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근적외선(NIR) 이미지는 가시광선 이미지와 달리 인간의 눈으로 확인할 수 없는 정보나 특정 환경 및 조건에서 필요한 정보를 제공한다. 예를 들어, 조도가 낮은 야간에서도 근적외선을 이용하여 원하는 이미지를 얻을 수 있어 보안 카메라 등에 사용된다. 또한 적외선은 인간의 눈에는 감지되지 않으면서 높은 직진성을 가지기 때문에 물체간의 거리 정보를 획득할 수 있어 LiDAR와 같은 자동차 산업에도 적용되고 있다. 이와 같은 이유로 근적외선 센싱 기술은 바이오 이미징, LiDAR, 보안 카메라, 광섬유 통신 및 모바일분야에 광범위하게 적용되고 있다[1]-[5]. 이와 같은 어플리케이션은 높은 근적외선 이미지 품질을 요구하며 이를 위해서는 광학 특성 중 하나인 감도(Sensitivity) 특성이 중요하다.

이에 따라 실리콘 기반 이미지 센서의 한계인 근적외선 파장대역의 낮은 감도 특성을 해결하고자 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 실리콘 두께를 늘리거나 광학 요소를 추가하여 광 경로를 늘리는 것이다[6][7]. 하지만 실리콘의 두께를 늘려도 가시광선 영역 감도의 30%정도를 미치지 못하고 있으며, 광학 요소 추가로 인해 고난이도 공정 기술이 필요하거나 광학 요소로 인한 크로스톡 증가 등의 문제가 해결되지 못하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 실리콘 두께를 기존과 동일하게 유지하면서 추가적인 광학요소 없이 근적외선 감도를 향상시키는 픽셀 구조가 제안되었다[8]. 3D 적층형 이미지 센서 기술을 이용한 적층형 포토다이오드를 가지는 픽셀구조로써, 적층형 포토다이오드는 픽셀 트랜지스터 층에 포토다이오드를 형성하게 된다. 기존의 포토다이오드 아래에 추가된 적층 포토다이오드는 기존의 포토다이오드에서 흡수하지 못하고 투과된 빛을 흡수할 수 있다. 이러한 광 경로 증가가 850nm, 940nm 파장에서 각각 32%, 20%로 감도가 개선되었다. 하지만 가시광 영역과 비교하면 여전히 감도 향상이 필요한 실정이다.

일반적으로 이미지 센서의 픽셀 구조에 필수 요소인 컬러필터는 Bayer 컬러 필터 배열(CFA)가 주로 사용되고 있다[9]. 한 개의 red color filter(RCF), 한 개의 blue color filter(BCF), 두 개의 green color filter(GCF)로 구성된 2X2 배열이 가시광선 이미지를 구현하기 위해서 구현된 컬러필터로써 사용되고 있다. 또한, 감도 향상을 위해 white color filter(WCF)를 추가한 W-RGB CFA도 다양한 이미지 센서에 도입되고 있다[10]. WCF는 전 파장에서 높은 투과율을 가지고 있기 때문에, 저조도 환경에서 색 보간 알고리즘을 통해 높은 감도 효율을 가질 수 있다. 일반적으로 WCF는 가시광선 이미지뿐만 아니라 장파장 영역에서도 높은 투과율을 가지기 때문에 근적외선 감도 향상을 기대할 수 있다. 하지만 WCF의 특성으로 인한 크로스톡이나 색 재현을 높이기 위한 별도의 신호처리 기법이 요구되기도 한다. 또한, RGB CFA에 근적외선 컬러필터(NIR-CF)를 추가로 삽입하는 NIR-RGB CFA가 있다[11]. NIR-CF는 원하는 근적외선 파장영역만 투과시키고 그 외의 파장들은 컷-오프 시키게 된다. 근적외선 이미지 신호로써 원하는 파장영역만을 얻을 수 있지만, RGB이미지로는 활용할 수 없는 불량 픽셀이 된다.

