KR102261855B1 - 색분리 소자를 포함하는 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치 - Google Patents
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Abstract
색분리 소자를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치가 개시된다. 개시된 적층형 이미지 센서는 적층 구조로 배치된 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층, 및 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층 사이에 배치된 색분리 소자를 포함할 수 있다. 개시된 적층형 이미지 센서에 따르면, 제 1 광센싱층에서는 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하여 감지하고, 제 2 광센싱층에서는 색분리 소자에 의해 분리된 제 2 파장 대역의 빛과 제 2 파장 대역의 빛을 각각 감지할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 색분리 소자를 포함하는 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 관한 것으로, 색분리 소자를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 관한 것이다.
컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지하고 있다. 현재 사용되는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는, 예를 들어, 4개의 화소 중에서 2개의 화소에는 녹색 필터가 배치되고, 나머지 2개의 화소에는 청색 필터와 적색 필터가 배치되는 RGB 컬러 필터 방식을 가장 많이 채택하고 있다. 또한, RGB 컬러 필터 방식 외에도, 보색 관계에 있는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타의 컬러 필터가 4개의 화소에 각각 배치되는 CYGM 컬러 필터 방식이 채택되기도 한다.
그런데, 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다.
색분리 소자를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하여 감지하고 나머지 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 화소들을 구비하는 제 1 광센싱층; 상기 제 1 광센싱층과 대향하여 배치된 것으로, 제 2 파장 대역의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소와 제 3 파장 대역의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들을 구비하는 제 2 광센싱층; 및 상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층 사이에 배치된 것으로, 상기 제 1 광센싱층을 투과한 빛 중에서 제 2 파장 대역의 빛을 상기 제 2 화소로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 제 3 화소로 진행시키도록 구성된 다수의 색분리 소자;들을 포함할 수 있다.
상기 제 1 광센싱층의 다수의 제 1 화소들은 2차원 어레이의 형태로 배열되어 있으며, 상기 제 2 광센싱층의 다수의 제 2 및 제 3 화소들은 2차원 어레이의 형태로 서로 번갈아 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 다수의 제 1 내지 제 3 화소들은 서로 동일한 크기를 가지며, 상기 제 1 화소들의 경계면과 상기 제 2 및 제 2 화소들의 경계면이 서로 일치하도록 상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱칭이 정합하여 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 광센싱층의 제 1 화소들이 상기 제 2 광센싱층의 제 2 화소의 일부와 제 3 화소의 일부에 중첩하여 위치하도록, 상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층이 서로에 대해 상대적으로 시프트될 수 있다.
상기 제 2 광센싱층은, 제 2 화소와 제 3 화소의 순서로 다수의 제 2 화소와 제 3 화소들이 제 1 방향으로 번갈아 배열되어 있는 제 1 화소행, 및 제 3 화소와 제 2 화소의 순서로 다수의 제 3 화소와 제 2 화소들이 제 1 방향으로 번갈아 배열되어 있는 제 2 화소행을 포함할 수 있으며, 다수의 제 1 화소행과 제 2 화소행들이 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 번갈아 배열될 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 제 1 광센싱층에 구동 신호를 제공하거나 또는 상기 제 1 광센싱층으로부터 데이터 신호를 받기 위하여 상기 제 1 광센싱층으로부터 상기 제 2 광센싱층으로 연장되는 다수의 구동 신호선들을 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 구동 신호선들은 상기 다수의 색분리 소자들에 의해 분리된 빛의 주요 진행 경로로부터 벗어나도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 구동 신호선들은 다수의 색분리 소자들 사이에서 각각의 색분리 소자들의 대각선 방향으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 다수의 구동 신호선들은 상기 다수의 제 1 화소행과 제 2 화소행들 사이의 계면을 따라 배치될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제 2 광센싱층의 제 2 화소와 제 3 화소 사이에 개재된 트렌치를 더 포함하며, 상기 다수의 구동 신호선들은 상기 제 1 광센싱층으로부터 상기 제 2 화소와 제 3 화소 사이의 트렌치로 연장될 수 있다.
각각의 색분리 소자는 상기 제 2 화소와 대향하도록 상기 제 2 화소 위로 배치될 수 있으며, 제 2 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 바로 아래로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 양측면으로 진행시키도록 구성될 수 있다.
