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JP2017011273A - イメージセンサー及びこれを備える電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低照度環境においても高感度特性及び高輝度特性を発揮するイメージセンサー及びこれを備える電子装置を提供する。【解決手段】本発明のイメージセンサーは、複数の画素からなる単位画素群が行及び列に沿って繰り返し配列され、前記単位画素群は、可視光線波長領域の光を感知する少なくとも一つの第１の画素と、赤外線波長領域の光を感知する第２の画素と、を備え、前記第２の画素は、前記第２の画素内に区画された第１の光電素子を備え、前記第１の光電素子は、対向する第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設されて赤外線領域の光を選択的に吸収する赤外光吸収層と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、イメージセンサー及びこれを備える電子装置に関する。
デジタルカメラ及びカムコーダー（一体型ビデオカメラ）などには、映像を撮影して電気的な信号として保存する撮像素子が用いられ、撮像素子は、入射する光を波長に応じて分解してそれぞれの成分を電気的な信号に変換するイメージセンサーを備える。
イメージセンサーは、益々小型化及び高解像度化が求められており、最近では、室内環境や夜間のように低照度環境下でイメージの感度及び輝度を改善する要求が高まりつつある。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、低照度環境においても高感度特性及び高輝度特性を発揮するイメージセンサーを提供することにある。
また、本発明の目的は、このイメージセンサーを備える電子装置を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるイメージセンサーは、複数の画素からなる単位画素群が行及び列に沿って繰り返し配列され、前記単位画素群は、可視光線波長領域の光を感知する少なくとも一つの第１の画素と、赤外線波長領域の光を感知する第２の画素と、を備え、前記第２の画素は、前記第２の画素内に区画された第１の光電素子を備え、前記第１の光電素子は、対向する第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設されて赤外線領域の光を選択的に吸収する赤外光吸収層と、を備える。
前記赤外光吸収層は、前記単位画素群の全面に配設され、前記第２の画素における前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設されて前記第１の光電素子を形成する光電変換領域と、前記第１の画素に対応して配設された非光電変換領域と、を備え得る。
前記赤外光吸収層は、少なくとも一種の有機物質を含み得る。
前記赤外光吸収層は、キノイド金属錯化合物、シアニン化合物、インモニウム化合物、ジインモニウム化合物、トリアリールメタン化合物、ジピロメテン化合物、ジキノン化合物、ナフトキノン化合物、アントラキノン化合物、スクアリリウム化合物、リレン化合物、フタロシアニン化合物、ナフタロシアニン化合物、ペリレン化合物、スクアライン化合物、ボロンジピロメテン化合物、ニッケル−ジチオール錯化合物、メロシアニン化合物、ジケトピロロピロール化合物、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含み得る。
前記第１の画素は、可視光線波長領域のうちのそれぞれ異なる波長領域の光を感知する第３の画素、第４の画素、及び第５の画素を含み、前記第３の画素は、５００ｎｍ〜５８０ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第１の可視光を選択的に感知する第１の光感知素子を備え、前記第４の画素は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第２の可視光を選択的に感知する第２の光感知素子を備え、前記第５の画素は、５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第３の可視光を選択的に感知する第３の光感知素子を備え得る。
前記第１の画素は、前記第１の光感知素子と重なり合って前記第１の可視光を選択的に透過させる第１のカラーフィルター、前記第２の光感知素子と重なり合って前記第２の可視光を選択的に透過させる第２のカラーフィルター、及び前記第３の光感知素子と重なり合って前記第３の可視光を選択的に透過させる第３のカラーフィルターを備え、前記第２の画素は、カラーフィルターを備えないことが好ましい。
前記第１〜第３の光感知素子は、シリコン基板内に集積され得る。
前記第１〜第３の光感知素子は、水平方向に離れて配置され得る。
前記第１の光電素子は、前記第１〜第３の光感知素子よりも光が入射する側の近くに配置され得る。
前記第２の画素、前記第３〜第５の画素のうちの少なくとも一つは、他の残りの画素と異なる面積を有し得る。
前記第３の画素は、前記第２の画素、前記第４の画素及び前記第５の画素よりも大きい面積を有し得る。
前記第４の画素及び前記第５の画素は、同じ面積を有し得る。
前記イメージセンサーは、前記第１の光電素子の一方の面に配設された第２の光電素子を更に備え、前記第２の光電素子は、対向する第３の電極及び第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配設され、５００ｎｍ〜５８０ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第１の可視光を選択的に吸収する有機光電変換層と、を備え得る。
前記第１の画素は、可視光線波長領域のうちの互いに異なる波長領域の光を感知する第４の画素及び第５の画素を含み、前記第４の画素は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第２の可視光を選択的に感知する第２の光感知素子を備え、前記第５の画素は、５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第３の可視光を選択的に感知する第３の光感知素子を備え得る。
前記第１の光電素子は、前記第２の光電素子よりも光が入射する側の近くに配置され、前記第２の光電素子は、前記第２の光感知素子及び第３の光感知素子よりも光が入射する側の近くに配置され得る。
前記第１の画素は、前記第２の光感知素子と重なり合って前記第２の可視光を選択的に透過させる第２のカラーフィルター、及び前記第３の光感知素子と重なり合って前記第３の可視光を選択的に透過させる第３のカラーフィルターを備え、前記第２の画素は、カラーフィルターを備えないことが好ましい。
前記第２の光感知素子及び第３の光感知素子は、シリコン基板内に集積され得る。
前記第２の光感知素子及び第３の光感知素子は、水平方向に離れて配置され得る。
前記第２の光感知素子及び前記第３の光感知素子は、垂直方向に離れて配置され得る。
前記イメージセンサーは、前記第２の光電素子の一方の面に配設された第３の光電素子及び第４の光電素子を更に備え、前記第３の光電素子は、対向する第５の電極及び第６の電極と、前記第５の電極と前記第６の電極との間に配設され、約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第２の可視光を選択的に吸収する有機光電変換層と、を備え、前記第４の光電素子は、対向する第７電極及び第８電極と、前記第７電極と前記第８電極との間に配設され、約５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第３の可視光を選択的に吸収する有機光電変換層と、を備え、前記第２〜第４の光電素子は、垂直方向に積層され得る。
前記第１の画素及び前記第２の画素は、カラーフィルターを備えないことが好ましい。
前記第２〜第４の光電素子は、前記第１の光電素子の下部に配設され得る。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による電子装置は、前記イメージセンサーを備える。
本発明によれば、低照度環境においても高感度特性及び高輝度特性を発揮するイメージセンサーを実現することができる。
本発明の一実施形態によるイメージセンサーにおける単位画素群を例示する平面図である。 本発明の一実施形態によるイメージセンサーの単位画素群を概略的に示す平面図である。 図２のイメージセンサーを概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態によるイメージセンサーの単位画素群を例示する平面図である。 本発明の他の実施形態によるイメージセンサーを概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態によるイメージセンサーの変形例を概略的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態によるイメージセンサーを概略的に示す断面図である。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明は、ここで説明する実施形態に限定されるものではなく、他の形態に具現化可能である。
