KR101017696B1 - 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 넓은 동작 범위(wide dynamic range)를 가질 수 있는 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법에 관한 발명이다.
본 발명은 반도체 기판에 형성된 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서-상기 화소 어레이는 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 출력하는 화소를 구비하며, 상기 화소는 적색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제1 포토다이오드, 녹색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제2 포토다이오드, 청색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제3 포토다이오드, 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드의 아래에 위치하며, 상기 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광에 대응하는 전하를 축적하는 제4 포토다이오드를 구비하며, 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들은 상기 제1 내지 제4 포토다이오드들에 축적된 전하들에 각각 대응함-; 및 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호를 구하는 이미지 신호 처리부를 구비하는 이미지 감지 장치를 제공한다.

Description

이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법{image sensing apparatus and method for processing image signal}
도 1은 종래기술에 의한 이미지 센서에 포함된 화소 회로의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 이미지 감지 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 이미지 감지 장치에 채용된 제1 내지 제4 포토다이오드들(이하 광 감지 소자라 함)의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 광 감지 소자의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 광 감지 소자의 측정된 스펙트럼 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호(Y1), 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2) 및 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호의 일례(0.5×Y1 + 0.5×Y2)를 나타내는 그래프이다.
도 7의 (a) 내지 (c)에는 각각 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호(Y1), 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2), 및 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호(b1×Y1 + b2×Y2, b1과 b2는 양의 상수)를 이용한 이미지들이 표현되어 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 의한 이미지 신호 처리 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 의한 이미지 신호 처리 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명은 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 넓은 동작 범위(wide dynamic range)를 가질 수 있는 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법에 관한 발명이다.
근래에 들어서, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 이들의 기능을 포함하는 휴대폰 등이 널리 보급됨에 따라, 이미지 센서가 급속히 발전하고 있다. 이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 크게 CCD(charge coupled device, 전하 결합 소자)형 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체)형 이미지 센서로 나눌 수 있다. 이들 중 CCD형 이미지 센서는 CMOS 회로와의 단일 칩화가 용이하지 아니하고, 소비 전력이 높다는 문제점이 있다. 이에 반하여, CMOS형 이미지 센서는 CMOS 회로와 단일 칩화가 용이하며, 소비 전력이 낮고, 일반적인 CMOS 공정을 사용하여 제조할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 최근에는 CMOS 이미지 센서에 대한 개발이 집중되고 있다.
도 1은 종래기술에 의한 이미지 센서에 포함된 화소 회로의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 빛의 세기(lux)가 소정 값 이하인 경우에는 빛의 세기가 증가함에 따라 출력도 변경된다. 이와 같이 빛의 세기가 증가함에 따라 출력이 변경되는 영역을 동작 범위라 한다.
빛의 세기가 소정 값 이상인 경우에는 빛의 세기가 증가하여도 출력이 변경되지 아니한다. 이와 같이 빛의 세기가 증가하여도 출력이 증가하지 아니하는 이유는 일반적으로 오버플로우(overflow)의 발생 때문이다. 오버플로우란 화소 회로에 포함된 포토다이오드에 소정 전하 이상이 충전되면, 포토다이오드의 전하가 플로팅 확산 영역으로 이동하는 현상을 의미한다. 오버플로우로 인하여 포토다이오드에는 상기 소정 전하만이 충전되며, 화소 회로의 출력 및 이에 대응하는 휘도는 최대 상기 소정 전하에 대응하는 출력으로 제한된다.