각각의 색분리 소자는 상기 제 3 화소와 대향하도록 상기 제 3 화소 위로 배치될 수 있으며, 제 3 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 바로 아래로 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 양측면으로 진행시키도록 구성될 수 있다.
각각의 색분리 소자는 상기 제 2 화소와 제 3 화소 사이의 경계면에 대향하여 배치될 수 있으며, 제 2 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 제 1 측면으로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 제 1 측면과 반대인 제 2 측면으로 진행시키도록 구성될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제 2 화소 위에 배치되어 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 2 컬러 필터 및 상기 제 3 화소 위에 배치되어 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 구비하는 컬러 필터층을 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층 사이에 배치된 투명 유전체층을 더 포함할 수 있으며, 상기 색분리 소자는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정될 수 있다.
상기 색분리 소자는 상기 투명 유전체층의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 상술한 구조를 갖는 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치가 제공될 수 있다.
개시된 실시예에 따른 적층형 이미지 센서에 따르면, 적층 구조로 배치된 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층을 포함하기 때문에, 단위 면적 당 화소의 개수를 증가시켜 이미지 센서의 해상도가 증가할 수 있다. 또한, 제 1 광센싱층에서는 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하여 감지하고 제 2 광센싱층에서는 색분리 소자에 의해 분리된 제 2 파장 대역의 빛과 제 2 파장 대역의 빛을 각각 감지하기 때문에, 제 1 내지 제 3 파장 대역의 빛을 모두 효율적으로 이용할 수 있다. 따라서, 모든 파장 대역에 대해 이미지 센서의 감도가 향상될 수 있다. 또한, 색분리 소자는 단지 2개 파장 대역의 빛만을 고려하여 설계될 수 있으므로, 색분리 소자의 설계 및 제작이 용이할 수 있다. 이러한 이미지 센서는 다양한 종류의 촬상 장치에 적용되어 우수한 품질의 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서의 제 1 광센싱층의 투과 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서의 색분리 소자의 색분리 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 이미지 센서의 제 1 광센싱층의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 이미지 센서의 제 2 광센싱층의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제 2 광센싱층을 A-A' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 이미지 센서의 제 2 광센싱층의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서의 제 1 광센싱층의 투과 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다.
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도 3은 도 1에 도시된 이미지 센서의 제 1 광센싱층의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 이미지 센서의 제 2 광센싱층의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제 2 광센싱층을 A-A' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 이미지 센서의 제 2 광센싱층의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 색분리 소자를 포함하는 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
먼저, 도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하여 감지하고 나머지 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 화소(Px1)들을 구비하는 제 1 광센싱층(140), 제 2 파장 대역의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소(Px2)와 제 3 파장 대역의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소(Px3)들을 구비하는 제 2 광센싱층(110), 및 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110) 사이에 배치된 색분리 소자(130)를 포함할 수 있다. 색분리 소자(130)는 제 1 광센싱층(140)을 투과한 빛 중에서 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 광센싱층(110)의 제 2 화소(Px2)로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 제 3 화소(Px3)로 진행시키도록 구성될 수 있다.
또한, 이미지 센서(100)는 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110) 사이에 배치된 투명 유전체층(120), 제 1 광센싱층(140)의 상부 표면와 하부 표면에 각각 배치된 제 1 투명 전극(141)과 제 2 투명 전극(142), 및 제 2 투명 전극(142) 위에 배치된 다수의 마이크로 렌즈(150)를 더 포함할 수 있다. 색분리 소자(130)는 투명 유전체층(120) 내에 매립되어 고정될 수 있다. 제 1 투명 전극(141)과 제 2 투명 전극(142)은 제 1 광센싱층(140)에 구동 전압을 인가하는 역할을 한다. 예를 들어, 제 1 투명 전극(141)과 제 2 투명 전극(142)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide) 등과 같은 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)은 적층된 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제 2 광센싱층(110)의 상부 표면 위에 투명 유전체층(120)이 배치되고, 상기 제 2 광센싱층(110)과 대향하도록 투명 유전체층(120)의 상부 표면 위에 제 1 광센싱층(140)이 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)은 서로 다른 파장 대역의 빛을 감지하도록 구성될 수 있다. 특히, 제 1 광센싱층(140)은 감지하고자 하는 제 1 파장 대역의 빛만 흡수하고 나머지 제 2 및 제 3 파장 대역의 빛은 투과하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 광센싱층(140)은 녹색 파장 대역의 빛만을 흡수하여 감지하고 적색과 청색 파장 대역의 빛을 투과시킬 수 있다. 도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서(100)의 제 1 광센싱층(140)의 투과 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 2a의 그래프를 참조하면, 제 1 광센싱층(140)은 청색 계열인 400nm 파장 대역과 적색 계열인 700nm 파장 대역의 빛을 거의 대부분 투과시키지만, 녹색 계열인 530nm 파장 대역의 빛의 대부분을 흡수할 수 있다. 이러한 특성을 갖는 제 1 광센싱층(140)은, 예를 들어, 로다민(rhodamine)계 색소, 메로시아닌(merocyanine)계 색소, 퀴나크리돈(quinacridone) 등과 같은 재료를 사용할 수 있다.
