KR20240021035A - 이미지 센서, 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치 - Google Patents

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KR20240021035A
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최철수
박종훈
이윤기
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 굴절률이 향상된 색분리 렌즈층을 구비한 이미지 센서, 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치를 제공하는 데에 있다. 그 이미지 센서는 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀들을 구비한 광 검출부; 상기 광 검출부 상에 배치된 층간 소자(interlayer element); 및 상기 층간 소자 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 나노-포스트들을 구비하고, 상기 광 감지셀들 중 적어도 2개의 광 감지셀들에 서로 다른 파장 스펙트럼의 광을 집광시키는, 색분리 렌즈층;을 포함하고, 상기 나노-포스트들 각각은, 원기둥 형태의 제1 굴절층과 상기 제1 굴절층의 바닥면과 측면을 둘러싸는 제2 굴절층을 포함하며, 상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절층보다 높은 굴절률을 갖는다.

Description

이미지 센서, 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치{Image sensor, and electronic device comprising the image sensor}
본 발명의 기술적 사상은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 색분리 렌즈층을 구비한 이미지 센서, 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지한다. 그러나 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예컨대, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하여 광 손실이 매우 크다. 최근에 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시키기 위하여, 컬러 필터 대신에 색분리 렌즈층을 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 색분리 렌즈층은 파장에 따라 다른 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 색을 분리하며, 굴절률과 모양에 따라 파장별 방향성을 조절할 수 있다. 색분리 렌즈층에 의해 분리된 색들은 각각의 대응하는 픽셀에 전달될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 굴절률이 향상된 색분리 렌즈층을 구비한 이미지 센서, 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는, 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은, 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀들을 구비한 광 검출부; 상기 광 검출부 상에 배치된 층간 소자(interlayer element); 및 상기 층간 소자 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 나노-포스트들을 구비하고, 상기 광 감지셀들 중 적어도 2개의 광 감지셀들에 서로 다른 파장 스펙트럼의 광을 집광시키는, 색분리 렌즈층;을 포함하고, 상기 나노-포스트들 각각은, 원기둥 형태의 제1 굴절층과 상기 제1 굴절층의 바닥면과 측면을 둘러싸는 제2 굴절층을 포함하며, 상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절층보다 높은 굴절률을 갖는, 이미지 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀들을 구비한 광 검출부; 및 수평 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 나노-포스트들, 및 상기 나노-포스트들 사이에 배치된 스페이서층을 구비하고, 상기 광 검출부의 상부에 배치되 어 상기 광 감지셀들에 광을 집광시키는 색분리 렌즈층;을 포함하고, 상기 나노-포스트들 각각은, 기둥 형태의 제1 굴절층과 상기 제1 굴절층의 바닥면과 측면을 둘러싸는 제2 굴절층을 포함하며, 상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절층보다 높은 굴절률을 갖는, 이미지 센서를 제공한다.
더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학 이미지를 형성하는 촬상부; 및 상기 광학 이미지를 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및 상기 촬상부와 이미지 센서를 제어하는 프로세서;를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 복수의 광 감지셀들 중 적어도 2개의 광 감지 셀들에 서로 다른 파장 스펙트럼의 광을 집광시키는 나노-포스트들을 구비하고, 상기 나노-포스트들 각각은, 기둥 형태의 제1 굴절층과 상기 제1 굴절층의 바닥면과 측면을 둘러싸는 제2 굴절층을 포함하며, 상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절층보다 높은 굴절률을 갖는, 전자 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 이미지 센서에서, 색분리 렌즈층의 나노-포스트는 이중층 구조로 형성될 수 있다. 또한, 나노-포스트의 중심 바디인 제1 굴절층은 높은 제1 굴절률 물질로 형성되고, 제1 굴절층을 얇게 둘러싸는 제2 굴절층은 제1 굴절률보다 높은 제2 굴절률 물질로 형성될 수 있다. 그에 따라, 제1 굴절층만으로 형성된 나노-포스트보다 높은 굴절률을 갖는 나노-포스트가 색분리 렌즈층에 구현될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 기술적 사상에 의한 이미지 센서는, 이중층 구조의 나노-포스트를 통해, 나노-프리즘 분광 특성을 최적으로 유지하면서 나노-포스트의 두께를 최소화할 수 있다. 또한, 나노-포스트의 두께가 최소화 됨에 따라, 나노-포스트의 종횡비 감소로 인해 색분리 렌즈층을 보다 용이하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 대한 블록 구조도이다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에서, 픽셀 어레이 구조를 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 3은 도 2의 I-I' 부분을 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 이미지 센서에서, 색분리 렌즈층의 나노-포스트의 구조에 따른 효과를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 이미지 센서에서, 픽셀의 배열, 및 픽셀 영역에 대응하는 광 감지셀의 배열을 보여주는 평면도들이다.
도 5c는 도 1의 이미지 센서의 색분리 렌즈층에서, 나노-포스트들이 배열된 형태를 보여주는 평면도이고, 도 5d는 도 5c의 일부 영역을 확대하여 보여주는 확대 평면도이다.
도 6a 내지 도 6d는, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서들에서, 픽셀 어레이 구조에 대한 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함한 전자 장치에 대한 블록 구조도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법의 과정을 개략적으로 보여주는 단면도들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 대한 블록 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서(1000)는, 픽셀 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 출력 회로(1030), 및 프로세서(1040)를 포함할 수 있다. 프로세서(1040)는, 픽셀 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 출력 회로(1030)를 제어하고, 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리할 수 있다. 본 실시예의 이미지 센서(1000)는, 예컨대, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서, 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.
픽셀 어레이(1100)는 복수의 로우와 복수의 컬럼을 따라 2차원 어레이 구조로 배열된 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여, 픽셀 어레이(1100)의 복수의 로우 중에서 적어도 어느 하나의 로우를 선택할 수 있다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우에 연결된 복수의 픽셀로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력할 수 있다. 출력 회로(1030)는 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog To Digital Converter)를 포함할 수 있다. 예컨대, 출력 회로(1030)는 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC를 포함하며, 각 ADC는 픽셀 광감지신호와 기준 신호를 비교하는 비교기와 비교기 출력 신호를 디지털 데이터로 변환하는 변환기를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 출력 회로(1030), 및 프로세서(1040)는 픽셀어레이(1100)의 반도체 제1 기판과 다른 반도체 제2 기판에 형성될 수 있다. 반도체 제1 기판과 반도체 제2 기판은 서로 적층되고, 로우 신호들과 광감지 신호들을 통신할 수 있도록 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2는 도 1의 이미지 센서에서, 픽셀 어레이 구조를 개략적으로 보여주는 개념도이고, 도 3은 도 2의 I-I' 부분을 절단하여 보여주는 단면도이며, 도 4a 및 도 4b는 도 1의 이미지 센서에서, 색분리 렌즈층의 나노-포스트의 구조에 따른 효과를 설명하기 위한 개념도들이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 2 내지 도 4b를 참조하면, 픽셀 어레이(1100)는 광 검출부(100), 색분리 렌즈층(200), 및 가변 층간 소자(300)를 포함할 수 있다. 광 검출부(100)는 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀들을 포함할 수 있다. 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 광 감지셀은 예컨대, 포토다이오드(Photo-Diode: PD)일 수 있다. 그러나 광 감지셀이 PD에 한정되는 것은 아니다. 색분리 렌즈층(200)은 가변 층간층(310) 상에 배치되고, 복수의 나노-포스트들(NP)을 포함할 수 있다. 가변 층간 소자(300)는 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 간의 광학 거리(OL: Optical Length)를 조절할 수 있다. 예컨대, 광학 거리(OL)은, 가변 층간 소자(300)의 가변 층간층(310)의 굴절률(n)과 거리(S)의 곱으로 나타날 수 있다. 즉, OL = n*S 이다.
