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KR20220107846A - 광전 변환 소자 - Google Patents

광전 변환 소자 Download PDF

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KR20220107846A
KR20220107846A KR1020210011033A KR20210011033A KR20220107846A KR 20220107846 A KR20220107846 A KR 20220107846A KR 1020210011033 A KR1020210011033 A KR 1020210011033A KR 20210011033 A KR20210011033 A KR 20210011033A KR 20220107846 A KR20220107846 A KR 20220107846A
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KR
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layer
photoelectric conversion
metal layer
semi
thickness
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Application number
KR1020210011033A
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Inventor
김기원
배병택
엄다일
이민경
임하진
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 기판, 기판 상에 배치되며 배선 구조체 및 배선 구조체를 감싸는 배선 절연층을 포함하는 배선층, 배선층 상에서 배선 구조체와 전기적으로 연결되는 반사층 및 반사층과 서로 대향하여 이격되어 미세공진기를 구성하는 반투과성 금속층, 및 반사층과 반투과성 금속층 사이에 개재되며, 광전 변환층, 투명 전극층, 및 절연 광학 스페이서로 이루어지는 적층 구조물을 포함한다.

Description

광전 변환 소자{Photoelectric conversion devices}
본 발명은 광전 변환 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 파장대의 광을 검출하기 위한 광전 변환 소자에 관한 것이다.
광전 변환 소자는 광을 전기에너지로 바꾸어 광을 검출하는 소자로, 보안, 안면 인식, 자율주행, 가상현실(Virtual Reality, VR), 증강현실(Augmented Reality, AR) 등 응용 분야가 확대됨에 따라 다양한 특정 파장대의 광을 검출하기 위한 광전 변환 소자의 개발의 필요성이 증대되고 있다. 그러나 일반적으로 광전 변환 소자에서 광을 전기에너지로 바꾸는 광전 변환층은 실리콘에 형성이 되나, 검출 가능한 파장대가 제한되며, 간접 밴드갭을 가지므로 광전환 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 특정 파장대의 광을 향상된 광전환 효율을 가지며 검출할 수 있는 광전 변환 소자를 제공하는 데에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 광전 변환 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 배선 구조체 및 상기 배선 구조체를 감싸는 배선 절연층을 포함하는 배선층; 상기 배선층 상에서, 상기 배선 구조체와 전기적으로 연결되는 반사층 및 상기 반사층과 서로 대향하여 이격되어 미세공진기를 구성하는 반투과성 금속층; 및 상기 반사층과 상기 반투과성 금속층 사이에 개재되며, 광전 변환층, 투명 전극층, 및 절연 광학 스페이서로 이루어지는 적층 구조물;을 포함한다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 복수의 픽셀 영역을 가지는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 배선 구조체 및 상기 배선 구조체를 감싸는 배선 절연층을 포함하는 배선층; 상기 배선층 상에서, 상기 배선 구조체와 전기적으로 연결되어 각각 하부 전극의 기능을 수행하며 상기 복수의 픽셀 영역에 대응되는 복수의 반사층; 상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 복수의 반사층 상에 배치되는 광전 변환층; 상기 광전 변환층을 덮으며 상부 전극의 기능을 수행하는 투명 전극층; 상기 투명 전극층을 덮는 절연 광학 스페이서; 상기 복수의 반사층과 서로 대향하여 이격되어 복수의 미세공진기를 구성하며 상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 절연 광학 스페이서를 덮는 반투과성 금속층; 상기 반투과성 금속층을 덮는 패시베이션층; 및 상기 복수의 픽셀 영역에 대응하여, 상기 패시베이션층 상에 배치되는 복수의 마이크로렌즈;를 포함한다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 복수의 픽셀 영역을 가지는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 배선 구조체 및 상기 배선 구조체를 감싸는 배선 절연층을 포함하는 배선층; 상기 배선층 상에 각각 제1 두께를 가지며, 상기 배선 구조체와 전기적으로 연결되어 각각 하부 전극의 기능을 수행하며 상기 복수의 픽셀 영역에 대응되는 복수의 반사층; 상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 복수의 반사층 상에 제2 두께를 가지며, 유기 광전 물질, 양자점 물질, 유기 페로브스카이트 물질, 및 무기 페로브스카이트 물질 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 광전 변환층; 상기 제1 두께보다 작은 제3 두께를 가지며 상기 광전 변환층을 덮고, 상부 전극의 기능을 수행하며 투명 전극층; 상기 제2 두께보다 큰 제4 두께를 가지며 상기 투명 전극층을 덮는 절연 광학 스페이서; 상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 제1 두께보다 작은 제5 두께를 가지며 상기 절연 광학 스페이서를 덮으며, 상기 복수의 반사층과 서로 대향하여 이격되어 복수의 미세공진기를 구성하는 반투과성 금속층; 상기 반투과성 금속층을 덮는 패시베이션층; 및 상기 복수의 픽셀 영역에 대응하여, 상기 패시베이션층 상에 배치되는 복수의 마이크로렌즈;를 포함한다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 복수의 미세공진기를 구성하는 복수의 반사층과 반투과성 금속층 사이에 광전 변환층, 투명 전극층, 및 절연 광학 스페이서로 이루어지는 적층 구조물을 배치하여, 상대적으로 긴 파장대의 광을 검출하는 경우에도 광전 변환층을 얇게 형성할 수 있어, 제조비용 및 공정 용이성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 복수의 반사층 상대적으로 큰 이격 거리를 가지는 반투과성 금속층 대신에, 상대적으로 작은 이격 거리를 가지는 투명 전극층이 상부 전극의 기능을 수행하므로, 전기적 특성이 개선되고 광전환 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 기판에 형성되지 않고 별도로 형성되는 광전 변환층을 포함하므로, 검출하고자 하는 파장대의 광에 적합한 유기 광전 물질, 양자점 물질, 유기 또는 무기 페로브스카이트 물질 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 광전 변환층 형성할 수 있어, 다양한 파장대의 광을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 복수의 픽셀 간에 광 간섭이 일어나는 것을 방지할 수 있는 광 차단벽을 가지므로, 광 검출 해상도가 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 절연 광학 스페이서의 두께를 픽셀에 따라서 다르게 형성하여, 다른 파장대를 가지는 광들을 검출할 수 있는 다중 스펙트럼 광전 변환 소자의 기능을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이고, 도 2b는 광전 변환 소자의 일부 구성 요소를 나타내는 평면 배치도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이고, 도 3b는 광전 변환 소자의 일부 구성 요소를 나타내는 평면 배치도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이고, 도 4b는 광전 변환 소자의 일부 구성 요소를 나타내는 평면 배치도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 리드아웃 회로도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 광전 변환 소자(1)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340), 및 반투과성 금속층(350)을 포함한다. 광전 변환 소자(1)는 복수의 픽셀이 배치되는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)을 가질 수 있다. 예를 들면, 광전 변환 소자(1)는 제1 픽셀 영역(PX1)과 제2 픽셀 영역(PX2)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 예를 들면, 벌크(bulk) 반도체 기판, 에피텍셜(epitaxial) 반도체 기판 또는 SOI(silicon on insulator) 기판 중 어느 하나일 수 있다. 기판(100)은 예를 들면, 실리콘(Si, silicon)을 포함할 수 있다. 또는 기판(100)은 저머늄(Ge, germanium)과 같은 반도체 원소, 또는 SiC (silicon carbide), GaAs(gallium arsenide), InAs (indium arsenide), 및 InP (indium phosphide)와 같은 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 기판(100)은 제1 도전형을 가지는 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(100)은 P형 실리콘 기판으로 이루어질 수 있다. 일부 실시 예에서, 기판(100)은 P형 벌크 기판과 그 위에 성장된 P형 또는 N형 에피층을 포함할 수 있다. 다른 일부 실시 예에서, 기판(100)은 N형 벌크 기판과, 그 위에 성장된 P형 또는 N형 에피층을 포함할 수 있다. 또 다른 일부 실시 예에서, 기판(100)은 유기(organic) 플라스틱 기판으로 이루어질 수 있다.
