픽셀 구조 현실성
사전 지식
픽셀 해부학이 레이어 스택을 소개하고, 픽셀 광학 효과가 각 구성 요소가 QE와 crosstalk를 어떻게 움직이는지 설명한다. 이 페이지는 교과서적 스택과 실제 제조된 픽셀을 구분하는 구조적 세부사항을 다룬다.
1차 근사 픽셀 모델 — 평탄한 실리콘, 사각형 산화막 트렌치, 깔끔한 마이크로렌즈 캡 — 만으로도 지배적인 QE 추세는 재현할 수 있다. 하지만 마지막 몇 %의 QE, 근적외선(NIR) 응답, crosstalk 하한은 모두 평탄 모델이 놓치는 구조적 세부사항이 결정한다. 이 페이지는 중요한 현실성 요소를 모으고 각각을 COMPASS config 키에 대응시킨다.
현실성 격차 지도
| 실제 픽셀 요소 | 광학적으로 왜 중요한가 | COMPASS config |
|---|---|---|
| 후면 역피라미드 텍스처 | Graded-index moth-eye AR + 광 트래핑; 큰 NIR QE 증가 | silicon.surface_texture |
| DTI 컨포멀 high-k 라이너 | 얇은 고굴절 링; 패시베이션 + 음의 고정 전하 | silicon.dti.liner |
| 테이퍼 DTI 측벽 | 식각 트렌치는 깊이에 따라 좁아짐; 깊은 격리 충전 변경 | silicon.dti.taper_angle |
| 마이크로렌즈 잔류층 | Reflow/etch-back이 캡 아래 평탄 폴리머 슬랩을 남김 | microlens.base_thickness |
| 색별 CF relief + contact angle | 각 resist는 고유 높이와 측벽 기울기를 가짐 | color_filter.<color> |
| 모서리 둥근 금속 그리드 | 실제 그리드는 완전한 사각형이 아님 | color_filter.grid.corner_radius |
후면 역피라미드 텍스처 (광 트래핑)
최신 NIR 강화 BSI 센서는 입사광을 향하는 실리콘 후면에 역피라미드 배열(IPA) 을 식각한다. 두 가지 메커니즘이 QE를 높인다:
- Graded-index 반사방지. 트렌치 충전재에서 벌크 실리콘으로 들어갈수록 면적 평균 실리콘 비율이 표면의 ~0에서 피라미드 정점의 1로 매끄럽게 증가한다. 따라서 유효 굴절률이 평탄한 Si 계면에서처럼 급격히 계단지는 대신 서서히 변하며, moth-eye 코팅과 같은 방식으로 전면 반사를 억제한다.
- 광 트래핑. 다면 표면은 장파장 빛을 비스듬한 각도로 굴절시켜 (약하게 흡수하는) 실리콘 내 경로를 늘리고, 빠져나가기 전에 흡수될 확률을 높인다.
공개된 소자 시뮬레이션과 공정 보고서는 IPA를 깊은 DTI와 결합하면 근적외선 QE가 평탄 후면 대비 상당히 — 850 nm에서 약 3배, 940 nm에서 약 5배 — 증가함을 보인다. 해당 대역에서 실리콘 흡수 길이가 수십 µm로 커지기 때문이다.
COMPASS는 IPA를 실리콘 레이어 상단에서 깎아낸 피라미드형 피트의 staircase로 모델링하고 fill_material로 채운다. 피트 반폭은 표면의 period/2에서 정점의 0까지 선형으로 줄어들어 그라데이션 실리콘 충전율을 만든다:
silicon:
surface_texture:
enabled: true
type: inverted_pyramid
height: 0.35 # 실리콘 내부로의 텍스처 깊이 (um)
period: null # 기본값은 픽셀 pitch
fill_material: sio2
n_slices: 8 # RCWA용 staircase 해상도DTI: 라이너, 충전재, 테이퍼
실제 후면 deep trench는 깔끔한 산화막 사각형이 아니다:
- 컨포멀 high-k 라이너. 식각된 실리콘 측벽은 얇은 high-k 막(Al2O3, HfO2, Ta2O5, 보통 수십 nm)으로 라이닝되어 댕글링 본드를 패시베이션하고, 음의 고정 전하로 손상된 표면에서 전자를 밀어내 암전류를 낮춘다. 광학적으로는 실리콘과 저굴절 코어 충전재 사이의 얇은 고굴절 링이므로 트렌치의 반사와 crosstalk 기여를 바꾼다.
- 코어 충전재. 라이너 안쪽은 산화막(가장 일반적), 또는 일부 설계에서는 폴리실리콘, 텅스텐(metal DTI), 심지어 air gap으로 채워진다.
- 테이퍼 프로파일. 플라즈마 식각 트렌치는 깊이에 따라 좁아진다. 수직 측벽 이상화는 기판 깊은 곳의 격리 물질을 과대 계산하고, 광선·필드 계산에서 트렌치/실리콘 경계를 잘못 위치시킨다.
silicon:
dti:
enabled: true
mode: fdti
width: 0.12 # 후면 개구부에서의 트렌치 폭 (um)
depth: 4.0
material: sio2 # 코어 충전재
taper_angle: 82.0 # 기판면 기준 측벽 각도 (90 = 수직)
n_slices: 6 # 테이퍼 staircase 해상도
liner:
enabled: true
material: al2o3 # high-k 패시베이션 라이너
thickness: 0.015라이너가 비활성화되고 테이퍼 각도가 90°이며 텍스처가 없으면 COMPASS는 기존의 빠른 단일 슬라이스(FDTI) 또는 2-슬라이스(BDTI) 경로를 사용하므로 기존 config는 변하지 않는다. 이 기능 중 하나라도 켜면 실리콘 레이어가 z-resolved staircase로 전환되며 RCWA·FDTD 백엔드가 투명하게 소비한다.
마이크로렌즈 잔류층
폴리머 마이크로렌즈는 패터닝된 resist를 reflow하거나 etch-back하여 형성된다. 공정은 항상 곡면 캡 아래에 동일 폴리머의 평탄한 잔류 슬랩을 남긴다 — 렌즈는 가장자리에서 두께가 0이 아니다. 이를 무시하면 렌즈 물질 내 광경로와 컬러 필터 위 air gap 높이를 약간 과소평가한다.
microlens:
height: 0.67 # 곡면 캡 sag
base_thickness: 0.10 # 캡 아래 평탄 잔류 폴리머 슬랩종합
sample_p1p12um_nir preset은 이 모두를 한 번에 켜며, 픽셀 구조 현실성 리포트의 주제다. 이 리포트는 실제 solver 유전율 Re(eps)(x, z)를 렌더링하여 solver가 적분하는 geometry에서 그라데이션 텍스처, 라이닝된 테이퍼 트렌치, 잔류 렌즈 베이스를 직접 볼 수 있게 한다.
python scripts/run_simulation.py pixel=sample_p1p12um_nir범위
이 기능들은 geometry를 더 충실하게 만든다. 이것이 당신의 스택에서 QE를 바꾸는지는 광학적 질문이다 — delta를 인용하기 전에 RCWA order 수렴 sweep(그리고 텍스처의 경우 NIR로의 파장 sweep)을 실행하라.