KR20240015496A - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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KR20240015496A
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노숙영
이준호
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Abstract

이미지 센서는 복수의 이미징 화소와 복수의 오토포커싱 화소를 포함하는 화소 어레이; 및 상기 복수의 이미징 화소와 일대일로 마주하는 복수의 마이크로 렌즈와, 상기 복수의 오토포커싱 화소와 다대일로 마주하는 하나 이상의 수퍼 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이;를 포함한다. 상기 복수의 이미징 화소 각각은 복수의 메타 포토다이오드를 포함한다. 이미지 센서는 고해상도로 복수의 파장 대역의 구분하여 검출할 수 있고, 오토포커스 구동이 가능하다.

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 대한 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 under-sampling에 의해 해상도 열화가 발생할 수 있다. 이에 따라, 고해상도 구현에 적합한 풀 컬러(full color) 화소를 구현하는 방안이 모색되고 있다.
풀 컬러(full color) 화소와 오토포커싱 화소를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
실시예에 따르면, 복수의 이미징 화소와 복수의 오토포커싱 화소를 포함하는 화소 어레이; 및 상기 복수의 이미징 화소와 일대일로 마주하는 복수의 마이크로 렌즈와, 상기 복수의 오토포커싱 화소와 다대일로 마주하는 하나 이상의 수퍼 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 이미징 화소 각각은 적색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 적색 메타 포토다이오드, 녹색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 녹색 메타 포토다이오드, 청색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 청색 메타 포토다이오드를 포함하는, 이미지 센서가 제공된다.
상기 복수의 오토포커싱 화소 각각은 적색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 적색 메타 포토다이오드, 녹색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 녹색 메타 포토다이오드, 청색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 청색 메타 포토다이오드를 포함할 수 있다.
상기 이미징 화소 내의 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드의 배열 형태와 상기 오토포커싱 화소 내의 제2 적색 메타 포토다이오드, 제2 녹색 메타 포토다이오드, 제2 청색 메타 포토다이오드의 배열 형태는 서로 같을 수 있다.
상기 이미징 화소 내의 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드는 대칭성이 없는 형태로 배열되고, 상기 오토포커싱 화소 내의, 상기 제2 적색 메타 포토다이오드, 제2 녹색 메타 포토다이오드, 제2 청색 메타 포토다이오드는 대칭성을 갖는 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 오토포커싱 화소 각각은 파장 선택성이 없는 포토디텍터를 포함할 수 있다.
상기 렌즈 어레이에 포함된 마이크로 렌즈와 수퍼 렌즈는 곡면을 포함하는 굴절 렌즈이거나, 복수의 나노 구조물을 포함하는 메타 렌즈일 수 있다.
상기 수퍼 렌즈는 M x M 으로 배열된 M2개(M은 2이상의 정수)의 오토포커싱 화소들을 커버하는 형상을 가질 수 있다.
상기 수퍼 렌즈는 1 x N 또는 N x 1으로 배열된 N개(N은 2이상의 정수)의 오토포커싱 화소를 커버하는 형상을 가질 수 있다.
상기 수퍼 렌즈는 십자형으로 배열된 복수개의 오토포커싱 화소들을 커버하는 형상을 가질 수 있다.
상기 이미징 화소의 폭은 회절 한계 이하일 수 있다.
상기 이미징 화소의 폭은 0.25㎛ 이상이고 0.45㎛ 이하일 수 있다.
상기 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드는 각각, 일방향을 따라 적층된 제1 도전형 반도체층, 진성 반도체층, 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 제1 적색 메타 포토다이오드의 상기 일방향에 수직인 단면의 제1폭, 상기 제1 녹색 메타 포토다이오드의 상기 일방향에 수직인 단면의 제2폭, 상기 제 3 메타 포토다이오드의 상기 일방향에 수직인 단면의 제3폭은 서로 다를 수 있다.
상기 제1폭, 상기 제2폭, 상기 제3폭을 각각 w1, w2, w3이라고 할 때, w1>w2>w3일 수 있다.
하나의 이미징 화소에 포함되는, 상기 제1 적색 메타 포토다이오드의 개수는 하나이고, 상기 제1 녹색 메타 포토다이오드의 개수는 하나이고, 상기 제1 청색 메타 포토다이오드의 개수는 두 개이며, 상기 네 개의 메타 포토다이오드의 중심을 연결한 선이 정사각형이 되도록 상기 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드들이 배치될 수 있다.
상기 두 개의 제1 녹색 메타 포토다이오드는 상기 정사각형의 대각 방향으로 배치될 수 있다.
하나의 이미징 화소에 포함되는, 상기 제1 적색 메타 포토다이오드의 개수는 하나이고, 상기 제1 녹색 메타 포토다이오드와 상기 제1 청색 메타 포토다이오드의 개수는 각각 복수개이고, 상기 제1 적색 메타 포토다이오드가 상기 하나의 이미징 화소의 중심에 배치될 수 있다.
상기 제1 녹색 메타 포토다이오드와 상기 제1 청색 메타 포토다이오드는 상기 제1 적색 메타 포토다이오드를 정사각형 또는 정육각형 형태로 둘러쌀 수 있다.
상기 이미징 화소는 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외선 메타 포토다이오드를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 하나 이상의 렌즈를 포함하며, 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 복수의 이미징 화소와 복수의 오토포커싱 화소를 포함하는 화소 어레이; 및 상기 복수의 이미징 화소와 일대일로 마주하는 복수의 마이크로 렌즈와, 상기 복수의 오토포커싱 화소와 다대일로 마주하는 하나 이상의 수퍼 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 복수의 이미징 화소 각각은 적색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 적색 메타 포토다이오드, 녹색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 녹색 메타 포토다이오드, 청색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 청색 메타 포토다이오드를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.
상기 프로세서는 상기 복수의 오토포커싱 화소로부터의 전기 신호로부터 오토 포커싱 구동 신호를 생성하며, 상기 렌즈 어셈블리에 포함된 어느 한 렌즈가 상기 오토 포커싱 구동 신호에 따라 움직일 수 있다.
상술한 이미지 센서는 복수의 화소 각각이 복수 종류의 파장 대역의 광을 구분하여 검출할 수 있다.
상술한 이미지 센서는 오토포커싱 화소를 포함하며, 또한, 오토포커싱에 적합한 형태의 수퍼 렌즈를 구비하는 렌즈 어레이를 포함하고 있어, 오토포커스 구동이 가능하다.
상술한 이미지 센서는 색분리 소자, 컬러 필터와 같은 구성을 사용하지 않아 높은 광효율을 나타낼 수 있다.
상술한 이미지 센서는 멀티-컬러 센서, 멀티-파장 센서, 초분광(hyper-spectral) 센서로 활용될 수 있고, 컬러 영상과 깊이 영상을 함께 제공하는 3차원 영상 센서로 활용될 수 있다.
상술한 이미지 센서는 고해상도 카메라 모듈로 적용되어 다양한 전자 장치에서 활용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이 및 렌즈 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 상세히 보이는 분리 사시도이다.
