JP2008042156A - Cmosイメージセンサの単位ピクセル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フォトゲートノード207に印加する正の定電圧(VPG)を制御して第1フォトダイオード205のキャパシタンス(CPD)及び第2フォトダイオード206のキャパシタンス(CPG)の組合せによる非線型な集積キャパシタンス(Cint)を調節可能である。定電圧(VPG)を制御して、集積キャパシタンスが(Cnt)が第1及び第2フォトダイオードのキャパシタンスの和(CPD+CPG)から第1フォトダイオード205のキャパシタンス(CPD)に変わる遷移電圧レベル(transition voltage level:VPG−VTH)であるフォトゲートノード207に印加する電圧(VPG)とフォトゲートの閾値電圧(VTH)との差を調節できる。
【選択図】図2
Description
また、第1フォトダイオード;ロウセレクタトランジスタ;ソースフォロワトランジスタ;及びリセットトランジスタを具備するCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、上記第1フォトダイオードのカソードにソースが接続されたフォトゲートトランジスタ;及び上記フォトゲートトランジスタのドレインにカソードが接続された第2フォトダイオードを更に備え、フォトゲートに印加される電圧(VPG)を制御して上記第1フォトダイオードのキャパシタンス(CPD)及び第2フォトダイオードのキャパシタンス(CPG)の組合せによる非線型集積キャパシタンス(Cint)を調節可能であり、上記フォトゲートに印加される電圧(VPG)を制御して、上記集積キャパシタンス(Cint)が第1及び第2フォトダイオードのキャパシタンスの和(CPD+CPG)から第1フォトダイオードのキャパシタンス(CPD)に変わる遷移電圧レベル(transition voltage level:VPG−VTH)である上記フォトゲートに印加する電圧(VPG)と上記フォトゲートの閾値電圧(VTH)の差を調節可能であることを特徴とする。
上記単位ピクセルに所定強度以下の光が入射された場合、上記フォトゲートに印加される正の定電圧が低いほど遷移電圧レベルが減少し、上記減少した遷移電圧レベル(transition voltage level:VPG−VTH)によって存在する集積キャパシタンス(Cint)により感度が増加できるようにすることを特徴とする。
上記フォトゲートに印加される電圧を0Vまたは負の電圧とすることによって、所定強度以下の光が入射する場合、所定大きさ以下の集積キャパシタンス(Cint)を維持できるようにすることを特徴とする。
上記単位ピクセルに所定強度以上の光が入射された場合、上記フォトゲートに印加される正の定電圧が高いほど遷移電圧レベルが増加し、上記増加した遷移電圧レベルによって、存在する増加した集積キャパシタンス(Cint)によってウェルキャパシティが増加してダイナミックレンジが増加できるようにすることを特徴とする。
上記印加される正の定電圧は、駆動電圧以上であることを特徴とする。
上記非線型集積キャパシタンス(Cint)の特性によるウェルキャパシティの値によって、所定照度以上の光に対してピクセルの出力電圧特性が飽和せず、上記遷移電圧レベルより高集積ノード電圧(Vint)区間で存在する集積キャパシタンス(Cint)を持つ特性によって、所定強度以下の光が入射される時にピクセル出力電圧特性によって、所定照度以下の光に対する感度とダイナミックレンジを同時に向上させるために、上記フォトゲートに印加される正の定電圧を制御できることを特徴とする。
上記ピクセルに入射される光の強度によるピクセル出力電圧の程度に対する情報をフィードバックすることにより、上記フォトゲートに印加される電圧を自動的に調節して、感度とダイナミックレンジを自動的に調節可能であることを特徴とする。
リセットレベルを増加させて低電圧動作で出力電圧のダイナミックレンジを向上させるために、上記リセットトランジスタをPMOSで構成することを特徴とする。
上記ピクセル出力電圧のダイナミックレンジを増加させるために、上記ソースフォロワトランジスタは、上記ピクセルに含まれた閾値電圧が0VのNMOSであることを特徴とする。
上記ピクセル出力電圧のダイナミックレンジを増加させるため、上記ソースフォロワトランジスタは、上記ピクセルに含まれた閾値電圧が0VのPMOSであることを特徴とする。
また、本発明による単位ピクセルは、暗電流が既存構造に比べて50%以上低減し、フォトゲートがフォトセンシング領域に使われているから、既存3−Tr構造に比べてFF(フィルファクター)損失はなく、既存4−Tr構造に比べてFFが向上する。
また、本発明では工程の変化なく、フォトゲートをレイアウト上に含ませる簡単な作業だけで上記のような效果が得られる。すなわち本発明による単位ピクセルは既存の4−Trの工程費用に比べて、標準工程のみを使用することができるという長所がある。従って、本発明による単位ピクセルはCMOSイメージセンサの価格競争力を更に向上させることができる。
CMOS技術がディープサブミクロン(deep-submicron)に行きつつあり、4−Tr構造の光特性とFFを改善することが難しい。その理由は、工程が発達するほどドーピング密度(doping density)が高くなり、供給電圧が低くなるからである。すなわち、工程技術の発達と共に、既存の4−Trは低電圧動作が不可能になり、光特性も劣化するようになる。しかし、本発明により提案されたピクセル単位は比較的工程の発達に影響されない。その理由は、提案された構造は電気的に性能を最適化することができ、電気的な特性は工程の発達とともにほとんど維持することができるからである。従って、工程技術の発達と共に本発明により提案された構造は更に注目されようになる。
各図面に図示された同一参照符号は、同一機能を遂行する構成要素を意味している。
本発明は、第1フォトダイオードを具備するCMOSイメージの単位ピクセルにおいて、第1フォトダイオードのカソードにソースが接続されたフォトゲートトランジスタ;及びフォトゲートトランジスタのドレインにカソードが接続された第2フォトダイオードを更に具備する。第1フォトダイオード及び第2フォトダイオードから発生するキャパシタンスの組合せによって、非線型な集積キャパシタンス(integration capacitance:Cint)が発生する。集積キャパシタンス(Cint)は、フォトゲートに印加される電圧の高低によって制御可能である。
本発明による単位ピクセルによると、フォトゲート(図3の314)に印加される正の定電圧を適切な水準にした場合、非線型的な集積キャパシタンス(Cint)によって既存の3−Tr構造に比べてウェルキャパシティ(QWELL)が増加されて高照度(強い)光に対してピクセル出力電圧特性が飽和しない(図10参照)。一方、遷移電圧レベルより高い集積ノード電圧(Vint)区間で存在する既存の3−Tr構造に比べて減少した集積キャパシタンス(Cint)を持つ特性により、低照度(弱い)光が入射される時のピクセル出力電圧特性が既存の3−Tr構造に比べて大きな傾きを持つようになる(図9参照)。従って、フォトゲート(図3の314)に印加される正の定電圧を適切な水準にすることで、低照度の感度とダイナミックレンジとを同時に増加させるように具現することができる。
