JP4061326B2 - 広いダイナミックレンジを有する画像受光デバイス - Google Patents

Description

本発明はイメージセンサに関し、より詳しくは、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサのピクセル構造に関するものである。

イメージセンサは、外部のエネルギー、例えば光子と反応する半導体装置の性質を用いて、イメージを捕獲する装置である。自然界に存在する各被写体から発生する光は、波長などにおいて固有のエネルギー値を有する。イメージセンサのピクセルは、各被写体から発生する光を感知して電気的な値に変換する。

一方、イメージセンサのピクセルに含まれるフォトダイオードは、量子効率を最大にするために、通常、ＰＩＮ（Ｐ型半導体−真性半導体−Ｎ型半導体）構造を有する。このような、ＰＩＮ構造の利点は、他のＮ型領域より低い濃度の不純物を注入することにより、広い空乏領域を形成できる点である。空乏領域では、強い電場を形成できる。したがって、空乏領域に入射する光子によって生成される電子および正孔対は、再結合せずに互いに分離される。すなわち、電子はフォトダイオードの内部に、正孔は外部へ排出されることにより、電子は完全に捕獲される。しかし、空乏領域ではない平衡領域では、弱い電場が形成される。平衡領域に入射する光子によって生成される電子正孔対は、再結合する確率が非常に高く、電子が捕獲される確率、すなわち量子効率は非常に低下する。したがって、量子効率を増加させるためには、フォトダイオードの面積とともに空乏領域を大きくすることが有利である。

図１は、従来の３−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを示すもので、フォトダイオードの断面を他の構成要素の電子的記号とともに示す図である。図１に示す従来の３−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルにおいて、フォトダイオードの片側接合を構成するＮ−型の不純物層１１が、Ｎ型の浮遊拡散層１３と互いに接触している。すなわち、浮遊拡散層１３がフォトダイオードのキャパシタとして機能することにより、フォトダイオードの実質的なキャパシタンス成分は、実質的にＮ−型の不純物層１１とＮ型の浮遊拡散層１３によって生成されるキャパシタ成分の合計となる。したがって、従来の３−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを適用するイメージセンサは、感度が低下するという欠点がある。

また、浮遊拡散層１３のＮ型不純物が、フォトダイオードの片側接合を構成するＮ−型の不純物層１１に流入することにより、空乏領域が減少する。したがって、外部から印加される電圧が高くなっても、それ以上の空乏領域が形成されない臨界電圧、すなわち、ピンニング電圧ＶＰＩＮ（ｐｉｎｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）を、外部電源電圧ＶＤＤより低くすることができる。しかしながら、この場合は、ＣＭＯＳアクティブピクセルの動作範囲が狭くなるという問題点がある。

前記問題点を解決するため、本発明は、低電圧範囲であってもイメージセンサの動作を可能にし、感度を向上させるＣＭＯＳアクティブピクセルを提供する。

本発明の一態様によれば、本発明は、受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
前記フォトダイオードで発生した前記信号電荷を受け取る容量ノードと、
所定のリセット制御信号の活性化に応答して、前記容量ノードをリセットするリセットトランジスタと、
所定の駆動トランジスタをオンオフする浮遊拡散ノードと、
前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される前記駆動トランジスタと、
所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、
前記容量ノードおよび前記浮遊拡散ノードにそれぞれ接続された第１および第２のソース／ドレイン端子を有し、所定のキャパシタ制御信号の活性化に応答してオンオフされるキャパシタトランジスタと、を含み、
前記キャパシタ制御信号は、前記リセット制御信号の非活性化直前に非活性化され、前記リセット制御信号の非活性化直後に活性化されることを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセルを提供する。

本発明の他の態様によれば、ＣＭＯＳアクティブピクセルを提供する。このＣＭＯＳアクティブピクセルの構造は、前記実施形態の構造とほぼ同一である。しかし、前記キャパシタトランジスタの代わりにキャパシタが設けられ、このキャパシタの一方の端子は前記容量ノードおよび前記浮遊拡散ノードに共通に電気接続され、他方の端子は所定のキャパシタ制御信号に電気接続される。

本発明の上記およびその他の特徴および利点は、添付図面を参照して、好適な実施形態を詳細に説明することにより一層明らかに理解できるであろう。

図２を参照して、本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳアクティブピクセル２０は、フォトダイオードＰＨと、容量ノードＭＣと、リセットトランジスタ２７と、浮遊拡散ノードＦＤと、駆動トランジスタ２８と、選択トランジスタ２９と、キャパシタトランジスタＴＣＡＰとを含む。