그러나, 본 실시예에서 제 1 광센싱층(140)의 흡수 파장이 반드시 녹색 파장 대역에만 한정되는 것은 아니다. 선택적으로, 제 1 광센싱층(140)은 적색 파장 대역의 빛만을 흡수하여 감지하고 청색과 녹색 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성될 수도 있으며, 또는 청색 파장 대역의 빛만을 흡수하여 감지하고 녹색과 적색 파장 대역의 빛을 투과시키도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 광센싱층(140)은 적색 파장 대역의 빛을 감지하기 위하여 프탈로시아닌(phthalocyanine)계 색소를 사용할 수 있으며, 또는 청색 파장 대역의 빛을 감지하기 위하여 쿠마린(coumarin)계 색소, 트리스-8-히드록시퀴놀린 Al(tris-8-hydroxyquinolines Al; Alq3), 메로시아닌(merocyanine)계 색소 등의 재료를 사용할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상, 제 1 광센싱층(140)이 녹색 파장 대역의 빛만을 흡수하여 감지하고 적색과 청색 파장 대역의 빛을 투과시키는 것으로 설명한다.
상술한 바와 같이, 이미지 센서(100)에 입사하는 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛은 제 1 광센싱층(140)에 의해 흡수되므로, 제 2 및 제 3 파장 대역의 빛만이 제 1 광센싱층(140)을 투과할 수 있다. 제 1 광센싱층(140)을 투과한 제 2 및 제 3 파장 대역의 빛은 투명 유전체층(120)에 입사한 후, 색분리 소자(130)에 의해 서로 분리될 수 있다. 색분리 소자(130)는 제 2 광센싱층(110)의 광 입사측에 배치되어 서로 다른 파장의 빛이 서로 다른 화소에 입사하도록 입사광을 파장에 따라 각각 분리하는 역할을 한다. 이러한 색분리 소자(130)는 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꿈으로써 색을 분리할 수 있다. 이를 위하여, 색분리 소자(130)는 주변의 투명 유전체층(120)보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 투명 유전체층(120)은 SiO2나 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass)로 이루어질 수 있으며, 색분리 소자(130)는 TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같은 고굴절률 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 색분리 소자(130)는 예를 들어, 투명한 대칭 또는 비대칭 구조의 막대 형태, 또는 경사면을 갖는 프리즘 형태 등과 같은 매우 다양한 형태가 공지되어 있으며, 출사광의 소망하는 스펙트럼 분포에 따라 다양한 설계가 가능하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 색분리 소자(130)는 입사광을 제 2 파장 대역의 빛(C2)과 제 3 파장 대역의 빛(C3)으로 분리할 수 있다. 색분리 소자(130)는 예를 들어, 입사광 중에서 제 2 파장 대역의 빛(C2)의 진행 방향을 바꾸지 않고, 제 3 파장 대역의 빛(C3)의 진행 방향을 양측으로 비스듬하게 바꾸도록 설계될 수 있다. 그러면, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 색분리 소자(130)의 바로 아래에 있는 제 2 화소(Px2)에 입사할 수 있으며, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 색분리 소자(130)의 양측에 있는 제 3 화소(Px3)에 각각 입사할 수 있다. 따라서, 색분리 소자(130)의 바로 아래에 있는 제 2 화소(Px2)는 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 감지할 수 있으며, 색분리 소자(130)의 양측에 있는 제 3 화소(Px3)는 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 감지할 수 있다.
