(57)【要約】【課題】高い光電変換効率と低い暗電流とが具現可能なイメージセンサを提供する。【解決手段】高い光電変換効率と低い暗電流とが具現可能なイメージセンサに係り、該イメージセンサは、第１電極及び第２電極と、該第１電極及び該第２電極の間に設けられる複数の光検出層と、該光検出層間に設けられる中間層と、を含み、該光検出層は、入射される光を電気的信号に変化させるものであり、半導体物質を含み、該中間層は、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離隔されて設けられる第１電極及び第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられ、入射される光を電気的信号に変化させるものであり、半導体物質を含む複数の光検出層と、
複数の前記光検出層間に設けられ、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層と、を含むイメージセンサ。
【請求項２】
前記中間層は、前記中間層に垂直である方向への電気伝導度が、前記中間層に平行方向への電気伝導度より低いことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記光検出層と前記中間層との間で入射される光によって、光電流が生じることを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記中間層は、少なくとも１層を含むグラフェン、またはＷＴｅ２を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項５】
前記中間層は、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍの厚みを有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項６】
前記中間層は、０．１ｎｍ〜１００μｍの厚み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。
【請求項７】
前記光検出層は、Ｓｉ、ＴＭＤＣ（transition metal dichalcogenides）、量子点及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項８】
前記ＴＭＤＣは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１つの遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
【請求項９】
前記第１電極及び前記第２電極のうち少なくとも一方は、透明電極であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
前記透明電極は、透明な導電性酸化物またはグラフェンを含むことを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
前記光検出層及び前記中間層のうち少なくとも１層のフェルミレベルを制御することにより、光電変換効率及び暗電流を調節することを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
前記中間層の厚みと、前記光検出層及び前記中間層のうち少なくとも１層のドーピング濃度と、を制御することにより、光電変換効率及び暗電流を調節することを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
基板と、
前記基板の上部に、前記基板と離隔されて設けられる第１電極と、
前記第１電極と前記基板との間に設けられ、入射される光を電気的信号に変化させるものであり、半導体物質を含む複数の光検出層と、
複数の前記光検出層間に設けられ、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層と、を含むイメージセンサ。
【請求項１４】
前記基板は、導電性基板を含むことを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサ。
【請求項１５】
前記導電性基板は、シリコン基板を含むことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサ。
【請求項１６】
前記基板と、その上に設けられた前記光検出層との間に設けられた絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項１３〜１５の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項１７】
前記基板と、その上に設けられた前記光検出層とが、前記絶縁層に形成されたビアホールを介して互いに電気的に連結されることを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサ。
【請求項１８】
前記絶縁層と、その上に設けられた前記光検出層との間に設けられた第２電極をさらに含むことを特徴とする請求項１６又は１７に記載のイメージセンサ。
【請求項１９】
前記基板は、絶縁性基板を含むことを特徴とする請求項１３〜１８の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２０】
前記基板に設けられた第２電極をさらに含むことを特徴とする請求項１３〜１９の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２１】
前記中間層は、前記中間層に垂直である方向への電気伝導度が、前記中間層に平行方向への電気伝導度より低いことを特徴とする請求項１３〜２０の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２２】
前記中間層は、少なくとも１層を含むグラフェン、またはＷＴｅ２を含むことを特徴とする請求項２１に記載のイメージセンサ。
【請求項２３】
前記中間層は、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍの厚みを有することを特徴とする請求項１３〜２２の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２４】
前記光検出層は、Ｓｉ、ＴＭＤＣ（transition metal dichalcogenides）、量子点及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１３〜２３の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２５】
前記第１電極は、透明電極であることを特徴とする請求項１３〜２４の何れか一項に記載のイメージセンサ。
【請求項２６】
前記透明電極は、透明な導電性酸化物またはグラフェンを含むことを特徴とする請求項２５に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサに関するものであり、さらに詳細には、高い光電変換効率と低い暗電流とが具現可能なイメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサは、一般的に、光学イメージ（optical image）を電気的信号に変換させる光電素子をいい、カメラ、動作認識カメラ、タッチパネル、ＬｉＤＡＲ（light detection and ranging）、三次元（３Ｄ：３−dimensional）センサのような多様な分野に使用されている。最近では、製作工程が容易であり、信頼性が高いシリコン基板のＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサが開発されている。
【０００３】
一方、該イメージセンサが、低照度（low light level）状況や、ＬｉＤＡＲまたは３Ｄセンサなどに使用される場合には、小さな光信号を検出しなければならないので、そのためには、高い光電変換効率が具現可能なイメージセンサが要求される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、高い光電変換効率と低い暗電流とを同時に具現することができるイメージセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一側面において、