기판(100)에는 활성 영역을 정의하는 소자 분리막(110)이 형성될 수 있다. 상기 활성 영역 중 일부분에는 불순물 영역(120)에 형성될 수 있다. 일부 실시 예에서, 불순물 영역(120)은 배선 비아(220)가 연결되는 콘택 영역일 수 있다. 다른 일부 실시 예에서, 불순물 영역(120)은 플로팅 확산 영역(floating diffusion region)일 수 있다. 기판(100) 상에는 복수의 트랜지스터(TR)를 구성하는 복수의 게이트 전극(150)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 트랜지스터(TR)는 광전 변환층(120)에서 생성된 전하를 상기 플로팅 확산 영역에 전송하도록 구성되는 전송 트랜지스터, 상기 플로팅 확산 영역에 저장되어 있는 전하를 주기적으로 리셋시키도록 구성되는 리셋 트랜지스터, 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 상기 플로팅 확산 영역에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링하도록 구성되는 드라이브 트랜지스터, 및 상기 복수의 픽셀 중 적어도 하나를 선택하기 위한 스위칭 및 어드레싱 역할을 하는 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 그러나 복수의 트랜지스터(TR)가 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(100) 상에는 배선층(200)이 형성될 수 있다. 배선층(200)은 복수의 배선 패턴(210), 복수의 배선 비아(220) 및 배선 절연층(230)을 포함할 수 있다. 복수의 배선 패턴(210), 및 복수의 배선 비아(220)는, 예를 들면, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 도핑된 폴리실리콘 등을 포함할 수 있다.
복수의 배선 패턴(210) 및 복수의 배선 비아(220)의 적층 구조를 배선 구조체(MS)라 호칭할 수 있다. 배선 구조체(MS)는 기판(100)의 상기 활성 영역과 전기적으로 연결될 수 있다. 복수의 배선 비아(220)는, 복수의 배선 패턴(210) 중 서로 다른 수직 레벨에 위치하는 일부개 사이를 전기적으로 연결하거나, 복수의 배선 패턴(210) 중 일부개와 기판(100)의 상기 활성 영역 사이를 전기적으로 연결하거나, 복수의 배선 패턴(210) 중 일부개와 복수의 반사층(310) 중 적어도 하나 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
일부 실시 예에서, 복수의 배선 패턴(210) 중 적어도 하나와 복수의 배선 비아(220) 중 적어도 하나는 일체를 이루도록 함께 형성될 수 있다. 일부 실시 예에서, 복수의 배선 패턴(210) 및 복수의 배선 비아(220) 각각은 상측으로부터 하측으로 수평 폭이 좁아지며 연장되는 테이퍼드(tapered)한 형상을 가질 수 있다. 즉, 복수의 배선 패턴(210) 및 복수의 배선 비아(220)는 기판(100)로부터 멀어지면서 수평 폭이 넓어질 수 있다. 예를 들면, 복수의 배선 패턴(210)은 약 750㎛ 내지 약 2000㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 복수의 배선 패턴(210) 중 기판(100)으로부터 가장 먼 배선 패턴(210)이 가장 큰 두께를 가지고, 기판(100)에 가장 가까운 배선 패턴(210)이 가장 작은 두께를 가질 수 있다.
배선 절연층(230)은 기판(100) 상에서 복수의 배선 패턴(210) 및 복수의 배선 비아(220)의 적층 구조인 배선 구조체(MS)를 감싸도록 배치될 수 있다. 배선 절연층(230)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.
배선층(200) 상에는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)에 대응하는 복수의 반사층(310)이 형성될 수 있다. 복수의 반사층(310)은 제1 두께(T1)를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 두께(T1)는 약 1000Å 내지 약 2000Å일 수 있다.
복수의 반사층(310)은 배선 구조체(MS)를 통하여 기판(100)의 상기 활성 영역과 전기적으로 연결되어, 하부 전극의 기능을 수행할 수 있다. 복수의 반사층(310)은 상대적으로 반사율이 높은 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서, 복수의 반사층(310)은 반사율이 약 80% 이상일 수 있다.
일부 실시 예에서, 복수의 반사층(310)은 금속, 또는 도전성 금속 질화물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 복수의 반사층(310)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 이들의 합금, 은(Ag)계 산화물(Ag-O), APC 합금(Ag, Pd, Cu를 포함하는 합금), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 및 질화 티타늄(TiN) 중의 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 일부 실시 예에서, 복수의 반사층(310)은 금속, 또는 도전성 금속 질화물로 이루어지는 제1 층과 투명 도전 물질로 이루어지는 제2 층이 적층된 다층 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 투명 도전 물질은, ITO, IZO, ZnO, ATO(antimony-doped tin oxide), 또는 AZO(Al-doped zinc oxide)일 수 있다. 또 다른 일부 실시 예에서, 복수의 반사층(310)은 분산 브래그 반사기(distributed Bragg reflector, DBR)일 수 있다. 예를 들면, 복수의 반사층(310)은 mλ/4n 의 두께를 각각 가지고 저굴절률층과 고굴절률층이 교대로 적층된 복수의 층들로 구성될 수 있다. 여기에서, λ는 반사되는 광의 파장, n은 매질의 굴절률, m은 홀수이다. 상기 저굴절률층은, 예를 들어 실리콘 산화물(SiO2, 굴절률 1.4) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3, 굴절률 1.6)을 포함할 수 있고, 상기 고굴절률층은, 예를 들어, 실리콘 질화물(Si3N4, 굴절률 2.05~2.25) 티타늄 질화물(TiO2, 굴절률 2 이상), 또는 Si-H(굴절률 3 이상)를 포함할 수 있다.
복수의 반사층(310) 상에는 광전 변환층(320)이 형성될 수 있다. 광전 변환층(320)은 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)에 걸쳐서 복수의 반사층(310)을 덮으며 수평 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 즉, 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2) 각각에 배치되는 광전 변환층(320)의 부분들은 상기 복수의 픽셀을 구성할 수 있다. 광전 변환층(320)은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다.
예를 들면, 광전 변환층(320)은 유기 광전 물질, 양자점(quantum dot) 물질, 유기 페로브스카이트(perovskite) 및 무기 페로브스카이트 물질 중의 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 광전 변환층(320)은 증착 방법, 코팅 방법, 또는 프린팅 방법을 통하여 형성할 수 있다. 예를 들면, 유기 광전 물질은 BAI(bay-annulated indigo)일 수 있고, 양자점 물질은 PbS, 또는 InAs일 수 있고, 페로브스카이트 물질은 MAPbX3 (CH3NH3PbX3)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 광전 변환층(320)은 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 파장대의 광을 흡수하여 광전 변화를 일으키는 다양한 종류의 유기 광전 물질, 양자점 물질, 유기 또는 무기 페로브스카이트 물질 중의 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시 예에서, 광전 변환층(320)은 유기 광전 물질, 양자점 물질, 유기 페로브스카이트 물질 및 무기 페로브스카이트 물질 중의 적어도 어느 하나로 이루어지는 베이스 광전 변환층, 상기 베이스 광전 변환층의 하면을 덮는 전자 차단층(Electron Blocking Layer, EBL), 및 상기 베이스 광전 변환층의 상면을 덮는 홀 차단층(Hole Blocking Layer, HBL)의 적층 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 전자 차당층과 상기 홀 차단층은 AlGaN을 포함할 수 있다.
광전 변환층(320) 상에는 투명 전극층(330)이 형성될 수 있다. 투명 전극층(330)은 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)에 걸쳐서 광전 변환층(320)을 덮을 수 있다. 투명 전극층(330)은 제3 두께(T3)를 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 제3 두께(T3)는 제1 두께(T1) 및 제2 두께(T2) 각각보다 작은 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 제3 두께(T3)는 약 100Å 내지 약 300Å일 수 있다. 예를 들면, 투명 전극층(330)은 ITO, IZO, ZnO, ATO(antimony-doped tin oxide), 또는 AZO(Al-doped zinc oxide)로 이루어질 수 있다.
