Nanophotonic Elements for High-Resolution CMOS Image Sensors

Abstract

Image sensor is a device that converts electromagnetic waves scattered by the objects or environment into electric signals. Recently, in the mobile device and autonomous vehicle industries, multiple image sensors having different purposes are required for a single device. In particular, image sensors with more than 100 million pixels are being developed in response to the development of a display to a high resolution of 8K or more. However, due to the limited space of the mobile device, the size of pixels constituting the sensor must be reduced for a high-resolution image sensor, which causes factors that reduce image quality, such as a decrease in light efficiency, a decrease in quantum efficiency, and color interference. Metasurface is a device that modulates electromagnetic waves through an array of antennas smaller than wavelength. It has been proposed as a device that replaces the color filter, lens, and photodiode constituting the optical system of the image sensor. However, the performance of the metasurface corresponding to the miniaturized pixel size was limited by the operating principle that requires several array of nano-antennas. In this dissertation, I present a metasurface optical device that can improve the image quality of an existing image sensor composed of micropixels. First, an absorption type color filter that suppresses reflection is discussed. The reflection that inevitably occurs in the conventional metasurface color filter elements causes a flare phenomenon in the captured image. In this dissertation, I design a color filter that transmits only a specific band and absorbs the rest of the absorption resonant band of a hyperbolic metamaterial antenna using a particle swarm optimization method. In particular, I present a Bayer pattern color filter with a pixel size of 255 nm. Second, I introduce a color distribution meta-surface to increase the light efficiency of the image sensor. Since the photodiode converts light having energy above the band gap into an electric signal, an absorption type color filter is used for color classification in image sensor. This means that the total light efficiency of the image sensor is limited to 33% by the blue, green, and red filters constituting one pixel. Accordingly, a freeform metasurface device is designed that exceeds the conventional optical efficiency limit by distributing light incident on the sub-pixel in different directions according to color. Finally, an optical confinement device capable of increasing signal-to-noise ratio (SNR) in low-illuminance at near-infrared is presented. Through the funnel-shaped plasmonic aperture, the light is focused on a volume much smaller than the wavelength. The focused electric and magnetic fields interact with the spatially distributed semiconductors, which achieve a Purcell effect enhanced by the presence of the metasurface. This dissertation is expected to overcome the conventional nanophotonic devices for image sensors and become a cornerstone of the development of micropixel or nanopixel image sensors. Furthermore, it is expected to contribute to building a new image sensor platform that will replace the optical system constituting the image sensor with metasurface.

이미지 센서는 환경에 의해 산란되는 전자기파를 전기신호로 바꾸는 소자로, 최근 모바일 기기와 자율 주행 자동차 산업에서 단일 디바이스에 다른 목적을 가진 이미지 센서들이 요구되고 있다. 특히, 디스플레이가 8K 이상의 고해상도로 발전함에 대응하여 1억화소 이상의 이미지 센서가 개발되고 있다. 그러나, 모바일 기기의 제한된 공간에 의해 고해상도 이미지 센서를 위해서는 센서를 구성하는 픽셀의 크기를 줄여야 하며, 이는 광 효율 감소, 양자 효율 감소, 색 간섭 등의 화질을 감소시키는 요소들을 야기한다. 메타표면은 파장보다 작은 안테나들의 배열을 통해 전자기파를 변조해주는 소자로, 이미지 센서의 광학 시스템을 구성하는 색 필터, 렌즈, 포토 다이오드를 대체하는 소자로 제안되었다. 하지만, 소형화 된 픽셀 크기에 대응하는 메타표면은 나노 안테나의 동작원리와 배열의 한계에 의해 성능이 제한되었다. 본 논문에서는 초소형 픽셀로 구성된 기존 이미지 센서에 대한 화질을 높일 수 있는 메타표면 광학소자를 제시한다. 첫째로, 반사를 억제하는 흡수형 색 필터에 대해서 논의한다. 기존 메타표면 색 필터 소자에서 필연적으로 발생하는 내부 반사는 찍은 이미지에서 플레어 현상을 유발한다. 본 논문에서는 쌍곡 메타물질 안테나의 흡수 공진 대역을 입자 무리 최적화 방식을 이용해 특정 대역 만을 투과하고 나머지는 흡수하는 색 필터를 설계한다. 특히, 255 nm 크기 픽셀의 베이어 패턴 색 필터를 제시한다. 둘째로, 이미지 센서의 광 효율을 높이기 위한 색 분배 메타표면을 제시한다. 이미지 센서의 포토 다이오드는 밴드 갭 이상의 에너지를 가지는 빛에 대해 전기신호로 변환하므로, 색 구분을 위해 흡수형 색 필터를 사용한다. 이는 하나의 픽셀을 구성하는 청, 녹, 적색 필터에 의해 이미지 센서의 전체 광 효율이 33 %로 제한되는 것을 의미한다. 따라서, 서브 픽셀에 입사하는 빛을 색에 따라 다른 방향으로 빛을 분배하여 기존의 광 효율 한계를 넘어서는 자유형 메타표면 소자를 설계한다. 마지막으로, 저조도의 근적외선에서 신호 대 잡음비를 높일 수 있는 광 집속 소자를 제시한다. 깔대기 모양의 플라즈모닉 개구를 통해 빛을 파장보다 매우 작은 크기의 영역에 집중시킨다. 집속된 전기장과 자기장은 공간적으로 분포된 반도체와 상호작용함으로써, 메타표면의 존재에 따라 강화된 Purcell 효과를 얻는다. 본 박사학위 논문은 이미지 센서를 위한 기존의 제한된 메타표면 소자를 극복하고, 초소형 픽셀의 이미지 센서 개발의 초석이 될 것으로 기대된다. 나아가, 이미지 센서를 구성하는 광학 시스템을 메타표면으로 대체할 새로운 플랫폼을 구축하는 것에 기여할 것으로 기대된다.