図中、様々な層及び領域の厚さは、明確性を図るために誇張される。明細書全体に亘って同じ構成部分に対しては同じ図面符号を付する。なお、層、膜、領域、板などの構成部分が他の構成部分の「上」にあるとした場合、それは、他の構成部分の「真上」にある場合だけではなく、これらの間に更に他の構成部分がある場合も含む。逆に、ある構成部分が他の構成部分の「直上」にあるとした場合には、これらの間に他の構成部分がないことを意味する。
以下、本発明の一実施形態によるイメージセンサーについて説明する。
ここでは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサーを例にとって説明する。
本発明の一実施形態によるイメージセンサーは、複数の画素からなる単位画素群が行及び列に沿って繰り返し配列されたマトリックス状の画素配列を有する。
単位画素群は、可視光線波長領域の光を感知する少なくとも一つの画素（以下、「可視光感知画素」と称する。）と、赤外線波長領域の光を感知する画素（以下、「赤外光感知画素」と称する。）と、を含む。単位画素群に含まれる画素の数は様々であり、例えば、二つ、四つ、又は９個などの画素を含むが、これらに何ら限定されない。
図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーにおける単位画素群を例示する平面図である。
図１を参照すると、本実施形態によるイメージセンサーの単位画素群１０は、二つの行及び二つの列（２×２）に配列された画素１ＰＸ１、画素２ＰＸ２、画素３ＰＸ３、及び画素４ＰＸ４からなる。画素１ＰＸ１、画素２ＰＸ２、画素３ＰＸ３、及び画素４ＰＸ４のうちの三つはフルカラーを感知するための基本画素であり、残りの一つはイメージセンサーの感度及び輝度を補うための補助画素である。しかし、基本画素及び補助画素は、必要に応じて増減可能である。
例えば、画素１ＰＸ１、画素２ＰＸ２、画素３ＰＸ３は可視光感知画素であり、画素４ＰＸ４は赤外光感知画素である。
可視光感知画素の画素１ＰＸ１、画素２ＰＸ２、及び画素３ＰＸ３は、それぞれ可視光線波長領域のうちのそれぞれ異なる波長領域の光を感知する。例えば、可視光感知画素のうち、画素１ＰＸ１は約５００ｎｍ〜５８０ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する可視光を感知する画素であり、画素２ＰＸ２は約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する可視光を感知する画素であり、画素３ＰＸ３は約５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する可視光を感知する画素である。例えば、画素１ＰＸ１は緑色光を選択的に感知する緑色画素であり、画素２ＰＸ２は青色光を選択的に感知する青色画素であり、画素３ＰＸ３は赤色光を選択的に感知する赤色画素である。しかし、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、画素の配列及び順序は種々に変形可能である。
赤外光感知画素の画素４ＰＸ４は約７００ｎｍ超で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する赤外光を選択的に感知する画素である。例えば約７００ｎｍ超〜３μｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有し、好ましくは約８００ｎｍ〜１５００ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する。
図２は、本発明の一実施形態によるイメージセンサーの単位画素群を概略的に示す平面図であり、図３は、図２のイメージセンサーを概略的に示す断面図である。
図２及び図３では、説明の便宜のために、可視光感知画素が緑色画素Ｇ、青色画素Ｂ、及び赤色画素Ｒである場合を例示したが、これに限定されない。なお、図２及び図３で例示した緑色画素Ｇ、青色画素Ｂ、及び赤色画素Ｒの配列及び構成は、種々に変形可能である。
図２及び図３を参照すると、本実施形態によるイメージセンサー１００は、半導体基板１１０、下部絶縁層６０、カラーフィルター層７０、上部絶縁層８０、及び赤外光光電素子９０を備える。
半導体基板１１０は、シリコン基板であり、光感知素子５０、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷保存所５５が集積される。光感知素子５０は、例えばフォトダイオードである。
光感知素子５０、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷保存所５５は、画素毎に集積されており、例えば、緑色光感知素子５０Ｇ及び伝送トランジスターは緑色画素Ｇ毎に集積され、青色光感知素子５０Ｂ及び伝送トランジスターは青色画素Ｂ毎に集積され、赤色光感知素子５０Ｒ及び伝送トランジスターは赤色画素Ｒ毎に集積され、電荷保存所５５及び伝送トランジスターは赤外光感知画素Ｉ毎に集積される。電荷保存所５５は後述する赤外光光電素子９０に電気的に接続される。
緑色光感知素子５０Ｇ、青色光感知素子５０Ｂ、及び赤色光感知素子５０Ｒは、水平方向に離れて配置される。
光感知素子５０は光をセンシングし、センシングされた情報は伝送トランジスターにより転送され、電荷保存所５５は後述する赤外光光電素子９０に電気的に接続され、電荷保存所５５の情報は伝送トランジスターにより転送される。
半導体基板１１０の上には、金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成される。金属配線及びパッドは、信号の遅延を減らすために、低い比抵抗を有する金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びこれらの合金により作成されるが、これらに限定されない。金属配線及びパッドは光感知素子５０の下部に配設される。
金属配線及びパッドの上には、下部絶縁層６０が形成される。下部絶縁層６０は、例えば酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質で形成され、ＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質により作成される。下部絶縁層６０は、電荷保存所５５を露出させるトレンチを有する。トレンチは、充填材で充填される。下部絶縁層６０は省略可能である。
下部絶縁層６０の上には、カラーフィルター層７０が形成される。カラーフィルター層７０は、可視光感知画素に対応して形成され、各可視光感知画素に応じて可視光線波長領域のうちのそれぞれ異なる波長領域の光を選択的に透過させるカラーフィルターが形成される。例えば、緑色画素Ｇには約５００ｎｍ〜５８０ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する緑色光を選択的に透過させる緑色フィルター７０Ｇが形成され、青色画素Ｂには約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する青色光を選択的に透過させる青色フィルター７０Ｂが形成され、赤色画素Ｒには約５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する赤色光を選択的に透過させる赤色フィルター７０Ｒが形成される。
緑色フィルター７０Ｇは緑色波長領域の光を選択的に透過させて緑色光感知素子５０Ｇに伝え、青色フィルター７０Ｂは青色波長領域の光を選択的に透過させて青色光感知素子５０Ｂに伝え、赤色フィルター７０Ｒは赤色波長領域の光を選択的に透過させて赤色光感知素子５０Ｒに伝える。カラーフィルター層７０は、場合によって省略可能である。
カラーフィルター層７０の上には、上部絶縁層８０が形成される。上部絶縁層８０はカラーフィルター層７０による段差を除去して平坦化させる。上部絶縁層８０及び下部絶縁層６０は、パッドを露出させるコンタクト孔（図示せず）、及び電荷保存所５５を露出させるコンタクト孔８５を有する。
上部絶縁層８０の上には、画素電極９１が形成される。画素電極９１は、赤外光感知画素Ｉ内に画成され、赤外光感知画素Ｉ以外の赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ、及び青色画素Ｂには形成されない。
画素電極９１の上には、赤外線領域の光を選択的に吸収する赤外光吸収層９２が形成される。赤外線領域は、例えば、近赤外線領域、中間赤外線領域、及び遠赤外線領域をいずれも含む。
赤外光吸収層９２は約７００ｎｍ超で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する光を選択的に吸収する。例えば約７００ｎｍ超〜３μｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する光を選択的に吸収し、好ましくは約８００ｎｍ〜１５００ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する光を選択的に吸収する。赤外線波長領域を除く他の波長領域の光は赤外光吸収層９２をそのまま通過する。
赤外光吸収層９２は、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体を備え、ｐ型半導体及びｎ型半導体はｐｎ接合を形成する。ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は、赤外線領域の光を選択的に吸収し、赤外線波長領域の光を選択的に吸収して励起子を生成した後に、生成された励起子を正孔及び電子に分離して光電効果を生じさせる。
ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は一種以上の有機物質を含む。有機物質は、赤外線領域の光を選択的に吸収する物質であれば特に限定されるものではなく、例えば、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は、キノイド金属錯化合物（ｑｕｉｎｏｉｄ ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｌｅｘ）、シアニン化合物（ｃｙａｎｏｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、インモニウム化合物（ｉｍｍｏｎｉｕｍ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ジインモニウム化合物（ｄｉｉｍｍｏｎｉｕｍ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、トリアリールメタン化合物（ｔｒｉａｒｙｌｍｅｔｈａｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ジピロメテン化合物（ｄｉｐｙｒｒｏｍｅｔｈｅｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ジキノン化合物（ｄｉｑｕｉｎｏｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ナフトキノン化合物（ｎａｐｈｔｈｏｑｕｉｎｏｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、アントラキノン化合物（ａｎｔｈｒａｑｕｉｎｏｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、スクアリリウム化合物（ｓｑｕａｒｙｌｉｕｍ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、リレン化合物（ｒｙｌｅｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、フタロシアニン化合物（ｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ナフタロシアニン化合物（ｎａｐｈｔｈａｌｏｃｙａｎｉｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ペリレン化合物（ｐｅｒｙｌｅｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、スクアライン化合物（ｓｑｕａｒａｉｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ボロンジピロメテン化合物（ｂｏｒｏｎ−ｄｉｐｙｒｒｏｍｅｔｈｅｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ニッケル−ジチオール錯化合物（ｎｉｃｋｅｌ−ｄｉｔｈｉｏｌ ｃｏｍｐｌｅｘ）、メロシアニン化合物（ｍｅｒｏｃｙａｎｉｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ジケトピロロピロール化合物（ｄｉｋｅｔｏｐｙｒｒｏｌｏｐｙｒｒｏｌｅｓ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。例えば、ｐ型半導体は、メロシアニン、ジケトピロロピロール、ボロンジピロメテン化合物、ナフタロシアニン化合物、スクアライン化合物、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせであり、ｎ型半導体は、Ｃ６０、Ｃ７０、チオフェン、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせであるが、これらに限定されない。
赤外光吸収層９２は単一層であるか又は複数層である。赤外光吸収層９２は、例えば、真性層（Ｉ層）、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／ｎ型層などの様々な組み合わせである。
真性層（Ｉ層）はｐ型半導体及びｎ型半導体が約１：１００〜約１００：１の体積比で混合されて含まれる。例えば約１：５０〜５０：１の体積比で含まれ、好ましくは約１：１０〜１０：１の体積比で含まれ、より好ましくは約１：１の体積比で含まれる。ｐ型半導体及びｎ型半導体が上記範囲の組成比を有することにより、効果的な励起子の生成及びｐｎ接合の形成において有利である。ｐ型層はｐ型半導体を備え、ｎ型層はｎ型半導体を備える。
赤外光吸収層９２は約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。例えば約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する。上記範囲の厚さを有することにより赤外線領域の光が効果的に吸収され、正孔及び電子を効果的に分離及び転送することにより光電変換効率が効果的に改善される。
赤外光吸収層９２はイメージセンサー１００の全面に形成される。これにより、イメージセンサーの全面で赤外光が吸収され、その結果、光面積が増えて高い吸光効率を有する。
赤外光吸収層９３の上には、共通電極９３が形成される。共通電極９３は、赤外光吸収層９２の全面に形成されるか、又は画素電極９１に重なり合う領域に選択的に形成される。
画素電極９１及び共通電極９３のうちのいずれか一方はアノードであり、他方はカソードである。例えば、画素電極９１がアノードであり、共通電極９３がカソードである。
画素電極９１及び共通電極９３は両方とも透光電極又は半透光電極である。透光電極又は半透光電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）又は酸化インジウム亜鉛（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ）などの透明導電体により作成され、数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された金属薄膜又は金属酸化物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された単一層又は複数層の金属薄膜である。
画素電極９１及び共通電極９３のうちのいずれか一方は反射電極であり、例えば画素電極９１が反射電極である。反射電極は、例えば、アルミニウム、銅、銀などの不透明金属により作成される。
赤外光吸収層９２は、赤外光感知画素Ｉにおける画素電極９１と共通電極９３との間に配設された光電変換領域９２ａと、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ、及び青色画素Ｂに対応して配設された非光電変換領域９２ｂと、を備える。
画素電極９１及び共通電極９３と画素電極９１及び共通電極９３で仕切られた領域に配設された赤外線吸収層９２の光電変換領域９２ａは赤外光光電素子９０を形成する。即ち、共通電極９３側から光が入射して赤外光吸収層９２で赤外線波長領域の光を選択的に吸収すると、赤外光吸収層９２の光電変換領域９２ａで励起子が生成される。励起子は正孔及び電子に分離され、分離された正孔は画素電極９１及び共通電極９３のうちの一方のアノード側に移動し、分離された電子は画素電極９１及び共通電極９３のうちの一方のカソード側に移動して電流が流れる。分離された電子又は正孔は画素電極９１を介して電荷保存所５５に集められる。
赤外光吸収層９２の非光電変換領域９２ｂは、赤外線領域の光を選択的に吸収し、赤外線領域を除く他の残りの波長領域の光をそのまま通過させる。このため、赤外光吸収層９２の非光電変換領域９２ｂは、赤色画素Ｒ、緑色画素Ｇ、及び青色画素Ｂに対応して配設され、赤外線波長領域の光が緑色光感知素子５０Ｇ、青色光感知素子５０Ｂ、及び赤色光感知素子５０Ｒに流入することを遮断する赤外光ろ過層（ＩＲ ｆｉｌｔｅｒ ｌａｙｅｒ）としての役割を果たす。このため、イメージセンサーの外部に別途の赤外光ろ過フィルターを取り付ける必要がない。
共通電極９３の上には、集光レンズ（図示せず）が更に形成される。集光レンズは入射光の方向を制御して光を一つの個所に集める。集光レンズは、例えばシリンダー状又は半球状であるが、これに限定されない。
本実施形態によるイメージセンサーは、可視光領域の光を感知する可視光感知画素、及び赤外線領域の光を感知する赤外光感知素子を備えることにより、例えば約１１ｌｕｘ未満の低照度環境でイメージセンサーの感度及び輝度が急激に低下することを防ぎ、高感度特性及び高輝度特性を実現する。
また、可視光感知画素の上に赤外線吸収層９２を配置して可視光感知画素に流入する赤外線領域の光を予め遮断することにより、別途の赤外線ろ過フィルターを備える必要がない。
また、赤外光感知画素が可視光感知画素と分離されて、赤外光光電素子９０と電荷保存所５５との間の赤外光の信号転送構造が可視光感知画素を貫通しないことから、構造及び工程が単純化される。従来のように、可視光感知画素内に赤外光の信号転送構造が配設された場合、信号転送構造のための領域を確保するためにカラーフィルターの面積が減って各画素の開口率が下がり、工程が複雑になるが、本実施形態では、赤外光感知画素を別設することにより、可視光感知画素の開口率が十分に確保されて工程が単純化される。
