KR100868191B1

KR100868191B1 - 수평 전하운송부를 제거한 전하결합소자

Info

Publication number: KR100868191B1
Application number: KR1020020023017A
Authority: KR
Inventors: 권경국
Original assignee: 매그나칩 반도체 유한회사
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2008-11-10
Also published as: KR20030084345A

Abstract

본 발명은 수평 전하운송부를 제거하여 전하운송효율과 화질을 향상시킨 전하결합소자에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 복수개의 수광소자; 상기 복수개의 수광소자 사이에 형성되어 상기 복수개의 수광소자에서 생성된 전하를 수직방향으로 운송하는 복수개의 수직 전하운송부; 및 상기 복수개의 수직 전하운송부의 최종단에 구비되어 전하를 검출하는 검출부를 포함하여 이루어진다.

전하결합소자, 수평 전하운송부, HCCD, 수평 전하운송효율

Description

수평 전하운송부를 제거한 전하결합소자{Charge Coupled Device with no Horizontal Charge Coupled Device}

도1은 종래기술에 따른 전하결합소자를 보인 도면,

도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 전하결합소자를 보인 도면,

도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 전하결합소자에서 수직전하운송부와 검출부를 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

21 : 수직 전하운송부

22 : 오프셋 게이트

23 : 플로팅디퓨전

24 : 리셋드레인

25 : 리셋게이트

26 : 플로팅게이트

27 : 센싱부

201 : 수광소자

202 : 수직 전하운송부

203, 204, 205 : 검출부

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 특히 전하결합소자(Charge Coupled Device : CCD)에서 수평 전하운송부를 제거하여 수평 전하운송효율을 증대시킴과 동시에, 종래의 수평 전하운송부에서 사용되던 클럭(clock) 스피드로 인한 문제점을 해결한 전하결합소자에 관한 것이다.

일반적으로, 이미지센서라 함은 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체소자로서, 전하결합소자(CCD : charge coupled device)는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 캐패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 캐패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 시모스 이미지센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼의 MOS트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.

전하결합소자는 개인 컴퓨터의 카메라나 디지털 카메라에 사용되고 있는데, 전하결합소자는 포텐셜 웰 (Potential Well)을 주로 사용하여 전하를 운송하며 또한 전류의 흐름보다는 전압의 분포를 더 중요시 한다는 점이 다른 이미지 센서 소 자와 다르다.

즉, 전하결합소자는 마이크로렌즈와 칼라필터를 거처 수광소자(예를 들면, 포토다이오드)로 입사한 빛에 의해 생성된 광전하를 전위의 변동을 이용하여 특정 방향으로 전송하여 이미지재현에 사용한다.

도1은 종래의 전하결합소자의 모습을 보인 도면으로, 전하결합소자는 빛을 받아 들여 전하를 생성하는 복수개의 수광소자(11)와, 복수개의 수광소자 사이에 구성되어 상기의 수광소자에서 생성된 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하전송부(Vertical Charge Coupled Device : VCCD)(12)와, 상기 수직 전하전송부에 의해 수직방향으로 전송된 전하를 다시 수평방향으로 전송하는 수평 전하전송 부(Horizontal Charge Coupled Device : HCCD)(13)와, 그리고 상기 수평 전송된 전하를 센싱하고 증폭하여 주변 회로로 출력하는 검출부(14)로 크게 구성된다.

이와 같이 구성된 종래의 전하결합소자에서는 수평 전하운송효율(Horizontal Charge Transfer Efficient : HCTE)이 화질을 좌우하는 중요한 요소중의 하나였다.

도1에 도시된 바와 같이, 수평 전하운송부(13)는 복수개의 수직 전하운송부(12)로부터 전하를 전달받아, 이를 차례로 검출부(14)로 이송하는 동작을 수행하여야 했기 때문에, 빠른 클록주파수를 필요로 하였으며 이러한 고주파 클록신호는 검출부(14)에 구비된 증폭기의 대역폭을 제한하는 문제점을 발생시켰다.

