[논문]광효율 개선을 위한 CMOS 이미지 센서 최적화

임수환; 이차영; 이경인; 한해욱

광효율 개선을 위한 CMOS 이미지 센서 최적화
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임수환 (포항공과대학교 전자전기공학과) , 이차영 (포항공과대학교 전자전기공학과) , 이경인 ((주)하이닉스반도체) , 한해욱 (포항공과대학교 전자전기공학과)

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문제 정의

광효율은 이미지 센서 표면으로 입사된 빛과 원하는 화소의 포토다이오드로 들어가는 빛의 비율을 나타내고, 크로스토크는 인접한 화소의 포토다이오드로 들어가는 빛의 비율을 나타낸다^(3-4). 따라서 광효율을 높이고 크로스토크를 낮추는 것이 CMOS 이미지 센서의 광학적 연구의 주된 목표이다.
본 논문에서는 CMOS 이미지 센서의 광특성 개선을 위해 이미지 센서를 구성하고 있는 각 층의 두께를 최적화시켜 빛의 투과율을 높이는 방법을 제안한다. 입사하는 빛의 파장과 입사각에 따라 빛의 반사율과 투과율이 달라지는데 원하는 특정 파장과 입사각에 대하여 두께를 최적화하면 빛의 투과율을 높일 수가 있다.

제안 방법

사람의 눈이 빨간색과 파란색에 비해 녹색에 더 민감하기 때문에 녹색 파장을 기준으로 light box와 유전체의 두께를 변화시키면서 최적화 두께를 찾았다. CMOS 이미지 센서는 마이크로렌즈, 칼라필터, light box, 금속, 유전체 그리고 포토다이오드 층으로 이루어져 있지만 상대적으로 light box와 유전체의 두께를 변화시키기 용이하기 때문에 두 층만을 변화시키면서 빛의 투과율이 최대로 되는 두께를 찾았다.
전산모사는 520 nm 대의 중심 파장을 가지는 녹색 광원으로 TE (Transverse Electric) 편광과 TM (Transverse Magnetic) 편광에 대해서 입사각을 0, 15, 30도로 변화시키면서 수행하였다. 녹색 광원을 입사시켰기 때문에 두 개의 녹색 화소에서의 빛의 투과율을 광효율로 계산하고 빨간색과 파란색 화소에서의 빛의 투과율을 크로스토크로 계산하였다. 각 화소에서의 투과율은 아래식과 같이 빛이 입사하는 면적에 대한 포인팅벡터(Poynting vector) P 의 적분 값과 빛이 포토다이오드에 도달하는 면적에 대한 포인팅벡터의 적분 값의 비율로 나타낼 수 있다.
입사하는 빛의 파장과 입사각에 따라 빛의 반사율과 투과율이 달라지는데 원하는 특정 파장과 입사각에 대하여 두께를 최적화하면 빛의 투과율을 높일 수가 있다. 사람의 눈이 빨간색과 파란색에 비해 녹색에 더 민감하기 때문에 녹색 파장을 기준으로 light box와 유전체의 두께를 변화시키면서 최적화 두께를 찾았다. CMOS 이미지 센서는 마이크로렌즈, 칼라필터, light box, 금속, 유전체 그리고 포토다이오드 층으로 이루어져 있지만 상대적으로 light box와 유전체의 두께를 변화시키기 용이하기 때문에 두 층만을 변화시키면서 빛의 투과율이 최대로 되는 두께를 찾았다.
전산모사구조는 그림 1과 같다. 전산모사는 520 nm 대의 중심 파장을 가지는 녹색 광원으로 TE (Transverse Electric) 편광과 TM (Transverse Magnetic) 편광에 대해서 입사각을 0, 15, 30도로 변화시키면서 수행하였다. 녹색 광원을 입사시켰기 때문에 두 개의 녹색 화소에서의 빛의 투과율을 광효율로 계산하고 빨간색과 파란색 화소에서의 빛의 투과율을 크로스토크로 계산하였다.

데이터처리

두께 최적화를 통한 CMOS 이미지 센서의 광특성 개선 효과를 알아보기 위해 Lumerical Solutions, Inc 의 FDTD (Finite-Difference Time-Domain) Solutions 프로그램을 이용하여 3차원 전산모사를 수행하였다⁽⁵⁾. 전산모사구조는 그림 1과 같다.

성능/효과

전산모사를 수행하여 광효율과 크로스토크를 계산한 결과 두께를 최적화한 구조의 광특성 개선 효과를 확인할 수 있었다. 광효율의 경우 입사각이 0도일 때 광효율이 가장 크게 증가하였고, 입사각이 커질수록 그 효과가 점점 줄어드는 모습을 보여주었다. 하지만 크로스토크의 경우도 함께 증가하는 모습을 보여주었는데 이는 불완전한 칼라필터로 인한 크로스토크가 커서 빨간색과 파란색 화소에서의 빛의 투과율도 같이 높아졌기 때문이다.
전산모사를 수행하여 광효율과 크로스토크를 계산한 결과 두께를 최적화한 구조의 광특성 개선 효과를 확인할 수 있었다. 광효율의 경우 입사각이 0도일 때 광효율이 가장 크게 증가하였고, 입사각이 커질수록 그 효과가 점점 줄어드는 모습을 보여주었다.

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