Claims (11)
- 第1フォトダイオードを具備するCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記第1フォトダイオードのカソードにソースが接続されたフォトゲートトランジスタ;及び上記フォトゲートトランジスタのドレインにカソードが接続された第2フォトダイオードを更に具備し、
フォトゲートに印加される正の定電圧(VPG)を制御して上記第1フォトダイオードのキャパシタンス(CPD) 及び第2フォトダイオードのキャパシタンス(CPG)の組合せによる非線型集積キャパシタンス(Cint)を調節でき、
上記フォトゲートに印加される上記正の定電圧(VPG)を制御し、上記集積キャパシタンス(Cint)が上記第1及び第2フォトダイオードのキャパシタンスの和(CPD+CPG)から、上記第1フォトダイオードのキャパシタンス(CPD)に変わる遷移電圧レベルである上記フォトゲートに印加する電圧(VPG)と上記フォトゲートの閾値電圧(VTH)との差異を調節できることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 第1フォトダイオード;ロウセレクタトランジスタ;ソースフォロワトランジスタ;
及びリセットトランジスタを具備するCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記第1フォトダイオードのカソードにソースが接続されたフォトゲートトランジスタ;及び上記フォトゲートトランジスタのドレインにカソードが接続された第2フォトダイオードを更に具備し、
フォトゲートに印加される電圧(VPG)を制御して上記第1フォトダイオードのキャパシタンス(CPD) 及び上記第2フォトダイオードのキャパシタンス(CPG)の組合せによる非線型集積キャパシタンス(Cint)を調節でき、
上記フォトゲートに印加される電圧(VPG)を制御して、上記集積キャパシタンス(Cint)が上記第1及び第2フォトダイオードのキャパシタンスの和(CPD+CPG)から上記第1フォトダイオードのキャパシタンス(CPD)に変わる遷移電圧レベルである上記フォトゲートに印加する電圧(VPG)と上記フォトゲートの閾値電圧(VTH)との差異を調節できることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 請求項2記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
所定強度以下の光が入射された場合、上記フォトゲートに印加される正の定電圧が低いほど遷移電圧レベルが減少し、上記減少した遷移電圧レベルにより存在する集積キャパシタンス(Cint)によって感度が増加できるようにすることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 請求項2記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記フォトゲートに印加される電圧を0Vまたは負の電圧にすることによって、所定強度以下の光が入射された場合、所定大きさ以下の集積キャパシタンス(Cint)が維持できるようにすることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 請求項2記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
所定強度以上の光が入射された場合、上記フォトゲートに印加される正の定電圧が高いほど上記遷移電圧レベルが増加し、上記増加した遷移電圧レベルより存在する増加された集積キャパシタンス(Cint)によって、ウェルキャパシティが増加し、ダイナミックレンジが増加できるようにすることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 請求項5記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記印加される正の定電圧は、駆動電圧以上であることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 請求項2記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記非線型的集積キャパシタンス(Cint)の特性によるウェルキャパシティの値によって所定照度以上の光に対して、ピクセルの出力電圧特性が飽和せず、上記遷移電圧レベルより高い集積ノード電圧(Vinr)区間で存在する集積キャパシタンス(Cint)の持つ特性に応じて、所定強度以下の光が入射される時のピクセル出力電圧特性により所定照度以下の光に対する感度とダイナミックレンジを同時に向上させるために上記フォトゲートに印加される正の定電圧を制御できることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピックセル。 - 請求項2記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記ピクセルに入射される光の強度によるピクセル出力電圧の程度に対する情報をフィードバックすることにより、上記フォトゲートに印加される電圧を自動的に調節することで、感度とダイナミックレンジを自動的に調節できることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
リセットレベルを増加させて所定大きさ以下の電圧動作で出力電圧のダイナミックレンジを向上させるために、上記リセットトランジスタをPMOSで構成したことを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。 - 請求項9記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記ピクセル出力電圧のダイナミックレンジを増加させるため、上記ソースフォロワトランジスタは、上記ピクセルに含まれた閾値電圧が0VのNMOSであることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル - 請求項9記載のCMOSイメージセンサの単位ピクセルにおいて、
上記ピクセル出力電圧のダイナミックレンジを増加させるために、上記ソースフォロワトランジスタは、上記ピクセルに含まれた閾値電圧が0VのPMOSであることを特徴とするCMOSイメージセンサの単位ピクセル。
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