KR101861650B1

KR101861650B1 - 이미지 센서, 이를 포함하는 전자 시스템 및 그 이미지 센싱 방법

Info

Publication number: KR101861650B1
Application number: KR1020110105638A
Authority: KR
Inventors: 설상철; 고토 히로시게; 이경호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: KR20130041418A; US20130093911A1; US8953073B2; US9148599B2; US20150156437A1

Abstract

이미지 센서 및 이미지 센싱 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판, 상기 기판 위에 형성되고 서로 이격되어 마련되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 바이어싱부 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 형성되어, 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 유기 광전변환층을 포함하는 광전변환부, 상기 제2전극과 접촉되어 상기 광전변환부와 상기 기판을 연결하는 비아(via), 광전변환된 전자들을 저장하는 저장노드(Storage Node), 상기 기판 내에 형성되어 상기 저장노드로부터 전송되는 전하들을 이미지 신호로 변환하는 리드아웃부 및 상기 광전변환부와 상기 기판 사이에 마련되는 중간절연층을 각각 포함하는 복수의 단위픽셀로 이루어진 픽셀 어레이와 상기 픽셀 어레이로부터 상기 이미지 신호를 리드아웃하는 출력 회로를 포함하여, 상기 바이어싱부의 바이어스 변화로 인하여 상기 유기 광전변환층의 수광량을 조절할 수 있다.

Description

이미지 센서, 이를 포함하는 전자 시스템 및 그 이미지 센싱 방법{IMAGE SENSOR, ELECTRONIC SYSTEM INCLUDING THE SAME AND METHOD OF THE SAME}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적인 셔터 없이 글로벌 셔터로 동작할 수 있는 픽셀 회로 어레이를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.

씨모스 이미지 센서(CMOS Image Sensor)란 휴대폰 카메라, 디지털 스틸 카메라 등에 장착되어, 시야에 전개되는 영상을 디스플레이 장치를 통하여 영상화면으로 변환하는 장치를 말한다.

구체적으로 CMOS이미지 센서는 시야에서 전개되는 영상을 광전 소자를 이용하여 전기적 신호로 변환하고, 전기적 신호로 변환된 영상신호를 다시 디지털 신호로 바꾸어 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 디스플레이 장치로 전송한다. 이때 CMOS 이미지 센서에 출력되는 디지털 영상 신호는 RGB(Red, Green, Blue) 컬러의 이미지 데이터가 된다.

광전소자는 인가된 빛의 양에 비례하여 광전하를 발생시키는 장치로, 포토 다이오드 등이 있다. 포토 다이오드에 너무 강한 빛이 인가되면, 포토 다이오드에 자체적으로 저장할 수 있는 용량 이상의 광전하가 생성된다.

그 결과 포토 다이오드에 광전하가 넘치게 되며, 디스플레이되는 화면은 정상적인 화면이 아닌, 왜곡된 화면이 된다. 즉, 과잉전하는 해당 픽셀에 넘쳐 흐를 뿐만 아니라 인접한 픽셀에도 넘쳐 흘러 영향을 미칠 수 있다.

이때 왜곡된 화면이란 전체적으로 흰 색의 화면이라든가 화면을 제대로 식별할 수 없는 화면이 된다. 이와 같이 그 출력 이미지에 수차(aberration)를 초래하는 현상을 블루밍(Blooming)이라 한다.

상술한 바와 같이 빛이 너무 강하게 인가될 때 발생하는 블루밍 현상을 막기 위하여, 기계적 셔터(mechanical shutter)를 장착하여 광전 소자에 인가되는 빛의 양을 조절하게 된다.

그러나 기계적 셔터를 장착할 경우, 생산 비용의 증가, 영상장치의 부피가 증가하여 소형화가 어려우며, 동작 주기(Operating cycle)에 제한이 발생하게 된다. 따라서 기계적 셔터는 고가의 고급형 카메라 기종에만 사용되며, 저가의 소형 카메라에는 장착되지 못하고 있다.

저가형 또는 소형 카메라처럼 기계적 셔터를 사용하지 못하는 경우, 글로벌 셔터 동작을 수행하여 글로벌 셔터(Global Shutter)의 기능을 갖는 픽셀회로가 개발되는 추세이다. 이때 글로벌 셔터(Global Shutter) 동작이란 한 프레임 내의 모든 광전 소자들이 동시에 빛을 인가받고, 광전 소자들에서 광전 변환된 전체 신호가 한번에 플로팅 확산층(FD: Floating Diffusion)으로 전달된 후, 차례로 선택되는 행에서 해당 영상 신호가 출력되는 동작을 뜻한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 화질을 보장하고, 면적 증가 없이 글로벌 셔터를 구현할 수 있는 픽셀 회로 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서,이를 포함하는 전자시스템 및 그 이미지 센싱 방법을 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는 반도체 기판, 상기 기판 위에 형성되고 서로 이격되어 마련되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 바이어싱부, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 형성되어, 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 유기 광전변환층을 포함하는 광전변환부, 상기 제2전극과 접촉되어 상기 광전변환부와 상기 기판을 연결하는 비아(via), 광전변환된 전자들을 저장하는 저장노드(Storage Node), 상기 기판 내에 형성되어 상기 저장노드로부터 전송되는 전하들을 이미지 신호로 변환하는 리드아웃부 및 상기 광전변환부와 상기 기판 사이에 마련되는 중간절연층을 각각 포함하는 복수의 단위픽셀로 이루어진 픽셀 어레이와 상기 픽셀 어레이로부터 상기 이미지 신호를 리드아웃하는 출력 회로를 포함하여, 상기 바이어싱부의 바이어스 변화로 인하여 상기 유기 광전변환층의 수광량을 조절할 수 있다.

상기 바이어싱부는 각 단위픽셀별, 상기 픽셀 어레이의 행별 또는 기설정된 순서대로 순차적으로 제어되어 상기 유기 광전변환층의 수광량을 조절한다.

일례로 상기 저장노드는 상기 기판에 포함되어, 상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 제1바이어스를 갖는 경우 상기 유기 광전변환층으로부터 광전변환된 상기 전자들을 상기 비아를 통해 전송받아 저장하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 제2바이어스를 갖는 경우 상기 광전변환부로부터의 전하전송을 멈추며, 상기 기판이 상기 제2전극보다 높은 전압을 갖는 경우 상기 저장노드의 전자들을 상기 리드아웃부로 전송한다.

상기 제1바이어스는 양의 값으로써 상기 제1전극의 전압이 상기 제2전극의 전압보다 작으며, 상기 제2바이어스는 0 또는 음의 값으로써 상기 제1전극의 전압이 상기 제2전극의 전압보다 크다.

