KR102520573B1 - 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

다수의 광 감지 소자의 반복 단위를 포함하는 이미지 센서가 제공된다. 이미지 센서의 반복 단위는 제1 가시광을 선택적으로 감지하는 유기 광 감지 소자, 제2 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제1 광 감지 소자, 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제2 광 감지 소자, 및 상기 제2 가시광과 제3 가시광의 혼합광을 감지하는 적어도 하나 이상의 제3 광 감지 소자를 포함하는 광 감지 소자 어레이, 및 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제1 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제1 색 필터, 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제2 색 필터, 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제2 가시광과 상기 제3 가시광의 혼합광을 투과시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 제3 색 필터를 포함하는 색 필터 어레이를 포함한다.

Description

이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치{IMAGE SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
디지털 카메라, 휴대폰용 카메라, PC용 카메라, 캠코더 등에는 영상을 촬영하여 전기적 신호로 저장하는 이미지 센서가 사용되고, 이미지 센서는 입사하는 빛을 파장에 따라 분해하여 각각의 성분을 전기적 신호로 변환한다.
이미지 센서는 날이 갈수록 소형화가 요구되고 있다. 근래, 이미지 센서의 크기를 줄이기 위하여 적층 구조의 이미지 센서가 연구되고 있다.
일 구현예는 감도를 개선할 수 있는 신규한 적층 구조의 이미지 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따른 이미지 센서는 다수의 광 감지 소자의 반복 단위를 포함한다. 이미지 센서의 반복 단위는 제1 가시광을 선택적으로 감지하는 유기 광 감지 소자, 제2 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제1 광 감지 소자, 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제2 광 감지 소자, 및 상기 제2 가시광과 제3 가시광의 혼합광을 감지하는 적어도 하나 이상의 제3 광 감지 소자를 포함하는 광 감지 소자 어레이, 및 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제1 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제1 색 필터, 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제2 색 필터, 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제2 가시광과 상기 제3 가시광의 혼합광을 투과시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 제3 색 필터를 포함하는 색 필터 어레이를 포함한다.
상기 제3 색 필터는 백색 필터 또는 상기 제1 가시광의 보색 필터일 수 있다.
상기 제3 색 필터는 백색 필터일 수 있다.
상기 제3 색 필터의 개수는 상기 제1 색 필터와 제2 색 필터의 총합 개수와 동일하거나 작을 수 있다.
상기 제1 가시광은 녹색이고, 상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자의 개수는 동일할 수 있다.
상기 제3 광 감지 소자는 상기 제2 가시광의 흡수 영역으로부터 상기 제3 가시광의 흡수 영역에 연장되어 하나로 형성될 수 있다.
상기 제3 광 감지 소자는 상기 제1 가시광도 감지할 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 2 광 감지 소자의 깊이가 서로 다를 수 있다.
상기 제1 가시광은 청색 또는 적색이고, 상기 제1 광 감지 소자와 상기 2 광 감지 소자의 깊이가 서로 다를 수 있다.
상기 제3 광 감지 소자는 상기 제2 가시광의 흡수 영역으로부터 상기 제3 가시광의 흡수 영역에 연장되어 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 광 감지 소자와 상기 2 광 감지 소자의 깊이가 서로 다르고, 상기 제3 광 감지 소자는 상기 제2 가시광의 흡수 영역으로부터 상기 제3 가시광의 흡수 영역에 연장되어 하나로 형성될 수 있다.
상기 광 감지 소자 어레이가 형성된 기판의 일면에 형성된 독출 회로층과 수광층을 포함할 수 있다.
상기 광 감지 소자 어레이가 형성된 기판의 반대편에 각각 독출 회로층과 수광층을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
광 감지 소자를 2층 적층 구조로 형성함으로써 단층 구조 이미지 센서 대비 수광 면적을 2배로 향상시키거나, 단층 구조 이미지 센서와 동일한 수광 면적을 유지할 경우에는 집적도를 2배로 향상시킬 수 있다.
혼합광 광 감지 소자를 더 포함하고 혼합광 필터를 더 포함함으로써 휘도를 향상시켜 고감도 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 2 내지 도 5는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 색 필터 어레이의 다양한 예들을 보여주는 개략도들이고,
도 6은 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 7 내지 도 10은 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 색 필터 어레이의 다양한 예들을 보여주는 개략도들이고,
도 11은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 12 내지 도 15는 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 색 필터 어레이의 다양한 예들을 보여주는 개략도들이고,
도 16은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 17은 기존의 단층 구조로 베이어 패턴을 채용한 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이고,
도 18는 기존의 단층 구조로 베이어 패턴에 녹색 필터 대신 백색 필터를 채용한 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이고,
도 19는 기존의 2층 적층 구조의 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이고,
도 20은 본 발명의 일 구현예에 따른 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이고
도 21은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
이하, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예를 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 이미지 센서를 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(100)는 광 감지 소자가 2층으로 적층된 적층형 이미지 센서이다. 적층의 최소 반복 단위는 수직으로 적층된 유기 광 감지 소자(20)와 광 감지 소자 어레이(30)를 포함한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 기판(10)은 광 감지 소자 어레이(30)의 광 감지 소자(31, 33, 35)를 포함한다. 유기 광 감지 소자(20)는 가시광선 영역 중 일부인 제1 가시광선 영역의 광(이하 '제1 가시광'이라 한다)을 선택적으로 감지할 수 있는 유기 광전 변환층(21)과 유기 광전 변환층(21) 양면의 제1 전극(23)과 제2 전극(25)을 포함한다.