또한, 수평 전하운송효율이 감소하게 되면 이미지가 퍼져보이는 등의 성능저하를 초래하였다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수평 전하운송부를 제거함으로써 수평 전하운송효율을 증대시킴과 동시에, 종래의 수평 전하운송부에서 사용되던 클럭(clock) 스피드로 인한 문제점을 해결한 전하결합소자를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 빛을 받아들여 전하를 생성하는 복수개의 수광소자와, 상기 복수개의 수광소자에서 생성된 전하를 수직방향으로 운송하는 수직 전하운송부와, 상기 수직 전하운송부를 통해 이동되어진 전하를 트랜스퍼시키는 오프셋 게이트와, 상기 오프셋 게이트를 통해 전송되어진 전하량을 센싱하는 플로팅디퓨전과, 상기 플로팅디퓨전의 일측면에 구성되어 센싱이 끝난 전하를 리셋시키는 리셋드레인과, 상기 플로팅디퓨전과 상기 리셋드레인 사이에 구성되어 센싱이 끝난 전하를 상기 리셋드레인으로 이동시키는 리셋게이트와, 상기 플로팅디퓨전에 콘택되어 상기 플로팅디퓨전으로부터 전하를 검출하는 센싱단을 포함하는 전하결합소자를 제공한다.

본 발명은 CCD의 구조에 관한 것으로, 기존의 HCCD부를 제거하고 각각의 컬럼에 검출부를 구비하여 종래의 HCCD부의 이송효율저하와 같은 문제점을 해결한 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 전하결합소자를 도시한 도면으로 빛을 받아들여 전하를 생성하는 복수개의 수광소자(201)와, 상기 수광소자들 사이에 형성되어 수광소자에서 생성된 전하를 수직방향으로 운송하는 복수개의 수직 전하운송부(202)와, 각각의 수직 전하운송부의 최종단에 구비되어 수직전송된 전하를 센싱하고 증폭하여 주변회로로 출력하는 검출부(203, 204, 205)를 포함하여 구성된다.

종래에는 복수개의 수광소자로 구성된 화소어레이에서 한 로우(row)에 존재하는 모든 수광소자에서 생성된 전하가 수평전하운송부로 이송된 뒤에, 수평전하운송부의 최종단에 구비된 하나의 검출부를 통하여 신호전하를 차례로 검출하여야 했다. 그리고 이 신호전하가 ISP(Image Signal Processing) 칩에 의해 처리되어 이미지재현에 사용되었다.

따라서, 종래에는 HCCD를 구동하기 위해서는 하이 클럭(High Clock)이 필요하였으며 이는 전술한 바와 같이 검출부에 구비된 증폭기의 대역폭을 제한하거나 또는 수평전하운송부 자체에서 수평전하운송 효율을 감소시키는 많은 요인이 존재하였다.

본 발명의 일실시예에서는 수평 전하운송부(HCCD)를 제거하고 직접 수직 전하운송부(VCCD)로부터 신호전하를 검출하여 이미지 재현에 사용하였기 때문에 수평전하운송효율이 저하되는 문제를 원천적으로 해결하였으며 하이클럭신호를 필요치 않으므로 대역폭제한에 따른 문제도 동시에 해결하였다.