更に、赤外光感知画素が可視光感知画素と分離されて、可視光感知画素に赤外光光電素子９０のための画素電極９１を形成しないことから、画素電極９１によって可視光の一部が吸収及び／又は反射されて可視光の透過度が下がることを防ぎ、可視光感知画素に流入する可視光透過度の減少及びこれによる効率の低下を防ぐことができる。
図４は、本発明の他の実施形態によるイメージセンサーの単位画素群を例示する平面図である。
図４を参照すると、本実施形態によるイメージセンサーの単位画素群２０は、上述した実施形態と同様に、二つの行及び二つの列（２×２）に配列された画素１ＰＸ１、画素２ＰＸ２、画素３ＰＸ３、及び画素４ＰＸ４からなる。しかし、本実施形態によるイメージセンサーの単位画素群２０は上述した実施形態とは異なり、画素１ＰＸ１、画素２ＰＸ２、画素３ＰＸ３、及び画素４ＰＸ４のうちの少なくとも一つの画素は、残りの画素と異なる面積を有する。
単位画素群２０の各画素の面積は必要に応じて種々に変更可能である。例えば、画素１ＰＸ１は、画素２ＰＸ２、画素３ＰＸ３、及び画素４ＰＸ４よりも大きい面積を有する。例えば、画素２ＰＸ２及び画素３ＰＸ３は同じ面積を有する。例えば、画素１ＰＸ１の面積が最も大きく、画素２ＰＸ２、画素３ＰＸ３、及び画素４ＰＸ４の面積が同じである。例えば、画素１ＰＸ１の面積が最も大きく、画素２ＰＸ２及び画素３ＰＸ３の面積が同じであり、画素４ＰＸ４の面積が最も小さい。例えば、画素１ＰＸ１の面積が最も大きく、画素２ＰＸ２及び画素３ＰＸ３の面積が最も小さく、画素４ＰＸ４の面積が画素１ＰＸ１の面積よりも小さく、且つ画素２ＰＸ２又は画素３ＰＸ３の面積よりも大きい。
例えば、画素１ＰＸ１は緑色画素Ｇであり、画素２ＰＸ２は青色画素Ｂであり、画素３ＰＸ３は赤色画素Ｒであり、画素４ＰＸ４は可視光感知画素Ｉである。例えば、緑色画素Ｇは、赤色画素Ｒ、青色画素Ｂ、及び赤外光感知画素Ｉよりも大きい面積を有する。例えば、赤色画素Ｒ及び青色画素Ｂは同じ面積を有する。例えば、緑色画素Ｇの面積が最も大きく、赤色画素Ｒ、青色画素Ｂ、及び赤外光感知画素Ｉの面積が同じである。例えば、緑色画素Ｇの面積が最も大きく、赤色画素Ｒ及び青色画素Ｂの面積が同じであり、赤外光感知画素Ｉの面積が最も小さい。例えば、緑色画素Ｇの面積が最も大きく、赤色画素Ｒ及び青色画素Ｂの面積が最も小さく、赤外光感知画素Ｉの面積が緑色画素Ｇの面積よりも小さく、且つ赤色画素Ｒ又は青色画素Ｂの面積よりも大きい。
このように、単位画素群２０の各画素の面積を異ならせることで、たとえ赤外光感知画素Ｉにより可視光感知画素の面積が減っても、可視光感知画素の比率を調節することによって可視光感知効率の減少を防ぐことができ、高解像度のイメージセンサーが実現される。
以下、本発明の他の実施形態によるイメージセンサーについて説明する。
本実施形態によるイメージセンサーは、上述した実施形態によるイメージセンサーと同様に、複数の画素からなる単位画素群が行及び列に沿って繰り返し配列されたマトリックス状の画素配列を有する。
単位画素群は一つ又は二つ以上の画素を含む可視光感知画素及び赤外光感知画素を含む。
可視光感知画素は、約５００ｎｍ〜５８０ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する可視光を感知する画素、約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する可視光を感知する画素、及び約５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する可視光を感知する画素のうちのいずれか一つ又は二つを含む。例えば、可視光感知画素は、緑色光感知素子を備える緑色画素Ｇ、青色光感知素子を備える青色画素Ｂ、及び赤色光感知素子を備える赤色画素Ｒのうちのいずれか一つ又は二つを含む。
例えば、可視光感知画素は、青色光感知素子を備える青色画素Ｂ及び赤色光感知素子を備える赤色画素Ｒを含み、青色画素Ｂ、赤色画素Ｒ、及び赤外光感知画素Ｉを含む単位画素群が行及び列に沿って交互に配列される。単位画素群に含まれる画素の数は様々であり、例えば単位画素群は９個の画素を含むが、これに限定されない。例えば、単位画素群が９個の画素を含む場合、四つの青色画素Ｂ、四つの赤色画素Ｒ、及び一つの赤外光感知画素Ｉが三つの行及び三つの列（３×３）に配列されるが、これに限定されない。
上述した実施形態とは異なり、本実施形態によるイメージセンサーは、可視光感知画素のうちの一つが省略され、省略された画素の光感知素子は垂直方向に積層される。従って、解像度及び感度を低下させずに、イメージセンサーの面積を減らすことができる。
赤外光感知画素は約７００ｎｍ超で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する赤外光を選択的に感知する画素である。例えば約７００ｎｍ超〜３μｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有し、好ましくは約８００ｎｍ〜１５００ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する。
図５は、本発明の他の実施形態によるイメージセンサーを概略的に示す断面図である。
図５を参照すると、本実施形態によるイメージセンサー２００は、半導体基板１１０、下部絶縁層６０、カラーフィルター層７０、上部絶縁層８０、及び赤外光光電素子９０を備える。
半導体基板１１０は、シリコン基板であり、光感知素子５０、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷保存所５５、５６Ｇが集積される。光感知素子５０は、例えばフォトダイオードである。
上述した実施形態とは異なり、光感知素子５０は赤色光感知素子５０Ｒ及び青色光感知素子５０Ｂを備える。例えば、赤色光感知素子５０Ｒ及び伝送トランジスターは赤色画素Ｒ毎に集積され、青色光感知素子５０Ｂ及び伝送トランジスターは青色画素Ｂ毎に集積される。青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒは水平方向に離れている。
光感知素子５０は光をセンシングし、センシングされた情報は伝送トランジスターにより転送される。電荷保存所５５は後述する赤外光光電素子９０に電気的に接続され、電荷保存所５５の情報は伝送トランジスターにより転送される。電荷保存所５６Ｇは後述する緑色光電素子３０Ｇに電気的に接続され、電荷保存所５６Ｇの情報は伝送トランジスターにより転送される。
半導体基板１１０の上には、金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成される。金属配線及びパッドは、信号の遅延を低減させるために、低い比抵抗を有する金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びこれらの合金により作成されるが、これらに限定されない。金属配線及びパッドは光感知素子５０の下部に配設される。
金属配線及びパッドの上には、下部絶縁層６０が形成される。下部絶縁層６０は、酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質で形成され、ＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質により作成される。下部絶縁層６０は電荷保存所５５、５６Ｇを露出させるトレンチ及び／又はコンタクト孔を有する。トレンチ及び／又はコンタクト孔は充填材により充填される。下部絶縁層６０は省略可能である。
下部絶縁層６０の上には、カラーフィルター層７０が形成される。カラーフィルター層７０は、可視光感知画素に対応して形成され、各可視光感知画素に応じて可視光線波長領域のうちの互いに異なる波長領域の光を選択的に透過させるカラーフィルターが形成される。例えば、青色画素Ｂには約４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する青色光を選択的に透過させる青色フィルター７０Ｂが形成され、赤色画素Ｒには約５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する赤色光を選択的に透過させる赤色フィルター７０Ｒが形成される。
青色フィルター７０Ｂは青色波長領域の光を選択的に透過させて青色光感知素子５０Ｂに転送し、赤色フィルター７０Ｒは赤色波長領域の光を選択的に透過させて赤色光感知素子５０Ｒに転送する。カラーフィルター層７０は、場合によって省略可能である。
カラーフィルター層７０の上には、中間絶縁層６５が形成される。中間絶縁層６５はカラーフィルター層７０による段差を除去して平坦化させる。中間絶縁層６５及び下部絶縁層６０は、パッドを露出させるコンタクト孔（図示せず）、及び電荷保存所５５、５６Ｇを露出させるコンタクト孔を有する。
中間絶縁層６５の上には、緑色光電素子３０Ｇが形成される。緑色光電素子３０Ｇは緑色波長領域の光を選択的に感知する。
緑色光電素子３０Ｇは、対向する画素電極３１及び共通電極３３と、画素電極３１と共通電極３３との間に配設された緑色光吸収層３２Ｇと、を備える。画素電極３１及び共通電極３３のうちのいずれか一方はアノードであり、他方はカソードである。