이와 같이 화소 회로는 오버플로우에 의하여 동작 범위가 제한되어, 동작 범위를 넘는 세기의 빛이 입력되는 경우에 측정을 하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점들을 해결하 기 위한 것으로서, 감도를 크게 희생하기 아니하면서도 동작 범위를 넓힐 수 있는 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 평균 휘도에 따라 신호 처리를 다르게 함으로써, 평균 휘도에 적합한 이미지를 제공할 수 있는 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 반도체 기판에 형성된 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서-상기 화소 어레이는 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 출력하는 화소를 구비하며, 상기 화소는 적색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제1 포토다이오드, 녹색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제2 포토다이오드, 청색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제3 포토다이오드, 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드의 아래에 위치하며, 상기 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광에 대응하는 전하를 축적하는 제4 포토다이오드를 구비하며, 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들은 상기 제1 내지 제4 포토다이오드들에 축적된 전하들에 각각 대응함-; 및 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호를 구하는 이미지 신호 처리부를 구비하는 이미지 감지 장치를 제공한다.
본 발명의 제2 측면은 반도체 기판에 형성된 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서-상기 화소 어레이는 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 출력하 는 화소를 구비하며, 상기 화소는 적색 광에 대응하는 전하는 축적하는 제1 포토다이오드, 녹색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제2 포토다이오드, 청색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제3 포토다이오드, 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드의 아래에 위치하며, 상기 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광에 대응하는 전하를 축적하는 제4 포토다이오드를 구비하며, 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들은 상기 제1 내지 제4 포토다이오드들에 축적된 전하들에 각각 대응함-; 및 상기 화소 어레이에 포함된 일부 또는 전체 화소들의 평균 휘도에 따라, 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호를 출력하거나, 상기 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 제2 휘도 신호를 출력하는 이미지 신호 처리부를 구비하는 이미지 감지 장치를 제공한다.
본 발명의 제3 측면은 (a) 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 구비한 이미지 신호-상기 적색 신호는 적색 광을 입력받는 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 녹색 신호는 녹색 광을 입력받는 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 청색 신호는 청색 광을 입력받는 제3 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 추가 신호는 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광을 입력받는 제4 포토다이오드에 축적된 전하에 대응함-를 전달받는 단계; 및 (b) 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호를 구하는 단계를 구비하는 이미지 신호 처리 방법를 제공한다.
본 발명의 제4 측면은 (a) 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 구비한 이미지 신호-상기 적색 신호는 적색 광을 입력받는 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 녹색 신호는 녹색 광을 입력받는 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 청색 신호는 청색 광을 입력받는 제3 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 추가 신호는 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광을 입력받는 제4 포토다이오드에 축적된 전하에 대응함-를 화소 어레이로부터 전달받는 단계; 및 (b) 상기 화소 어레이에 포함된 일부 또는 전체 화소들의 평균 휘도에 따라, 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호를 출력하거나, 상기 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 제2 휘도 신호를 출력하는 단계를 구비하는 이미지 신호 처리 방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 이미지 감지 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면 이미지 감지 장치는 컬러 필터 어레이(100), 이미지 센서(200) 및 이미지 신호 처리부(300)를 구비한다.
컬러 필터 어레이(100)는 단위 컬러 필터(color filter unit; 110)의 어레이로 구성된다. 단위 컬러 필터(110)는 적색 통과 필터(red-pass filter; 120), 녹색 통과 필터(green-pass filter; 130) 및 청색 통과 필터(blue-pass filter; 140)를 구비한다. 적색 통과 필터(120), 녹색 통과 필터(130) 및 청색 통과 필터(140) 중 적어도 어느 하나는 적외선도 통과시킬 수도 있다. 많은 경우 컬러 필터 어레이(100)는 온칩(on-chip) 컬러 필터 어레이 형태로 제작된다. 즉, 컬러 필터 어레이(100)가 이미지 센서(200)와 함께 하나의 칩에 구현된다.