일례로 상기 바이어싱부는 상기 제1전극과 수직으로 이격되고 상기 제2전극과 수평으로 이격되어 마련되며, 별도의 전압이 인가되는 제3전극 및 상기 제3전극과 상기 유기광전변환층 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하고, 상기 제1전극과 상기 절연막 사이의 상기 유기광전변환층 내에서 상기 제1전극과 상기 제2전극 간의 제1수직바이어스, 상기 제2전극과 상기 제3전극간의 수평바이어스, 상기 제1전극과 상기 제3전극간의 제2수직바이어스, 상기 제2전극과 상기 기판 간의 제3 수직바이어스 각각의 바이어스 변화로 인한 포텐셜 에너지 차이로 형성되어 상기 유기광전변환층의 수광량을 조절할 수 있다.

상기 저장노드는 상기 유기 광전변환층 내에 형성되어 상기 제1수직바이어스가 0 보다 크고 상기 제2수직바이어스보다 작으며, 상기 수평바이어스는 0보다 작은 경우 상기 유기 광전변환층으로부터 광전변환된 상기 전자들을 상기 저장노드로 저장하고, 상기 제1수직바이어스가 상기 제2수직바이어스 및 0보다 작고, 상기 수평바이어스는 0보다 작은 경우, 상기 저장된 전자들을 대기시키며, 상기 제1수직바이어스를 0보다 크고 제2수직바이어스와 동일한 값으로 셋팅하고, 상기 수평바이어스를 0보다 크고 상기 제1수직바이어스보다 작게 셋팅하며, 상기 제3수직바이어스를 0보다 작게 셋팅하여 상기 대기된 전자들을 상기 비아를 통해 상기 리드아웃부로 전송한다.

본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서, 이를 포함한 전자 시스템 및 그 이미지 센싱 방법은 유기 물질 광전변환층 및 바이어스 변화를 줄 수 있는 바이어싱부를 포함한 광전변환부를 사용함으로써 별도 구성의 추가가 없으므로 면적 증가나 필 펙터(Fill factor)의 감소 없이 글로벌 셔터 동작을 구현할 수 있다.

필 펙터의 감소없이 글로벌 셔터 동작을 구현할 수 있으므로, 출력되는 영상 신호의 감도(sensitivity)를 감소시키지 않고, 이미지 신호의 품질을 일정 수준 이상으로 보장할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 도 1의 단위 픽셀을 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단위픽셀의 단면도이다.
도 4는 가시광선 파장 영역의 바이어스 변화에 따른 유기물질의 수광량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 바이어스 변화에 따라 달라지는 도3의 단위픽셀을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단위 픽셀의 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 바이어스 변화에 따라 달라지는 도 6의 단위픽셀을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 단위픽셀의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 단위픽셀의 단면도이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 이미지 센서(10)는 픽셀어레이(40), 출력회로(20) 및 렌즈 모듈(30)을 포함한다.

픽셀 어레이(40)는 복수의 단위 픽셀들(100)을 포함한다. 설명의 편의를 위하여 단위 픽셀(100)에 대해 이후에 설명하기로 한다.

출력 회로(50)는 상기 픽셀 어레이에서 센싱된 이미지 정보를 리드아웃하기 위한 것으로, 로우 디코더(24), 타이밍 컨트롤러(26), 포토 게이트 컨트롤러(28) 및 로직 회로(22)를 포함한다.

로우 디코더(row decoder; 24)는 타이밍 컨트롤러(timing controller; 26)로부터 출력된 로우 어드레스(row address)에 응답하여 복수의 로우들 중에서 어느 하나의 로우를 선택한다. 여기서, 로우(row)란 픽셀 어레이(40)에서 X-방향으로 배치된 복수의 깊이 픽셀들의 집합을 의미한다.

포토 게이트 컨트롤러(Photo Gate Controller; 28)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에 복수의 포토 게이트 컨트롤 신호들을 생성하여 이들을 픽셀 어레이(40)로 공급할 수 있다.

로직 회로(Logic Circuit, 22)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에, 픽셀 어레이(40)에 구현된 복수의 단위 픽셀들(100)에 의하여 감지된 신호들을 처리하고 처리된 신호들을 프로세서(미도시)로 출력할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 처리된 신호들에 기초하여 디스플레이할 이미지를 출력할 수 있다.

실시 예에 따라 이미지 센서(10)와 상기 프로세서(미도시)는 별개의 칩으로 구현될 수 있다.

실시 예에 따라, 로직 회로(22)는 픽셀 어레이(40)로부터 출력된 감지 신호들을 디지털 신호들로 변환할 수 있는 아날로그-디지털 변환 블록(미도시)을 포함할 수 있다. 로직 회로(22)는 상기 아날로그-디지털 변환 블록으로부터 출력되는 상기 디지털 신호들에 CDS(correlated double sampling)를 수행하기 위한 CDS 블록(미도시)을 더 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 따라, 로직 회로(22)는 픽셀 어레이(40)로부터 출력된 감지 신호들에 CDS를 수행하기 위한 CDS 블록, 및 상기 CDS 블록에 의하여 CDS된 신호들을 디지털 신호들로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환 블록을 포함할 수 있다.

또한, 로직 회로(22)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에 상기 아날로그-디지털 변환 블록 또는 상기 CDS 블록의 출력 신호들을 상기 프로세서로 출력하기 위한 컬럼 디코더를 더 포함할 수 있다.

반사된 광신호들을 렌즈 모듈(30)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된다.

렌즈 모듈(30)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된 광신호들은 복수의 단위 픽셀들(100)에 의하여 복조될 수 있다. 즉, 렌즈 모듈(30)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된 광신호들은 이미지를 형성할 수 있다.

도 2는 도 1의 단위 픽셀을 나타낸 회로도이다.

도 2를 참조하면, 단위 픽셀(100)은 포토다이오드(PD,110),바이어싱부(120), 저장노드(Storage Node, SD,150), 및 리드아웃부(160)를 포함한다. 리드아웃부(160)는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 플로팅 확산 영역(Floating Diffusion, FD), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.

포토다이오드(PD,110)는 포토트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

바이어싱부(120)는 포토다이오드(110)에 인가되는 전압, 즉 바이어스를 변화시켜 포토다이오드(110)의 수광량을 조절한다. 이때 상기 바이어싱부(120)는 각 단위픽셀별, 상기 픽셀 어레이의 행별 또는 기설정된 순서대로 순차적으로 제어되어 상기 유기 광전변환층의 수광량을 조절한다.