도 4는 도 3의 화소 어레이의 일부에 대한 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 3의 A-A, B-B 단면을 도시한 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 실시예에 따른 이미지 센서에 입사된 광이 컬러에 따라 다른 메타 포토다이오드에서 흡수되는 것을 전산 모사한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 이미지 센서의 컬러별 효율을 보인 그래프이다.
도 8은 비교예에 따른 이미지 센서의 예시적인 화소 배열을 보인다.
도 9는 비교예에 따른 이미지 센서의 컬러별 효율을 보인 그래프이다.
도 10은 도 3의 이미지 센서의 AF 화소 그룹(AG)에서 추출된 감도 특성 커브를 예시적으로 보인다.
도 11은 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 상세히 보이는 분리 사시도이다.
도 12는 도 11의 이미지 센서의 AF 화소 그룹(AG)에서 추출된 감도 특성 커브를 예시적으로 보인다.
도 13 내지 도 16은 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서를 보이는 사시도이다.
도 16 내지 도 17은 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서를 보이는 분리 사시도이다.
도 18a는 실시예에 다른 이미지 센서에 적용될 수 있는 화소 구조의 다른 예를 보이며, 도 18b는 도 18a를 적용한 이미지 센서의 컬러별 효율을 보인 그래프이다.
도 19 내지 도 22는 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 보이는 평면도이다.
도 23은 실시예들에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 24는 도 23의 전자 장치에 구비된 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 25 내지 도 34는 실시예들에 따른 이미지센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이고, 도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 이미지 센서의 화소 어레이 및 렌즈 어레이를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100)를 포함한다. 이미지 센서(1000)는 또한, 타이밍 컨트롤러(1025), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 또한, 화소 어레이(1100)와 마주하게 배치된 렌즈 어레이(1200)를 포함할 수 있다.
화소 어레이(1100)는 각각이 독립적으로 광을 센싱하는 복수의 화소(PX)들을 포함한다. 복수의 화소(PX)들은 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열될 수 있다.
로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1025)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(1025), 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(1025), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.
화소 어레이(1100)를 이루는 복수의 화소(PX)들은 도 2a에 도시된 것처럼, 이미징 화소(PXI)와 오토포커싱 화소(PXA)로 나뉠 수 있다. 복수의 화소(PX) 대부분은 영상 획득을 위한 이미징 화소(PXI)로 사용된다. 복수의 화소(PX) 중 일부는 오토 포커스 구동을 위한, 즉, 자동 초점 조절을 위한 신호 생성에 사용되는 오토포커싱 화소(PXA)로 사용된다. 오토포커싱 화소(PXA)는 이미징 화소(PXI)의 역할을 겸할 수도 있다. 이하에서, 화소(PX)는 이미징 화소(PXI)와 오토포커싱 화소(PXA)를 통칭할 수 있고, 또는, 이미징 화소(PXI)만을 지칭할 수 있으며, 이는 문맥상 명확할 것이다.
이미징 화소(PXI)들은 각각이 임의의 컬러를 감지할 수 있는, 풀 컬러(full-color) 화소이다. 즉, 이미징 화소(PXI)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 센서(1000)에서는 발생하지 않는다. 다시 말하면, 이미징 화소(PXI)로 입사된 광은 이미징 화소(PXI) 내의 영역 위치에 거의 구애됨이 없이, 각 컬러 성분이 검출될 수 있다. 이러한 점에서, 실시예의 이미지 센서(1000)의 이미징 화소(PXI)는 풀 컬러(full color) 화소로 불리거나, 또는 특정 컬러만을 인지하는 적색 화소, 녹색 화소, 청색 화소 등과 구별되는 의미로, RGB화소로 불릴 수 있다.
오토포커싱 화소(PXA)는 이미징 화소(PXI)와 마찬가지로, 풀 컬러 화소일수 있고, 또는, 파장을 구별하지 않고 광을 센싱하는, 즉, 파장 선택성이 없는 화소일 수 있다. 오토포커싱 화소(PXA)가 이미징 화소(PXI)와 마찬가지로, 풀 컬러 화소인 경우, 오토포커싱 화소(PXA)는 이미징 화소(PXI)로도 활용될 수 있다. 오토포커싱 화소(PXA)는 인접한 복수개가 하나의 그룹을 이루도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 2X2로 인접 배열된 네 개의 오토포커싱 화소(PXA)가 AF 화소 그룹(AG)을 이룰 수 있다. 오토포커스 구동을 위해, AF 화소 그룹(AG) 내에서, 왼쪽 두 개의 오토포커싱 화소(PXA)들에 의한 신호 합과 오른쪽 두 개의 오토포커싱 화소(PXA)들에 의한 신호 합이 비교될 수 있다. 비교된 두 합산 신호의 차이에 따라 포커싱 여부가 판단될 수 있고, 이 차이값이 오토포커싱 구동 신호가 될 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1000)를 포함하는 카메라 모듈에 구비된 렌즈 어셈블리 중의 한 렌즈가 오토포커싱 구동 신호에 따라 구동될 수 있다. 또는, 오토포커싱 신호에 따라 이미징 화소(PXI)들로부터 획득된 이미지에 대한 보상 등의 이미지 처리가 수행될 수도 있다.
화소(PX)들은 이차원적으로 배열될 수 있다. 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. 화소(PX) 배열은 도시된 바와 같이, 직교하는 두 방향의 이차원 배열일 수도 있고, 또는 육각 격자 형태의 배열일 수도 있다. 이 경우 화소 폭은 육각형의 대각 길이로 정의될 수 있다. 배열될 수도 있다.
회절 한계(diffraction limit), D는 피사체가 구분되어 이미징될 수 있는 최소 크기를 의미하며, 다음 식으로 표현된다.
D=λ/(2NA)= λ·F
여기서, λ는 파장, NA, F는 각각 이미징 광학계의 개구수(numerical aperture), F수(F number)를 의미한다.
NA는 이미징 공간에서 가장 가장자리 광선 각도의 sine 값으로 정의되며, NA가 클수록 집광되는 빛의 각도 분포가 커짐을 의미한다. F수는 1/(2NA)의 관계로 정의된다. 이미징 시스템의 고해상도화, 소형화 경향에 따라 상기 가장자리 광선 각도는 커지는 추세이며 이에 따라 F수가 작은 모듈 렌즈들이 개발되고 있다. 이상적으로 줄일 수 있는 F수는 1.0정도라고 할 때, 회절 한계는 λ가 된다.
이와 같은 전제하에, 청색광의 중심 파장을 기준으로 회절 한계는 0.45㎛으로 표현될 수 있다. 즉, 화소 어레이(1100)를 이루는 각 화소(PX)는 0.45㎛ x 0.45㎛ 이하의 크기를 가질 수 있다. 다만, 이 수치는 예시적이며, 구체적인 크기는 함께 구비되는 이미징 광학계에 따라 변경될 수 있다.