前記フォトダイオードＰＨは、受光した光子に応じて信号電荷を形成する。望ましくは、前記フォトダイオードＰＨは、ＰＩＮ構造を有する。すなわち、前記フォトダイオードＰＨは、Ｐ−ＷＥＬＬまたはＰ型基板上に形成されるＮ型の不純物を注入して不純物層を形成し、ＰＮ接合の境界に真性半導体層を形成する。このような、ＰＩＮ構造のフォトダイオードは、Ｎ型不純物層の下側境界面と上側境界面の両方でＰＮ接合を形成するので、量子効率が高くなる。

前記容量ノードＭＣは、前記フォトダイオードＰＨで発生した信号電荷を受け取る。そして、前記リセットトランジスタ２７は所定のリセット制御信号ＧＲＸによってオンオフされる。すなわち、前記リセット制御信号ＧＲＸが「ハイ」に活性化すると、前記容量ノードＭＣに残留する電荷を電源電圧ＶＤＤ側に放出する。したがって、前記リセット制御信号ＧＲＸが活性化した場合、前記フォトダイオードＰＨ領域のポテンシャルエネルギーは基底状態になって、初期化される。

前記駆動トランジスタ２８は、前記浮遊拡散ノードＦＤによってオンオフされる。すなわち、前記駆動トランジスタ２８は、前記浮遊拡散ノードＦＤの電圧レベルによって制御され、最終的には、データ線ＤＬに伝送される電圧レベルが決定される。

前記選択トランジスタ２９は、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を、所定の行(row)選択信号ＧＳＸに応答して、ＣＭＯＳアクティブピクセル２０の列(column)に対応する前記データ線ＤＬに伝送する。前記行選択信号ＧＳＸは、前記ＣＭＯＳアクティブピクセル２０を含む行を選択する信号である。前記行選択信号ＧＳＸが活性化すると、同一行のすべてのＣＭＯＳアクティブピクセルのデータは、各々の前記データ線ＤＬに伝送される。

そして、前記データ線ＤＬの電圧は、リセットサンプリング信号ＲＳＨおよびデータサンプリング信号ＤＳＨに応答して、リセット電圧およびデータ電圧がそれぞれサンプリングされ、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２に保存される。そして、保存された前記リセット電圧および前記データ電圧は、比較器４０によって比較され、第１出力信号ＶＯＵＴ１および第２出力信号ＶＯＵＴ２が発生する。

一方、本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳアクティブピクセル２０は、キャパシタトランジスタＴＣＡＰをさらに含む。

望ましくは、前記キャパシタトランジスタＴＣＡＰは、第１および第２ソース／ドレイン端子が前記容量ノードＭＣおよび前記浮遊拡散ノードＦＤにそれぞれ接続されており、所定のキャパシタ制御信号ＧＣＸによってオンオフされるＮＭＯＳトランジスタである。したがって、前記キャパシタトランジスタＴＣＡＰは、前記キャパシタ制御信号ＧＣＸが「ハイ」に活性化すると、ターンオンになってキャパシタを形成することになる。

図３は、図２の実施形態に関連した信号のタイミング図である。図３に示すように、キャパシタ制御信号ＧＣＸは、リセット制御信号ＧＲＸの非活性化時点ｔ１、ｔ１’の前後でパルス状に非活性化される。すなわち、前記キャパシタ制御信号ＧＣＸは、前記リセット制御信号ＧＲＸの非活性化直前に時点ｔ２、ｔ２’で「ロー」に非活性化され、前記リセット制御信号ＧＲＸの非活性化直後に時点ｔ３、ｔ３’で「ハイ」に活性化される。このように、前記キャパシタ制御信号ＧＣＸのタイミングにより、キャパシタトランジスタＴＣＡＰによって形成されるキャパシタ成分は、前記浮遊拡散ノードＦＤの電圧を外部電圧ＶＤＤ以上に上昇させることができる。その結果、図４に示すように、前記浮遊拡散ノードＦＤの電子ポテンシャルは、外部電源電圧ＶＤＤが印加される領域の電子ポテンシャルよりｈ１の分だけ高いポテンシャルを有することができる。図にはより低く示されているが、これは、電子ポテンシャルが−ｅＶの単位を有するからである。

図４に示すように、初期化状態でのキャパシタトランジスタ領域Ｂと浮遊拡散ノード領域Ｃの電子ポテンシャルは、フォトダイオード領域Ａの電子ポテンシャルより高くなる。したがって、前記フォトダイオード領域Ａで発生する信号電荷は全てＢ、Ｃ領域に移動する。したがって、フォトダイオード領域Ａで電子が捕獲された場合でも、フォトダイオード領域Ａの電子ポテンシャルは低くならない。すなわち、フォトダイオード領域Ａでの空乏領域は増加しなくなる。したがって、低電圧でＣＭＯＳアクティブピクセルの感度は非常に高くなる。このような現象は、キャパシタトランジスタ領域Ｂと浮遊拡散ノード領域Ｃの電子ポテンシャルがフォトダイオード領域Ａの電子ポテンシャルと同一になるまで続く。

一方、キャパシタトランジスタ領域Ｂと浮遊拡散ノード領域Ｃの電子ポテンシャルがフォトダイオード領域Ａの電子ポテンシャルと同一になった後は、キャパシタトランジスタ領域Ｂと浮遊拡散ノード領域Ｃだけでなく、フォトダイオード領域Ａもキャパシタとして実質的に機能するため、感度は減少し、ダイナミックレンジは広くなる。

図５は、本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳアクティブピクセルの効果を従来のＣＭＯＳアクティブピクセルと比較して示す図である。図５の横軸は、フォトダイオードＰＨへの入射光、すなわち光子の量を示す。図５の縦軸は、図４の浮遊拡散ノード領域の電子ポテンシャルを示す。また、実線は、本発明の一実施形態による電子ポテンシャルを示し、点線は、従来技術の電子ポテンシャルを示す。図５を参照すると、本発明における光エネルギーに対する電子ポテンシャルの傾きは、浮遊拡散ノード領域Ｂの電子ポテンシャルがピンニング電圧ＶＰＩＮになるまで、従来技術より急勾配であることが分かる。しかし、浮遊拡散ノード領域Ｂの電子ポテンシャルがピンニング電圧ＶＰＩＮになった後は、本発明における光エネルギーに対する電子ポテンシャルの傾きは、従来技術より緩やかである。

したがって、本発明のＣＭＯＳアクティブピクセルによれば、光強度が弱い領域では非常に高い感度で動作する。また、光強度が強い領域では感度が低くなり、非常に広いダイナミックレンジを有することが分かる。

図６は、図２のＣＭＯＳアクティブピクセルの変形例を示す図である。図６の変形例の構成は、図２の実施形態の構成とほぼ同一であるが、図２のキャパシタトランジスタＴＣＡＰの代わりにキャパシタＴＣＡＰが形成されている点で相違する。前記キャパシタＴＣＡＰの一方の端子は、前記容量ノードＭＣおよび浮遊拡散ノードＦＤに共通接続される。そして、前記キャパシタＴＣＡＰの他方の端子は、前記キャパシタ制御信号ＧＣＸに接続される。

図６の変形例についてのタイミング図は、図３に示すタイミング図と同一である。そして、図６の変形例の効果は、図２の実施形態の効果とほぼ同等である。したがって、本明細書では、図６の関連信号のタイミングとその効果についての具体的な説明は省略する。

本発明のＣＭＯＳアクティブピクセルの特徴は、４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルにも適用できる。図７は、本発明の他の実施形態に係る４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを示す回路図である。図７の実施形態の構成は、従来の４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルの構成とほぼ同一である。

図７の実施形態の構成については、説明の便宜上、図３の実施形態の構成との相違点のみを説明する。図７の実施形態では、前記浮遊拡散ノードＦＤが、前記容量ノードＭＣと電気接続されている。したがって、前記容量ノードＭＣは、前記浮遊拡散ノードＦＤと同一ノードとして説明することができる。そして、前記フォトダイオードＰＨと前記浮遊拡散ノードＭＣの間には、所定の伝送トランジスタＴ１１が設けられる。これは４トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルの特徴であり、フォトダイオードと浮遊拡散ノードの接触を防止するためのものである。

前記伝送トランジスタＴ１１は、所定の伝送制御信号ＧＴＸによってオンオフされる。したがって、前記伝送制御信号ＧＴＸが「ハイ」に活性化すると、前記フォトダイオードＰＨは前記容量ノードと接続される。

図７の実施形態での関連信号のタイミング図は、従来の４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルの関連信号のタイミング図と異なる。

図８は、図７のＣＭＯＳアクティブピクセルに関連した信号のタイミング図である。図８に示すように、前記伝送制御信号ＧＴＸは、前記リセット制御信号ＧＲＸが非活性化される時点ｔ４、ｔ４’の前後に、パルス状に非活性化される。すなわち、前記伝送制御信号ＧＴＸは、前記リセット制御信号ＧＲＸの非活性化直前に時点ｔ５、ｔ５’で非活性化され、前記リセット制御信号ＧＲＸの非活性化直後に時点ｔ６、ｔ６’で再び活性化される。このように、前記伝送制御信号ＧＴＸの動作タイミングに従って、前記浮遊拡散ノードＦＤでは、伝送トランジスタＴ１１によって形成されるキャパシタによって電荷ポンピング現象が発生する。その結果、図９に示すように、前記浮遊拡散ノードＦＤの電子ポテンシャルは、従来の場合よりｈ２程度だけより高いポテンシャルを有することができる。