互いに離隔されて設けられる第１電極及び第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極の間に設けられ、入射される光を電気的信号に変化させるものであり、半導体物質を含む複数の光検出層と、
複数の前記光検出層の間に設けられ、電気伝導異方性（anisotropy in electrical conductivity）を有する金属性（metallic）または半金属性（semi-metallic）の物質を含む中間層と、を含むイメージセンサが提供される。
【０００６】
前記中間層は、前記中間層に垂直である方向への電気伝導度が、前記中間層に平行方向への電気伝導度よりも低い。前記光検出層と前記中間層との間で入射される光によって、光電流（photocurrent）が発生する。
【０００７】
前記中間層は、少なくとも１層を含むグラフェン、またはＷＴｅ２を含んでもよい。前記中間層は、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍの厚みを有することができる。例えば、前記中間層は、０．１ｎｍ〜１００μｍの厚みを有することができる。
【０００８】
前記光検出層は、例えば、Ｓｉ、ＴＭＤＣ（transition metal dichalcogenides）、量子点（quantum dots）及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよい。前記ＴＭＤＣは、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１つの遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン（chalcogen）元素と、を含んでもよい。
【０００９】
前記第１電極及び前記第２電極のうち少なくとも一方は、透明電極であることができる。前記透明電極は、例えば、透明な導電性酸化物またはグラフェンを含んでもよい。
【００１０】
前記光検出層及び前記中間層のうち少なくとも１層のフェルミレベル（Fermi level）を制御することにより、光電変換効率及び暗電流が調節される。また、前記中間層の厚みと、前記光検出層及び前記中間層のうち少なくとも１層のドーピング濃度と、を制御することにより、光電変換効率及び暗電流を調節することができる。
【００１１】
他の側面において、
基板と、
前記基板の上部に、前記基板と離隔されて設けられる第１電極と、
前記第１電極と前記基板との間に設けられ、入射される光を電気的信号に変化させるものであり、半導体物質を含む複数の光検出層と、
複数の前記光検出層の間に設けられ、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層と、を含むイメージセンサが提供される。
【００１２】
前記基板は、導電性基板を含んでもよい。前記導電性基板は、例えば、シリコン基板を含んでもよい。
【００１３】
前記基板と、その上に設けられた前記光検出層との間には、絶縁層が設けられてもよい。その場合、前記基板と、その上に設けられた前記光検出層とが、前記絶縁層に形成されたビアホールを介して互いに電気的に連結される。
【００１４】
前記絶縁層と、その上に設けられた前記光検出層との間に、第２電極が設けられてもよい。
【００１５】
前記基板は、絶縁性基板を含んでもよい。その場合、前記基板には、第２電極がさらに設けられてもよい。
【００１６】
前記中間層は、前記中間層に垂直である方向への電気伝導度が、前記中間層に平行方向への電気伝導度よりも低い。前記中間層は、例えば、少なくとも１層を含むグラフェン、またはＷＴｅ２を含んでもよい。前記中間層は、例えば、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍの厚みを有することができる。
【００１７】
前記光検出層は、例えば、Ｓｉ、ＴＭＤＣ、量子点及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００１８】
前記第１電極は、透明電極であることができる。前記透明電極は、例えば、透明な導電性酸化物またはグラフェンを含んでもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本実施形態によれば、光検出層間に、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層を挿入することにより、外部の光が入射されない場合には、暗電流を減らし、外部の光が入射される場合には、光検出層が光電流を発生させる以外に、さらに光検出層と中間層との間に、光電流を発生させることにより、光電変換効率を上昇させることができる。これにより、高い光電変換効率と低い暗電流とを同時に得ることができるイメージセンサが具現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】例示的な実施形態によるイメージセンサを概略的に図示した断面図である。
【図２Ａ】実験に使用された一般的な構造のイメージセンサを図示した図面である。
【図２Ｂ】実験に使用された例示的な実施形態によるイメージセンサを図示した図面である。
【図３】図２Ａに図示されたイメージセンサ、並びに図２Ｂに図示されたイメージセンサの暗電流及び光電変換効率を比較して示したグラフである。
【図４Ａ】例示的な実施形態によるイメージセンサにおいて、中間層の厚み変化による暗電流及び光電変換効率を示したグラフである。
【図４Ｂ】例示的な実施形態によるイメージセンサにおいて、中間層の厚み変化による暗電流及び光電変換効率を示したグラフである。
【図５】他の例示的な実施形態によるイメージセンサを概略的に図示した断面図である。
【図６】さらに他の例示的な実施形態によるカラーイメージセンサを概略的に図示した断面図である。
【図７】さらに他の例示的な実施形態によるイメージセンサを図示した斜視図である。
【図８】図７に図示されたイメージセンサの断面図である。
【図９】さらに他の例示的な実施形態によるイメージセンサを図示した斜視図である。
【図１０】図９に図示されたイメージセンサの断面図である。
【図１１】さらに他の例示的な実施形態によるイメージセンサを図示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、各構成要素の大きさや厚みは、説明の明瞭性のために誇張されてもいる。また、所定の物質層が、基板や他の層に存在すると説明されるとき、該物質層は、基板や他の層に直接接しながらも存在し、その間に、他の第三の層が存在することもある。そして、以下の実施形態において、各層をなす物質は、例示的なものであり、それら以外に他の物質が使用されてもよい。
【００２２】
図１は、例示的な実施形態によるイメージセンサを概略的に図示した断面図である。
【００２３】
図１を参照すれば、イメージセンサ１００は、互いに離隔されるように設けられる第１電極１１１及び第２電極１１２と、該第１電極１１１及び第２電極１１２の間に設けられる第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２の間に設けられる中間層（interlayer）１３０と、を含む。
【００２４】
第１電極１１１及び第２電極１１２は、例えば、上部電極及び下部電極であってもよい。第１電極１１１及び第２電極１１２のうち少なくとも一つは、透明電極であることができる。例えば、外部の光が上部電極である第１電極１１１に入射される場合、第１電極１１１は、透明電極であることができる。その場合、第２電極１１２は、金属電極であることができる。しかし、それらに限定されるものではなく、第２電極１１２も、第１電極１１１と同様に透明電極であることができる。
【００２５】
