JP5918465B2 - 光感知装置の単位ピクセル - Google Patents
光感知装置の単位ピクセル Download PDFInfo
- Publication number
- JP5918465B2 JP5918465B2 JP2010247052A JP2010247052A JP5918465B2 JP 5918465 B2 JP5918465 B2 JP 5918465B2 JP 2010247052 A JP2010247052 A JP 2010247052A JP 2010247052 A JP2010247052 A JP 2010247052A JP 5918465 B2 JP5918465 B2 JP 5918465B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photogate
- diffusion region
- region
- unit pixel
- floating diffusion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 258
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 181
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims description 175
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 127
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 109
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 17
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 14
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 12
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 11
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 8
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 7
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N zinc indium(3+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Zn++].[In+3] YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 29
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 27
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 25
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 22
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 19
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Description
その応用分野によって、より精密でありながらも正確に、所望する情報を提供するための研究がなされ。近年、既存の画像情報に距離(深さ)情報まで提供する3次元立体画像センサ(3D Depth Image Sensor)に対する研究及び開発が活発になされている。
CISの各ピクセルは、入射光の強さに相応する電荷が発生する光感知領域(photo−detecting region)及び発生した電荷が蓄積されるフローティング拡散領域(floating diffusion region)を含む。
前記第1伝送ゲートに隣接して形成される少なくとも一つのフローティング拡散領域をさらに有することが好ましい。
前記第1フォトゲートから離隔され、前記第1フォトゲートと点対称的に配置されて、前記第1方向に延長される第2接合ゲートと該第2接合ゲートから前記第2方向に延長される複数の第2フィンガーゲートとを含む第2フォトゲートと、前記第2接合ゲートに隣接して形成される第2伝送ゲートと、前記第2伝送ゲートに隣接して形成される第2フローティング拡散領域とをさらに有することが好ましい。
前記第1フォトゲートと前記第2フォトゲートとの間に形成されるチャネルストップ領域をさらに有することが好ましい。
前記チャネルストップ領域は、前記第1フォトゲート下方領域と前記第2フォトゲート下方領域との間で電位障壁を形成することが好ましい。
前記チャネルストップ領域は、前記第1フォトゲートによって収集された電荷が前記第2フォトゲートの下方領域に伝送されるか、または、前記第2フォトゲートによって収集された電荷が前記第1フォトゲートの下方領域に伝送されることを遮断するように構成されることが好ましい。
前記ブリッジ拡散領域は、前記第1フォトゲートによって収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有することが好ましい。
前記第1フォトゲートは、透明導電酸化物(transparent conducting oxide)を含むことが好ましい。
前記透明導電酸化物は、インジウム錫酸化物(indium tin oxide)、インジウム亜鉛酸化物(indium zinc oxide)、亜鉛酸化物(zinc oxide)、及びチタン酸化物(titanium dioxide)からなる一群の内から選択されることが好ましい。
前記第1フォトゲートは、半導体基板の上部に形成され、前記半導体基板は、前記第1フォトゲートが形成される表面に向かう方向にドーピング濃度が徐々に減少するエピタキシャル層を含むことが好ましい。
前記エピタキシャル層は、埋め込みチャネルを含むことが好ましい。