예컨대, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 청색광이고 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 적색광일 수 있다. 도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서(100)의 색분리 소자(130)의 색분리 스펙트럼을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 색분리 소자(130)는 청색 파장 대역의 빛을 색분리 소자(130)의 바로 아래 방향으로 보내고 적색 파장 대역의 빛을 좌측과 우측 방향으로 보냄으로써 청색 파장 대역의 빛과 적색 파장 대역의 빛을 분리할 수 있다. 그러면, 제 1 광센싱층(140)은 녹색광을 흡수하여 감지하고, 제 2 광센싱층(110)은 제 1 광센싱층(140)을 투과한 청색광과 적색광을 각각 감지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제 1 광센싱층(140)의 제 1 화소(Px1)들과 제 2 광센싱층(110)의 제 2 및 제 3 화소(Px2, Px3)들은 서로 동일한 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3은 이미지 센서(100)의 제 1 광센싱층(140)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 4는 이미지 센서(100)의 제 2 광센싱층(110)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제 1 광센싱층(140)은 2차원 어레의 형태로 배열된 다수의 제 1 화소(Px1)들을 포함하며, 제 2 광센싱층(110)은 2차원 어레이의 형태로 배열된 다수의 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3)들을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 광센싱층(140)의 제 1 화소(Px1)들은 제 2 광센싱층(110)의 제 2 및 제 3 화소(Px2, Px3)들과 경계면이 서로 일치하도록 정합하여 배치될 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 제 2 광센싱층(110)의 다수의 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3)들은 가로 방향과 세로 방향으로 서로 번갈아 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 2 광센싱층(110)은 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3)의 순서로 다수의 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3)들이 가로 방향으로 번갈아 배열되어 있는 제 1 화소행(P1), 및 제 3 화소(Px3)와 제 2 화소(Px2)의 순서로 다수의 제 3 화소(Px3)와 제 2 화소(Px2)들이 번갈아 배열되어 있는 제 2 화소행(P2)을 포함할 수 있다. 그리고, 다수의 제 1 화소행(P1)들과 다수의 제 2 화소행(P2)들이 세로 방향으로 번갈아 배치될 수 있다. 색분리 소자(130)는 제 2 화소(Px2)와 대향하도록 배치될 수 있다. 따라서, 색분리 소자(130)는 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 제 2 화소(Px2)에 제공하며, 색분리 소자(130)의 좌측과 우측에 각각 배치된 제 3 화소(Px3)에 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 제공할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 이미지 센서(100)는 제 1 광센싱층(140)에 구동 신호를 제공하거나 또는 제 1 광센싱층(140)으로부터 데이터 신호를 받기 위한 구동 신호선(115)을 더 포함할 수 있다. 도 1의 단면도에는 도시되지 않았지만, 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)의 구동을 제어하고 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)으로부터 데이터를 받아 처리하는 구동 회로는 제 2 광센싱층(110)의 하부에 배치될 수 있다. 따라서, 제 2 광센싱층(110)의 하부에 배치된 구동 회로와 제 1 광센싱층(140)을 연결하기 위하여 제 2 광센싱층(110)과 투명 유전체층(120)을 관통하는 구동 신호선(115)이 더 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 5는 도 4에 도시된 제 2 광센싱층(110)을 A-A' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다. 도 5의 단면도를 참조하면, 구동 신호선(115)은 제 2 광센싱층(110)의 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3) 사이로부터 투명 유전체층(120)을 지나서 제 1 광센싱층(140)까지 연장될 수 있다. 통상적으로, 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3)들 사이에는 서로를 분리하기 위한 트렌치가 배치되어 있는데, 구동 신호선(115)은 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3)들 사이의 트렌치에 위치할 수 있다. 그리고, 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3) 사이에서 구동 신호선(115)의 주위에는 절연막(116)이 더 배치될 수 있다.
