JP6481898B2 - ソーラーセルの機能を持つイメージセンサー - Google Patents

Description

本発明は、ソーラーセルとして動作可能なイメージセンサーに関し、より詳細には、一般的にはイメージセンサーとして機能し、必要に応じて特定条件へのモード転換を通じてソーラーセルとして動作させる技術に関する。

光エネルギーハーベスティング（Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）技術とは、モノのインタ−ネット（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）やユビキタスセンサーネットワーク（Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、無線センサーネットワーク（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などに必ず必要な基盤技術であって、多様な電子装置において半永久的な電源として使用でき、既存のバッテリーに有線で電力を提供しないで、光エネルギーを電気的エネルギーに変換して充電できる技術のことである。

一方、このようなシステムは、超小型かつ集積化された形で具現することが望ましい。一部の研究で、光エネルギーの変換素子を、ＣＭＯＳ工程のＰＮ接合フォトダイオ−ド（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を用いてＩＳＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）の形で製作することにより他の回路との集積化を試みる場合もあるが、このようなフォトダイオ−ドは光電変換能力において効率が低いため、チップ内の回路が動作するに十分な電力を供給することが難しい。なお、ソーラーセルの工程と標準ＣＭＯＳ工程の完全な一体化には依然として限界がある。

本発明は、既に登録された特許である「Ｕｎｉｔ Ｐｉｘｅｌ ｏｆ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｔｈｅｒｅ ｏｆ」（特許文献１、特許文献２、特許文献３）の技術に加えて、ピクセル化されたソーラーセルシステムオンチップを具現する方法及び概念を提示しようとするものである。まず、標準ＣＭＯＳ工程を介して製作されるフォトディテクターとピクセル形状のソーラーセルの構造及び動作原理について述べて、このように製作されたソーラーセルとイメージセンサーのピクセルが同一のセルを共有しながら必要に応じて各々を選択して使用できる方法を提案する。

米国特許第８５６９８０６号明細書 米国特許第８６１０２３４号明細書 米国特許第８６６９５９９号明細書

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために、高効率の光ディテクターを持つソーラーセルがイメージセンサーのピクセルと同一のセルを共有し、必要に応じて各々を選択して、イメージセンサーとして用いる、または、駆動電力を生産かつ貯蔵するソーラーセルとして使用できる方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための、イメージセンサーとソーラーセルとして動作可能な単位ピクセルエレメントは、ゲートに受光された光によりソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させるフォトディテクター、前記フォトディテクターのソース端子及び第１ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第１スイッチ、及び前記フォトディテクターのゲート端子及び第２ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第２スイッチを含む。

前記目的を達成するためのイメージセンサーとソーラーセルとして動作可能な単位ピクセルエレメントは、ゲートに受光された光によりソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させるフォトディテクター、前記フォトディテクターのゲート端子及び第１ソーラーセルバス間にされてオン／オフ動作を行う第１スイッチ、及び前記フォトディテクターのソース端子及び第２ソーラーセルバス間に連結され、前記光電流を画素出力端に出力させる選択素子を含む。

前記の目的を達成するためのイメージセンサーとソーラーセルとして動作可能な単位ピクセルエレメントは、ゲートに受光された光によりソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させるフォトディテクター、前記フォトディテクターのゲート端子及び第１ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第１スイッチ、前記フォトディテクターのリセット端子及び前記第１ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第２スイッチ、及び前記フォトディテクターのソース端子及び第２ソーラーセルバス間に連結され、前記光電流を画素出力端に出力させる選択素子を含む。

本発明の実施例によれば、イメージセンサーとして機能すると同時に光エネルギーのハーベスティングが可能になり、高効率の光電変換能力にて有効な電力を生成及び供給することができる。

また、本発明の望ましい実施例によれば、製造工程において、周辺回路と完全な一体型で製作することができて、イメージセンサーのみならずＣＭＯＳ工程で作られるあらゆる周辺回路との集積化が非常に容易である。