화소(PX)의 폭은 예를 들어, 0.25㎛ 이상, 또는 0.3㎛ 이상일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서 화소(PX) 폭은 회절 한계 이하가 될 수 있으며, 화소(PX) 폭의 상한은 특별히 제한되지 않는다. 화소(PX)의 최소 폭은 화소(PX)에 구비되는 후술할, p-i-n형의 메타 포토다이오드들의 크기와 개수에 따라 설정될 수 있다. 화소(PX)들에 포함되는 메타 포토다이오드들의 세부 구조에 대해서는 도 3 이하에서 상세히 설명할 것이다.
화소 어레이(1100) 상에는 렌즈 어레이(1200)가 배치된다. 렌즈 어레이(1200)는 화소 어레이(1100)의 개개의 화소(PX)로 광을 모으는 역할을 하며, 렌즈 어레이(1200)에 의해 화소 어레이(1100)의 인접 화소(PX)들 간의 에너지 교환이 차단될 수 있고 광 효율이 높아질 수 있다.
렌즈 어레이(1200)는 복수의 이미징 화소(PXI)와 일대일로 마주하는 복수의 마이크로 렌즈(700)와, 복수의 오토포커싱 화소(PX)와 다대일로 마주하는 하나 이상의 수퍼 렌즈(800)를 포함한다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 2X2로 인접 배열된 네 개의 오토포커싱 화소(PXA)가 AF 화소 그룹(AG)을 이룰 때, 이러한 네 개의 오토포커싱 화소(PXA)를 커버하도록, 도 2b에 도시된 바와 같이, 수퍼 렌즈(800)가 구비될 수 있다. 수퍼 렌즈(800)가 네 개의 오토포커싱 화소(PXA)를 커버하는 형상을 가지는 것은 예시적인 것이며, 다른 개수로 변경될 수 있다. 도 1에 예시된 수퍼 렌즈(800)의 개수도 예시적인 것이다.
실시예의 이미지 센서(1000)는 회절 한계 이하의 크기를 가지는 단일 화소(PX)에서 R, G, B 색 정보를 얻을 수 있는 구조로서, 따라서, 기존의, Bayer 패턴 방식의 이미지 센서 또는 적층형 포토다이오드를 사용하는 Foveon 방식의 이미지 센서에서 사용하는 오토 포커스 방식을 사용하기 어렵다. 따라서, 이미징 화소(PXI)와 마주하는 마이크로 렌즈(700), AF 화소 그룹(AG)과 마주하는 수퍼 렌즈(800)를 구비하는 렌즈 어레이(1200)가 제안되고 있다.
도 2b에 도시된 렌즈 어레이(1200)는 도 2a의 화소 어레이(1100)와의 대응 관계를 보이는 개념도로서, 도시된 형상에 한정되는 것은 아니다. 마이크로 렌즈(700)는 마주하는 이미징 화소(PXI)로 광을 모으는 역할을 하며, 예를 들어, 마이크로 렌즈(700)의 초점이 이미징 화소(PXI)의 중심에 형성되도록 구성될 수 있다. 수퍼 렌즈(800)는 마주하는 AF 화소 그룹(AG)으로 광을 모으는 역할을 하며, 예를 들어, 수퍼 렌즈(800)의 초점이 마주하는 AF 화소 그룹(AG)의 중심에 형성되도록 구성될 수 있다.
마이크로 렌즈(700), 수퍼 렌즈(800)는 각각 상술한 초점 거리를 갖도록 재질과 곡면 형상이 설정된 굴절 렌즈일 수 있다. 또는, 마이크로 렌즈(700), 수퍼 렌즈(800)는 플랫(flat)한 외형을 가지는 메타 렌즈일 수 있다. 마이크로 렌즈(700), 수퍼 렌즈(800)는 각각 상술한 초점 거리에 알맞은 위상 프로파일을 갖도록 형상과 배열이 설정된 복수의 나노구조물을 포함하는 메타 렌즈일 수 있다.
도 1, 도 2a, 도 2b에 예시된 AF 화소 그룹(AG)의 개수, 수퍼 렌즈(800)의 개수, 하나의 수퍼 렌즈(800)가 커버하는 오토포커싱 화소(PXA)의 개수와 배열은 예시적인 것이며, 다양하게 변경될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 상세히 보이는 분리 사시도이다. 도 4는 도 3의 화소 어레이의 일부에 대한 평면도이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 도 3의 A-A, B-B 단면을 도시한 단면도이다.
이미지 센서(1001)는 복수의 이미징 화소(PXI)와 복수의 오토포커싱 화소(PXA)를 구비하는 화소 어레이(1101), 화소 어레이(1101) 상에 배치된 렌즈 어레이(1201)를 포함한다. 인접하는 오토포커싱 화소(PXA)들은 AF 화소 그룹(AG)을 이룬다.
렌즈 어레이(1201)는 이미징 화소(PXI)와 마주하는 마이크로 렌즈(701)와 AF 화소 그룹(AG)을 마주하는 수퍼 렌즈(801)를 포함한다. 복수의 마이크로 렌즈(701)는 복수의 이미징 화소(PXI)와 일대일로 마주하며, 수퍼 렌즈(801)는 복수의 오토포커싱 화소(PX)와 다대일로 마주한다. 수퍼 렌즈(801)는 도시된 바와 같이, 네 개의 오토포커싱 화소(PX)와 마주할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 마이크로 렌즈(701)는 마주하는 이미징 화소(PXI)로 광을 모으는 역할을 하며, 예를 들어, 마이크로 렌즈(701)의 초점이 이미징 화소(PXI)의 중심 내지 중심축 상에 형성되도록 구성될 수 있다. 수퍼 렌즈(801)는 마주하는 AF 화소 그룹(AG)으로 광을 모으는 역할을 하며, 예를 들어, 수퍼 렌즈(801)의 초점이 마주하는 AF 화소 그룹(AG)의 중심 또는 중심축 상에 형성되도록 구성될 수 있다. 마이크로 렌즈(701)와 수퍼 렌즈(801)는 원하는 굴절력, 즉, 상술한 초점 거리를 나타낼 수 있는 곡면을 가지는 굴절 렌즈이다. 마이크로 렌즈(701)와 수퍼 렌즈(801)는 다른 유효경을 가지므로, 동일 또는 유사한 초점 거리를 나타내도록 각 곡면이 설계되는 경우, 수퍼 렌즈(801)의 두께가 마이크로 렌즈(701)보다 두꺼울 수 있다. 또는, 수퍼 렌즈(801)와 마이크로 렌즈(701)의 두께가 가능한 유사하도록, 수퍼 렌즈(801)와 마이크로 렌즈(701)의 초점 거리가 다소 조절될 수도 있다. 이 경우, 수퍼 렌즈(801)의 중심부는 주변부에 비해 곡률 반경이 클 수 있고, 즉, 플랫한 형상에 가까울 수 있다. 수퍼 렌즈(901), 마이크로 렌즈(701)의 곡면은 구면 또는 비구면일 수 있다. 수퍼 렌즈(801), 마이크로 렌즈(701)는 같은 재질로 이루어질 수 있고, 렌즈 어레이(1201)는 일체형으로 형성될 수도 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
화소 어레이(1101)를 이루는 복수의 화소(PX), 즉, 복수의 이미징 화소(PXI), 복수의 오토포커싱 화소(PXA) 각각은 적색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 메타 포토다이오드(300)를 포함한다.