복수의 반사층(310) 각각과 수직 방향으로 중첩되는 광전 변환층(320)의 부분 및 투명 전극층(330)의 부분은 각 픽셀을 위한 단위 광전 소자를 구성할 수 있다. 즉, 광전 변환 소자(1)는 상기 복수의 픽셀을 위한 복수의 상기 단위 광전 소자를 포함할 수 있다. 투명 전극층(330)은 복수의 상기 단위 광전 소자의 상부 전극의 기능을 수행할 수 있고, 복수의 반사층(310)은 복수의 상기 단위 광전 소자의 하부 전극의 기능을 수행할 수 있다. 투명 전극(330)은 배선 구조체(MS)와 도전성 비아(미도시)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
투명 전극층(330) 상에는 절연 광학 스페이서(340)가 형성될 수 있다. 절연 광학 스페이서(340)는 투명 전극층(330)을 덮을 수 있다. 절연 광학 스페이서(340)는 제4 두께(T4)를 가질 수 있다. 절연 광학 스페이서(340)는 산화물, 질화물, 산질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340) 각각은 유사한 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340)로 이루어지는 적층 구조물(ST)은 제5 두께(T5)를 가질 수 있다. 제5 두께(T5)는 광전 변환층(320)은 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 광의 파장대를 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 제5 두께(T5)는 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 광이 적층 구조물(ST)을 관통하면서 파장(λ)의 약 1/4(λ/4)를 진행할 수 있는 값일 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 광이 1400㎚의 파장을 가지고 적층 구조물(ST)에 수직 방향으로 입사를 할 때, 계산의 편리성을 위하여 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340)의 굴절률을 1이라고 가정하면, 제5 두께(T5)는 1400㎚의 약 1/4인 약 3500Å일 수 있다.
따라서 절연 광학 스페이서(340)는, 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 광의 파장, 및 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340) 각각의 굴절율을 고려하여 선택된 제5 두께(T5)에서 제3 두께(T3)와 제2 두께(T2)를 뺀 값인 의 제4 두께(T4)를 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 제4 두께(T4)는 제5 두께(T5)의 약 25% 내지 약 75% 범위의 값을 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 광이 상대적으로 긴 파장을 가지는 경우, 절연 광학 스페이서(340)는 상대적으로 더 두껍게 형성할 수 있다. 다른 일부 실시 예에서, 절연 광학 스페이서(340)는 광전 변환층(320)보다 더 두껍게 형성할 수 있다. 예를 들면, 제4 두께(T4)는 제2 두께(T2)보다 큰 값을 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 제2 두께(T2)는 약 500Å 내지 약 1000Å일 수 있고, 제4 두께(T4)는 약 1500Å 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
절연 광학 스페이서(340) 상에는 반투과성 금속층(350)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350)은 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)에 걸쳐서 절연 광학 스페이서(340)를 덮을 수 있다. 반투과성 금속층(350)은 제6 두께(T6)를 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 제6 두께(T6)는 제1 두께(T1)보다 작은 값을 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 제6 두께(T6)는 제3 두께(T3)보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 제6 두께(T6)는 약 200Å 내지 약 400Å일 수 있다.
반투과성 금속층(350)은 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350)은 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 광투과율이 약 30% 내지 약 70%일 수 있다. 반대로 말하면, 반투과성 금속층(350)은 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반사율이 약 70% 내지 30%일 수 있다. 반투과성 금속층(350)의 반사율은 복수의 반사층(310)의 반사율보다 작은 값을 가질 수 있다.
반투과성 금속층(350)은 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가지도록 상대적으로 얇은 두께를 가지도록 형성된 금속 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면 반투과성 금속층(350)은 금속, 또는 도전성 금속 질화물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 이들의 합금, 은(Ag)계 산화물(Ag-O), APC 합금(Ag, Pd, Cu를 포함하는 합금), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 및 질화 티타늄(TiN) 중의 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
복수의 반사층(310) 각각과 수직 방향으로 중첩되는 반투과성 금속층(350)의 부분은 서로 대향하여 이격되어 미세공진기(microcavity)를 구성할 수 있다. 광전 변환 소자(1)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)에 대응하여, 복수의 반사층(310)과 반투과성 금속층(350)이 복수의 미세공진기를 구성할 수 있다.
광전 변환 소자(1)는 패시베이션층(360) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
반투과성 금속층(350) 상에는 패시베이션층(360)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360)은 반투과성 금속층(350)을 덮을 수 있다. 패시베이션층(360)은 예를 들면, 산화물, 질화물, 산질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 일부 실시 예에서, 패시베이션층(360)은 하프늄 산화물, 실리콘 질화물, 및 하프늄 산화물의 적층 구조로 이루어질 수 있다.
패시베이션층(360) 상에는 복수의 마이크로렌즈(370)가 배치될 수 있다. 일부 실시 예에서, 복수의 마이크로렌즈(370)는 평면적으로 매트릭스 배열 또는 벌집 배열을 가지도록 패시베이션층(360) 상에 배치될 수 있다. 복수의 마이크로렌즈(370) 각각은 광전 변환 소자(1)로 입사되는 빛을 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2) 각각에 집광시킬 수 있다. 일부 실시 예에서, 마이크로렌즈(370)는 유기물층(372) 및 유기물층(372)의 표면을 컨포멀하게 덮는 무기물층(374)으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 유기물층(372)은 TMR 계열의 수지 (Tokyo Ohka Kogyo, Co. 제품) 또는 MFR 계열의 수지 (Japan Synthetic Rubber Corporation 제품)로 이루어질 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(1)로 입사한 광(L1) 중 일부 광(L2)은 반투과성 금속층(350)에서 반사되어 광전 변환 소자(1) 외부로 방출되고, 나머지 광(L3)은 반투과성 금속층(350)을 투과하여, 적층 구조물(ST) 내로 입사될 수 있다. 적층 구조물(ST) 내로 입사된 광(L3)은 반사층(310)과 반투과성 금속층(350) 사이에서 반복적으로 반사될 수 있으며, 그 중 일부분의 광(L4)은 반투과성 금속층(350)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자(1)는, 복수의 반사층(310)과 반투과성 금속층(350)은, 적층 구조물(ST) 내로 입사된 광(L3)을 반복적으로 반사시키는 복수의 미세공진기를 구성하므로 광전환 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자(1)는, 기판(100)에 형성되지 않고, 별도로 형성되는 광전 변환층(320)을 포함하므로, 광전 변환층(320)을 광전 변환 소자(1)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 적합한 유기 광전 물질, 양자점 물질, 유기 또는 무기 페로브스카이트 물질 중의 적어도 어느 하나를 포함하도록 형성하면 다양한 파장대의 광을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자(1)는 복수의 미세공진기를 구성하는 복수의 반사층(310)과 반투과성 금속층(350) 사이에 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340)로 이루어지는 적층 구조물(ST)을 배치하여, 상대적으로 긴 파장대의 광을 검출하는 경우에도 광전 변환층(320)을 얇게 형성할 수 있어, 제조비용 및 공정 용이성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광전 변환 소자(1)는, 하부 전극의 기능을 수행하는 복수의 반사층(310)과 제5 두께(T5)에 해당하는 상대적으로 큰 이격 거리를 가지는 반투과성 금속층(350) 대신에, 제2 두께(T2)에 해당하는 상대적으로 작은 이격 거리를 가지는 투명 전극층(330)이 상부 전극의 기능을 수행하므로, 전기적 특성이 개선되고 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이고, 도 2b는 광전 변환 소자의 일부 구성 요소를 나타내는 평면 배치도이다. 도 2a 및 도 2b에서 도 1과 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(1a)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340), 및 반투과성 금속층(350a)을 포함한다. 광전 변환 소자(1a)는 패시베이션층(360a) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340) 상에는 반투과성 금속층(350a)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350a)은 절연 광학 스페이서(340)의 일부분을 덮을 수 있다. 반투과성 금속층(350a)은 제6 두께(T6)의 최대 두께를 가질 수 있다.
반투과성 금속층(350a)은 광전 변환 소자(1a)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350a)은 광전 변환 소자(1a)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 광투과율이 약 30% 내지 약 70%일 수 있다. 반투과성 금속층(350a)은 복수의 오프닝(350O)을 가질 수 있다. 복수의 오프닝(350O)은 반투과성 금속층(350a)의 상면으로부터 하면까지 연장될 수 있다. 복수의 오프닝(350O)은 반투과성 금속층(350a)을 관통하여, 복수의 오프닝(350O)의 저면에는 절연 광학 스페이서(340)가 노출될 수 있다.