本発明に係る高効率の光電変換が可能なフォトディテクターを示す断面図である。 本発明に係る前記フォトディテクターの高効率の光電変換メカニズムを示す図である。 本発明に係るソーラーセルのためのフォトディテクターを示す断面図である。 本発明に係る前記フォトディテクターの電力生成メカニズムを示す図である。 本発明の第１実施例に係る前記フォトディテクターの開放回路電圧（ＶＯＣ：Ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）獲得メカニズムを示す図である。 本発明の第２実施例に係る前記フォトディテクターの開放回路電圧獲得メカニズムを示す断面図である。 本発明に係るソーラーセルの単位ピクセルの構造を示す図である。 本発明の第１実施例に係るイメージセンサーの単位ピクセルの構造を示す図である。 本発明の第１実施例に係るソーラーセルの単位ピクセルの構造を示す図である。 本発明の第２実施例に係るイメージセンサーの第２単位ピクセルを示す図である。 本発明の第２実施例に係るソーラーセルの第２単位ピクセル構造を示す図である。

本発明は多様な変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるので、特定の実施例を図面に例示して、これを詳細な説明で詳細に説明しようとする。しかしながら、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物乃至代替物を含むものと理解すべきである。

本発明を説明するにおいて、関連した公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を無駄に乱すおそれがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、本明細書の説明過程において用いられる数字（例えば、第１、第２など）は一つの構成要素を他の構成要素と区分するための識別記号に過ぎない。

また、本明細書において、一構成要素が異なる構成要素と「連結される」または「接続される」などと言及された場合には、前記一構成要素が前記他の構成要素と直接連結されるかまたは直接接続されることもあるが、特に反対の記載がない限り、中間に他の構成要素を媒介して連結されるかまたは接続されることもあると理解すべきである。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例について説明する。

図１は本発明に係る高効率の光電変換可能なフォトディテクター（ｐｈｏｔｏ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を示した断面図である。

図１において、前記フォトディテクターに該当する単位画素の受光素子は、従来のフォトダイオ−ドの代わりにトンネル接合素子（ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）を用いて具現される。ここで、トンネル接合素子は、二つの導体や半導体の間に薄い絶縁層が接合された構造であり、絶縁層で発生するトンネルリング効果（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）を用いて動作する素子のことを指す。 ちなみに、トンネルリング効果とは、量子力学的現象であって、ポテンシャルを有する力の作用下で運動する粒子が、その粒子自体が有する運動エネルギーより大きい位置エネルギーを有する領域を通過する現象のことをいう。

本発明の一実施例では、このようなフォトディテクターを用いて単位画素の受光素子及びソーラーセル（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）を生成することができ、本明細書及び特許請求範囲に使われる「フォトディテクター」とは、前記のトンネル接合素子を用いて具現された受光素子及びソーラーセルのことを指す。前記フォトディテクターは、多様な種類の構造により具現することができ、例えば、一般的なｎ−ＭＯＳＦＥＴまたはｐ−ＭＯＳＦＥＴ構造を用いて具現することもできる。また、ＭＯＳＦＥＴの他にもＪＦＥＴ、ＨＥＭＴなどのトンネルリング効果が得られる構造の電子素子を用いて単位素子を具現することができる。

図１において、前記フォトディテクター１００は、ＰＭＯＳ構造で具現される。前記フォトディテクター１００は、Ｐ型基板１１０上に形成され、一般的なＮＭＯＳ電子素子において、ソースに当たるＰ＋拡散層１２０とドレーンに当たるＰ＋拡散層１３０を含む。以下、Ｐ＋拡散層１２０，１３０を各々フォトディテクターにおける「ソース」及び「ドレーン」と称することとする。

前記ソース１２０とドレーン１３０の上部には外部ノ−ドと連結されるソース電極１２１及びドレーン電極１３１が各々形成される。

前記フォトディテクター１００は、Ｐ型の基板（Ｐ−ｓｕｂ）１１０上にＮ型不純物を注入してＮウェル１１５を形成する。前記形成されたＮウェル１１５上に高濃度のＰ型不純物を注入して、ソース１２０とドレーン１３０を形成する。前記ソース１２０とドレーン１３０との間には薄い酸化膜１４０が形成され、前記酸化膜１４０の上部には一般的なＭＯＳＦＥＴ構造におけるゲートに該当するＮ型の不純物がドープされたポリシリコン（ｐｏｌｙ−ｓｉｌｉｃｏｎ）が形成される。前記ポリシリコン１５０は、前記フォトディテクター１００において光を吸収する部として機能する。以下、前記ポリシリコン１５０を「受光部」と称する。