도 1에서는 제1 가시광으로 약 500nm 내지 600nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 녹색 광을 예시하고 있다. 제1 가시광은 상기 범위 내에서 예컨대 약 520nm 내지 580nm에서 최대 흡수 파장을 가지는 녹색 광일 수 있다.
유기 광전 변환층(21)은 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있으며, p형 반도체와 n형 반도체는 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있다. 유기 광전 변환층(21)은 제1 가시광을 선택적으로 흡수하여 엑시톤(exciton)을 형성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하고 분리된 정공은 제1 전극(23)과 제2 전극(25) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 제1 전극(23)과 제2 전극(25) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 광전 효과를 낼 수 있다.
p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 제1 가시광을 선택적으로 흡수할 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체는 각각 독립적으로 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 유기물을 포함할 수 있다.
유기 광전 변환층(21)은 단일 층일 수도 있고 복수 층일 수도 있다. 유기 광전 변환층(21)은 예컨대 진성층(intrinsic layer, I층), p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층, p형 층/n형 층 등 다양한 조합일 수 있다.
진성층(I층)은 p형 반도체와 n형 반도체가 약 1:100 내지 약 100:1의 부피비로 혼합되어 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서 약 1:50 내지 50:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:10 내지 10:1의 부피비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:1의 부피비로 포함될 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체가 상기 범위의 조성비를 가짐으로써 효과적인 엑시톤 생성 및 pn 접합 형성에 유리하다. p형 층은 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
유기 광전 변환층(21)은 약 1nm 내지 500nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 예컨대 약 5nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있고, 예컨대 약 5nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 제1 가시광을 효과적으로 흡수하고 정공과 전자를 효과적으로 분리 및 전달함으로써 광전 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
제1 전극(23)과 제2 전극(25) 중 어느 하나는 애노드이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 제1 전극(23)과 제2 전극(25)은 모두 투명 전극일 수 있으며, 투명 전극은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 옥사이드(indium zinc oxide, IZO)와 같은 투명 도전체로 만들어지거나 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 금속 박막 또는 금속 산화물이 도핑된 수 나노미터 내지 수십 나노미터 두께의 얇은 두께로 형성된 단일 층 또는 복수 층의 금속 박막일 수 있다.
유기 광전 변환층(21)은 제1 가시광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 유기 광전 변환층(21)은 제1 가시광을 선택적으로 흡수하고 제1 가시광 이외의 광은 그대로 통과시킬 수 있다.
유기 광전 변환층(21)은 이미지 센서(100)의 전면(whole surface)에 형성될 수 있다. 이에 따라 이미지 센서의 전면에서 제1 가시광을 선택적으로 흡수하고 광 면적을 늘려 높은 흡광 효율을 가질 수 있다.
유기 광전 변환층(21)에서 모아진 전하를 배출하기 위한 관통 비아(70)가 픽셀 어레이(2)의 각 화소 별(2a, 2b, 2c)로 패터닝된 제2 전극(25)에 연결되어 형성된다. 관통 비아(70)는 절연막(미도시)에 의해 둘러싸이고 그 내부를 채우는 충전 도전재(미도시)로 구성되며, 제1 절연층(50) 및 제2 절연층(60) 내에 형성되어 있다. 제1 절연층(50) 및 제2 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다.
유기 광 감지 소자(20)를 통과한 제1 가시광 이외의 광은 유기 광 감지 소자(20) 하부의 광 감지 소자 어레이(30)에 의해 광전 변환된다.
광 감지 소자 어레이(30)는 제1 가시광 이외의 제2 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제1 광 감지 소자(PD11(B), 31), 제1 가시광과 제2 가시광 이외의 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제2 광 감지 소자(PD12(R), 33) 및 제2 가시광과 제3 가시광의 혼합광을 감지하는 적어도 하나 이상의 제3 광 감지 소자(PD13(B&R), 35)를 포함한다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 광 감지 소자 어레이(30)의 광 감지 소자들(31, 33, 35)는 수직으로 중첩되지 않도록 서로 측면으로 오프셋될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광 감지 소자들(31, 33, 35)은 각각 별도의 픽셀 어레이(2)의 픽셀(2a, 2b, 2c)에 속한다. 광 감지 소자(31, 33, 35)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
제1 가시광이 녹색 광인 경우, 제2 가시광은 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 청색 광일 수 있다. 제2 가시광은 상기 범위 내에서 예컨대 약 420nm 내지 480nm에서 최대 흡수 파장을 가지는 청색 광일 수 있다.