복수의 오프닝(350O)은 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 오프닝(350O)은 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
반투과성 금속층(350a) 상에는 패시베이션층(360a)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360a)은 복수의 오프닝(350O)을 채우며, 절연 광학 스페이서(340)를 향하여 연장되는 복수의 연장부(360Ea)를 가질 수 있다. 패시베이션층(360a)의 복수의 연장부(360Ea) 각각은 절연 광학 스페이서(340)와 접할 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(1a)로 입사한 광(L1) 중 일부 광(L2)은 반투과성 금속층(350a)에서 반사되어 광전 변환 소자(1a) 외부로 방출되고, 나머지 광(L3)은 오프닝(350O)을 통과하거나, 반투과성 금속층(350a)을 투과하여, 적층 구조물(ST) 내로 입사될 수 있다. 적층 구조물(ST) 내로 입사된 광(L3)은 반사층(310)과 반투과성 금속층(350a) 사이에서 반복적으로 반사될 수 있으며, 그 중 일부분의 광(L4)은 반투과성 금속층(350a)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(1a)로 입사한 광(L1)은 마이크로렌즈(370)의 중심 부분의 하측에 위치하는 반투과성 금속층(350a)의 오프닝(350O)을 향하여 집속될 수 있다. 따라서 광전 변환 소자(1a)는 복수의 마이크로렌즈(370)에 대응하는 복수의 오프닝(350O)을 가지므로, 마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(1a)로 입사한 광(L1) 중 상대적으로 많은 부분이 적층 구조물(ST) 내로 입사될 수 있어, 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이고, 도 3b는 광전 변환 소자의 일부 구성 요소를 나타내는 평면 배치도이다. 도 3a 및 도 3b에서 도 1 내지 도 2b와 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(1b)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340), 및 반투과성 금속층(350b)을 포함한다. 광전 변환 소자(1b)는 패시베이션층(360b) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340) 상에는 반투과성 금속층(350b)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350b)은 절연 광학 스페이서(340)를 덮을 수 있다. 반투과성 금속층(350b)은 제6 두께(T6)의 최대 두께를 가질 수 있다.
반투과성 금속층(350b)은 광전 변환 소자(1b)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350b)은 광전 변환 소자(1b)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 광투과율이 약 30% 내지 약 90%일 수 있다. 반투과성 금속층(350b)은 복수의 리세스(350R)를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 반투과성 금속층(350a)의 저면을 향하여 연장될 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 반투과성 금속층(350b)을 관통하지 않을 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에는 절연 광학 스페이서(340)가 노출되지 않고 반투과성 금속층(350b)의 일부분이 노출될 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350b)의 일부분은 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350b)의 일부분은 제6 두께(T6)보다 작은 값의 두께를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350b)의 일부분은 반투과성 금속층(350b)의 나머지 부분보다 높은 광투과율을 가질 수 있다.
복수의 리세스(350R)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 리세스(350R)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
반투과성 금속층(350b) 상에는 패시베이션층(360b)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360b)은 복수의 리세스(350R)를 채우며, 절연 광학 스페이서(340)를 향하여 연장되는 복수의 연장부(360Eb)를 가질 수 있다. 패시베이션층(360b)의 복수의 연장부(360Eb) 각각은 절연 광학 스페이서(340)와 접하지 않고 이격될 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(1b)로 입사한 광(L1) 중 일부 광(L2)은 반투과성 금속층(350b)에서 반사되어 광전 변환 소자(1a) 외부로 방출되고, 나머지 광(L3)은 반투과성 금속층(350b)을 투과하여, 적층 구조물(ST) 내로 입사될 수 있다. 적층 구조물(ST) 내로 입사된 광(L3)은 반사층(310)과 반투과성 금속층(350b) 사이에서 반복적으로 반사될 수 있으며, 그 중 일부분의 광(L4)은 반투과성 금속층(350b)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(1b)로 입사한 광(L1)은 마이크로렌즈(370)의 중심 부분의 하측에 위치하는 반투과성 금속층(350b)의 리세스(350R)를 향하여 집속되고, 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350b)의 일부분은 상대적으로 높은 광투과율을 가지므로, 마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(1b)로 입사한 광(L1) 중 상대적으로 많은 부분이 적층 구조물(ST) 내로 입사될 수 있어, 광전 변환 소자(1b)는 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이고, 도 4b는 광전 변환 소자의 일부 구성 요소를 나타내는 평면 배치도이다. 도 4a 및 도 4b에서 도 1과 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(2)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340a), 및 반투과성 금속층(350c)을 포함한다. 적층 구조물(STa)은 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340a)로 이루어질 수 있다. 광전 변환 소자(2)는 패시베이션층(360) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a)는 트렌치(340Ra)를 가질 수 있다. 트렌치(340Ra)는 절연 광학 스페이서(340a)의 상면으로부터 하면을 향하여 내부로 연장되되, 하면가지는 연장되지 않을 수 있다. 트렌치(340Ra)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리를 따라서 연장되도록 배치될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리와 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장될 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a) 상에는 반투과성 금속층(350c)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350c)은 절연 광학 스페이서(340a)를 덮을 수 있다. 트렌치(340Ra)는 광 차단벽(350Ec)에 의하여 채워질 수 있다. 광 차단벽(350Ec)은 반투과성 금속층(350c)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 광 차단벽(350Ec)과 반투과성 금속층(350c)과 함께 형성되어 일체를 이룰 수 있으며, 광 차단벽(350Ec)은 트렌치(340Ra)를 채우는 부분이고, 반투과성 금속층(350c)은 트렌치(340Ra) 내를 제외한 절연 광학 스페이서(340a)의 상면을 덮는 부분일 수 있다. 반투과성 금속층(350c)은 광전 변환 소자(2)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 반투과성 금속층(350c)은 제6 두께(T6)를 가질 수 있다. 반투과성 금속층(350c) 및 광 차단벽(350Ec) 상에는 패시베이션층(360)이 형성될 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(2)로 입사한 광(L1) 중 일부 광(L2)은 반투과성 금속층(350c)에서 반사되어 광전 변환 소자(2) 외부로 방출되고, 나머지 광(L3)은 반투과성 금속층(350c)을 투과하여, 적층 구조물(ST) 내로 입사될 수 있다. 적층 구조물(ST) 내로 입사된 광(L3)은 반사층(310)과 반투과성 금속층(350c) 사이에서 반복적으로 반사될 수 있으며, 그 중 일부분의 광(L4)은 반투과성 금속층(350c)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다. 광 차단벽(350Ec)은 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장되므로, 하나의 픽셀 영역, 예를 들면 제1 픽셀 영역(PX1)으로 입사된 광이 다른 하나의 픽셀 영역, 예를 들면, 제2 픽셀 영역(PX2)으로 입사하는 것을 차단할 수 있다. 따라서 광 차단벽(350Ec)은 광전 변환 소자(2)가 가지는 복수의 픽셀 간에 광 간섭이 일어나는 것을 방지하여, 광전 변화 소자(2)의 광 검출 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다. 도 5에서 도 1, 도 4a 및 도 4b와 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 5를 함께 참조하면, 광전 변환 소자(2a)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340a), 및 반투과성 금속층(350d)을 포함한다. 광전 변환 소자(2a)는 패시베이션층(360) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a)는 트렌치(340Ra)를 가질 수 있다. 트렌치(340Ra)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리를 따라서 연장될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리와 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장될 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a) 상에는 반투과성 금속층(350d)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350d)은 절연 광학 스페이서(340a) 상을 컨포멀하게 덮도록 형성될 수 있다. 절연 광학 스페이서(340a)의 트렌치(340Ra)는, 트렌치(340Ra)의 내벽 및 저면을 컨포멀하게 덮는 광 차단벽(350Ed)에 의하여 일부분이 채워질 수 있다. 광 차단벽(350Ed)은 트렌치(340Ra)를 모두 채우지 않을 수 있다. 광 차단벽(350Ed)은 반투과성 금속층(350d)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 광 차단벽(350Ed)은 반투과성 금속층(350d)과 함께 형성되어 일체를 이룰 수 있으며, 광 차단벽(350Ed)은 트렌치(340Ra)의 일부분을 채우는 부분이고, 반투과성 금속층(350d)은 트렌치(340Ra) 내를 제외한 절연 광학 스페이서(340a)의 상면을 덮는 부분일 수 있다. 반투과성 금속층(350d)은 제6 두께(T6)를 가질 수 있다.
반투과성 금속층(350d)은 광전 변환 소자(2a)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350d)은 광전 변환 소자(2a)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 광투과율이 약 30% 내지 약 70%일 수 있다.