이처럼 픽셀에 사용되는 여러 가지 컬러필터 배열들은 기존의 가시광 영역에 집중되어있기 때문에 근적외선 센싱에 적합한 컬러필터에 대한 연구가 부족한 실정이다. 본 연구팀이 제안한 적층형 포토다이오드 구조에 가장 적합한 컬러 필터를 구현하여 보다 높은 근적외선 감도를 가지는 픽셀구조를 제안하는 것이 본 연구의 목적이다. 본 논문에서는 근적외선 파장 대역에서 감도를 향상시키기 위해서 적층형 포토다이오드를 가지는 픽셀구조에서 세가지 컬러필터(Bayer, WGRB, NIR-RGB)를 적용하여 구조를 검토하였다. 2장에서는 다양한 컬러필터가 적용된 픽셀 구조의 개념을 설명하고 3장에서는 시뮬레이션 결과를 제시하고 논의한다. 4장에서는 결론을 도출하였다.

본 연구는 finite difference time domain(FDTD) 방법에 기반한 3D 광학 시뮬레이터를 사용하여 여러 컬러필터가 적용된 픽셀 구조의 광학 특성을 조사하였다[13]. 이러한 FDTD 방법은 일반적으로 CMOS 이미지 센서의 광학 특성 분석에 많이 사용되고 있는 방법 중에 하나이다[14]. 픽셀의 광학적 특성을 분석하기 위해 흡수된 광자 밀도(Absorbed photon density)를 감도의 척도로 사용하였다. 흡수된 광자 밀도는 흡수된 전력 밀도(Absorbed power density)를 광자 에너지(Photon energy)로 나눈 값으로 나타낸다. 여기서 흡수된 전력 밀도는 주어진 단위 면적에서 흡수된 빛이 가지는 전력의 시간 평균으로 계산된다.

그림 3은 1.2μm 사이즈의 픽셀에서 시뮬레이션된 컬러필터별 감도 및 크로스톡 결과를 보여준다. 이때, 감도는 입사된 빛이 2x2 배열, 총 4개의 픽셀에서 흡수된 감도로써, 적층형 포토다이오의 경우 상부 포토다이오드와 하부 포토다이오드의 감도 합으로 계산되었다.

Fig. 3. 
Simulation results of near-infrared’s sensitivity and crosstalk by pixel type and color filter type in 1.2μm pixel (a) Sensitivity at 850 nm of incident light, (b) Sensitivity at 940 nm of incident light, (c) Crosstalk by color filter type

그림 3(a)는 850nm 파장에서 각 픽셀 구조별, 컬러필터별 감도결과를 보여준다. 기존의 픽셀구조에서 W-RGB, NIR-RGB CFA는 Bayer CFA보다 6%의 감도 향상을 보였다. WCF와 NIR-CF는 근적외선 파장대역에서는 동일한 투과율을 가지기 때문에 감도차이가 존재하지 않기 때문에 동일한 감도를 가진다. 적층형 포토다이오드를 가진 픽셀구조에서는 W-RGB, NIR-RGB CFA가 Bayer CFA 보다 12% 높은 감도 결과를 나타내었다. 850nm파장이 입사될 때 감도 상승률은 기존의 픽셀구조가 6%인데 비해 적층형 포토다이오드를 가진 픽셀구조가 12%로 더 높다.

그림 3(b)는 940nm 파장에서 각 컬러필터별 감도결과를 나타낸다. 기존 픽셀구조의 컬러필터별 감도 상승률은 W-RGB, NIR-RGB CFA가 Bayer CFA보다 7.3%의 감도 향상을 나타내었다. 적층형 포토다이오드를 가지는 픽셀구조에서는 W-RGB, NIR-RGB CFA의 감도가 Bayer CFA의 감도에 비해 12% 향상되었다. 입사파장이 940nm에서도 적층형 포토다이오드 픽셀구조의 W-RGB와 NIR-RGB CFA가 높은 감도 상승률을 가진다. 그 이유는 Bayer CFA의 GCF보다 WCF와 NIR-CF가 근적외선 파장영역에서 더 높은 투과율을 가지기 때문이다. 이러한 결과로부터, 근적외선 파장에서 어떠한 픽셀구조라도 W-RGB와 NIR-RGB CFA를 적용하면 높은 감도를 가질 수 있는 것을 알 수 있다.