前記第1制御信号が前記第1ロジックレベルを有する時、入射光によって発生した電荷は前記第1フォトゲート下方に収集され、前記第1制御信号が前記第2ロジックレベルを有する時、前記第1フォトゲート下方に収集された電荷が前記第1フローティング拡散領域に伝送されることが好ましい。
前記第1伝送ゲートは、前記集光時間の間、ロジックハイレベルとロジックローレベルとの間の所定のレベルを有する第2制御信号が印加され、前記第1伝送ゲートは、前記第2制御信号に応答してハーフターンオン(half turned−on)状態を有することが好ましい。
前記第1伝送ゲートは、前記第1制御信号が前記第1ロジックレベルを有する時、前記第1フォトゲート下方に収集された電荷が前記第1フローティング拡散領域に伝送されるのを遮断し、前記第1制御信号が第2ロジックレベルを有する時、前記第1フォトゲート下方に収集された電荷を前記第1フローティング拡散領域に伝送することが好ましい。
第2フォトゲート140は、第1フォトゲート130と重ならなく、第1フォトゲート130と点対称になるように配置される。また、第2フィンガーゲート(141a、141b、141c、141d、141e)の各々は第1フィンガーゲート(131a、131b、131c、131d、131e)の間に配置することができる。すなわち、第1フィンガーゲート(131a、131b、131c、131d、131e)と第2フィンガーゲート(141a、141b、141c、141d、141e)とが交互に配置することができる。これによって、第1フォトゲート130と第2フォトゲート140間の不均衡によるデータエラーを減少させることができる。
隣接する第1フィンガーゲートと第2フィンガーゲートは、約0.25〜約3μmの間隔を有する。
また、図1にはそれぞれのフォトゲートが5つのフィンガーゲートを含む例を示しているが、フィンガーゲートの数はピクセルの大きさ、デザインルールなどにより変更することができる。
第1伝送ゲート151は第1接合ゲート133と第1フローティング拡散領域153との間に配置され、第2伝送ゲート161は第2接合ゲート143と第2フローティング拡散領域163との間に配置される。
第1伝送ゲート151及び第2伝送ゲート161は、第1フォトゲート130により収集された電荷及び第2フォトゲート140により収集された電荷を第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163に各々伝送する。
また、第2接合ゲート143及び第2伝送ゲート161は第2フィンガーゲート(141a、141b、141c、141d、141e)それぞれの下方で収集された電荷を第2フローティング拡散領域163に伝送する経路を提供することができる。
第1出力部170及び第2出力部180は、第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163に蓄積された電荷に相応する電気的信号を各々出力することができる。
図4は、第1フィンガーゲート131cの長さ方向に切断した単位ピクセル100の例を示す。
第1埋め込みチャネル112a及び第2埋め込みチャネル112bは、各々、第1フォトゲート130及び第2フォトゲート140と重畳する(overlaid)位置の半導体基板110の表面近傍に形成される。第1埋め込みチャネル112a及び第2埋埋め込みチャネル112bはnタイプの不純物でドーピングされる。
第1埋め込みチャネル112aは第1フォトゲート130の下方及び第1フォトゲート130と第1伝送ゲート151との間の基板領域に形成され、第2埋め込みチャネル112bは第2フォトゲート140の下方及び第2フォトゲート140と第2伝送ゲート161との間の基板領域に形成される。
図5を参照すると、単位ピクセル100は、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、及び第2出力部180を含む。
光感知装置は発光装置を周期的にターンオン及びターンオフさせることによって、周期的に光の強さが変動する光を送信して、送信光が被写体によって反射した光を受信する。受信光は送信光に対して光の飛行時間(time of flight、以下、TOF)ほど遅れる。光感知装置はTOFを測定することによって被写体までの距離を測定することができる。
例えば、第1制御信号PGCS1と送信光の強さは同じ位相を有し、第2制御信号PGCS2は送信光の強さに対し180度異なる位相を有する。この場合、TOFが増加するほど、第1フォトゲート130がターンオンしている時に第1電荷収集領域121により収集される電荷の量が減少し、第2フォトゲート140がターンオンしている時に第2電荷収集領域122により収集される電荷の量が増加する。すなわち、TOFが大きいほど、前述の比が小さくなる。
従って、光感知装置は前述の比を計算することによってTOFを測定することができる。これによって、光感知装置は、光感知装置から被写体までの距離をD、光の速度をcとすると、数学式 D=TOF×c/2 を利用して光感知装置から被写体までの距離を計算することができる。
第1ドライブトランジスタ173は第1フローティング拡散領域153に接続されたゲート端子、電源電圧VDDに接続された第1端子、及び第1選択トランジスタ175の第1端子に接続された第2端子を有し、第2ドライブトランジスタ183は第2フローティング拡散領域163に接続されたゲート端子、電源電圧VDDに接続された第1端子、及び第2選択トランジスタ185の第1端子に接続された第2端子を有する。
第1選択トランジスタ175は、選択信号SELが印加されるゲート端子、第1ドライブトランジスタ173の第2端子と接続された第1端子、及び第1コラムライン177に接続された第2端子を有し、第2選択トランジスタ185は、選択信号SELが印加されるゲート端子、第2ドライブトランジスタ183の第2端子と接続された第1端子、及び第2コラムライン187に接続された第2端子を有する。
図6を参照すると、半導体基板110aはエピタキシャル層(epitaxial layer)111を含む。
図5及び図7を参照すると、集光時間の間、第1電荷収集領域121及び第2電荷収集領域122は半導体基板110内に発生した電荷を収集して、収集された電荷は第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163に伝送される(ステップS210)。