바이어싱부(120)는 포토다이어드(110) 또는 포토다이오드(110)와 저장노드(150)를 감싸는 적어도 둘 이상의 전극을 포함한다. 포토다이오드(PD,110)는 바이어싱부(120)의 제어에 따라 광자를 전기적 특성을 지닌 전하로 변환시켜 저장노드(SD,150)에 저장한다.

저장노드(150)에 저장되어 있던 전하는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 온(On)되면, 플로팅 확산 영역(FD)로 전송된다. 리셋 신호(Reset)는 상기 전하들이 전송되기 전에 리셋 트랜지스터(Rx)에 인가된다. 이때 플로팅 확산 영역(FD)은 상기 리셋신호에 응답하여 기설정된 전하 수준으로 리셋된다.

리셋된 후 플로팅 확산 영역(FD)에 전송된 전하는 드라이브 트랜지스터(Dx)에 의해 전기적 신호로 증폭된다. 선택신호(SEL)가 인가되어 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 온(On)되면, 상기 전기적 신호는 이미지 신호로 출력된다.

도 2에서는 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터들(Tx, Rx, Dx, 및 Sx)을 구비하는 4T 구조의 단위 픽셀을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 드라이브 트랜지스터(Dx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하는 적어도 3개 이상의 트랜지스터들과 포토다이오드(PD)를 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시 예가 적용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위픽셀의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 단위픽셀(100)은 반도체 기판(170), 저장노드(150), 리드아웃부(160), 중간절연층(140), 비아(Via,130) 및 광전변환부를 포함한다. 한편 도시되지는 않았으나 외부 신호와 접속하는 금속 패드가 형성될 영역인 패드 영역이 더 포함될 수 있다.

반도체 기판(170)은 반도체 기판, SOI(silicon On Insulator) 기판, 갈륨 비소(GaAs) 기판, 실리콘 게르마늄(SiGe) 기판, 세라믹 기판, 석영 기판 또는 디스플레이용 유리 기판 등을 포함한다. 또한 반도체 기판은 주로 P형 기판을 사용하며, 도면에는 도시하지 않았으나, 그 상부에 P형 에피층(epitaxial layer)이 성장된 복층 구조를 사용할 수 있다.

픽셀 영역(40)에 형성되는 액티브 픽셀 어레이는 2차원적으로 배열된 다수의 단위 픽셀(100)을 포함하며, 각 단위 픽셀(100)은 도 2 및 도 3의 구조를 가질 수 있다.

광전변환부는 바이어싱부(120) 및 유기 광전변환층(110)을 포함한다.

상기 유기 광전변환층(110)은 가시광선 영역 중 특정 파장 영역의 빛(예를 들어, R,G,B 중 어느 하나)만 투과되고 나머지 파장 영역의 빛을 흡수한다. 컬러 정보는 포토 다이오드(110)에서 상기 흡수된 파장 대역의 광을 전자로 광전변환하는 방법으로 센싱된다.

바이어싱부(120)는 유기 광전변환층(110)에 바이어스를 인가한다. 바이어싱부(120)는 제1전극(121) 및 제2전극(122)을 포함한다. 상기 제1전극(121)과 제2전극(122)은 평행하게 서로 이격되어 마련된다.

제1 및 제2전극(121,122)은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다. 이때, 제1전극(121)의 일함수는 제2전극(122)의 일함수보다 더 큰 값을 갖는다. 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 ITO, IZO, ZnO, SnO₂,ATO(antimony-doped tin oxide), AZO(Al-doped zine oxide), GZO(gallium-doped zinc oxide), TiO₂ 및 FTO(fluorine-doped tin oxide)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물로 형성되는 투명 산화물 전극일 수 있다. 제1 전극(121)의 경우 Al,Cu,Ti,Au,Pt,Ag 및 Cr로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속으로 형성되는 금속 박막일 수도 있다. 제1전극(121)이 금속으로 형성되는 경우, 투명성을 확보하기 위하여 20nm이하의 두께로 형성될 수 있다.

유기 광전변환층(110)은 제1 전극(121) 및 제2전극(122) 사이에 형성된다.

유기 광전변환층(110) 내에는 포토 다이오드(PD)가 형성된다. 즉, 유기 광전변환층(110)은 각 파장의 입사광에 대응하여 생성된 전하로 광전변환한다. 즉, 전자는 감지된 광량(수광량)에 비례하여 발생하고, 트랜스퍼 게이트(TG)가 턴오프(turn-off)일 때는 게이트 장벽에 의해 포토 다이오드(110)에 구속되어 있다가, 트랜스퍼 게이트(TG)가 턴온(turn-on)될 때 상기 트랜스퍼 게이트(TG) 하단에 생기는 채널영역을 통해 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송된다. 포토 다이오드(110)의 최대 불순물 농도는 1x10¹⁷ 내지 1x10¹⁸ 원자 /cm³일 수 있다. 다만, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.

유기 광전변환층(110)은 입사광 중 가시광선을 선택적으로 흡수하는 가시광선 선택흡수성 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 청색 픽셀, 녹색 픽셀 및 적색 픽셀에 각각 적용될 수 있다.

유기 광전변환층(110)은 PN접합 구조를 갖는 P형 유기물질층과 N형 유기물질층으로 이루어질 수 있다. P형 유기물질층은 제1전극(121) 하부에 형성되며, N형 유기물질층은 상기 P형 유기물질층 하부에 형성된다.

P형 유기물질층은 정공(hole)이 다수의 캐리어가 되는 반도체 물질로 이루어질 수 있고,기설정하는 컬러의 파장 대역의 광만을 선택적으로 흡수하여 광전변환을 일으키는 유기물질로 형성될 수 있다. 유기 광전변환층(10)은 기설정하는 컬러의 광만을 통과시키고 투과되는 광의 파장대역 이외의 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하기 위해 적색,녹색,청색 픽셀별로 서로 다른 유기 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 청색 픽셀에서 P형 유기물질층 또는 N형 유기물질층은 청색광만 흡수하여 광전변환을 일으키는 물질로 형성될 수 있다.

예를 들어, 청색 픽셀 광전변환층은 청색광만 흡수하여 광전변환을 일으키는 물질인 TPD로 증착된 P형 유기물질층과 C60으로 증착된 N형 유기물질층으로 이루어질 수 있다. 이러한 구조에서 수광면으로부터 입사된 광에 의해 P형 유기물질층에서 엑시톤(exiton)이 생성되며, P형 유기물질층은 기설정된 파장의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.

실시예에 따라 광전변환층은 적색 픽셀 광전변환층, 녹색 픽셀 광전변환층 및 청색 픽셀 광전변환층를 포함할 수 있다. 상기 적색 픽셀 광전변환층, 녹색 픽셀 광전변환층 및 청색 픽셀 광전변환층 중 적어도 어느 하나는 바이어싱부를 더 포함한 광전변환부로써 수평 방향으로 서로 이웃하여 배치되거나 수직 방향으로 적층하여 배치될 수 있다.