画素電極３１及び共通電極３３は両方とも透光電極であり、透光電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）又は酸化インジウム亜鉛（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ）などの透明導電体により作成され、数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された金属薄膜又は金属酸化物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された単一層又は複数層の金属薄膜である。
緑色光吸収層３２Ｇは、緑色波長領域の光を選択的に吸収し、緑色波長領域ではない他の波長領域、即ち青色波長領域及び赤色波長領域の光をそのまま通過させる。緑色光吸収層３２Ｇは、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体を備え、ｐ型半導体及びｎ型半導体はｐｎ接合を形成する。ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は、緑色波長領域の光を選択的に吸収し、緑色波長領域の光を選択的に吸収して励起子を生成した後に、生成された励起子を正孔及び電子に分離して光電効果を生じさせる。緑色光吸収層３０Ｇは緑色フィルターに取って代わる。
ｐ型半導体及びｎ型半導体は、それぞれ、例えば約２．０〜２．５ｅＶのエネルギーバンドギャップを有し、ｐ型半導体及びｎ型半導体は、例えば約０．２〜０．７ｅＶのＬＵＭＯ差を有する。
ｐ型半導体は、例えば、キナクリドン又はその誘導体、サブフタロシアニン又はその誘導体であり、ｎ型半導体は、例えば、チオフェン誘導体、シアノビニル基を有するチオフェン誘導体、フラーレン又はフラーレン誘導体であるが、これに限定されない。
緑色光吸収層３２Ｇは単一層であるか又は複数層である。緑色光吸収層３２Ｇは、例えば、真性層（Ｉ層）、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／ｎ型層などの様々な組み合わせである。
真性層（Ｉ層）はｐ型半導体及びｎ型半導体が約１：１００〜約１００：１の体積比で混合されて含まれる。例えば約１：５０〜５０：１の体積比で含まれ、好ましくは約１：１０〜１０：１の体積比で含まれ、より好ましくは約１：１の体積比で含まれる。ｐ型半導体及びｎ型半導体が上記範囲の組成比を有することにより、効果的な励起子の生成及びｐｎ接合の形成において有利である。ｐ型層はｐ型半導体を備え、ｎ型層はｎ型半導体を備える。
緑色光吸収層３２Ｇは約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。例えば約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する。上記範囲の厚さを有することにより光が効果的に吸収され、正孔及び電子を効果的に分離及び転送することにより光電変換効率が効果的に改善される。
緑色光吸収層３０Ｇはイメージセンサーの全面に形成される。これにより、イメージセンサーの全面で光が吸収され、その結果、光面積が増えて高い吸光効率を有する。
緑色光電素子３０Ｇは、共通電極３３側から光が入射して緑色光吸収層３２Ｇが緑色波長領域の光を吸収すると、内部で励起子が生成される。励起子は緑色光吸収層３２Ｇで正孔及び電子に分離され、分離された正孔は画素電極３１及び共通電極３２のうちのいずれか一方のアノード側に移動し、分離された電子は画素電極３１及び共通電極３２のうちの他方のカソード側に移動して電流が流れる。分離された電子又は正孔は電荷保存所５６Ｇに集められる。緑色波長領域を除く他の残りの波長領域の光は画素電極３１及びカラーフィルター層７０を通過して青色光感知素子５０Ｂ又は赤色光感知素子５０Ｒでセンシングされる。
緑色光電素子３０Ｇの上には、上部絶縁層８０が形成される。上部絶縁層８０は、例えば酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質で形成され、ＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質により作成される。上部絶縁層８０は省略可能である。
上部絶縁層８０の上には、画素電極９１が形成される。画素電極９１は、赤外光感知画素Ｉ内に区切られており、赤外光感知画素Ｉ以外の赤色画素Ｒ及び青色画素Ｂには形成されない。
画素電極９１の上には、赤外線領域の光を選択的に吸収する赤外光吸収層９２が形成される。赤外線領域は、例えば、近赤外線領域、中間赤外線領域、及び遠赤外線領域をいずれも含む。
赤外光吸収層９２は約７００ｎｍ超で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する光を選択的に吸収する。例えば約７００ｎｍ超〜３μｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する光を選択的に吸収し、好ましくは約８００ｎｍ〜１５００ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する光を選択的に吸収する。
赤外光吸収層９２は、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体を備え、ｐ型半導体及びｎ型半導体はｐｎ接合を形成する。ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は、赤外線領域の光を選択的に吸収し、赤外線波長領域の光を選択的に吸収して励起子を生成した後に、生成された励起子を正孔及び電子に分離して光電効果を生じさせる。
ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は一種以上の有機物質を含む。例えば、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は、キノイド金属錯化合物、シアニン化合物、インモニウム化合物、ジインモニウム化合物、トリアリールメタン化合物、ジピロメテン化合物、ジキノン化合物、ナフトキノン化合物、アントラキノン化合物、スクアリリウム化合物、リレン化合物、フタロシアニン化合物、ナフタロシアニン化合物、ペリレン化合物、スクアライン化合物、ボロンジピロメテン化合物、ニッケル−ジチオール錯化合物、メロシアニン化合物、ジケトピロロピロール化合物、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。例えば、ｐ型半導体は、メロシアニン、ジケトピロロピロール、ボロンジピロメテン化合物、ナフタロシアニン化合物、スクアライン化合物、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせであり、ｎ型半導体は、Ｃ６０、Ｃ７０、チオフェン、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせであるが、これらに限定されない。
赤外光吸収層９２は単一層であるか又は複数層である。赤外光吸収層９２は、例えば、真性層（Ｉ層）、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／ｎ型層などの様々な組み合わせである。
真性層（Ｉ層）はｐ型半導体及びｎ型半導体が約１：１００〜約１００：１の体積比で混合されて含まれる。例えば約１：５０〜５０：１の体積比で含まれ、好ましくは約１：１０〜１０：１の体積比で含まれ、より好ましくは約１：１の体積比で含まれる。ｐ型半導体及びｎ型半導体が上記範囲の組成比を有することにより、効果的な励起子の生成及びｐｎ接合の形成において有利である。ｐ型層はｐ型半導体を備え、ｎ型層はｎ型半導体を備える。
赤外光吸収層９２は約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。例えば約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する。上記範囲の厚さを有することにより、赤外線領域の光が効果的に吸収され、正孔及び電子を効果的に分離及び転送することにより光電変換効率が効果的に改善される。
赤外光吸収層９２はイメージセンサー１００の全面に形成される。これにより、イメージセンサーの全面で赤外光が吸収され、その結果、光面積が増えて高い吸光効率を有する。
赤外光吸収層９２の上には、共通電極９３が形成される。共通電極９３は、赤外光吸収層９２の全面に形成されるか、又は画素電極９１に重なり合う領域に選択的に形成される。
画素電極９１及び共通電極９３のうちのいずれか一方はアノードであり、他方はカソードである。例えば、画素電極９１がアノードであり、共通電極９３がカソードである。
画素電極９１及び共通電極９３は両方とも透光電極又は半透光電極である。透光電極又は半透光電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）又は酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの透明導電体により作成され、数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された金属薄膜又は金属酸化物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された単一層又は複数層の金属薄膜である。