반투과성 금속층(350d) 및 광 차단벽(350Ed) 상에는 패시베이션층(360c)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360c)은 트렌치(340Ra)의 나머지 부분, 즉 광 차단벽(350Ed)에 의하여 채워지지 않은 트렌치(340Ra)의 부분을 모두 채우는 연장 매립부(360Ec)를 가질 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(2a)로 입사한 광(L1) 중 일부 광(L2)은 반투과성 금속층(350d)에서 반사되어 광전 변환 소자(2a) 외부로 방출되고, 나머지 광(L3)은 반투과성 금속층(350d)을 투과하여, 적층 구조물(ST) 내로 입사될 수 있다. 적층 구조물(ST) 내로 입사된 광(L3)은 반사층(310)과 반투과성 금속층(350d) 사이에서 반복적으로 반사될 수 있으며, 그 중 일부분의 광(L4)은 반투과성 금속층(350d)을 투과하여 외부로 방출될 수 있다. 광 차단벽(350Ed)은 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장되므로, 하나의 픽셀 영역, 예를 들면 제1 픽셀 영역(PX1)으로 입사된 광이 다른 하나의 픽셀 영역, 예를 들면, 제2 픽셀 영역(PX2)으로 입사하는 것을 차단할 수 있다. 따라서 광 차단벽(350Ed)은 광전 변환 소자(2a)가 가지는 복수의 픽셀 간에 광 간섭이 일어나는 것을 방지하여, 광전 변화 소자(2a)의 광 검출 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도들이다. 도 6a 및 도 6b에서 도 1 내지 도 5와 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 6a를 참조하면, 광전 변환 소자(3)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340a), 및 반투과성 금속층(350e)을 포함한다. 광전 변환 소자(3)는 패시베이션층(360a) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a)는 트렌치(340Ra)를 가질 수 있다. 트렌치(340Ra)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리를 따라서 연장될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리와 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장될 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a) 상에는 반투과성 금속층(350e)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350e)은 절연 광학 스페이서(340a)의 일부분을 덮을 수 있다. 트렌치(340Ra)는 광 차단벽(350Ec)에 의하여 채워질 수 있다. 반투과성 금속층(350e)은 복수의 오프닝(350O)을 가질 수 있다. 복수의 오프닝(350O)은 반투과성 금속층(350e)을 관통하여, 복수의 오프닝(350O)의 저면에는 절연 광학 스페이서(340a)가 노출될 수 있다. 복수의 오프닝(350O)은 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 오프닝(350O)은 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
반투과성 금속층(350e)은 제6 두께(T6)를 가질 수 있다. 반투과성 금속층(350e)은 광전 변환 소자(3)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350e)은 광전 변환 소자(3)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 광투과율이 약 30% 내지 약 70%일 수 있다.
반투과성 금속층(350e) 및 광 차단벽(350Ec) 상에는 패시베이션층(360a)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360a)은 복수의 오프닝(350O)을 채우며, 절연 광학 스페이서(340a)를 향하여 연장되는 복수의 연장부(360Ea)를 가질 수 있다. 패시베이션층(360a)의 복수의 연장부(360Ea) 각각은 절연 광학 스페이서(340a)와 접할 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자(3)는 광 차단벽(350Ec) 및 복수의 오프닝(350O)을 가지므로, 광 검출 해상도 및 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 광전 변환 소자(3a)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340a), 및 반투과성 금속층(350f)을 포함한다. 광전 변환 소자(3a)는 패시베이션층(360b) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a)는 트렌치(340Ra)를 가질 수 있다. 트렌치(340Ra)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리를 따라서 연장될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리와 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장될 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a) 상에는 반투과성 금속층(350f)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350f)은 절연 광학 스페이서(340a)를 덮을 수 있다. 트렌치(340Ra)는 광 차단벽(350Ec)에 의하여 채워질 수 있다. 반투과성 금속층(350f)은 복수의 리세스(350R)를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 반투과성 금속층(350f)의 저면을 향하여 연장될 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 반투과성 금속층(350f)을 관통하지 않을 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 리세스(350R)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
복수의 리세스(350R)의 저면에는 절연 광학 스페이서(340a)가 노출되지 않고 반투과성 금속층(350f)의 일부분이 노출될 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350f)의 일부분은 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350f)의 일부분은 반투과성 금속층(350f)의 나머지 부분보다 높은 광투과율을 가질 수 있다. 반투과성 금속층(350f)은 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350f)의 일부분을 제외한 나머지 부분에서 제6 두께(T6)를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350f)의 일부분은 제6 두께(T6)보다 작은 값의 두께를 가질 수 있다.
반투과성 금속층(350f) 및 광 차단벽(350Ec) 상에는 패시베이션층(360b)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360b)은 복수의 리세스(350R)를 채우며, 절연 광학 스페이서(340a)를 향하여 연장되는 복수의 연장부(360Eb)를 가질 수 있다. 패시베이션층(360b)의 복수의 연장부(360Eb) 각각은 절연 광학 스페이서(340)와 접하지 않고 이격될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자(3a)는 광 차단벽(350Ec) 및 복수의 리세스(350R)를 가지므로, 광 검출 해상도 및 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도들이다. 도 7a 및 도 7b에서 도 1 내지 도 6b와 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 7a를 참조하면, 광전 변환 소자(3b)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340a), 및 반투과성 금속층(350g)을 포함한다. 광전 변환 소자(3b)는 패시베이션층(360d) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a)는 트렌치(340Ra)를 가질 수 있다. 트렌치(340Ra)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리를 따라서 연장될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리와 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장될 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a) 상에는 반투과성 금속층(350g)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350g)은 절연 광학 스페이서(340a)의 일부분을 덮을 수 있다. 트렌치(340Ra)의 일부분은 광 차단벽(350Ed)에 의하여 채워질 수 있다. 반투과성 금속층(350g)은 복수의 오프닝(350O)을 가질 수 있다. 복수의 오프닝(350O)은 반투과성 금속층(350g)을 관통하여, 복수의 오프닝(350O)의 저면에는 절연 광학 스페이서(340a)가 노출될 수 있다. 복수의 오프닝(350O)은 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 오프닝(350O)은 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
반투과성 금속층(350g)은 제6 두께(T6)를 가질 수 있다. 반투과성 금속층(350g)은 광전 변환 소자(3b)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350g)은 광전 변환 소자(3b)에서 검출하고자 하는 파장대의 광에 대해서 광투과율이 약 30% 내지 약 70%일 수 있다.
반투과성 금속층(350g) 및 광 차단벽(350Ed) 상에는 패시베이션층(360d)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360a)은, 복수의 오프닝(350O)을 채우며 절연 광학 스페이서(340a)를 향하여 연장되는 복수의 연장부(360Ea) 및 트렌치(340Ra)의 나머지 부분, 즉 광 차단벽(350Ed)에 의하여 채워지지 않은 트렌치(340Ra)의 부분을 모두 채우는 연장 매립부(360Ec)를 가질 수 있다. 패시베이션층(360d)의 복수의 연장부(360Ea) 각각은 절연 광학 스페이서(340a)와 접할 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자(3b)는 광 차단벽(350Ed) 및 복수의 오프닝(350O)을 가지므로, 광 검출 해상도 및 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 광전 변환 소자(3c)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340a), 및 반투과성 금속층(350h)을 포함한다. 광전 변환 소자(3c)는 패시베이션층(360e) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a)는 트렌치(340Ra)를 가질 수 있다. 트렌치(340Ra)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리를 따라서 연장될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 가장자리와 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다. 트렌치(340Ra)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)의 사이를 따라서 연장될 수 있다.
절연 광학 스페이서(340a) 상에는 반투과성 금속층(350h)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350h)은 절연 광학 스페이서(340a)를 덮을 수 있다. 트렌치(340Ra)의 일부분은 광 차단벽(350Ed)에 의하여 채워 수 있다. 반투과성 금속층(350h)은 복수의 리세스(350R)를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 반투과성 금속층(350h)의 저면을 향하여 연장될 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 반투과성 금속층(350h)을 관통하지 않을 수 있다. 복수의 리세스(350R)는 평면적으로 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분에 배치될 수 있다. 즉, 복수의 리세스(350R)는 복수의 마이크로렌즈(370)의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
복수의 리세스(350R)의 저면에는 절연 광학 스페이서(340a)가 노출되지 않고 반투과성 금속층(350h)의 일부분이 노출될 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350h)의 일부분은 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350h)의 일부분은 반투과성 금속층(350h)의 나머지 부분보다 높은 광투과율을 가질 수 있다. 반투과성 금속층(350h)은 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350h)의 일부분을 제외한 나머지 부분에서 제6 두께(T6)를 가질 수 있다. 복수의 리세스(350R)의 저면에 노출되는 반투과성 금속층(350h)의 일부분은 제6 두께(T6)보다 작은 값의 두께를 가질 수 있다.
