JP2013520006A - イメージセンサおよび動作方法 - Google Patents

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Abstract

イメージセンサおよび動作方法を開示する。
イメージセンサのピクセルは、ピニング電圧が異なる複数のドーピング領域を含む検出部と、前記検出部から電子が送信されて復調する復調部とを含む。

Description

技術分野はイメージセンサ、イメージセンサーのピクセル構造およびピクセル動作方法に関する。
最近、イメージセンサ（ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ）を備えた携帯用装置（例えば、デジタルカメラ、移動通信端末機など）が開発され販売されている。イメージセンサは、ピクセルまたはフォトサイト（ｐｈｏｔｏｓｉｔｅ）と呼ばれる小さいフォトダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）のアレイに構成される。一般的に、ピクセルは光から色を直接的に抽出せず、広いスペクトルバンドの光子を電子に変換する。したがって、イメージセンサのピクセルは、広いスペクトルバンドの光のうち色獲得に必要なバンドの光だけを入力する必要がある。イメージセンサのピクセルは、カラーフィルタ等と結合して特定の色に対応する光子だけを電子に変換することができる。
イメージセンサを用いて３次元映像を獲得するためには、色だけでなくオブジェクトとイメージセンサとの間の距離に関する情報を獲得する必要がある。一般的に、オブジェクトとイメージセンサとの間の距離に関して再構成された映像を該当の分野では深さイメージ（ｄｅｐｔｈ ｉｍａｇｅ）のように表し得る。一般的に、深さイメージは可視光線の領域以外の赤外線を用いて獲得してもよい。
センサからオブジェクトまでの距離情報を獲得する方法は、大きくアクティブ方式およびパッシブ方式に分類し得る。アクティブ方式はオブジェクトに光を照射し、反射して戻ってくる光を検出して光の移動時間を把握する飛行時間型（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）と、センサから一定の距離にあるレーザなどによって照射されて反射した光の位置を検出し、三角測量を用いて距離を算出する三角測量方式とが代表的である。パッシブ方式は、光を照射することなく映像情報だけを用いてオブジェクトまでの距離を算出する方式であって、ステレオカメラが代表的である。
ＴＯＦ基盤のデプスキャプチャ（ｄｅｐｔｈ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ）の技術は、変調した波形を有する照射光がオブジェクトから反射して戻ってくるときに位相の変化を検出する方式である。このとき、位相の変化は電荷量に応じて算出してもよい。照射光として、人体に無害であり目に見えない赤外線（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒａｙ、ＩＲ）を用いてもよい。また、照射光と反射光の時間差を検出するために、一般のカラーセンサとは異なる深さピクセルアレイ（ｄｅｐｔｈ ｐｉｘｅｌ ａｒｒａｙ）を用いてもよい。
本発明の目的は、イメージセンサピクセルの復調速度を向上させることのできるイメージセンサを提供することにある。また、精度の向上した深さイメージを獲得することのできるイメージセンサを提供することにある。
本発明の一側面において、イメージセンサのピクセルは、ピニング電圧が異なる複数のドーピング領域を含む検出部と、前記検出部から電子が送信されて復調する復調部とを含む。
前記複数のドーピング領域は、複数のｎ−層（ｎ−ｌａｙｅｒ）を含んでもよい。このとき、前記複数のｎ−層は前記復調部に近いほど高いピニング電圧を有する。
前記複数のｎ−層それぞれのピニング電圧は、ドーピング濃度または接合深さによって調整されてもよい。
前記複数のドーピング領域は、複数のｐ−層を含んでもよい。このとき、前記複数のｐ−層は、前記復調部に近いほど高いピニング電圧を有する。
前記複数のｐ−層それぞれのピニング電圧は、ドーピング濃度または接合深さに応じて調整されてもよい。
前記複数のドーピング領域それぞれのピニング電圧は、ドーピング濃度または接合深さに応じて調整されてもよい。
前記検出部は、前記複数のドーピング領域を含むピン止めフォトダイオードに構成されてもよい。
前記復調部はフォトゲートを含んでもよい。
前記フォトゲートの電位は、第１時間区間において前記検出部のピニング電圧および少なくとも１つの送信ノードの電位よりも低く、第２時間区間において前記検出部のピニング電圧および前記少なくとも１つの送信ノードの電位よりも高い。
前記第１時間区間において前記フォトゲートに格納された電子は、前記少なくとも１つの送信ノードに移動し、前記第２時間区間において前記検出部で生成された電子は前記フォトゲートに移動してもよい。