광전변환부 하부에는 중간 절연층(140)이 형성된다.

광전변환부 하부에는 반도체 기판(170)의 전면을 덮으며 트랜지스터들이 형성되지 않은 빈 공간을 채우도록 중간 절연층(140)을 형성할 수 있다. 중간 절연층(140)은 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO₂)일 수 있다.

비아(via,130)는 중간 절연층(140) 내에 형성되고 상기 광전변환부와 기판(170)을 연결한다. 비아(130)는 상기 광전변환부에서 생성된 전자들을 리드아웃부(150)로 전송한다.

그 결과, 단위픽셀(100)이 가시광을 수신하면, 가시광선 영역의 빛은 제1 전극(141) 및 제2 전극(142) 간 바이어스 변화를 통해 유기 광전변환층(110)에서 전자로 광전변환되어 비아(130)을 따라 저장노드(150)로 전송되어 저장되고, 컬러 정보로 센싱된다. 컬러 정보는 상기 흡수된 가시광선 파장 대역의 광을 광전변환하는 방법으로 센싱되어, 저장 노드(150) 및 리드아웃부(160)를 통해 이미지 정보로 출력된다.

일 실시예에 따라, 단위 픽셀(100)은 상기 유기 광전변환층(110)과 제1 및 제2 전극(121,122) 사이에 절연층(미도시)을 각각 더 포함할 수 있다.

절연층(미도시)은 상기 유기 광전변환층(110)의 외부에서 형성되는 다른 에너지(예를 들어 표면에서 발생하는 전자들에 의한 암전류의 간섭을 차단하기 위한 것으로 포텐셜 장벽(potential barrier)의 기울기를 유기 광전변환층(110)보다 높게 조절함으로써 형성할 수 있다.

도 4는 가시광선 파장 영역의 바이어스 변화에 따른 유기물질의 수광량의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4의 그래프 (a)를 참조하면. 300nm 내지 800nm의 가시광선 파장 영역에서 바이어스 변화에 따른 수광량(QE)이 달라지는 것을 볼 수 있다. 특히 녹색 파장 영역(500 내지 600nm)을 위주로 살펴보면, 유기물질에 인가되는 바이어스가 0V 에서 10V로 증가할수록 수광량(QE)이 점점 증가되는 경향을 보인다.

도 4의 그래프 (b)를 참조하면, 그래프 (a)의 특정 파장 영역(예를 들어 녹색 파장)에서의 바이어스(ΔV)가 점점 커질수록 수광량(QE)이 증가하는 것을 볼 수 있다.

바이어스(ΔV)가 A 내지 B일 경우(case 1), 유기물질은 가시광선 파장의 빛을 다량으로 선택적으로 흡수하여 전자로 광전변환한다. 바이어스(ΔV)가 B 내지 C일 경우(case 2), 유기물질은 상기 빛을 소량으로 흡수하거나 흡수를 하지 않는다.

도 5a 내지 도 5c는 바이어스 변화에 따라 달라지는 도3의 단위픽셀을 나타낸 것이다.

도 5a를 참조하면, 바이어싱부(120), 즉, 제1전극(121)과 제2전극(122) 간에 제1바이어스(ΔV1)를 갖는 경우, 유기 광전변환층(110)은 가시광선 중 선택적으로 흡수된 빛을 전자로 광전변환한다. 상기 광전변환된 전자들은 비아(130)를 따라 저장노드(150)로 전송된다.

이때 제1바이어스(ΔV1)는 양의 값(ΔV1>0)으로써 제1전극(121)의 전압이 제2전극(122)의 전압보다 작은 경우를 말한다. 이때 반도체 기판(170)은 제2전극(122)보다 더 낮은 전압을 인가한다.

예를 들어 제1바이어스(ΔV1)는 3V라고 가정하자. 즉, 제1전극(!21)에는 -3V가 인가되고, 제2전극(122)에는 0V가 인가되면, 광전변환된 전자는 더 높은 전압을 갖는 제2전극(122)으로 이동한다. 반도체 기판(170)에는 -1V를 인가하면, 상기 이동된 전자들은 비아(130)를 통해 저장노드(150)로 전송되어 저장된다.

도 5b를 참조하면, 바이어싱부(120)가 제2바이어스(ΔV2)를 갖는 경우 유기 광전변환층(110)에서는 상기 빛의 흡수를 줄인다. 즉, 제2바이어스(ΔV2)는 상기 유기 광전변환층(110)의 수광량이 줄어드는 방향으로 변한다.

이때 제2바이어스(ΔV2)는 0 이하의 음의 값((ΔV2≤0)으로써 제1전극(121)의 전압이 제2전극(122)의 전압보다 큰 경우를 말한다.

예를 들어 제2바이어스(ΔV2)는 -1V가 되는 경우를 가정하자. 제1전극(121)에는 1V가 인가되고, 제2전극(122)에는 0V가 인가되면, 유기 광전변환층(110)에서 수광량이 줄어들면서 전자의 광전변환량도 줄어들게 된다. 이때 소량으로 광전변환되던 과잉전자들은 보다 높은 전압이 인가되는 제1전극(121)으로 이동하여, 저장노드(150)로 전송되지 않는다.

다만, 반도체 기판(170)은 제2전극(122)과 동일한 전압 또는 제2전극(122)보다 더 낮은 전압(예를 들어 0V 또는 -1V)를 가하여 상기 소량으로 광전변환된 과잉전자들이 더 이상 저장노드(150)로 전송되지 않도록 한다.

도 5c를 참조하면, 단위픽셀(100c)의 바이어싱부(120)는 제2바이어스(ΔV2)를 유지하고 리드아웃부(160)는 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)를 온(On)시킨다.

이때 제2바이어스(ΔV2)는 도 5b와 같이 0 이하의 음의 값((ΔV2≤0)으로써 제1전극(121)의 전압이 제2전극(122)의 전압보다 큰 경우를 말한다.

광전변환된 전자들은 저장노드(150)에 축적되어 저장되어 있다가, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 온(On)되면 저장노드(150)로부터 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송된다. 이때 플로팅 확산 영역(FD)은 리셋신호에 응답하여 전하 전달에 앞서 기설정된 전하 수준으로 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋한다.

플로팅 확산 영역(FD)에 전송된 전하는 드라이브 트랜지스터(Dx)에 의해 전기적 신호로 증폭된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 선택신호(SEL)에 응답하여 상기 전기적 신호는 이미지 신호로 출력된다.