색분리 렌즈층(200)은 입사광을 분기하여 광 검출부(100)의 서로 다른 적어도 2개의 광 감지셀들에 서로 다른 파장 스펙트럼의 광을 입사시킬 수 있다. 이를 위해, 색분리 렌즈층(200)에서, 나노-포스트(NP)의 크기, 위치, 배열 등이 적절히 설정될 수 있다. 색분리 렌즈층(200)은 광 검출부(100)의 복수의 광 감지셀과 각각 마주하는 복수의 영역을 구비할 수 있다. 또한, 각 영역과 복수의 나노-포스트(NP)의 배열 관계에 따라 입사광은 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후, 소정 위상 분포를 가질 수 있다. 이러한 위상 분포의 광은, 색분리 렌즈층(200)을 지나 소정 거리를 진행한 후, 광 검출부(100)의 복수의 광 감지셀에 입사되고, 광 감지셀에 입사된 광의 파장 스펙트럼은 소정 거리에 따라 정해질 수 있다. 여기서, 소정 거리는 전술한 광학 거리(OL)일 수 있다.
색분리 렌즈층(200)은 나노-포스트(NP)와 스페이서층(205)을 포함할 수 잇다. 나노-포스트(NP)는, 도 2 및 도 3을 통해 알 수 있듯이, 원기둥 형태를 가질 수 있다. 그러나 나노-포스트(NP)의 형태가 원기둥 형태에 한정되는 것은 아니다. 나노-포스트(NP)는 다양한 사이즈를 가지고 가변 층간층(310)의 상면 상에서 서로 이격되어 배치될 수 있다. 스페이서층(205)은 나노-포스트(NP) 사이를 채울 수 있다. 스페이서층(205)는 나노-포스트(NP)의 물질보다 낮은 굴절률의 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 스페이서층(205)은 SiO2을 포함할 수 있다. 그러나 스페이서층(205)의 재질이 SiO2에 한정되는 것은 아니다.
나노-포스트(NP)는 제1 굴절층(201)과 제2 굴절층(203)을 포함할 수 있다. 제1 굴절층(201)은 나노-포스트(NP)의 중심 바디를 구성하며, 나노-포스트(NP)의 형태에 대응하여 원기둥 형태를 가질 수 있다. 그러나 나노-포스트(NP)의 형태가 원기둥이 아닌 경우, 제1 굴절층(201)의 형태도 원기둥이 아닐 수 있다. 제2 굴절층(203)은 제1 굴절층(201)의 바닥면과 측면을 둘러싸는 형태를 가질 수 있다.
제1 굴절층(201)과 제2 굴절층(203)은 스페이서층(205)의 물질보다 높은 굴절률 물질로 형성될 수 있다. 일반적으로 높은 굴절률은 SiO2을 기준으로 정의될 수 있다. 예컨대, 제1 굴절층(201)과 제2 굴절층(203) 각각은 SiN3, Si3N4, ZnS, GaN, ZnSe, TiO2, 및 수소가 도핑된 비정질실리콘(a-Si:H) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 제2 굴절층(203)은 제1 굴절층(201)보다 굴절률이 높을 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 제1 굴절층(201)은 TiO2을 포함하고, 제2 굴절층(203)은 a-Si:H을 포함할 수 있다. 그러나 제1 굴절층(201)과 제2 굴절층(203)의 재질이 그에 한정되는 것은 아니다.
참고로, 색분리 렌즈층(200)은 나노-포스트(NP)의 나노-프리즘(nano-prism) 분광 효과를 이용하여 입사광의 색깔을 분리하여 광 검출부(100)의 해당하는 광 감지셀로 입사시킬 수 있다. 한편, 나노-포스트(NP)의 분광 효과는 스페이서층(205)과의 굴절률 차이를 크게 함으로써 커질 수 있다. 이러한 나노-포스트(NP)의 분광 특성은 나노-포스트(NP)를 통과하는 광과 스페이서층(205)을 통과하는 광의 위상차 분포에 기인할 수 있다. 또한, 나노-포스트(NP)와 스페이서층(205)의 상대적인 굴절률 차이가 클수록 나노-포스트(NP)의 두께를 낮출 수 있다. 이러한 나노-포스트(NP)의 낮은 두께는, 종횡비(aspect ratio) 감소 및 그에 따른 식각 공정 난이도를 감소시킬 수 있다.
한편, 굴절률은 a-Si:H가 가장 높고, 그 다음이 TiO2 순이다. 그러나 a-Si:H는 감쇠계수(복수 굴절률에서 허수부의 k값)가 0이 아니어서 수소 도핑을 통해 k값을 낮추고 있다. 그럼에도, 불구하고 여전히 k값이 존재하기 때문에, 나노-포스트(NP) 전체를 a-Si:H로 형성하는 경우, 이미지 센서의 QE(Quantum Efficiency) 특성에서 손해가 발생할 수 있다.
본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 나노-포스트(NP)의 중심 바디인 제1 굴절층(201)은 TiO2로 형성되고, 제1 굴절층(201)을 a-Si:H의 제2 굴절층(203)이 얇게 둘러싸는 형태로 나노-포스트(NP)가 형성될 수 있다. 따라서, TiO2만으로 형성된 나노-포스트보다 높은 굴절률을 갖는 나노-포스트(NP)가 구현될 수 있다. 결과적으로, 본 실시예의 이미지 센서(1000)는, 이중층 구조의 나노-포스트(NP)를 통해, 나노-프리즘 분광 특성을 최적으로 유지하면서 나노-포스트(NP)의 두께를 최소화할 수 있다. 또한, 나노-포스트(NP)의 두께가 최소화 됨에 따라, 나노-포스트(NP)의 종횡비 감소로 인해 색분리 렌즈층(200)을 보다 용이하게 형성할 수 있다.
도 4a는 나노-포스트가 제1 굴절층(n1)과 같은 단일층으로 형성된 구조에서 광의 굴절 특성을 보여주고, 도 4b는 나노-포스트(NP)가 제2 굴절층(n1)과 제2 굴절층(n2)의 이중층 구조로 형성된 구조에서 광의 굴절 특성을 보여준다. 참고로, 제1 굴절층(n1)은 TiO2으로 형성되고, 제2 굴절층(n2)은 a-Si:H으로 형성될 수 있다. 또한, 외부층(n0)은, 예컨대, 공기층이고, 310은 가변 층간층에 해당할 수 있다. 그러나 외부층(n0), 제1 굴절층(n1), 제2 굴절층(n2)의 재질이 전술한 재질들에 한정되는 것은 아니다.
도 4a 및 도 4b를 통해 알 수 있듯이, 단일층 구조의 나노-포스트에서, 광은 외부층(n0)과 제1 굴절층(n1)의 제1 경계면에서 굴절되어, 가변 층간층(310)으로 입사될 수 있다. 제1 경계면에서, θ0가 제1 입사각이고, θ1이 제1 굴절각에 해당할 수 있다. 또한, 가변 층간층(310)으로 입사각(θin)은 제1 굴절각(θ1)과 실질적으로 동일할 수 있다.