반투과성 금속층(350h) 및 광 차단벽(350Ed) 상에는 패시베이션층(360e)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360e)은 복수의 리세스(350R)를 채우며, 절연 광학 스페이서(340a)를 향하여 연장되는 복수의 연장부(360Eb) 및 트렌치(340Ra)의 나머지 부분, 즉 광 차단벽(350Ed)에 의하여 채워지지 않은 트렌치(340Ra)의 부분을 모두 채우는 연장 매립부(360Ec)를 가질 수 있다. 패시베이션층(360e)은 절연 광학 스페이서(340a)와 접하지 않고 이격될 수 있다.
본 발명에 따른 광전 변환 소자(3c)는 광 차단벽(350Ed) 및 복수의 리세스(350R)를 가지므로, 광 검출 해상도 및 광전환 효율이 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 요부를 나타내는 단면도이다. 도 8에서 도 1 내지 도 7b와 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 8을 참조하면, 광전 변환 소자(4)는 기판(100), 배선층(200), 복수의 반사층(310), 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 절연 광학 스페이서(340b), 및 반투과성 금속층(350i)을 포함한다. 적층 구조물(STb)은 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340b)로 이루어질 수 있다. 광전 변환 소자(4)는 패시베이션층(360f) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 더 포함할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340b)는 적어도 하나의 픽셀 리세스(340Rb)를 가질 수 있다. 적어도 하나의 픽셀 리세스(340Rb)는 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2) 중 적어도 하나의 픽셀 영역에 대응되도록 형성될 수 있다. 적어도 하나의 픽셀 리세스(340Rb)는, 절연 광학 스페이서(340b)가 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2) 중 적어도 하나의 픽셀 영역 전체에 걸쳐서 상대적으로 낮은 상면을 가지도록 할 수 있다. 예를 들면, 픽셀 리세스(340Rb)는 제1 픽셀 영역(PX1)에 대응되도록 형성되어, 제1 픽셀 영역(PX1)에 배치되는 절연 광학 스페이서(340b)의 부분의 상면이 제2 픽셀 영역(PX2)에 배치되는 절연 광학 스페이서(340b)의 다른 부분의 상면보다 낮은 수직 레벨에 위치하도록 할 수 있다.
절연 광학 스페이서(340b)는 적어도 하나의 픽셀 리세스(340Rb)가 형성된 부분에서는 제4 두께(T4)를 가질 수 있고, 나머지 부분에서는 제7 두께(T7)를 가질 수 있다. 제7 두께(T7)는 제4 두께(T4)보다 큰 값을 가질 수 있다. 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340b)로 이루어지는 적층 구조물(STb) 중 적어도 하나의 픽셀 리세스(340Rb)가 형성된 부분인 제1 적층 부분(STb1)에서는 제5 두께(T5)를 가질 수 있고, 나머지 부분인 제2 적층 부분(STb2)에서는 제8 두께(T8)를 가질 수 있다. 제8 두께(T8)는 제5 두께(T5)보다 큰 값을 가질 수 있다.
절연 광학 스페이서(340b) 상에는 반투과성 금속층(350i)이 형성될 수 있다. 반투과성 금속층(350i)은 절연 광학 스페이서(340b)를 덮을 수 있다. 일부 실시 예에서, 반투과성 금속층(350i)은 제1 픽셀 영역(PX1) 및 제2 픽셀 영역(PX2) 각각에서 대체로 동일한 두께인 제6 두께(T6)를 가지도록 컨포멀하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350i)은 픽셀 리세스(340Rb)의 저면 및 내측벽을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 일부 실시 예에서, 반투과성 금속층(350i)은 픽셀 리세스(340Rb)를 모두 채우지 않도록 형성될 수 있다.
반투과성 금속층(350i)은 픽셀 리세스(340Rb)의 저면, 즉 상대적으로 낮은 수직 레벨에 위치하는 상면을 덮는 제1 부분(350ia), 픽셀 리세스(340Rb) 외의 상면, 즉 상대적으로 높은 수직 레벨에 위치하는 상면을 덮는 제2 부분(350ib), 및 픽셀 리세스(340Rb)의 측면을 덮는 제3 부분(350ic)으로 이루어질 수 있다.
반투과성 금속층(350i)은 광전 변환 소자(4)에서 검출하고자 하는 파장대의 광들에 대해서 반투과성을 가질 수 있다. 예를 들면, 반투과성 금속층(350i)은 광전 변환 소자(4)에서 검출하고자 하는 파장대의 광들에 대해서 광투과율이 약 30% 내지 약 70%일 수 있다.
반투과성 금속층(350i) 상에는 패시베이션층(360f)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(360f)은 픽셀 리세스(340Rb)의 나머지 부분, 즉 반투과성 금속층(350i)에 의하여 채워지지 않은 픽셀 리세스(340Rb)의 부분을 모두 채우는 연장 매립부(360Ef)를 가질 수 있다.
마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(4)의 제1 픽셀 영역(PX1)으로 입사한 제1 광(L1a) 중 일부 광(L2a)은 픽셀 리세스(340Rb)의 저면을 덮는 반투과성 금속층(350i)의 제1 부분(350ia)에서 반사되어 광전 변환 소자(4) 외부로 방출되고, 나머지 광(L3a)은 반투과성 금속층(350i)의 제1 부분(350ia)을 투과하여, 적층 구조물(STb)의 제1 적층 부분(STb1) 내로 입사될 수 있다. 마이크로렌즈(370)를 통하여 광전 변환 소자(4)의 제2 픽셀 영역(PX2)으로 입사한 제2 광(L1b) 중 일부 광(L2b)은 반투과성 금속층(350i)의 제2 부분(350ib)에서 반사되어 광전 변환 소자(4) 외부로 방출되고, 나머지 광(L3b)은 반투과성 금속층(350i)의 제2 부분(350ib)을 투과하여, 적층 구조물(STb)의 제2 적층 부분(STb2) 내로 입사될 수 있다. 반투과성 금속층(350i)의 제3 부분(350ic)은 광전 변환 소자(4)가 가지는 복수의 픽셀 간에 광 간섭이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
제1 적층 부분(STb1)은 제5 두께(T5)를 가지고, 제2 적층 부분(STb2)은 제5 두께(T5)보다 큰 값을 가지는 제8 두께(T8)를 가지므로, 제1 광(L1a) 중 제1 적층 부분(STb1)에 입사한 나머지 광(L3a) 중 제5 두께(T5)에 대응되는 파장을 가지는 광은 제1 적층 부분(STb1)에서 공진을 일으킬 수 있고, 제2 광(L1b) 중 제2 적층 부분(STb2)에 입사한 나머지 광(L3b) 중 제8 두께(T8)에 대응되는 파장을 가지는 광은 제2 적층 부분(STb2)에서 공진을 일으킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 광전 변환 소자(4)는 광전환 효율 및 광 검출 해상도를 향상시킬 수 있으며, 다른 파장대를 가지는 광들을 검출할 수 있는 다중 스펙트럼 광전 변환 소자의 기능을 수행할 수 있다.
도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11, 도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 제조 방법을 나타내는 단면도들이다. 도 9a, 도 9b, 도 10a, 도 10b, 도 11, 도 12a 및 도 12b에서 도 1 내지 도 7b와 동일한 부재 번호는 동일한 구성 요소를 나타내며, 중복되는 내용은 생략할 수 있다.
도 9a를 참조하면, 기판(100) 상에 배선층(200) 및 복수의 반사층(310)을 순차적으로 형성하고, 복수의 반사층(310) 상에 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 절연 광학 스페이서(340)로 이루어지는 적층 구조물(ST)을 형성한다.
도 9b를 참조하면, 적층 구조물(ST)을 덮는 반투과성 금속층(350)을 형성한다. 이후 도 1에 보인 것과 같이, 패시베이션층(360) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 형성하여, 광전 변환 소자(1)를 형성할 수 있다.
도 10a를 참조하면, 도 9b에 보인 반투과성 금속층(350)의 일부분을 제거하여 저면에 절연 광학 스페이서(340)가 노출되는 복수의 오프닝(350O)을 가지는 반투과성 금속층(350a)을 형성한다. 이후, 이후 도 2a에 보인 것과 같이, 패시베이션층(360a) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 형성하여, 광전 변환 소자(1a)를 형성할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 도 9b에 보인 반투과성 금속층(350)의 일부분을 제거하여 저면에 절연 광학 스페이서(340)가 노출되지 않는 복수의 리세스(350R)를 가지는 반투과성 금속층(350b)을 형성한다. 이후, 도 3a에 보인 것과 같이, 패시베이션층(360b) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 형성하여, 광전 변환 소자(1b)를 형성할 수 있다.
