KR101305885B1 - 픽셀, 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지센서 및 그 구동방법 - Google Patents

픽셀, 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지센서 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기판에 형성된 광전 변환부의 제1 광전 변환 영역의 전하를 소거하고, 상기 제1 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하고, 상기 제1 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하고, 상기 광전 변환부의 일측에 형성된 제어 스위칭부를 구동하여 상기 광전 변환부의 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거하고, 상기 제2 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시, 상기 제2 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력한다. 또한, 상기 제1 광전 변환 영역 및 상기 제2 광전 변환 영역의 광 감지 범위를 기초로 상기 전하량 정보를 광 정보로서 산출하도록 하여 간단한 회로 구성으로 서로 다른 파장 영역의 빛을 독립적으로 검출할 수 있다.

Description

픽셀, 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지센서 및 그 구동방법{PIXEL, PIXEL ARRAY, IMAGE SENSOR INCLUDING THE SAME AND METHOD FOR OPERATING THE IMAGE SENSOR}
본 발명은 가시 영역과 비가시 영역을 독립적으로 식별할 수 있는 픽셀, 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지센서 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 특히, 포토 다이어드의 일 측에 전위 제어 스위칭부를 추가적으로 배치함으로써 비교적 간단한 방식으로 서로 다른 파장 범위의 빛을 구별하여 감지할 수 있는 픽셀 등에 관한 것이다.
기존에는 명확한 영상 처리를 위하여 가시광선 영역의 빛만을 감지하기 위하여 카메라 모듈에 적외선 파장 이상의 빛을 차단하기 위한 적외선 차단 필터(IR cut filter)가 이용되었다. 그 이유는 실리콘 기판을 이용하는 이미지 센서의 경우 가시광선 및 적외선 영역의 빛을 모두 흡수하여 혼합된 영상 신호를 처리하는 데 어려움이 따르기 때문이다.
그러나, 근래 디지털 캠코터 및 휴대폰이 대중화됨에 따라, 가시광선 영역 뿐만 아니라, 적외선 영역의 빛을 정확하게 감지하기 위한 기술도 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 컬러 이미지 센서 뿐만 아니라 적외선 이미지 센서를 장착한 이미징 장치도 증가하고 있다. 적외선을 감지하기 위한 기술에 대해 이하에서 간략히 설명한다.
첫째, 이미지 센서를 구성하는 포토 다이오드 상에 RGB 컬러 필터 주변에 적외선 영역만을 투과시키기 위한 레이어(layer)를 삽입하는 기술이 있다. 그러나, 적외선 만의 빛을 투과하기 위한 레이어를 삽입하는 기술은 실제 반도체 공정에 적용시키기에 무리가 있다.
둘째, 가시광선 및 적외선을 모두 하나의 센서에 주입시킨 후 혼합된 신호를 연산 처리함으로써 가시광선 및 적외선 영역의 영상 신호를 구별하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 혼합된 신호를 영상 처리하기 위한 별도의 연산 처리 모듈이 복잡하여 불편함이 있다. ,
본 발명은 간단한 방식으로 가시 광선 및 적외선을 구별하여 감지하고, 영상 신호로서 독립적으로 처리할 수 있는 픽셀, 픽셀 어레이 등을 제공하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀은, 기판에 형성되어 빛을 감지하는 광전 변환부; 상기 기판에 형성되고 상기 광전 변환부에서 변환된 전하를 저장하는 전하 저장부; 상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 일측에 배치되고 상기 광전 변환부로부터의 전하를 상기 전하 저장부로 전송하는 전송 스위칭부; 상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 타측에 배치되고 인가되는 동작 전압에 따라 상기 광전 변환부의 광 감지 범위를 제어하는 제어 스위칭부; 및 상기 전하 저장부에 저장된 전하의 전하량 정보를 출력하는 출력부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법은, 기판에 형성된 광전 변환부의 제1 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계; 상기 제1 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계; 상기 제1 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계; 상기 광전 변환부의 일측에 형성된 제어 스위칭부를 구동하여 상기 광전 변환부의 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계; 상기 제2 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계; 및 상기 제2 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 이미지 센서의 부피를 증대시키지 않으면서 간단한 방식으로 적외선 및 가시광선 영역과 같은 서로 다른 파장 범위의 빛을 독립적이고 정확하게 감지, 처리할 수 있도록 한다.