적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)는 각각 입사광의 파장보다 작은 형상 치수를 가지는 로드 형상의 수직형 포토 다이오드로서, 도파 모드 기반의 공진에 의해 특정 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하고, 이에 의한 광전 신호를 생성함으로써 광을 센싱할 수 있다. 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)는 길이 방향의 수직인 단면의 폭이 각각 w1, w2, w3로 서로 다르다. 상기 폭 w1, w2, w3은 예를 들어, 50㎚~200㎚의 범위를 가질 수 있다. 상기 폭, w1, w2, w3 각각은 화소(PX)에 입사된 광 중 각 도파 모드 공진 요건을 만족하는 파장의 광이 해당 포토다이오드 내부에서 가이드될 수 있도록 설정된다. 예를 들어, w1은 약 100㎚일 수 있고, 95㎚~105㎚ 범위일 수 있다. w2는 약 85㎚일 수 있고, 80㎚~90㎚의 범위일 수 있다. w3은 약 60㎚일 수 있고, 55㎚~65㎚ 범위일 수 있다. 이러한 폭을 가지는 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)에 각각 입사광 중 적색광, 적색광, 녹색광이 흡수될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 메타 포토다이오드(100)(200)(300)들 각각 주위로 표시된 원은 적색광, 녹색광, 청색광이 각각 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300) 내부로 가이드됨을 개념적으로 도시한 것이며 한정적인 의미는 아니다. 화소(PX) 영역 내의 임의의 위치로 입사된 적색광은 대부분 적색 메타 포토다이오드(100)에 흡수될 수 있고, 녹색광은 대부분 녹색 메타 포토다이오드(200)에 흡수될 수 있고, 청색광은 대부분 청색 메타 포토다이오드(300)에 흡수될 수 있다.
하나의 화소(PX)는 적색광을 흡수하는 하나의 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색광을 흡수하는 하나의 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색광을 흡수하는 두 개의 청색 메타 포토다이오드(300)를 포함할 수 있다. 이러한 네 개의 메타 포토다이오드들의 중심을 연결한 선이 정사각형이 되는 형태로, 메타 포토다이오드(100)(200)(300)들이 배치될 수 있고, 두 개의 청색 메타 포토다이오드(300)는 상기 정사각형의 대각 방향으로 배치될 수 있다. 다만, 이러한 배치는 예시적인 것이다.
적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)들의 높이, H는 약 500㎚이상, 또는 1㎛ 이상, 또는 2㎛ 이상일 수 있다. 이 높이는 포토 다이오드내로 입사된 광이 흡수되는 위치, 즉, 표면으로부터 깊이 위치를 고려하여 설정될 수 있다. 이러한 위치는 후술할 도 6a 내지 도 6c의 전산 모사 결과를 고려하여 설정될 수도 있다. 에너지가 높은 짧은 파장의 광일수록 포토 다이오드의 상부 표면에 가까운 쪽에서 흡수되고, 긴 파장의 광은 포토 다이오드의 좀 더 깊은 위치에서 흡수된다. 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)들은 도시된 바와 같이 같은 높이를 가질 수 있다. 같은 높이를 갖는 경우, 일반적으로 제조 공정이 용이할 수 있다. 이 경우, 긴 파장 대역의 광에 기준을 맞추어 광 흡수가 충분히 이루어지는 높이를 설정할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)들은 서로 다른 높이로 설정될 수도 있다. 예를 들어, 적색 메타 포토다이오드(100)의 높이, h1, 녹색 메타 포토다이오드의 높이, h2, 청색 메타 포토다이오드의 높이, h3는 h1>h2>h3가 될 수도 있다.
메타 포토다이오드(100)(200)(300)들은 로드 형상의 pin 포토 다이오드이다. 적색 메타 포토다이오드(100)는 제 1 도전형 반도체층(11), 진성 반도체층(12), 제 2 도전형 반도체층(13)을 포함할 수 있다. 녹색 메타 포토다이오드(200)는 제 1 도전형 반도체층(21), 진성 반도체층(22), 제 2 도전형 반도체층(23)을 포함할 수 있고, 청색 메타 포토다이오드(300)는 제 1 도전형 반도체층(31), 진성 반도체층(32), 제 2 도전형 반도체층(33)을 포함할 수 있다. 제 1, 제 2, 청색 메타 포토다이오드(100)(200)(300)는 원기둥 형태로 도시되었으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 사각기둥, 육각기둥 등 다각형 기둥 형상이 채택될 수도 있다.
메타 포토다이오드(100)(200)(300)들은 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. 제1 도전형 반도체층(11)(21)(31)이 n-Si이고, 제2 도전형 반도체층(13)(23)(33)이 p-Si일 수도 있다.
메타 포토다이오드(100)(200)(300)들 주변 물질(500)은 공기(air)일 수 있고, 또는 메타 포토다이오드(100)(200)(300)들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 물질일 수 있다. 예를 들어, SiO2, Si3N4, 또는, Al2O3이 주변 물질로 사용될 수 있다.
회로 기판(SU)은 복수의 메타 포토다이오드(100)(200)(300)들을 지지하며, 또한, 각 화소(PX)에서의 신호를 처리하는 회로 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 화소(PX)에 구비된 메타 포토다이오드(100)(200)(300)들을 위한 전극, 배선 구조가 회로 기판(SU)에 구비될 수 있다. 또한, 회로 기판(SU)에 이미지 센서(1000)에 필요한 다양한 회로 요소들이 집적 배치될 수 있다. 예를 들어, 다양한 아날로그 회로, 디지털 회로 들을 포함하는 로직 레이어가 구비될 수 있고, 데이터가 저장되는 메모리 레이어가 구비될 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.
도 6a 내지 도 6c는 실시예에 따른 이미지 센서에 입사된 광이 컬러에 따라 다른 메타 포토다이오드에서 흡수되는 것을 전산 모사한 도면이다.
도 6a는 파장 610㎚의 적색광이 입사된 경우의 광 세기 분포를 도 5a의 단면에서 보인 것이고, 도 6b 및 도 6c는 각각 파장 540㎚의 녹색광, 파장 430㎚ 의 청색광이 입사된 경우의 광 세기 분포를 도 5b 단면에서 보인 것이다.
도 6a에서 적색 메타 포토다이오드 위치에 광이 집중되는 것을 볼 수 있고, 도 6b, 도 6c는 각각 녹색 메타 포토다이오드, 청색 메타 포토다이오드 위치에 광이 집중되는 것이 잘 나타나고 있다.
도 7은 실시예에 따른 이미지 센서의 컬러별 효율을 보인 그래프이다.
그래프는 화소(PX) 폭은 약 0.45㎛이고, 적색 메타 포토다이오드(100), 청색 메타 포토다이오드(300)의 중심 간의 거리는 0.22㎛인 경우이다. 그래프에서, R, G, B 파장의 광에 대한 센싱 효율이나 밴드 폭이 대체로 유사하게 잘 나타나고 있다.
도 8은 비교예에 따른 이미지 센서의 예시적인 화소 배열을 보이며, 도 9는 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 9를 살펴보면, 적색광에 대한 센싱 효율에 비해, 녹색광, 청색광의 센싱 효율은 낮으며, 밴드 폭도 적색광에 비해 넓게 나타나고 있다.
도 7과 비교할 때, 실시예의 풀 컬러 화소(PX)와 대응되는 비교예의 반복 유닛(RU)은 실시예의 풀 컬러 화소(PX)보다 큰 피치를 가지지만, 색을 분리하여 센싱하는 효율은 더 낮은 것으로 평가된다. 더욱이, 비교예의 이러한 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 기본적으로 언더 샘플링(under-sampling)에 의해 해상도 열화가 발생하게 되며, 이미지 복원과정에서 Aliasing 등의 이미지 artifact가 발생할 수 있다.
이와 달리, 실시예의 이미지 센서(1001)는 매우 작은 피치의 풀 컬러 화소(PX)들 각각이 컬러 성분을 분리하여 검출할 수 있으므로, 샘플링 등의 신호 처리가 필요하지 않고, 추가적인 이미지 artifact의 발생 여지가 낮으며, 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있다.
또한, 실시예의 이미지 센서(1001)는 화소 어레이(1101)에 구비된 복수개 오토포커싱 화소(PXA)들 및 렌즈 어레이(1201)에 포함된 수퍼 렌즈(801)를 활용하여, 오토포커싱 신호를 얻을 수 있다.
도 10은 도 3의 이미지 센서의 AF 화소 그룹(AG)에서 추출된 감도 특성 커브를 예시적으로 보인다.
그래프는 녹색광의 입사각에 따른 신호 세기를 보이고 있으며, AF 화소 그룹(AG) 내에서, 왼쪽 두 개의 오토포커싱 화소(PXA)에서의 신호 합은 실선으로, 오른쪽 두 개의 오토포커싱 화소(PXA)에서의 신호 합은 점선으로 나타내고 있다. 두 종류의 신호 값은 입사각에 따라 다르며, 이 신호값의 차이는 오토포커스 신호로 활용될 수 있다. 두 신호값의 차이는 포커스 여부 판단에 사용될 수 있고, AF 구동에 활용될 수 있다. 다시 말하면, 상기 신호값 차이를 참조하여, 이미지 센서(1101)에 광학 상을 형성하는 모듈 렌즈의 초점 거리에 이미지 센서(1101)가 위치하도록, 모듈 렌즈가 구동될 수 있다. 그래프는 녹색광에 대한 신호 차이를 예시적으로 보이고 있으며, AF 구동 신호 생성을 위해, 적색광, 청색광에 대한 감도 특성 커브도 함께 고려될 수 있다.
실시예의 이미지 센서(1001)에서 오토포커싱 화소(PXA) 내의 메타 포토다이오드(100)(200)(300)들의 배치는 대칭성이 없는 형태이며, 따라서, 두 신호값이 일치하는 입사각은 0도 보다 큰 값으로 나타나고 있다. 또한, 왼쪽 오토포커싱 화소(PXA), 오른쪽 오토포커싱 화소(PXA)내에서 적색 메타 포토다이오드(100)들, 녹색 메타 포토다이오드(200)들, 청색 메타 포토다이오드(300)들은 AF 화소 그룹(AG)의 중심에 대해 대칭성이 없기 때문에, 두 종류의 신호값이 일치하는 각도가 컬러별로 다르게 나타날 수 있다. 이러한 경우, AF 구동 신호 생성이 다소 복잡해질 수 있다. 다른 실시예에서는, 오토포커싱 화소(PXA) 내의 메타 포토다이오드(100)(200)(300)들의 배치가 대칭성을 갖도록 변경될 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 상세히 보이는 사시도이고, 도 12는 도 11의 이미지 센서의 AF 화소 그룹(AG)에서 추출된 감도 특성 커브를 예시적으로 보인다.
본 실시예의 이미지 센서(1002)는 화소(PX)들, 즉, 이미징 화소(PXI), 오토포커싱 화소(PXA) 내의 메타 포토다이오드들의 배치 형태에서, 도 3의 이미지 센서(1001)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
이미징 화소(PXI) 및 오토포커싱 화소(PXA)들 각각은 중심부에 배치된 적색 메타 포토다이오드(102), 한 대각선 방향으로 이격된 두 개의 녹색 메타 포토다이오드(202), 다른 대각선 방향으로 이격 배치된 두 개의 청색 메타 포토다이오드(302)를 포함한다. 이러한 메타 포토다이오드(102)(202)(302)의 배치는 적색 메타 포토다이오드(102)을 중심에 두고 180도의 회전 대칭성을 가지는 형태이다. 또한, AF 화소 그룹(AG) 내의 왼쪽 두 개의 오토포커싱 화소(PXA)에서의 메타 포토다이오드의 배치와 오른쪽 두 개의 오토포커싱 화소(PXA)에서의 메타 포토다이오드 배치는 AF 화소 그룹(AG)의 중심에 대해 대칭성을 가진다. 이러한 경우, 도 12의 감도 특성 커브에 나타난 바와 같이, 왼쪽의 두 오토포커싱 화소(PXA)의 신호 합과 오른쪽의 두 오토포커싱 화소(PXA)의 신호 합은 0도 위치에서 같은 값을 나타낸다. 도 12의 그래프는 녹색광에 대한 것이며, 녹색광 뿐만 아니라, 적색광, 청색광에 대한 감도 특성 커브에서도 이와 마찬가지로, 0도 위치에서, 두 종류의 신호 합이 같은 값을 나타낼 수 있다.
도 13 내지 도 17은 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서를 보이는 사시도이다.
도 13의 이미지 센서(1003)는 화소 어레이(1103)가 3X3 배열의 오토포커싱 화소들이 AF 화소 그룹을 이루며, 렌즈 어레이(1203)는 이러한 AF 화소 그룹와 마주하는 수퍼 렌즈(802)를 포함하는 형태인 점에서, 도 11의 이미지 센서(1002)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 14a의 이미지 센서(1004)는 화소 어레이(1104)가 1X2 배열의 오토포커싱 화소들, 2X1 배열의 오토포커싱 화소들이 두 개의 AF 화소 그룹을 이루며, 렌즈 어레이(1204)는 이러한 두 AF 화소 그룹과 마주하는 두 수퍼 렌즈(803)(804)를 포함하는 형태인 점에서, 도 11의 이미지 센서(1002)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 14b의 이미지 센서(1004')는 화소 어레이(1104')가 1X3 배열의 오토포커싱 화소들, 3X1 배열의 오토포커싱 화소들이 두 개의 AF 화소 그룹을 이루며, 렌즈 어레이(1204')는 이러한 두 AF 화소 그룹과 마주하는 두 수퍼 렌즈(805)(806)를 포함하는 형태인 점에서, 도 11의 이미지 센서(1002)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 15의 이미지 센서(1005)는 화소 어레이(1105)가 십자형으로 배열된 오토포커싱 화소들이 AF 화소 그룹을 이루며, 렌즈 어레이(1205)는 이러한 AF 화소 그룹을 커버하는 형태의 수퍼 렌즈(808)를 포함하는 형태인 점에서, 도 11의 이미지 센서(1002)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
도 16의 이미지 센서(1006)는 화소 어레이(1106)에서 오토포커싱 화소(PXA)와 이미징 화소(PXI)가 각각 서로 다른 형태로 배열된 메타 포토다이오드들을 포함하는 점에서, 도 11의 이미지 센서(1002)와 차이가 있고, 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
이미징 화소(PXI)는 대칭성이 없는 형태로 배열된 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)를 포함한다. 오토포커싱 화소(PXA)는 대칭성을 가지는 형태로 배열된, 적색 메타 포토다이오드(102), 녹색 메타 포토다이오드(202), 청색 메타 포토다이오드(303)를 포함한다.
도 17의 이미지 센서(1007)는 렌즈 어레이(1207)가 메타 렌즈로 구성된 점에서 도 11의 이미지 센서(1002)와 차이가 있고 나머지 구성은 실질적으로 동일하다.
렌즈 어레이(1207)는 이미징 화소(PXI)와 마주하는 마이크로 렌즈(707), AF 화소 그룹(AG)과 마주하는 수퍼 렌즈(807)를 포함하며, 마이크로 렌즈(707), 수퍼 렌즈(807)는 모두 각각 복수의 나노구조물(NP)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 나노구조물(NP)은 단면 폭 또는 지름이 서브 파장의 치수를 갖는 나노 기둥일 수 있다. 서브 파장은 렌즈 어레이(1207)에 의해 집광되는 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 입사광이 가시광인 경우, 나노구조물(NP)의 단면의 지름은, 예를 들어, 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 나노 구조물(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다.
나노구조물(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 재료(DL)로 채워질 수 있다. 예컨대, 나노 구조물(NP) 주변은 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), SiO2, Si3N4, Al2O3, 공기(air) 등으로 채워질 수 있다.
나노구조물(NP)의 굴절률은 약 630 nm 파장의 빛에 대해 약 2.0 이상일 수 있으며, 유전체 재료(DL)의 굴절률은 약 630 nm 파장의 빛에 대해 약 1.0 이상 2.0 미만일 수 있다. 또한, 나노구조물(NP)의 굴절률과 유전체 재료(DL)의 굴절률 사이의 차이는 약 0.5 이상일 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노구조물(NP)은 나노구조물(NP)을 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노구조물(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.
복수의 마이크로 렌즈(707)는 각각 마주하는 이미징 화소(PXI)로 광을 모으도록 형상, 배열들이 정해진 나노구조물(NP)들을 포함할 수 있다. 수퍼 렌즈(807)는 마주하는 AF 화소 그룹(AG)으로 광을 모으도록, 형상, 배열이 정해진 나노구조물(NP)들을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈(707), 수퍼 렌즈(807)에서 각각의 중심부에 배치된 나노구조물(NP)의 폭 또는 직경이 가장 크고, 각각의 중심으로부터 멀어질수록 나노구조물(NP)들의 폭 또는 직경이 작아질 수 있다. 도시된 배열 형태는 예시적인 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 설명들에서 예시된 이미징 화소(PXI) 내의 메타 포토다이오드들 형태는 보다 다양한 종류, 개수, 배치로 변형될 수 있다.
도 18a는 실시예에 따른 이미지 센서에 적용될 수 있는 화소 구조의 다른 예를 보이며, 도 18b는 도 18a를 적용한 이미지 센서의 컬러별 효율을 보인 그래프이다.
도 18a를 참조하면, 이미지 센서(1008)의 화소 어레이(1108)에 포함된 화소(PX)는 적색광을 선택적으로 흡수하는 하나의 적색 메타 포토다이오드(105), 녹색광을 선택적으로 흡수하는 복수개의 녹색 메타 포토다이오드(205), 청색광을 선택적으로 흡수하는 복수개의 청색 메타 포토다이오드(305)를 포함할 수 있다. 적색 메타 포토다이오드(105)가 화소(PX)의 중심에 배치되고, 네 개의 녹색 메타 포토다이오드(205)와 네 개의 청색 메타 포토다이오드(305)가 적색 메타 포토다이오드(105)를 정사각형 형상으로 둘러싸며 배치될 수 있다. 도시된 것과 달리, 녹색 메타 포토다이오드(205)와 청색 메타 포토다이오드(304)의 위치는 서로 뒤바뀔 수도 있다. 화소(PX) 내의 메타 포토다이오드들의 배치는 화소(PX) 중심을 기준으로 대칭성을 가지는 형태이며, 이러한 화소(PX) 형태는 이미징 화소, 오토포커싱 화소 모두에 적용될 수 있다.
도 18b의 그래프는 그래프는 화소(PX) 폭은 약 0.45㎛이고, 적색 메타 포토다이오드(105), 청색 메타 포토다이오드(305)의 중심 간의 거리는 0.15㎛인 경우이다. 그래프에서, R, G, B 파장의 광에 대한 센싱 효율이나 밴드 폭이 대체로 유사하게 잘 나타나고 있다. 다른 형태의 메타 포토다이오드들의 배치의 경우에 대한 7의 그래프와 비교할 때, 청색광과 녹색광에 대한 센싱 효율은 서로 더 유사해지고, 적색광의 센싱 효율은더 높아진 것으로 나타난다. 메타 포토다이오드들의 형상, 크기, 배열을 조절하여, 컬러별 센싱 효율을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 19 내지 도 22는 다양한 실시예들에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 보이는 평면도이다.
도 19를 참조하면, 이미지 센서(1009)의 화소 어레이(1109)는 화소(PX)들이 육각형 격자 형태로 배열될 수 있다. 하나의 풀 컬러 화소(PX)는 적색광을 선택적으로 흡수하는 하나의 적색 메타 포토다이오드(103), 녹색광을 선택적으로 흡수하는 세 개의 녹색 메타 포토다이오드(203), 청색광을 선택적으로 흡수하는 세 개의 청색 메타 포토다이오드(303)를 포함할 수 있다. 육각형의 중심에 적색 메타 포토다이오드(103)가 배치되고, 육각형의 각 꼭지점 위치에, 녹색 메타 포토다이오드(203)와 청색 메타 포토다이오드(303)가 번갈아 배치될 수 있다. 이러한 화소(PX) 형태는 이미징 화소, 오토포커싱 화소 모두에 적용될 수 있다.
도 20을 참조하면, 이미지 센서(1010)의 화소 어레이(1110)에서, 오토포커싱 화소(PXA)는 파장 선택성이 없는 포토디텍터(900)를 포함할 수 있다. 포토디텍터(900)는 전술한 메타 포토다이오드들과 마찬가지로, 광을 센싱하는 p-i-n 구조를 가질 수 있으며, 다만, 특정 파장의 광을 선택적으로 흡수하는 형태가 아닌 점에서 도 3의 이미지 센서(1001)와 차이가 있다.
이미징 화소(PXI)가 대칭성이 없는 배열된 적색 메타 포토다이오드(100), 녹색 메타 포토다이오드(200), 청색 메타 포토다이오드(300)를 포함할 때, 오토포커싱 화소(PXA)에서는 대칭성이 있는 감도 특성 신호를 얻을 수 있도록, 파장 선택성이 없는 포토디텍터(900)를 채용할 수 있다. 복수의 포토디텍터(900)는 AF 화소 그룹(AF)에 대응하는 폭으로 p-i-n 구조를 형성한 후, DTI(deep trench insulation)로 센싱 영역을 분리하여 형성될 수 있다.
도 21을 참조하면, 이미지 센서(1011)는 화소 어레이(1111)의 오토포커싱 화소(PXA)가 파장 선택성이 없는 포토디텍터(910)를 포함하는 점에서, 도 19의 이미지 센서(1009)와 차이가 있다.
도 22를 참조하면, 이미지 센서(1012)의 화소 어레이(1112)의 화소(PX)는 적색광을 선택적으로 흡수하는 적색 메타 포토다이오드(104), 녹색광을 선택적으로 흡수하는 녹색 메타 포토다이오드(204), 청색광을 선택적으로 흡수하는 청색 메타 포토다이오드(304)를 포함하며, 또한, 적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외선 메타 포토다이오드(400)를 더 포함할 수 있다. 이러한 화소(PX) 구조는 이미징 화소, 오토포커싱 화소 모두에 적용될 수 있다.
하나의 적외선 메타 포토다이오드(400)가 중심에 배치되고, 네 개의 적색 메타 포토다이오드(104), 네 개의 녹색 메타 포토다이오드(204), 네 개의 청색 메타 포토다이오드(304)가 적외선 메타 포토다이오드(400)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 적외선 메타 포토다이오드(400)의 직경이 가장 클 수 있으며, 예를 들어, 100㎚보다 클 수 있다. 청색 메타 포토다이오드(304)의 직경은 100㎚~200㎚의 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.
상술한 설명에서, AF 화소 그룹(AG)의 개수, AF 화소 그룹(AG) 내의 오토포커싱 화소(PXA)의 개수와 배열은 특정 형태를 예시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 1XN, NX1, MXM 과 같은 배열, 개수의 오토포커싱 화소(PXA)들이 AF 화소 그룹(AG)을 이룰 수 있다. 여기서, N, M은 2이상의 정수이며, 화소(PX) 폭이 작을수록 AF 화소 그룹(AG)을 이루는 오토포커싱 화소(PXA) 개수가 많아질 수 있다.
이미지 센서(1000-1012)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(1000-1012)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 23은 실시예들에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 23을 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, 전술한 이미지 센서(1000-1012), 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 24는 도 23의 전자 장치(ED01)에 구비된 카메라 모듈(ED80)을 예시하는 블록도이다. 도 24를 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(1170), 플래쉬(1120), 이미지 센서(1000), 이미지 스태빌라이저(1140), AF 제어부(1130), 메모리(1150)(버퍼 메모리 등), 액츄에이터(1180) 및/또는 이미지 시그널 프로세서(ISP)(1160)를 포함할 수 있다.
렌즈 어셈블리(1170)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1170)는 하나 이상의 광학 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1170)에는 광의 경로를 꺾어 이미지 센서(1000)를 향하게 하는 경로 전환 부재가 포함될 수도 있다. 경로 전환 부재의 구비 여하 및 광학 렌즈와의 배치 형태에 따라, 카메라 모듈(ED80)은 버티컬(vertical) 형태, 또는 폴디드(folded) 형태를 가질 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(1170)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(1170)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(1170)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.
액츄에이터(1180)는 렌즈 어셈블리(1170)를 구동할 수 있다. 액츄에이터(1180)에 의해, 예를 들어, 렌즈 어셈블리(1170)를 구성하는 광학 렌즈, 경로 전환 부재 중 적어도 일부가 움직일 수 있다. 광학 렌즈는 광축을 따라 움직일 수 있고, 렌즈 어셈블리(1170)에 포함된 광학 렌즈의 적어도 일부를 이동시켜 인접한 렌즈간의 거리를 조절함으로써, 이에 따라 광학 줌 배율(optical zoom ratio)이 조절될 수 있다.
액츄에이터(1180)는 이미지 센서(1000)가 렌즈 어셈블리(1170)의 초점 거리(focal length)에 위치하도록, 렌즈 어셈블리(1170)에 포함된 어느 하나의 광학 렌즈의 위치를 조정할 수 있다. 액츄에이터(1180)는 AF 제어부(1130)에서 전달된 AF 구동 신호에 따라 렌즈 어셈블리(1170)를 구동할 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. 이미지 센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지 센서(1000)일 수 있고, 또는 전술한 이미지 센서(1001-1012) 중 어느 하나, 또는 이들이 조합, 변형된 형태를 가질 수 있다. 이미지 센서(1000) 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(1170)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다.
이미지 센서(1000)는 전술한 바와 같이, 작은 화소 폭, 예를 들어 회절 한계 이하의 폭을 가지며, 각각이 서로 다른 복수 종류의 파장을 구분하여 센싱할 수 있다. 이미지 센서(1000)에 구비되는 복수의 화소의 각각의 폭, p는
p < λ·F,
의 조건을 만족할 수 있다. 여기서 F는 렌즈 어셈블리(1170)의 F수이고, λ는 청색 파장 대역의 중심 파장이다.
이미지 센서(1000)는 오토포커싱 화소 그룹과 이에 대응하는 수퍼 렌즈를 구비하고 있어, 오토포커싱 화소 그룹에서의 신호로부터 AF 구동 신호가 생성될 수 있다.
이미지 스태빌라이저(1140)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(ED01)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1170)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(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.
AF 제어부(1130)는 이미지 센서(1000)의 오토포커싱 화소 그룹으로부터 센싱된 신호값, 예를 들어, 좌측 및 우측 오토포커싱 화소의 신호 차이값으로부터 AF 구동 신호를 생성할 수 있다. AF 제어부(1130)는 AF 구동 신호에 따라 액츄에이터(1180)를 제어할 수 있다.
메모리(1150)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(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(ISP)(1160)는 이미지 센서(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(이미지 센서(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.
AF 제어부(1130)는 이미지 시그널 프로세서(1160)에 통합될 수도 있다. 이미지 시그널 프로세서(1160)가 이미지 센서(1000)의 오토포커싱 화소들로부터의 신호를 처리하여 AF 신호를 생성하고, AF 제어부(1130)는 이를 액츄에이터(1180) 구동 신호로 바꾸어 액츄에이터(1180)에 전달할 수도 있다.