그 결과, 상기 실시예에 따른 이미지 센서(10)는 유기 광전변환층(110) 및 바이어스 변화를 줄 수 있는 바이어싱부(120)를 포함한 광전변환부를 사용함으로써 별도 트랜지스터의 추가 구성이 없어도 면적 증가나 필 펙터(Fill factor)의 감소 없이 글로벌 셔터 동작을 구현할 수 있다. 즉, 필 펙터의 감소없이 글로벌 셔터 동작을 구현할 수 있으므로, 출력되는 영상 신호의 감도(sensitivity)를 감소시키지 않고, 이미지 신호의 품질을 일정 수준 이상으로 보장할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 단위 픽셀의 단면도이다.

도 6을 참조하면, 단위픽셀(200)은 반도체 기판(270), 연결노드(250), 리드아웃부(260), 중간절연층(240), 비아(230) 및 광전변환부를 포함한다.

광전변환부는 바이어싱부(220), 유기 광전변환층(210) 및 절연층(280)을 포함한다.

바이어싱부(220)는 제1전극(221), 제2전극(222) 및 제3전극(223)을 포함한다.

제1전극(221), 제2전극(222) 및 제3전극(223)은 각각 별개의 바이어스가 인가될 수 있다. 즉, 제2전극(222) 및 제3전극(223)은 제1전극(221)과 서로 이격되어 평행하게 마련된다. 제2전극(222)은 제3전극(223)과 서로 이격되어 같은 평면상에 나란하게 마련된다.

제1전극(221), 제2전극(222) 및 제3전극(223)은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다. 이때, 제1전극(221)의 일함수는 제2전극(222) 및 제3전극(223)의 일함수보다 더 큰 값을 갖는다. 제1 전극(221), 제2 전극(222) 및 제3전극(223)은 도 3의 제1전극 및 제2전극과 같은 물질을 사용할 수 있다.

유기 광전변환층(210)은 제1전극(221)과 제2전극(222) 및 제3전극(223) 사이에 형성된다.

유기 광전변환층(210)은 입사광 중 가시광선을 선택적으로 흡수하는 가시광선 선택흡수성 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 청색 픽셀, 녹색 픽셀 및 적색 픽셀에 각각 적용될 수 있다.

유기 광전변환층(210)은 PN접합 구조를 갖는 P형 유기물질층(211)과 N형 유기물질층(212)으로 이루어질 수 있다. P형 유기물질층(211)은 제1전극(221) 하부에 형성되며, N형 유기물질층(212)은 상기 P형 유기물질층(211) 하부에 형성된다.

P형 유기물질층(211)은 정공(hole)이 다수의 캐리어가 되는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 기설정하는 컬러의 파장 대역의 광만을 선택적으로 흡수하여 광전변환을 일으키는 유기물질로 형성될 수 있다. P형 유기물질층(211)은 기설정하는 컬러의 광만을 통과시키고 투과되는 광의 파장대역 이외의 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하기 위해 적색,녹색,청색 픽셀별로 서로 다른 유기 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 청색 픽셀에서 P형 유기물질층(211) 또는 N형 유기물질층(212)은 청색광만 흡수하여 광전변환을 일으키는 물질로 형성될 수 있다.

예를 들어, 청색 픽셀은 청색광만 흡수하여 광전변환을 일으키는 물질은 TPD로 증착된 P형 유기물질층(211)과 C₆₀으로 증착된 N형 유기물질층(212)으로 이루어질 수 있다. 이러한 구조에서 수광면으로부터 입사된 광에 의해 P형 유기물질층(211)에서 엑시톤(exiton)이 생성되며, P형 유기물질층(211)은 기설정된 파장의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.

실시예에 따라 유기 광전변환층(210)은 적색 픽셀 광전변환층, 녹색 픽셀 광전변환층 및 청색 픽셀 광전변환층을 포함하고, 상기 적색 픽셀 광전변환층, 녹색 픽셀 광전변환층 및 청색 픽셀 광전변환층 중 적어도 어느 하나를 감싸는 바이어싱부를 포함한 광전변환부 각각은 수평 방향으로 서로 이웃하여 배치되거나, 수직 방향으로 적층하여 배치될 수 있다.

유기 광전변환부(215)는 저장노드(215)를 포함할 수 있다.

저장노드(215)는 제1전극(221), 제2전극(222) 및 제3전극(223) 중 적어도 2개 이상의 바이어스 변화에 의해 형성되는 포텐셜 웰(Potential Well)로 형성될 수 있다. 설명의 편의상 저장노드(215)의 형성과 관련된 자세한 설명은 도 7a 내지 도7c에서 하기로 한다.

광전변환부는 절연막(280)을 더 포함한다. 절연막(280)은 제3전극(223)과 유기 광전변환층(210) 사이에 형성된다. 절연막(280)은 유기 광전변환층(210)에서 광전변하여 발생한 전자들을 저장노드(215)에 집중적으로 축적하기 위한 것으로, 포텐셜 장벽(potential barrier)의 기울기를 유기 광전변환층(210)보다 높게 조절함으로써 형성된다.

중간 절연층(240)은 광전변환부 하부에 형성된다. 즉, 광전변환부 하부에는 반도체 기판(270)의 전면을 덮으며 트랜지스터들이 형성되지 않은 빈 공간을 채우도록 중간 절연층(240)을 형성할 수 있다. 중간 절연층(240)은 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO₂)일 수 있다.

비아(via,230)는 중간 절연층(240) 내에 형성되고 상기 광전변환부와 기판(270)을 연결한다. 비아(230)는 상기 광전변환부에서 생성된 전자들을 연결노드(250)로 전송한다.

연결노드(250)로 전송된 전자들은 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)의 온오프(On/off)에 따라 리드아웃부(260)로 전송되어 이미지 정보로 출력된다.

도 7a 내지 도 7c는 바이어스 변화에 따라 달라지는 도 6의 단위픽셀을 나타낸 것이다.

설명의 편의를 위하여, 단위픽셀(200)의 바이어싱부(220)에서 제1전극(221)과 제2전극(222) 간의 바이어스를 제1 수직바이어스(ΔVa), 제1전극(221)과 제3전극(223) 간의 바이어스를 제2 수직바이어스(ΔVb), 제2전극(222)과 제3전극(223) 간의 바이어스를 수평 바이어스(ΔVc), 제2전극(222)과 기판(270) 간의 바이어스를 제3 수직바이어스(ΔVd)라고 하자.

도 7a에서 도 7a의 (a)는 도 6의 단위픽셀의 단면도이고, 도 7a의 (b)는 (a)에 도시된 단면도에서의 포텐셜 에너지 다이어그램이다.