前記受光部１５０は、酸化膜１４０により前記ソース１２０及びドレーン１３０と離隔される。前記受光部１５０と前記ソース１２０またはドレーン１３０との間でトンネルリング（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）が発生される。この時、トンネルリング現象の発生を容易にするために、酸化膜１４０の厚さを１０ｎｍ以下で形成することが望ましい。

一般的なＭＯＳＦＥＴ素子のゲートとは異なり、前記フォトディテクター１００には、前記受光部１５０の上部を除いた残り領域の上部に金属性の遮光層が形成されるとよい。前記フォトディテクター１００は、前記遮光層を通して光が入射される領域を受光部１５０に限定することにより、受光部１５０における光電変換を極大化させる。

前記フォトディテクター１００の構造は、標準ＣＭＯＳ工程を解して容易に製作することができ、他の回路と同一の工程で製造できて、集積化されたシステムの一部として使用できるので、システムの集積化が容易で多様な応用範囲を有する。

図２は、本発明に係るフォトディテクター１００の高効率な光電変換メカニズムを示している。前記フォトディテクター１００は、受光部１５０の上部を通じて光を受け入れる。受光部１５０に入射された光により電子−正孔対(ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ ｐａｉｒ，ＥＨＰ）が生成され、これにより、受光部１５０とソース１２０及びドレーン１３０との間に一定の電界が形成される。この時、ソース電極１２０とドレーン電極１３１に一定電圧が印加されると、光により励起された受光部１５０の電荷が受光部１５０から酸化膜１４０をトンネルリングしてソース１２０またはドレーン１３０へと移動する。トンネルリングにより受光部１５０でホールが失われて電子が流入されることにより、受光部１５０における電子の電荷量が相対的に増加することになり、このような電荷量の変化は前記ソース１２０とドレーン１３０間のチャンネル１６０のしきい電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ）を下げて、前記チャンネル１６０に光電流が流れるようになる。このような技術は既に本発明の発明者により米国で出願されて登録された米国登録特許 ＵＳ８，５６９，８０６Ｂ２、ＵＳ８，６１０，２３４Ｂ２、ＵＳ８，６６９，５９９Ｂ２及び米国特許出願ＵＳ１４／３２７，５４９などで詳細に紹介されたことがあるので、詳細な説明を省略する。

フォトディテクター１００は、光の入射領域が受光部１５０の上部領域のみに制限され、外部から開放された受光部１５０の上部を通して多様な波長帯の光が入射される。前記入射された多様な波長帯の光は、受光部１５０に吸収されるかまたは受光部１５０を透過して下部のＮウェル１１５または基板１１０に到達されることとなる。例えば、受光部１５０の厚さが１５０ｎｍ以上の場合、青色系列の短波長は下部の基板１１０まで到達できず受光部１５０で大部分が吸収される。従来の一般的なフォトディテクターとは異なり、本発明のフォトディテクター１００は、短波長帯の光が下部の基板に到達できずに受光部１５０に吸収されても、受光部１５０に吸収されたエネルギーにて受光部１５０の電荷量に変化を発生させ、これによりチャンネル１６０に電流を発生させるので、短波長帯の光を容易に検出することができる。また、それ以外の波長帯の光もすべて前記受光部１５０を透過するので、類似の現象が前記受光部１５０で発生して、電流チャンネルのしきい電圧の変化に影響を与えることになる。

一方、前記受光部１５０を透過できる相対的に長い波長帯の光は、Ｎウェル１１５にも電子正孔対を発生させて、図２に示したように、電子をチャンネルの下部である前記Ｎウェル１１５に蓄積させてしきい電圧の変化に影響を及ぼすこともある。このように製造された前記フォトディテクター１００は、単一フォトンも感知できる高感度の検出能力を持ち、少しの光でも非常に大きい光電流を流れさせられる能力も併せ持つことになる。このような本願発明のフォトディテクター１００の特性は、イメージセンサー用のフォトディテクターだけでなく、ソーラーセルとしても使用可能である。