画素電極９１及び共通電極９３のうちのいずれか一方は反射電極であり、例えば画素電極９１が反射電極である。反射電極は、例えば、アルミニウム、銅、銀などの不透明金属により作成される。
赤外光吸収層９２は、赤外光感知画素Ｉにおける画素電極９１と共通電極９３との間に配設された光電変換領域９２ａと、緑色画素Ｇと赤色画素Ｒ及び青色画素Ｂに対応して配設された非光電変換領域９２ｂと、を備える。
画素電極９１及び共通電極９３と画素電極９１及び共通電極９３で仕切られた領域に配設された赤外線吸収層９２の光電変換領域９２ａは赤外光光電素子９０を形成する。即ち、共通電極９３側から光が入射して赤外光吸収層９２で赤外線波長領域の光を選択的に吸収すると、赤外光吸収層９２の光電変換領域９２ａで励起子が生成される。励起子は正孔及び電子に分離され、分離された正孔は画素電極９１及び共通電極９２のうちの一方のアノード側に移動し、分離された電子は画素電極９１及び共通電極９２のうちの一方のカソード側に移動して電流が流れる。分離された電子又は正孔は画素電極９１を介して電荷保存所５５に集められる。
赤外光吸収層９２の非光電変換領域９２ｂは、赤外線領域の光を選択的に吸収し、赤外線領域を除く他の残りの波長領域の光をそのまま通過させる。このため、赤外光吸収層９２の非光電変換領域９２ｂは、緑色画素Ｇと赤色画素Ｒ及び青色画素Ｂに対応して配設され、赤外線波長領域の光が緑色光電素子３０Ｇと青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒに流入することを遮断する赤外光ろ過層としての役割を果たす。
共通電極９３の上には、集光レンズ（図示せず）が更に形成される。集光レンズは入射光の方向を制御して光を一つの地点に集める。集光レンズは、例えばシリンダー状又は半球状であるが、これに限定されない。
本実施形態では、半導体基板１１０内に集積された赤色光感知素子５０Ｒ及び青色光感知素子５０Ｂを例示し、イメージセンサーの全面に配設された緑色光電素子３０Ｇを例にとって説明しているが、これに限定されるものではなく、半導体基板１１０内に赤色光感知素子５０Ｒ及び緑色光感知素子が集積されてイメージセンサーの全面に青色光電素子が配置されるか、又は半導体基板１１０内に青色光感知素子５０Ｂ及び緑色光感知素子が集積されてイメージセンサーの全面に赤色光電素子が配置され得る。
本実施形態によるイメージセンサーは、上述した実施形態によるイメージセンサーの利点に加えて、可視光感知画素のうちの一つが省略され、省略された画素の光感知素子を垂直方向に積層する。従って、解像度及び感度を低下させずに、イメージセンサーの面積を減らすことができる。
以下、本発明の他の実施形態によるイメージセンサーの変形例について説明する。
図６は、本発明の他の実施形態によるイメージセンサーの変形例を概略的に示す断面図である。
図６を参照すると、本実施形態によるイメージセンサー３００は、半導体基板１１０、下部絶縁層６０、緑色光電素子３０Ｇ、上部絶縁層８０、及び赤外光光電素子９０を備える。
半導体基板１１０は、シリコン基板であり、光感知素子５０、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷保存所５５、５６Ｇが集積される。光感知素子５０は、例えばフォトダイオードである。
光感知素子５０は、青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒを備え、上述した実施形態とは異なり、青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒが垂直方向に離れている。青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒは積層深さに応じて各波長領域の光を選択的に吸収する。
半導体基板１１０の上には、金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成され、金属配線及びパッドの上には、下部絶縁層６０が形成される。下部絶縁層６０は電荷保存所５５、５６Ｇを露出させるコンタクト孔を有する。
上述した実施形態とは異なり、下部絶縁層６０の上には、カラーフィルター層が省略される。上述したように、青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒは、積層深さに応じて各波長領域の光を選択的に吸収するため、可視光線波長領域の光を画素別に分離するためのカラーフィルターを別途に必要としない。
下部絶縁層６０の上には、緑色光電素子３０Ｇが形成される。緑色光電素子３０Ｇは緑色波長領域の光を選択的に感知する。
緑色光電素子３０Ｇは、対向する画素電極３１及び共通電極３３と、画素電極３１と共通電極３３との間に配設された緑色光吸収層３２Ｇと、を備える。具体的な内容は上述した通りである。
緑色光電素子３０Ｇの上には、上部絶縁層８０が形成される。上部絶縁層８０の上には、赤外光感知画素Ｉ内に画成された画素電極９１が形成される。画素電極９１の上には、赤外線領域の光を選択的に吸収する赤外光吸収層９２及び共通電極９３がこの順に形成される。
赤外光吸収層９２は、赤外光感知画素Ｉにおける画素電極９１と共通電極９３との間に配設された光電変換領域９２ａと、緑色画素Ｇと赤色画素Ｒ及び青色画素Ｂに対応して配設された非光電変換領域９２ｂと、を備える。赤外光吸収層９２の光電変換領域９２ａは画素電極９１及び共通電極９３と共に赤外光光電素子９０を形成し、赤外光吸収層９２の非光電変換領域９２ｂは赤外線波長領域の光が緑色光電素子３０Ｇと青色光感知素子５０Ｂ及び赤色光感知素子５０Ｒに流入することを遮断する赤外光ろ過層としての役割を果たす。
共通電極９３の上には、集光レンズ（図示せず）が更に形成される。集光レンズは入射光の方向を制御して光を一つの地点に集める。集光レンズは、例えばシリンダー状又は半球状であるが、これに限定されない。
本実施形態では、半導体基板１１０内に集積された赤色光感知素子５０Ｒ及び青色光感知素子５０Ｂを例示し、イメージセンサーの全面に配設された緑色光電素子３０Ｇを例にとって説明しているが、これに限定されるものではなく、半導体基板１１０内に赤色光感知素子５０Ｒ及び緑色光感知素子が集積されてイメージセンサーの全面に青色光電素子が配置されるか、又は半導体基板１１０内に青色光感知素子５０Ｂ及び緑色光感知素子が集積されてイメージセンサーの全面に赤色光電素子が配置され得る。
上述したように、緑色波長領域の光を選択的に吸収する緑色光電素子が積層された構造を有し、且つ赤色光感知素子及び青色光感知素子が積層された構造を有することにより、イメージセンサーが小型化されてコンパクトなイメージセンサーが実現される。なお、上述したように、別途の赤外光感知画素を設けることにより、低照度環境でイメージセンサーの感度及び輝度が急激に低下することを防ぎ、高感度特性及び高輝度特性が実現される。
以下、本発明の更に他の実施形態によるイメージセンサーについて説明する。
本実施形態によるイメージセンサーもまた、上述した実施形態と同様に、複数の画素からなる単位画素群が行及び列に沿って繰り返し配列されたマトリックス状の画素配列を有する。
単位画素群は可視光感知画素ＲＧＢ及び赤外光感知画素Ｉを含む。例えば、可視光感知画素ＲＧＢは、後述する緑色光電素子、青色光電素子、及び赤色光電素子にそれぞれ接続された電荷保存所を有する画素であり、後述するように、緑色光電素子、青色光電素子、及び赤色光電素子が積層される。
可視光感知画素ＲＧＢ及び赤外光感知画素Ｉを含む単位画素群は、行及び列に沿って交互に配列され、単位画素群に含まれる画素の数は様々である。例えば、単位画素群は二つの画素を含むが、これに限定されない。例えば、単位画素群が二つの画素を含む場合、一つの可視光感知画素ＲＧＢ及び一つの赤外光感知画素Ｉが一つの行及び二つの列（１×２）又は二つの行及び一つの列（２×１）に配列されるが、これに限定されない。
図７は、本発明の更に他の実施形態によるイメージセンサーを概略的に示す断面図である。
図７を参照すると、本実施形態によるイメージセンサー４００は、半導体基板１１０、下部絶縁層６０、第１の中間絶縁層６５、第２の中間絶縁層７５、上部絶縁層８０、緑色光電素子３０Ｇ、青色光電素子３０Ｂ、赤色光電素子３０Ｒ、及び赤外光光電素子９０を備える。
半導体基板１１０は、シリコン基板であり、伝送トランジスター（図示せず）及び電荷保存所５５、５６Ｇ、５６Ｂ、５６Ｒが集積される。
半導体基板１１０の上には、金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成され、金属配線及びパッドの上には、下部絶縁層６０が形成される。
下部絶縁層６０の上には、赤色光電素子３０Ｒが形成される。赤色光電素子３０Ｒは赤色波長領域の光を選択的に感知する。
赤色光電素子３０Ｒは、対向する画素電極３７及び共通電極３９と、画素電極３７と共通電極３９との間に配設された赤色光吸収層３８Ｒと、を備える。画素電極３７及び共通電極３９のうちのいずれか一方はアノードであり、他方はカソードである。
画素電極３７及び共通電極３９は両方とも透光電極であり、透光電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの透明導電体により作成され、数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された金属薄膜又は金属酸化物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された単一層又は複数層の金属薄膜である。
赤色光吸収層３８Ｒは赤色波長領域の光を選択的に吸収する。赤色光吸収層３８Ｒは、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体を備え、ｐ型半導体及びｎ型半導体はｐｎ接合を形成する。ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は、赤色波長領域の光を選択的に吸収し、赤色波長領域の光を選択的に吸収して励起子を生成した後に、生成された励起子を正孔及び電子に分離して光電効果を生じさせる。赤色光吸収層３８Ｒは赤色フィルターに取って代わる。
赤色光吸収層３８Ｒは単一層であるか又は複数層である。赤色光吸収層３８Ｒは、例えば、真性層（Ｉ層）、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／ｎ型層などの様々な組み合わせである。真性層はｐ型半導体及びｎ型半導体を両方とも備え、ｐ型層はｐ型半導体を備え、ｎ型層はｎ型半導体を備える。
赤色光吸収層３８Ｒは約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。例えば約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する。上記範囲の厚さを有することにより光が効果的に吸収され、正孔及び電子を効果的に分離及び転送することにより光電変換効率が効果的に改善される。
赤色光吸収層３８Ｒは、イメージセンサーの全面に形成される。これにより、イメージセンサーの全面で光が吸収され、その結果、光面積が増えて高い吸光効率を有する。
赤色光電素子３０Ｒは、共通電極３９側から光が入射して赤色光吸収層３８Ｒが赤色波長領域の光を吸収すると、内部で励起子が生成される。励起子は赤色光吸収層３８Ｒで正孔及び電子に分離され、分離された正孔は画素電極３７及び共通電極３９のうちのいずれか一方のアノード側に移動し、分離された電子は画素電極３７及び共通電極３９のうちの他方のカソード側に移動して電流が流れる。分離された電子又は正孔は電荷保存所５６Ｒに集められる。
赤色光電素子３０Ｒの上には、第１の中間絶縁層６５が形成される。第１の中間絶縁層６５は、例えば酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質で形成され、ＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質により作成される。
第１の中間絶縁層６５の上には、青色光電素子３０Ｂが形成される。
青色光電素子３０Ｂは青色波長領域の光を選択的に感知する。青色光電素子３０Ｂは、対向する画素電極３４及び共通電極３６と、画素電極３４と共通電極３６との間に配設された青色光吸収層３５Ｂと、を備える。画素電極３４及び共通電極３６のうちのいずれか一方はアノードであり、他方はカソードである。
画素電極３４及び共通電極３６は両方とも透光電極であり、透光電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）又は酸化インジウム亜鉛（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ：ＩＺＯ）などの透明導電体により作成され、数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された金属薄膜又は金属酸化物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの厚さの薄い厚さに形成された単一層又は複数層の金属薄膜である。
青色光吸収層３５Ｂは青色波長領域の光を選択的に吸収する。青色光吸収層３５Ｂは、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体を備え、ｐ型半導体及びｎ型半導体はｐｎ接合を形成する。ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも一方は青色波長領域の光を選択的に吸収し、青色波長領域の光を選択的に吸収して励起子を生成した後に、生成された励起子を正孔及び電子に分離して光電効果を生じさせる。青色光吸収層３５Ｂは青色フィルターに取って代わる。
青色光吸収層３５Ｂは単一層であるか又は複数層である。青色光吸収層３５Ｂは、例えば、真性層（Ｉ層）、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／ｎ型層などの様々な組み合わせである。真性層はｐ型半導体及びｎ型半導体を両方とも備え、ｐ型層はｐ型半導体を備え、ｎ型層はｎ型半導体を備える。
青色光吸収層３５Ｂは約１ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。例えば約５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さを有する。上記範囲の厚さを有することにより光が効果的に吸収され、正孔及び電子を効果的に分離及び転送することにより光電変換効率が効果的に改善される。
青色光吸収層３５Ｂはイメージセンサーの全面に形成される。これにより、イメージセンサーの全面で光が吸収され、その結果、光面積が増えて高い吸光効率を有する。
青色光電素子３０Ｂは、共通電極３６側から光が入射して青色光吸収層３５Ｂが青色波長領域の光を吸収すると、内部で励起子が生成される。励起子は青色光吸収層３５Ｂで正孔及び電子に分離され、分離された正孔は画素電極３４及び共通電極３６のうちのいずれか一方のアノード側に移動し、分離された電子は画素電極３４及び共通電極３６のうちの他方のカソード側に移動して電流が流れる。分離された電子又は正孔は電荷保存所５６Ｂに集められる。
青色光電素子３０Ｂの上には、第２の中間絶縁層７５が形成される。第２の中間絶縁層７５は、例えば酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質で形成され、ＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質により作成される。
下部絶縁層６０、第１の中間絶縁層６５、及び第２の中間絶縁層７５は、電荷保存所５５、５６Ｇ、５６Ｂ、５６Ｒを露出させるトレンチ及び／又はコンタクト孔を有する。
第２の中間絶縁層７５の上には、緑色光電素子３０Ｇが形成される。緑色光電素子３０Ｇは緑色波長領域の光を選択的に感知する。
緑色光電素子３０Ｇは、対向する画素電極３１及び共通電極３３と、画素電極３１と共通電極３３との間に配設された緑色光吸収層３２Ｇと、を備える。具体的な内容は上述した通りである。
緑色光電素子３０Ｇの上には、上部絶縁層８０が形成される。上部絶縁層８０は、電荷保存所５５を露出させるトレンチ及び／又はコンタクト孔〔図示せず〕を有する。
上部絶縁層８０の上には、赤外光感知画素Ｉ内に画成された画素電極９１が形成される。画素電極９１の上には、赤外線領域の光を選択的に吸収する赤外光吸収層９２及び共通電極９３がこの順に形成される。
画素電極９１は、赤外光感知画素Ｉ内に画成され、赤外光感知画素Ｉ以外の可視光感知画素ＲＧＢには形成されない。
赤外光吸収層９２は、赤外光感知画素Ｉにおける画素電極９１と共通電極９３との間に配設された光電変換領域９２ａと、可視光感知画素ＲＧＢに対応して配設された非光電変換領域９２ｂと、を備える。赤外光吸収層９２の光電変換領域９２ａは画素電極９１及び共通電極９３と共に赤外光光電素子９０を形成し、赤外光吸収層９２の非光電変換領域９２ｂは、赤外線波長領域の光が緑色光電素子３０Ｇ、青色光電素子３０Ｂ、及び赤色光電素子３０Ｒに流入することを遮断する赤外光ろ過層としての役割を果たす。
共通電極９３の上には、集光レンズ（図示せず）が更に形成される。集光レンズは入射光の方向を制御して光を一つの地点に集める。集光レンズは、例えばシリンダー状又は半球状であるが、これに限定されない。
本実施形態では、赤色光電素子３０Ｒ、青色光電素子３０Ｂ、及び緑色光電素子３０Ｇがこの順に積層された構造を例示しているが、これに限定されるものではなく、積層順序は種々に変更可能である。
上述した実施形態とは異なり、本実施形態によるイメージセンサーは、半導体基板１１０に集積された光感知素子及びカラーフィルター層を省略し、赤色光電素子３０Ｒ、青色光電素子３０Ｂ、及び緑色光電素子３０Ｇが垂直方向に積層される。このため、本実施形態によるイメージセンサーは、赤色画素、緑色画素、及び青色画素が一つの可視光感知画素に取って代わり、その結果、イメージセンサーの面積が大幅に減る。
また、上述したように、別途の赤外光感知画素を設けることにより、低照度環境においてイメージセンサーの感度及び輝度が急激に低下することを防ぎ、高感度特性及び高輝度特性が実現される。
上述したイメージセンサーは様々な電子装置に適用可能であり、例えば、モバイル電話、デジタルカメラ、生体認識センサーなどに適用可能であるが、これらに限定されない。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施形態から逸脱しない範囲内で多様な変更実施することが可能である。
１０、２０ 単位画素群
３０Ｇ 緑色光電素子
３０Ｂ 青色光電素子
３０Ｒ 赤色光電素子
３１、３４、３７、９１ 画素電極
３２Ｇ 緑色光吸収層
３３、３６、３９、９３ 共通電極
３５Ｂ 青色光吸収層
３８Ｒ 赤色光吸収層
５０ 光感知素子
５０Ｂ 青色光感知素子
５０Ｒ 赤色光感知素子
５０Ｇ 緑色光感知素子
５５、５６Ｇ、５６Ｂ、５６Ｒ 電荷保存所
６０ 下部絶縁層
６５、７５ 中間絶縁層
７０ カラーフィルター層
７０Ｒ 赤色フィルター
７０Ｇ 緑色フィルター
７０Ｂ 青色フィルター
８０ 上部絶縁層
８５ コンタクト孔
９０ 赤外光光電素子
９２ 赤外光吸収層
９２ａ 光電変換領域
９２ｂ 非光電変換領域
１００、２００、３００、４００ イメージセンサー
１１０ 半導体基板

Claims (23)

  1. 複数の画素からなる単位画素群が行及び列に沿って繰り返し配列され、
    前記単位画素群は、
    可視光線波長領域の光を感知する少なくとも一つの第１の画素と、
    赤外線波長領域の光を感知する第２の画素と、を備え、
    前記第２の画素は、前記第２の画素内に区画された第１の光電素子を備え、
    前記第１の光電素子は、
    対向する第１の電極及び第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設されて赤外線領域の光を選択的に吸収する赤外光吸収層と、を備えることを特徴とするイメージセンサー。
  2. 前記赤外光吸収層は、
    前記単位画素群の全面に配設され、
    前記第２の画素における前記第１の電極と前記第２の電極との間に配設されて前記第１の光電素子を形成する光電変換領域と、
    前記第１の画素に対応して配設された非光電変換領域と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
  3. 前記赤外光吸収層は、少なくとも一種の有機物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
  4. 前記赤外光吸収層は、キノイド金属錯化合物、シアニン化合物、インモニウム化合物、ジインモニウム化合物、トリアリールメタン化合物（ｔｒｉａｒｙｌｍｅｔｈａｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、ジピロメテン化合物、ジキノン化合物、ナフトキノン化合物、アントラキノン化合物、スクアリリウム化合物、リレン化合物、フタロシアニン化合物、ナフタロシアニン化合物、ペリレン化合物、スクアライン化合物、ボロンジピロメテン化合物、ニッケル−ジチオール錯化合物、メロシアニン化合物、ジケトピロロピロール化合物、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサー。
  5. 前記第１の画素は、可視光線波長領域のうちのそれぞれ異なる波長領域の光を感知する第３の画素、第４の画素、及び第５の画素を含み、
    前記第３の画素は、５００ｎｍ〜５８０ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第１の可視光を選択的に感知する第１の光感知素子を備え、
    前記第４の画素は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第２の可視光を選択的に感知する第２の光感知素子を備え、
    前記第５の画素は、５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第３の可視光を選択的に感知する第３の光感知素子を備えることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
  6. 前記第１の画素は、前記第１の光感知素子と重なり合って前記第１の可視光を選択的に透過させる第１のカラーフィルター、前記第２の光感知素子と重なり合って前記第２の可視光を選択的に透過させる第２のカラーフィルター、及び前記第３の光感知素子と重なり合って前記第３の可視光を選択的に透過させる第３のカラーフィルターを備え、
    前記第２の画素は、カラーフィルターを備えないことを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサー。
  7. 前記第１〜第３の光感知素子は、シリコン基板内に集積されていることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサー。
  8. 前記第１〜第３の光感知素子は、水平方向に離れて配置されていることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサー。
  9. 前記第１の光電素子は、前記第１〜第３の光感知素子よりも光が入射する側の近くに配置されていることを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサー。
  10. 前記第２の画素、前記第３〜第５の画素のうちの少なくとも一つは、他の残りの画素と異なる面積を有することを特徴とする請求項５に記載のイメージセンサー。
  11. 前記第３の画素は、前記第２の画素、前記第４の画素及び前記第５の画素よりも大きい面積を有することを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサー。
  12. 前記第４の画素及び前記第５の画素は、同じ面積を有することを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサー。
  13. 前記第１の光電素子の一方の面に配設された第２の光電素子を更に備え、
    前記第２の光電素子は、
    対向する第３の電極及び第４の電極と、
    前記第３の電極と前記第４の電極との間に配設され、５００ｎｍ〜５８０ｎｍで最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第１の可視光を選択的に吸収する有機光電変換層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
  14. 前記第１の画素は、可視光線波長領域のうちの互いに異なる波長領域の光を感知する第４の画素及び第５の画素を含み、
    前記第４の画素は、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第２の可視光を選択的に感知する第２の光感知素子を備え、
    前記第５の画素は、５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第３の可視光を選択的に感知する第３の光感知素子を備えることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサー。
  15. 前記第１の光電素子は、前記第２の光電素子よりも光が入射する側の近くに配置され、
    前記第２の光電素子は、前記第２の光感知素子及び第３の光感知素子よりも光が入射する側の近くに配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  16. 前記第１の画素は、前記第２の光感知素子と重なり合って前記第２の可視光を選択的に透過させる第２のカラーフィルター、及び前記第３の光感知素子と重なり合って前記第３の可視光を選択的に透過させる第３のカラーフィルターを備え、
    前記第２の画素は、カラーフィルターを備えないことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  17. 前記第２の光感知素子及び前記第３の光感知素子は、シリコン基板内に集積されていることを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサー。
  18. 前記第２の光感知素子及び前記第３の光感知素子は、水平方向に離れて配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサー。
  19. 前記第２の光感知素子及び前記第３の光感知素子は、垂直方向に離れて配置されていることを特徴とする請求項１７に記載のイメージセンサー。
  20. 前記第２の光電素子の一方の面に配設された第３の光電素子及び第４の光電素子を更に備え、
    前記第３の光電素子は、
    対向する第５の電極及び第６の電極と、
    前記第５の電極と前記第６の電極との間に配設され、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第２の可視光を選択的に吸収する有機光電変換層と、を備え、
    前記第４の光電素子は、
    対向する第７電極及び第８電極と、
    前記第７電極と前記第８電極との間に配設され、５８０ｎｍ超７００ｎｍ以下で最大の吸収波長（λｍａｘ）を有する第３の可視光を選択的に吸収する有機光電変換層と、を備え、
    前記第２〜第４の光電素子は、垂直方向に積層されていることを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサー。
  21. 前記第１の画素及び前記第２の画素は、カラーフィルターを備えないことを特徴とする請求項２０に記載のイメージセンサー。
  22. 前記第２〜第４の光電素子は、前記第１の光電素子の下部に配設されていることを特徴とする請求項２０に記載のイメージセンサー。
  23. 請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載のイメージセンサーを備えることを特徴とする電子装置。
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