA)와 관계 없이 거의 일정하게 유지되도록 선택될 수 있다. 그러면, 화소 어레이(1100)의 중심부에 위치하는 화소들과 주변부에 위치하는 화소들의 흡수 스펙트럼이 균일하게 될 수 있다.
도 7은 메타 포토다이오드들의 폭 및 메타 포토다이오드들 사이의 간격에 따른 색분리 결과를 서로 다른 주광선 각도에 대해 비교하여 보이는 표이다.
도 7을 참조하면, 실시예1에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 원기둥 형태를 가지며, 도 5와 같이 배열되었다. 제1 메타 포토다이오드(100)의 직경은 120 nm, 제2 메타 포토다이오드(200)의 직경은 90 nm, 제3 메타 포토다이오드(300)의 직경은 70 nm이다. 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 220 nm, 180 nm, 및 150 nm인 경우에, 0°의 주광선 각도와 30°의 주광선 각도에서 적색광, 녹색광, 및 청색광에 대한 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 특성을 비교하였다. 또한, R Sum, G Sum, B Sum은 0°의 주광선 각도에서 적색광, 녹색광, 및 청색광에 대한 흡수량을 1로 하였을 때, 30°의 주광선 각도에서 적색광, 녹색광, 및 청색광에 대한 흡수량을 나타낸 것이다.
도 7에서 알 수 있듯이, 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 작아질수록, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 특성들이 서로 가까워진다. 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm일 때, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 특성들이 가장 유사하다.
실시예2에서도 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)는 원기둥 형태를 가지며, 도 5와 같이 배열되었다. 제1 메타 포토다이오드(100)의 직경은 136 nm, 제2 메타 포토다이오드(200)의 직경은 122 nm, 제3 메타 포토다이오드(300)의 직경은 104 nm이다. 실시예2에서 R Sum, G Sum, B Sum을 참조하면, 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 작아질수록, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 특성들이 서로 가까워진다. 또한, 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm일 때, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 특성들이 가장 유사하다는 것을 알 수 있다.
도 8a 내지 도 12c는 메타 포토다이오드들의 크기 및 메타 포토다이오드들 사이의 간격에 따른 청색광, 녹색광, 및 적색광의 흡수 스펙트럼 변화를 서로 다른 주광선 각도에 대해 비교하여 보이는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 실시예1에서 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 220 nm인 경우에, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제3 메타 포토다이오드(300), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제1 메타 포토다이오드(100)의 흡수 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 도 9a 내지 도 9c는 실시예1에서 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 180 nm인 경우에 대한 그래프이다. 또한, 도 10a 내지 도 10c는 실시예1에서 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm인 경우에 대한 그래프이다. 도 7 및 도 8a 내지 도 10c를 참조하면, 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 180 nm인 경우에 비하여, 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm인 경우에는 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 신호의 차이가 작다는 것을 알 수 있다. 또한, 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm인 경우, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제3 메타 포토다이오드(300), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제1 메타 포토다이오드(100)의 흡수 스펙트럼 피크의 위치가 거의 일치한다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 11a 내지 도 11c는 실시예2에서 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 220 nm인 경우에, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제3 메타 포토다이오드(300), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제1 메타 포토다이오드(100)의 흡수 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 도 12a 내지 도 12c는 실시예2에서 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm인 경우에 대한 그래프이다. 도 11a 내지 도 12c를 참조하면, 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm인 경우에 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제3 메타 포토다이오드(300), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제1 메타 포토다이오드(100)의 흡수 스펙트럼이 거의 일치한다는 것을 알 수 있다.
따라서, 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 충분히 작다면, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 폭 또는 직경과 무관하게 서로 다른 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 스펙트럼들이 비교적 균일하게 유지될 수 있다. 예를 들어, 하나의 화소(PX) 내에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 제1 방향(X 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격(Sx)은 150 nm 이하이고 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭 또는 직경의 합의 1/2 이상일 수 있다. 또한, 하나의 화소(PX) 내에서 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격(Sy)도 150 nm 이하이고 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭 또는 직경의 합의 1/2 이상일 수 있다.
또는, 하나의 화소(PX) 내에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 제1 방향(X 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격(Sx)은 이미징 광학계, 예컨대 렌즈 어셈블리(1910)의 광학적 특성에 의해 결정되는 회절 한계의 1/3 이하일 수 있다. 마찬가지로, 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격(Sy)은 이미징 광학계, 예컨대 렌즈 어셈블리(1910)의 광학적 특성에 의해 결정되는 회절 한계의 1/3 이하일 수 있다.
또는, 하나의 화소(PX) 내에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 제1 방향(X 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 제1 방향(X 방향) 폭 또는 직경의 합을 Wx라고 할 때, 제1 방향(X 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격(Sx)은 Wx/2 + 40 nm > Sx를 만족할 수 있다. 또한, 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 제2 방향(Y 방향) 폭 또는 직경의 합을 Wy라고 할 때, 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격(Sy)은 Wy/2 + 40 nm > Sy를 만족할 수 있다.