該透明電極は、例えば、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ：transparent conductive oxide）またはグラフェンを含んでもよい。ここで、透明な導電性酸化物は、例えばＩＴＯ（indium tin oxide）、ＩＺＯ（indium zinc oxide）、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＡＴＯ（antimony-doped tin oxide）、ＡＺＯ（Ａｌ−doped zinc oxide）、ＧＺＯ（gallium-doped zinc oxide）、ＴｉＯ２及びＦＴＯ（fluorine-doped tin oxide）からなる群のうちから選択された少なくとも１つの物質を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。そして、該グラフェンは、単層構造または複層構造を有することができる。該金属電極は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ及びＣｒからなる群のうちから選択された少なくとも１つの物質を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。
【００２６】
外部光が、下部電極である第２電極１１２に入射される場合、第２電極１１２は、透明電極であることができ、第１電極１１１は、金属電極であることができる。しかし、それらに限定されるものではなく、第１電極１１１も、第２電極１１２と同様に透明電極であることができる。
【００２７】
第１電極１１１と第２電極１１２との間には、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２が積層されている。第１光検出層１２１は、第１電極１１１の下面に設けられており、第２光検出層１２２は、第２電極１１２の上面に設けられている。
【００２８】
第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２は、それぞれ入射される光を電気的な信号に変換させるものであり、半導体物質を含んでもよい。ここで、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２は、所定色の光を電気的な信号に変換させることができる。例えば、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２は、半導体物質によって、赤色光、緑色光及び青色光のうちいずれか一つを電気的な信号に変換させることができる。しかし、それらに限定されるものではなく、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２は、それ以外の他の多様な色の光を電気的な信号に変換することができる。
【００２９】
第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質は、例えば、Ｓｉ、ＴＭＤＣ（transition metal dichalcogenides）、量子点（quantum dots）及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。
【００３０】
該ＴＭＤＣは、二次元状の結晶構造を有する半導体物質をいう。かようなＴＭＤＣは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１つの遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン（chalcogen）元素と、を含んでもよい。例えば、該ＴＭＤＣは、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＲｅＳｅ２、ＣｕＳなどを含んでもよい。しかし、以上で言及された物質は、例示的なものに過ぎず、それ以外の他の物質がＴＭＤＣ物質として使用されてもよい。
【００３１】
第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質は、光電流や暗電流（dark current）を調節するために、ｐ型ドーパント（ｐ−type dopant）またはｎ型ドーパント（ｎ−type dopant）によってドーピングされてもよい。かようなｐ型ドーパントやｎ型ドーパントは、イオン注入（ion implantation）方式や化学的ドーピング（chemical doping）方式によってもドーピングされる。
【００３２】
ｐ型ドーパントのソース（source）は、例えば、ＮＯ２ＢＦ４、ＮＯＢＦ４、ＮＯ２ＳｂＦ６などのイオン性液体（ionic liquid）；ＨＣｌ、Ｈ２ＰＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ３などの酸類化合物（acidic compound）；ジクロロジシアノキノン（ＤＤＱ）、オキソン（oxone）、ジミリストイルホスファチジルイノシトール（ＤＭＰＩ）、トリフルオロメタンスルホンイミド（trifluoromethanesulfoneimide）などの有機化合物（organic compound）などを含んでもよい。または、ｐ型ドーパントのソースとして、ＨＰｔＣｌ４、ＡｕＣｌ３、ＨＡｕＣｌ４、ＡｇＯＴｆ（silver trifluoromethanesulfonate）、ＡｇＮＯ３、Ｈ２ＰｄＣｌ６、Ｐｄ（ＯＡｃ）２、Ｃｕ（ＣＮ）２などを含んでもよい。
【００３３】
ｎ型ドーパントのソース、は例えば、置換もしくは非置換のニコチンアミドの還元物（a reduction product of a substituted or unsubstituted nicotinamide）；置換もしくは非置換のニコチンアミドと化学的に結合された化合物の還元物（a reduction product of a compound which is chemically bound to a substituted or unsubstituted nicotinamide）；及び２以上のピリジニウム誘導体を含み、１以上のピリジニウム誘導体の窒素が還元された化合物（a compound comprising at least two pyridinium moieties in which a nitrogen atom of at least one of the pyridinium moieties is reduced）を含んでもよい。例えば、ｎ型ドーパントのソースは、ＮＭＮＨ（nicotinamide mononucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＨ（nicotinamide adenine dinucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＰＨ（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate−Ｈ）を含むか、あるいはビオロゲン（viologen）を含んでもよい。または、前記ｎ型ドーパントのソースは、ＰＥＩ（polyethylenimine）などのポリマーを含んでもよい。または、ｎ型ドーパントは、Ｋ、Ｌｉなどのアルカリ金属を含んでもよい。一方、以上で言及されたｐ型ドーパント物質とｎ型ドーパント物質は、ただ例示的なものであり、それら以外の他の多様な物質がドーパントとして使用される。
【００３４】
第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２の間には、中間層１３０が設けられている。ここで、中間層１３０は、光電変換効率を上昇させ、暗電流を減らす役割を行う。このために、中間層１３０は、電気伝導異方性（anisotropy in electrical conductivity）を有する金属性（metallic）または半金属性（semi-metallic）の物質を含んでもよい。ここで、中間層１３０の電気伝導異方性とは、中間層に垂直である方向への電気伝導度が、中間層に平行方向への電気伝導度より低いということを意味する。
【００３５】
中間層１３０をなす電気伝導異方性を有する金属性物質または半金属性物質としては、グラフェンまたはＷＴｅ２などを使用する。該グラフェンは、平面方向にはすぐれた電気伝導度を有しているが、平面に垂直である方向には非常に低い電気伝導度を有している。そして、ＷＴｅ２も、グラフェンと同様に、平面方向への電気伝導度が、平面に垂直である方向への電気伝導度に比べてはるかに大きい特徴を有している。
【００３６】