제3 가시광은 약 600nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 적색 광일 수 있다. 제3 가시광은 상기 범위 내에서 예컨대 약 630nm 내지 680nm에서 최대 흡수 파장을 가지는 적색 광일 수 있다.
실리콘 반도체 기판(10)에 광 감지 소자(31, 33, 35)를 형성하는 경우 청색 광은 기판(10)의 상부 표면(10a)으로부터 소정 깊이(97)(약 1㎛ 깊이)에서 흡수가 발생하고, 적색 광은 소정 깊이(97)(약 6㎛ 깊이)에서 흡수가 발생한다. 따라서, 청색 광을 흡수하는 제1 광 감지 소자(31)는 반도체 기판(10)의 상면(10a)으로부터 소정 깊이(97)에서 약 1㎛ 깊이를 중심(91a)으로 형성하고, 적색 광을 흡수하는 제2 광 감지 소자(33)는 소정 깊이(97)에서 약 6㎛ 깊이를 중심(91c)으로 형성한다. 따라서, 중심(91c)는 소정 깊이(93c)와 소정 깊이(93d) 사이에 위치한다. 이와 같이 제1 광 감지 소자(31)와 제2 광 감지 소자(33)의 깊이를 달리할 경우 각 광 감지 소자에 해당하는 색의 선택성을 높일 수 있기 때문에 이미지 센서의 색 분리 특성을 향상시킬 수 있다. 혼합광을 흡수하는 제3 광 감지 소자(35)는 두께(95b)에 기초하여 청색 광 흡수 영역 깊이(93a)으로부터 적색 광 흡수 영역 깊이(93d)까지 연장되어 형성될 수 있다. 제3 광 감지 소자(35)는 청색 광 흡수 영역 깊이(93a)으로부터 적색 광 흡수 영역 깊이(93d)까지 연장되어 형성되어 있기 때문에 녹색 광까지도 흡수할 수 있다. 따라서, 유기 광 감지 소자(20)에서 충분히 흡수되지 못하고 남은 녹색 광까지도 흡수할 수 있기 때문에 이미지 센서의 감도를 증가시킬 수 있다. 특히, 저조도에서의 감도를 향상시킬 수 있다.
유기 광 감지 소자(20) 및 광 감지 소자 어레이(30)는 수광층(90)을 통해 입사된 광을 센싱하고 센싱된 정보는 독출 회로층(95)에 의해 독출될 수 있다. 도 1에 예시되어 있는 바와 같이 전면 조사형으로 이미지 센서(100)가 구성될 경우에는 유기 광 감지 소자(20)와 광 감지 소자 어레이(30)에서 센싱된 정보를 독출하기 위한 독출 회로층(95)이 제2 절연층(60) 내에 형성될 수 있다.
색 필터 어레이(40)는 필요에 따라 생략될 수 있으며, 하나 이상의 광 감지 소자(31, 33, 35)는 광의 특정 파장 스펙트럼을 감지하도록 구성될 수 있으며, 따라서 특정 광 감지 장치 색 필터 어레이(40)가 없는 경우 광의 파장 스펙트럼 (예를 들어, 적색광, 청색광, 녹색광, 혼합광 등)을 감지한다.
본 명세서에 언급된 바와 같이, "적색광" 또는 "적색 파장의 광 스펙트럼"에서의 광은 600nm~700nm의 범위에서 최대 흡수 파장(λmax)을 갖는 파장 스펙트럼을 갖는 광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 색 필터(43)는 600nm~700nm 범위에서 최대 흡수 파장(λmax)을 갖는 파장 스펙트럼을 갖는 적색광을 선택적으로 투과시키도록 구성된 적색 필터일 수 있다.
본원에서 언급되는 바와 같이, "청색광" 또는 "청색 파장 스펙트럼의 광"에서의 광은 400nm~500nm 범위에서 최대 흡수 파장(λmax)을 갖는 파장 스펙트럼을 갖는 광을 포함할 수 있다. 예를 들어, 색 필터(41)는 400nm~ 500nm 범위에서 최대 흡수 파장(λmax)을 갖는 파장 스펙트럼을 갖는 청색광을 선택적으로 투과시키도록 구성된 청색 필터일 수 있다.
본원에서 언급되는 바와 같이, "녹색광" 또는 "녹색 파장의 광 스펙트럼"에서의 광은 500nm~600nm 범위의 최대 흡수 파장(λmax)을 갖는 파장 스펙트럼을 갖는 광을 포함 할 수 있다. 예를 들어, 색 필터(45)는 약 500nm~600nm 범위의 최대 흡수 파장(λmax)을 갖는 파장 스펙트럼을 갖는 녹색광을 선택적으로 투과시키도록 구성된 녹색 필터일 수 있다.