그림 3(c)는 기존의 픽셀구조와 적층형 포토다이오드 픽셀구조에서 각 컬러필터 유형별 크로스톡 결과를 보여준다. 크로스톡은 각 컬러필터별 모든 픽셀의 크로스톡 평균값으로 계산되었다[15]. 기존의 픽셀구조에서는 W-RGB CFA가 11.6%로 가장 높은 크로스톡을 가졌고, NIR-RGB CFA가 11.2%로 가장 낮은 결과를 가졌다. 또한, 적층형 포토다이오드에서도 W-RGB CFA구조가 12.6%로 가장 높았고 NIR-RGB CFA 구조가 11.6%로 가장 낮았다. 그 이유는 WCF는 전파장에 걸쳐 투과하기 때문에 모든 파장에 걸쳐 주변 인접 픽셀로 빛을 투과시켜 크로스톡을 발생시킬 수 있기 때문이다. 또한 NIR-CF는 근적외선 파장만을 투과시키는 투과율 특성을 가지기 때문에 근적외선뿐만 아니라 가시광선까지 투과할 수 있는 GCF에 비해 더 낮은 크로스톡을 가질 수 있다. 이러한 결과로부터 크로스톡 특성면에서는 NIR-RGB CFA가 가장 적합하다고 말할 수 있다. 따라서 W-RGB와 NIR-RGB CFA에서 감도 차이는 존재하지 않지만 더 낮은 크로스톡 특성을 가지는 NIR-RGB CFA가 근적외선 센싱에 가장 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.

그림 4는 1.0μm 픽셀 사이즈에서 시뮬레이션된 감도 및 크로스톡 결과를 보여준다. 1.2μm 픽셀 사이즈와 달리 감도 확인을 위한 시뮬레이션에 사용된 파장은 850nm이다. 940nm를 사용하지 않은 이유는 픽셀 크기가 입사된 파장의 크기에 가까워짐에 따라 빛이 픽셀에 완전히 도달할 수 없는 물리적인 한계가 존재하기 때문이다. 픽셀의 크기가 작아질수록 감도향상은 가시광선 파장뿐만 아니라 근적외선 파장에서도 중요한 매개변수이다[16]. 그림 4(a)는 850nm 파장에서 각 컬러필터별 감도결과를 보여준다. 1.2μm와 마찬가지로 컬러필터 유형별 감도를 비교 결과, 기존의 픽셀구조에서 W-RGB 및 NIR-RGB CFA는 Bayer CFA에 비해 4.5% 향상된 감도를 가졌다. 또한 적층형 포토다이오드를 가지는 픽셀구조는 Bayer CFA에 비해서 9%의 감도 개선을 가졌다. 또한, 그림 4(b)에서 기존의 픽셀구조와 적층형 포토다이오드 픽셀구조에서 각 컬러필터 유형별 크로스톡 결과를 나타내었다. 기존의 픽셀구조에서는 W-RGB CFA가 12.1%로 가장 높은 크로스톡을 나타냈고 NIR-RGB CFA에서 11.5%로 가장 낮은 크로스톡을 나타냈다. 또한 적층형 포토다이오드 픽셀구조에서도, W-RGB CFA의 경우 13.2%로 높은 크로스톡을, NIR-RGB CFA는 12%로 가장 낮은 크로스톡을 가지는 것을 알 수 있었다. 따라서 1.0μm픽셀에서도 NIR-RGB CFA가 가진 픽셀 구조에도 적합하다는 것을 확인하였다.

Fig. 4. 
Simulation results of near-infrared sensitivity and crosstalk by pixel type and color filter type of 1.0μm pixel (a) Sensitivity at 850 nm of incident light, (b) Crosstalk by color filter type

마지막으로 기존의 픽셀 구조에 가장 범용적으로 사용되고 있는 Bayer CFA를 적용시킨 픽셀과 본 연구에서 제안하는 NIR-RGB CFA를 적용시킨 스택형 포토다이오드를 가지는 픽셀과의 근적외선 영역의 광학 성능을 비교한 시뮬레이션 결과를 그림 5에 나타내었다.

Fig. 5. 
Simulation results of the normalized sensitivity with wavelengths from 400 nm to 1000 nm. Solid line shows the result of the pixel structure with the stacked photodiode. Dotted line shows the result of the existing pixel structure to which Bayer CFA is applied (a) Sensitivity results of 1.2 μm pixel, (b) Sensitivity results of 1.0 μm pixel

점선은 Bayer CFA가 적용된 기존 픽셀구조이고, 실선은 NIR-RGB CFA가 적용된 적측형 포토다이오드 픽셀 구조를 나타낸다. 시뮬레이션 결과는 가장 높은 감도의 값을 기준으로 정규화 시킨 감도로 표현하였다.