도 7a의 (a)단면도를 참고하면, 단위픽셀(200a)는 제1 수직바이어스(ΔVa)와 제2 수직바이어스(ΔVb)가 양의 값(ΔVa>0, ΔVb>0)인 경우이다. 제1전극(221)의 전압이 제2전극(222)의 전압보다 작은 경우 및 제1전극(221)의 전압가 제3전극(223)의 바이어스보다 작은 경우에 유기 광전변환층(210)은 가시광선 중 선택적으로 흡수된 빛을 전자로 광전변환한다.

이때 제2 수직바이어스(ΔVb)는 제1수직바이어스(ΔVa)보다 크다. 상기 제1 수직바이어스(ΔVa)와 제2수직바이어스(ΔVb) 간의 차이 및 절연막(280)의 포텐셜 에너지 차이에 의해 광전변환된 전자들은 저장노드(215)에 축적된다. 이때 반도체 기판(270)은 제2전극(222)과 동일하거나 제2전극(222)보다 더 낮은 전압을 갖도록 하여 전자가 연결노드(250)로 전송되지 않도록 한다.

예를 들어 제1전극(221)에는 -2V, 제2전극(222)에는 0V, 제3전극(223)에는 2V 및 기판(270)에는 0V를 인가한다고 가정하자. 즉, 제1수직바이어스(ΔVa)는 2V, 제2 수직바이어스(ΔVb)는 4V, 수평바이어스(ΔVc)는 -2V 및 제3 수직바이어스(ΔVd)는 0V가 된다.

유기 광전변환층(210) 내에서 광전변환된 전자는 더 높은 바이어스가 가해지는 제2전극(222) 및 제3전극(223)으로 이동한다. 수평바이어스(ΔVc)에 의해 제3전극(223)의 전압이 제2전극(222)의 전압보다 크므로, 상기 전자들은 제3전극(223) 쪽으로 더 많이 이동한다. 상기 전자들은 제3전극(223)보다 더 높은 포텐셜 장벽을 가지는 절연막(280) 때문에 다른 곳으로 누설되지 않고 상기 절연막(280) 상부에 형성되는 저장노드(215)에 집중적으로 축적된다.

일례에서 도 7a의 (b)포텐셜 에너지 다이어그램에 도시된 바와 같이, 유기 광전변환층(210)이 PN접합을 가지는 P형 유기물질층(211)과 N형 유기물질층(212)으로 이루어지는 경우, 전자(e)는 PN접합에서 광전변환되어 제2전극(222) 및 제3전극(223)으로 이동하고, 정공(h)은 바이어스에 의하여 전자(e)와 반대방향, 즉 제1전극(221) 방향으로 이동한다(절단면 A-B 및 C-D).

이때 절단면 A-B의 포텐셜 에너지 다이어그램과 절단면 B-C의 포텐셜 에너지 다이어그램을 비교해보면, 제3전극(223) 상부에는 절연막(280)이 형성되어 높은 포텐셜 장벽이 형성되고(A-B), 제2전극(222) 상부에는 절연막(280)이 없어 상대적으로 낮은 포탠셜 장벽이 형성된다(C-D). 그리고 제2전극(222) 및 제3전극(223)간에는 절단면 E-F의 포텐셜 에너지 다이어그램에 도시된 바와 같이, 제2전극(222)의 포텐셜에너지가 제3전극의 포텐셜 에너지보다 높도록 전압이 각각 인가되므로 전자(e)는 제3전극(223) 쪽으로 더 많이 이동하게 된다.

도 7b를 참조하면, 단위픽셀(200b)은 제1 수직바이어스(ΔVa)와 제2 수직바이어스(ΔVb)가 0이하의 값(ΔVa≤0, ΔVb≤0)을 갖는다. 제1전극(221)의 전압이 제2전극(222)의 전압보다 큰 경우 및 제1전극(221)의 전압이 제3전극(223)의 전압보다 큰 경우에 유기 광전변환층(210)의 수광량이 줄어들게 된다.

이때 제2 수직바이어스(ΔVb)는 제1수직바이어스(ΔVa)보다 작다. 상기 제1 수직바이어스(ΔVa)와 제2수직바이어스(ΔVb) 간의 차이 및 절연막(280)의 포텐셜 에너지 차이에 의해 광전변환된 전자들은 저장노드(215)에 축적된 채 대기하게 된다. 이때 반도체 기판(270)은 제2전극(222)과 동일한 전압 또는 제2전극(222)보다 낮은 전압을 인가하여 축적된 전자들이 연결노드(250)로 전송되지 않도록 한다.

예를 들어 제1전극(221)에는 2V, 제2전극(222)에는 0V, 제3전극(223)에는 2V 및 기판(270)에는 0V를 인가한다고 가정하자. 즉, 제1수직바이어스(ΔVa)는 -2V, 제2 수직바이어스(ΔVb)는 0V, 수평바이어스(ΔVc)는 -2V 및 제3 수직바이어스(ΔVd)는 0V가 된다.

유기 광전변환층(210) 내에서 광전변환된 전자들은 상기 각 전압 차이에 의한 포텐셜 에너지에 따라 절연막(280) 상부에 모여 있게 된다. 수평바이어스(ΔVc)는 -2V, 제3 수직바이어스(ΔVd)는 0V로 유지되므로 상기 전자들은 연결노드(250)로 이동하지 않는다.

도 7c에서 도 7c의 (a)는 도 6의 단위픽셀의 단면도이고, 도 7c의 (b)는 (a)에 도시된 단면도에서의 포텐셜 에너지 다이어그램이다.

도 7c의 (a)단면도를 참고하면, 단위픽셀(200c)는 제1 수직바이어스(ΔVa), 제2 수직바이어스(ΔVb), 제3 수직바이어스(ΔVc)가 양의 값(ΔVa>0, ΔVb>0)이 되고, 수평바이어스(ΔVd)가 양의 값(ΔVd>0 )이 된다.

이때 제2 수직바이어스(ΔVb)는 제1수직바이어스(ΔVa)보다 작다. 상기 제1 수직바이어스(ΔVa)와 제2수직바이어스(ΔVb) 간의 포텐셜 에너지 차이에 의해 저장노드(215)에 축적되어 있던 전자들은 제2전극(222) 방향으로 이동한다. 이때 반도체 기판(270)에는 제2전극(222)보다 더 높은 전압이 인가되고, 상기 전자들은 연결노드(250)로 전송된다.

예를 들어 제1전극(221)은 -2V, 제2전극(222)은 2V, 제3전극(223)은 0V, 기판(270)은 4V가 되는 경우이다. 즉, 제1수직바이어스(ΔVa)는 2V, 제2 수직바이어스(ΔVb)는 4V, 수평바이어스(ΔVc)는 2V 및 제3 수직바이어스(ΔVd)는 2V가 된다.