一側面において、イメージセンサのピクセルは、第１時間区間の以前に格納された電子を少なくとも１つの送信ノードを介して復調する復調部と、前記第１時間区間で光を受信して生成された電子を前記復調部の前まで送信する検出部とを含む。このとき、前記復調部の前まで送信された電子は、第２時間区間で前記復調部に移動してもよい。
一側面において、イメージセンサのピクセル動作方法は、光を検出して電子を生成する検出部と、前記電子を復調する復調部とを含むイメージセンサによって行なわれてもよい。
このとき、イメージセンサのピクセル動作方法は、前記検出部で生成された電子を前記復調部に格納するステップと、第１時間区間において、前記復調部に格納された電子が第１送信ノードを介して復調されるように前記復調部に電圧を印加するステップとを含む。
前記イメージセンサのピクセル動作方法は、第２時間区間において、前記復調部の前まで移動した電子が前記復調部に格納されるように前記復調部へ電圧を印加するステップをさらに含んでもよい。
前記イメージセンサのピクセル動作方法は、第３時間区間において、前記復調部に格納された電子を第２送信ノードを介して復調されるように前記復調部へ電圧を印加するステップをさらに含んでもよい。
このとき、前記復調部は、フォトゲート、第１送信ノードおよび第２送信ノードを含み、前記第１時間区間において、前記フォトゲートの電位は前記第２送信ノードの電位と同じであり、前記検出部のピニング電圧および前記第１送信ノードの電位よりも低い。
このとき、第２時間区間において、前記フォトゲートの電位は前記第１送信ノードおよび第２送信ノードの電位よりも高い。
このとき、第３時間区間において、前記フォトゲートの電位は前記第１送信ノードの電位と同じであり、前記検出部のピニング電圧および前記第２送信ノードの電位よりも低い。
検出部および復調部それぞれに電界を形成させることによって、低い電圧を使用する素子を用いて大きい電界を形成することができる。したがって、イメージセンサピクセルの復調速度を向上させることができる。
イメージセンサの復調速度が向上するため、精度の向上された深さイメージを獲得することができる。
提案される実施形態に係るイメージセンサのピクセル構造は、深さセンサだけでなく、カラーおよび深さを同時に獲得するセンサにも活用できる。
関連技術に係るイメージセンサのピクセル構造を説明するための例示図である。 関連技術に係るイメージセンサのピクセル構造において、復調速度が深さ測定に及ぼす影響を説明するためのタイミングダイヤグラムである。 関連技術に係るイメージセンサのピクセル構造において、復調速度が深さ測定に及ぼす影響を説明するためのタイミングダイヤグラムである。 イメージセンサの一例を示す図である。 イメージセンサの一例を示す平面図である。 図５に示すＡ−Ａ’に対する断面図である。 図６に示す検出部の接合深さが調整された例示図である。 図５に示すＢ−Ｂ’に対する断面図である。 図５〜図８に示す検出部に形成される電位を示す例示図である。 図５〜図８に示す復調部に形成される電位を示す例示図である。 イメージセンサの動作方法の一例を説明するための例示図である。 イメージセンサの動作方法の一例を説明するための例示図である。 図１１および図１２に示すイメージセンサの動作に対するタイミングダイヤグラムである。 図１１および図１２に示すイメージセンサの動作に対するタイミングダイヤグラムである。 図１１および図１２に示すイメージセンサの動作に対するタイミングダイヤグラムである。 イメージセンサの変形例を示す図である。 イメージセンサの他の変形例を示す図である。 イメージセンサの更に他の変形例を示す図である。 イメージセンサのその他の変形例を示す図である。
以下、本発明の実施形態を添付された図面を参照して詳細に説明する。
図１は、関連技術に係るイメージセンサのピクセル構造を説明するための例示図である。
図１に示す例は、フォトゲート（ｐｈｏｔｏｇａｔｅ）を用いたデプスキャプチャ（ｄｅｐｔｈ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ）技術に関するものである。図１に示すように、フォトゲートは反射した赤外線、すなわち反射光を受信して、反射光を電子正孔対（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ ｐａｉｒ：ＥＨＰ）に変換する。フォトゲートは反射したＩＲが入射されるＤＧゲートを含む。ＰＧゲートの両側には送信信号が印加されるＧ−ＡおよびＧ−Ｂが備えられる。ＰＧゲートに電圧が印加されると、ＰＧゲートの下側に空乏層（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）領域が形成される。空乏層の領域が生成した後、反射したＩＲが入射されると、ＰＧゲートの下側に電子が生成する。ＰＧゲートの下側に生成された電子はＧ−ＡまたはＧ−Ｂを介して蓄積ノードまたは浮遊拡散（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）ノードに送信される。蓄積ノードまたは浮遊拡散ノードに蓄積された電荷量によってＴＯＦを求めることができる。