第1制御信号PGCS1及び第2制御信号PGCS2は、第1ロジックレベルと第2ロジックレベルの間を周期的に遷移する信号として、パルス波、サイン波、コサイン波などと同様の波形を有することができる。第1制御信号PGCS1及び第2制御信号PGCS2は互いに反転した位相を有する。これによって、第1フォトゲート130と第2フォトゲート140は選択的にターンオンされる。
例えば、第1リセットトランジスタ171及び第2リセットトランジスタ181は、各々、リセット信号RSTに応答してターンオンし、第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163をリセット電源電圧VRSTに接続することによって、第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163に蓄積された電荷を放電させる。
また、受信した光子(図8、320)により発生した電荷の他の一部は第2制御信号PGCS2が第1ロジックレベル340を有する時に第2電荷収集領域122に収集される。
一例として、第1制御信号PGCS1及び第2制御信号PGCS2の第1ロジックレベルは約3Vであり、第1制御信号PGCS1及び第2制御信号PGCS2の第2ロジックレベルは約0Vである。
数学式 D=TOF×c/2 を利用してDを計算することができる。
これによって、光感知装置は被写体に対する距離情報を検出することができる。その上、光感知装置は第1フォトゲート130を含む第1ハーフピクセルによるデータ、及び第2フォトゲート140を含む第2ハーフピクセルによるデータを利用してイメージ情報を検出することができる。例えば、光感知装置は第1ハーフピクセルによるデータ及び第2ハーフピクセルによるデータを合算することによってイメージ情報を生成することができる。
これによって、第1制御信号PGCS1が第1ロジックレベルを有する時に第1電荷収集領域121は電荷収集を行い、第1制御信号PGCS1が第2ロジックレベルを有する時に第1電荷収集領域121に収集された電荷が第1フローティング拡散領域153に伝送される。また、第2制御信号PGCS2が第1ロジックレベルを有する時に第2電荷収集領域122は電荷を収集して、第2制御信号PGCS2が第2ロジックレベルを有する時に第2電荷収集領域122に収集された電荷が第2フローティング拡散領域163に伝送される。
図8には読出時間の間、第1制御信号PGCS1及び第2制御信号PGCS2が第2ロジックレベルを有する例を示しているが、実施形態によっては、読出時間の間、第1制御信号PGCS1及び第2制御信号PGCS2は第1ロジックレベルを有したり、または、さまざまな電圧レベルを有することもできる。読出時間の間、第1制御信号PGCS1及び第2制御信号PGCS2が所定の一定電圧レベルを有する場合、第1フォトゲート130及び第2フォトゲート140による第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163に対する干渉が抑制され得る。
また、第2伝送ゲート161下方の基板領域に、第2電荷収集領域122から第2フローティング拡散領域163に、又は、第2フローティング拡散領域163から第2電荷収集領域122に電荷が移動することを防ぐ電位障壁を形成される。
図9及び図10は、第1電荷収集領域及び第2電荷収集領域が電子を収集する時の単位ピクセルの電位レベルの例を示す。ここでは、図のY軸の正方向(上方向)は電位レベルが低くなる方向である。
図1及び図11を参照すると、第1フォトゲート130及び第2フォトゲート140を半導体基板110の上方に形成する(ステップS810)。
第1伝送ゲート151及び第2伝送ゲート161は、第1フォトゲート130及び第2フォトゲート140に各々隣接して形成する。
第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163は、第1伝送ゲート151及び第2伝送ゲート161に各々隣接して形成する。
図12を参照すると、単位ピクセル100aは第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170及び第2出力部180を含む。単位ピクセル100aは図1の単位ピクセル100と比較して伝送ゲートなしで具現される。
図13を参照すると、第1フォトゲート130は半導体基板110の上方に形成される。
図14を参照すると、単位ピクセル100bは第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、複数の第1フローティング拡散領域153a、153b、153c、複数の第2フローティング拡散領域163a、163b、163c、第1出力部170a、及び第2出力部180aを含む。
第1出力部170aは、複数の第1フローティング拡散領域153a、153b、153cに蓄積された電荷を各々放電するための複数の第1リセットトランジスタ171a、171b、171cを含み、第2出力部180aは複数の第2フローティング拡散領域163a、163b、163cに蓄積された電荷を各々放電するための複数の第2リセットトランジスタ181a、181b、181cを含む。
図15を参照すると、単位ピクセル100cは、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、第2出力部180、及びチャネルストップ領域190を含む。
第1フォトゲート130は第1方向に延長される第1接合ゲートと第1接合ゲートから第1方向と実質的に直交する第2方向に互いに平行するように延長される複数の第1フィンガーゲートとを含み、第2フォトゲート140は第1方向に延長される第2接合ゲートと第2接合ゲートから第2方向に互いに平行するように延長される複数の第2フィンガーゲートを含む。
例えば、第1フォトゲート130に第1ロジックレベルを有する第1制御信号が印加された時、第2電荷収集領域に収集された電荷が第1電荷収集領域に移動することを防ぎ、第2フォトゲート140に第1ロジックレベルを有する第2制御信号が印加された時、第1電荷収集領域に収集された電荷が第2電荷収集領域に移動することを防ぐ。
図16を参照すると、第1フォトゲート130は半導体基板110の上方に形成される。