中間層１３０をなすグラフェンは、例えば、多層構造を有することができる。しかし、必ずそれに限定されるものではなく、該グラフェンは、単層構造を有してもよい。以上で言及された中間層１３０の物質は、ただ例示的なものであり、中間層１３０は、それら以外の他の多様な物質を含んでもよい。中間層１３０は、例えば、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍほどの厚みを有することができる。具体的な例としては、中間層１３０は、０．１ｎｍ〜１００μｍほどの厚みを有することができるが、必ずしもそれに限定されるものではない。
【００３７】
中間層１３０をなす物質は、前述の第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と同様に、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントによってドーピングされてもよい。このように、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と中間層１３０との少なくとも一つは、ドーピングされていないか、あるいはドーパントによってドーピングされている。
【００３８】
一般的に、光検出層のみを利用したイメージセンサの場合、光電変換効率及び暗電流は、イメージセンサに使用された光検出層物質の固有特性（例えば、バンドギャップ、電気伝導度など）によって決定されるので、所望波長帯で、高い光電変換効率及び低い暗電流を同時に具現するには限界がある。
【００３９】
かような限界を克服するために、光吸収層を挿入して光電変換効率を高める方案や、遮断層（blocking layer）を挿入して暗電流を減らす方案が使用された。しかし、該光吸収層は光電変換効率を上昇させることができるが、暗電流を低減させることができないという問題があり、該遮断層は暗電流を低減させるが、光電流も共に低減させることにより、光電変換効率が低下するという問題がある。
【００４０】
本実施形態においては、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２の間に、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層１３０を挿入することにより、高い光電変換効率及び低い暗電流を同時に具現することができる。ここで、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質、例えば、多層グラフェンは、平面方向にはすぐれた電気伝導度を有する一方、平面に垂直である方向には、非常に低い電気伝導度を有している。従って、かような多層グラフェンを中間層１３０にして、第１光検出層１２１と第２光検出層１２２との間に挿入すれば、中間層１３０は前述の遮断層のような役割を果たして暗電流を低減させる。ここで、該暗電流は、中間層１３０をなす金属性または半金属性の物質の厚みによっても調節される。また、該暗電流は、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質と、中間層をなす金属性または半金属性の物質とのバンド整列（band alignment）によって調節されてもよい。かようなバンド整列は、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質と、中間層をなす金属性または半金属性の物質とのうち少なくとも１つのフェルミレベル（Fermi level）を制御することによっても行われる。かようなフェルミレベルの制御は、例えば、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質と、中間層をなす金属性または半金属性の物質とのうち少なくとも１つのドーピング濃度を調節することによっても行われる。
【００４１】
外部光がイメージセンサ１００に入射される場合には、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２の間に挿入された中間層１３０は、前述の遮断層とは異なり、外部光を吸収し、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と、中間層１３０との間で光電流（photocurrent）を発生させることができる。
【００４２】
電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層１３０は、外部光を吸収することにより、内部光電子放出効果（internal photoemission effect）、光熱電子効果（photo-thermionic effect）またはバンド間励起効果（band-to-band excitation effect）などによって、光電流を発生させることができる。第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と中間層１３０とのバンド整列差（具体的には、フェルミレベルの差）が入射される光エネルギーより小さい場合には、内部光電子放出効果と光熱電子効果とによって、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と、中間層１３０との間に光電流が発生する。そして、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と、中間層１３０とのバンド整列差（具体的には、フェルミレベルの差）が入射される光エネルギーより大きい場合には、光熱電子効果によって、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と、中間層１３０との間の光電流が発生する。また、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層１３０は、外部光を吸収することにより、バンド間励起効果によって、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と、中間層１３０との間に光電流を発生させることもできる。
【００４３】
光電変換効率は、前述の暗電流と同様に、中間層１３０の厚みによっても調節される。また、該光電変換効率は、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質と、中間層１３０をなす金属性または半金属性の物質とのバンド整列によって調節されてもよい。かようなバンド整列は、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質と、中間層１３０をなす金属性または半金属性の物質とのうち少なくとも１つのフェルミレベルを制御することによっても行われる。かようなフェルミレベルの制御は、例えば、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２をなす半導体物質と、中間層１３０をなす金属性または半金属性の物質とのうち少なくとも１つのドーピング濃度を調節することによっても行われる。
【００４４】
このように、外部光がイメージセンサ１００に入射される場合には、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２が光電流を発生させる以外に、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２の間に挿入された中間層１３０が追加的に光電流を発生させることにより、光電変換効率を上昇させることができる。
【００４５】
本実施形態によるイメージセンサ１００においては、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２の間に、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層１３０を挿入することにより、外部光がイメージセンサ１００に入射されない場合には、暗電流を減らし、外部光がイメージセンサ１００に入射される場合には、中間層１３０によって、第１光検出層１２１及び第２光検出層１２２と、中間層１３０との間に光電流が追加的に発生することにより、光電変換効率を上昇させることができる。これにより、高い光電変換効率と低い暗電流とを同時に得ることができるイメージセンサ１００を具現することができる。
【００４６】