図１に示すイメージセンサのピクセル構造および関連動作によってＴＯＦを求めることができる。このとき、ＴＯＦを正確に算出するためには、電子を蓄積ノードまたは浮遊拡散ノードに送信する速度が極めて速くなければならない。すなわち、イメージセンサから約１０ｍ内のオブジェクトから反射された光は、数十ナノ秒以内に戻ってくる。イメージセンサのＤＧゲートに生成された電子は、Ｇ−ＡまたはＧ−Ｂを介して蓄積ノードまたは浮遊拡散ノードに正確に送信されなければならず、また、極めて短い時間内に送信されなければならない。電子がＧ−ＡまたはＧ−Ｂを介して送信される動作を復調（ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と定義すれば、正確なＴＯＦを算出するためには復調速度を速くしなければならない。
図２および図３は、関連技術に係るイメージセンサにおいて、復調速度が深さ測定に及ぼす影響を説明するためのタイミングダイヤグラムである。
図２および図３に示す斜線に示される領域は、復調によって生成される電荷量を示す。もし、変調周波数が２０ＭＨｚであるとき、転送ゲート（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｇａｔｅ）のＧ−ＡおよびＧ−Ｂに電圧が印加されて復調が行われる時間は２５ｎｓである。図２に示すように、復調が行われる時間が極めて短い場合（例えば、１ｎｓ以下の場合）、Ｇ−ＡおよびＧ−Ｂに接続された各蓄積ノードに蓄積された電荷量の比率を用いて正確な深さ測定が可能である。一方、図３に示すように、復調が行われる時間が長ければ、各蓄積ノードに蓄積された電荷量の比率がＧ−ＡおよびＧ−Ｂそれぞれに電圧を印加した時間の比率との差が発生するため、結果的にＴｄｅｌａｙに該当する誤差が発生する。したがって、深さ測定に誤差が発生する場合が生じ得る。このように、復調速度は深さ測定において極めて重要であり、深さ精度を高めるためには復調速度は速いのが好ましい。
電子が転送される方式は、例えば、ドリフトプロセス（ｄｒｉｆｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）および拡散プロセス（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）の２種類がある。簡単に、ドリフトプロセスは、電界によって電子を移動させるものでああり、拡散プロセスは、拡散によって電子を移動させるものである。一般的に、ドリフトプロセスは拡散プロセスよりも１０倍以上速い速度で電子を移動させることができる。
図４は、イメージセンサの一実施形態を示す。
図４に示すように、イメージセンサ４００の少なくとも１つのピクセルは、検出部４１０および復調部４２０を含む。
検出部４１０は光を受信して電子を生成し、生成された電子を復調部４２０に送信する。このとき、検出部４１０は、複数のドーピング領域を含んでもよく、複数のドーピング領域の間のピニング（ピン止め）電圧（ｐｉｎｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）の差によって電子を復調部４２０に送信してもよい。検出部４１０は、複数のドーピング領域を含むピン止めフォトダイオードから構成してもよい。このとき、ピン止めフォトダイオードはＰ＋／Ｎ／Ｐ−ｓｕｂ構造であってもよい。ピン止めフォトダイオードは動作時ピニング電圧を維持することができ、暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）を減らすことができる。
復調部４２０は、検出部４１０から送信された電子を少なくとも１つの送信ノードを介して復調する。復調部４２０は、蓄積ノードまたは浮遊拡散ノードのうち少なくとも１つを含んでもよい。このとき、復調部４２０で行われる復調は、検出部４１０から送信された電子を少なくとも１つの送信ノードを介して蓄積ノードまたは浮遊拡散ノードに送信する動作を意味する。復調部４２０は、フォトゲートを含んで構成してもよい。
イメージセンサ４００の少なくとも１つのピクセルの動作方法は、検出部４１０に電界を印加することによって、電子を復調部４２０側に移動させる方式を用いる。すなわち、検出部４１０は光を受信して電子を生成し、第１時間区間で電子を復調部４２０の前まで送信することができる。復調部４２０は、第１時間区間の前に格納された電子を少なくとも１つの送信ノードを介して復調してもよい。このとき、復調部４２０の前まで送信された電子は、第２時間区間で復調部４２０に移動し得る。
図５は、イメージセンサの一実施形態の平面図であり、図６は、図５のＡ−Ａ’に対する断面図であり、図８は、図５のＢ−Ｂ’に対する断面図である。
イメージセンサのピクセル５００は、検出部５１０、フォトゲート５２０、第１送信ノード（ＴＸ１）５３０、第２送信ノード（ＴＸ２）５４０、第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０および第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０を含む。このとき、フォトゲート５２０、第１送信ノード（ＴＸ１）５３０、第２送信ノード（ＴＸ２）５４０、第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０および第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０は図４に示す復調部４２０に対応する。