도 1은 빛의 파장에 따른 반도체 기판의 흡수율 및 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 회로로 구현한 블록 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 반도체 단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 위한 타이밍도를 나타낸다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에 대한 순서도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 회로로 구현한 블록 구성도를 나타낸다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 반도체 기판에서 파장에 따른 빛의 흡수 깊이 및 투과 깊이를 나타낸 그래프이다. 도 1에서 빛이 입사되는 반도체 기판은 이미지 센서의 기판으로 사용되는 실리콘일 수 있다. 도 1을 참조하면, 빛의 파장이 길수록 빛은 반도체 기판에 적게 흡수되므로, 반도체 기판의 표면으로부터 더 깊은 영역까지 투과할 수 있게 된다. 반면, 빛이 파장이 짧을수록 반도체 물질에 잘 흡수될 수 있어 투과깊이는 짧아지게 된다. 예컨대, 파장이 짧은 가시광선 또는 자외선은 기판의 표면 가까이에서 흡수되는 반면, 파장이 짧은 적외선은 표면으로부터 보다 깊은 곳에 흡수될 수 있다. 이러한 빛의 파장에 따른 기판의 흡수의 차이를 이용하여 기판과 도전형이 다른 도핑 영역을 기판에 형성하면 도핑 영역의 표면으로부터의 깊이에 따라 빛의 감지 범위가 달라질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이의 회로를 나타낸다. 도 2에서는 단위 픽셀 회로(10) 및 전원 전압(VDD)으로 구성된 픽셀 어레이(100)를 예시하고 있지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이는 복수개의 픽셀을 어레이로 갖는 회로로 구성될 수도 있다. 도 2에서는 단위 픽셀(10)만을 예로 들어 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 픽셀 어레이(100)는 기판에 형성되어 빛을 감지하는 광전 변환부(PD), 기판에 형성되고 광전 변환부(PD)의 일측에 배치되어 광전 변환부(PD)에서 변환된 전하를 저장하는 전하 저장부(FD), 기판 상에 광전 변환부(PD)의 일측에 배치되고 광전 변환부(PD)로부터의 전하를 전하 저장부(FD)로 전송하는 전송 스위칭부(TX) 및 기판 상에 광전 변환부(PD)의 타측에 배치되고 인가되는 동작 전압에 따라 광전 변환부(PD)의 광 감지 범위을 제어하는 제어 스위칭부(NIRCX)를 포함할 수 있다.
또한, 전하 저장부(FD)에 저장된 전하를 제거하는 리셋 스위칭부(RX) 및 전하 저장부(FD)에 저장된 전하의 전하량 정보를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다. 출력부는 도 2에서 예시되는 드라이브 스위칭부(DX), 선택 스위칭부(SX) 및 출력 전압 단자(Vout) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2에서 예시되는 스위칭부(TX, NIRCX, RX, DX, SX)는 CMOS 트랜지스터로 구성되고, 전하 저장부(FD, Floating Diffusion Region)는 커패시터로 구성될 수 있다. 또한, 픽셀 어레이(100)는 전원 전압(VDD)을 더 포함할 수 있고 복수의 픽셀 회로가 존재하는 경우 각 픽셀 회로는 전원 전압(VDD)을 공유할 수도 있다.