도 1에서는 유기 광 감지 소자(20)에 의해 분리된 전자 및/또는 정공이 전자 저장소(80)에 모아진 후 독출 회로층(95)의 전송 게이트(미도시)를 거쳐 플로팅 디퓨전(미도시)으로 전송되는 방식을 예시하고 있다. 그러나, 경우에 따라서는 전송 게이트의 형성을 생략하고 관통 비아(70)가 증폭 트랜지스터의 게이트에 직접 연결되도록 형성할 수도 있다.
일 구현예에서는 청색 광 흡수를 위한 제1 광 감지 소자(31), 적색 광 흡수을 위한 제2 광 감지 소자(33) 및 혼합 광 흡수를 위한 제3 광 감지 소자(35)의 형성 깊이(depth)의 차별화를 통한 색 분리가 가능하다. 그러나, 수평으로 배치된 제1 내지 제3 광 감지 소자(31, 33, 35)의 색 분리를 색 분리를 효과적으로 달성하기 위해서는 색 필터 어레이(40)를 더 포함할 수 있다.
색 필터 어레이(40)는 유기 광 감지 소자(20)와 상기 제1 광 감지 소자(31) 사이에 위치하여 상기 제1 가시광을 선택적으로 투과하는 제1 색 필터(41), 유기 광 감지 소자(20)와 제2 광 감지 소자(33) 사이에 위치하여 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 제2 색 필터(43), 제1 가시광과 제2 가시광의 혼합광을 투과시킬 수 있는 제3 색 필터(45)를 포함한다.
색 필터 어레이(40)는 행 및 열을 따라 반복적으로 배열된 복수의 단위 색 필터 어레이(unit color filter array)를 포함하고, 단위 색 필터 어레이는 예컨대 2x2, 3x3 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있으며, 이 배열은 각각의 대응하는 광 감지 소자(31, 33, 35)의 어레이(30)와 대응된다.
도 2 내지 도 5는 색 필터 어레이(40)와 유기 광 감지 소자(20)를 나타내는 개략도들이다.
도 2는 2x2 매트릭스 형태의 색 필터 어레이(40)를 나타내며 도 3 내지 도 5는 3x3 매트릭스 형태의 색 필터 어레이(40)를 나타낸다.
도 2 내지 도 5를 참조하면 색 필터 어레이(40)에서 청색 필터(B)와 적색 필터(R)의 수는 동일하고 대칭이 되도록 배치되고 나머지 영역에 청색과 적색의 혼합광을 투과하는 백색 필터(W)가 배치될 수 있다.
백색 필터(W)는 자외선(UV)와 접하는 청색영역과 적외선(IR)과 접하는 적색영역 부분에서 스펙트럼이 제어되어 있다. 따라서 백색 필터(W)가 존재할 경우 백색 필터(W)가 없는 경우 대비 인접한 제1 광 감지 소자((PD11(B), 31) 및 제2 광 감지 소자(PD12(R), 33)의 흡수 스펙트럼과 매칭하여 이미지 신호 처리(image signal processing)를 진행하기가 용이하다.
또한 백색 필터(W)가 없을 경우 인접 청색 필터(B) 및 적색 필터(R)과의 단차가 형성되기 때문에 유기 광 감지 소자(G) 에도 단차가 생성되는 문제가 있다.
백색 필터(W)의 개수는 청색 필터(B)와 적색 필터(R)의 총합 개수와 동일하거나 작게 배치된다. 이와 같은 규칙이 지켜질 수 있다면 도 2 내지 도 5의 배치관계는 다양하게 변형될 수 있다.
백색 필터(W)는 저조도에서 감도를 향상시키는 장점이 있으나, 백색 필터(W)의 수가 많아지면 색분리 특성이 저하되는 역효과가 생성될 수 있다. 예를 들어 유기 광 감지 소자(20)에서 녹색을 선택적으로 흡수한 경우 나머지 2종의 색, 즉 청색과 적색은 하부 광 감지 소자(31, 33)에서 구분되어야 한다. 다시 말하면 색 분리 특성을 유지하기 위해서는 최소 절반 이상의 하부 광 감지 소자(31+33)은 단색을 흡수하는 광 감지 소자이어야 한다. 따라서, 백색 필터(W)의 개수는 청색 필터(B)와 적색 필터(R)의 총합 개수와 동일하거나 작게 배치함으로써 색 분리 특성은 유지하면서도 저조도에서 감도를 높이는 두가지 효과를 모두 달성할 수 있다. 청색 필터(B)는 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 청색 광을 선택적으로 투과시킬 수 있는 필터일 수 있다. 적색 필터(R)는 약 600nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 적색 광을 선택적으로 투과시킬 수 있는 필터일 수 있다.