検出部５１０は図４に示す検出部４１０に対応する。したがって、検出部５１０は光を受信して電子を生成し、生成された電子を復調部に送信し得る。また、検出部５１０は、ピン止めフォトダイオードに構成してもよい。このとき、検出部５１０は、図６に示すように電子を送信するための複数のドーピング領域６２０、６３０、６４０、６５０を含んでもよい。複数のドーピング領域６２０、６３０、６４０、６５０は、Ｐ＋層６２０とＰ＋層６２０の下に位置するｎ−層６３０、６４０、６５０から構成してもよい。このとき、ｎ−層６３０、６４０、６５０は、復調部に近いほど高いピニング電圧を有する。ここで、ｎ−層６３０、６４０、６５０それぞれのピニング電圧は、ｎ−層６３０、６４０、６５０それぞれのドーピング濃度または接合深さに応じて調整することができる。例えば、Ｎ１（６３０）、Ｎ２（６４０）、Ｎ３（６５０）の順に、次第に高いドーピング濃度を有してもよい。すなわち、Ｎ１（６３０）領域のピニング電圧はＮ２（６４０）領域のピニング電圧よりも低く、Ｎ３（６５０）領域のピニング電圧はｎ−層６３０、６４０、６５０の中で最も高いピニング電圧を有する。ｎ−層６３０、６４０、６５０が復調部に近いほど高いピニング電圧を有するように調整すれば、検出部５１０で生成した電子は電界によって復調部側に移動し得る。一方、図７は、図６に示す検出部５１０の接合深さが調整された例を示す。すなわち、図７に示す、ｎ−層７１０、７２０、７３０の接合深さは、Ｎ１（７１０）、Ｎ２（７２０）、Ｎ３（７３０）の順に次第に深い構造を有してもよい。このとき、Ｎ３（７３０）の領域は復調部に最も近い領域である。
同じ原理として、Ｐ＋層６２０の領域を複数に分けて各ドーピング濃度または接合深さを調整してピニング電圧を調整してもよい。この場合、ｎ−層６３０、６４０、６５０を単一のｎ−層に代替させてもよい。また、Ｎ−基板（Ｎ−ｓｕｂ）に複数のＰドーピング領域を形成し、その上にＮ＋ドーピング領域を形成してイメージセンサのピクセルを実現することも可能である。すなわち、図６に示すＰ−基板（Ｐ−ｓｕｂ）５１０、ｎ−層６３０、６４０、６５０、およびＰ＋層６２０は、それぞれＮ−基板、ｐ−層、およびＮ＋層に代替されてもよい。この場合、検出部５１０はＮ＋／Ｐ／Ｎ−基板構造を有する。検出部５１０がＮ＋／Ｐ／Ｎ−基板構造を有する場合、Ｎ＋層の領域を複数に分けてそれぞれのドーピング濃度または接合深さを調整し、ｐ−層を単一の層に代替させてもよい。
本発明は、前記で言及した実施形態に限定されることなく、検出部５１０がフォトゲート５２０に近いほど高いピニング電圧を有する構造であればすべて含まれるものと解釈しなければならない。例えば、図６に示すｎ−層が形成された領域は３つであるが、ｎ−層を２つまたは４つ以上に構成する実施形態も可能である。
イメージセンサのピクセル５００の復調部はフォトゲート５２０を含む。このとき、イメージセンサのピクセル５００の復調部は、上側が遮蔽され得るため、イメージセンサのピクセル５００の復調部には光によって電子が生成しない。図６に示す実施形態では、フォトゲート５２０の上側が金属６１０により遮蔽されている。図５〜図８に示すように、フォトゲート５２０、第１送信ノード（ＴＸ１）５３０および第２送信ノード（ＴＸ２）５４０はＰ−基板の上に並んで配列されてもよい。フォトゲート５２０、第１送信ノード（ＴＸ１）５３０および第２送信ノード（ＴＸ２）５４０のそれぞれに印加される電圧に応じて、電界の方向が決められる。決められた電界の方向に応じて電子は移動し得る。このとき、第１送信ノード（ＴＸ１）５３０および第２送信ノード（ＴＸ２）５４０はフォトゲート５２０と共にポリシリコンで構成してもよく、他の物質で構成してもよい。他の物質に構成される場合、図８とは異なり、フォトゲート５２０と第１および第２送信ノード５３０、５４０の間はギャップがないように製造することができる。フォトゲート５２０と第１および第２送信ノード５３０、５４０の間にギャップがなければ、電子はさらに効率的に復調できる。
第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０および第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０は、第１および第２送信ノード５３０、５４０によって送信された電子を蓄積する蓄積ノードに該当する。
図５〜図８に示すイメージセンサのピクセル５００は、検出部５１０に電界を印加することによって、電子を復調部側に移動させる。イメージセンサのピクセル５００は、ピン止めフォトダイオードの形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を変化させることなく、ピニング電圧の変化を大きくすることのできる構造を有する。具体的に、イメージセンサのピクセル５００はｎ−層６３０、６４０、６５０のドーピング濃度または接合深さを調整することによって、ピニング電圧の大きさを変化させるように設計されてもよい。
