국문초록 고해상도 CMOS 이미지 센서에서 암전류 감소를 위한 유기 광전하 저장 소자 연구 Organic Photo-Charge Storage Device for Low Dark Current in High Resolution CMOS Image Sensor ...
국문초록 고해상도 CMOS 이미지 센서에서 암전류 감소를 위한 유기 광전하 저장 소자 연구 Organic Photo-Charge Storage Device for Low Dark Current in High Resolution CMOS Image Sensor 전자공학과 조 현 지 지 도 교 수 송 정 근 이미지 센서는 광학 신호를 전기적인 신호로 변환하여 시스템에 전달하는 반도체 칩으로서 많은 응용 제품에 적용되고 있다. 최근 IT 기기의 소형화 경향이 지속되면서, 낮은 전력 소모와 소형화의 장점을 지닌 CMOS Image Sensor (CIS)가 부각되고 있다. CIS는 디지털 카메라의 해상도를 결정하는 중요한 역할을 하므로 해상도 개선을 위한 CIS의 다양한 연구들이 이루어지고 있다. 그 중에서도 CIS의 픽셀을 구성하는 실리콘 광다이오드를 유기 광다이오드 (Organic Photodiode; OPD)로 대체하고, R/G/B를 선택적으로 감지할 수 있는 장점을 지닌 OPD를 센서 전면에 배치함으로써 감도와 해상도를 동시에 개선하는 연구들이 진행되고 있지만, OPD와 실리콘 회로 사이의 계면에 생성되는 계면 상태에 의한 암전류가 증가하는 문제점이 있어 어려움을 겪고 있다. 본 논문에서는 CIS의 픽셀을 구성하는 실리콘 광다이오드를 OPD로 대체하였을 때 발생되는 계면상태에 의한 암전류를 획기적으로 감소시키기 위하여, OPD에서 생성된 광전하들을 유기 저장 층 (Organic Storage Node; OSN)에 일시적으로 저장하였다가 짧은 시간 동안 방출할 수 있는 유기 광전하 저장 소자를 연구하였다. 유기 광전하 저장 소자의 성능을 평가하기 위하여, 먼저 OPD와 OSN으로 사용된 유기 물질의 성능을 확인하였다. OPD에 사용 된 유기반도체는 copper phthalocyanine (CuPc), N,N’-Dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide (PTCDI-C8), Bathocuproine (BCP)을 각각 p-type 및 n-type, buffer layer로 사용하였고, Anode 전극은 ITO, Cathode 전극은 은 (Ag) 을 사용하였다. light 상태의 전류가 dark 상태의 전류보다 –3V에서 104 배 증가하는 것을 확인, OPD의 역할인 광전하 생성을 충분히 한다고 볼 수 있었다. 반면 OSN으로는 p-type 유기반도체인 Pentacene을 사용하였고, OSN에서는 light 와 dark 상태의 전류가 수 pA 차이가 나므로, OSN 자체에서는 광전하가 생성된다고 볼 수 없었다. 또한 OSN의 mobility를 추출하기 위해서 OSN을 활성층으로 사용하여 유기박막트랜지스터 (Organic Thin Film Transistor; OTFT)를 제작하였다. Gate 전극은 ITO, Gate 절연체는 패터닝 가능한 photo-acryl (PA), Source-Drain 전극은 금 (Au)를 사용하여, Bottom Gate Top Contact의 구조를 채택하였다. OSN의 mobility는 평균적으로 0.08 cm2/V·sec 의 값을 나타내었다. 다음으로 유기 광전하 저장 소자를 직접 설계 및 제작하여, 성능을 평가하였다. 유기 광전하 저장 소자는 OPD에서 빛에 의해 생성된 광전하들을 OSN으로 끌어오는 역할을 하는 Control 전극과, OSN에 축적된 광전하들을 빠져나가게 하는 Node 전극으로는 ITO를 사용하였으며, 절연체는 OTFT와 마찬가지로 패터닝 가능한 PA를 사용하였다. OSN과 OPD는 앞선 유기 반도체들과 동일하며, Top 전극은 투명전극으로 은 (Ag)을 사용하였다. 제작된 소자가 유기 광전하 저장 소자의 역할을 하는지 확인하기 위하여, Control 전압과 빛을 펄스 형태로 가해주어, I-t 그래프를 추출하였다. 그 결과 Control 전압과 빛의 세기가 증가할수록 OSN에 저장되는 광전하들도 증가하며, OSN에 저장된 광전하들이 node 전극으로 90% 이상 빠져나가는 시간은 약 400msec 임을 확인함으로써 유기 광전하 저장 소자의 개념을 증명하였다. 주요어 : CMOS Image Sensor, Photo-Charge Storage Device, Organic Storage Node, Organic Photodiode, Organic Thin Film Transistor