한편, 이중층 구조의 나노-포스트(NP)에서, 광은 외부층(n0)과 제1 굴절층(n1)의 제1 경계면에서 굴절되고, 또한, 제1 굴절층(n1)과 제2 굴절층(n2)의 제2 경계면에서 다시 굴절되어 가변 층간층(310)으로 입사될 수 있다. 제2 경계면에서, θ1가 제2 입사각이고, θ2이 제2 굴절각에 해당할 수 있다. 또한, 가변 층간층(310)으로 입사각(θin)은 제2 굴절각(θ2)과 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 단일층 구조의 나노-포스트의 가변 층간층(310)으로 입사각(θin)이, 이중층 구조의 나노-포스트(NP)의 가변 층간층(310)으로의 입사각(θin)보다 클 수 있다. 이과 같이, 굴절률이 큰 제2 굴절층(n2)의 추가를 통해, 굴절을 크게 하여, 가변 층간층(310)으로 입사각을 최소화할 수 있다. 그에 따라, 이중층 구조의 나노-포스트(NP)의 두께(D2)를, 단일층 구조의 나노-포스트의 두께(D1)보다 작게 할 수 있다.
본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 픽셀 어레이(1100)는 광학 거리(OL)를 가변시키는 가변 층간 소자(300)를 포함할 수 있다. 가변 층간 소자(300)는 가변 층간층(310)과, 가변 층간층(310)에 가변을 구동하는 가변 구동부(330)를 포함할 수 있다. 가변 구동부(330)는 광학 거리(OL)를 조절할 수 있도록, 가변 층간층(310)에 다양한 형태로 연결된 구조물 및/또는 가변 신호 인가부를 포함할 수 있다.
가변 구동부(330)는 프로세서(1040)에 의해 제어될 수 있다. 프로세서(1040)는, 예컨대, 요구되는 광학 거리(OL)가 형성되도록 가변 구동부(330)를 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(1040)는, 서로 다른 복수의 광학 거리(OL)가 형성되도록 가변 구동부(330)를 제어할 수도 있다. 설정된 광학 거리(OL)는 프로세서(1040)가 광 검출부(100)로부터의 신호를 처리할 때 활용될 수 있다.
가변 구동부(330)는 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 사이에 배치된 가변 층간층(310)의 굴절률을 가변시킬 수 있다. 또한, 가변 구동부(330)는 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 간의 물리적 거리(S)를 가변시킬 수도 있다. 가변 층간층(310), 및 가변 층간층(310)에 연결된 다양한 형태의 구조물에서, 색분리 렌즈층(200)과 광 검출부(100) 사이에 위치하는 요소들은, 투광성 물질로 이루어질 수 있다.
이하에서, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여, 픽셀 어레이(1100)의 각 구성 요소를 보다 상세하게 설명한다.
도 5a 및 도 5b는 도 1의 이미지 센서에서, 픽셀의 배열, 및 픽셀 영역에 대응하는 광 감지셀의 배열을 보여주는 평면도들이고, 도 5c는 도 1의 이미지 센서의 색분리 렌즈층에서, 나노-포스트들이 배열된 형태를 보여주는 평면도이며, 도 5d는 도 5c의 일부 영역을 확대하여 보여주는 확대 평면도이다. 도 1 및 도 3을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 4b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 픽셀 어레이(1100)는 광 검출부(100), 및 색분리 렌즈층(200)을 포함할 수 있다. 광 검출부(100)는 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀(110, 120)을 포함할 수 있다. 색분리 렌즈층(200)은 광 검출부(100)의 상부에 소정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
광 검출부(100)은 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광 감지셀(110), 제2 광 감지셀(120), 제3 광 감지셀(130), 및, 제4 광 감지셀(140)을 포함할 수 있다. 제1 광 감지셀(110)과 제2 광 감지셀(120)은, 도 3 및 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배치될 수 있다. 또한, 제3 광 감지셀(130)과 제4 광 감지셀(140)도 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배치될 수 있다. 한편, 제1 광 감지셀(110)과 제3 광 감지셀(130)은 제2 방향(Y 방향)을 따라 번갈아 배치되고, 또한, 제2 광 감지셀(120)과 제4 광 감지셀(140)은 제2 방향(Y 방향)을 따라 번갈아 배치될 수 있다. 이러한 영역 구분은 입사광을 픽셀 단위로 구분하여 센싱하기 위한 것일 수 있다.
예컨대, 제1 광 감지셀(110)과 제4 광 감지셀(140)은 제1 픽셀(P1)에 해당하는 제1 스펙트럼의 광을 센싱하고, 제2 광 감지셀(120)은 제2 픽셀(P2)에 해당하는 제2 스펙트럼의 광을 센싱하며, 제3 광 감지셀(130)은 제3 픽셀(P3)에 해당하는 제3 스펙트럼의 광을 센싱할 수 있다. 예컨대, 제1 스펙트럼의 광은 녹색광이고, 제2 스펙트럼의 광은 청색광이며, 제3 스펙트럼의 광은 적색광일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 것은 아니다.
본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 간의 광학적 거리가 가변될 수 있으므로, 제1 스펙트럼, 제2 스펙트럼, 및 제3 스펙트럼은 녹색광, 적색광, 청색광이 각기 서로 다른 비율로 혼합된 형태일 수 있다. 또한, 그 비율은 광학적 거리에 따라 달라질 수 있다. 한편, 도시하지 않았지만, 광 감지셀들 간 경계에는 광 감지셀들을 서로 분리하기 위한 셀 분리막이 형성될 수 있다.
색분리 렌즈층(200)은 소정 규칙에 따라 배열된 복수의 나노-포스트(NP)를 포함할 수 있다. 여기서, 규칙은 나노-포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용될 수 있다. 이러한 파라미터는 색분리 렌즈층(200)이 입사광에 대해 구현하고자 하는 타겟 위상 분포에 따라 정해질 수 있다. 타겟 위상 분포는 입사광이 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후의 위치에서의 위상 분포를 의미할 수 있다.
나노-포스트(NP)는 결정질실리콘(c-Si), 폴리실리콘(p-Si), 비정질실리콘(a-Si), 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 나노-포스트(NP)는 제1 굴절층(201)과 제2 굴절층(203)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 굴절층(201)은 TiO2를 포함하고, 제2 굴절층(203)은 수소가 도핑된 비정질실리콘(a-Si:H)을 포함할 수 있다.
나노-포스트(NP)는 서브 파장의 형상 치수를 가질 수 있다. 서브 파장은 입사광, 즉, 요구되는 위상 분포를 형성하고자 하는 광의 파장보다 작은 수치를 의미할 수 있다. 즉, 나노-포스트(NP)의 형상을 정의하는 치수 중 적어도 하나가 서브 파장일 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 나노-포스트(NP)는 원기둥 형태를 가지며, 원기둥의 높이와 지름이 200㎚ 내외일 수 있다. 그러나 나노-포스트(NP)의 치수가 그에 한정되는 것은 아니다.
도 3을 통해 알 수 있듯이, 나노-포스트(NP)는 광 검출부(100)와의 사이에 게재된 가변 층간층(310)에 의해 지지될 수 있다. 예컨대, 가변 층간층(310)은 글래스(fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등), 및 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 가변 층간층(310)의 물질은 나노-포스트(NP)를 이루는 물질의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 실시예에 따라, 가변 층간층(310)은 공기(air)일 수 있고, 그러한 경우, 나노-포스트(NP)를 지지하는 별도의 지지층이 배치될 수 있다. 한편, 도시되지는 않았으나, 복수의 나노-포스트(NP)를 보호하는 보호층이 구비될 수 있다. 보호층은 나노-포스트(NP)의 굴절률보다 낮은 굴절률 물질을 포함할 수 있다.
주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노-포스트(NP)는, 나노-포스트(NP)를 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노-포스트(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것일 수 있다. 위상의 지연 정도는 나노-포스트(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해질 수 있다. 색분리 렌즈층(200)은, 복수의 나노-포스트(NP) 각각에서 일어나는 위상 지연의 정도를 적절히 설정하여 입사광에 대해 요구되는 위상 분포를 구현할 수 있다.