最近では、モバイル決済などの技術が商用化されることにより、保安技術も発展しており、かような保安技術として、虹彩認識（iris recognition）のような生体認識技術（biometrics）が研究されている。現在商用化されたシリコン基板のイメージセンサの場合、８００ｎｍ〜９００ｎｍ波長の近赤外線（ＮＩＲ：near-infrared）に係わる量子効率（quantum efficiency）は、３０％ほどである。かような近赤外線領域の量子効率は、可視光帯域の１／２〜１／３ほどのレベルであるので、低照度感度が低下する。従って、低照度環境で虹彩認証を行う場合には、感度が低いために、さらなる光源が必要であるが、高パワーの光源を使用すれば、眼球が損傷される心配がある。また、既存のシリコン基板のイメージセンサの場合には、低照度感度を上昇させるために、シリコン厚を増大させることにより、ピクセルサイズが大きくなってしまうので、内蔵カメラの大きさが大きくなるという問題がある。
【００４７】
このように、低照度環境でのイメージセンサや、ＬｉＤＡＲ（light detection and ranging）または三次元（３Ｄ：３−dimensional）センサは、小さい光信号を検出しなければならないので、高い光電変換効率が要求される。従って、本実施形態によるイメージセンサ１００を、低照度環境や、ＬｉＤＡＲまたは３Ｄセンサに適用すれば、暗電流を低くしながらも、高い光電変換効率によって、小さい光信号も検出することができる。
【００４８】
図２Ａ及び図２Ｂは、実験に使用された一般的な構造のイメージセンサ、及び例示的な実施形態によるイメージセンサを図示したものである。
【００４９】
図２Ａは、一般的な構造のイメージセンサ１０を図示したものである。図２Ａを参照すれば、第１電極１１及び第２電極１２が互いに離隔されて設けられており、第１電極１１及び第２電極１２の間には、第１光検出層２１及び第２光検出層２２が設けられている。第１電極１１の下面に設けられた第１光検出層２１は、ＭｏＳ２からなっており、第２電極１２の上面に設けられた第２光検出層２２は、ｎ型（ｎ−type）Ｓｉからなっている。
【００５０】
図２Ｂは、例示的な実施形態によるイメージセンサ１００’を図示したものである。図２Ｂを参照すれば、第１電極１１１’及び第２電極１１２’が互いに離隔されて設けられており、第１電極１１１’及び第２電極１１２’の間には、第１光検出層１２１’及び第２光検出層１２２’が設けられている。そして、第１光検出層１２１’及び第２光検出層１２２’の間には、中間層１３０’が設けられている。第１電極１１１’の下面に設けられた第１光検出層１２１’は、ＭｏＳ２からなっており、第２電極１１２’の上面に設けられた第２光検出層１２２’は、ｎ型（ｎ−type）Ｓｉからなっている。そして、第１光検出層１２１’及び第２光検出層１２２’の間に設けられた中間層１３０’は、多層グラフェン（few−layer graphene）からなっている。
【００５１】
図３は、図２Ａに図示されたイメージセンサ１０、及び図２Ｂに図示されたイメージセンサ１００’の暗電流（dark current）及び光電変換効率を比較して示したものである。図３において、「Ａ」は、図２Ａに図示された一般的な構造のイメージセンサ１０を示し、「Ｂ」は、例示的な実施形態によるイメージセンサ１００’を示す。ここで、光源としては、１μＷの出力を有する８５０ｎｍ波長のレーザが使用され、中間層１３０’をなす多層グラフェンの厚みは、１４ｎｍである。
【００５２】
図３を参照すれば、例示的な実施形態によるイメージセンサＢは、一般的な構造のイメージセンサＡに比べ、暗電流が減り、応答度（responsivity）は、上昇したということが分かる。ここで、該応答度は、外部光に応答して電気的な信号として発生させる程度を示すものであり、応答度が高いということは、光電変換効率が高いということを意味する。このように、例示的な実施形態によるイメージセンサＢは、低い暗電流及び高い光電変換の効率を同時に具現することができるということが分かる。
【００５３】
図４Ａ及び図４Ｂは、例示的な実施形態によるイメージセンサにおいて、中間層の厚み変化による暗電流及び光電変換効率を示したものである。
【００５４】
図４Ａは、中間層１３０’の厚み変化による、図２Ｂに図示されたイメージセンサ１００’の暗電流及び光電変換効率を示したものである。図４Ａにおいて「Ｂ１」は、中間層１３０’の厚みが６ｎｍである場合を示し、「Ｂ２」は、中間層１３０’の厚みが１４ｎｍである場合を示す。ここで、第１光検出層１２１’及び第２光検出層１２２’の間に印加された測定バイアス電圧ＶＳＤは、−５Ｖであった。図４Ａを参照すれば、中間層１３０’の厚みが厚くなるにつれて、暗電流が減り、光電変換効率は高くなった。
【００５５】
図４Ｂは、測定バイアス電圧の変化による図２Ｂに図示されたイメージセンサ１００’の暗電流を示したものである。図４Ｂにおいて「Ｂ１」は、中間層１３０’の厚みが６ｎｍである場合を示し、「Ｂ２」は、中間層１３０’の厚みが１４ｎｍである場合を示す。そして、ＶＳＤは、第１光検出層１２１’及び第２光検出層１２２’の間に印加される測定バイアス電圧を示す。図４Ｂに図示されているように、中間層１３０’の厚みが厚くなるにつれ、暗電流が減少した。このように、例示的な実施形態によるイメージセンサ１００’においては、中間層１３０’の厚みが厚くなるにつれて暗電流が減り、光電変換効率は、上昇したということが分かる。
【００５６】
図５は、他の例示的な実施形態によるイメージセンサを概略的に図示した断面図である。以下では、前述の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５７】
図５を参照すれば、イメージセンサ２００は、互いに離隔されるように設けられる第１電極２１１及び第２電極２１２と、該第１電極２１１及び該第２電極２１２の間に設けられる複数の光検出層２２１，２２２，２２３，２２４と、該光検出層２２１，２２２，２２３，２２４の間に設けられる複数の中間層２３１，２３２，２３３と、を含む。
【００５８】
第１電極２１１及び第２電極２１２は、例えば、上部電極及び下部電極であることができる。第１電極２１１及び第２電極２１２のうち少なくとも一つは、透明電極であることができる。ここで、該透明電極は、例えば、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）またはグラフェンを含んでもよい。
【００５９】
外部光が上部電極である第１電極２１１に入射される場合、第１電極２１１は、透明電極であることができる。その場合、第２電極２１２は、金属電極であることができる。しかし、それに限定されるものではなく、第２電極２１２も、透明電極であることができる。一方、外部光が下部電極である第２電極２１２に入射される場合、第２電極２１２は、透明電極であることができ、第１電極２１１は、金属電極であることができる。しかし、それに限定されるものではなく、第１電極２１１も、透明電極であることができる。
【００６０】
光検出層２２１，２２２，２２３，２２４は、第１電極２１１及び該第２電極２１２の間に順次に積層される第１光検出層２２１、第２光検出層２２１、第３光検出層２２３及び第４光検出層２２４を含んでもよい。第１光検出層２２１、第２光検出層２２１、第３光検出層２２３及び第４光検出層２２４のそれぞれは、入射される光を電気的な信号に変換させるものであり、半導体物質を含んでもよい。ここで、該半導体物質は、例えば、Ｓｉ、ＴＭＤＣ、量子点及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。該ＴＭＤＣは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１つの遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含んでもよい。一方、第１光検出層２２１、第２光検出層２２１、第３光検出層２２３及び第４光検出層２２４をなす半導体物質は、光電流や暗電流を調節するために、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００６１】