以下では、このようなフォトディテクターの原理に基づき、新しくソーラーセルとしての機能が追加されたシステムオンチップ（ＳＯＣ：Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ Ｃｈｉｐ）形態のソーラーセンサーチップを提案する。さらに、図１と図２ではＰＭＯＳ型の構造に基づいて説明しているが、ＰＭＯＳ型の構造はもちろんＮＭＯＳ型の構造及びこれと類似の他の構造によっても具現することができ、このような構造はすべて本発明の権利範囲に含まれると見なされる。

図３は、本発明に係るソーラーセルのためのフォトディテクターの断面図であり、図４は、前記フォトディテクター３００の電力生成メカニズムを示した図である。前記フォトディテクター３００は、ソーラーセルとして動作する場合に、光の吸収により光電流が生成されると共に光起電力(Ｐｈｏｔｏ Ｖｏｌｔａｉｃ）が発生される。

図３を参照すると、前記フォトディテクター３００は、光が受光部３５０に吸収されれば、電子が前記ソース１２０と前記ドレーン１３０間のチャンネルから前記酸化膜１４０をトンネルリングして受光部３５０に移動し、これにより、前記受光部３５０の全体電荷量が変化される。この時、前記受光部３５０とドレーン１３０間の電圧を測定すれば、光により発生した電荷の変化量を電圧の形態で測定することができる。また、前記Ｎウェル１１５に蓄積された電荷は、前記ドレーン１３０と前記Ｗ−ＲＳＴ３６０間の電極１３１，３６１により電圧で測定することができる。

図４を参照すると、前記フォトディテクター３００は、製造工程で初期に形成されたトランジスタ−のしきい電圧より大きい光エネルギーが入射されると、チャンネル１６０に光電流が流れることになる。

具体的に、ソース１２０とドレーン１３０の間には、最初の製造工程からチャンネル１６０が形成され得るシリコン界面のポテンシャル状態がサブ−スレッショルド（ｓｕｂ−ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）直前の状態のしきい電圧を持つように形成されている。この状態では受光部３５０に光が入射されないと、チャンネル１６０に光電流が流れない。

この状態で、受光部３５０にドープされた不純物が結合しているエネルギーより大きいエネルギーを有する光が入射されると、前記受光部３５０において、平衡状態で電荷の移動を遮断する酸化膜１４０を境にして不純物がドープされて形成された多数の電子及び正孔が自由な状態となる。この時、生成された電子−正孔対は再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）されるまで一定時間だけ電子と正孔の状態で各々存在し、局地的に電界が集中する所へと電荷が移動することになる。

ソース１２０とドレーン１３０間のシリコン界面のポテンシャルがサブ−スレッショルド（ｓｕｂ−ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）直前の状態なので、受光部３５０に入射された光により増加された電荷量と電界によって、ソース１２０及びドレーン１３０と受光部３５０との間で電子または正孔がトンネルリングされ、これにより、前記チャンネル１６０のしきい電圧が下げられてチャンネル１６０に光の量に比例して光電流が流れることとなる。

前記光電流を発生させた電圧は、前記受光部３５０または前記Ｎウェル１１５を通して検出できる。検出される電圧は前記受光部３５０または前記Ｎウェル１１５を通して検出された光の量に応じて異なるが、数ナノから数マイクロアンペアの光電流が流れることがあり、これにより発生される電圧差は０．１〜１．０Ｖ程度になり得る。ちなみに、前記値は暗電流（ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ）を除外した測定値であり、このような出力は３ｕｍ以内のピクセルサイズから得られる。したがって、複数のピクセルを直列または並列で連結してピクセルアレイを構成してこれを制御すれば、非常に大きい電力を獲得できる。

図５は、本発明の第１実施例に係る前記フォトディテクター３００の開放回路電圧（Ｖｏｃ：ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）の獲得メカニズムを示している。

図５を参照すれば、前記ソース１２０とドレーン１３０間に一定電圧を加えた状態で前記受光部３５０に光が入射されると、しきい電圧が変わって光電流が流れることになる。また、長波長帯の光は前記受光部３５０を通過してＮウェル１１５に吸収されて、この時Ｎウェル１１５でも受光部１５０と同じ原理で一定量の電荷が生成されて、チャンネル界面の周囲に蓄積されることになる。