도 2에서 예시되는 실시예에서는 4T 이미지 센서에 기본적으로 포함되는 소자 이외에 제어 스위칭부(NIRCX)를 더 포함하도록 예시되어 있다. 이렇게 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀의 광전 변환부(PD)가 가시 영역(visible) 및 비가시 영역(NIR, Near Infrared) 모두를 포함하는 범위의 빛을 감지하거나 가시 영역 범위의 빛만을 감지하도록 제어될 수 있다.
광전 변환부(PD)는 빛을 수집하여 전하로 변환하여 집적하며, 포도다이오드(photodiode)로 구성될 수 있다. 광전 변환부(PD)에서 집적된 전하는 전송 스위칭부(TX)의 동작 전압 인가에 따라 전하 저장부(FD)로 전달될 수 있다. 광전 변환부(PD)는 제어 스위칭부(NIRCX)의 동작 전압 인가에 따라 감지되는 빛의 범위가 달라질 수 있다.
한편, 본 명세서에서 설명되는 광전 변환부(PD)의 광 감지 범위는 픽셀에 입사되는 빛이 광전 변환부(PD)에 흡수되어 전하로 변환되어 출력되는 경우, 출력되는 빛의 파장 범위를 의미할 수 있다.
예컨대, 광전 변환부(PD)에는 짧은 파장으로부터 긴 파장에 이르는 영역의 빛이 모두 입사되어 전하로 변환되더라도, 도 1에서 설명한 바와 같이 빛이 흡수되는 깊이는 파장마다 다르게 되고, 소정 깊이보다 깊은 곳에 생성된 전하는 전하 저장부(FD)로 전송되어 출력되지 아니할 수 있기 때문이다.
이 경우, 제어 스위칭부(NIRCX)에 동작 전압을 인가하는 경우 인가하지 아니한 경우보다 광전 변환부(PD)의 보다 깊은 곳에서 생성된 전하가 전하 저장부(FD)로 전송, 출력될 수 있다. 깊은 곳에서 생성된 전하는 긴 파장의 빛, 예컨대 NIR 영역의 빛을 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 제어 스위칭부(NIRCX)는 광전 변환부(PD)의 광 감지 범위를 제어할 수 있게 된다.
광전 변환부(PD)에 대한 보다 구체적인 설명은 도 3에서 후술한다.
제어 스위칭부(NIRCX)는 동작 전압의 인가에 따라 광전 변환부(PD)의 광 감지 범위를 제어하도록 동작할 수 있다. 제어 스위칭부(NIRCX)는 인가되는 동작 전압의 크기에 따라 온 모드(on mode) 또는 오프 모드(off mode)로 동작할 수 있다.구체적으로, 제어 스위칭부(NIRCX)에 전원 전압(VDD)에 의해 동작하는 전송 스위칭부(TX) 또는 리셋 스위칭부(RX)의 동작 전압보다 큰 전압이 인가되는 온 모드인 경우, 광전 변환부(PD)에 가시광선을 포함하여 적외선과 같은 긴 파장 대의 빛에 의한 전하도 전하 저장부(FD)에 전달될 수 있다.
반면, 제어 스위칭부(NIRCX)에 전송 스위칭부(TX)의 동작 전압보다 작거나 같은 전압, 예컨대, 0V가 인가되는 오프 모드인 경우, 광전 변환부(PD)에는 가시광선과 같은 짧은 파장 대의 빛에 의한 전하만이 전하 저장부(FD)에 전달되도록 동작할 수 있다.
한편, 제어 스위칭부(NIRCX)에 동작 전압을 인가하는 경우에는 광전 변환부(PD)에 생성된 전하는 제어 스위칭부(NIRCX)를 경유하여 전원 전압(VDD)으로 전달될 수도 있다(NIR 포토다이오드의 refresh).
전하 저장부(FD)는 일단이 전송 스위칭부(TX)에 연결되고 타단이 접지 전압에 연결된 커패시터로 구성될 수 있다. 또한, 전하 저장부(FD)는 리셋 스위칭부(RX)에 의하여 리셋될 수 있다.