수평바이어스(ΔVc)에 의해 저장노드(215)에 모여있던 전자들은 더 높은 전압이 인가되는 제2전극(222)으로 이동한다.

일례에서 도 7c의 (b)포텐셜 에너지 다이어그램에 도시된 바와 같이, 유기 광전변환층(210)이 PN접합을 가지는 P형 유기물질층(211)과 N형 유기물질층(212)으로 이루어지는 경우, 저장노드(215)에 모여있던 전자(e)는 제2 수직바이어스(ΔVb)가 도 7(b)에 도시된 것과 반대로 인가되므로, 제1전극(221) 방향으로 이동한다(절단면 A'-B'및 C'-D').

이때 절단면 A'-B'의 포텐셜 에너지 다이어그램과 절단면 B'-C'의 포텐셜 에너지 다이어그램을 비교해보면, 제3전극(223) 상부에는 절연막(280)이 형성되어 높은 포텐셜 장벽이 형성되고(A'-B'), 제2전극(222) 상부에는 절연막(280)이 없어 상대적으로 낮은 포탠셜 장벽이 형성되어 있다(C'-D'). 따라서 상기 전자들은 제3전극(223)의 포텐셜 장벽에 막혀 상대적으로 낮은 포텐셜 장벽을 가진 제2전극(222) 방향으로 이동하여 제3 수직바이어스(ΔVd)에 의해 연결노드(250)로 이동하게 된다.

그리고 제2전극(222) 및 제3전극(223)간에는, 절단면 E-F의 포텐셜 에너지 다이어그램에 도시된 바와 같이, 제2전극(222)과 기판(270)에 각각 인가되는 전압에 의해, 전자(e)는 제2전극(222)에서 비아(230)를 거쳐 연결노드(250) 쪽으로 이동하게 된다.

광전변환된 전자들은 축적되어 저장되어 있다가 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)가 온(On)되면, 연결노드(250)로부터 리드아웃부(260) 내 플로팅 확산 영역(FD)로 전송한다.이때 플로팅 확산 영역(FD)는 리셋신호에 응답하여 전하 전달에 앞서 기설정된 전하 수준으로 플로팅 확산 영역(FD)을 리셋한다.

플로팅 확산 영역(FD)에 전송된 전하는 드라이브 트랜지스터(Dx)에 의해 전기적 신호로 증폭된다. 셀렉트 트랜지스터(Sx)가 선택신호(SEL)에 의해 온(On)되면 상기 전기적 신호는 이미지 신호로 출력된다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센싱 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 8을 참조하면, 먼저 이미지 센서에 가시광선이 제공된다(S10). 이미지 센서는 상기 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수한다.

이미지 센서는 바이어싱부에 인가되는 바이어스의 변화에 따라 상기 유기광전변환층이 광전변환하는 전자를 축적한다. 즉, 상기 유기 광전변환층 상단과 하단에 이격되어 마련된 한 쌍의 전극들이 제1바이어스(ΔV1)를 갖는 경우 상기 유기 광전변환층으로부터 광전변환된 상기 전자들을 축적하여 저장한다(S12). 그리고 상기 유기 광전변환층 상단과 하단에 이격되어 마련된 한 쌍의 전극들이 제2바이어스(ΔV2)를 갖게 되면, 상기 축적을 정지하고 대기한다(S13).

기판(170)이 상기 한 쌍의 전극들 중 하단의 전극(122)보다 높은 전압을 갖는 경우 상기 저장된 전자들을 리드아웃부(160)로 전송하고(S14), 이미지 신호를 생성한다(S15).이때 상기 제1바이어스(ΔV1)는 양의 값으로써 상기 상단 전극의 전압이 상기 하단 전극의 전압보다 작으며, 상기 제2바이어스(ΔV2)는 0 또는 음의 값으로써 상기 상단 전극의 전압이 상기 하단 전극의 전압보다 크다.

도 9는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 단위픽셀의 단면도이다.

도 9를 참조하면, 단위픽셀(100')은 도 3의 단위픽셀(100)과 동일한 구조를 가지는 것으로 도시된다. 그러나 정공(hole)과 전자(electron)의 전기적 극성이 반대이므로, 글로벌 셔터 동작을 위한 바이어스 변화는 전자의 경우와 반대로 인가되어 수행된다.

도 10은 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 단위픽셀의 단면도이다.

도 10을 참조하면, 단위픽셀(200')은 도 6의 단위픽셀(200)과 동일한 구조를 가지는 것으로 도시된다. 그러나 정공(hole)과 전자(electron)의 전기적 극성이 반대이므로, 글로벌 셔터 동작을 위한 바이어스 변화는 전자의 경우와 반대로 인가되어 수행된다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자장치의 블록도이다.

도 11에 도시된 전자 장치(300)는 디지털 카메라, 디지털 카메라가 내장된 이동 전화기, 또는 디지털 카메라를 포함하는 모든 전자 장치를 포함한다. 전자 장치(300)는 2차원 이미지 정보 또는 3차원 이미지 정보를 처리할 수 있다. 상기 전자 장치(300)는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 이미지 센서(10)를 포함한다.

전자장치(300)는 상기 센서의 동작을 제어하기 위한 이미지 신호 프로세서(320)를 포함할 수 있다.

전자장치(300)는 인터페이스(330)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스(330)는 영상 표시 장치일 수 있다. 또한, 인터페이스(330)는 입출력 장치일 수 있다.

따라서, 영상 표시 장치는 이미지 신호 프로세서(320)의 제어 하에 깊이 센서로부터 캡처된 정지 영상 또는 동영상을 저장할 수 있는 메모리 장치(350)를 포함할 수 있다. 메모리 장치(350)는 비휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있다. 상기 비휘발성 메모리 장치는 다수의 비휘발성 메모리 셀들을 포함할 수 있다.

상기 비휘발성 메모리 셀들 각각은 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, MRAM(Magnetic RAM), 스핀전달토크 MRAM(Spin-Transfer Torque MRAM), Conductive bridging RAM(CBRAM), FeRAM(Ferroelectric RAM), OUM(Ovonic Unified Memory)라고도 불리는 PRAM(Phase change RAM), 저항 메모리(Resistive RAM: RRAM 또는 ReRAM), 나노튜브 RRAM(Nanotube RRAM), 폴리머 RAM(Polymer RAM: PoRAM), 나노 부유 게이트 메모리(Nano Floating Gate Memory: NFGM), 홀로그래픽 메모리(holographic memory), 분자 전자 메모리 소자(Molecular Electronics Memory Device), 또는 절연 저항 변화 메모리(Insulator Resistance Change Memory)로 구현될 수 있다.