이미지 센서(200)는 컬러 필터 어레이(100)를 통하여 입사되는 광에 대응하는 이미지 신호를 이미지 신호 처리부(300)에 제공한다. 이미지 센서(200)에서 출력되는 이미지 신호는 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호뿐만 아니라 추가 신호도 포함한다. 이미지 센서(200)는 화소 어레이(210), 쉬프트 레지스터(220), 샘플 및 홀더(230), 이득 조정부(240) 및 아날로그 디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC; 250)를 구비할 수 있다. 화소 어레이(210)는 쉬프트 레지스터(220)에서 출력되는 제어 신호에 의하여 선택된 화소(211)들의 아날로그 이미지 신호를 샘플 및 홀더(230)에 제공한다. 아날로그 이미지 신호는 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호를 구비한다. 도면에는 화소(211)들이 2차원적으로 배열된 화소 어레이(210)가 표현되어 있으나, 화소(211)들이 1차원적으로 배열된 화소 어레이(일례로 라인 센서용 화소 어레이가 있음)도 본 발명의 범주에 포함된다. 화소(211)는 제1 포토다이오드(미도시), 제2 포토다이오드(미도시), 제3 포토다이오드(미도시), 제4 포토다이오드(미도시) 및 화소 회로(미도시)를 구비한다. 화소 회로는 쉬프트 레지스터(220)에서 출력되는 제어 신호에 따라 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 적색 신호, 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 녹색 신호, 제3 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 청색 신호, 제4 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하는 추가 신호를 샘플 및 홀더(230)에 제공한다. 쉬프트 레지스터(220)는 화소 어레이(210)의 동작에 필요한 제어 신호를 화소 어레이(210)에 제공한다. 샘플 및 홀더(230)는 아날로그 이미지 신호를 화소 어레이(210)로부터 병렬로 전달받아, 이득 조정부(240)로 직렬로 전달한다. 이득 조정부(240)는 샘플 및 홀더(230)로부터 전달된 아날로그 이미지 신호의 이득을 조절한다. ADC(250)은 이득 조정부(240)에서 전달된 아날로그 이미지 신호를 디지털 변환하여 얻은 디지털 이미지 신호를 이미지 신호 처리부(300)에 전달한다.
이미지 신호 처리부(300)는 적색 신호(R), 녹색 신호(G), 청색 신호(B) 및 추가 신호(A)를 포함하는 디지털 이미지 신호를 입력받아, 휘도 신호(Y)와 색차 신호들(color difference signals)을 구하는 휘도/색차 연산(310)을 수행한다. 색차 신호들은 일례로 청색 크로마(blue chroma, Cb) 및 적색 크로마(red chroma, Cr)일 수 있다. 이미지 신호 처리부(300)는 이외에도 다양한 기능 그 예로 감마 보정(gamma correction; 320) 및 자동 백색 균형(auto white balance; 330) 등을 수행할 수 있다.
휘도/색차 연산(310)은 아래의 수학식 1과 같은 매트릭스 형태로 표현될 수도 있다.
Figure 112008083918214-pat00001
상기 수학식 1에서 R, G, B 및 A는 각각 디지털 이미지 신호에 포함된 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 의미하고, Y, Cb 및 Cr은 각각 휘도/색차 연산에 의하여 얻어진 휘도 신호, 청색 크로마 신호 및 적색 크로마 신호를 의미하고, a11 내지 a34는 소정의 계수들이다.
적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들(R, G, B, A)에 대응하는 휘도 신호(Y)를 구하는 경우에는 a11 내지 a14는 0이 아니어야 하며, 적색, 녹색 및 청색 신호들(R, G, B)에 대응하는 휘도 신호(Y)를 구하는 경우에는 a11 내지 a13은 0이 아니며, a14는 0이어야 한다. 바람직하게, a21 내지 a23, 및 a31 내지 a33은 0이 아니고, a24 및 a34는 0이거나(청색 크로마 신호(Cb), 적색 크로마 신호(Cr)가 추가 신호(A)에 의하여 영향을 받지 아니함), 0이다(청색 크로마 신호(Cb), 적색 크로마 신호(Cr)가 추가 신호(A)에 의하여 영향을 받음).