즉, 복수의 나노-포스트(NP)는, 적절한 위상 분포를 형성하도록 형상, 크기, 및 배열이 정해질 수 있다. 이러한 위상 분포 형성을 통해, 복수의 나노-포스트(NP)는, 서로 인접하는 제1 광 감지셀(110)과 제2 광 감지셀(120)에 서로 다른 스펙트럼의 광을 집광시킬 수 있다. 또한, 이러한 위상 분포 형성을 통해, 복수의 나노-포스트(NP)는, 서로 인접하는 제3 광 감지셀(130)과 제4 광 감지셀(140)에 서로 다른 스펙트럼의 광을 집광시킬 수 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈층(200)은, 복수의 광 감지셀(110, 120, 130, 140)과 일대일로 대응하며 마주하는 복수의 영역(210, 220, 230, 240)으로 분류될 수 있다. 복수의 영역(210, 220, 230, 240) 각각에는 하나 이상의 나노-포스트(NP)가 배치될 수 있다. 나노-포스트(NP)는 형상, 크기, 및 배열 중 적어도 어느 하나가 영역에 따라 다를 수 있다.
도 3, 및 도 5c를 통해 알 수 있듯이, 제1 영역(210)과 제1 광 감지셀(110)이 서로 대응되게 배치되고, 제2 영역 (220)과 제2 광 감지셀(120)이 서로 대응되게 배치될 수 있다. 또한, 제3 영역(230)과 제3 광 감지셀(130)이 서로 대응되게 배치되고, 제4 영역(240)과 제4 광 감지셀(140)이 서로 대응되게 배치될 수 있다.
색분리 렌즈층(200)는 2차원으로 배열된 복수의 단위 패턴 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 단위 패턴 어레이는 2×2의 형태로 배열된 네 영역, 예컨대, 제1 영역(210), 제2 영역(220), 제3 영역(230), 제4 영역(240)을 포함할 수 있다.
도 5b 및 도 5c에서, 복수의 영역(210, 220, 230, 240)과 복수의 광 감지셀(110, 120, 130, 140)이 동일한 크기로, 연직 방향으로, 서로 마주하는 것으로 도시되고 있다. 그러나 이는 예시적인 것이며 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 다른 형태로 정의되는 복수의 영역이 복수의 광 감지셀에 대응할 수 있다. 이는 이하의 다른 실시예들에서도 마찬가지이다.
색분리 렌즈층(200)은 제1 광 감지셀(110)과 제4 광 감지셀(140)에 제1 스펙트럼의 광이 분기되어 집광되고, 제2 광 감지셀(120)에 제2 스펙트럼의 광이 분기되어 집광되며, 제3 광 감지셀(130)로 제3 스펙트럼의 광이 분기되어 집광되도록 영역들이 구분될 수 있다. 또한, 이를 위해, 영역마다 나노-포스트(NP)의 크기, 형상, 및 배열이 정해질 수 있다.
도 5a에 도시된 바와같이, 픽셀 어레이(1100)의 픽셀 배열은 베이어(Bayer) 패턴과 유사한 배열일 수 있다. 하나의 단위 픽셀는 4개의 사분 영역(quadrant region)을 포함할 수 있다. 예컨대, 사분 영역은 두 개의 제1 픽셀(P1), 하나의 제2 픽셀(P2), 하나의 제3 픽셀(P3)에 할당될 수 있다. 이러한 단위 픽셀이 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 2차원적으로 반복 배열될 수 있다.
2×2 어레이 형태의 단위 픽셀 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 제1 픽셀(P1)이 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 제2 픽셀(P2)과 1개의 제3 픽셀(P3)가 배치될 수 있다. 전체적인 픽셀 배열을 보면, 제1 픽셀(P1)과 제2 픽셀(P2)이 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과, 제3 픽셀(P3)과 제1 픽셀(P1)이 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이, 제2 방향(Y 방향)을 따라 반복적으로 배열될 수 있다. 제1 픽셀(P1), 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3)의 색상은 컬러는 각각 한가지 색으로 고정되지 않으며, 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 간의 광학 거리(OL)에 따라 달라질 수 있다. 제1 픽셀(P1), 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3)의 색상, 또는 파장 분포는 각각 제1 스펙트럼, 제2 스펙트럼, 제3 스펙트럼으로 표현될 수 있다. 또한, 제1 스펙트럼, 제2 스펙트럼, 제3 스펙트럼은 광학 거리(OL)에 따라 구체적인 파장 분포 형태가 달라질 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 광 감지셀(110)과 제2 광 감지셀(120)이 교번 배열되는 행과, 제3 광 감지셀(130)과 제4 광 감지셀(140)이 교번 배열되는 행이, 서로 교대로 반복되도록, 복수의 제1 광 감지셀(110), 제2 광 감지셀(120), 제3 광 감지셀(130)이 제1 방향(X 방향), 제2 방향(Y 방향)을 따라 이차원 배열될 수 있다. 이에 따라, 제1 픽셀(P1)에 제1 광 감지셀(110), 또는 제4 광 감지셀(140)이 대응하고, 제2 픽셀(P2)에 제2 광 감지셀(120)이 대응하며, 제3 픽셀(P3)에 제3 광 감지셀(130)이 대응할 수 있다.
도 5b와 도 5c를 함께 참조하면, 제1 픽셀(P1)에 제1 광 감지셀(110)과 제1 영역(210)이 대응하고, 다른 제1 픽셀(P1)에 제4 광 감지셀(140)과 제4 영역(240)이 대응할 수 있다. 또한, 제2 픽셀(P2)에는 제2 광 감지셀(120)과 제2 영역(220)이 대응하고, 제3 픽셀(P3)에는 제3 광 감지셀(130)과 제3 영역(230)이 대응할 수 있다.
또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 픽셀(P1), 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3)의 중심부에 단면적이 서로 다른 나노-포스트(NP)가 배치되고, 픽셀간 경계선 상의 중심, 및 픽셀 경계선의 교차점에도 나노-포스트(NP)가 배치될 수 있다. 픽셀간 경계에 배치된 나노-포스트(NP)의 단면적은 픽셀 중심부에 배치된 나노-포스트(NP)보다 작은 단면적을 가질 수 있다.
도 5d는, 도 5c의 일부 영역, 즉, 단위 패턴 어레이를 구성하는 제1 내지 제4 영역(210, 220, 230, 240)의 나노-포스트(NP)의 배열을 상세히 도시하고 있다. 즉, 도 5d에서, 나노-포스트(NP)는 단위 패턴 어레이 내의 세부 위치에 따라 p1 내지 p9로 표시되고 있다.
도 5d를 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 나노-포스트(NP) 중, 제1 영역(210)의 중심부에 배치된 나노-포스트(p1), 및 제4 영역(240)의 중심부에 배치된 나노-포스트(p4)의 단면적이, 제2 영역(220)의 중심부에 배치된 나노-포스트(p2)나 제3 영역(230)의 중심부에 배치된 나노-포스트(p3)의 단면적보다 클 수 있다. 또한, 제2 영역(220)의 중심부에 배치된 나노-포스트(p2)의 단면적이 제3 영역(230)의 중심부에 배치된 나노-포스트(p3)의 단면적보다 클 수 있다. 그러나 이는 하나의 예에 불과하고, 필요에 따라 다양한 형상, 크기, 배열의 나노-포스트(NP)가 적용될 수 있다. 여기서, 단면적은 나노-포스트(NP)의 제3 방향(Z 방향)에 수직한 단면의 면적을 의미할 수 있다.