리셋 스위칭부(RX)는 리셋 제어 신호가 게이트에 인가되는 경우 이에 응답하여 전하 저장부(FD)에 저장된 광전하를 제거하도록 동작할 수 있다.
드라이브 스위칭부(DX)는 선택 스위칭부(SX)의 동작에 응답하여 전하 저장부(FD)에 저장된 전하를 출력단자(Vout)로 전달할 수 있다. 드라이브 스위칭부(DX)는 소스팔로워(source follower)와 같은 증폭기로서 동작할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀어레이의 반도체 단면도를 나타낸다. 도 3(a) 및 3(b)을 참조하면, 픽셀 어레이(100)는 기판(15)에 광전 변환부(18), 제어 스위칭부(NIRCX), 전송 스위칭부(TX)가 형성되어 있고, 각 픽셀은 STI(Shallow Trench Isolation)에 의해 분리될 수 있다. 도 3(a)는 제어 스위칭부(NIRCX)가 오프 모드인 경우의 단면도를 나타내고, 도 3(b)는 제어 스위칭부(NIRCX)가 온 모드인 경우의 단면도를 나타낸다.
기판(15)은 제1 도전형 예컨대, p 타입으로 도핑된 실리콘으로 형성될 수 있다. 포토 다이오드(18)는 VIS 포토 다이오드(11) 및 NIR 포토 다이오드(13)를 포함할 수 있다. VIS 포토 다이오드(11)는 본 발명의 제1 광전 변환 영역일 수 있다. NIR 포토 다이오드(13)는 본 발명의 제2 광전 변환 영역일 수 있다. VIS 포토 다이오드(11)는 기판과 반대의 도전형인 n 타입으로 도핑된 도핑 영역 및 기판의 일부로 구성될 수 있다. 마찬가지로 NIR 포토 다이오드(13)는 VIS 포토 다이오드(11)와 동일하게 n 타입으로 도핑된 도핑 영역 및 기판의 일부로 구성될 수 있다. VIS 포토 다이오드(11) 및 NIR 포토 다이오드(13)는 광전 변환부(180)의 표면으로부터의 형성되는 깊이가 각각 다르고, 도 3(a)의 오프 모드인 경우에는 기판(15)을 사이에 두고 서로 거리를 두고 떨어져서 배치되어 있다. NIR 포토 다이오드(13)는 VIS 포토 다이오드(11)보다 표면으로부터 깊은 곳에 형성되어 있으므로, VIS 포토 다이오드보다 긴 파장 범위의 빛인 Near InfraRed 의 빛을 좀더 다량 흡수하여 전하로 변환할 수 있다. 반대로, VIS 포토 다이오드(13)는 NIR 포토 다이오드(11)보다 광전 변환부의 표면으로부터 얕은 곳에 형성되어 있으므로, 짧은 파장 범위의 빛인 가시 영역(Visual)의 빛을 다량 흡수하여 전하로 변환할 수 있다. 각 포토 다이오드(11, 13)이 감지하는 빛의 범위는 독립적으로 분리되지 않을 수 있다. 예컨대, 적외선 영역의 빛은 NIR 포토 다이오드(11) 뿐만 아니라 NIR 포토 다이오드(13))에도 일정량 흡수될 수도 있기 때문이다. 또한 가시광선 영역의 빛 중 소량이 NIR 포토 다이오드(13)에 흡수될 수도 있다.
즉, 광전 변환부(18)는 광 감지 범위와 관련하여 구별되는 VIS 포토 다이오드(11) 및 NIR 포토 다이오드(13)를 포함할 수 있다. VIS 포토 다이오드(11) 및 NIR 포토 다이오드(13)는 형성되는 깊이에 따라 빛의 감지 범위가 결정되기 때문이다.
한편, 도 3에는 도시되어 있지 않지만, 도핑 영역(11) 및 도핑 영역(13)의 사이의 기판에는 에피택셜 층(epitaxial layer)이 형성될 수 있다.