また、イメージセンサのピクセル５００は、フォトゲート５２０を用いて電子送信速度を増加させることができる。フォトゲート５２０に印加される電圧を高めれば、ピニング電圧の差によって移動した電子はフォトゲート５２０に集まる。すなわち、フォトゲート５２０は検出部５１０で生成した電子を一定時間の間に格納することができる。フォトゲート５２０に電子が集まった後、フォトゲート５２０に印加される電圧を低くしながら第１送信ノード（ＴＸ１）５３０または第２送信ノード（ＴＸ２）５４０に印加される電圧を高めて電界を強く生成すれば、フォトゲート５２０に集まった電子は早く第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０または第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０に送信され得る。
図９は、図５〜図８に示す検出部およびフォトゲートに形成される電位を示す例示図である。図１０は、図５〜図８に示す復調部に形成される電位を示す例示図である。具体的に、図９および図１０は、それぞれ図６および図８に示す断面に形成される電位を示す。図９および図１０は、各領域別電位の差によって電子がより容易に移動できることを図式的に表したものであり、電位は「０」を基準にして下方にいくほど高い値を有する。
図９において、Ｖｐ１はＮ１（６３０）の電位を示し、Ｖｐ２はＮ２（６４０）の電位を、Ｖｐ３はＮ３（６５０）の電位を示す。ＶＰＧはフォトゲート５２０の電位を示し、ＶＰＧはフォトゲート５２０に印加される電圧によって調整されてもよい。
図１０において、ＶＴＸ１は第１送信ノード５３０の電位を示し、第１送信ノード５３０に印加される電圧に応じて調整されてもよい。ＶＰＧおよびＶＴＸ２はそれぞれフォトゲートおよび第２送信ノードの電位を示し、これらはそれぞれフォトゲートおよび第２送信ノードに印加される電圧によって調整されてもよい。一方、ＶＦＤ１およびＶＦＤ２はそれぞれ第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０および第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０の電位を示す。
図１１および図１２は、本発明の一実施形態に係るイメージセンサピクセルの動作方法を説明するための例示図である。以下、図５〜図８、図１１および図１２を参照して、本発明の一実施形態に係るイメージセンサピクセルの動作方法を説明する。
第１時間区間ｔ１において、検出部５１０で生成された電子１１０１は復調部の前まで送信される。すなわち、フォトゲート５２０の電位を低くすれば、第１時間区間ｔ１で、検出部５１０で生成された電子１１０１がフォトゲート５２０の前に集められる。
また、第１時間区間ｔ１において、以前時間に復調部に格納された電子１１０３は第２送信ノード５４０を介して復調される。すなわち、第１時間区間ｔ１において、第２送信ノード５４０の電位を高くすれば、復調部で以前時間に格納された電子１１０３が第２送信ノード５４０を介して復調され得る。
第１時間区間ｔ１において、フォトゲート５２０の電位は、第１送信ノード５３０の電位と同一であり、検出部５１０の電位および第２送信ノード５４０の電位よりも低い。したがって、検出部５１０で生成された電子１１０１は、電界によってフォトゲート５２０の前まで送信され、以前時間に復調部に格納された電子１１０３は、第２送信ノード５４０を介して第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０に蓄積される。
第２時間区間ｔ２において、復調部の前まで移動した電子１１０１は復調部に格納されるよう、復調部に電圧が印加される。すなわち、第２時間区間ｔ２でフォトゲート５２０の電位を高くし、第１送信ノード５３０および第２送信ノード５４０の電位を低くすれば、電子１１０１は強い電界によってフォトゲート５２０に移動する。このとき、フォトゲート５２０の電位は、第１送信ノード５３０および第２送信ノード５４０の電位よりも高い。したがって、電子１１０１はフォトゲート５２０にそのまま維持される。一方、第２時間区間ｔ２においても、検出部では反射光によって新しい電子１１０２が生成され、生成される電子１１０２もフォトゲート５２０に移動し得る。
第３時間区間ｔ３において、フォトゲート５２０の電位を低くすれば、第３時間区間ｔ３で生成された電子１２０１はフォトゲート５２０の前まで移動する。
第３時間区間ｔ３において、第１送信ノード５３０の電位を高くすれば、第２時間区間ｔ２にフォトゲート５２０へ格納されていた電子１１０１、１１０２は、第１送信ノード５３０を介して第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０に蓄積される。すなわち、第３時間区間ｔ３において、フォトゲート５２０の電位は、第２送信ノード５４０の電位と同一であり、検出部５１０の電位および第１送信ノード５３０の電位よりも低い。