도 11을 참조하면, 도 9a에 보인 절연 광학 스페이서(340)의 일부분을 제거하여 트렌치(340Ra)를 가지는 절연 광학 스페이서(340a)를 형성한다. 이후, 도 4a에 보인 것과 같이 트렌치(340Ra)를 채우는 광 차단벽(350Ec)을 가지는 반투과성 금속층(350c), 패시베이션층(360b) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 형성하여, 광전 변환 소자(2)를 형성하거나, 도 5에 보인 것과 같이 트렌치(340Ra)의 일부분을 채우는 광 차단벽(350Ed)을 가는 반투과성 금속층(350d), 트렌치(340Ra)의 나머지 부분을 모두 채우는 연장 매립부(360Ec)를 가지는 패시베이션층(360b) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 형성하여, 광전 변환 소자(2a)를 형성할 수 있다.
도 12a를 참조하면, 기판(100) 상에 배선층(200) 및 복수의 반사층(310)을 순차적으로 형성하고, 복수의 반사층(310) 상에 광전 변환층(320), 투명 전극층(330), 및 예비 절연층(340P)을 순차적으로 형성한다.
도 12a 및 도 12b를 함께 참조하면, 예비 절연층(340P)의 일부분을 제거하여 적어도 하나의 픽셀 리세스(340Rb)를 가지는 절연 광학 스페이서(340b)를 형성한다. 이후, 도 8에 보인 것과 같이 반투과성 금속층(350i), 패시베이션층(360f) 및 복수의 마이크로렌즈(370)를 형성하여, 광전 변환 소자(4)를 형성할 수 있다.
도 6a 내지 도 7b에 보인 광전 변환 소자(3, 3a, 3b, 3c) 또한 도 9a 내지 도 12를 참조하여 형성할 수 있음은 당업자에게 자명한 바, 구체적인 설명은 생략한다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예들에 따른 광전 변환 소자의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 광전 변환 소자(1100)는 픽셀 어레이(1110), 컨트롤러(1130), 로우 드라이버(1120) 및 픽셀 신호 처리부(1140)를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자(1100)는 도 1 내지 도 8에서 설명한 광전 변환 소자(1, 1a, 1b, 2, 2a, 3, 3a, 3b, 3c, 4) 중 적어도 하나를 포함한다.
픽셀 어레이(1110)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함할 수 있고, 각 단위 픽셀은 광전 변환층을 포함할 수 있다. 광전 변환층은 빛을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 수직 신호 라인을 통해서 픽셀 신호 처리부(1140)로 제공될 수 있다. 픽셀 어레이(1110)가 포함하는 단위 화소들은 로우(row) 단위로 한번에 하나씩 출력 전압을 제공할 수 있고, 이에 따라 픽셀 어레이(1110)의 하나의 로우에 속하는 단위 픽셀들은 로우 드라이버(1120)가 출력하는 선택 신호에 의해 동시에 활성화될 수 있다. 선택된 로우에 속하는 단위 픽셀들은 흡수한 빛에 따른 출력 전압을 대응하는 컬럼의 출력 라인에 제공할 수 있다.
컨트롤러(1130)는 픽셀 어레이(1110)가 빛을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 픽셀 어레이(1110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(1120)를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(1130)는 픽셀 어레이(1110)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 픽셀 신호 처리부(1140)를 제어할 수 있다.
픽셀 신호 처리부(1140)는 상관 이중 샘플러(CDS, 1142), 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 1144) 및 버퍼(1146)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(1142)는 픽셀 어레이(1110)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(1142)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(1142)는 램프 신호 생성기(1148)가 생성한 램프 신호를 입력받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터(1144)는 상관 이중 샘플러(1142)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(1146)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 신호는 순차적으로 광전 변환 소자(1100)의 외부로 출력되어 이미지 프로세서(도시 생략)로 전달될 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 14를 참조하면, 본 실시예의 광전 변환 소자(2000)는 픽셀부(2200)와 주변 회로부를 구비할 수 있다. 픽셀부(2200)는 기판(2010)에 광전 변환층을 포함하는 복수의 픽셀(2100)이 2차원 어레이 구조로 규칙적으로 배열되어 형성될 수 있다. 광전 변환 소자(2000)는 도 1 내지 도 8에서 설명한 광전 변환 소자(1, 1a, 1b, 2, 2a, 3, 3a, 3b, 3c, 4) 중 적어도 하나를 포함한다.
주변 회로부는 픽셀부(2200) 주변으로 배치되고, 수직 구동 회로(2400), 컬럼 신호처리 회로(2500), 수평 구동 회로(2600), 출력 회로(2700), 제어 회로(2800) 등을 구비할 수 있다.
제어 회로(2800)는 수직 구동 회로(2400), 컬럼 신호처리 회로(2500), 수평 구동 회로(2600) 등을 제어할 수 있다. 예컨대, 제어 회로(2800)에서는 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터 클럭을 기초로 수직 구동 회로(2400), 컬럼 신호처리 회로(2500) 및 수평 구동 회로(2600) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호들을 생성할 수 있다. 또한, 제어 회로(2800)는 상기 클록 신호나 제어 신호들을 수직 구동 회로(2400), 컬럼 신호처리 회로(2500) 및 수평 구동 회로(2600) 등에 입력할 수 있다.
수직 구동 회로(2400)는 예컨대 시프트 레지스터로 구성되고, 픽셀 구동 배선을 선택해, 선택된 픽셀 구동 배선에 픽셀을 구동하기 위한 펄스를 공급하여 행 단위로 픽셀을 구동할 수 있다. 예컨대, 수직 구동 회로(2400)는 픽셀부(2200)의 각 픽셀(2100)에 펄스를 행 단위로 수직 방향으로 순차적으로 선택 주사할 수 있다. 또한, 수직 신호선(2320)을 통해 각 픽셀(2100)의 광전 변환층에서 생성한 전하들에 따른 픽셀 신호를 컬럼 신호처리 회로(2500)에 공급하도록 할 수 있다.
컬럼 신호처리 회로(2500)는 픽셀(2100)의 열마다 배치되어 1행분의 픽셀(2100)에서 출력되는 신호를 픽셀 열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 할 수 있다. 예컨대, 컬럼 신호처리 회로(2500)는 픽셀(2100) 고유의 노이즈를 제거하기 위한 CDS(Crrelated-Double Sampling)나 신호 증폭, AD 변환 등의 신호 처리를 할 수 있다. 컬럼 신호처리 회로(2500)의 출력단에는 수평 선택 스위치(미도시)가 설치될 수 있다.
수평 구동 회로(2600)는, 예컨대, 시프트 레지스터로 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함으로써, 컬럼 신호처리 회로(2500)의 각각을 순서대로 선택하여, 컬럼 신호처리 회로(2500) 각각의 픽셀 신호를 수평 신호선(2340)에 출력시킬 수 있다.
출력 회로(2700)는 컬럼 신호처리 회로(2500) 각각에서 수평 신호선(2340)을 통해 순차적으로 공급되는 신호들에 대해 신호 처리하여 출력할 수 있다. 예컨대, 출력 회로(2700)는 버퍼링만 할 경우도 있고, 흑 레벨 조정, 열불균일 보정, 각종 디지털 신호 처리 등을 행하는 경우도 있다. 한편, 입출력 단자(2900)는 외부와 신호의 교환을 할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전 변환 소자의 리드아웃 회로도이다.
도 15를 참조하면, 복수의 픽셀(PX)은 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 3개의 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)을 포함할 수 있다. 여기서, 로직 트랜지스터들은 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 드라이브 트랜지스터(DX)(또는 소스 팔로워 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 광전 변환층(PCL) 및 플로팅 확산 영역(FD)을 더 포함할 수 있다.