도 3(a)를 참조하면, 제어 스위칭부(NIRCX)가 오프 모드에서 전송 스위칭부(TX) 및 리셋 스위칭부(RX)에 동작 전압을 인가하여 이들을 리프레쉬(refresh)시키면 VIS 포토 다이오드(11)에 잔존하는 전하들은 전원 전압 또는 출력 단자로 빠져나가게된다. 이에 따라 VIS 포토 다이오드(11)에는 전하 공핍 영역이 형성되고 전하 공핍 영역의 경계면(17)은 도 3(a)에서와 같이 나타날 수 있다. 전하 공핍 영역은 전하 소거 영역의 경계면이므로 경계면(17)은 최대 전위면(maximum potential line)일 수 있다. 도 3(a)에서 나타내는 바와 같이, 제어 스위칭부(NIRCX)가 오프 모드인 경우에는 VIS 포토 다이오드(11)의 최대 전위면(17)은 기판을 사이에 두고 NIR 포토 다이오드(13) 영역 밖에 형성되어 있다. 리프레쉬 단계 후, NIR 포토 다이오드(13)에 광전하의 집적을 개시하더라도 생성된 광전하는 VIS 포토 다이오드(11)로 전달될 수 없고, NIR포토 다이오드(13)에 적외선 입사에 의한 광전하가 집적되더라도 픽셀의 출력 단자에는 출력되지 않는다.
도 4(b)를 참조하면, 제어 스위칭부(NIRCX)가 온 모드인 경우에서 전송 스위칭부(TX) 및 리셋 스위칭부(RX)에 동작 전압을 인가하여 리프레쉬(refresh)시키면, 최대 전위면(17)이 NIR 포토 다이오드(13) 영역까지 확장되어 형성될 수 있다. 또한, 최대 전위면(17)은 VIS 포토 다이오드(11)를 넘어서 제어 스위칭부(NIRCX)에까지 확장될 수 있다. 이에 따라 VIS 포토 다이오드 및 NIR 포토 다이오드에 집적된 전하가 제어 스위칭부를 경유하여 이에 연결된 전원 전압(VDD)로 전달될 수 있다. 즉, NIR 포토 다이오드(13)영역에 형성된 전하까지도 모두 소거할 수 있다.
다음에, 광전하의 집적 과정이 개시되면, 적외선 입사에 의해 NIR 포토 다이오드(13)에 생성된 광전하는 VIS 포토 다이오드(11)로 전달될 수 있고, NIR포토 다이오드(13)에 광전하가 집적되면 픽셀의 출력 단자에 출력될 수 있다. 따라서, 제어 스위칭부(NIRCX)가 온 모드인 경우에서 출력 단자에는 VIS 포토 다이오드에서의 짧은 파장 범위의 영역 뿐만 아니라 NIR 포토 다이오드에서의 긴 파장 범위의 빛도 모두 출력될 수 있다.
한편, 제어 스위칭부(NIRCX)에 인가되는 전압은 전원 전압(VDD)보다 크거나 작을 수 있다. 예컨대, 전원 전압이 2.8 V 내지 3.3V 인 경우에 제어 스위칭부(NIRCX)의 동작 전압은 3.5V 내지10V 로 설정될 수 있다. 제어 스위칭부(NIRCX)D에 전원 전압보다 큰 전압을 인가하여야 오프 모드인 경우에서 제한적이었던 전하 공핍 영역의 경계면(17)을 NIR 포토 다이오드(13)까지 확장할 수 있기 때문이다.
또한, 온 모드 시, 제어 스위칭부(NIRCX)에 인가되는 전압의 범위를 좀더 다양하게 조절함으로써 전하 공핍 영역의 깊이를 NIR 포토 다이오드(13) 까지, 또는 그보다 더 깊은 곳까지 형성되도록 할 수 있다.