この時、チャンネルに流れる光電流は、前記受光部３５０と前記Ｎウェル１１５内の電荷量が変化して生じた電圧に起因するものである。すなわち、生成された光電流により前記ドレーン１３０と前記受光部３５０間の電圧（Ｖ_{Ｄｒａｉｎ−Ｇａｔｅ}）及び前記ドレーン３５０と前記Ｎウェル１１５間の電圧（Ｖ_{Ｄｒａｉｎ−Ｗｒｓｔ}）が発生される。したがって、前記ドレーン１３０に連結された端子１３１と前記受光部３５０に連結された端子３５１間の電圧（Ｖ_{Ｄｒａｉｎ−Ｇａｔｅ}）または前記ドレーン３５０に連結された端子１３１と前記Ｎウェル１１５に連結された端子３６１間の電圧（Ｖ_{Ｄｒａｉｎ−Ｗｒｓｔ}）のうちいずれか一つを選択して、Ｖｏｃを獲得することができる。

図６は、本発明の第２実施例に係る前記フォトディテクター３００の開放回路電圧の獲得メカニズムを示している。

希望する大きな電力を得るために、前記フォトディテクター３００から大きい光電流を獲得する方法以外に、より大きいＶｏｃ値を獲得することが必要である。図６において、受光部３５０に連結された端子３５１とＮウェル１１５上に形成されたＮ＋拡散層３６０に連結された端子３６１とを連結して、チャンネルのしきい電圧の変化をより大きくすると、受光部３５０とＮウェル１１５が連結された端子３５２と、ドレーン１３０に連結された端子１３２間により大きい電圧（Ｖ_{Ｄｒａｉｎ−（ｇａｔｅ−ｗｒｓｔ）}）が獲得できる。これは前記Ｎウェル１１５の下部に存在する電子がＮ＋拡散層３６０へ移動することによって追加的に増加した電荷量による効果である。

図７は、本発明に係るソーラーセルの単位ピクセル（ｕｎｉｔ ｐｉｘｅｌ）の構造を示している。図７を参照すれば、前記ソーラーセルはピクセルソーラーセル（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）として構成される単位ピクセル７００の構造を有する。

前記単位ピクセル７００は、前記フォトディテクター３００、第１スイッチ（Ｍｓ）、第２スイッチ（Ｍｇ）、第３スイッチ（Ｍｗｒ）、第４スイッチ（Ｍｖ）、第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ１）及び第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）を含む。前記フォトディテクター３００は、受光部（ゲート）に受光された光（ｈｖ）により、ソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させる。前記第１スイッチ（Ｍｓ）は、前記フォトディテクター３００のソース端子と第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ１）間に連結されてオン／オフ動作を行う。前記第２スイッチ（Ｍｇ）は、前記フォトディテクター３００の受光部（ゲート）端子と第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）間に連結されてオン／オフ動作を行う。前記第３スイッチ（Ｍｗｒ）は、前記フォトディテクター３００のＮウェルまたは基板に連結されたリセット端子と前記第２ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う。ここで、前記リセット端子は、前記ソース及び前記ドレーンにドープされた不純物と異なる不純物でドープされる。図３ないし図６を参照すれば、前記リセット端子（Ｗｒｓｔ）は、前記ソース及び前記ドレーンにドープされたＰ型不純物と異なるＮ型不純物でドープされ、ＮＭＯＳの場合には前記リセット端子が前記ソース及び前記ドレーンにドープされたＮ型不純物と異なるＰ型不純物でドープされることがある。ここで、ＶＤＤは前記フォトディテクター３００を駆動するために、別途の外部システムの電源と連結して固定しておく。この時、前記ＶＤＤは、第４スイッチ（Ｍｖ）を通して前記フォトディテクター３００のドレーンに連結されるとよい。この時、最小の暗電流が流れるように最小のＶＤＤ電圧を印加し、ピクセルの外部に暗電流を別途に除去する回路を追加してもよい。

一方、前記フォトディテクラー３００は、周辺回路と同一の工程で製造されるので、周辺回路と同一の電源を用いることができる。この場合、従来のフォトディテクターとは異なり、本発明のフォトディテクター３００は、別途の外部電源を必要とすることなく、周辺回路の電源をそのまま使用するように構成することができる。