第2フォトゲート140は、半導体基板110の上方に形成される。第2伝送ゲート161は半導体基板110の上方に第2フォトゲート140に隣接して形成される。
図17を参照すると、単位ピクセル100cは、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、第2出力部180、及びチャネルストップ領域190を含む。
第1フォトゲート130は、第1制御信号PGCS1が第1ロジックレベルを有する時に半導体基板110で発生した電荷を収集する第1電荷収集領域121を生成することができる。第2フォトゲート140は第2制御信号PGCS2が第1ロジックレベルを有する時に半導体基板110で発生した電荷を収集する第2電荷収集領域122を生成することができる。
図18は、第1フォトゲート130に第1ロジックレベルを有する第1制御信号が印加され、第2フォトゲート140に第2ロジックレベルを有する第2制御信号が印加された時の単位ピクセル100cの電位レベルの例を示す。
図19を参照すると、単位ピクセル100dは、第1フォトゲート130a、第2フォトゲート140a、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、及び第2出力部180を含む。
図20を参照すると、単位ピクセル100eは、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1ブリッジ拡散領域150、第2ブリッジ拡散領域160、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、及び第2出力部180を含む。
図21を参照すると、第1フォトゲート130は、半導体基板110の上方に形成される。
図22を参照すると、単位ピクセル100eは、半導体基板110内に形成される第1埋め込みチャネル112a及び第2埋め込みチャネル112bをさらに含むことができる。
第1埋め込みチャネル112a及び第2埋め込みチャネル112bは、nタイプの不純物でドーピングされる。単位ピクセル100eは、半導体基板110内に第1埋め込みチャネル112aと第1フォトゲート130との間に形成される第1p型ドーピング領域113a、及び第2埋め立てチャネル112bと第2フォトゲート140との間に形成される第2p型ドーピング領域113bをさらに含むことができる。
図23を参照すると、単位ピクセル100eは、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1ブリッジ拡散領域150、第2ブリッジ拡散領域160、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、及び第2出力部180を含む。
第1フォトゲート130は、第1制御信号PGCS1が第1ロジックレベルを有する時に半導体基板110で発生した電荷を収集する第1電荷収集領域121を生成することができる。第2フォトゲート140は、第2制御信号PGCS2が第1ロジックレベルを有する時半導体基板110で発生した電荷を収集する第2電荷収集領域122を生成することができる。
図24は、第1フォトゲート130に第1ロジックレベルを有する第1制御信号が印加され、第2フォトゲート140に第2ロジックレベルを有する第2制御信号が印加された時の単位ピクセル100eの電位レベルの例を示す。
第2制御信号PGCS2が第2ロジックレベルを有する時、第2ブリッジ拡散領域(BD2)160は第2電荷収集領域122より高い電圧レベルを有する。
図25を参照すると、単位ピクセル100fは、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1ブリッジ拡散領域150、第2ブリッジ拡散領域160、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、複数の第1フローティング拡散領域153a、153b、153c、複数の第2フローティング拡散領域163a、163b、163c、第1出力部170a、及び第2出力部180aを含む。
図26を参照すると、単位ピクセル100gは、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1ブリッジ拡散領域150、第2ブリッジ拡散領域160、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、第2出力部180、及びチャネルストップ領域190を含む。
図27を参照すると、第1フォトゲート130は、半導体基板110の上方に形成される。
図28を参照すると、単位ピクセル100gは、半導体基板110内に形成された第1埋め込みチャネル112a及び第2埋め込みチャネル112bをさらに含む。
単位ピクセル100gは、半導体基板110内に第1埋め込みチャネル112aと第1フォトゲート130の間に形成される第1p型ドーピング領域113aと、第2埋め込みチャネル112bと第2フォトゲート140との間に形成される第2p型ドーピング領域113bをさらに含む。
図29を参照すると、単位ピクセル100gは、第1フォトゲート130、第2フォトゲート140、第1ブリッジ拡散領域150、第2ブリッジ拡散領域160、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、第2出力部180、及びチャネルストップ領域190を含む。
これによって、第1ブリッジ拡散領域150は第1電荷収集領域121に収集された電荷が第1伝送ゲート151下方の伝送チャネルを通じて第1フローティング拡散領域153に伝送される効率を向上させることができ、第2ブリッジ拡散領域160は第2電荷収集領域122に収集された電荷が第2伝送ゲート161下方の伝送チャネルを通じて第2フローティング拡散領域163に伝送される効率を向上させることができる。
図30は、第1フォトゲート130に第1ロジックレベルを有する第1制御信号が印加され、第2フォトゲート140に第2ロジックレベルを有する第2制御信号が印加された時の単位ピクセル100gの電位レベルの例を示す。