제1 픽셀(P1)에 대응하는 제1 및 제4 영역(210, 240)에 구비된 나노-포스트(NP)는 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 및 제4 영역(210, 240)에 배치된 나노-포스트(NP)는 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 다른 크기 배열을 가질 수 있다. 즉, 도 5d에 도시된 바와 같이, 나노-포스트(NP) 중, 제1 영역(210)과 제1 방향(X 방향)으로 인접한 제2 영역(220)과의 경계에 위치하는 나노-포스트(p5)의 단면적과, 제2 방향(Y 방향)으로 인접하는 제3 영역(230)과의 경계에 위치하는 나노-포스트(p6)의 단면적은 서로 다를 수 있다. 마찬가지로, 제4 영역(240)과 제1 방향(X 방향)으로 인접한 제3 영역(230)과의 경계에 위치하는 나노-포스트(p7)의 단면적과 제2 방향(Y 방향)으로 인접하는 제2 영역(220)과의 경계에 위치하는 나노-포스트(p8)의 단면적은 서로 다를 수 있다.
반면, 제2 픽셀(P2)에 대응하는 제2 영역(220) 및 제3 픽셀(P3)에 대응하는 제3 영역(230)에 배치된 나노-포스트(NP)는 제1 방향(X 방향) 및 제2 방향(Y 방향)을 따라 대칭적인 분포 규칙을 가질 수 있다. 즉, 도 5d에 도시된 바와 같이, 나노-포스트(NP) 중, 제2 영역(220)과 제1 방향(X 방향)으로 인접한 픽셀 간의 경계에 놓이는 나노-포스트(p5) 및 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 픽셀 간의 경계에 놓이는 나노-포스트(p8)의 단면적은 서로 같고, 제3 영역(230)에서도 제1 방향(X 방향)으로 인접한 픽셀 간의 경계에 놓이는 나노-포스트(p7) 및 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 픽셀 간의 경계에 놓이는 나노-포스트(p6)의 단면적은 서로 같을 수 있다.
한편, 제1 영역(210), 제2 영역(220), 제3 영역(230), 제4 영역(240) 각각의 네 모서리, 즉, 네 영역이 교차하는 위치에 배치된 나노-포스트((p9)는, 모두 같은 단면적을 가질 수 있다. 이러한 분포는, 베이어 패턴 유사의 픽셀 배열에 기인할 수 있다. 제2 픽셀(P2)와 제3 픽셀(P3)는 모두 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 픽셀들이 제1 픽셀(P1)로 동일한 반면, 제1 영역(210)에 대응하는 제1 픽셀(P1)는 제1 방향(X 방향)으로 인접한 픽셀이 제2 픽셀(P2)이고, 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 픽셀이 제3 픽셀(P3)로 서로 다르고, 제4 영역(240)에 대응하는 제1 픽셀(P1)는 제1 방향(X 방향)으로 인접한 픽셀이 제3 픽셀(P3)이고 제2 방향(Y 방향)으로 인접한 픽셀이 제2 픽셀(P2)로 서로 다를 수 있다. 또한, 제1 영역(210), 제4 영역(240)에 대응하는 제1 픽셀(P1)는 네 대각 방향으로 인접하는 픽셀이 제1 픽셀(P1)로 서로 같고, 제2 영역(220)에 대응하는 제2 픽셀(P2)는 네 대각 방향으로 인접하는 픽셀이 제3 픽셀(P3)로 서로 같고, 제3 영역(230)에 대응하는 제3 픽셀(P3)은 네 대각 방향으로 인접하는 픽셀이 제2 픽셀(P2)로 서로 같을 수 있다.
따라서, 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3)에 각각 대응하는 제2 영역(220)과 제3 영역(230)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 나노-포스트(NP)가 배열되고, 제1 픽셀(P1)에 대응하는 제1 및 제4 영역(210, 240)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 나노-포스트(NP)가 배열될 수 있다. 특히, 제1 영역(210)과 제4 영역(240)은 서로에 대해 90° 회전된 상태일 수 있다
복수의 나노-포스트(NP)는 모두 대칭적인 원형의 단면 형상을 갖는 것으로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 비대칭 형상의 단면 형상을 갖는 나노-포스트(NP)가 일부 포함될 수도 있다. 구체적으로, 제1 픽셀(P1)에 대응하는 제1 영역(210), 제4 영역(240)에는 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 갖는 나노-포스트(NP)가 채용되고, 제2 픽셀(P2), 제3 픽셀(P3)에 각각 대응하는 제2 영역(220), 제3 영역(230)에는 제1 방향(X 방향)과 제2 방향(Y 방향)의 폭이 같은 대칭적인 단면 형상을 갖는 나노-포스트(NP)가 채용될 수 있다.
예시된 색분리 렌즈층(200)의 배열 규칙은, 제1 광 감지셀(110)과 제4 광 감지셀(140)에 제1 스펙트럼의 광을 분기하여 집광시키고, 제2 광 감지셀(120)에 제2 스펙트럼의 광을 분기하여 집광시키며, 제3 광 감지셀(130)에 제3 스펙트럼의 광을 분기하여 집광시키게 하는 타겟 위상 분포를, 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후의 위치에 구현한 하나의 예시일 수 있다. 그러나 색분리 렌즈층(200)의 배열 규칙이 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.
색분리 렌즈층(200)을 통과한 위치에서 제1 파장의 광이 제1 광 감지셀(110)과 제4 광 감지셀(140)로 집광되는 위상을 형성하고, 인접한 제2 광 감지셀(120)과 제3 광 감지셀(130)로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 색분리 렌즈층(200)의 각 영역에 구비되는 나노-포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.
마찬가지로, 색분리 렌즈층(200)을 통과한 위치에서 제2 파장의 광이 제2 광 감지셀(120)로 집광되는 위상을 형성하고 인접한 제1 광 감지셀(110), 제3 광 감지셀(130), 및 제4 광 감지셀(140)로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 색분리 렌즈층(200)의 각 영역에 구비되는 나노-포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.
또한, 마찬가지로, 색분리 렌즈층(200)을 통과한 위치에서 제3 파장의 광이 제3 광 감지셀(130)로 집광되는 위상을 형성하고 인접한 제1 광 감지셀(110), 제2 광 감지셀(120) 및 제4 광 감지셀(140)로는 진행하지 않는 위상을 형성하도록, 색분리 렌즈층(200)의 각 영역에 구비되는 나노-포스트(NP)의 형상, 크기, 배열이 정해질 수 있다.
본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 픽셀 어레이(1100)에서 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 간의 광학적 거리가 가변될 수 있다. 따라서, 나노-포스트(NP)의 형상, 크기, 배열에 의한 파장별 광 분기는 소정 조건의 광학적 거리를 가정한 설명에 해당할 수 있다. 이러한 조건들을 모두 만족시키는 나노-포스트(NP)의 형상, 크기, 및/또는 배열이 정해질 수 있고, 이러한 색분리 렌즈층(200)은 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후의 광이 다음과 같은 타겟 위상 분포를 가지게 할 수 있다. 즉, 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후 위치에서, 다시 말해 색분리 렌즈층(200)의 하부 표면, 또는 가변 층간층(310)의 상부 표면에서, 제1 파장의 광의 위상은 제1 광 감지셀(110)에 대응하는 제1 영역(210)의 중심부와, 제4 광 감지셀(140)에 대응하는 제4 영역(240)의 중심부에서 2Nπ을 나타낼 수 있다. 또한, 제2 광 감지셀(120)에 대응하는 제2 영역(220)의 중심부와, 제3 광 감지셀(130)에 대응하는 제3 영역(230)의 중심부에서 (2N-1)π을 나타낼 수 있다. 여기서, N은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈층(700)을 투과한 직후의 위치에서 제1 파장의 광의 위상이, 제1 영역(210)의 중심부와 제4 영역(240)의 중심부에서 최대가 되고, 제1 영역(210)의 중심부와 제4 영역(240)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, 제2 영역(220)의 중심부와 제3 영역(230)의 중심부에서 최소가 될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, N=1인 경우, 색분리 렌즈층(200)을 투과한 위치에서 제1 파장의 광의 위상은 제1 영역(210)의 중심부와 제4 영역(240)의 중심부에서 2π가 되고, 제2 영역(220)의 중심부와 제3 영역(230)의 중심부에서 π가 될 수 있다. 여기서, 위상은 광이 나노-포스트(NP)를 통과하기 직전의 위상에 대한 상대적인 위상 값을 의미할 수 있다.