このような、前記浮遊拡散ノードＦＤの電子ポテンシャルの増加による効果は、図５に基づいて説明したものとほぼ同一であるので、本明細書でそれについての説明は省略する。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて具体的に図示し説明したが、当業者であれば、添付した特許請求の範囲によって定まる本発明の精神および範囲から逸脱しないで多様な変形形態が可能であることが理解できるであろう。

以上説明したように、本発明のＣＭＯＳアクティブピクセルにおいては、駆動トランジスタを駆動する浮遊拡散ノードが外部電源電圧以上にポンピングされる。したがって、初期化状態での浮遊拡散ノードの電子ポテンシャルは、フォトダイオードのピンニング電圧よりずっと大きくなる。したがって、本発明のＣＭＯＳアクティブピクセルによれば、光強度が弱い領域では非常に高い感度を有し、光強度が強い領域では感度が低くなって、非常に広いダイナミックレンジを有するという効果が得られる。

従来の３−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを示すもので、フォトダイオードの断面を他の構成要素の電子的記号とともに示す図である。 本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳアクティブピクセルを用いたイメージセンサを示す回路図である。 図２の実施形態に関連した信号のタイミング図である。 図２の実施形態のＣＭＯＳアクティブピクセルの断面を示すもので、フォトダイオードの断面と各領域に対する電子ポテンシャルを他の構成要素の電子的記号とともに示す図である。 本発明の一実施形態に係るＣＭＯＳアクティブピクセルの効果を従来のＣＭＯＳアクティブピクセルと比較して示す図である。 図２のＣＭＯＳアクティブピクセルの変形例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る４−トランジスタＣＭＯＳアクティブピクセルを示す回路図である。 図７のＣＭＯＳアクティブピクセルに関連した信号のタイミング図である。 図７のＣＭＯＳアクティブピクセルの断面を示すもので、フォトダイオードの断面と各領域に対する電子ポテンシャルを他の構成要素の電子的記号とともに示す図である。

Claims (4)

1. 受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードで発生した前記信号電荷を受け取る容量ノードと、
   所定のリセット制御信号の活性化に応答して、前記容量ノードをリセットするリセットトランジスタと、
   所定の駆動トランジスタをオンオフする浮遊拡散ノードと、
   前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される前記駆動トランジスタと、
   所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、
   前記容量ノードおよび前記浮遊拡散ノードにそれぞれ接続された第１および第２のソース／ドレイン端子を有し、所定のキャパシタ制御信号の活性に応答してオンオフされるキャパシタトランジスタと、を含み、
   前記キャパシタ制御信号は、前記リセット制御信号の非活性化直前に非活性化され、前記リセット制御信号の非活性化直後に活性化されることを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセル。
2. 前記フォトダイオードは、ＰＩＮ（Ｐ型半導体−真性半導体−Ｎ型半導体）構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のＣＭＯＳアクティブピクセル。
3. 受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
   前記フォトダイオードで発生した信号電荷を受け取る容量ノードと、
   所定のリセット制御信号の活性化に応答して、前記容量ノードをリセットするリセットトランジスタと、
   所定の駆動トランジスタをオンオフする浮遊拡散ノードと、
   前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される前記駆動トランジスタと、
   所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、
   一方の端子が前記容量ノードおよび前記浮遊拡散ノードに共通接続され、他方の端子が所定のキャパシタ制御信号によって電気的に接続されるキャパシタと、を含み、
   前記キャパシタ制御信号は、前記リセット制御信号の非活性化直前に非活性化され、前記リセット制御信号の非活性化直後に活性化されることを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセル。
4. 受光した光子によって信号電荷を生成するフォトダイオードと、
   所定の伝送制御信号の活性化に応答して、前記信号電荷を所定の容量ノードに提供する伝送トランジスタと、
   前記伝送トランジスタによって伝送される前記信号電荷を受け取る容量ノードと、
   所定のリセット制御信号の活性化に応答して、前記容量ノードをリセットするリセットトランジスタと、
   所定の駆動トランジスタをオンオフし、前記容量ノードと電気的に接続される浮遊拡散ノードと、
   前記浮遊拡散ノードの電圧レベルによって制御される前記駆動トランジスタと、
   所定の行選択信号に応答して、前記駆動トランジスタによって伝送される電圧を対応するデータ線に伝送する選択トランジスタと、を含み、
   前記伝送制御信号は、前記リセット制御信号の非活性化直前に非活性化され、前記リセット制御信号の非活性化直後に活性化されることを特徴とする、ＣＭＯＳアクティブピクセル。

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