前記フォトディテクター３００に光が入射されると、前記第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ １）と第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）間に光電流が流れて、これと同時に、前記第２スイッチ（Ｍｇ）と前記第３スイッチ（Ｍｗｒ）を制御して、前記第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ １）と前記第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）との間で光起電力Ｖｏｃを獲得することができる。

前記第２スイッチ（Ｍｇ）と 前記第３ スイッチ（Ｍｗｒ）は、スイッチオン動作により行デコーダ（Ｒｏｗ ｄｅｃｏｄｅｒ）のような外部マトリックスと選択的に連結されることがある。この時、前記第２スイッチ（Ｍｇ）と第３スイッチ（Ｍｗｒ）は、別途にスイッチオンされて第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）と連結されるか、または、同時にスイッチオンされて第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）と連結されるかを選択することができる。前記第２スイッチ（Ｍｇ）と前記第３スイッチ（Ｍｗｒ）が、同時にスイッチオンされて外部のマトリックスと連結されると、図６で示したように、前記フォトディテクター３００の受光部とＮウェルが第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）と別途に連結された場合よりさらに大きいＶｏｃを獲得することができる。

図８は、本発明の第１実施例に係るイメージセンサーの単位ピクセル構造を示している。前記単位ピクセル１０００は、前記フォトディテクター３００と連結された選択素子（ＳＥＬ）を備えて、前記単位ピクセル１０００は、電流電圧変換回路であるＩＶＣ回路１０１０から構成されたイメージセンサーとカラムバス（Ｃｏｌｕｍｎ ｂｕｓ）により連結されるとよい。ここで、前記選択素子（ＳＥＬ）は、多様な素子により具現することができ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ構造を用いて形成されてもよい。この場合、前記フォトディテクター３００と前記選択素子（ＳＥＬ）をＭＯＳＦＥＴ製造工程を用いて同時に具現できるので、簡単かつ低コストで製造することができる。

前記単位ピクセル１０００の前記フォトディテクター３００で光電変換された光電流が、前記ＳＥＬのスイッチオンにより、前記ＩＶＣ回路１０１０のキャパシタ１０１５に充電される。前記キャパシタ１０１５に充電された光電流は、ＩＶＣ_ＯＵＴ値を持つ電圧として出力されて、ＣＤＳ（Ｃｏ−Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）などの回路に信号が伝送される。前記ＳＥＬがオン状態で、ＢＵＳ_ＲＳＴをオンさせれば、前記ＩＶＣ回路１０１０の前記キャパシタ１０１５及び前記カラムバス（ＣＢ）と前記フォトディテクター３００とがＧＮＤを介して直接連結されるので、充電された電荷が除去されて、信号のリセットが行われる。前記動作により、イメージセンサーに必要な蓄積時間（Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｉｍｅ）を定義することができ、連続的な画像を獲得することができる。

図９は、本発明の第１実施例に係るソーラーセルに対する単位ピクセルの構造を示している。前記単位ピクセル１１００は、図８に示された１Ｔタイプのイメージセンサーの単位ピクセル１０００をソーラーセルとして具現したのである。このために、前記単位ピクセル１１００は、第１及び第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ １，ＳＣＢ ２）とＳ１、Ｓ２スイッチを追加することにより、図８におけるイメージセンサーをソーラーセルとしても使用することができる。