第４時間区間ｔ４において、検出部５１０および復調部は第２時間区間ｔ２と同じ電位を有する。したがって、第３時間区間ｔ３においてフォトゲート５２０の前まで移動した電子１２０１は、第４時間区間ｔ４でフォトゲート５２０に集められ得る。一方、第４時間区間ｔ４においても反射光によって検出部では電子１２０２が生成され、生成される電子１２０２もフォトゲート５２０に移動し得る。
各時間区間においてフォトゲート５２０と第１、２送信ノード５３０、５４０の電位は、検出部５１０の電位を考慮して定められたものであって、例示するものに限定されることはない。例えば、フォトゲート５２０の電位が低くなる場合、図１１および図１２に示すように、電位が０である必要はない。
電子はイメージセンサのピクセルが反射光を受信する間に生成され得るため、図１１および図１２に示す各時間区間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４のうち、反射光が受信される時間と重なる時間区間で検出部に電子が生成し得る。図１１および図１２には、各時間区間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４ごとに反射光によって検出部で電子が生成されるものと説明したが、これは例示的なものである。光（例えば、ＩＲ）をターゲットオブジェクトに放射する周期、フォトゲート５２０、第１送信ノード５３０、および第２送信ノード５４０に対する電圧印加タイミング、ターゲットオブジェクトとイメージセンサとの間の距離などに応じて、各時間区間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４と反射光が受信される時間の重複の有無が異なってもよい。
図１３は、図１１および図１２に示すイメージセンサピクセルの動作に対するタイミングダイヤグラムを示す。ただし、図１１および図１２には、すべての時間区間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４と反射光が受信される時間が重なるものと説明したが、図１３は、時間区間ｔ１およびｔ３の一部並びに時間区間ｔ２と、反射光が受信される時間とが重なる場合を示す。
図１３において、照射される光はＩＲと仮定する。ただし、照射される光は検出可能な光であれば、いずれのものも可能である。また、変調方法は、図１３には最も簡単な矩形波を示したが、正弦波、三角波およびパルスなど、いずれのものも可能である。したがって、照射される光または変調方法は例示するものに限定されない。
図１３において、電子は反射ＩＲのハイ（ｈｉｇｈ）区間（反射ＩＲがイメージセンサのピクセルに受信される区間）の１３０１および１３０３で生成される。ここで、区間１３０１で生成された電子は、ｔ３でＴＸ１を介して第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０に送信され得る。また、区間１３０３で生成された電子はｔ４の後、ＴＸ２がハイとなる１３０５で第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０に送信され得る。すなわち、図１３に示す、斜線で表示した面積は第１浮遊拡散ノード（ＦＤ１）５５０または第２浮遊拡散ノード（ＦＤ２）５６０に蓄積される電子の量と比例する。したがって、反射ＩＲに斜線で表示する面積から深さ（ｄｅｐｔｈ）を測定することができる。一方、図１３に示す時間区間ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４はフォトゲート５２０および第１および第２送信ノード５３０、５４０に印加される電圧を調整することによって変更し得する。
図１４および図１５は、イメージセンサピクセルの一実施形態の電位ダイヤグラムを示す。図１４および図１５に示すように、イメージセンサピクセルは、検出部と復調部を区分して電圧を印加することによって、低い電圧でも高い電界を生成することができる。例えば、検出部に３Ｖ程度の電界を形成した後、復調部でＰＧ電圧を低くすることによって、再び３Ｖ程度の電界を形成することができる。したがって、ピン止めフォトダイオードを使用しながらも、高い電界を獲得することができるため、復調速度を向上させることができる。
図１６〜図１９は、イメージセンサピクセルの様々な変形例を示す。
図１６に示す例は、図５に示すイメージセンサピクセルで送信ノードＴＸ１、ＴＸ２および第１および第２浮遊拡散ノードＦＤ１、ＦＤ２の大きさおよび位置が変更された例である。図５では、検出部５１０の一方の側にフォトゲート５２０が形成され、第１送信ノード５３０および第２送信ノード５４０はそれぞれ第１浮遊拡散ノード５５０および第２浮遊拡散ノード５６０とフォトゲート５２０の間に形成されている。ここで、第１送信ノード５３０および第２送信ノード５４０は、それぞれフォトゲート５２０の一方側及びとその反対側に形成されている。
図１６に示すように、ＴＸ（１）１６３０およびＴＸ（２）１６４０はフォトゲート１６２０と並んで配列される。すなわち、図１６に示す実施形態において、フォトゲート１６２０を基準として検出部（例えば、ピン止めフォトダイオード（Ｐｉｎｎｅｄ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＰＤ、１６１０））が形成された側及びその反対側にＴＸ（１）１６３０およびＴＸ（２）１６４０が形成されている。一方、図１７および図１９に示すように、ＴＸ（１）１７３０、１９３０およびＴＸ（２）１７４０，１９４０はフォトゲート１７２０、１９２０の両端に配列される。ＴＸ（１）１６３０およびＴＸ（２）１６４０をフォトゲート１６２０と並んで配列する場合、フォトゲート１６２０とＴＸ（１）１６３０およびＴＸ（２）１６４０が接触する部分は増加し得る。フォトゲート１６２０とＴＸ（１）１６３０およびＴＸ（２）１６４０が接触する部分が広いほど、電子はさらに効率的に送信される。ここで、送信ノードＴＸ（１）１６３０、ＴＸ（２）１６４０の大きさに応じて、電子が浮遊拡散ノードＦＤ（１）１６５０、ＦＤ（２）１６６０に送信される速度が調整されることができる。
図１６に示す例で、浮遊拡散ノードＦＤ（１）１６５０、ＦＤ（２）１６６０はフォトゲート１６２０、ＴＸ（１）１６３０およびＴＸ（２）１６４０と並んで配列される。ＦＤ（１）１６５０およびＦＤ（２）１６６０をＴＸ（１）１６３０およびＴＸ（２）１６４０と並んで配列する場合、送信ノードＴＸ（１）１６３０、ＴＸ（２）１６４０および浮遊拡散ノードＦＤ（１）１６５０、ＦＤ（２）１６６０が接触する部分は増加し得る。一方、図１９に示す例として、浮遊拡散ノードＦＤ（１）１９５０、ＦＤ（２）１９６０はそれぞれＴＸ（１）１９３０およびＴＸ（２）１９４０の終端に配列される。
図１７に示す例は、図５に示すイメージセンサピクセルで検出部（例えば、ＰＰＤ）の形および浮遊拡散ノードＦＤ１、ＦＤ２の大きさおよび位置が変更された例である。図１７〜図１９に示すように、ピン止めフォトダイオード１７１０，１８１０，１９１０は、それぞれ図１６に示すピン止めフォトダイオード１６１０とその構造および形状は異なるものの、図１６で説明する事項は図１６〜図１９に全て適用され得る。
図１７に示すように、ピン止めフォトダイオード１７１０はフォトゲート１７２０側にいくほど次第に幅が狭くなる構造を有する。ピン止めフォトダイオード１７１０の幅がフォトゲート１７２０側にいくほど次第に狭くなる場合、フォトゲート１７２０の大きさを小さくすることによって、動作時における電力消費を減らすことができる。図１７に示す例として、ＦＤ（１）１７５０およびＦＤ（２）１７６０はフォトゲート１７２０と並んで配列される。
図１８に示す例は、図１６に示す例から検出部（例えば、ＰＰＤ、１６１０）の形が変更された例を示す。すなわち、図１８に示す例において、ピン止めフォトダイオード１８１０はフォトゲート１８２０側にいくほど次第に幅が広くなる構造を有する。この場合、ピン止めフォトダイオード１８１０のｎ−層が水平方向に大きくなるため、フォトゲート１８２０側にいくほど次第にピニング電圧が増加する効果があり、電子の送信速度は速くなる。図１８に示す例として、送信ノードＴＸ（１）１８３０、ＴＸ（２）１８４０および浮遊拡散ノードＦＤ（１）１８５０、ＦＤ（２）１８６０は図１６に示す構造と同一である。
図１９に示す例として、図５に示すイメージセンサピクセルで検出部（例えば、ＰＰＤ）の形が変更された例を示す。図１９に示す例において、ピン止めフォトダイオード１９１０は図１７に示すピン止めフォトダイオード１７１０の構造と同一である。
図１９に示す例として、ＴＸ（１）１９３０、ＴＸ（２）１９４０は、図１７に示すＴＸ（１）１７３０、ＴＸ（２）１７４０の構造と同一であるか類似する。また、ＦＤ（１）１９５０、ＦＤ（２）１９６０は、図５に示すＦＤ（１）５５０、ＦＤ（２）５６０に類似する形状を有する。
図１６〜図１９に示すように、フォトゲートおよび送信ノード、浮遊拡散ノードの位置は変更されてもよく、検出部の形も様々に変更されてもよい。したがって、復調速度、量子効率、フィルファクタなどイメージセンサの様々な仕様に応じてフォトゲートおよびＴＸゲート、浮遊拡散ノードの位置および形の変形が可能となる。
上述したように、本発明は、特定の実施形態と図面によって説明したが、本発明は、前記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような基材から多様な修正および変形が可能である。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態に限定されて決められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものなどによって定められなければならない。

Claims (18)

  1. 少なくとも１つのイメージセンサのピクセルを含むイメージセンサにおいて、前記少なくとも１つのイメージピクセルは、
    光を受信して少なくとも１つの電子を生成し、前記少なくとも１つの電子を復調部に送信する検出部と、
    前記検出部から前記少なくとも１つの電子を受信し、受信された少なくとも１つの電子を格納し、前記電子を蓄積するための少なくとも１つの送信ノードに前記少なくとも１つの電子を送信する復調部と、を含み、