이미지 센서(1000)가 도 22에 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 24의 카메라 모듈(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.
도 25 내지 도 34는 실시예들에 따른 이미지센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면이다.
실시예들에 따른 이미지 센서(1000)는 도 25에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(2200), 도 26에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(2300), 도 27에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(2400), 도 28에 도시된 노트북 컴퓨터(2500)에 또는 도 29에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(2600) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(2200) 또는 스마트 태블릿(2300)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, 이미지 센서(1000)는 도 30에 도시된 스마트 냉장고(2700), 도 31에 도시된 보안 카메라(2800), 도 32에 도시된 로봇(2900), 도 33에 도시된 의료용 카메라(3000) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(2700)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(2800)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(2900)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(3000)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.
또한, 이미지 센서(1000)는 도 34에 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 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.
1000-1012: 이미지 센서
1100-1112: 화소 어레이
1200, 1201, 1202, 1203, 1204, 1203', 1207: 렌즈 어레이
100, 101, 102, 103, 104: 적색 메타 포토다이오드
200, 201, 202, 203, 204: 녹색 메타 포토다이오드
300, 301, 302, 303, 304: 적색 메타 포토다이오드
400: 적외선 메타 포토다이오드
500: 주변 물질
700, 701, 707: 마이크로 렌즈
800, 801, 802, 803, 804, 805, 806, 807, 808: 수퍼 렌즈
SU: 회로 기판
PX: 화소
PXI: 이미징 화소
PXA; 오토포커싱 화소
AG: AF 화소 그룹

Claims (20)

  1. 복수의 이미징 화소와 복수의 오토포커싱 화소를 포함하는 화소 어레이; 및
    상기 복수의 이미징 화소와 일대일로 마주하는 복수의 마이크로 렌즈와, 상기 복수의 오토포커싱 화소와 다대일로 마주하는 하나 이상의 수퍼 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 이미징 화소 각각은
    적색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 적색 메타 포토다이오드, 녹색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 녹색 메타 포토다이오드, 청색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 청색 메타 포토다이오드를 포함하는,
    이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오토포커싱 화소 각각은
    적색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 적색 메타 포토다이오드, 녹색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 녹색 메타 포토다이오드, 청색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제2 청색 메타 포토다이오드를 포함하는,
    이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이미징 화소 내의 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드의 배열 형태와
    상기 오토포커싱 화소 내의 제2 적색 메타 포토다이오드, 제2 녹색 메타 포토다이오드, 제2 청색 메타 포토다이오드의 배열 형태는 서로 같은,
    이미지 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 이미징 화소 내의 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드는 대칭성이 없는 형태로 배열되고,
    상기 오토포커싱 화소 내의, 상기 제2 적색 메타 포토다이오드, 제2 녹색 메타 포토다이오드, 제2 청색 메타 포토다이오드는 대칭성을 갖는 형태로 배열되는,
    이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 오토포커싱 화소 각각은 파장 선택성이 없는 포토디텍터를 포함하는, 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 어레이에 포함된 마이크로 렌즈와 수퍼 렌즈는
    곡면을 포함하는 굴절 렌즈이거나,
    복수의 나노 구조물을 포함하는 메타 렌즈인, 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 렌즈는 M x M 으로 배열된 M2개(M은 2이상의 정수)의 오토포커싱 화소들을 커버하는 형상을 가지는, 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 렌즈는 1 x N 또는 N x 1으로 배열된 N개(N은 2이상의 정수)의 오토포커싱 화소를 커버하는 형상을 가지는, 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 렌즈는 십자형으로 배열된 복수개의 오토포커싱 화소들을 커버하는 형상을 가지는, 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이미징 화소의 폭은 회절 한계 이하인, 이미지 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이미징 화소의 폭은 0.25㎛ 이상이고 0.45㎛ 이하인, 이미지 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드는 각각,
    일방향을 따라 적층된 제1 도전형 반도체층, 진성 반도체층, 제2 도전형 반도체층을 포함하며,
    상기 제1 적색 메타 포토다이오드의 상기 일방향에 수직인 단면의 제1폭, 상기 제1 녹색 메타 포토다이오드의 상기 일방향에 수직인 단면의 제2폭, 상기 제1 청색 메타 포토다이오드의 상기 일방향에 수직인 단면의 제3폭은 서로 다른, 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1폭, 상기 제2폭, 상기 제3폭을 각각 w1, w2, w3이라고 할 때, w1>w2>w3인, 이미지 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    하나의 이미징 화소에 포함되는,
    상기 제1 적색 메타 포토다이오드의 개수는 하나이고,
    상기 제1 녹색 메타 포토다이오드의 개수는 하나이고,
    상기 제1 청색 메타 포토다이오드의 개수는 두 개이며,
    상기 네 개의 메타 포토다이오드의 중심을 연결한 선이 정사각형이 되도록 상기 제1 적색 메타 포토다이오드, 제1 녹색 메타 포토다이오드, 제1 청색 메타 포토다이오드들이 배치되는, 이미지 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 두 개의 제1 녹색 메타 포토다이오드는 상기 정사각형의 대각 방향으로 배치되는, 이미지 센서.
  16. 제1항에 있어서,
    하나의 이미징 화소에 포함되는
    상기 제1 적색 메타 포토다이오드의 개수는 하나이고,
    상기 제1 녹색 메타 포토다이오드와 상기 제1 청색 메타 포토다이오드의 개수는 각각 복수개이고,
    상기 제1 적색 메타 포토다이오드가 상기 하나의 이미징 화소의 중심에 배치되는, 이미지 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 녹색 메타 포토다이오드와 상기 제1 청색 메타 포토다이오드는 상기 제1 적색 메타 포토다이오드를 정사각형 또는 정육각형 형태로 둘러싸는, 이미지 센서.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 이미징 화소는
    적외선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 적외선 메타 포토다이오드를 더 포함하는, 이미지 센서.
  19. 하나 이상의 렌즈를 포함하며, 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
    복수의 이미징 화소와 복수의 오토포커싱 화소를 포함하는 화소 어레이; 및
    상기 복수의 이미징 화소와 일대일로 마주하는 복수의 마이크로 렌즈와, 상기 복수의 오토포커싱 화소와 다대일로 마주하는 하나 이상의 수퍼 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이;를 포함하며,
    상기 복수의 이미징 화소 각각은
    적색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 적색 메타 포토다이오드, 녹색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 녹색 메타 포토다이오드, 청색 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하는 제1 청색 메타 포토다이오드를 포함하는,
    전자 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 복수의 오토포커싱 화소로부터의 전기 신호로부터 오토 포커싱 구동 신호를 생성하며,
    상기 렌즈 어셈블리에 포함된 어느 한 렌즈가 상기 오토 포커싱 구동 신호에 따라 움직이는,
    전자 장치.
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