具体的に、前記単位ピクセル１１００は、ゲートに受光された光によりソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させる前記フォトディテクター３００、前記フォトディテクター３００のゲート端子と前記第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ１）間に連結されてオン／オフ動作を行う第１スイッチ（Ｓ１）及び、前記フォトディテクター３００のソース端子と前記第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）間に連結されて前記光電流を画素出力端１０１０に出力させる選択素子（ＳＥＬ）を含む。ここで、前記画素出力端１０１０は、図８及び図９における前記ＩＶＣ回路１０１０に該当する。また、前記単位ピクセル１１００は前記選択素子（ＳＥＬ）及び前記画素出力端１０１０間に連結されてオン／オフ動作を行う第２スイッチ（Ｓ２）をさらに含むことができる。前記第１スイッチ（Ｓ１）を介して前記第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ１）と前記フォトディテクター３００のゲートを連結し、前記第２スイッチ（Ｓ２）を介して図８における前記カラムバス（ＣＢ）を前記第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）として用いれば、前記第１及び第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ １，ＳＣＢ ２)間に光電流とＶｏｃを獲得して、電力を生成することができる。このように、前記第１及び第２スイッチ（Ｓ１，Ｓ２)を用いて、前記イメージセンサーと前記ソーラーセルを選択的に具現することができる。すなわち、前記第１スイッチ（Ｓ１）がオンであり前記選択素子（ＳＥＬ）または第２スイッチ（Ｓ２）がオフであれば、前記単位ピクセル１１００は後段の信号処理回路と遮断されてソーラーセルとして動作し、前記 Ｓ１スイッチ（Ｓ１）がオフであり前記第２スイッチ（Ｓ２）がオンであれば、前記単位ピクセル１１００は後段の信号処理回路にと連結されてイメージセンサーとして動作する。

また、前記画素出力端１０１０は、前記第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）及び接地（ＧＮＤ）間に連結されて前記光電流による充電を行うキャパシタ１０１５と、前記第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）及び前記接地（ＧＮＤ）間に連結されて前記キャパシタ１０１５と並列で連結されたリセット素子（ＢＵＳ_ＲＳＴ）とを含む。

図１０は、本発明の第２実施例に係るイメージセンサーの第２単位ピクセルを示している。前記第２単位ピクセル１２００は、図８に示すように、前記フォトディテクター３００及び前記選を択素子（ＳＥＬ）の他に、前記フォトディテクター３００のウェル(ｗｅｌｌ)に連結されたリセット素子（ＲＳＴ）をさらに含む。前記第２単位ピクセル１２００のような単位ピクセルの各カラムに前記ＩＶＣ回路１０１０が連結されることにより、イメージセンサーを具現することができる。前記選択素子（ＳＥＬ）がオンである場合、前記フォトディテクター３００で光電変換された光電流は、前記ＩＶＣ回路１０１０の前記キャパシタ１０１５に光電荷を充電させる。前記キャパシタ１０１５に充電された光電荷は、ＩＶＣ＿ＯＵＴ値を持つ電圧として出力されて、ＣＤＳなどの回路にその信号が伝えられる。

前記選択素子（ＳＥＬ）がオンの状態で、ＢＵＳ＿ＳＴをオンさせると、前記ＩＶＣ回路１０１０の前記キャパシタ１０１５及びカラムバス（ＣＢ）と前記フォトディテクター３００がＧＮＤを介して直接連結されるので、充電された電荷が除去されて、信号のリセットが行われる。

一方、前記リセット素子（ＲＳＴ）は、前記フォトディテクター３００による信号のリセットが円滑に行われなかったり、または電流チャンネルのしきい電圧を手動で調節するために使用されてよく、高速フレ−ムの動作時において、映像遅延現象等が無い特殊撮影の時に使用されてよい。

図１１は、本発明の第２実施例に係るソーラーセルの第２単位ピクセル構造を示している。

前記第２単位ピクセル１３００は、図１０に示された２Ｔタイプのイメージセンサーの単位ピクセル１２００をソーラーセルとして具現したものである。前記第２単位ピクセル１３００は、ゲートに受光された光によりソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させるフォトディテクター３００と、前記フォトディテクター３００のゲート端子及び第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ１）間に連結されてオン／オフ動作を行う第１スイッチ（Ｓ１）と、前記フォトディテクター３００のリセット端子及び前記第１ソーラーセルバス（ＳＣＢ１）間に連結されてオン／オフ動作を行う第２スイッチ（Ｓ２）と、前記フォトディテクター３００のソース端子及び第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）間に連結されて前記光電流を前記画素出力端１０１０に出力させる選択素子（ＳＥＬ）の他に前記フォトディテクター３００のウェル（ｗｅｌｌ)に連結されたリセット素子（ＲＳＴ）とをさらに含む。ここで、前記リセット端子（ＲＳＴ）は、前記ソース及び前記ドレーンにドープされた不純物と異なる不純物でドープされる。