中間層２３１，２３２，２３３は、第１光検出層２２１及び第２光検出層２２２の間に設けられる第１中間層２３１と、第２光検出層２２３及び第３光検出層２２３の間に設けられる第２中間層２３２と、第３光検出層２２３及び第４光検出層２２４の間に設けられる第３中間層２３３を含んでもよい。ここで、第１中間層２３１、第２中間層２３２及び第３中間層２３３は、前述のように、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含んでもよい。かような電気伝導異方性を有する金属性物質または半金属性物質は、例えば、グラフェンまたはＷＴｅ２などを含んでもよい。グラフェンやＷＴｅ２は、平面方向には、すぐれた電気伝導度を有しているが、平面に垂直である方向には、非常に低い電気伝導度を有している。ここで、該グラフェンは、単層構造または多層構造を有することができる。
【００６２】
第１中間層２３１、第２中間層２３２及び第３中間層２３３は、例えば、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍほどの厚みを有することができる。具体的な例としては、第１中間層２３１、第２中間層２３２及び第３中間層２３３は、０．１ｎｍ〜１００μｍほどの厚みを有することができるが、必ずしもそれに限定されるものではない。一方、第１中間層２３１、第２中間層２３２及び第３中間層２３３をなす物質は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００６３】
本実施形態のように、第１光検出層２２１、第２光検出層２２１、第３光検出層２２３及び第４光検出層２２４の間に、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む第１中間層２３１、第２中間層２３２及び第３中間層２３３を挿入することにより、暗電流を減らすことができる。そして、第１中間層２３１、第２中間層２３２及び第３中間層２３３に外部光が入射されれば、光検出層２２１，２２２，２２３，２２４と、中間層２３１，２３２，２３３との間に光電流を追加的に発生させることにより、光電変換効率を高めることができる。これにより、高い光電変換効率と低い暗電流とを同時に得ることができるイメージセンサ２００を具現することができる。
【００６４】
一方、以上では、第１電極２１１及び第２電極２１２の間に４層の光検出層２２１，２２２，２２３，２２４が設けられ、該光検出層２２１，２２２，２２３，２２４の間に、３層の中間層２３１，２３２，２３３が設けられた場合が説明された。しかし、本実施形態は、それに限定されるものではなく、第１電極２１１及び第２電極２１２の間に設けられる光検出層及び中間層の層数、並びにその厚みは多様に変形される。
【００６５】
図６は、さらに他の例示的な実施形態によるカラーイメージセンサを概略的に図示した断面図である。
【００６６】
図６を参照すれば、カラーイメージセンサ６００として、垂直に積層された第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０を含む。ここで、第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０は、それぞれ特定波長領域の所定色の光を電気的な信号として検出することができる。
【００６７】
例えば、外部光がカラーイメージセンサ６００の上部に入射される場合、第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０は、それぞれ青色イメージセンサ、緑色イメージセンサ及び赤色イメージセンサであることができる。その場合、第１イメージセンサ６１０は、入射された光のうち青色光を電気的な信号に変換させ、第２イメージセンサ６２０は、第１イメージセンサ６１０を透過した光のうち緑色光を電気的に信号に変換させることができる。そして、第３イメージセンサ６３０は、第１イメージセンサ６１０及び第２イメージセンサ６２０を透過した光のうち赤色光を電気的な信号に変換させることができる。
【００６８】
一方、外部光がカラーイメージセンサ６００の下部に入射される場合、第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０は、それぞれ赤色イメージセンサ、緑色イメージセンサ及び青色イメージセンサであることができる。以上では、カラーイメージセンサ６００が、赤色、緑色及び青色イメージセンサから構成される場合が例示的に説明されたが、それらに限定されるものではなく、カラーイメージセンサ６００は、多様な色のイメージセンサからも構成される。
【００６９】
第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０それぞれは、前述の実施形態（図１または図５に図示された実施形態）で説明されたイメージセンサ１００，２００であることができる。従って、第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０それぞれは、光検出層間に挿入された電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層を含み、それにより、低い暗電流及び高い光電変換効率が具現可能である。かような互いに異なる色の光を高感度で検出する第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０を垂直に積層し、カラーイメージセンサ６００を製作することができる。以上では、第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０のいずれもが中間層を含む場合が説明されたが、第１イメージセンサ６１０、第２イメージセンサ６２０及び第３イメージセンサ６３０のうち一部だけが中間層を含んでもよい。
【００７０】
図７は、さらに他の例示的な実施形態によるイメージセンサを図示した斜視図である。そして、図８は、図７に図示されたイメージセンサの断面図である。
【００７１】
図７及び図８を参照すれば、導電性基板３１０の上部に、第１電極３１１が設けられている。そして、導電性基板３１０と第１電極３１１との間には、第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２が設けられており、第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２の間には、中間層３３０が設けられている。
【００７２】
導電性基板３１０においては、例えば、シリコン基板が使用される。しかし、それに限定されるものではなく、導電性基板３１０は、それ以外の他の多様な導電性物質を含んでもよい。かような導電性基板３１０は、下部電極である第２電極としての役割を行う。一方、図面には図示されていないが、導電性基板３１０には、光吸収によって生じた電気信号を判読する判読回路（readout circuits）が設けられており、かような判読回路は、１以上のトランジスタやキャパシタや多数の配線構造などを含んでもよい。
【００７３】
第１電極３１１は、上部電極であり、導電性基板３１０の上部に、導電性基板３１０と離隔されて設けられている。かような第１電極３１１は、透明電極であることができる。該透明電極は、例えば、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）またはグラフェンを含んでもよい。ここで、透明な導電性酸化物は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＡＴＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ、ＴｉＯ２及びＦＴＯからなる群のうちから選択された少なくとも１つの物質を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。該グラフェンは、単層構造または複層構造を有することができる。
【００７４】
第１電極３１１と導電性基板３１０との間には、第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２が設けられている。第１光検出層３２１は、第１電極３１１の下面に設けられており、第２光検出層３２２は、導電性基板３１０の上面に設けられている。
【００７５】
第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２は、それぞれ入射される光を電気的な信号に変換させるものであり、半導体物質を含んでもよい。ここで、第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２は、所定色の光を電気的な信号に変換させることができる。