도 3은 도 2의 이미지 감지 장치에 채용된 제1 내지 제4 포토다이오드들(이 하 광 감지 소자라 함)의 일례를 설명하기 위한 도면으로서, 도 3의 (a)는 광 감지 소자의 단면도를 나타내는 도면이고, 도 3의 (b)는 광 감지 소자의 평면도를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 광 감지 소자는 반도체 기판(212)과 반도체 기판(212)에 형성된 제1 내지 제5 도핑영역(213R, 213G, 213B, 213IR, 213IR')을 포함한다.
반도체 기판(212)은 P형 및 N형 중 어느 하나인 제1 도전형으로 도핑된 반도체 기판일 수 있다. 도면에는 P형 반도체 기판(212)이 표현되어 있다. 반도체 기판(212)은 바람직하게 실리콘 기판이다. 반도체 기판(212)은 도면과 같이 에피택셜 층(epitaxial layer)이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판(212A)과 원래의 반도체 기판(212A) 위에 성장된 에피택셜 층(212B)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 에피택셜 층(212B)은 원래의 반도체 기판(212A)와 같은 도전형이다. 원래의 반도체 기판(212A)과 에피택셜 층(212B)의 경계면은 제1 내지 제3 도핑 영역(213R, 213G, 213B)과 제4 도핑 영역(213IR) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 도면과 달리, 반도체 기판(212)은 에피택셜 층을 포함하지 아니할 수도 있다. 반도체 기판(212)이 에피택셜 층(212B)을 포함하는 경우는 에피택셜 층을 포함하지 아니하는 경우에 비하여, 제4 도핑 영역(213IR)을 보다 깊이 형성할 수 있다는 장점이 있다.
제1 도핑 영역(213R)은 반도체 기판(212)에 형성되며, 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 영역으로서, 적색 필터(120)를 통과하여 입사된 광을 감지한다. 도면에는 N형으로 도핑된 제1 도핑 영역(213R)이 표현되어 있다. 제1 포토 다이오드(214R)는 상호 접합된 제1 도핑 영역(213R) 및 반도체 기판(212)으로 구성 된다. 제1 포토다이오드(214R)에는 역방향 바이어스가 인가된다.
제2 도핑 영역(213G)은 반도체 기판(212)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역으로서, 녹색 필터(130)를 통과하여 입사된 광을 감지한다. 도면에는 N형으로 도핑된 제2 도핑 영역(213G)이 표현되어 있다. 제2 포토다이오드(214G)는 상호 접합된 제2 도핑 영역(213G) 및 반도체 기판(212)으로 구성된다. 제2 포토다이오드(214G)에는 역방향 바이어스가 인가된다.
제3 도핑 영역(213B)은 반도체 기판(212)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역으로서, 청색 필터(140)를 통과하여 입사된 광을 감지한다. 도면에는 N형으로 도핑된 제3 도핑 영역(213B)이 표현되어 있다. 제3 포토다이오드(214B)는 상호 접합된 제3 도핑 영역(213B) 및 반도체 기판(212)으로 구성된다. 제3 포토다이오드(214B)에는 역방향 바이어스가 인가된다.
제4 도핑 영역(213IR)은 반도체 기판(212)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역이다. 제4 도핑 영역(213IR)은 제1 내지 제3 도핑 영역(213R, 213G, 213B)들 중 적어도 어느 한 도핑 영역의 아래에 거리를 두고 떨어져 위치하며, 상기 적어도 어느 한 도핑 영역을 통과하여 입사된 광을 감지한다. 바람직하게 제4 도핑 영역(213IR)은 도면과 같이 제1 내지 제3 도핑 영역들(213R, 213G, 213B)의 아래에 위치한다. 제4 포토다이오드(214IR)는 상호 접합된 제4 도핑 영역(213IR) 및 반도체 기판(212)으로 구성된다. 제4 포토다이오드(214IR)에는 역방향 바이어스가 인가된다. 제4 포토다이오드(214IR)는 제1 내지 제3 포토다이오드(214R, 214G, 214B)들 중 적어도 하나의 포토다이오드의 아래에 위치하며, 상기 적어도 하나의 포토다이 오드를 통과하여 입사된 광에 대응하는 전하를 축적한다.
