논문 리뷰 - QE and Optical Cross-talk of Pixels with BST for Near-Infrared Imaging

2021년에 네이버 블로그에 포스팅한 글입니다.

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2021 IISW에서 발표한 삼성전자 BST 논문

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최근 Stacked 구조는 필수적인듯 하다. 삼성에서 제안한 BST 구조 또한 Stacked구조로 제작 과정은 왼쪽 아래의 그림과 같다.

오른쪽 pixel에서 단면도를 확인하면 BST의 색깔이 다른데, 이는 BST가 같은 위치에 있는게 아니라 좀 더 깊은곳에 있어 연하게 나온것으로 생각된다.

Source : Quantum Efficiency and Optical Cross-talk of Pixels with Backside Scattering Technique for Near-Infrared Imaging

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BST의 대표적인 장점으로는, 스퍼터링을 활용하기 때문에 optical path가 늘어나기 때문에 QE가 상승한다. 반대로 상대적으로 높은 QE를 지닐 수 있기 때문에, Silicon Thickness를 줄임에도 높은 성능을 유지할 수 있따.

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단점으로는. 아무래도 Silicon Top부분에 에칭을 해주고 Anti Reflective Layer을 도핑해주기 때문에 실리콘 격자구조의 불균형이 발생하게되어 Defect이 발생할 수 있게되고, 빛이 실리콘 중심으로 모이지 않고 옆으로 퍼지기 때문에, DTI가 있음에도 불구하고 Crosstalk가 발생하게 된다.

참고로 여기서 ARL은 한층을 박막하는게 아니라, BST를 필링해주는 필러 역할뿐만 아니라 한층을 박막까지해 빛의 반사를 최소화시킨다.

Source : Quantum Efficiency and Optical Cross-talk of Pixels with Backside Scattering Technique for Near-Infrared Imaging

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BST 구조는 탑뷰에서 보았을때 왼쪽 아래와 같다. B, C구조는 대외비로 비밀이다.

여기서 중요한건, BST의 면적은 D가 가장 크지만, QE는 B,C가 더 높거나 같다.

이로서 BST의 면적과 QE는 관련성이 적고, 중요한건 BST의 Shape라고 생각된다.

오른쪽 아래 그래프를 보게되면 BST를 사용했을 경우 QE가 확실히 상승한것을 확인 할 수 있다.

하지만 다른 관점에서는, C의 QE를 1로 기준을 잡고 상대적인 비율로 나타냈기 때문에, 얼마나 QE가 상승했는지는 정확히 알 수 없다.

Source : Quantum Efficiency and Optical Cross-talk of Pixels with Backside Scattering Technique for Near-Infrared Imaging

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왼쪽 아래 (a)그림은 ISO test chart라고 이미지센서 논문을 보면 자주 볼 수 있는 그림이다. Contrast와 해상도를 비교할때 주로 사용되는듯 하다. 빨간색 네모 안에 있는 그림을 확대해서 보면 BST를 사용하지 않은 구조의 contrast가 훨씬 선명한것을 확인할 수 있다.

그리고 가운데 그래프는 노란색 그림을 설명하고있는 부분으로, Gray scale이라는 신개념 파라메터가 등장한다.

이는, 1에 가까울수록 white, 0에 가까울수록 black을 나타내며, 모자 모양의 펄스 파형이 직각으로 나오게 되면 가장 이상적으로 흰색과 검정색 줄무늬가 구분이 된다. 아래 그래프처럼 기울기가 있는 부분은 모두 회색이라고 생각하면 된다.

본론으로 돌아와서 이 그래프를 보았을때도 BST를 사용하지 않은 구조가 더욱 선명한 White와 Black을 표현할 수 있다고 생각할 수 있다.

이 이유는 스퍼터링으로 인해 생기는 광학적 crosstalk 때문이다.

Source : Quantum Efficiency and Optical Cross-talk of Pixels with Backside Scattering Technique for Near-Infrared Imaging

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마지막으로 왼쪽 아래 그래프를 보게되면, MTF(contrast와 해상도를 동시에 나타내는 척도)가 BST를 사용하지 않은 구조에서 가장 높지만, D shape의 BST를 사용하고 DTI의 두께를 2배 늘려주게되면, 크로스토크가 차단되어 MTF가 오히려 가장 좋아지는 현상을 볼 수 있다.

오른쪽 아래 그래프는 전체적인 스팩을 나타내며, DTI를 늘리지 않은 BEST구조인 C shape BST를 기준으로 BST를 사용하지 않은 구조보다, QE는 상승하였으나, MTF와 Dark Current의 성능은 오히려 떨어졌다는걸 알 수 있다.

Source : Quantum Efficiency and Optical Cross-talk of Pixels with Backside Scattering Technique for Near-Infrared Imaging