図31を参照すると、単位ピクセル100hは、第1フォトゲート130a、第2フォトゲート140a、第1ブリッジ拡散領域150、第2ブリッジ拡散領域160、第1伝送ゲート151、第2伝送ゲート161、第1フローティング拡散領域153、第2フローティング拡散領域163、第1出力部170、及び第2出力部180を含む。
図23及び図32を参照すると、集光時間の間、第1電荷収集領域121及び第2電荷収集領域122は半導体基板110内に発生した電荷を収集する(ステップS410)。
第2制御信号PGCS2が第1ロジックレベルを有する時、第2フォトゲート140がターンオンされて第2電荷収集領域122が半導体基板110内に発生した電荷を収集する。この時、図7の駆動方法によって駆動する単位ピクセルよりも、図7の駆動方法によって駆動する単位ピクセルは第1ブリッジ拡散領域150及び第2ブリッジ拡散領域160を有することで、より大きい保存容量(capacity)を有することができ、収集された電荷の実質的に大部分が第1ブリッジ拡散領域150及び第2ブリッジ拡散領域160に保存することができる。
第1ドライブトランジスタ173はリセットされた第1フローティング拡散領域153の電圧を増幅して第1リセット電圧を生成し、第1選択トランジスタ175は選択信号SELに応答して第1リセット電圧を第1コラムライン177に出力する。また、第2ドライブトランジスタ183はリセットされた第2フローティング拡散領域163の電圧を増幅して第2リセット電圧を生成し、第2選択トランジスタ185は選択信号SELに応答して第2リセット電圧を第2コラムライン187に出力する。
また、第2ドライブトランジスタ183は第2フローティング拡散領域163に蓄積された電荷に相応する電圧を増幅して第2データ電圧を生成し、第2選択トランジスタ185は選択信号SELに応答して第2データ電圧を第2コラムライン187に出力する。
これによって、第1フォトゲート130を含むハーフピクセル、及び第2フォトゲート140を含むハーフピクセルは、電荷収集動作を周期的に行うことができる。また、収集された電荷は第1ブリッジ拡散領域150及び第2ブリッジ拡散領域160に保存される。
第1リセット電圧及び第2リセット電圧が出力された後、第3制御信号TGCSはロジックハイレベルを有する。
第1伝送ゲート151及び第2伝送ゲート161は、第3制御信号TGCSに応答して第1ブリッジ拡散領域150に保存された電荷を第1フローティング拡散領域153に伝送し、第2ブリッジ拡散領域160に保存された電荷を第2フローティング拡散領域163に伝送する。第1フローティング拡散領域153及び第2フローティング拡散領域163に電荷が蓄積された後、第1出力部170及び第2出力部180は第1コラムライン177及び第2コラムライン187に第1データ電圧及び第2データ電圧を各々出力する。
図34は、第1制御信号PGCS1が第1ロジックレベルを有し、第2制御信号PGCS2が第2ロジックレベルを有する期間(図33のt2〜t3)での、図20〜図23の単位ピクセル100eの電位レベルの例を示す。
図36を参照すると、光感知装置600aは光電変換部610、信号処理部620a、及び発光装置640を含む。
単位ピクセル(100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h)は、被写体との距離情報を生成できることより、光感知装置600aは距離測定センサ(Depth sensor)と称する場合もある。
実施形態により、光感知装置600aのイメージピクセルと単位ピクセル(100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h)との個数比は変更することができる。例えば、イメージピクセルと単位ピクセル(100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h)との個数比は1:1、2:1等であってもよい。
例えば、赤外線フィルタは、単位ピクセル(100、100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h)の上部に形成することができ、カラーフィルタはイメージピクセル上部に形成することができる。また、光電変換部610は、集光のためのマイクロレンズをさらに含むことができる。
ADC部623aは、基準信号生成器(REF)624a、比較部625a、カウンター626a、及びラッチ部627aを含む。
基準信号生成器640は、基準信号、例えば、一定の傾斜を有するランプ信号を生成し、ランプ信号を比較部625aに基準信号として提供する。
カウンター626aは、カウント動作を行ってカウンティング信号を生成して、カウンティング信号をラッチ部627aに提供する。
ラッチ部627aは、コラムラインと各々接続された複数のラッチ回路を含み、各比較信号の遷移に応答してカウンター626aから出力されるカウンティング信号を各コラム毎にラッチし、ラッチされたカウンティング信号を画像及び/または距離データとして出力する。
発光装置640は、タイミングコントローラ629eにより周期的にターンオン及びターンオフされることによって、周期的に変動する強度を有する光を送信する。
信号処理部620bは、ロードライバ621b、ADC部623b、及びタイミングコントローラ629bを含む。ADC部623bは、基準信号生成器624b、比較部625b、カウンター626b、第1ラッチ部627b、及び第2ラッチ部628bを含む。
第1サンプリング工程で、比較部625bはリセット成分を示す第1アナログ電圧と基準信号生成器624bから発生する基準信号とを比較してリセット成分による遷移時点を有する比較信号を各コラム毎に出力する。
カウンター626bから出力されるカウンティング信号は第1ラッチ部627bに含まれる複数のラッチ回路に共通に提供され、各ラッチ回路は、相応する比較信号の遷移時点に応答してカウンター626bから出力されるカウンティング信号をラッチしてデジタル信号である第1カウント値を保存する。
カウンター626bから出力されるカウンティング信号は、第2ラッチ部628bに含まれる複数のラッチ回路に共通に提供され、各ラッチ回路は、相応する比較信号の遷移時点に応答してカウンティング信号をラッチしてデジタル信号である第2カウント値を保存する。