제5 도핑 영역(213IR')은 반도체 기판(212)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역이다. 제5 도핑 영역(213IR')은 제4 도핑 영역(213IR)과 전기적으로 접속되며, 제4 도핑 영역(213IR)에서 형성된 정공 또는 전자를 반도체 기판(212)의 표면에 전달하기 위하여 상기 제4 도핑 영역과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 형성된다.
도 4는 도 3의 광 감지 소자의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4에 표현된 제조 방법은 특히 반도체 기판(212)이 에피택셜 층이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판(212A)과 원래의 반도체 기판(212A) 위에 성장된 에피택셜 층(212B)으로 구성된 경우의 제조 방법이다. 도 4를 참조하면, 광 감지 소자의 제조 방법은 제4 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (a)), 에피택셜 층 성장 단계(도 4의 (b)), 제5 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (c)), 및 제1 내지 제3 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (d))를 포함한다.
제4 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (a))에서, 에피택셜 층이 성장되지 아니한 원래의 반도체 기판(212A)에 이온 주입(ion implantation) 방법으로 제4 도핑 영역(213A)을 형성한다. 원래의 반도체 기판(212A)은 실리콘 기판일 수 있으며, 제1 도전형으로 도핑되어 있다. 제4 도핑 영역(213A)은 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된다. 도면에는 제1 도전형이 P형이고, 제2 도전형이 N형인 일례가 표현되어 있다. 제4 도핑 영역(213A)을 형성하기 위하여, 먼저 반도체 기판(212A) 상 에 제4 도핑 영역(213A)이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한다. 그 후, N형의 도펀트(dopant)를 주입하여 제4 도핑 영역(213A)을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 이온 주입 마스크는 일례로 산화막일 수 있다. N형의 도펀트는 일례로 비소(Arsenic)일 수 있으며, 그 주입량(dose)은 1011 내지 1013/cm2일 수 있다. 또한, 이후에 형성될 에피택셜 층의 두께를 줄이기 위해서는 이온 주입 에너지는 높은 것이 바람직하며, 따라서, 100 KeV 이상의 높은 에너지로 수행되는 것이 바람직하다.
에피택셜 층 성장 단계(도 4의 (b))에서, 바람직하게 0.2 내지 0.4 마이크로 미터의 에피택셜 층(212B)을 성장시킨다. 에피택셜 층(212B)은 제1 도전형으로 도핑되며, 가급적 저온으로 형성되며, 그 농도는 원래의 반도체 기판(212A)의 농도와 유사한 것이 바람직하다.
제5 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (c))에서, 이온 주입 방법으로, 제2 도전형의 제5 도핑 영역(213A')을 형성한다. 이를 위하여, 먼저 반도체 기판(212) 상에 제5 도핑 영역(213A')이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한 다음, N형의 도펀트를 주입하여 제5 도핑 영역(213A')을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 제5 도핑 영역(213A')은 제4 도핑 영역(213A)과 전기적으로 접속되며, 제4 도핑 영역(213A)에서 형성된 정공 또는 전자를 반도체 기판(212)의 표면에 전달하기 위하여 상기 제4 도핑 영역(213A)과 상기 반도체 기판(212)의 표면 사이에 형성된다.