【００７６】
第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２をなす半導体物質は、例えば、Ｓｉ、ＴＭＤＣ、量子点及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。該ＴＭＤＣは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕのうち１つの遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含んでもよい。例えば、該ＴＭＤＣは、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＲｅＳｅ２、ＣｕＳなどを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２をなす半導体物質は、光電流や暗電流を調節するために、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００７７】
導電性基板３１０と第２光検出層３２２との間には、絶縁層３１５がさらに設けられてもよい。かような絶縁層３１５は、例えば、シリコン酸化物を含んでもよいが、それに限定されるものではない。一方、図８に図示されているように、絶縁層３１５には、ビアホール（via hole）３１５ａが形成されており、かようなビアホール３１５ａを介して第２光検出層３２２と導電性基板３１０とが電気的に連結される。これにより、光吸収によって生じた光電流は、第２光検出層３２２から下部電極の役割を行う導電性基板３１０側に流れる。
【００７８】
第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２の間には、中間層３３０が設けられている。ここで、中間層３３０は、前述のように、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含んでもよい。中間層３３０は、例えば、少なくとも１層を含むグラフェン、またはＷＴｅ２などを含んでもよい。該グラフェン及び該ＷＴｅ２は、平面方向には、すぐれた電気伝導度を有しているが、平面に垂直である方向には、非常に低い電気伝導度を有する特性がある。
【００７９】
中間層３３０は、例えば、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍほどの厚みを有することができる。具体的な例としては、中間層３３０は、０．１ｎｍ〜１００μｍほどの厚みを有することができるが、必ずしもそれに限定されるものではない。一方、中間層３３０をなす物質は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００８０】
第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２の間に、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層３３０を挿入することにより、前述のように、暗電流を減らすと同時に、光電変換効率を上昇させることができる。
【００８１】
かような暗電流及び光電変換効率は、中間層３３０の厚みを制御するか、あるいは第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２をなす半導体物質と、中間層３３０をなす金属性または半金属性の物質とのバンド整列を制御することによっても調節される。ここで、該バンド整列は、第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２をなす半導体物質と、中間層３３０をなす物質とのうち少なくとも１つのフェルミレベルを制御することによっても行われる。そして、かようなフェルミレベルの制御は、例えば、第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２をなす半導体物質と、中間層３３０をなす物質とのうち少なくとも１つのドーピング濃度を調節することによっても行われる。
【００８２】
本実施形態によるイメージセンサ３００においては、外部光がイメージセンサ３００に入射されない場合には、中間層３３０が遮断層の役割を行うことによって暗電流を減少させることができる。また、外部光が、上部電極である透明な第１電極３１１を介して入射される場合には、光検出層３２１，３２２によって生じる光電流以外に、中間層１３０が内部光電子放出効果（internal photoemission effect）、光熱電子効果（photo-thermionic effect）またはバンド間励起効果（band-to-band excitation effect）などによって第１光検出層３２１及び第２光検出層３２２と、中間層３３０との間で光電流を追加的に発生させることにより、光電変換効率を高めることができる。
【００８３】
以上では、上部電極である第１電極３１１と、下部電極である導電性基板３１０との間に２層の光検出層３２１，３２２、及び１層の中間層３３０が設けられた場合が例示的に説明された。しかし、本実施形態は、それらに限定されるものではなく、第１電極３１１と導電性基板３１０との間に設けられる光検出層の層数、及び中間層の層数は、多様に変形される。また、本実施形態によるイメージセンサを利用して、互いに異なる色のイメージセンサが垂直に積層されたカラーイメージセンサを具現することもできる。
【００８４】
図９は、さらに他の例示的な実施形態によるイメージセンサを図示した斜視図である。そして、図１０は、図９に図示されたイメージセンサの断面図である。
【００８５】
図９及び図１０を参照すれば、導電性基板４１０の上部には、第１電極４１１及び第２電極４１２が離隔されるように設けられている。そして、第１電極４１１と第２電極４１２との間には、第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２が設けられており、第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２の間には、中間層４３０が設けられている。
【００８６】
導電性基板４１０においては、例えば、シリコン基板が使用される。しかし、それに限定されるものではなく、導電性基板４１０は、それ以外の他の多様な導電性物質を含んでもよい。一方、図面には図示されていないが、導電性基板４１０には、光吸収によって生じた電気信号を判読する判読回路が設けられてもよい。
【００８７】
第１電極４１１及び第２電極４１２は、上部電極及び下部電極であることができる。上部電極である第１電極４１１は、透明電極であることができる。該透明電極は、例えば、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）またはグラフェンを含んでもよい。ここで、透明な導電性酸化物は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、ＡＴＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ、ＴｉＯ２及びＦＴＯからなる群のうちから選択された少なくとも１つの物質を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。該グラフェンは、単層構造または複層構造を有することができる。
【００８８】
下部電極である第２電極４１２は、金属電極であることができる。金属電極は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ及びＣｒからなる群のうちから選択された少なくとも１つの物質を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。一方、第２電極４１２は、透明電極であることができる。
【００８９】
第２電極４１２と導電性基板４１０との間には、第２電極４１２と導電性基板４１０との絶縁のために絶縁層４１５がさらに設けられてもよい。かような絶縁層４１５は、例えば、シリコン酸化物を含んでもよいが、それに限定されるものではなくそれ以外の他の多様な絶縁物質を含んでもよい。
【００９０】