第1ラッチ部627b及び第2ラッチ部628bに保存された第1カウント値及び第2カウント値は、論理演算を行う内部回路に提供されて画像及び/または、距離データとして有効なイメージ信号成分に相当する値が計算され、このような方式で光感知装置600bにてデジタルダブルサンプリングが行われる。
図38を参照すると、光感知装置600cは、光電変換部610、信号処理部620c、及び発光装置640を含む。信号処理部620cは、ロードライバ621c、ADC部623c、及びタイミングコントローラ629cを含む。ADC部623cは基準信号生成器624c、比較部625c、及びカウンター部626cを含む。
比較部625c及びカウンター部626cは、ピクセルアレイ611から各コラム毎に出力されるアナログ信号を並列的に処理するようにコラムラインと各々接続された複数の比較器及び複数のカウンターを含む。これと共に各コラム毎に備わった信号処理手段を利用して一つのローラインに接続された単位ピクセルから出力された信号を同時に処理することによって、光感知装置600cは、動作速度やノイズ除去といった性能を増強することができる。
図36〜図38にはコラムごとにADCが行われる光感知装置(600a、600b、600c)を示したが、図39の光感知装置600dは各コラムのアナログ信号を次々とデジタル信号に変換する一つのADC623dを使う。
マルチプレクサー631は、コラムラインを通じて伝送された有効な信号成分に相応するアナログ電圧を次々と出力する。ADC623dは各アナログ電圧をデジタル電圧に変換してイメージや距離データを生成する。
図40を参照すると、システム700は、光感知装置600、プロセッサ710、メモリ装置720、入出力装置740、保存装置730、及び電源装置750を含んで構成される。
これによって、プロセッサ710はキーボードまたはマウスのような一つ以上の入力装置740、プリンタまたは、ディスプレイ装置のような一つ以上の出力装置740、または、ソリッドステート ドライブ(solid state drive)、ハードディスクドライブ、またはCD−ROMなどのような一つ以上の保存装置730を制御することができる。
システム700は、動作電圧を供給するための電源750をさらに含む。
110 半導体基板
111 エピタキシャル層
112 埋め込みチャネル
112a、112b (第1、第2)埋め込みチャネル
113a、113b (第1、第2)p型ドーピング領域
120 電荷収集領域
121、122 (第1、第2)電荷収集領域
130、140、130a、140a (第1、第2)フォトゲート
150、160 (第1、第2)ブリッジ拡散領域
151、161 (第1、第2)伝送ゲート
153、163 (第1、第2)フローティング拡散領域
170、180 (第1、第2)出力部
171、181 (第1、第2)リセットトランジスタ
173、183 (第1、第2)ドライブトランジスタ
175、185 (第1、第2)選択トランジスタ
190 チャネルストップ領域
600、600a、600b、600c、600d 光感知装置
700 システム
Claims (13)
- 第1方向に延長される第1接合ゲートと該第1接合ゲートから前記第1方向と実質的に直交する第2方向に延長される複数の第1フィンガーゲートとを含む第1フォトゲートと、
前記第1接合ゲートに隣接して配置される第1伝送ゲートと、
前記第1伝送ゲートに隣接して前記第1接合ゲートとは反対側に配置される第1フローティング拡散領域と、
前記第1フォトゲートから離隔され、前記第1フォトゲートと点対称的に配置されて、前記第1方向に延長される第2接合ゲートと該第2接合ゲートから前記第2方向に延長される複数の第2フィンガーゲートとを含む第2フォトゲートと、
前記第2接合ゲートに隣接して配置される第2伝送ゲートと、
前記第2伝送ゲートに隣接して前記第2接合ゲートとは反対側に配置される第2フローティング拡散領域と、を有し、
前記第1接合ゲートは、
前記複数の第1フィンガーゲート下で収集された電荷を前記第1フローティング拡散領域に伝送する経路を提供し、
前記第1フォトゲートは、
集光時間の間、第1ロジックレベルと第2ロジックレベルとの間を周期的に遷移する第1制御信号が印加されて、
前記第1制御信号が前記第1ロジックレベルを有する時、入射光によって発生した電荷を前記第1フォトゲート下方に収集し、
前記第1伝送ゲートは、
第2制御信号により制御されて前記第1伝送ゲート下方の基板領域を通じて前記収集された電荷を前記第1フローティング拡散領域に伝送することを特徴とする光感知装置の単位ピクセル。 - 前記第1フォトゲートの下方領域と前記第2フォトゲートの下方領域との間に形成されて前記2つの下方領域と同一導電型でより高濃度に不純物がドーピングされたチャネルストップ領域をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記チャネルストップ領域は、前記第1フォトゲートの下方領域と前記第2フォトゲートの下方領域との間で電位障壁を形成することを特徴とする請求項2に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記チャネルストップ領域は、前記第1フォトゲートによって収集された電荷が前記第2フォトゲートの下方領域に伝送されるか、または、前記第2フォトゲートによって収集された電荷が前記第1フォトゲートの下方領域に伝送されることを遮断するように構成されることを特徴とする請求項2に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記第1接合ゲートと前記第1伝送ゲートとの間に形成されるブリッジ拡散領域をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記ブリッジ拡散領域は、前記第1フォトゲートによって収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有することを特徴とする請求項5に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記第1フォトゲートは、透明導電酸化物(transparent conducting oxide)を含むことを特徴とする請求項1に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記透明導電酸化物は、インジウム錫酸化物(indium tin oxide)、インジウム亜鉛酸化物(indium zinc oxide)、亜鉛酸化物(zinc oxide)、及びチタン酸化物(titanium dioxide)からなる一群の内から選択されることを特徴とする請求項7に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記第1フォトゲートは、半導体基板の上部に形成され、