제1 내지 제3 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (d))에서, 이온 주입 방법으로 제2 도전형의 제1 내지 제3 도핑 영역들(213R, 213G, 213B)을 형성한다. 이를 위하여, 먼저 반도체 기판(212) 상에 제1 내지 제3 도핑 영역(213R, 213G, 213B)이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한 다음, N형의 도펀트를 주입하여 제1 내지 제3 도핑 영역들(213R, 213G, 213B)을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 제1 내지 제3 도핑 영역의 도핑 농도는 일례로 1012ions/cm3 정도일 수 있다. 제1 내지 제3 도핑 영역들(213R, 213G, 213B) 중 적어도 어느 하나는 제4 도핑 영역(213A)의 위에 형성되며, 바람직하게, 제1 내지 제4 도핑 영역들(213R, 213G, 213B)이 제4 도핑 영역(213A)의 위에 형성된다.
이와 같은 방법으로 공정을 진행하면, 도 3과 같은 구조가 형성된다. 도면에 표현된 제조 방법을 따르는 경우, 특히 제4 도핑 영역(213A)을 먼저 형성한 후 에피택셜 층(212B)을 형성하므로, 0.5 마이크로 미터 이상의 깊이를 원하는 제4 도핑 영역(213A)을 충분히 깊게 형성할 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 도 3의 광 감지 소자의 측정된 스펙트럼 특성을 나타내는 도면으로서 특히 적색, 녹색 및 청색 통과 필터들이 적외선도 통과시키는 경우의 예를 나타내는 도면이다. 도 5에서, x 축은 파장을 나타내며, y 축은 상대적인 양자 효율을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 제4 포토다이오드는 적외선뿐만 아니라 제1 내지 제3 포토 다이오드들을 통과하여 입사된 적색, 녹색 및 청색 광 또한 감지한다. 따라서, 제4 포토다이오드는 가시광선의 휘도 측정에 사용될 수 있다.
도 6은 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호(Y1), 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2) 및 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호의 일례(0.5×Y1 + 0.5×Y2)를 나타내는 그래프이다. 도 6의 x 축은 가시광선의 세기를 나타내며, y 축은 휘도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호(Y1)는 높은 감도를 가지나 좁은 동작 범위(0 내지 SAT1)를 가진다. 그리고, 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2)는 넓은 동작 범위(0 내지 SAT2)를 가지나, 낮은 감도를 가진다.
이에 반하여, 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호는 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2)와 동일한 동작 범위를 가짐과 동시에 빛은 세기가 약할 때에는 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2)보다 높은 감도를 가진다. 즉, 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호는 넓은 동작 범위를 가짐과 동시에, 감도가 중요한 낮은 빛의 세기에서는 비교적 높은 감도를 가진다.
도 7의 (a) 내지 (c)에는 각각 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호(Y1), 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2), 및 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호(b1×Y1 + b2×Y2, b1과 b2는 양의 상수)를 이용한 이미 지들이 표현되어 있다.
도 7의 (a)를 참조하면, 인형의 배경이 매우 밝아서 인형의 배경에 무엇이 위치하는지 식별될 수가 없다. 도 7의 (b)를 참조하면, 인형의 배경은 식별될 수 있으나, 낮은 감도로 인하여 인형의 모양이 식별되지 아니한다.
이들에 반하여, 도 7의 (c)를 참조하면, 인형도 모양도 비교적 정확히 식별될 수 있으며, 인형의 배경인 건물들도 식별될 수 있다. 이는 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호를 사용할 경우, 넓은 동작 범위를 가짐과 동시에, 감도가 중요한 낮은 빛의 세기에서는 비교적 높은 감도를 가지기 때문이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 의한 이미지 신호 처리 방법을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 먼저 적색, 녹색 및 청색 신호들(R, G, B)과 추가 신호(A)를 구한다(S11). 그 후, 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호를 구한다(S12).
S12 단계는 일례로 수학식 1에 표현된 방식과 동일하게 아래의 수학식 2와 같은 방식으로 수행될 수 있다.
Y = a11×R + a12×G + a13×B + a14×A
상기 수학식에서 a11 내지 a14는 소정의 양수이다. 또한, S12 단계는 다른 예로 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호(Y1) 및 추가 신호에 대응하는 휘도 신호(Y2, Y2는 일례로 추가 신호에 비례하는 값을 가질 수 있음)로부터 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호(Y)가 아래의 수학식 3과 같이 구해지는 방식으로 수행될 수 있다.