복수의 픽셀(PX)은 도 1 내지 도 8에 설명한 복수의 픽셀 영역(PX1, PX2)에 대응될 수 있다. 로직 트랜지스터들(RX, SX, DX)은 도 1 내지 도 8에서 설명한 복수의 트랜지스터(TR)에 의해 구현될 수 있다. 광전 변환층(PCL)은 도 1 내지 도 8에서 설명한 광전 변환층(320)에 의해 구현될 수 있다. 광전 변환층(PCL)은 외부에서 입사된 빛의 양에 비례하여 광전하들을 생성 및 축적할 수 있다. 일부 실시 예에서 플로팅 확산 영역(FD)은 도 1 내지 도 8에서 설명한 불순물 영역(120)에 의해 구현될 수 있다.
드라이브 트랜지스터(DX)의 게이트 단자는 플로팅 확산 영역(FD)과 연결될 수 있다. 드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적되는 전하에 의해 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)로 동작할 수 있고, 플로팅 확산 영역(FD)에서의 전위 변화를 증폭하고 이를 출력 전압(VOUT)을 칼럼 라인으로 출력할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 복수의 픽셀(PX)을 선택할 수 있고, 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온될 때 전원 전압(VDD)이 드라이브 트랜지스터(DX)의 소스 전극으로 전달될 수 있다. 로우 드라이버가 입력하는 선택 제어 신호(SEL)에 의해 동작할 수 있으며, 스위칭 및 어드레싱 동작을 수행할 수 있다. 로우 드라이버로부터 선택 제어 신호(SEL)가 인가되면, 선택 트랜지스터(SX)에 연결된 칼럼 라인으로 출력 전압(VOUT)이 출력될 수 있다
리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 영역(FD)에 축적된 전하들을 주기적으로 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 플로팅 확산 영역(FD)과 연결되며, 로우 드라이버가 입력하는 리셋 제어 신호(RG)에 의해 플로팅 확산 영역(FD)의 전압을 리드아웃 전압(VRD)으로 리셋할 수 있다.
광전 변환층(PCL)과 연결되는 캐소드는 플로팅 확산 영역(FD)에 연결되고, 광전 변환층(PCL)과 연결되는 애노드는 상부 전극 전압(VT)에 연결될 수 있다. 광전 변환층(PCL)은 주 전하 캐리어로서 정공을 사용할 수 있고, 이에 따라 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 전원 전압(VDD)과 다른 리드 전압(VRD)에 연결될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
1, 1a, 1b, 2, 2a, 3, 3a, 3b, 3c, 4 : 광전 변환 소자, 100 : 기판, 200 : 배선층, 310 : 반사층, 320 : 광전 변환층, 330 : 투명 전극층, 340, 340a, 340b : 절연 광학 스페이서, 350, 350a, 350b, 350c, 350d, 350e, 350f, 350g, 350h, 350i : 반투과성 금속층, 350Ec, 350Ed : 광 차단벽, 350R : 리세스, 350O : 오프닝, 360, 360a, 360b, 360c, 360d, 360e, 360f : 패시베이션층, 370 : 마이크로렌즈

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 배선 구조체 및 상기 배선 구조체를 감싸는 배선 절연층을 포함하는 배선층;
    상기 배선층 상에서, 상기 배선 구조체와 전기적으로 연결되는 반사층 및 상기 반사층과 서로 대향하여 이격되어 미세공진기를 구성하는 반투과성 금속층;
    상기 반사층과 상기 반투과성 금속층 사이에 개재되며, 광전 변환층, 투명 전극층, 및 절연 광학 스페이서로 이루어지는 적층 구조물; 및
    상기 반투과성 금속층 상에 배치되는 마이크로렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
    을 포함하는 광전 변환 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광전 변환층의 두께는, 상기 절연 광학 스페이서의 두께보다 작은 값을 가지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반투과성 금속층은, 상기 마이크로렌즈의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치되며, 상기 반투과성 금속층의 상면으로부터 하면까지 연장되어 저면에 상기 절연 광학 스페이서가 노출되는 오프닝 또는 상기 반투과성 금속층의 상면으로부터 하면을 향하여 연장되어 저면에 상기 반투과성 금속층의 부분이 노출되는 리세스를 가지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 절연 광학 스페이서는, 평면적으로 상기 마이크로렌즈의 가장자리를 따라서 연장되도록 배치되며, 상기 절연 광학의 상면으로부터 내부로 연장되는 트렌치를 가지고,
    상기 트렌치를 채우거나, 상기 트렌치의 내벽 및 저면을 컨포멀하게 덮어 상기 트렌치의 일부분을 채우는 광 차단벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  5. 복수의 픽셀 영역을 가지는 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 배선 구조체 및 상기 배선 구조체를 감싸는 배선 절연층을 포함하는 배선층;
    상기 배선층 상에서, 상기 배선 구조체와 전기적으로 연결되어 각각 하부 전극의 기능을 수행하며 상기 복수의 픽셀 영역에 대응되는 복수의 반사층;
    상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 복수의 반사층 상에 배치되는 광전 변환층;
    상기 광전 변환층을 덮으며 상부 전극의 기능을 수행하는 투명 전극층;
    상기 투명 전극층을 덮는 절연 광학 스페이서;
    상기 복수의 반사층과 서로 대향하여 이격되어 복수의 미세공진기를 구성하며 상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 절연 광학 스페이서를 덮고, 상기 반사층의 반사율보다 작은 값의 반사율을 가지는 반투과성 금속층;
    상기 반투과성 금속층을 덮는 패시베이션층; 및
    상기 복수의 픽셀 영역에 대응하여, 상기 패시베이션층 상에 배치되는 복수의 마이크로렌즈;를 포함하는 광전 변환 소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 절연 광학 스페이서는, 상기 복수의 픽셀 영역 중 적어도 하나에 대응되는 적어도 하나의 픽셀 리세스를 가지며, 상기 적어도 하나의 픽셀 리세스는 상기 반투과성 금속층을 사이에 가지며 상기 패시베이션층에 의하여 채워지고,
    상기 반투과성 금속층은, 상기 절연 광학 스페이서를 컨포멀하게 덮으며, 상기 적어도 하나의 픽셀 리세스의 저면을 덮는 제1 부분, 상기 적어도 하나의 픽셀 리세스 외의 상면을 덮는 제2 부분, 및 상기 적어도 하나의 픽셀 리세스의 측면을 덮는 제3 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 절연 광학 스페이서는, 상기 광전 변환층의 두께보다 큰 값의 두께를 가지고,
    상기 반투과성 금속층은, 상기 반사층의 두께보다 작은 값의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 반투과성 금속층은, 상기 복수의 마이크로렌즈의 중심 부분과 수직 방향을 따라서 서로 중첩되도록 배치되며 상기 반투과성 금속층의 상면으로부터 하면을 향하여 연장되는 복수의 오프닝 또는 복수의 리세스를 가지는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 절연 광학 스페이서는, 평면적으로 상기 복수의 마이크로렌즈의 가장자리를 따라서 연장되도록 배치되며, 상기 절연 광학의 상면으로부터 내부로 연장되는 트렌치를 가지고,
    상기 트렌치의 적어도 일부를 채우며, 상기 반투과성 금속층과 동일한 물질로 일체를 이루는 광 차단벽;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자.
  10. 복수의 픽셀 영역을 가지는 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 배선 구조체 및 상기 배선 구조체를 감싸는 배선 절연층을 포함하는 배선층;
    상기 배선층 상에 각각 제1 두께를 가지며, 상기 배선 구조체와 전기적으로 연결되어 각각 하부 전극의 기능을 수행하며 상기 복수의 픽셀 영역에 대응되는 복수의 반사층;
    상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 복수의 반사층 상에 제2 두께를 가지며, 유기 광전 물질, 양자점 물질, 유기 페로브스카이트 물질, 및 무기 페로브스카이트 물질 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 광전 변환층;
    상기 제1 두께보다 작은 제3 두께를 가지며 상기 광전 변환층을 덮고, 상부 전극의 기능을 수행하며 투명 전극층;
    상기 제2 두께보다 큰 제4 두께를 가지며 상기 투명 전극층을 덮는 절연 광학 스페이서;
    상기 복수의 픽셀 영역에 걸쳐서 상기 제1 두께보다 작은 제5 두께를 가지며 상기 절연 광학 스페이서를 덮으며, 상기 복수의 반사층과 서로 대향하여 이격되어 복수의 미세공진기를 구성하는 반투과성 금속층;
    상기 반투과성 금속층을 덮는 패시베이션층; 및
    상기 복수의 픽셀 영역에 대응하여, 상기 패시베이션층 상에 배치되는 복수의 마이크로렌즈;를 포함하는 광전 변환 소자.
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