도 2 내지 도 5에서는 백색 필터(W)를 예시하였으나, 백색 필터(W) 대신 유기 광 감지 소자(20)에서 흡수되는 녹색은 차단하고 녹색의 보색인 마젠타를 선택적으로 투과시킬 수 있는 마젠타(Mg) 필터를 사용할 수 있다.
일 구현예에 따른 이미지 센서는 유기 광 감지 소자와 광 감지 소자 어레이가 2층으로 적층된 구조로 형성함으로써 단층 구조 이미지 센서 대비 수광 면적을 2배로 향상시켜서 광 감도를 향상시키거나, 단층 구조 이미지 센서와 동일한 수광 면적을 유지할 경우에는 집적도를 2배로 향상시킬 수 있다.
또한, 혼합광 광 감지 소자를 더 포함함으로써 유기 광 감지 소자를 통과한 빛이 모두 흡수되도록 하여 감도(빛을 감지하는 민감도)를 향상시킴으로써 고감도 이미지 센서를 구현할 수 있다. 특히, 저조도 환경에서도 이미지 센서의 감도가 급격히 저하되는 것을 방지하고 고감도 특성을 구현할 수 있다.
도 6은 다른 구현예에 따라 유기 광 감지 소자(20)가 감지하는 제1 가시광이 청색 광인 경우의 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
제1 가시광이 청색 광인 경우 광 감지 소자 어레이(30)를 구성하는 제1 광 감지 소자(PD11(G), 31)는 녹색 광을 제2 광 감지 소자(PD12(R), 33)는 적색 광을 제3 광 감지 소자(PD13(G&R), 35)는 녹색과 적색의 혼합광을 감지하도록 형성된다.
녹색 광은 실리콘 반도체 기판(10)의 약 3㎛ 깊이(93e 와 93f 깊이 사이)까지 흡수가 발생하고, 적색 광은 약 6㎛ 깊이(93c와 93d 깊이 사이)까지 흡수가 발생한다. 따라서, 녹색 광을 흡수하는 제1 광 감지 소자(31)는 반도체 기판(10)의 상면으로부터 약 3㎛ 깊이(93e 와 93f 깊이 사이)까지 형성하고, 적색 광을 흡수하는 제2 광 감지 소자(33)는 약 6㎛ 깊이(93c와 93d 깊이 사이)까지 형성한다. 혼합광을 흡수하는 제3 광 감지 소자(35)는 녹색 광 흡수 영역으로부터 적색 광 흡수 영역 (제3 광 감지 소자(35)의 두께(601)에 기초한 93e와 93d 깊이)까지 연장되어 형성될 수 있다. 필요에 따라서는 혼합광을 흡수하는 제3 광 감지 소자(35)는 청색 광 흡수 영역(점선 부분)까지(즉, 93a 와 93d 사이까지) 확장되어 제1 두께(601)에서 제2 두께(603)까지 확장되어 형성될 수 있다.
색 필터 어레이(40)는 도 7 내지 도 10과 같이 2x2, 3x3 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있다.
도 7 내지 도 10을 참조하면 색 필터 어레이(40)에서 녹색 필터(G)와 적색 필터(R)의 수는 동일하거나 녹색 필터(G)의 수가 많도록 배치된다. 나머지 영역에는 녹색과 적색의 혼합광을 투과하는 백색 필터(W)가 배치될 수 있으며, 이와 같은 규칙이 지켜질 수 있다면 도 7 내지 도 10의 배치관계는 다양하게 변형될 수 있다. 혼합광을 투과하는 백색 필터(W)의 총합 개수는 나머지 단색 필터(G, R)의 총합 개수와 동일하거나 작게 배열된다.
녹색 필터(G)는 약 500nm 내지 600nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 녹색 광을 선택적으로 투과시킬 수 있는 필터일 수 있다. 적색 필터(R)는 약 600nm 초과 700nm 이하에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 적색 광을 선택적으로 투과시킬 수 있는 필터일 수 있다.
도 7 내지 도 10에서는 백색 필터(W)를 예시하였으나, 백색 필터(W) 대신 유기 광 감지 소자(20)에서 흡수되는 청색은 차단하고 청색의 보색인 옐로우를 선택적으로 투과시킬 수 있는 옐로우(Y) 필터를 사용할 수 있다.
도 11은 또 다른 구현예에 따라 유기 광 감지 소자(20)가 감지하는 제1 가시광이 적색 광인 경우의 이미지 센서를 나타내는 단면도이다.
제1 가시광이 적색 광인 경우 광 감지 소자 어레이(30)를 구성하는 제1 광 감지 소자(PD11(B), 31)는 청색 광을 제2 광 감지 소자(PD12(G), 33)는 녹색 광을 제3 광 감지 소자(PD13(B&G), 35)는 청색과 녹색의 혼합광을 감지하도록 형성된다.