도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 전하결합소자에서 수직 전하운송부와 수직전하운송부의 최종단에 구비된 검출부의 모습을 도시한 도면으로 먼저, 수광소자(도시되지 않음)에서 생성되어진 전하를 수직 방향으로 전송하는 VCCD(21)와, 상기 VCCD(21)의 최종단에 수직한 방향으로 가로질러 구성되어 VCCD의 최종단으로 이동되어진 전하를 트랜스퍼시키는 오프셋 게이트(OG)(22)와, 상기 VCCD의 최종단에 구성되어 상기 오프셋 게이트를 통해 전송되어진 전하량을 센싱하는 플로팅디퓨전(FD)(23)과, 상기 플로팅디퓨전(FD)의 일측면에 구성되어 센싱이 끝난 전하를 리셋시키는 리셋드레인(RD)(24)과, 상기 플로팅디퓨전(FD)과 리셋드레인(RD) 사이에 상기 오프셋게이트(22)와 수평한 방향으로 구성되어 센싱이 끝난 전하를 상기 리셋드레인(RD)으로 이동시키는 리셋게이트(RG)(25)와, 상기 플로팅디퓨전(FD)에 콘택되고 상기 오프셋게이트(22)와 상기 리셋게이트(25) 사이에 형성되는 플로팅게이트(26)와, 상기 플로팅게이트에 연결되어 전하를 센싱/증폭하는 트랜지스터(TR)들로 구성되어진 센싱단(27)을 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 검출부의 동작을 설명하면, 먼저 수직 전하전송운송부(VCCD)에서 넘어온 전하는 플로팅디퓨전(23)에 모이게 된다. 플로팅디퓨젼(23)에 모인 전하는 센싱단(27)에 의하여 그 양이 검출된 다음, 리셋게이트(25)에 의해 리셋드레인(24)으로 전하가 이송되어 리셋된다.

그런 다음에 센싱단(27)에서 다른 신호전하를 또 검출하고 리셋드레인 부(24)으로 검출이 끝난 전하를 리셋시키는 과정을 반복하며, 이와 같이 검출된 신호 전하는 ISP(Image signal Process) 칩에 의해서 처리되어 이미지를 재현하는 것이다.

종래에는 하나의 검출부(수평전하운송부의 최종단에 구비)가 존재하였으나, 발명의 일실시예에서는 수직전하운송부의 갯수만큼의 검출부가 존재하게 된다. 검출부에는 전하를 센싱증폭하는 증폭기가 구비되어 있는데, 복수개의 증폭기 각각의 오프셋 값이 달라서 동일한 동작을 보장할 수 없는 문제가 발생할 수 있으나, 이는 상호관련이중샘플링 기법을 적용하면 극복되어 질 수 있다.

상호관련이중샘플링 (Correlated Double Sampling : CDS) 기법이란, 먼저 잡음으로 인한 전압을 측정한 다음, 잡음성분과 이미지정보가 합쳐진 전압을 측정하여 여기서 잡음으로 인한 전압을 빼서 정확한 이미지 정보를 얻는 기법을 말하며, 이미지센서에서 통상적으로 적용되고 있는 기술이다.

또한 본 발명의 일실시예에 따르면 검출부의 수가 증가하여 면적증가가 발생할 수도 있지만, 종래에 사용되던 수평전하운송부(HCCD)의 위드(Width)가 50㎛ 정도로 상당히 컸기 때문에, 그 공간에 충분히 검출부를 구현하여 면적증가를 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명이 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명의 적용하면 수평 전하운송효율의 저하를 방지할 수 있으며 또한, 하 이클럭으로 인한 대역폭 제한에 따른 문제점을 근본적으로 이미지센서의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

빛을 받아들여 전하를 생성하는 복수개의 수광소자;

상기 복수개의 수광소자에서 생성된 전하를 수직방향으로 운송하는 수직 전하운송부; 및

상기 복수개의 수직 전하운송부의 최종단에 각각 구비되어 상기 수직 전하운송부로부터 전하를 검출하는 복수개의 검출부를 포함하되

상기 검출부는,

상기 수직 전하운송부를 통해 이동되어진 전하를 트랜스퍼시키는 오프셋 게이트;

상기 오프셋 게이트를 통해 전송되어진 전하량을 센싱하는 플로팅디퓨전;

상기 플로팅디퓨전의 일측면에 구성되어 센싱이 끝난 전하를 리셋시키는 리셋드레인;

상기 플로팅디퓨전과 상기 리셋드레인 사이에 구성되어 센싱이 끝난 전하를 상기 리셋드레인으로 이동시키는 리셋게이트; 및

상기 플로팅디퓨전에 콘택되어 상기 플로팅디퓨전으로부터 전하를 검출하는 센싱단

을 포함하는 전하결합소자.
제1항에 있어서,

상기 수광소자는 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 전하결합소자.