도 12은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.

도 12를 참조하면, 상기 전자 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP, IPTV 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다.

상기 전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010), 이미지 센서(1040), 및 디스플레이(1050)를 포함한다.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 CSI 호스트(1012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface(CSI))를 통하여 이미지 센서(1040)의 CSI 장치(1041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(1012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(1041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다. 이때 이미지 센서(1040)는 깊이 센서를 포함할 수 있다.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 DSI 호스트(1011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface(DSI))를 통하여 디스플레이(1050)의 DSI 장치(1051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(1011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(1051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.

전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010)와 통신할 수 있는 RF 칩(1060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(1000)의 PHY(1013)와 RF 칩(1060)의 PHY(1061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.

전자 시스템(1000)은 GPS(1020), 스토리지(1070), 마이크(1080), DRAM(1085) 및 스피커(1090)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전자 시스템(1000)은 Wimax(1030), WLAN(1100) 및 UWB(1110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 3차원 이미지 센서 20 : 반도체 집적회로
24 : Row Decoder 26 : T/C
28 : PG CON
30 : Light Source Driver 32 : 광원
34 : 렌즈 36 : Logic Circuit
40 : Pixel Array 50 : 리드 아웃 회로
100,100', 200,200': 단위 픽셀
110 : 유기 광전변환층 120 : 바이어싱부
121 : 제1전극 122 : 제2전극
130 : 비아 140 : 중간절연층
150 : 저장노드 160 : 리드아웃부
170 : 기판
210 : 유기 광전변환층 211 : P형 유기물질층
212 : N형 유기물질층 215 : 저장노드
220 : 바이어싱부 221 : 제1전극
222 : 제2전극 223 : 제3전극
230 : 비아 240 : 중간절연층
250 : 연결노드 260 : 리드아웃부
270 : 기판 280 : 절연막

Claims

반도체 기판;
상기 기판 위에 형성되고 서로 이격되어 마련되는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 바이어싱부; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 형성되어, 가시광선 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 광전변환하는 유기 광전변환층을 포함하는 광전변환부;
상기 제2전극과 접촉되어 상기 광전변환부와 상기 기판을 연결하는 비아(via);
광전변환된 전자들을 저장하는 저장노드(Storage Node);
상기 기판 내에 형성되어 상기 저장노드로부터 전송되는 전하들을 이미지 신호로 변환하는 리드아웃부; 및
상기 광전변환부와 상기 기판 사이에 마련되는 중간절연층을 각각 포함하는 복수의 단위픽셀로 이루어진 픽셀 어레이와 상기 픽셀 어레이로부터 상기 이미지 신호를 리드아웃하는 출력 회로를 포함하여,
상기 바이어싱부의 바이어스 변화로 인하여 상기 유기 광전변환층의 수광량을 조절하며,
상기 바이어싱부는,
상기 제1전극과 수직으로 이격되고 상기 제2전극과 수평으로 이격되어 마련되며, 별도의 전압이 인가되는 제3전극; 및
상기 제3전극과 상기 유기광전변환층 사이에 형성되는 절연막을 더 포함하는 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 바이어싱부는
각 단위픽셀별, 상기 픽셀 어레이의 행별 또는 기설정된 순서대로 순차적으로 제어되어 상기 유기 광전변환층의 수광량을 조절하는 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 저장노드는,
상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 제1바이어스를 갖는 경우 상기 유기 광전변환층으로부터 광전변환된 상기 전자들을 상기 비아를 통해 전송받아 저장하고,
상기 제1전극과 상기 제2전극 간에 제2바이어스를 갖는 경우 상기 광전변환부로부터의 전하전송을 멈추며,
상기 기판이 상기 제2전극보다 높은 전압을 갖는 경우 상기 저장노드의 전자들을 상기 리드아웃부로 전송하는 이미지 센서.
제3항에 있어서,
상기 제1바이어스는 양의 값으로써 상기 제1전극의 전압이 상기 제2전극의 전압보다 작으며, 상기 제2바이어스는 0 또는 음의 값으로써 상기 제1전극의 전압이 상기 제2전극의 전압보다 큰 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 바이어싱부는
상기 제1전극과 상기 절연막 사이의 상기 유기광전변환층 내에서 상기 제1전극과 상기 제2전극 간의 제1수직바이어스, 상기 제2전극과 상기 제3전극간의 수평바이어스, 상기 제1전극과 상기 제3전극간의 제2수직바이어스, 상기 제2전극과 상기 기판 간의 제3 수직바이어스 각각의 바이어스 변화로 인한 포텐셜 에너지 차이로 형성되어 상기 유기광전변환층의 수광량을 조절하는 이미지 센서.
제5항에 있어서, 상기 저장노드는 상기 유기 광전변환층 내에 형성되어
상기 제1수직바이어스가 0 보다 크고 상기 제2수직바이어스보다 작으며, 상기 수평바이어스는 0보다 작은 경우 상기 유기 광전변환층으로부터 광전변환된 상기 전자들을 상기 저장노드로 저장하고,
상기 제1수직바이어스가 상기 제2수직바이어스 및 0보다 작고, 상기 수평바이어스는 0보다 작은 경우, 상기 저장된 전자들을 대기시키며,
상기 제1수직바이어스를 0보다 크고 제2수직바이어스와 동일한 값으로 셋팅하고, 상기 수평바이어스를 0보다 크고 상기 제1수직바이어스보다 작게 셋팅하며, 상기 제3수직바이어스를 0보다 작게 셋팅하여 상기 대기된 전자들을 상기 비아를 통해 상기 리드아웃부로 전송하는 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 유기광전변환층은
상기 유기광전변환층을 구성하는 유기물질에 따라 일정 파장영역대 내에서 상기 바이어스의 변화에 따라 수광량이 달라지는 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 광전변환층은
적색 픽셀 광전변환층, 녹색 픽셀 광전변환층 및 청색 픽셀 광전변환층 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 적색 픽셀 광전변환층, 녹색 픽셀 광전변환층 및 청색 픽셀 광전변환층 중 적어도 어느 하나 및 바이어싱부를 포함한 광전변환부 각각이 수평 방향으로 서로 이웃하여 배치되거나, 수직 방향으로 적층하여 배치되는 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 바이어싱부는
상기 제1 전극 및 상기 제2전극은 투명산화물 또는 투명 금속 박막으로 형성되는 이미지 센서.
이미지 정보를 생성하는 제1항의 이미지센서; 및
상기 이미지 정보를 처리하는 이미지 신호처리 프로세서를 포함하는 전자시스템.