청색 광을 흡수하는 제1 광 감지 소자(31)는 반도체 기판(10)의 상면(10a)으로부터 약 1㎛ 깊이(93a와 93b 사이)를 중심으로 형성하고, 녹색 광을 흡수하는 제2 광 감지 소자(33)는 약 2.5㎛ 깊이(93e와 93f 사이)를 중심으로 형성한다. 혼합광을 흡수하는 제3 광 감지 소자(35)는 청색 광 흡수 영역(93a 깊이)으로부터 녹색 광 흡수 영역(93f 깊이)까지 연장되어 형성될 수 있다. 필요에 따라서는 혼합광을 흡수하는 제3 광 감지 소자(35)는 적색 광 흡수 영역(점선 부분)(93a와 93d 깊이 사이)까지 확장되어 제1 두께(1101)에서 제2 두께(1103)까지 확장되어 형성될 수 있다.
색 필터 어레이(40)는 도 12 내지 도 15와 같이 2x2, 3x3 등의 다양한 매트릭스 배열을 가질 수 있으며, 색 필터 어레이(40)는 광 감지 소자 어레이(30)에 대응된다.
도 12 내지 도 15를 참조하면 색 필터 어레이(40)에서 청색 필터(B)와 녹색 필터(G)의 수는 동일하거나 녹색 필터(G)의 수가 많도록 배치된다. 나머지 영역에는 녹색과 적색의 혼합광을 투과하는 백색 필터(W)가 배치될 수 있으며, 이와 같은 규칙이 지켜질 수 있다면 도 12 내지 도 15의 배치관계는 다양하게 변형될 수 있다. 혼합광을 투과하는 백색 필터(W)의 총합 개수는 나머지 단색 필터(B. G)의 총합 개수와 동일하거나 작게 배열될 수 있다.
청색 필터(B)는 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 청색 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 녹색 필터(G)는 약 500nm 내지 600nm에서 최대 흡수 파장(λmax)을 가지는 녹색 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
도 12 내지 도 15에서는 백색 필터(W)를 예시하였으나, 백색 필터(W) 대신 유기 광 감지 소자(20)에서 흡수되는 적색은 차단하고 적색의 보색인 사이안(Cyan)을 선택적으로 투과시킬 수 있는 사이안(Cy) 필터를 사용할 수 있다.
도 16은 또 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 단면도이다.
도 16은 전면 조사형 이미지 센서가 예시되어 있는 도 1, 도 6 및 도 11과 달리 수광층(90)과 독출 회로 형성층(95)이 서로 기판(10)의 반대편에 형성되어 있는 후면 조사형 이미지 센서를 나타낸다.
광 감지 소자가 2층으로 적층된 적층형 이미지 센서이고, 유기 광 감지 소자(20)와 광 감지 소자 어레이(30)의 배열 및 그 사이에 개재된 색 필터 어레이(40)의 배열은 도 1 내지 도 15를 참조하여 설명한 다양한 구현예와 동일한 방식으로 구현될 수 있다.
도 17은 기존의 단층 구조로 베이어 패턴을 채용한 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이고, 도 18은 기존의 단층 구조로 베이어 패턴에 녹색 필터 대신 백색 필터를 채용한 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이고, 도 19는 기존의 2층 적층 구조의 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이고 도 20은 본 발명의 일 구현예에 따른 이미지 센서의 분광 투과율을 측정한 그래프이다.
각 그래프의 우측 상단에 색 필터 어레이를 함께 도시하였다. 각 그래프에서 R은 적색 필터에 의한 분광 투과율을, G는 녹색 필터에 의한 분광 투과율을, B는 청색 필터에 의한 분광 투과율을, W는 백색 필터에 의한 분광 투과율을 나타낸다.
도 17 내지 도 20에 도시된 그래프에 나타낸 투과율에 근거하여 상대적인 광흡수 이용효율을 계산한 결과가 아래 표 1에 기재되어 있다. 투과되는 빛이 100% 흡수 및 광전 변환된다는 가정하에 분광 투과율을 계산하고 도 17의 광 이용 효율을 1로 하여 광 이용 효율을 계산하였다.
B G(또는 W) R + W total 광 이용
효율 증가
도 17 73 237 67 376 1.00
도 18 73 385 67 525 1.39
도 19 87 473 90 651 1.73
도 20 44 473 45 159 721 1.92
표 1을 참고하면, 도 20에 예시된 본 구현예에 따른 이미지 센서는 기존의 단층 구조의 베이어 패턴 채용 이미지 센서 대비 거의 2배 이상으로 흡광 효율이 높아질 수 있음을 알 수 있다. 또한 기존의 2층 구조의 이미지 센서 대비 12% 이상으로 흡광 효율이 향상됨을 알 수 있다. 이는 백색 색 필터 및 이의 하부의 백색광을 수광할 수 있는 광 감지 소자를 구현함으로써 유기 광 감지 소자에서 흡수하고 남은 모든 빛을 흡수할 수 있도록 함으로써 감도를 향상시킬 수 있기 때문이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이다. 도 21에 도시된 구성 요소들은 도 1에 도시 된 요소들로서 공통 참조 번호들을 갖는 요소들을 포함하며, 이들에 대해서 특별히 다른 설명이 없는 한 도 1의 구성요소에 대한 설명이 적용될 수 있다.