그림 5(a)는 1.2μm 픽셀 의 400nm~1000nm 파장대역의 감도 결과를 보여준다. NIR-RGB CF를 투과한 감도는 850nm, 940nm에서 각각 27%, 19% 향상되었다. 그림 5(b)는 1.0μm 작은 픽셀의 경우 850nm 파장에서 감도가 16% 향상된 것을 확인할 수 있다. 높은 감도향상은 기존 픽셀 구조와 달리 적층형 포토다이오드로 인한 광경로 증가로 기존에 흡수되지 못하고 투과되는 빛이 흡수되기 때문이다. 또한 기존에 사용되던 Bayer CFA보다 더 높은 투과 특성을 지닌 NIR-RGB CFA로 변경함에 따라 추가적으로 감도가 향상되었다.

표 2에 1.2μm 픽셀에서 지금까지 검토했던 컬러필터들의 유형별 성능 비교 결과를 나타냈다. 감도 면에서는 W-RGB CFA와 NIR-RGB CFA가 가장 높은 값을 가지고, 크로스톡 측면에서는 NIR-RGB CFA가 가장 낮았다. 감도와 크로스톡 특성을 모두 고려할 때 NIR-RGB CFA가 가장 우수한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.

본 논문에서는 고감도 근적외선 센싱을 위해 본 연구팀이 제안한 적층형 포토다이오드를 가지는 픽셀 구조에서 가장 적합한 컬러필터 배열을 검토하였다. 이때, 3D 광학 시뮬레이션을 통해 픽셀 크기가 1.2μm 및 1.0μm인 2x2 배열의 픽셀 구조의 감도 및 크로스톡을 검토했다. 또한 컬러필터 배열에 따른 감도 및 크로스톡을 비교하기 위해서 Bayer CFA, W-RGB CFA 그리고 NIR-RGB CFA를 사용하였다. 광학 시뮬레이션 결과, Bayer CFA를 가진 픽셀은 근적외선 감도에서 W-RGB CFA 및 NIR-RGB CFA보다 낮은 감도를 가졌다. 그 결과 W-RGB CFA 또는 NIR-RGB CFA를 사용하는 것이 근적외선에 적합해 보였으나 W-CF에서 발생하는 크로스톡으로 인해 NIR-RGB CFA가 근적외선 이미지 센싱에 가장 적합한 구조임을 확인하였다.

1.2μm 픽셀사이즈를 가지는 NIR-RGB CFA구조에서 850nm 및 940nm파장은 각각 27% 및 19% 정규화 된 감도가 향상되었다. 좀 더 작은 픽셀 사이즈인 1.0μm 구조는 850nm 파장에서 16% 정규화 된 감도가 향상되었다. 이는 NIR-RGB CFA 구조가 어떠한 픽셀 사이즈나 구조에서도 근적외선 센싱에 적합한 구조라는 것을 확인하였다.

본 논문에서는 환경적 제약으로 인해 제안된 픽셀 구조에 대한 실제측정 결과를 얻을 수 없었지만 현재 계속해서 발달하는 적층형 이미지 센서 공정기술 및 패키징 기술로 인해 구조를 제작할 수 있을 것으로 기대한다. 하지만 실제 소자 제작 시 각 웨이퍼 간 정렬의 오차로 인해 발생하는 광학적 손실이 예상된다. 두 개의 웨이퍼를 본딩할 시 불가피 하게 정렬 오차가 발생할 수 있는데 이에 따라 하부 포토다이오드에 입사되는 빛이 반사 또는 굴절되어 크로스톡이 발생되거나 감도가 예상보다 떨어질 수 있다. 이에 따라 하이브리드 본딩과 같은 접합 기술의 개선과 하부 웨이퍼 영역의 절연막의 굴절율을 조절하여 보다 많은 입사광을 흡수할 수 있도록 미세한 조절이 필요할 것으로 생각된다. 후속 연구에서는 적층형 포토다이오드에서 주위 배선 층에 의한 광학적 특성을 분석할 예정이다. 또한 본 구조에서 여러 광학 요소 추가 및 소형화 픽셀 관점에서 분석할 예정이다.