    前記検出部は、前記電子を前記復調部に送信するために印加される電界のピニング電圧が異なる複数のドーピング領域を含むイメージセンサ。
  2. 前記複数のドーピング領域は複数のｎ−層または複数のｐ−層を含み、前記複数のｎ−層または複数のｐ−層は前記復調部に近いほど高いピニング電圧を有する請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記複数のｎ−層または複数のｐ−層それぞれのピニング電圧は、ドーピング濃度または接合深さによって調整される請求項２に記載のイメージセンサ。
  4. 前記検出部は、前記複数のドーピング領域を含むピン止めフォトダイオードに構成される請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  5. 前記復調部はフォトゲートを含む請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  6. 前記フォトゲートの電位は、第１時間区間で前記検出部のピニング電圧および前記電子を蓄積するための第１送信ノードの電位と同一であるか低く、第２時間区間で前記検出部のピニング電圧および前記電子を蓄積するための第１送信ノードの電位よりも高い請求項５に記載のイメージセンサ。
  7. 前記第１時間区間において前記フォトゲートに格納された電子は前記少なくとも１つの送信ノードに移動し、前記第２時間区間において前記検出部で生成された電子は前記フォトゲートに移動する請求項５または請求項６に記載のイメージセンサ。
  8. 前記フォトゲートの電位は、第３時間区間で前記検出部の電位および前記電子を蓄積するための第２送信ノードの電位よりも低く、前記第２時間区間において前記検出部で生成された電子は第３時間区間で前記第１送信ノードに移動する請求項７に記載のイメージセンサ。
  9. 前記フォトゲートの電位および前記検出部の電位は、前記第２時間区間で前記検出部から前記フォトゲートに前記少なくとも１つの電子が移動するように設定し、同時に、前記フォトゲートの電位および前記第１送信ノードの電位は、前記少なくとも１つの電子が前記第１送信ノードに移動されないように設定する請求項７または請求項８に記載のイメージセンサ。
  10. 前記フォトゲートの電位および前記検出部の電位は、前記第１時間区間で前記少なくとも１つの電子が前記検出部の中から前記フォトゲートの前まで移動するように設定し、前記第１時間区間の以前に前記フォトゲートに格納された電子は前記第１送信ノードに送信されるように設定する請求項７または請求項９に記載のイメージセンサ。
  11. 前記フォトゲートの電位は、第２時間区間において前記第１送信ノードの電位および前記第２送信ノードの電位よりも高く、前記第２時間区間において前記フォトゲートは受信される電子を格納し、前記第２時間区間において前記フォトゲートは前記第１送信ノードまたは前記第２送信ノードに電子を送信しない請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  12. 少なくとも１つのイメージセンサのピクセルを含むイメージセンサにおいて、前記少なくとも１つのイメージピクセルは、
    第１時間区間の以前に格納された電子を少なくとも１つの送信ノードを介して復調する復調部と、
    前記第１時間区間で光を受信して生成された電子を前記復調部の前まで送信する検出部と、を含み、
    前記復調部の前まで送信された電子は、第２時間区間で前記復調部に移動するイメージセンサ。
  13. 前記検出部は複数のドーピング領域を含み、前記複数のドーピング領域それぞれのピニング電圧は、ドーピング濃度または接合深さによって調整されることを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサ。
  14. 前記検出部は、複数のドーピング領域を含むピン止めフォトダイオードに構成される請求項１２に記載のイメージセンサ。
  15. 前記復調部はフォトゲートを含む請求項１２に記載のイメージセンサ。
  16. 光を検出して電子を生成する検出部と、
    前記電子を復調し、フォトゲート、第１送信ノード、および第２送信ノードを含む復調部とを含むピクセルを含むイメージセンサの動作方法であって、
    前記検出部で生成された電子を前記フォトゲートに格納するステップと、
    前記フォトゲートに格納された電子を前記第１送信ノードおよび前記第２送信ノードのうちの１つによって復調するステップと、
    を含むイメージセンサの動作方法。
  17. 前記格納するステップは、前記フォトゲートの電位を前記第１送信ノードおよび前記第２送信ノードよりも高く設定するステップを含む請求項１６に記載のイメージセンサの動作方法。
  18. 前記復調するステップは、前記第１送信ノードおよび前記第２送信ノードのうちの１つの電位を前記フォトゲートの電位よりも高く設定するステップを含む請求項１６に記載のイメージセンサの動作方法。
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