第１電極４１１と第２電極４１２との間には、第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２が設けられている。第１光検出層４２１は第１電極４１１の下面に設けられており、第２光検出層４２２は第２電極４１２の上面に設けられている。第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２は、それぞれ入射される光を電気的な信号に変換させるものであり、半導体物質を含んでもよい。第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２をなす半導体物質は、例えば、Ｓｉ、ＴＭＤＣ、量子点及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。一方、第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２をなす半導体物質は、光電流や暗電流を調節するために、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００９１】
第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２の間には、中間層４３０が設けられている。中間層４３０は、前述のように、グラフェンまたはＷＴｅ２のような電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含んでもよい。かような中間層４３０は、例えば、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍほどの厚みを有することができる。具体的な例としては、中間層４３０は、０．１ｎｍ〜１００μｍほどの厚みを有することができるが、必ずしもそれに限定されるものではない。一方、中間層４３０をなす物質は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００９２】
本実施形態によるイメージセンサ４００においては、外部光がイメージセンサ４００に入射されない場合には、中間層４３０が遮断層の役割を行うことにより、暗電流を減少させることができる。また、外部光が、上部電極である透明な第１電極４１１を介して入射される場合には、光検出層４２１，４２２によって生じる光電流以外に、中間層４３０が、第１光検出層４２１及び第２光検出層４２２と、中間層４３０との間で光電流を追加的に発生させることにより、光電変換効率を高めることができる。
【００９３】
以上では、上部電極である第１電極４１１と、下部電極である第２電極４１２との間に２層の光検出層４２１，４２２、及び１層の中間層４３０が設けられた場合が例示的に説明された。しかし、本実施形態は、それに限定されるものではなく、第１電極４１１と第２電極４１２との間に設けられる光検出層の層数、及び中間層の層数は、多様に変形される。また、本実施形態によるイメージセンサ４００を利用して、互いに異なる色のイメージセンサが垂直に積層されたカラーイメージセンサを具現することもできる。
【００９４】
図１１は、さらに他の例示的な実施形態によるイメージセンサを図示した断面図である。
【００９５】
図１１を参照すれば、絶縁性基板５１０の上部に、第１電極５１１及び第２電極５１２が離隔されるように設けられている。そして、第１電極５１１と第２電極５１２との間には第１光検出層５２１及び第２光検出層５２２が設けられており、第１光検出層５２１及び第２光検出層５２２の間には中間層５３０が設けられている。
【００９６】
第１電極５１１及び第２電極５１２は、上部電極及び下部電極であることができる。上部電極である第１電極５１１は、透明電極であることができる。該透明電極は、例えば、透明な導電性酸化物（ＴＣＯ）またはグラフェンを含んでもよい。下部電極である第２電極５１２は、金属電極であることができる。しかし、それらに限定されるものではなく、第２電極５１２が透明電極であることができる。
【００９７】
第１電極５１１と第２電極５１２との間には、第１光検出層５２１及び第２光検出層５２２が設けられている。第１光検出層５２１は、第１電極５１１の下面に設けられており、第２光検出層５２２は、第２電極５１２の上面に設けられている。第１光検出層５２１及び第２光検出層５２２は、それぞれ入射される光を電気的な信号に変換させるものであり、半導体物質を含んでもよい。かような半導体物質は、例えば、Ｓｉ、ＴＭＤＣ、量子点及び有機半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。一方、第１光検出層５２１及び第２光検出層５２２をなす半導体物質は、光電流や暗電流を調節するために、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００９８】
第１光検出層５２１及び第２光検出層５２２の間には、中間層５３０が設けられている。中間層５３０は、前述のように、グラフェンまたはＷＴｅ２のような電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含んでもよい。かような中間層５３０は、例えば、０．０５ｎｍ〜１０ｃｍほどの厚みを有することができる。具体的な例としては、中間層１３０は、０．１ｎｍ〜１００μｍほどの厚みを有することができるが、必ずしもそれに限定されるものではない。一方、中間層５３０をなす物質は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされてもよい。
【００９９】
本実施形態によるイメージセンサ５００においては、外部光がイメージセンサ５００に入射されない場合には、中間層５３０が遮断層の役割を行うことにより、暗電流を減少させることができる。また、外部光が、上部電極である透明な第１電極５１１を介して入射される場合には、光検出層５２１，５２２によって生じる光電流以外に、中間層５３０が第１光検出層５２１及び第２光検出層５２２と、中間層５３０との間で光電流を追加的に発生させることにより、光電変換効率を高めることができる。
【０１００】
以上では、上部電極である第１電極５１１と、下部電極である第２電極５１２との間に２層の光検出層５２１，５２２、及び１層の中間層５３０が設けられた場合が例示的に説明された。しかし、本実施形態は、それらに限定されるものではなく、第１電極５１１と第２電極５１２との間に設けられる光検出層の層数、及び中間層の層数は、多様に変形される。また、本実施形態によるイメージセンサ５００を利用して、互いに異なる色のイメージセンサが垂直に積層されたカラーイメージセンサを具現することもできる。
【０１０１】
以上の実施形態によれば、光検出層間に、電気伝導異方性を有する金属性または半金属性の物質を含む中間層を挿入することにより、外部光が入射されない場合には、暗電流を減らし、外部光が入射される場合には、光検出層が、光電流を発生させる以外に、さらに光検出層と中間層との間に、光電流を発生させることにより、光電変換効率を上昇させることができる。これにより、高い光電変換効率と低い暗電流とを同時に得ることができるイメージセンサを具現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の、高い光電変換効率と低い暗電流とが具現可能なイメージセンサは、例えば、撮像関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１００，１００’，２００，３００，４００，５００，６００    イメージセンサ
１１１，１１１’，２１１，３１１，４１１，５１１    第１電極
１１２，１１２’，２１２，４１２，５１２    第２電極
１２１，１２１’，２２１，３２１，４２１，５２１    第１光検出層
１２２，１２２’，２２２，３２２，４２２，５２２    第２光検出層
１３０，１３０’，２３１，２３２，２３３，２３４，３３０，４３０，５３０    中間層
２２３    第３光検出層
２２４    第４光検出層
３１０，４１０    導電性基板
３１５，４１５    絶縁層
５１０    絶縁性基板
６１０    青色イメージセンサ
６２０    緑色イメージセンサ
６３０    赤色イメージセンサ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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