また、前記第２単位ピクセル１３００は、前記選択素子（ＳＥＬ）及び前記画素出力端１０１０間に連結されてオン／オフ動作を行う第３スイッチ（Ｓ３）をさらに含むことができる。ここで、前記第１スイッチ（Ｓ１）または前記第２スイッチ（Ｓ２）がオンであり、前記第３スイッチ（Ｓ３）がオフである場合に、前記単位ピクセルはソーラーセルとして動作し、前記第１スイッチ（Ｓ１）及び前記第２スイッチ（Ｓ２）がオフであり、前記第３スイッチ（Ｓ３）がオンである場合に、前記単位ピクセルはイメージセンサーとして動作する。ここで、より大きいＶｏｃを得るために、前記第１スイッチ（Ｓ１）及び第２スイッチ（Ｓ２）を同時にオンさせてもよい。

前記画素出力端１０１０は、前記第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）及び接地（ＧＮＤ）間に連結されて前記光電流による充電を行うキャパシタ１０１５と、前記第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ ２）及び前記接地（ＧＮＤ）間に連結されて前記キャパシタ１０１５と並列で連結されたリセット素子（ＢＵＳ_ＲＳＴ）とを含む。かかる構成により、前記第１及び第２ソーラーセルバス（ＳＣＢ １，ＳＣＢ ２)ライン間に光電流とＶｏｃを獲得して電力を生成することができる。

前述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須的な特徴を変更せずに他の具体的な形態に容易に変形が可能であるということを理解できるだろう。

よって、以上説明した実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的なものではないことを理解しなければならない。例えば、単一型として説明されている各構成要素は分散して実施してもよく、これと同様に、分散したものと説明されている各構成要素も結合して実施してもよい。

本発明の範囲は前記詳細な説明よりは後述する特許請求範囲により示され、特許請求範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (9)

1. イメージセンサーとソーラーセルとして動作可能な単位ピクセルエレメントにおいて、
   ゲートに受光された光によりソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させるフォトディテクター、
   前記フォトディテクターのソース端子及び第１ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第１スイッチ、
   前記フォトディテクターのゲート端子及び第２ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第２スイッチ、及び、
   前記フォトディテクターのＮウェルに連結されたリセット端子及び前記第２ソーラーセルバス間に連結された第３スイッチをさらに含む、単位ピクセルエレメント。
2. 前記リセット端子は、前記ソース及び前記ドレーンにドープされた不純物と異なる不純物でドープされた、請求項１に記載の単位ピクセルエレメント。
3. イメージセンサーとソーラーセルとして動作可能な単位ピクセルエレメントにおいて、
   ゲートに受光された光によりソースとドレーン間のチャンネルに光電流を発生させるフォトディテクター、
   前記フォトディテクターのゲート端子及び第１ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第１スイッチ、
   前記フォトディテクターのＮウェルに連結されたリセット端子及び前記第１ソーラーセルバス間に連結されてオン／オフ動作を行う第２スイッチ、及び
   前記フォトディテクターのソース端子及び第２ソーラーセルバスとの間に連結され、前記光電流を画素出力端に出力させる選択素子を含む、単位ピクセルエレメント。
4. 前記リセット端子は、前記ソース及び前記ドレーンにドープされた不純物と異なる不純物でドープされた、請求項３に記載の単位ピクセルエレメント。
5. 前記選択素子及び前記画素出力端間に連結されてオン／オフ動作を行う第３スイッチをさらに含む、請求項３に記載の単位ピクセルエレメント。
6. 前記第１スイッチまたは前記第２スイッチがオンであり、前記第３スイッチがオフである場合、前記単位ピクセルエレメントはソーラーセルとして動作する、請求項５に記載の単位ピクセルエレメント。
7. 前記第１スイッチ及び前記第２スイッチがオフであり、前記第３スイッチがオンである場合、前記単位ピクセルエレメントはイメージセンサーとして動作する、請求項５に記載の単位ピクセルエレメント。
8. 前記画素出力端は、前記第２ソーラーセルバス及び接地間に連結され、前記光電流による充電を行うキャパシタを含む、請求項３に記載の単位ピクセルエレメント。
9. 前記画素出力端は、前記第２ソーラーセルバス及び接地部間に連結され、前記キャパシタと並列で連結されたリセット素子をさらに含む、請求項８に記載の単位ピクセルエレメント。