하나의 화소(PX) 내에서 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 상술한 조건을 만족하는 경우, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 스펙트럼에 대한 입사광의 주광선 각도의 영향이 크게 작아질 수 있다. 따라서, 화소 어레이(1100)를 설계할 때, 입사광의 주광선 각도를 고려하여 화소 어레이(1100) 상의 화소(PX)의 위치에 따라 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 크기, 높이, 폭, 간격 등을 서로 다르게 선택할 필요가 없다.
다시 말해, 화소 어레이(1100)의 중심부에서 복수의 화소(PX) 내에 배열된 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)들의 배열 형태가 화소 어레이(1100)의 주변부에서 복수의 화소(PX) 내에 배열된 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)들의 배열 형태와 동일할 수 있다. 여기서, 배열 형태가 동일하다는 것은 메타 포토다이오드들의 구조, 크기, 상대적인 위치 등이 동일하다는 것을 의미한다. 예를 들어, 화소 어레이(1100)의 중심부와 주변부에 각각 배치된 제1 메타 포토다이오드(100)들의 폭 또는 직경, 높이, 구조, 재료가 서로 동일하고, 제2 메타 포토다이오드(200)들의 폭 또는 직경, 높이, 구조, 재료가 서로 동일하고, 제3 메타 포토다이오드(300)들의 폭 또는 직경, 높이, 구조, 재료가 서로 동일할 수 있다. 또한, 화소 어레이(1100)의 중심부와 주변부의 복수의 화소(PX)에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)들 사이의 간격과 상대적 위치가 서로 동일할 수 있다.
도 3에서 설명하였듯이, 화소 어레이(1100)의 중심부는 입사광이 거의 수직으로 입사하는 영역이고, 화소 어레이(1100)의 주변부는 중심부를 둘러싸며 입사광이 경사지게 입사하는 영역이다. 결론적으로, 실시예에 따른 화소 어레이(1100)의 전체 영역에서, 복수의 화소(PX) 내에 배열된 제1 메타 포토다이오드(110)들이 서로 동일한 구조를 갖고 제2 메타 포토다이오드(200)들이 서로 동일한 구조를 갖고 제3 메타 포토다이오드(300)들이 서로 동일한 구조를 가지며, 복수의 화소(PX)에서 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)들이 서로 동일한 배열을 가질 수 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 보이는 평면도이다. 도 13을 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 화소(PX)들 사이의 간섭을 줄이기 위해 인접한 화소(PX)들 사이에 배치된 분리막(510)을 더 포함할 수 있다. 분리막(510)은 1 이상 또는 2 이하의 굴절률을 갖는 저굴절률 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, 분리막(510)은 공기(air), SiO2, Si3N4, 또는 Al2O3을 포함할 수 있다.
도 14a 내지 도 16c는 화소들 사이의 분리막의 폭에 따른 청색광, 녹색광, 및 적색광의 흡수 스펙트럼 변화를 서로 다른 주광선 각도에 대해 비교하여 보이는 그래프이다. 도 14a 내지 도 16c에서 제1 메타 포토다이오드(100)의 직경은 120 nm, 제2 메타 포토다이오드(200)의 직경은 90 nm, 제3 메타 포토다이오드(300)의 직경은 70 nm이고, 화소(PX) 내의 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm인 경우에, 0°의 주광선 각도와 30°의 주광선 각도에서 적색광, 녹색광, 및 청색광에 대한 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)의 흡수 특성을 비교하였다.
먼저, 도 14a 내지 도 14c는 분리막(510)이 존재하지 않는 경우, 또는 분리막(510)의 폭이 0 nm인 경우에, 0°의 주광선 각도로 입사하는 입사광과 30°의 주광선 각도로 입사하는 입사광에 대한 제3 메타 포토다이오드(300), 제2 메타 포토다이오드(200), 및 제1 메타 포토다이오드(100)의 흡수 스펙트럼을 비교한 그래프이다. 도 15a 내지 도 15c는 분리막(510)이 공기이고 분리막(510)의 폭(Wair)이 50 nm인 경우에 대한 그래프이고, 도 16a 내지 도 16c는 분리막(510)이 공기이고 분리막(510)의 폭(Wair)이 150 nm인 경우에 대한 그래프이다. 도 14a 내지 도 16c를 참조하면, 하나의 화소(PX) 내에서 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200), 제3 메타 포토다이오드(300)가 배열되어 있고 인접한 메타 포토다이오드들 사이의 간격이 150 nm 이하인 경우에는, 화소(PX)들 사이에 저굴절률의 분리막(510)이 배치되더라도 주광선 각도에 따른 흡수 스펙트럼 변화가 작다는 것을 알 수 있다.
도 17은 비교예에 따른 이미지 센서의 예시적인 화소 배열을 보인며, 도 18은 비교예에 따른 이미지 센서의 컬러별 효율을 보인 그래프이다.
비교예의 이미지 센서는 베이어 패턴(Bayer pattern)에 기반한 화소 배열을 갖는다. 반복 배열되는 유닛(RU)들은 각각 두 개의 녹색 서브 화소와 한 개의 적색 서브 화소, 한 개의 청색 서브 화소를 포함한다. 반복되는 유닛(RU)의 폭(p0)은 0.6 ㎛이고, 각 서브 화소로 해당 컬러의 광이 입사되게 분리하는 색분리 구조가 함께 구비된 경우이다.
도 18을 살펴보면, 적색광에 대한 센싱 효율에 비해, 녹색광, 청색광의 센싱 효율은 낮으며, 밴드 폭도 적색광에 비해 넓게 나타나고 있다. 따라서, 비교예의 반복 유닛(RU)은 실시예의 화소(PX)보다 큰 피치를 가지면서도 색을 분리하여 센싱하는 효율은 더 낮은 것으로 평가된다. 더욱이, 비교예의 화소 배열에서 반복 유닛(RU)은 4개의 서브 영역으로 나뉘어 입사광의 컬러를 담당하게 되므로 신호 처리 과정에서도 해상도 열화가 발생할 수 있다. 예를 들어, R, B 신호는 두 개의 서브 화소 간격으로, G 신호는 √2*서브 화소 간격으로 신호를 얻게 되며, 신호를 얻지 못한 위치의 서브 화소에서의 R/G/B 신호 정보는 주변정보를 통해 유추하여 얻어낸다. 따라서 언더 샘플링(under-sampling)에 의해 해상도 열화가 발생하게 되며, 이미지 복원 과정에서 계단 현상(aliasing) 등과 같은 아티팩트(artifact)가 발생할 수 있다.
이와 달리, 실시예의 이미지 센서(1000)는 매우 작은 피치의 화소(PX)들 각각이 컬러 성분을 분리하여 검출할 수 있으므로, 샘플링 등의 신호 처리가 필요하지 않고, 추가적인 아티팩트의 발생 여지가 낮으며, 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있다.
도 19는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다. 도 19를 참조하면, 화소 어레이(1101)는 복수의 화소(PX)와 일대일로 마주하는 복수의 렌즈(600)를 더 포함하는 점에서, 전술한 화소 어레이(1100)와 차이가 있다. 이러한 렌즈(600)에 의해, 인접 화소들 간의 에너지 교환이 차단될 수 있어 광 효율이 보다 높아질 수 있다.
상술한 설명들에서 하나의 화소(PX)는 적색광을 흡수하는 하나의 제1 메타 포토다이오드(100), 녹색광을 흡수하는 하나의 제2 메타 포토다이오드(200), 청색광을 흡수하는 2개의 제3 메타 포토다이오드(300)를 포함하는 것으로 예시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 다른 실시예의 이미지 센서에서 다양한 종류, 개수의 메타 포토다이오드들이 활용될 수 있다.
도 20 내지 도 23은 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서 각각에서 하나의 화소에 구비되는 여러 종류의 메타 포토다이오드들의 배치 형태를 보인 평면도이다.
도 20을 참조하면, 화소 어레이(1102) 내의 각각의 화소(PX)는 적색광을 선택적으로 흡수하는 하나의 제1 메타 포토다이오드(102), 녹색광을 선택적으로 흡수하는 복수의 제2 메타 포토다이오드(202), 청색광을 선택적으로 흡수하는 복수의 제3 메타 포토다이오드(302)를 포함할 수 있다. 제1 메타 포토다이오드(102)는 화소(PX)의 중심에 배치되고, 4개의 제2 메타 포토다이오드(202)와 4개의 제3 메타 포토다이오드(302)가 제1 메타 포토다이오드(102)를 직사각형 형상으로 둘러싸며 배치될 수 있다. 예컨대, 직사각형의 꼭지점에 4개의 제2 메타 포토다이오드(202)가 배치되고 직사각형의 변의 중심에 4개의 제3 메타 포토다이오드(302)가 배치될 수 있다. 도 20에 도시된 것과 달리, 제2 메타 포토다이오드(202)와 제3 메타포토다이오드(302)의 위치는 서로 바뀌는 형태로 변형될 수도 있다.
도 20에 도시된 화소 어레이(1102) 내의 각각의 화소(PX)에서도 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 전술한 조건을 만족할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향으로 인접한 제2 메타 포토다이오드(202)와 제3 메타포토다이오드(302) 사이의 간격(S1x, S2x) 및 제2 방향으로 인접한 제2 메타 포토다이오드(202)와 제3 메타포토다이오드(302) 사이의 간격(S1y, S2y)은 150 nm 이하이거나, 이미징 광학계의 광학적 특성에 의해 결정되는 회절 한계의 1/3 이하일 수 있다. 또는, 하나의 화소(PX) 내에서 제2 메타 포토다이오드(202)와 제3 메타포토다이오드(302) 사이의 간격 사이의 간격을 S, 제2 메타 포토다이오드(202)와 제3 메타포토다이오드(302)의 폭의 합을 W라고 할 때, W/2 + 40 nm > S를 만족할 수 있다.
도 21을 참조하면, 화소 어레이(1103) 내의 각각의 화소(PX)는 적색광을 선택적으로 흡수하는 2개의 제1 메타 포토다이오드(103), 녹색광을 선택적으로 흡수하는 2개의 제2 메타 포토다이오드(203), 청색광을 선택적으로 흡수하는 5개의 제3 메타 포토다이오드(303)를 포함할 수 있다. 2개의 제1 메타 포토다이오드(103)는 직사각형의 마주하는 두 변의 중심에 배치되고, 2개의 제2 메타 포토다이오드(203)는 직사각형의 마주하는 다른 두 변의 중심에 배치되고, 1개의 제3 메타 포토다이오드(303)는 직사각형의 중심에 배치되고, 4개의 제3 메타 포토다이오드(303)는 직사각형의 꼭지점에 배치될 수 있다. 이 경우에도, 제1 메타 포토다이오드(103), 제2 메타 포토다이오드(203) 및 제3 메타 포토다이오드(303) 중 인접한 2개의 메타 포토다이오드 사이의 간격은 전술한 조건들을 만족할 수 있다.
도 20 및 도 21에서 제1 메타 포토다이오드(102, 103), 제2 메타 포토다이오드(202, 203) 및 제3 메타 포토다이오드(302, 303)들의 개수의 합은 9개이고, 9개의 메타 포토다이오드들이 3×3 어레이의 형태로 배열되었다. 그리고, 9개의 메타 포토다이오드들은 사각형, 예컨대, 정사각형의 단위 격자 형태로 배열되었다. 그러나, 실시예는 반드시 이에 한정되지 않는다.
도 22를 참조하면, 화소 어레이(1104) 내에서 화소(PX)들은 육각형 격자 형태로 배열될 수 있다. 하나의 화소(PX)는 적색광을 선택적으로 흡수하는 하나의 제1 메타 포토다이오드(104), 녹색광을 선택적으로 흡수하는 3개의 제2 메타 포토다이오드(204), 청색광을 선택적으로 흡수하는 3개의 제3 메타 포토다이오드(304)를 포함할 수 있다. 육각형의 중심에 제1 메타 포토다이오드(104)가 배치되고, 육각형의 각 꼭지점 위치에 제2 메타 포토다이오드(204)와 제3 메타 포토다이오드(304)가 번갈아 배치될 수 있다. 한 변을 공유하도록 인접하여 배치된 2개의 화소(PX)는 공유하는 변의 양쪽 꼭지점에 배치된 하나의 제2 메타 포토다이오드(204)와 하나의 제3 메타 포토다이오드(304)를 공유할 수 있다. 따라서, 하나의 제2 메타 포토다이오드(204)와 하나의 제3 메타 포토다이오드(304)는 주위의 3개의 화소(PX)에 의해 공유될 수 있다. 이 경우에도, 인접한 제2 메타 포토다이오드(204)와 제3 메타 포토다이오드(304) 사이의 간격(S)은 전술한 조건들을 만족할 수 있다.
또한, 도 23을 참조하면, 화소 어레이(1105)의 화소(PX)는 적색광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드(105), 녹색광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드(205), 청색광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드(305)를 포함하고, 추가적으로 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제4 메타 포토다이오드(400)를 더 포함할 수 있다. 하나의 제4 메타 포토다이오드(400)가 중심에 배치되고, 4개의 제1 메타 포토다이오드(105), 4개의 제2 메타 포토다이오드(205), 4개의 제3 메타 포토다이오드(305)가 제4 메타 포토다이오드(400)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 제4 메타 포토다이오드(400)의 직경이 가장 클 수 있으며, 예를 들어, 100 nm보다 클 수 있다. 제4 메타 포토다이오드(400)의 직경은 100 nm 내지 200 nm의 범위에서 설정될 수 있다.
이와 같이, R, G, B 컬러를 선택적으로 흡수하는 메타 포토다이오드 외에 추가적으로 적외선 파장 대역을 선택적으로 흡수하는 메타 포토다이오드를 더 구비한 이미지 센서로부터 피사체에 대한 컬러 정보 외에, 깊이 정보를 더 획득할 수 있다. 예를 들어, 이러한 이미지 센서를 포함하는 카메라 모듈은 피사체에 적외선 광을 조사하는 적외선 광원을 더 포함할 수 있으며, 이미지 센서에서 센싱된 적외선 정보는 피사체의 깊이 정보를 획득하는데 활용될 수 있다. 즉, 이미지 센서에 의해 센싱된 적외선 정보에 의해 피사체의 깊이 정보가 획득되고, 센싱된 가시광 정보에 의해 피사체의 컬러 정보를 획득할 수 있다. 또한, 컬러 정보와 깊이 정보를 결합하여 3차원 영상 정보가 획득될 수도 있다.
도 24는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 보이는 단면도이다. 도 24를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1106)는 복수의 화소(PX)의 입광면에 마주하여 배치된 광학 플레이트(620)를 더 포함할 수 있다. 광학 플레이트(620)는 입사광의 진행 방향을 복수의 화소(PX)의 입광면에 수직하게 바꾸도록 구성될 수 있다. 예컨대, 입사광이 수직하게 입사하는 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C)에서 광학 플레이트(620)는 입사광의 진행 방향을 변경시키지 않고 입사광을 그대로 투과시킬 수 있다. 반면, 입사광이 경사지게 입사하는 화소 어레이(1106)의 주변부(1106P)에서 광학 플레이트(620)는 입사광의 진행 방향을 수직하게 변경시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C)와 주변부(1106P)에서 입사광이 화소(PX)에 수직하게 입사하기 때문에, 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300) 중 인접하는 2개의 메타 포토다이오드 사이의 간격(Sx)은 전술한 조건을 만족하지 않을 수도 있다. 다시 말해, 광학 플레이트(620)를 사용하는 경우, 인접하는 2개의 메타 포토다이오드 사이의 간격(Sx)은, 예를 들어, 150 nm 이상일 수도 있다. 또한, 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C)와 주변부(1106P)에서 입사광이 화소(PX)에 수직하게 입사하기 때문에, 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C)와 주변부(1106P)에서 복수의 화소(PX) 내에 배열된 제1 메타 포토다이오드(100), 제2 메타 포토다이오드(200) 및 제3 메타 포토다이오드(300)들의 배열 형태가 서로 동일할 수 있다.
광학 플레이트(620)는, 예를 들어, 2차원 배열된 복수의 디지털 마이크로 렌즈를 포함하는 디지털 마이크로 렌즈 어레이일 수 있다. 광학 플레이트(620)가 디지털 마이크로 렌즈 어레이인 경우, 광학 플레이트(620)는 각각의 화소(PX)에 입사광을 집광시키면서 입사광의 진행 방향을 수직하게 변경할 수 있다. 이를 위해, 광학 플레이트(620)는 입사광을 집광시킬 수 있는 나노 패턴 구조를 가질 수 있다. 나노 패턴 구조는 각각의 화소(PX) 내에서 입사광의 입사 위치에 따라 입사광의 위상을 다르게 변화시키는 복수의 나노 구조물을 포함할 수 있다. 복수의 나노 구조물의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등은 광학 플레이트(620)를 투과한 직후의 광이 소정의 위상 프로파일(phase profile)을 갖도록 결정될 수 있다. 이러한 위상 프로파일에 따라 광학 플레이트(620)를 투과한 광의 진행 방향 및 초점 거리가 결정될 수 있다.
도 25는 화소 어레이의 중심부에 위치하는 광학 플레이트의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 25를 참조하면, 나노 패턴 구조의 나노 구조물(NP)은 단면의 지름이 서브 파장의 치수를 갖는 나노 기둥일 수 있다. 입사광이 가시광인 경우, 나노 구조물(NP)의 단면의 지름은 예를 들어 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노 구조물(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다.
나노 구조물(NP)은 주변 물질에 비하여 상대적으로 고굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NP)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 나노 구조물(NP) 주변은 나노 구조물(NP)보다 상대적으로 저굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 비교적 낮은 유전체 재료로 채워질 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NP) 주변은 공기(air), SiO2, Si3N4, 또는 Al2O3 등으로 채워질 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노 구조물(NP)은 나노 구조물(NP)을 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노 구조물(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노 구조물(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다.
도 25에 도시된 광학 플레이트(620)의 나노 패턴 구조는 디지털 마이크로 렌즈 어레이의 하나의 디지털 마이크로 렌즈를 형성하는 단위 패턴일 수 있다. 복수의 디지털 마이크로 렌즈는 복수의 화소(PX)와 일대일로 대응할 수 있으며, 대응하는 화소(PX)와 마주하여 배치될 수 있다. 따라서, 광학 플레이트(620) 내에서 도 25에 도시된 복수의 나노 패턴 구조가 2차원 배열될 수 있다.
도 26은 화소 어레이의 중심부에서 광학 플레이트의 하나의 디지털 마이크로 렌즈를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다. 도 26을 참조하면, 광학 플레이트(620)의 하나의 디지털 마이크로 렌즈를 통과한 직후의 광은 디지털 마이크로 렌즈에 대응하는 화소(PX)의 중심에서 가장 크고 제1 방향(X 방향)을 따라 화소(PX)의 중심에서 멀어질수록 감소하는 위상 프로파일을 가질 수 있다. 입사광의 주광선 각도가 0도인 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C)에서는 광학 플레이트(620)가 입사광의 진행 방향을 변경할 필요가 없기 때문에, 도 26에 도시된 바와 같이 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 구현하도록 광학 플레이트(620)의 나노 패턴 구조가 구성될 수 있다. 또한, 제1 방향뿐만 아니라 제2 방향(Y)으로도 대칭적인 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 구현하도록 광학 플레이트(620)의 나노 패턴 구조가 구성될 수 있다.
다시 도 25를 참조하면, 위와 같은 위상 프로파일을 구현하기 위하여, 광학 플레이트(620)의 각각의 디지털 마이크로 렌즈에서 복수의 나노 구조물(NP)은 각각의 디지털 마이크로 렌즈의 중심에 대해 제1 방향 및 제2 방향을 따라 대칭적인 형태로 배열될 수 있다. 특히, 각각의 디지털 마이크로 렌즈의 중심 영역에서 가장 큰 위상 지연이 발생하도록 각각의 디지털 마이크로 렌즈의 중심 영역에 배열된 나노 구조물(NP)들이 가장 큰 직경을 가질 수 있으며, 각각의 디지털 마이크로 렌즈의 중심 영역에서 멀어질수록 나노 구조물(NP)의 직경이 점진적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 각각의 디지털 마이크로 렌즈의 4개의 꼭지점 영역에 배치된 나노 구조물(NP)들은 가장 작은 직경을 가질 수 있다.
도 27은 화소 어레이의 주변부에 위치하는 광학 플레이트의 나노 패턴 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 또한, 도 28은 화소 어레이의 주변부에서 광학 플레이트의 하나의 디지털 마이크로 렌즈를 통과한 직후의 광의 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 27을 참조하면, 가장 큰 직경을 갖는 나노 구조물(NP)들이 각각의 디지털 마이크로 렌즈의 중심 영역으로부터 벗어나 배치되어 있다. 예를 들어, 제1 방향(X 방향)을 따라 나노 구조물(NP)들의 직경이 점차 커질 수 있다.
도 28을 참조하면, 광학 플레이트(620)의 하나의 디지털 마이크로 렌즈를 통과한 직후의 광은 경사진 선형 위상 프로파일(LP)에 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일이 더해진 형태의 위상 프로파일을 가질 수 있다. 볼록한 위상 프로파일은 입사광을 집광시키는 역할을 하며, 선형 위상 프로파일(LP)은 입사광의 진행 방향을 편향시키는 역할을 할 수 있다. 선형 위상 프로파일(LP)은 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C) 또는 광학 플레이트(620)의 중심부를 향해 위상이 선형적으로 증가하는 형태를 가질 수 있다. 선형 위상 프로파일(LP)의 기울기는 입사광의 주광선 각도에 따라 결정될 수 있다. 주광선 각도는 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C) 또는 광학 플레이트(620)의 중심부로부터 멀어질수록 증가한다. 따라서, 화소 어레이(1106)의 중심부(1106C) 또는 광학 플레이트(620)의 중심부로부터 멀어질수록 선형 위상 프로파일(LP)의 기울기도 증가할 수 있다. 예를 들어, 선형 위상 프로파일(LP)의 기울기는 광학 플레이트(620)에 입사하는 입사광의 입사각의 사인 값, 다시 말해 주광선 각도의 사인 값 sin(CRA)에 비례할 수 있다.
다른 예에서, 광학 플레이트(620)는, 예를 들어, 디지털 디플렉터(digital deflector)일 수 있다. 디지털 디플렉터는 화소 어레이(1106)의 복수의 화소(PX)와 일대일로 대응하는 복수의 디플렉터 요소를 포함할 수 있다. 디지털 디플렉터는 도 25 및 도 27에 도시된 나노 패턴 구조와 마찬가지로 복수의 나노 구조물(NP)를 포함할 수 있다. 디지털 디플렉터는 디지털 마이크로 렌즈 어레이와 달리 볼록한 위상 프로파일을 갖지 않는다. 예를 들어, 디지털 디플렉터는 도 26 및 도 28에 도시된 위상 프로파일에서 볼록한 곡면 형태의 위상 프로파일을 제거하고 선형 위상 프로파일만을 갖도록 구성된 나노 패턴 구조를 포함할 수 있다.
이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1106)는 복수의 화소(PX)와 광학 플레이트(620) 사이에 배치된 스페이서층(610)을 더 포함할 수도 있다. 스페이서층(610)은 광학 플레이트(620)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 스페이서층(610)은 광학 플레이트(620)가 디지털 마이크로 렌즈 어레이인 경우에 마이크로 렌즈의 초점거리를 확보하기 위한 간격을 제공하는 역할을 할 수 있다. 스페이서층(610)은 입사광에 대해 투과성을 갖는 저굴절률 재료, 예컨대, SiO2, Si3N4, 또는 Al2O3을 포함할 수 있다. 그러나, 마이크로 렌즈의 초점거리가 충분히 짧은 경우 또는 광학 플레이트(620)가 디지털 디플렉터인 경우에 스페이서층(610)은 생략될 수도 있다.
도 29는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구조를 보이는 단면도이다. 도 29를 참조하면, 화소 어레이(1107)는 복수의 화소(PX)와 일대일로 마주하는 복수의 렌즈(600)를 더 포함하는 점에서, 전술한 화소 어레이(1106)와 차이가 있다. 복수의 렌즈(600)는 복수의 화소(PX)와 광학 플레이트(620) 사이, 특히 복수의 화소(PX)와 스페이서층(610) 사이에 배치될 수 있다.
상술한 이미지 센서(1000)에 구비되는 화소(PX)들은 R, G, B 컬러를 센싱하는 것으로 설명되었으나, 다른 파장 대역의 광을 구분하여 검출할 수 있는 메타 포토다이오드를 구비하도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 자외선 내지 적외선 파장 범위의 초분광(hyperspectral) 영상을 얻을 수 있도록, 단면 직경이 다른 복수개, 예를 들어 4개 또는 8개 또는 16개 등의 메타 포토다이오드가 하나의 화소에 구비될 수도 있다. 이러한 메타 포토다이오드들이 구비된 화소의 한 폭은 상기 파장 대역 중 가장 짧은 파장인 λm 이하로 설정될 수 있다. 이는 이미징 광학계의 F수를 1.0 정도로 가정한 경우의 회절 한계에 대응하는 수치이다. 화소 폭의 최소값은 한 화소에 구비되는 메타 포토다이오드들의 직경 및 개수에 알맞게 설정될 수 있다.
이외에도, 이미지 센서(1000)에 구비되는 화소(PX)들은 Cyan/Magenta/Yellow 컬러를 센싱하는 메타 포토다이오드들을 구비하는 형태로 변경될 수 있고, 그 외 다른 멀티 컬러를 센싱하도록 구성될 수도 있다.
실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 성능의 모듈 렌즈와 함께 카메라 모듈을 구성할 수 있고, 다양한 전자 장치에 활용될 수 있다.
도 30은 이미지센서(1000)를 포함하는 전자 장치(ED01)의 일 예를 나타내는 블록도다. 도 30을 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.
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 이미지센서(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 31은, 도 30의 전자 장치(ED01)에 구비된 카메라 모듈(ED80)을 예시하는 블록도다. 도 31을 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(1110), 플래쉬(1120), 이미지센서(1000), 이미지 스태빌라이저(1140), 메모리(1150)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(1160)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1110)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(1110)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(1110)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(1110)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
플래쉬(1120)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래쉬(1120)는 가시광 또는 적외선 광을 방출할 수 있다. 플래쉬(1120)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. 이미지센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(1110)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다.
이미지 센서(1000)는 전술한 도 1의 이미지 센서(1000)일 수 있고, 또한, 이에 구비되는 화소(PX)에 포함되는 메타 포토다이오드들의 종류 및 배치는 도 4, 도 10 내지 도 13에서 설명한 형태, 또는 이들이 조합, 변형된 형태를 가질 수 있다. 이미지 센서(1000)에 작은 화소 폭, 예를 들어 회절 한계 이하의 폭을 가질 수 있다. 이미지 센서(1000)에 구비되는 복수의 화소의 각각의 폭, p는
p < λF,
의 조건을 만족할 수 있다. 여기서 F는 렌즈 어셈블리(1110)의 F수이고, λ는 청색 파장 대역의 중심 파장이다.
이미지 스태빌라이저(1140)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1101)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1110)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(1140)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(1140)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.
메모리(1150)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(1150)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(1160)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(1150)는 전자 장치(ED01)의 메모리(ED30)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.
이미지 시그널 프로세서(1160)는 이미지센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(1150)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(1160)는 카메라 모듈(ED80)에 포함된 구성 요소들(이미지센서(1000) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(1150)에 다시 저장 되거나 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(1160)는 프로세서(ED20)에 통합되거나, 프로세서(ED20)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)가 프로세서(ED20)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(1160)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(ED20)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(ED60)를 통해 표시될 수 있다.
이미지 센서(1000)가 도 13에 예시한 바와 같이 적외선 파장 대역을 선택적으로 흡수하는 메타 포토다이오드와 적색광, 녹색과, 청색광을 구분하여 선택적으로 흡수하는 메타 포토다이오드들을 구비한 경우, 이미지 시그널 프로세서(1160)는 이미지 센서(1000)로부터 획득한 적외선 신호와 가시광 신호를 함께 처리할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 적외선 신호를 처리하여 피사체에 대한 깊이 영상을 획득할 수 있고, 가시광 신호로부터 피사체의 컬러 영상을 획득할 수 있고, 깊이 영상과 컬러 영상을 결합하여 피사체의 3차원 영상을 제공할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)는 또한, 적외선 신호로부터 피사체에 대한 온도나 수분에 대한 정보를 연산할 수 있고, 피사체의 2차원 영상(컬러 영상)과 결합한 온도 분포, 수분 분포 영상을 제공할 수도 있다.
전자 장치(ED01)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 추가적인 하나 또는 복수의 카메라 모듈을 더 포함할 수 있다. 이러한 카메라 모듈도 도 31의 카메라 모율(ED80)과 유사한 구성을 포함할 수 있고, 이에 구비되는 이미지 센서는 CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있고, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 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.
실시예들에 따른 이미지센서(1000)는 도 32에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(1200), 도 33에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(1300), 도 34에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(1400), 도 35에 도시된 노트북 컴퓨터(1500)에 또는 도 36에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(1600) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(1200) 또는 스마트 태블릿(1300)은 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 도 37에 도시된 스마트 냉장고(1700), 도 38에 도시된 보안 카메라(1800), 도 39에 도시된 로봇(1900), 도 40에 도시된 의료용 카메라(2000) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(1700)는 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 카메라(1800)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(2000)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 이미지센서(1000)는 도 41에 도시된 바와 같이 차량(2100)에 적용될 수 있다. 차량(2100)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(2110, 2120, 2130, 2140)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(2110, 2120, 2130, 2140)는 실시예에 따른 이미지센서를 포함할 수 있다. 차량(2100)은 복수의 차량용 카메라(2110, 2120, 2130, 2140)를 이용하여 차량(2100) 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 이미지 센서 및 이를 포함하는 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. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 이미지 센서
1100, 1101, 1102. 1103, 1104, 1105, 1106, 1107: 화소 어레이
100, 101, 102, 103, 104, 105: 제1 메타 포토다이오드
200, 201, 202, 203, 204, 205: 제2 메타 포토다이오드
300, 301, 302, 303, 304, 305: 제1 메타 포토다이오드
400: 제 4 메타 포토다이오드
500: 유전체층
510: 분리막
600: 렌즈
610: 스페이서층
620: 광학 플레이트
SU: 회로 기판
PX: 화소

Claims (20)

  1. 이차원 배열된 복수의 화소를 구비하는 화소 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 화소 각각은:
    제1 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드;
    상기 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드; 및
    상기 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드;를 포함하며,
    하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열되어 있고,
    상기 화소 어레이의 중심부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태가 상기 화소 어레이의 주변부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태와 동일한, 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 화소 어레이의 중심부와 주변부에서, 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드들이 서로 동일한 구조를 가지며, 상기 제2 메타 포토다이오드들이 서로 동일한 구조를 갖고, 상기 제3 메타 포토다이오드들이 서로 동일한 구조를 갖는, 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격을 S, 상기 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭의 합을 W라고 할 때,
    W/2 + 40 nm > S를 만족하는, 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 150 nm 이하이고 상기 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭의 합의 1/2 이상인, 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 상기 회절 한계의 1/3 이하인, 이미지 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 화소 어레이의 중심부는 입사광이 수직으로 입사하는 영역이고 상기 화소 어레이의 주변부는 상기 중심부를 둘러싸며 입사광이 경사지게 입사하는 영역인, 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 화소 어레이는 상기 복수의 화소의 입광면에 마주하여 배치되며 입사광의 진행 방향을 상기 복수의 화소의 입광면에 수직하게 바꾸는 광학 플레이트를 더 포함하는, 이미지 센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 광학 플레이트는 디지털 마이크로 렌즈 어레이 또는 디지털 디플렉터를 포함하는, 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 각각은 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 위에 적층된 진성 반도체층, 및 상기 진성 반도체층 위에 적층된 제2 도전형 반도체층을 포함하는 막대 형상이고,
    상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 상기 적층된 방향에 수직한 방향으로 서로 다른 제1 폭, 제2 폭, 및 제3 폭을 각각 갖는, 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 폭, 제2 폭, 및 제3 폭은 50 nm 이상 200 nm 이하인, 이미지 센서.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 파장 대역은 상기 제2 파장 대역보다 크고, 상기 제2 파장 대역은 상기 제3 파장 대역보다 크며,
    상기 제1 폭은 상기 제2 폭보다 크고, 상기 제2 폭은 상기 제3 폭보다 큰, 이미지 센서.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 적층된 방향으로 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드의 높이는 500 nm 이상인, 이미지 센서.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 적층된 방향으로 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드의 높이는 서로 동일한, 이미지 센서.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소 각각의 폭은 250 nm 이상 450 nm 이하인, 이미지 센서.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소 각각은 1개의 상기 제1 메타 포토다이오드, 1개의 상기 제2 메타 포토다이오드, 및 2개의 상기 제3 메타 포토다이오드를 포함하고,
    상기 제1 메타 포토다이오드와 상기 제2 메타 포토다이오드는 제1 대각선 방향으로 배치되고 상기 2개의 제3 메타 포토다이오드는 제1 대각선 방향에 교차하는 제2 대각선 방향으로 배치되는, 이미지 센서.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소 각각에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 상기 제2 메타 포토다이오드, 및 상기 제3 메타 포토다이오드의 개수의 합은 9개이고, 9개의 메타 포토다이오드들이 3×3 어레이의 형태로 배열되어 있는, 이미지 센서.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 화소 각각은 1개의 상기 제1 메타 포토다이오드, 복수 개의 상기 제2 메타 포토다이오드, 및 복수 개의 상기 제3 메타 포토다이오드를 포함하고,
    상기 제1 메타 포토다이오드는 상기 복수의 화소 각각의 중심에 배치되는, 이미지 센서.
  18. 이차원 배열된 복수의 화소를 구비하는 화소 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 화소 각각은:
    제1 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드;
    상기 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드; 및
    상기 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드;를 포함하며,
    하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열되어 있고,
    하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드 중 제1 방향으로 인접한 2개의 메타 포토다이오드들 사이의 간격은 150 nm 이하이고 상기 인접한 2개의 메타 포토다이오드들의 폭의 합의 1/2 이상인, 이미지 센서.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 화소 어레이의 전체 영역에서, 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태가 동일한, 이미지 센서.
  20. 피사체의 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리;
    상기 렌즈 어셈블리가 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서에서 생성된 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하며,
    상기 이미지 센서는 이차원 배열된 복수의 화소를 구비하는 화소 어레이를 포함하고,
    상기 복수의 화소 각각은:
    제1 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 메타 포토다이오드;
    상기 제1 파장 대역과 상이한 제2 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 메타 포토다이오드; 및
    상기 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역과 상이한 제3 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제3 메타 포토다이오드;를 포함하며,
    하나의 화소 내에서 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드는 회절 한계 이하의 크기를 갖는 면적 내에 배열되어 있고,
    상기 화소 어레이의 중심부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태가 상기 화소 어레이의 주변부에서 상기 복수의 화소 내에 배열된 상기 제1 메타 포토다이오드, 제2 메타 포토다이오드 및 제3 메타 포토다이오드들의 배열 형태와 동일한, 전자 장치.
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KR20210027928A (ko) * 2019-09-03 2021-03-11 삼성전자주식회사 복합 구조체, 광학 필터, 이미지 센서, 카메라 모듈 및 전자 장치
KR20210048953A (ko) * 2019-10-24 2021-05-04 삼성전자주식회사 메타 광학 소자 및 이의 제조방법
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