그런데, 구동 신호선(115)의 위치에 따라서는, 색분리 소자(130)의 좌측과 우측으로 각각 진행하는 제 3 파장 대역의 빛(C3)이 구동 신호선(115)에 의해 간섭되거나 차단되거나 또는 진로가 변경될 수도 있다. 이를 방지하기 위하여, 구동 신호선(115)은 색분리 소자(130)에 의해 분리된 빛의 진행을 방해하지 않도록 위치할 수 있다. 즉, 구동 신호선(115)은 색분리 소자(130)에 의해 분리된 빛의 주요 진행 경로로부터 벗어나서 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 구동 신호선(115)들은 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3)의 꼭지점들에 각각 위치할 수 있다. 즉, 다수의 색분리 소자(130)들 사이에서 각각의 색분리 소자(130)들의 대각선 방향으로 다수의 구동 신호선(115)들이 배치될 수 있다. 그러나, 구동 신호선(115)의 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 색분리 소자(130)에 의해 분리된 빛의 진행을 방해하지 않는다면 어느 곳에도 구동 신호선(115)이 위치할 수 있다. 예컨대, 색분리 소자(130)에 의해 분리된 빛이 색분리 소자(130)의 좌우측면으로 각각 진행한다면, 구동 신호선(115)은 가로 방향으로 연장된 제 1 화소행(P1)과 제 2 화소행(P2) 사이의 계면을 따라 어느 곳에도 위치할 수 있다.
상술한 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)에 따르면, 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)이 적층 구조로 배치되어 있기 때문에, 단위 면적 당 화소의 개수가 증가할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(100)의 해상도가 향상될 수 있다. 또한, 제 1 광센싱층(140)에서는 제 1 파장 대역의 빛을 대부분 흡수하여 감지하고, 제 2 광센싱층(110)에서는 색분리 소자(130)에 의해 분리된 제 2 파장 대역의 빛과 제 2 파장 대역의 빛을 거의 손실 없이 감지하기 때문에, 제 1 내지 제 3 파장 대역의 빛을 모두 효율적으로 이용할 수 있다. 따라서, 모든 파장 대역에 대해 이미지 센서(100)의 감도가 향상될 수 있다. 또한, 색분리 소자(130)는 단지 2개 파장 대역의 빛만을 분리하도록 설계될 수 있으므로, 색분리 소자(130)의 설계 및 제작이 용이할 수 있다. 이러한 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 다양한 종류의 촬상 장치에 적용되어 우수한 품질의 영상을 제공할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 5에 도시된 이미지 센서(100)의 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)의 구조 및 색분리 소자(130)의 특성은 단지 하나의 예일 뿐이며, 도 1 내지 도 5에 도시된 구조 외에도 다양한 형태로 이미지 센서가 구현될 수 있다. 예를 들어, 색분리 소자(130)의 설계에 따라 색 분리 특성이 다양하게 선택될 수 있으며, 이에 따라 제 2 광센싱층(110)의 구조도 역시 다양하게 선택될 수 있다. 또한, 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)의 배치 관계도 역시 다양하게 선택될 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(200)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이며, 도 7은 도 6에 도시된 이미지 센서(200)의 제 2 광센싱층(100)의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 1에 도시된 이미지 센서(100)와 비교할 때, 도 6에 도시된 이미지 센서(200)의 제 1 광센싱층(140)과 제 2 광센싱층(110)은 서로에 대해 상대적으로 시프트되어 있다. 예를 들어, 제 1 광센싱층(140)은 제 2 광센싱층(110)에 대해 화소 폭의 1/2만큼 시프트될 수 있다. 따라서, 제 1 광센싱층(140)의 제 1 화소(Px1)들은 제 2 광센싱층(110)의 제 2 화소(Px1)와 제 3 화소(Px3)의 중간 부분에 걸치도록 배치될 수 있다. 도 7의 평면도를 참조하면, 제 2 광센싱층(110)의 화소 구조는 도 4에 도시된 것과 같지만, 점선으로 표시한 바와 같이, 제 1 광센싱층(140)의 제 1 화소(Px1)들이 제 2 화소(Px1)의 일부와 제 3 화소(Px3)의 일부에 중첩하도록 위치할 수 있다. 이러한 중첩 부분의 색 정보를 분석함으로써 이미지 센서(200)의 해상도를 보다 향상시킬 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(300)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1에 도시된 이미지 센서(100)의 경우, 색분리 소자(130)는 제 2 화소(Px2)에 대향하여 위치하며 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 좌우측으로 진행시키도록 구성된다. 반면, 도 8에 도시된 이미지 센서(300)는 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 바로 아래로 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 좌우측으로 진행시키도록 구성된 색분리 소자(131)를 포함할 수 있다. 