前記半導体基板は、前記第1フォトゲートが形成される表面に向かう方向にドーピング濃度が徐々に減少するエピタキシャル層を含むことを特徴とする請求項1に記載の光感知装置の単位ピクセル。 - 前記エピタキシャル層は、埋め込みチャネルを含むことを特徴とする請求項9に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記第1制御信号が前記第2ロジックレベルを有する時、前記第1フォトゲート下方に収集された電荷が前記第1フローティング拡散領域に伝送されることを特徴とする請求項1に記載の光感知装置の単位ピクセル。
- 前記第1伝送ゲートは、前記集光時間の間、ロジックハイレベルとロジックローレベルとの間の所定のレベルを有する前記第2制御信号が印加され、
前記第1伝送ゲートは、前記第2制御信号に応答してハーフターンオン(half turned−on)状態を有することを特徴とする請求項1に記載の光感知装置の単位ピクセル。 - 前記第1伝送ゲートは、前記第1制御信号が前記第1ロジックレベルを有する時、前記第1フォトゲート下方に収集された電荷が前記第1フローティング拡散領域に伝送されるのを遮断し、
前記第1制御信号が前記第2ロジックレベルを有する時、前記第1フォトゲート下方に収集された電荷を前記第1フローティング拡散領域に伝送することを特徴とする請求項12に記載の光感知装置の単位ピクセル。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR10-2009-0106662 | 2009-11-05 | ||
KR1020090106662A KR101621278B1 (ko) | 2009-07-27 | 2009-11-05 | 광 감지 장치 및 그 단위 픽셀 |
US12/844,381 | 2010-07-27 | ||
US12/844,381 US8513709B2 (en) | 2009-07-27 | 2010-07-27 | Photo detecting apparatus and unit pixel thereof |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011101014A JP2011101014A (ja) | 2011-05-19 |
JP2011101014A5 JP2011101014A5 (ja) | 2014-01-09 |
JP5918465B2 true JP5918465B2 (ja) | 2016-05-18 |
Family
ID=44201090
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010247052A Active JP5918465B2 (ja) | 2009-11-05 | 2010-11-04 | 光感知装置の単位ピクセル |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5918465B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109817655A (zh) * | 2018-11-14 | 2019-05-28 | 深圳市光微科技有限公司 | 具有双电荷存储结构的像素单元、图像传感器芯片、成像系统、形成方法和测量深度方法 |
CN113517308B (zh) * | 2020-04-09 | 2024-08-16 | 爱思开海力士有限公司 | 图像感测装置 |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5232693A (en) * | 1975-09-08 | 1977-03-12 | Nec Corp | Semiconductor device |
JPS5474624A (en) * | 1977-11-28 | 1979-06-14 | Matsushita Electronics Corp | Solidstate pick up unit |
JPS5474625A (en) * | 1977-11-28 | 1979-06-14 | Matsushita Electronics Corp | Solidstate pick up unit |
US6906793B2 (en) * | 2000-12-11 | 2005-06-14 | Canesta, Inc. | Methods and devices for charge management for three-dimensional sensing |
JP2002368205A (ja) * | 2001-06-12 | 2002-12-20 | Olympus Optical Co Ltd | 距離情報入力装置 |
JP4251313B2 (ja) * | 2002-07-12 | 2009-04-08 | 富士フイルム株式会社 | 固体撮像装置 |
JP2004221486A (ja) * | 2003-01-17 | 2004-08-05 | Fuji Photo Film Co Ltd | 撮像素子の選別方法 |
JP4236169B2 (ja) * | 2003-09-10 | 2009-03-11 | 富士フイルム株式会社 | 固体撮像装置 |
JP4280822B2 (ja) * | 2004-02-18 | 2009-06-17 | 国立大学法人静岡大学 | 光飛行時間型距離センサ |
JP4719531B2 (ja) * | 2005-08-22 | 2011-07-06 | 富士フイルム株式会社 | 光電変換素子及び撮像素子 |
JP5110519B2 (ja) * | 2005-08-30 | 2012-12-26 | 国立大学法人静岡大学 | 半導体測距素子及び固体撮像装置 |