Y = b1×Y1 + b2×Y2
상기 수학식에서 b1과 b2는 양의 상수이다. 일례로 b1 및 b2 각각은 0보다 크고 1보다 작다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 의한 이미지 신호 처리 방법을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 적색, 녹색 및 청색 신호들(R, G, B)과 추가 신호(A)를 구한다(S21). 그리고, 화소 어레이에 포함된 일부 또는 전체 화소들의 평균 휘도를 구한다(S22). 그리고, 상기 평균 휘도에 따라 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호를 구하거나, 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호 를 구한다(S23).
S23 단계는 일례로 상기 평균 휘도가 소정 값보다 작으면 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호가 구해지고, 상기 평균 휘도가 소정 값보다 크면 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호가 구해지는 방식으로 수행될 수 있다.
S22 단계에서 상기 평균 휘도는 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호 또는 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호가 구해지는 현재 프레임의 휘도 신호 신호일 수도 있으며, 이전 프레임의 휘도 신호일 수도 있다. 상기 평균 휘도가 이전 프레임의 휘도 신호일 경우에는, 상기 S22 단계는 상기 S21 단계보다 먼저 수행될 수도 있다.
이미지 신호 처리 방법이 이와 같이 수행되면, 감도가 중요한 낮은 휘도의 경우에는 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호가 구해짐으로써 감도를 높일 수 있고, 동작 범위가 중요한 높은 휘도의 경우에는 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 휘도 신호가 구해짐으로써 동작 범위를 높일 수 있다.
본 발명에 의한 컬러 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법은 감도를 크게 희생하기 아니하면서도 동작 범위를 넓힐 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 이미지 감지 장치 및 이미지 신호 처리 방법은 평균 휘도에 따라 신호 처리를 다르게 함으로써, 평균 휘도에 적합한 이미지를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (14)

  1. 반도체 기판에 형성된 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서-상기 화소 어레이는 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 출력하는 화소를 구비하며, 상기 화소는 적색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제1 포토다이오드, 녹색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제2 포토다이오드, 청색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제3 포토다이오드, 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드의 아래에 위치하며, 상기 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광에 대응하는 전하를 축적하는 제4 포토다이오드를 구비하며, 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들은 상기 제1 내지 제4 포토다이오드들에 축적된 전하들에 각각 대응함-; 및
    상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호 및 색차 신호들을 구하는 이미지 신호 처리부를 구비하고,
    상기 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호를 제2 휘도 신호라 하고, 상기 추가 신호에 대응하는 휘도 신호를 제3 휘도 신호라 하며, b1 및 b2를 각각 미리 설정된 양수라 하면, 상기 이미지 신호 처리부는 상기 제2 휘도 신호에 상기 b1을 곱한 결과에, 상기 제3 휘도 신호에 상기 b2를 곱한 결과를 가산하여 상기 제1 휘도 신호를 구하는 이미지 감지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    컬러 필터 어레이-상기 컬러 어레이는 상기 적색 광을 상기 제1 포토다이오드에 제공하는 적색 통과 필터, 상기 녹색 광을 상기 제2 포토다이오드에 제공하는 녹색 통과 필터 및 상기 청색 광을 상기 제3 포토다이오드에 제공하는 청색 통과 필터를 구비하는 단위 컬러 필터를 포함함-를 더 구비하는 이미지 감지 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 b1 및 b2 각각은 0보다 크고 1보다 작은 이미지 감지 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 휘도 신호는 상기 적색, 녹색 및 청색 신호들로부터 구해질 수 있는 제2 휘도 신호보다 넓은 동작 범위를 가지는 이미지 감지 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 신호 처리부는 상기 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 2개의 색차 신호들을 더 구하는 이미지 감지 장치.