또한, 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광의 위상은 제2 광 감지셀(120)에 대응하는 제2 영역(220)의 중심부에서 2Mπ이고, 제1 광 감지셀(110)에 대응하는 제1 영역(210)의 중심부와, 제4 광 감지셀(140)에 대응하는 제4 영역(240)의 중심부에서는 (2M-1)π일 수 있다. 또한, 제3 광 감지셀(130)에 대응하는 제3 영역(230)의 중심부에서는 (2M-2)π보다 크고, (2M-1)π보다 작을 수 있다. 여기서, M은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈층(200)를 투과한 직후의 위치에서 제2 파장의 광의 위상은 제2 영역(220)의 중심부에서 최대가 되고, 제2 영역(220)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져, 제1 영역(210), 제4 영역(240) 및 제3 영역(230)의 중심부에서 국소적으로 최소가 될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, M=1인 경우, 색분리 렌즈층(200)을 투과한 위치에서 제2 파장의 광의 위상은 제2 영역(220)의 중심부에서 2π가 되고, 제1 영역(210)의 중심부와 제4 영역(240)의 중심부에서 π가 되며, 제3 영역(230)의 중심부에서 약 0.2π 내지 0.7π가 될 수 있다.
또한 마찬가지로, 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광의 위상은 제3 광 감지셀(130)에 대응하는 제3 영역(230)의 중심부에서 2Lπ이고 제1 광 감지셀(110)에 대응하는 제1 영역(210)과, 제4 광 감지셀(140)에 대응하는 제4 영역(740)의 중심부에서는 (2L-1)π이고, 제2 광 감지셀(120)에 대응하는 제2 영역(220)의 중심부에서는 (2L-2)π보다 크고 (2L-1)π보다 작을 수 있다. 여기서, L은 0보다 큰 정수이다. 다시 말해, 색분리 렌즈층(200)을 투과한 직후의 위치에서 제3 파장의 광의 위상은, 제3 영역(230)의 중심부에서 최대가 되고, 제3 영역(230)의 중심부로부터 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져 제1 영역(210), 제4 영역(1240), 및 제2 영역(220)의 중심부에서 국소적으로 최소가 될 수 있다. 구체적으로 예를 들면, L=1인 경우, 색분리 렌즈층(200)을 투과한 위치에서 제3 파장의 위상은 제3 영역(230)의 중심부에서 2π가 되고, 제1 영역(210)의 중심부와 제4 영역(240)의 중심부에서 π가 되며, 제2 영역(220)의 중심부에서 약 0.2π 내지 0.7π가 될 수 있다.
제1 파장의 광, 제2 파장의 광, 제3 파장의 광은 각각 녹색광, 청색광, 적색광일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 앞서 언급했듯이, 타겟 위상 분포는 색분리 렌즈층(200)을 통과한 직후의 위치에서의 위상 분포를 의미할 수 있다. 또한, 이러한 위상 분포의 광이 복수의 광 감지셀(110, 120, 130, 140)을 향해 진행할 때, 진행한 거리에 따라 다른 파장 스펙트럼을 형성할 수 있다. 즉, 광 검출부(100)와의 광학 거리(OL)가 조절됨에 따라, 광 감지셀(110, 120, 130, 140)에 다른 파장 스펙트럼의 광이 집광되도록 할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서들에서, 픽셀 어레이 구조에 대한 단면도들로서, 가변 층간 소자들의 다양한 실시예들을 보여준다. 도 1 내지 도 5d의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 6a를 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 픽셀 어레이(1101)는 광 검출부(100), 색분리 렌즈층(200), 및, 가변 층간 소자(301)를 포함할 수 있다. 가변 층간 소자(301)는 색분리 렌즈층(200)과 광 검출부(100) 간의 물리적인 거리(S)를 가변시키는 MEMS 액츄에이터로 구성될 수 있다. 색분리 렌즈층(200)과 광 검출부(100) 사이의 매질은, 예컨대, 공기(air)일 수 있다. 따라서, 나노-포스트(NP)를 지지하기 위한 지지층(207)이 구비될 수 있다.
지지층(207)과 광 검출부(100)는 가변 층간 소자(301)에 전기 기계적으로 연결되어, 가변 층간 소자(301)의 구동에 따라 지지층(207)의 위치가 광 검출부(100)에 대해 가변될 수 있다. 이에 따라, 색분리 렌즈층(200)과 광 검출부(100) 사이의 물리적 거리(S)가 조절될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 픽셀 어레이(1102)는, 광 검출부(100), 색분리 렌즈층(200), 광 검출부(100), 가변 층간 소자(302)를 포함할 수 있다. 가변 층간 소자(302)는 색분리 렌즈층(200)과 광 검출부(100) 간의 물리적인 거리(S)를 가변시키기 위해, 형상 가변 구조물(322)과 신호 인가부(325)를 포함할 수 있다.
형상 가변 구조물(322)은 전기적 신호에 따라 형상이 가변되는 형상 가변 물질을 포함할 수 있다. 또한, 신호 인가부(325)는 형상 가변 구조물(322)에 전기 신호를 인가할 수 있다. 신호 인가부(325)에서 인가되는 신호에 따라 형상 가변 구조물(322)의 형상 가변 물질이 가변되어, 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 간의 물리적 거리(S)가 가변될 수 있다.
형상 가변 구조물(322)에 포함되는 형상 가변 물질은, 예컨대, 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy: SMA), 또는 전기 활성 폴리머(Electro-Active Polymer)가 사용될 수 있다. 구체적으로 도시하지 않았지만, 형상 가변 구조물(322)은 다양한 형태로 구체화될 수 있다. 예컨대, 형상 가변 구조물(322)은 형상 가변 물질층과, 형상 가변 물질층을 지지하는 고정 부재가 조합된 다양한 형태를 가질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 형상 가변 구조물(322)은 전체가 형상 가변 물질층으로 이루어질 수도 있다.
도 6c를 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 픽셀 어레이(1103)는 광 검출부(100), 색분리 렌즈층(200), 및 가변 층간 소자(303)를 포함할 수 있다. 가변 층간 소자(303)는 레저버 영역(333), 프레임 구조물, 및 신호 인가부(335)를 포함할 수 있다. 프레임 구조물은 높이 가변 영역(VA)을 포함할 수 있다. 신호 인가부(335)는 레저버 영역(333) 내의 광학 유체(FL)를 높이 가변 영역(VA)으로 유동시키기 위한 신호를 인가할 수 있다.
높이 가변 영역(VA)은 색분리 렌즈층(200)과 광 검출부(100) 사이의 영역을 의미할 수 있다. 높이 가변 영역(VA)은 신축성 멤브레인(332), 및 고정 부재(331)를 포함할 수 있다. 고정 부재(331)는 신축성 멤브레인(332)의 신축 변형을 지지할 수 있다. 신축성 멤브레인(332), 고정 부재(331), 레저버 영역(333), 및 높이 가변 영역(VA)이 하나의 프레임 구조물을 구성할 수 있다.