국문초록 고해상도 CMOS 이미지 센서에서 암전류 감소를 위한 유기 광전하 저장 소자 연구 Organic Photo-Charge Storage Device for Low Dark Current in High Resolution CMOS Image Sensor 전자공학과 조 현 지 지 도 교 수 송 정 근 이미지 센서는 광학 신호를 전기적인 신호로 변환하여 시스템에 전달하는 반도체 칩으로서 많은 응용 제품에 적용되고 있다. 최근 IT 기기의 소형화 경향이 지속되면서, 낮은 전력 소모와 소형화의 장점을 지닌 CMOS Image Sensor (CIS)가 부각되고 있다. CIS는 디지털 카메라의 해상도를 결정하는 중요한 역할을 하므로 해상도 개선을 위한 CIS의 다양한 연구들이 이루어지고 있다. 그 중에서도 CIS의 픽셀을 구성하는 실리콘 광다이오드를 유기 광다이오드 (Organic Photodiode; OPD)로 대체하고, R/G/B를 선택적으로 감지할 수 있는 장점을 지닌 OPD를 센서 전면에 배치함으로써 감도와 해상도를 동시에 개선하는 연구들이 진행되고 있지만, OPD와 실리콘 회로 사이의 계면에 생성되는 계면 상태에 의한 암전류가 증가하는 문제점이 있어 어려움을 겪고 있다. 본 논문에서는 CIS의 픽셀을 구성하는 실리콘 광다이오드를 OPD로 대체하였을 때 발생되는 계면상태에 의한 암전류를 획기적으로 감소시키기 위하여, OPD에서 생성된 광전하들을 유기 저장 층 (Organic Storage Node; OSN)에 일시적으로 저장하였다가 짧은 시간 동안 방출할 수 있는 유기 광전하 저장 소자를 연구하였다. 유기 광전하 저장 소자의 성능을 평가하기 위하여, 먼저 OPD와 OSN으로 사용된 유기 물질의 성능을 확인하였다. OPD에 사용 된 유기반도체는 copper phthalocyanine (CuPc), N,N’-Dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide (PTCDI-C8), Bathocuproine (BCP)을 각각 p-type 및 n-type, buffer layer로 사용하였고, Anode 전극은 ITO, Cathode 전극은 은 (Ag) 을 사용하였다. light 상태의 전류가 dark 상태의 전류보다 –3V에서 104 배 증가하는 것을 확인, OPD의 역할인 광전하 생성을 충분히 한다고 볼 수 있었다. 반면 OSN으로는 p-type 유기반도체인 Pentacene을 사용하였고, OSN에서는 light 와 dark 상태의 전류가 수 pA 차이가 나므로, OSN 자체에서는 광전하가 생성된다고 볼 수 없었다. 또한 OSN의 mobility를 추출하기 위해서 OSN을 활성층으로 사용하여 유기박막트랜지스터 (Organic Thin Film Transistor; OTFT)를 제작하였다. Gate 전극은 ITO, Gate 절연체는 패터닝 가능한 photo-acryl (PA), Source-Drain 전극은 금 (Au)를 사용하여, Bottom Gate Top Contact의 구조를 채택하였다. OSN의 mobility는 평균적으로 0.08 cm2/V·sec 의 값을 나타내었다. 다음으로 유기 광전하 저장 소자를 직접 설계 및 제작하여, 성능을 평가하였다. 유기 광전하 저장 소자는 OPD에서 빛에 의해 생성된 광전하들을 OSN으로 끌어오는 역할을 하는 Control 전극과, OSN에 축적된 광전하들을 빠져나가게 하는 Node 전극으로는 ITO를 사용하였으며, 절연체는 OTFT와 마찬가지로 패터닝 가능한 PA를 사용하였다. OSN과 OPD는 앞선 유기 반도체들과 동일하며, Top 전극은 투명전극으로 은 (Ag)을 사용하였다. 제작된 소자가 유기 광전하 저장 소자의 역할을 하는지 확인하기 위하여, Control 전압과 빛을 펄스 형태로 가해주어, I-t 그래프를 추출하였다. 그 결과 Control 전압과 빛의 세기가 증가할수록 OSN에 저장되는 광전하들도 증가하며, OSN에 저장된 광전하들이 node 전극으로 90% 이상 빠져나가는 시간은 약 400msec 임을 확인함으로써 유기 광전하 저장 소자의 개념을 증명하였다. 주요어 : CMOS Image Sensor, Photo-Charge Storage Device, Organic Storage Node, Organic Photodiode, Organic Thin Film Transistor
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