이미지 센서는 광 감지 소자 어레이(30)가 집적된 기판(10), 유기 광 감지 소자(20) 및 색 필터 어레이(40)를 포함한다.
도 21에 도시된 바와 같이, 색 필터 어레이(40)는 색 필터 어레이(40)와 유기 광 감지 소자(20) 상에 형성될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 색 필터 어레이(40)의 색 필터(41, 43, 45)는 제2 전극의 상면과 유기 광전 변환층(21)의 상면 상에 형성될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 색 필터 어레이(40)의 하나 이상의 색 필터들(41, 43, 45)은 3개의 기본 컬러들(예., 적색, 청색, 녹색) 중 적어도 2개의 컬러들의 혼합된 광의 파장 스펙트럼을 선택적으로 전송하도록 구성될 수 있다. 색 필터들(41, 43, 45) 각각에 의해 선택적으로 투과된 광의 혼합된 파장 스펙트럼은 하나 이상의 광 감지 소자(31, 33, 35)가 선택적으로 흡수("감지")하도록 구성된 광의 파장 스펙트럼을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 21에 도시된 바와 같이, 유기 광전 변환층(21)은 가시광의 제1 파장 스펙트럼을 선택적으로 흡수하도록 구성될 수 있으며, 색 필터(41)는 가시광의 제1 파장 스펙트럼과는 다르지만 가시광의 제1 파장 스펙트럼을 포함하는 제 1 혼합 파장 스펙트럼(이하, "제 1 혼합광")을 선택적으로 통과시키도록 구성될 수 있으며, 색 필터(43)는 가시광의 제1 파장 스펙트럼 및 제1 혼합광는 다르지만 가시광의 제1 파장 스펙트럼을 포함하는 제2 혼합 파장 스펙트럼(이하 "제2 혼합광")을 선택적으로 통과시키도록 구성될 수 있다.
상기 제1 혼합광 및 상기 제2 혼합광은 각각 청색광, 녹색광 및 적색광 중에서 선택되는 적어도 2종의 혼합광이어도 된다. 예를 들어, 청색광과 녹색광의 혼합 광은 시안색광, 적색광과 녹색광의 혼합광은 황색광이고, 적색광과 청색광의 혼합광은 마젠타색 광이 될 수 있고, 적색광, 청색광 및 녹색광의 혼합광은 백색광일 수있다. 혼합광을 선택적으로 투과시키도록 구성된 색 필터는 시안색광, 황색광, 마젠타색광 또는 백색광 중 하나의 광(파장 광 스펙트럼)을 선택적으로 투과시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 21에 도시된 바와 같이, 유기 광전 변환 층(21)이 녹색광을 선택적으로 흡수( "감지")하도록 구성된 경우, 색 필터(41)는 시안 광(청색광과 녹색광의 제1 혼합광)을 선택적으로 투과시키도록 구성된 시안 광 필터일 수 있으며, 색 필터(43)은 황색 광(적색광과 녹색광의 제2 혼합광)을 선택적으로 투과시키도록 구성된 황색 광 필터일 수 있다.
색 필터(41)로부터 통과된 녹색광이 유기 광 검출기 (20)의 유기 광전 변환층(21)에 의해 흡수되면 광 감지 소자(31)는 청색광을 감지할 수 있으며, 색 필터(43)로부터 통과된 녹색광이 유기 광 감지 소자(20)의 유기 광전 변환층(21)에 의해 흡수되면 광 감지 소자(33)는 적색 광을 감지할 수 있다.
도 21에 도시된 바와 같이, 인접 픽셀들 (2) 내의 인접 색 필터들 (41, 43, 45)은 혼합된 광의 상이한 파장 스펙트럼들을 선택적으로 전송하도록 구성될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 인접 픽셀(2) 내의 인접한 광 감지 소자(31, 33, 35)는 광의 상이한 파장 스펙트럼을 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 색 필터(41)는 시안 필터(즉, 시안 광을 선택적으로 투과하도록 구성됨)일 수 있고, 색 필터(43)는 황색 필터(즉, 황색 광을 선택적으로 투과하도록 구성됨)일 수 있고, 광 감지 소자(31)는 청색광 감지 소자일 수 있고, 광 감지 소자(33)은 적색광 감지 소자일 수 있다.