이 경우, 색분리 소자(131)는 제 3 화소(Px3)의 바로 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 색분리 소자(131)는 적색 파장 대역의 빛을 색분리 소자(131)의 바로 아래 방향으로(즉, 제 3 화소(Px3)로) 진행시키고, 청색 파장 대역의 빛을 좌측과 우측 방향으로(즉, 제 2 화소(Px2)로) 진행시킬 수 있다. 이미지 센서(300)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 이미지 센서(100)와 동일할 수 있다. 또한, 도 6 및 도 7에 도시된 이미지 센서(200)에도 도 8에 도시된 색분리 소자(131)가 적용될 수도 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(400)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 9에 도시된 이미지 센서(400)는 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 좌측 방향으로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛(C3)을 우측 방향으로 진행시키도록 구성된 색분리 소자(132)를 포함할 수 있다. 이 경우, 색분리 소자(132)는 제 2 화소(Px2)와 제 3 화소(Px3) 사이의 경계면에 대향하여 배치될 수 있다. 따라서, 색분리 소자(132)에 의해 분리된 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 색분리 소자(132)의 좌측에 배치된 제 2 화소(Px2)에 입사할 수 있으며, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 색분리 소자(132)의 우측에 배치된 제 3 화소(Px3)에 입사할 수 있다. 도 9에 도시된 이미지 센서(400)의 나머지 구성은 도 1에 도시된 이미지 센서(100)와 동일할 수 있다. 또한, 도 6 및 도 7에 도시된 이미지 센서(200)에도 도 9에 도시된 색분리 소자(132)가 적용될 수도 있다.
그 밖에도 다양한 특성을 갖는 색분리 소자들이 사용될 수 있으며, 색분리 소자들의 색분리 특성에 따라 제 1 광센싱층(140) 또는 제 2 광센싱층(110)의 화소 배열이 달라질 수 있다.
한편, 색분리 소자(130, 131, 132)와 제 2 광센싱층(110) 사이의 거리는 수 마이크로미터 이하일 수 있으며, 또는 1 마이크로미터 이하일 수도 있다. 이렇게 색분리 소자(130, 131, 132)와 제 2 광센싱층(110) 사이의 거리가 짧기 때문에, 경우에 따라서는 완전한 색분리가 어려울 수도 있다. 따라서, 혼색의 가능성을 줄이고 색재현성을 보다 향상시키기 위하여 컬러 필터를 부가적으로 사용할 수도 있다.
예를 들어, 도 10 내지 도 12는 컬러 필터를 더 사용한 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(100a, 300a, 400a)들의 구조를 각각 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 10에 도시된 이미지 센서(100a)는 도 1에 도시된 이미지 센서(100)에 컬러 필터층(160)을 더 추가한 것이고, 도 11에 도시된 이미지 센서(300a)는 도 8에 도시된 이미지 센서(300)에 컬러 필터층(160)을 더 추가한 것이며, 도 12에 도시된 이미지 센서(400a)는 도 9에 도시된 이미지 센서(400)에 컬러 필터층(160)을 더 추가한 것이다. 컬러 필터층(160)은 제 2 광센싱층(110)의 상부 표면 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 컬러 필터층(160)은 제 2 화소(Px2) 위에 배치되어 제 2 파장 대역의 빛(C2)만을 투과시키는 제 2 컬러 필터(CF2) 및 제 3 화소(Px3) 위에 배치되어 제 3 파장 대역의 빛(C3)만을 투과시키는 제 3 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다. 이러한 컬러 필터층(160)을 사용하더라도, 색분리 소자(130, 131, 132)에 의해 상당 부분 색분리된 빛(C2, C3)이 각각의 컬러 필터(CF2, CF3)에 입사하므로, 컬러 필터층(160)에 의한 광 손실은 크지 않다. 따라서, 도 10 내지 도 12에 도시된 이미지 센서(100a, 300a, 400a)들은 우수한 광 이용 효율과 우수한 색재현성을 동시에 달성할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 색분리 소자를 포함하는 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 100a, 200, 300, 300a, 400, 400a.....이미지 센서
110.....제 2 광센싱층 115.....구동 신호선
116.....절연막 120.....투명 유전체층
130, 131, 132.....색분리 소자 140.....제 1 광센싱층
141, 142.....전극 150.....마이크로 렌즈
160.....컬러 필터층
110.....제 2 광센싱층 115.....구동 신호선
116.....절연막 120.....투명 유전체층
130, 131, 132.....색분리 소자 140.....제 1 광센싱층
141, 142.....전극 150.....마이크로 렌즈
160.....컬러 필터층
Claims (17)
- 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하여 감지하고 나머지 파장 대역의 빛을 투과시키는 다수의 제 1 화소들을 구비하는 제 1 광센싱층;
상기 제 1 광센싱층과 대향하여 배치된 것으로, 제 1 파장과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소와 제 1 파장 및 제 2 파장과 상이한 제 3 파장 대역의 빛을 감지하는 다수의 제 3 화소들을 구비하는 제 2 광센싱층;