US20090224139A1 (en) * | 2008-03-04 | 2009-09-10 | Mesa Imaging Ag | Drift Field Demodulation Pixel with Pinned Photo Diode |
-
2010
- 2010-11-04 JP JP2010247052A patent/JP5918465B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2011101014A (ja) | 2011-05-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8513709B2 (en) | Photo detecting apparatus and unit pixel thereof | |
US9225922B2 (en) | Image-sensing devices and methods of operating the same | |
US10312275B2 (en) | Single-photon avalanche diode image sensor with photon counting and time-of-flight detection capabilities | |
US11031424B2 (en) | Image sensor with selective light-shielding for reference pixels | |
US8687174B2 (en) | Unit pixel, photo-detection device and method of measuring a distance using the same | |
KR102007279B1 (ko) | 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀, 이를 포함하는 3차원 이미지 센서 및 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법 | |
KR102264365B1 (ko) | 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법 및 전자 기기 | |
US9324758B2 (en) | Depth pixel included in three-dimensional image sensor and three-dimensional image sensor including the same | |
US20210175272A1 (en) | Semiconductor devices with single-photon avalanche diodes and light scattering structures | |
US11764238B2 (en) | Image sensing device | |
TWI545738B (zh) | 單位畫素、光偵測裝置以及使用該裝置測量距離的方法 | |
US20210288088A1 (en) | Image sensor | |
KR20100046766A (ko) | 이미지 센서 | |
US11670660B2 (en) | Pixel array included in auto-focus image sensor and auto-focus image sensor including the same | |
JP5918465B2 (ja) | 光感知装置の単位ピクセル | |
KR101621278B1 (ko) | 광 감지 장치 및 그 단위 픽셀 | |
US11671722B2 (en) | Image sensing device | |
CN114339097B (zh) | 图像感测装置 | |
CN112909034A (zh) | 半导体器件 | |
CN112909032A (zh) | 半导体器件 | |
US20230268358A1 (en) | Image sensor | |
US20220165775A1 (en) | Depth pixel having multiple photodiodes and time-of-flight sensor including the same | |
EP4246579A1 (en) | Image sensor | |
US20120248505A1 (en) | Light receiving device | |
CN117374091A (zh) | 半导体器件和单光子雪崩二极管像素 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120306 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20131101 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131101 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140829 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140902 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20141201 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150602 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150901 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160329 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160408 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5918465 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |