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KR-20260062023-A - Image sensor having nano-photonic lens array and electronic apparatus including the same

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Abstract

이미지 센서는, 광을 감지하는 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소, 및 제4 화소를 포함하는 센서 기판; 및 제1 메타 영역, 제2 메타 영역, 제3 메타 영역, 및 제4 메타 영역을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 메타 영역은 상기 제1 화소 내지 제4 화소 각각에 복수의 집광 영역을 형성하도록 배열된 복수의 메인 나노 구조물을 포함하고, 상기 제3 메타 영역 내에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제3 구역에만 위치하고, 상기 제3 구역은 상기 제3 메타 영역 내에서 상기 제3 메타 영역의 테두리를 따라 정의되는 제1 부분, 상기 제3 메타 영역의 중심 상에서 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제2 부분, 및 상기 제3 메타 영역의 중심 상에서 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제3 부분을 포함할 수 있다.

Inventors

  • 이상윤
  • 노숙영
  • 조춘래
  • 안성모
  • 이수연

Assignees

  • 삼성전자주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250829
Priority Date
20241028

Claims (20)

  1. 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소 및 제4 화소를 각각 포함하는 복수의 단위 화소 패턴을 포함하는 센서 기판; 및 상기 센서 기판 상에 마련되며, 제1 메타 영역, 제2 메타 영역, 제3 메타 영역, 및 제4 메타 영역으로 각각 분할된 복수의 단위 메타 패턴을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 메타 영역은, 상기 나노 광학 렌즈 어레이에 입사하는 입사광을 집광하여 상기 제1 화소 내지 제4 화소 각각에 복수의 집광 영역을 형성하도록 배열되며 화소 피치의 1/20 이상의 임계 치수를 가지는 복수의 메인 나노 구조물을 포함하고, 상기 제1 메타 영역 내지 제4 메타 영역 중, 상기 제3 화소의 상부에 마련되며 상기 제3 화소의 면적과 동일한 면적을 가지는 상기 제3 메타 영역 내에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제3 구역에만 위치하고, 상기 제3 구역은 상기 제3 메타 영역 내에서 상기 제3 메타 영역의 테두리를 따라 정의되는 제1 부분, 상기 제3 메타 영역의 중심 상에서 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제2 부분, 및 상기 제3 메타 영역의 중심 상에서 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제3 부분을 포함하는, 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 부분의 폭, 상기 제2 부분의 상기 제2 방향의 폭, 및 상기 제3 부분의 상기 제1 방향의 폭은 상기 화소 피치의 1/8인, 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제2 부분과 상기 제3 부분은 상기 제3 메타 영역의 중심에서 서로 교차하는, 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 메인 나노 구조물의 임계 치수는 90 nm 이상인, 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 메타 영역 내지 제4 메타 영역 중, 상기 제1 화소의 상부에 마련되며 상기 제1 화소의 면적과 동일한 면적을 가지는 상기 제1 메타 영역 내에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제1 구역에만 위치하고, 상기 제1 구역은 상기 제1 메타 영역의 중심 상에서 상기 제1 방향을 따라 연장되며, 상기 제2 방향을 따른 상기 제1 구역의 폭은 화소 피치의 1/4인, 이미지 센서.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제1 구역의 중심은 제2 방향으로 상기 제1 메타 영역의 중심과 일치하며 상기 제1 구역의 제1 방향 폭은 상기 제1 메타 영역의 제1 방향 폭과 동일한, 이미지 센서.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 제1 메타 영역 내지 제4 메타 영역 중, 상기 제2 화소의 상부에 마련되며 상기 제2 화소의 면적과 동일한 면적을 가지는 상기 제2 메타 영역 내에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제2 구역 내에만 위치하고, 상기 제2 구역은 제1 방향 폭과 제2 방향 폭이 화소 피치의 1/2인 사각형 모양을 갖는, 이미지 센서.
  8. 제7 항에 있어서, 제1 방향 및 제2 방향으로 상기 제2 구역의 중심은 제1 방향 및 제2 방향으로 상기 제2 메타 영역의 중심과 일치하는, 이미지 센서.
  9. 제5 항에 있어서, 상기 제1 메타 영역 내지 제4 메타 영역 중, 상기 제4 화소의 상부에 마련되며 상기 제4 화소의 면적과 동일한 면적을 가지는 상기 제4 메타 영역 내에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제4 구역 내에만 위치하고, 상기 제4 구역은 상기 제4 메타 영역의 중심 상에서 제2 방향을 따라 연장되며, 상기 제4 구역의 제1 방향 폭은 화소 피치의 1/4인, 이미지 센서.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 제4 메타 영역의 제4 구역은 상기 제1 메타 영역의 제1 구역에 대해 90도 회전된 형태를 갖는, 이미지 센서.
  11. 제5 항에 있어서, 상기 제1 메타 영역의 상기 제1 구역은 상기 제1 메타 영역의 중심 상에서 제2 방향을 따라 연장되는 부분을 더 포함하며, 제2 방향을 따라 연장되는 부분의 제1 방향 폭은 화소 피치의 1/4인, 이미지 센서.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제1 메타 영역 내지 제4 메타 영역 중, 상기 제4 화소의 상부에 마련되며 상기 제4 화소의 면적과 동일한 면적을 가지는 상기 제4 메타 영역 내에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제4 구역 내에만 위치하고, 상기 제4 구역은 상기 제4 메타 영역의 중심 상에서 제2 방향을 따라 연장되는 부분과 제1 방향을 따라 연장되는 부분을 포함하며, 제1 방향을 따라 연장되는 부분의 제2 방향 폭 및 제2 방향을 따라 연장되는 부분의 제1 방향 폭은 화소 피치의 1/4인, 이미지 센서.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제4 메타 영역에서 상기 메인 나노 구조물은 이방 대칭 구조로 배열되고, 상기 제2 및 제3 메타 영역에서 상기 메인 나노 구조물은 사방 대칭 구조로 배열되며, 상기 제4 메타 영역 내의 메인 나노 구조물의 배열 형태는 상기 제1 메타 영역 내의 메인 나노 구조물의 배열 형태에 대해 90도 회전된 형태인, 이미지 센서.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 메인 나노 구조물은 상기 나노 광학 렌즈 어레이에 입사하는 입사광을 색분리하여 제1 파장 대역의 광을 상기 제1 화소 및 상기 제4 화소에, 상기 제1 파장 대역보다 짧은 제2 파장 대역의 광을 상기 제2 화소에, 상기 제1 파장 대역보다 긴 제3 파장 대역의 광을 상기 제3 화소에 집광하도록 배열되는, 이미지 센서.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 제1 화소, 상기 제2 화소, 상기 제3 화소, 및 상기 제4 화소 각각은 군집하여 2차원 배열된 제1 서브 화소, 제2 서브 화소, 제3 서브 화소, 및 제4 서브 화소를 포함하고, 상기 제1 서브 화소, 상기 제2 서브 화소, 상기 제3 서브 화소, 및 상기 제4 서브 화소는 독립적으로 입사광을 감지하는, 이미지 센서.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 복수의 메인 나노 구조물은: 상기 나노 광학 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 제1 파장 대역의 광이 상기 제1 화소의 제1 서브 화소, 제2 서브 화소, 제3 서브 화소, 및 제4 서브 화소의 중심들 및 상기 제4 화소의 제1 서브 화소, 제2 서브 화소, 제3 서브 화소, 및 제4 서브 화소의 중심들에 각각 집광되고, 상기 나노 광학 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 제2 파장 대역의 광이 상기 제2 화소의 제1 서브 화소, 제2 서브 화소, 제3 서브 화소, 및 제4 서브 화소의 중심들에 각각 집광되고, 상기 나노 광학 렌즈 어레이에 입사하는 입사광 중에서 제3 파장 대역의 광이 상기 제3 화소의 제1 서브 화소, 제2 서브 화소, 제3 서브 화소, 및 제4 서브 화소의 중심들에 각각 집광되도록 구성되는, 이미지 센서.
  17. 제15 항에 있어서, 상기 제1 서브 화소, 상기 제2 서브 화소, 상기 제3 서브 화소, 및 상기 제4 서브 화소 각각은 독립적으로 입사광을 감지하는, 군집하여 배열된 복수의 광감지셀을 포함하는, 이미지 센서.
  18. 제1 항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 메타 영역은 상기 화소 피치의 1/20보다 작은 임계 치수를 가지는 복수의 서브 나노 구조물을 더 포함하며, 상기 서브 나노 구조물의 중심점은 상기 제1 구역 내에 또는 그 바깥쪽에 위치하는, 이미지 센서.
  19. 제1 항에 있어서, 상기 나노 광학 렌즈 어레이는 제1 나노 구조물층 및 상기 제1 나노 구조물층 위에 배치된 제2 나노 구조물층을 포함하며, 상기 제1 나노 구조물층과 상기 제2 나노 구조물층은 복수의 메인 나노 구조물을 포함하고, 상기 제1 나노 구조물층과 상기 제2 나노 구조물층 중 적어도 하나의 층에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제3 구역 내에만 위치하는, 이미지 센서.
  20. 피사체의 광학 상을 형성하는 렌즈 어셈블리; 상기 렌즈 어셈블리가 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서; 및 상기 이미지 센서에서 생성된 신호를 처리하는 프로세서;를 포함하며, 상기 이미지 센서는: 제1 화소, 제2 화소, 제3 화소 및 제4 화소를 각각 포함하는 복수의 단위 화소 패턴을 포함하는 센서 기판; 및 상기 센서 기판 상에 마련되며, 제1 메타 영역, 제2 메타 영역, 제3 메타 영역, 및 제4 메타 영역으로 각각 분할된 복수의 단위 메타 패턴을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이;를 포함하며, 상기 제1 내지 제4 메타 영역은, 상기 나노 광학 렌즈 어레이에 입사하는 입사광을 집광하여 상기 제1 화소 내지 제4 화소 각각에 복수의 집광 영역을 형성하도록 배열되며 화소 피치의 1/20 이상의 임계 치수를 가지는 복수의 메인 나노 구조물을 포함하고, 상기 제1 메타 영역 내지 제4 메타 영역 중, 상기 제3 화소의 상부에 마련되며 상기 제3 화소의 면적과 동일한 면적을 가지는 상기 제3 메타 영역 내에서 상기 메인 나노 구조물의 중심점은 제3 구역에만 위치하고, 상기 제3 구역은 상기 제3 메타 영역 내에서 상기 제3 메타 영역의 테두리를 따라 정의되는 제1 부분, 상기 제3 메타 영역의 중심 상에서 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제2 부분, 및 상기 제3 메타 영역의 중심 상에서 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제3 부분을 포함하는, 전자 장치.

Description

나노 광학 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Image sensor having nano-photonic lens array and electronic apparatus including the same} 개시된 실시예들은 나노 광학 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 입사광의 색을 감지한다. 그런데, 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다. 도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다. 도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다. 도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 4a는 도 3a 및 도 3b에 도시된 화소 어레이의 센서 기판의 화소 배열을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 4b는 도 3a 및 도 3b에 도시된 화소 어레이의 센서 기판의 다른 화소 배열을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 5는 도 3a 및 도 3b에 도시된 화소 어레이의 컬러 필터층의 구성을 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 6은 도 3a 및 도 3b에 도시된 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴 내에서 메인 나노 구조물이 배열되는 구역의 일 예를 보인다. 도 7은 도 6의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 예시적인 구성을 보이는 평면도이다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 도 7에 도시된 단위 메타 패턴을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이에 의해 센서 기판 상에 형성되는 청색광의 광 스폿, 녹색광의 광 스폿, 및 적색광의 광 스폿을 각각 예시적으로 보인다. 도 9는 도 7에 도시된 단위 메타 패턴을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 10은 도 7에 도시된 단위 메타 패턴을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 자동 초점 신호 대조비를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 11은 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴 내에서 메인 나노 구조물이 배열되는 구역의 다른 예를 보인다. 도 12는 도 11의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 예시적인 구성을 보이는 평면도이다. 도 13은 도 12에 도시된 단위 메타 패턴을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 양자 효율을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 14는 도 12에 도시된 단위 메타 패턴을 포함하는 나노 광학 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서의 자동 초점 신호 대조비를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 15는 도 6의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 다른 예시적인 구성을 보이는 평면도이다. 도 16은 도 11의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 다른 예시적인 구성을 보이는 평면도이다. 도 17a 및 도 17b는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 구성을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 18a는 도 6의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 제1 나노 구조물층의 예시적인 구성을 보이는 평면도이고, 도 18b는 도 6의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 제2 나노 구조물층의 예시적인 구성을 보이는 평면도이다. 도 19a는 도 11의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 제1 나노 구조물층의 예시적인 구성을 보이는 평면도이고, 도 19b는 도 11의 예에 따른 나노 광학 렌즈 어레이의 하나의 단위 메타 패턴의 제2 나노 구조물층의 예시적인 구성을 보이는 평면도이다. 도 20은 일 실시예에 따른 화소 어레이의 주변부에서 단면 구조를 개략적으로 보이는 단면도이고, 도 21은 일 실시예에 따른 화소 어레이의 주변부에서 센서 기판, 컬러 필터층, 및 나노 광학 렌즈 어레이의 상대적 위치를 예시적으로 보인다. 도 22는 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 23은 도 22의 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 24는 멀티 카메라 모듈을 포함하는 전자 장치의 블록도이다. 도 25는 도 24에 도시된 전자 장치의 멀티 카메라 모듈의 상세 블록도이다. 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 나노 광학 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 이하에서, "상부/하부" 또는 "상/하"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다. 도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다. 화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소들을 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 하나를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC, 또는, 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다. 화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 다양한 화소 배열을 도시한다. 먼저, 도 2a는 이미지 센서(1000)에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer pattern) 구조의 배열을 보인다. 도 2a를 참조하면, 하나의 단위 화소 패턴은 네 개의 사분 영역(Quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 화소 패턴이 제1 방향(X 방향) 및 제1 방향에 수직한 제2 방향(Y 방향)을 따라 주기적으로 반복하여 2차원 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 화소 패턴 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다. 화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴 이외에도 다양한 배열 방식이 가능하다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, 베이어 패턴의 녹색 화소(G) 대신에 옐로우(yellow) 화소(Y)를 사용하는 RYB 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도 2c를 참조하면, 사이안(cyan) 화소(C), 마젠타(magenta) 화소(M), 및 2개의 옐로우 화소(Y)가 하나의 단위 화소 패턴을 형성하는 CMY 방식의 배열도 가능하다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 배열에서,