신호 인가부(335)는 레저버 영역(333)에 유압 신호를 인가하여 광학 유체(FL)가 높이 가변 영역(VA)으로 이동되게 할 수 있다. 또한, 유체 유동을 위한 전극 등의 추가 구성이 레저버 영역(333), 또는 높이 가변 영역(VA)에 더 구비되고, 신호 인가부(535)가 추가 구성에 전기 신호를 인가하여 광학 유체(FL)가 유동되도록 할 수도 있다.
광학 유체(FL)가 레저버 영역(333)과 높이 가변 영역(VA) 사이에서 유동될 때, 높이 가변 영역(VA)의 신축성 멤브레인(332)이 광학 유체(FL)의 양에 따라 신축되며, 높이 가변 영역(VA)의 높이가 조절될 수 있다. 높이 가변 영역(VA)의 높이가 조절됨에 따라 색분리 렌즈층(200)과 광 검출부(100) 사이의 물리적 거리(S)가 조절될 수 있다. 도 6c에서, 나노-포스트(NP)를 지지하는 지지층(207)이 구비된 것으로 예시되고 있으나, 이에 한정되지 것은 아니다. 예컨대, 지지층(207)이 생략되고, 나노-포스트(NP)가 신축성 멤브레인(332)에 의해 바로 지지될 수도 있다.
도 6d를 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서(1000)에서, 픽셀 어레이(1104)는 광 검출부(100), 색분리 렌즈층(200), 및 가변 층간 소자(304)를 포함할 수 있다. 가변 층간 소자(304)는 외부에서 입력되는 신호에 따라 변하는 굴절률을 가지는 굴절률 가변층(343), 투명 전극(341,342), 신호 인가부(345)를 포함할 수 있다. 굴절률 가변층(343)의 상면과 하면 상에 투명 전극(341,342)이 배치될 수 있다. 신호 인가부(345)는 굴절률 가변층(343)에 전기 신호를 인가할 수 있다. 신호 인가부(345)에서 인가된 신호에 따라 굴절률 가변층(343)의 굴절률이 변하고, 굴절률과 물리적 거리(S)의 곱으로 표현되는 광학 거리가 가변될 수 있다.
굴절률 가변층(343)은 전기 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질을 포함할 수 있다. 굴절률 가변층(343)은, 예컨대, 전기 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하여 굴절률이 변하는 전기 광학(electro-optic) 질을 포함할 수 있다. 이러한 전기 광학 물질로서, LiNbO3, LiTaO3, KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate), 액정 등이 전기 광학 물질로서 사용될 수 있다. 또한, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer) 물질이 사용될 수 있다.
한편, 굴절률 가변층(343)은, 전기 광학 물질에 한정되지 않고, 열을 인가하면 소정 온도 이상에서 상전이가 일어나 유전율이 변하는 물질, 예컨대, VO2, VO2O3, EuO, MnO, CoO, CoO2, LiCoO2, 또는, Ca2RuO4 등을 포함할 수도 있다.
이 경우, 신호 인가부(345)와 굴절률 가변층(343) 사이에 열 생성층이 더 배치될 수 있다. 열 생성층은 신호 인가부(345)의 전기 신호에 의해 열을 생성할 수 있고, 생성한 열을 굴절률 가변층(343)으로 전달할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함한 전자 장치에 대한 블록 구조도이다. 도 1을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 6d의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 이미지 센서를 포함한 전자 장치(2000, 이하 간단히 '전자 장치'라 한다)는 촬상부(2100), 이미지 센서(1000), 및 프로세서(2200)를 포함할 수 있다. 전자 장치(2000)는, 예컨대, 카메라일 수 있다. 촬상부(2100)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 집속하여 광학상(optical image)을 형성할 수 있다. 촬상부(2100)는 대물렌즈(2010), 렌즈 구동부(2120), 조리개(2130), 및 조리개 구동부(2140)를 포함할 수 있다. 도 7에서, 편의상 하나의 렌즈만이 대표적으로 도시되고 있으나, 실제로 대물렌즈(2010)는 크기와 형태가 각기 다른 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자 장치(2000)는 모바일용 카메라일 수 있고, 모바일용 카메라에서, 조리개(2130), 및 조리개 구동부(2140)가 생략될 수 있다.
렌즈 구동부(2120)는 프로세서(2200)와 초점 검출에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(2200)에서 제공된 제어 신호에 따라 대물렌즈(2010)의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)는 대물렌즈(2010)를 이동시켜 대물렌즈(2010)와 피사체(OBJ) 사이의 거리가 조절하거나, 또는 대물렌즈(2010) 내의 도시되지 않는 각각의 개별 렌즈들의 위치를 조절할 수 있다. 렌즈 구동부(1120)가 대물렌즈(2010)를 구동시킴으로써 피사체(OBJ)에 대한 초점이 조절될 수 있다. 이러한 전자 장치(2000)는 자동 초점 기능을 구비할 수 있다.
조리개 구동부(2140)는 프로세서(2200)와 광량에 관한 정보를 통신할 수 있고, 프로세서(2200)에서 제공된 제어 신호에 따라 조리개(2130)를 조절할 수 있다. 예컨대, 조리개 구동부(2140)는 대물렌즈(2010)를 통해 카메라(2000)의 내부에 들어오는 빛의 양에 따라 조리개(2130)의 구경을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 또한, 조리개 구동부(2140)는 조리개(2130)의 개방 시간을 조절할 수 있다.
이미지 센서(1000)는 입사되는 광의 세기를 기초로 전기적인 이미지 신호를 생성할 수 있다. 이미지 센서(1000)는, 예컨대, 도 1의 이미지 센서(1000)일 수 있다. 그에 따라, 이미지 센서(1000)는, 픽셀 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 또한, 도 7에 도시되지 않았지만, 이미지 센서(1000)는 로우 디코더(1020)를 더 포함할 수 있다. 대물렌즈(2010) 및 조리개(2130)를 투과한 광은 픽셀 어레이(1100)의 수광면에 피사체(OBJ)의 상을 결상할 수 있다. 픽셀 어레이(1100)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CCD 또는 CMOS일 수 있다. 픽셀 어레이(1100)는 AF 기능 또는 거리 측정 기능을 수행하기 위한 추가적인 화소들을 포함할 수 있다.
프로세서(2200)는 카메라(2000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있으며 영상 처리 기능을 구비할 수 있다. 예컨대, 프로세서(2200)는 렌즈 구동부(2120), 조리개 구동부(2140), 타이밍 컨트롤러(1010) 등에 각 구성 요소의 동작을 위한 제어 신호를 제공할 수 있다. 이미지 센서(1000)의 픽셀 어레이(1100)는 전술한 바와 같이, 광 검출부(100)와 색분리 렌즈층(200) 간의 광학 거리(S)가 조절되는 구조를 가질 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 전자 장치(2000)는, 이미지 센서(1000)에 기반하여 복수의 광학 거리에서 획득한 복수의 광신호 세트를 이용하여 이미지를 형성할 수 있고, 색순도가 높고 재현성이 우수한 양질의 영상을 획득할 수 있다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서 제조방법의 과정을 개략적으로 보여주는 단면도들이다. 도 2 및 도 3을 함께 참조하여 설명하고, 도 1 내지 도 7의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 8a를 참조하면, 기판 상에 광 검출부(100), 및 가변 층간층(310)을 형성한다. 광 검출부(100)는 복수의 광 감지셀을 포함할 수 있다. 가변 층간층(310)은 가변 층간 소자(300)에 포함될 수 있다. 가변 층간층(310) 대신 도 6a 내지 도 6d의 가변 층간 소자(301 ~ 304)에 포함된 구성 요소들이 광 검출부(100) 상에 형성될 수도 있다.
이후, 가변 층간층(310) 상에, 스페이서층을 위한 제1 물질층을 형성한다. 제1 물질층은 낮은 굴절률 물질, 예컨대, SiO2을 포함할 수 있다. 그러나 제1 물질층의 재질이 SiO2에 한정되는 것은 아니다. 계속해서, 포토 공정을 통해 제1 물질층 상에 포토레지스트(Photo-Resist: PR) 패턴을 형성하고, PR 패턴을 마스크로 하여 제1 물질층을 식각하여, 스페이서층(205)을 형성한다.
도 8b를 참조하면, 스페이서층(205)의 형성 후, 가변 층간층(310)과 스페이서층(205)을 덮는 제2 물질층(203a)을 형성한다. 제2 물질층(203a)은 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 통해 매우 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 물질층(203a)은 수 내지 수십 ㎚의 두께로 형성될 수 있다. 제2 물질층(203a)은 투광성이 우수하면서도 굴절률이 높은 물질로 형성될 수 있다. 제2 물질층(203a)은 예컨대, a-Si:H로 형성될 수 있다. 물론, 제2 물질층(203a)의 재질이 a-Si:H에 한정되는 것은 아니다.
도 8c를 참조하면, 제2 물질층(203a) 형성 후, 제2 물질층(203a)을 덮는 제3 물질층(201a)을 형성한다. 제3 물질층(201a)은 비교적 높은 두께로 형성될 수 있다. 예컨대, 제3 물질층(201a)은 스페이서층(205)와 제2 물질층(203a)에 의해 형성된, 홈을 완전히 채울 수 있는 두께로 형성될 수 있다. 제3 물질층(201a)은 투광성이 우수하면서도 굴절률이 높은 물질로 형성될 수 있다. 그러나 제3 물질층(201a)은 제2 물질층(203a)보다 굴절률이 낮을 수 있다. 예컨대, 제3 물질층(201a)은 TiO2로 형성될 수 있다. 물론, 제3 물질층(201a)의 재질이 TiO2에 한정되는 것은 아니다.
도 8d를 참조하면, 제3 물질층(201a) 형성 후, CMP 공정을 통해 나노-포스트(NP)를 형성한다. CMP 공정에서, 스페이서층(205)이 식각 정지막으로 작용할 수 있다. CMP 공정을 통해, 제3 물질층(201a)이 복수 개의 제1 굴절층(201)로 서로 분리되고, 또한, 제2 물질층(203a)이 복수 개의 제2 굴절층(203)으로 서로 분리될 수 있다. 분리된 제1 굴절층(201)과 제2 굴절층(203)은 나노-포스트(NP)를 구성할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 광 검출부, 110, 120, 130, 140: 제1, 제2, 제3, 제4 광 감지셀, 200: 색분리 렌즈층, 201: 제1 굴절층, 203: 제2 굴절층, 205: 스페이서층, 207: 지지층, 210, 220, 230, 240: 제1, 제2, 제3, 제4 영역, 300, 301 ~ 304: 가변 층간 소자, 310: 가변 층간층, 322: 형상 가변 구조물, 325, 335, 345: 신호 인가부, 330: 가변 구동부, 331: 고정 부재, 332: 신축성 멤브레인, 333: 레저버 영역, 341, 342: 투명 전극, 343: 굴절률 가변층, 1000: 이미지 센서, 1100, 1101 ~ 1104: 픽셀 어레이, 1010: 타이밍 컨트롤러, 1020: 로우 디코더, 1030: 출력 회로, 1040, 2200: 프로세서, 2000: 전자 장치,2010: 대물렌즈, 2120: 렌즈 구동부, 2100: 촬상부, 2130: 조리개, 2140: 조리개 구동부, NP: 나노-포스트

Claims (10)

  1. 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀들을 구비한 광 검출부;
    상기 광 검출부 상에 배치된 층간 소자(interlayer element); 및
    상기 층간 소자 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 나노-포스트들을 구비하고, 상기 광 감지셀들 중 적어도 2개의 광 감지셀들에 서로 다른 파장 스펙트럼의 광을 집광시키는, 색분리 렌즈층;을 포함하고,
    상기 나노-포스트들 각각은, 원기둥 형태의 제1 굴절층과 상기 제1 굴절층의 바닥면과 측면을 둘러싸는 제2 굴절층을 포함하며,
    상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절층보다 높은 굴절률을 갖는, 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 색분리 렌즈층은 상기 나노-포스트들 사이에 배치된 스페이서층을 더 포함하고,
    상기 제2 굴절층의 굴절률이 가장 높고, 상기 제1 굴절층, 상기 스페이서층 순으로 굴절률이 낮은 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 굴절층은 TiO2을 포함하고,
    상기 제2 굴절층은 수소가 도핑된 비정질실리콘(a-Si:H)을 포함하며,
    상기 스페이서층은 SiO2을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 층간 소자는,
    상기 광 검출부와 상기 색분리 렌즈층 간의 물리적 거리를 가변시키는 가변 층간 소자인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    외부로부터 광이 상기 나노-포스트의 상기 제1 굴절층과 제2 굴절층을 거쳐 상기 층간 소자로 입사될 때,
    상기 제1 굴절층과 제2 굴절층의 계면에서의 제1 입사각은, 상기 제2 굴절층과 가변 층간 소자의 계면에서의 제2 입사각보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 광을 센싱하는 복수의 광 감지셀들을 구비한 광 검출부; 및
    수평 방향으로 서로 이격되어 배치된 복수의 나노-포스트들, 및 상기 나노-포스트들 사이에 배치된 스페이서층을 구비하고, 상기 광 검출부의 상부에 배치되 어 상기 광 감지셀들에 광을 집광시키는 색분리 렌즈층;을 포함하고,
    상기 나노-포스트들 각각은, 기둥 형태의 제1 굴절층과 상기 제1 굴절층의 바닥면과 측면을 둘러싸는 제2 굴절층을 포함하며,
    상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절층보다 높은 굴절률을 갖는, 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 스페이서층은 상기 제1 굴절층보다 낮은 굴절률을 가지며,
    상기 색분리 렌즈층은, 상기 광 감지셀들 중 적어도 2개의 광 감지셀들에 서로 다른 파장 스펙트럼의 광을 집광시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 광 검출부와 상기 색분리 렌즈층 사이에 배치되고, 상기 광 검출부와 상기 색분리 렌즈층 간의 광학 거리를 조절하는 가변 층간 소자를 더 포함하고,
    상기 가변 층간 소자는,
    상기 광 검출부와 상기 색분리 렌즈층 간의 물리적 거리를 가변시키는 구조를 갖거나, 또는 굴절률이 가변되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학 이미지를 형성하는 촬상부; 및
    상기 광학 이미지를 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및
    상기 촬상부와 이미지 센서를 제어하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 이미지 센서는, 복수의 광 감지셀들 중 적어도 2개의 광 감지 셀들에 서로 다른 파장 스펙트럼의 광을 집광시키는 나노-포스트들을 구비하고,
    상기 나노-포스트들 각각은, 기둥 형태의 제1 굴절층과 상기 제1 굴절층의 바닥면과 측면을 둘러싸는 제2 굴절층을 포함하며,
    상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절층보다 높은 굴절률을 갖는, 전자 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    상기 광 감지셀들을 구비한 광 검출부,
    상기 광 검출부 상에 배치되고, 투과되는 광의 광학 거리를 조절하는 가변 층간 소자, 및
    상기 가변 층간 소자 상에 서로 이격되어 배치된 상기 나노-포스트들과, 상기 나노-포스트들 사이를 채우는 스페이서층을 구비한 색분리 렌즈층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
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