상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층 사이에 배치된 것으로, 상기 제 1 광센싱층을 투과한 빛 중에서 제 2 파장과 제 3 파장만을 서로 분리시켜 제 2 파장 대역의 빛을 상기 제 2 화소로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 제 3 화소로 진행시키도록 구성된 다수의 색분리 소자; 및
상기 제 1 광센싱층에 구동 신호를 제공하거나 또는 상기 제 1 광센싱층으로부터 데이터 신호를 받기 위하여 상기 제 1 광센싱층으로부터 상기 제 2 광센싱층으로 연장되는 다수의 구동 신호선;들을 포함하며,
상기 다수의 구동 신호선들은 상기 다수의 색분리 소자들에 의해 분리된 빛의 주요 진행 경로로부터 벗어나도록 다수의 색분리 소자들 사이에서 각각의 색분리 소자들의 대각선 방향으로 배치되어 있는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광센싱층의 다수의 제 1 화소들은 2차원 어레이의 형태로 배열되어 있으며, 상기 제 2 광센싱층의 다수의 제 2 및 제 3 화소들은 2차원 어레이의 형태로 서로 번갈아 배치되어 있는 이미지 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 다수의 제 1 내지 제 3 화소들은 서로 동일한 크기를 가지며, 상기 제 1 화소들의 경계면과 상기 제 2 및 제 2 화소들의 경계면이 서로 일치하도록 상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱칭이 정합하여 배치되어 있는 이미지 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광센싱층의 제 1 화소들이 상기 제 2 광센싱층의 제 2 화소의 일부와 제 3 화소의 일부에 중첩하여 위치하도록, 상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층이 서로에 대해 상대적으로 시프트되어 있는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 광센싱층은, 제 2 화소와 제 3 화소의 순서로 다수의 제 2 화소와 제 3 화소들이 제 1 방향으로 번갈아 배열되어 있는 제 1 화소행, 및 제 3 화소와 제 2 화소의 순서로 다수의 제 3 화소와 제 2 화소들이 제 1 방향으로 번갈아 배열되어 있는 제 2 화소행을 포함하며, 다수의 제 1 화소행과 제 2 화소행들이 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 번갈아 배열되어 있는 이미지 센서. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 다수의 구동 신호선들은 상기 다수의 제 1 화소행과 제 2 화소행들 사이의 계면을 따라 배치되어 있는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 광센싱층의 제 2 화소와 제 3 화소 사이에 개재된 트렌치를 더 포함하며, 상기 다수의 구동 신호선들은 상기 제 1 광센싱층으로부터 상기 제 2 화소와 제 3 화소 사이의 트렌치로 연장되는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
각각의 색분리 소자는 상기 제 2 화소와 대향하도록 상기 제 2 화소 위로 배치되어 있으며, 제 2 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 바로 아래로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 양측면으로 진행시키도록 구성된 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
각각의 색분리 소자는 상기 제 3 화소와 대향하도록 상기 제 3 화소 위로 배치되어 있으며, 제 3 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 바로 아래로 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 양측면으로 진행시키도록 구성된 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
각각의 색분리 소자는 상기 제 2 화소와 제 3 화소 사이의 경계면에 대향하여 배치되어 있으며, 제 2 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 제 1 측면으로 진행시키고 제 3 파장 대역의 빛을 상기 색분리 소자의 제 1 측면과 반대인 제 2 측면으로 진행시키도록 구성된 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 화소 위에 배치되어 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 2 컬러 필터 및 상기 제 3 화소 위에 배치되어 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 구비하는 컬러 필터층을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광센싱층과 제 2 광센싱층 사이에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 소자는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 고정되는 이미지 센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 색분리 소자는 상기 투명 유전체층의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어지는 이미지 센서. - 제 1 항 내지 제 5 항, 제 9 항 내지 제 16 항 중에서 어느 한 항에 따른 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치.
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