따라서, 유기 광전 변환 층(21)이 한 파장의 광(예를 들어, 녹색광)의 광을 선택적으로 흡수하도록 구성되면, 색 필터 어레이(40)의 인접한 색 필터(41, 43, 45)가 한 파장의 광(녹색광)과 다른 파장의 광(적색 또는 청색)의 혼합광을 흡수하도록 구성될 수 있다.
제2 절연 층(60)이 이미지 센서의 일부 실시 예에서는 제2 절연 층(60)이 생략될 수 있다.
일부 예시적 실시예에서, 색 필터 어레이(40)는 생략될 수 있으며, 각각의 광 감지 소자(31, 33, 35)는 광의 특정 제한된 파장 스펙트럼을 선택적으로 흡수할 수 있음은 물론이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 반도체 기판 20: 유기 광 감지 소자
30: 광 감지 소자 어레이 40: 색 필터 어레이

Claims (19)

  1. 다수의 광 감지 소자의 반복 단위를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 반복 단위는
    제1 가시광을 선택적으로 감지하는 유기 광 감지 소자;
    제2 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제1 광 감지 소자, 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제2 광 감지 소자, 및 상기 제2 가시광과 제3 가시광의 혼합광을 감지하는 적어도 하나 이상의 제3 광 감지 소자를 포함하는 광 감지 소자 어레이; 및
    상기 유기 광 감지 소자와 상기 제1 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제1 색 필터, 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제2 색 필터, 상기 유기 광 감지 소자와 상기 제3 광 감지 소자 사이에 위치하여 상기 제2 가시광과 상기 제3 가시광의 혼합광을 투과시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 제3 색 필터를 포함하는 색 필터 어레이를 포함하고,
    상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자의 깊이가 서로 다르며,
    상기 제3 광 감지 소자는 상기 제2 가시광의 흡수 영역으로부터 상기 제3 가시광의 흡수 영역에 연장되어 하나로 형성된 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 색 필터는 백색 필터 또는 상기 제1 가시광의 보색 필터인 이미지 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 색 필터는 백색 필터인 이미지 센서.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 색 필터의 개수는 상기 제1 색 필터와 제2 색 필터의 총합 개수와 동일하거나 작은 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 가시광은 녹색이고,
    상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자의 개수는 동일한 이미지 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제3 광 감지 소자는 상기 제2 가시광의 흡수 영역으로부터 상기 제3 가시광의 흡수 영역에 연장되어 하나로 형성된 이미지 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제3 광 감지 소자는 상기 제1 가시광도 감지하는 이미지 센서.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자의 깊이가 서로 다른 이미지 센서.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 가시광은 청색 또는 적색이고,
    상기 제1 광 감지 소자와 상기 제2 광 감지 소자의 깊이가 서로 다른 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제3 광 감지 소자는 상기 제2 가시광의 흡수 영역으로부터 상기 제3 가시광의 흡수 영역에 연장되어 하나로 형성된 이미지 센서.
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 광 감지 소자 어레이가 형성된 기판의 일면에 형성된 독출 회로층과 수광층을 포함하는 이미지 센서.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 광 감지 소자 어레이가 형성된 기판의 반대편에 각각 독출 회로층과 수광층을 포함하는 이미지 센서.
  14. 제1 가시광을 선택적으로 감지하는 유기 광 감지 소자; 및
    제2 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제1 광 감지 소자, 제3 가시광을 선택적으로 감지하는 적어도 하나 이상의 제2 광 감지 소자, 및 상기 제2 가시광과 제3 가시광의 혼합광을 감지하는 적어도 하나 이상의 제3 광 감지 소자를 포함하는 광 감지 소자 어레이를 포함하고
    상기 적어도 하나의 제1 광 감지 소자와 상기 적어도 하나의 제2 광 감지 소자는 기판에서 서로 다른 깊이에 있고, 서로 횡방향으로 오프셋되며, 상기 적어도 하나의 제3 광 감지 소자는 상기 서로 다른 깊이 상에서 적어도 부분적으로 연장되는 이미지 센서.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제1 색 필터,
    상기 제3 가시광을 선택적으로 투과하는 적어도 하나 이상의 제2 색 필터, 및
    상기 제2 가시광과 상기 제3 가시광의 혼합광을 투과시킬 수 있는 적어도 하나 이상의 제3 색 필터를 포함하는 색 필터 어레이를 더 포함하는 이미지 센서.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 유기 광 감지 소자는 상기 색 필터 어레이와 광 감지 소자 어레이 사이에 배치된 이미지 센서.
  17. 삭제
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 제3 광 감지 소자는 상기 제2 가시광의 흡수 영역으로부터 상기 제3 가시광의 흡수 영역에 연장되어 하나로 형성된 이미지 센서.
  19. 제1항 내지 10항, 제12항 내지 제16항, 및 제18항 중 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치.


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