  7. 반도체 기판에 형성된 화소 어레이를 구비하는 이미지 센서-상기 화소 어레이는 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 출력하는 화소를 구비하며, 상기 화소는 적색 광에 대응하는 전하는 축적하는 제1 포토다이오드, 녹색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제2 포토다이오드, 청색 광에 대응하는 전하를 축적하는 제3 포토다이오드, 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드의 아래에 위치하며, 상기 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광에 대응하는 전하를 축적하는 제4 포토다이오드를 구비하며, 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들은 상기 제1 내지 제4 포토다이오드들에 축적된 전하들에 각각 대응함-; 및
    상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 색차 신호들을 출력하고, 상기 화소 어레이에 포함된 일부 또는 전체 화소들의 평균 휘도가 미리 설정된 휘도보다 작으면 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호를 출력하며, 상기 평균 휘도가 상기 미리 설정된 휘도보다 크면 상기 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 제2 휘도 신호를 출력하는 이미지 신호 처리부를 구비하는 이미지 감지 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    컬러 필터 어레이-상기 컬러 어레이는 상기 적색 광을 상기 제1 포토다이오드에 제공하는 적색 통과 필터, 상기 녹색 광을 상기 제2 포토다이오드에 제공하는 녹색 통과 필터 및 상기 청색 광을 상기 제3 포토다이오드에 제공하는 청색 통과 필터를 구비하는 단위 컬러 필터를 포함함-를 더 구비하는 이미지 감지 장치.
  9. 삭제
  10. (a) 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 구비한 이미지 신호-상기 적색 신호는 적색 광을 입력 받는 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 녹색 신호는 녹색 광을 입력 받는 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 청색 신호는 청색 광을 입력받는 제3 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 추가 신호는 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광을 입력받는 제4포토다이오드에 축적된 전하에 대응함-를 전달받는 단계; 및
    (b) 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호 및 색차 신호들을 구하는 단계를 구비하고,
    상기 (b) 단계는
    상기 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 휘도 신호를 제2 휘도 신호라 하고, 상기 추가 신호에 대응하는 휘도 신호를 제3 휘도 신호라 하며, b1 및 b2를 각각 미리 설정된 양수라 하면, 상기 이미지 신호 처리부는 상기 제2 휘도 신호에 상기 b1을 곱한 결과에, 상기 제3 휘도 신호에 상기 b2를 곱한 결과를 가산하여 상기 제1 휘도 신호를 구하는 이미지 신호처리 방법.
  11. 삭제
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 휘도 신호는 상기 적색, 녹색 및 청색 신호들로부터 구해질 수 있는 제2 휘도 신호보다 넓은 동작 범위를 가지는 이미지 신호 처리 방법.
  13. (a) 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호 및 추가 신호를 구비한 이미지 신호-상기 적색 신호는 적색 광을 입력받는 제1 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 녹색 신호는 녹색 광을 입력받는 제2 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 청색 신호는 청색 광을 입력받는 제3 포토다이오드에 축적된 전하에 대응하며, 상기 추가 신호는 상기 제1 내지 제3 포토다이오드들 중 적어도 하나의 포토다이오드를 통과한 광을 입력받는 제4 포토다이오드에 축적된 전하에 대응함-를 화소 어레이로부터 전달받는 단계; 및
    (b) 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 색차 신호들을 출력하는 단계; 및
    (c) 상기 화소 어레이에 포함된 일부 또는 전체 화소들의 평균 휘도가 미리 설정된 휘도보다 작으면 상기 적색, 녹색, 청색 및 추가 신호들에 대응하는 제1 휘도 신호를 출력하며, 상기 평균 휘도가 상기 미리 설정된 휘도보다 크면 상기 적색, 녹색 및 청색 신호들에 대응하는 제2 휘도 신호를 출력하는 단계를 구비하는 이미지 신호 처리 방법.
  14. 삭제
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