즉, 제어 스위칭부(NIRCX)가 오프 모드인 경우에서 감지되는 빛의 범위는 VIS 포토 다이오드(11)에서 집적된 제1 파장 범위일 수 있고, 제어 스위칭부(NIRCX)가 온 모드인 경우에 감지되는 빛의 범위는 VIS 포토 다이오드(11) 및 NIR 포토 다이오드(13) 모두에서 집적된 제2 파장 범위일 수 있다. 즉, 제2 파장 범위는 제1 파장 범위를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법을 위한 타이밍도를 나타낸다. 도 4에서는 제어 스위칭부(NIRCX)가 오프 모드인 경우인 처음 주기(T)에 제1 파장 범위의 빛을 감지하고 있고, 제어 스위칭부(NIRCX)가 온 모드인 두번째 주기(T)에 제2 파장 범위의 빛을 감지하고 있다.
먼저, 제어 스위칭부(NIRCX)가 오프 모드에서, 리셋 스위칭부(RX) 및 전송 스위칭부(TX)를 턴온시켜 VIS 포토 다이오드를 리프레쉬시킨다. 리셋 스위칭부(RX) 및 전송 스위칭부(TX)가 모두 턴오프되는 시점(t0)에 VIS 포토 다이오드의 광전하 집적이 개시될 수 있다. 이후, 리셋 스위칭부(RX)를 턴 온시켜 리셋 시그널을 리드아웃하고, 시간(t1)에 전송 스위칭부(TX)를 동작시켜 제1 파장 범위의 시그널을 읽을 수 있다. 시간(t0) 내지 시간(t1) 동안 VIS 포토 다이오드에서만 전하가 집적되고 있다.
다음에, 제어 스위칭부(NIRCX)가 온 모드에서, 리셋 스위칭부(RX), 전송 스위칭부(TX) 및 제어 스위칭부(NIRCX)를 모두 턴온시켜 VIS 포토 다이오드 뿐만 아니라 NIR 포토 다이오드까지 리프레쉬시킨다. 리셋 스위칭부(RX), 전송 스위칭부(TX) 및 제어 스위칭부(NIRCX)가 모두 턴오프되는 시점(t2)에 VIS 포토 다이오드 및 NIR 포토 다이오드에서의 광전하 집적이 개시될 수 있다. 이후, 리셋 스위칭부(RX)를 턴 온시켜 리셋 시그널을 리드아웃하고, 시간(t3)에 전송 스위칭부(TX)를 동작시켜 제2 파장 범위의 시그널을 읽을 수 있다. 시간(t2) 내지 시간(t3) 동안 VIS 포토 다이오드 및 NIR 포토다이오드에서 전하가 집적되고 있다.
도 4에서 나타내는 바와 같이 픽셀의 일 주기에서는 짧은 파장 범위의 빛을 읽고, 다음 주기에서는 짧은 파장 범위 및 긴 파장 범위 모두를 읽어 이들을 적당한 연산에 의해 긴 파장 범위 및 짧은 파장 범위의 빛을 각각 구별하여 감지할 수 있다. 도 4에서는 한 주기(T)씩 번갈아가서 제어 스위칭부(NIRCX)를 구동시켜 파장 범위를 교대로 읽고 있지만, 1/2 주기 동안에 제어 스위칭부(NIRCX)를 온 모드 또는 오프 모드로 모두 동작시켜 빛을 감지할 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구동 방법에 대한 순서도를 나타낸다. 도 5에서 예시되는 제1 광전 변환 영역은 VIS 포토 다이오드일 수 있고, 제2 광전 변환 영역은 NIR 포토 다이오드일 수 있다.
단계(S11)에서, 제1 광전 변환 영역의 전하를 소거한다. 제1 광전 변환 영역의 전하 소거는 제어 스위칭부(NIRCX)가 오프 모드인 경우에, 리셋 스위칭부(RX) 및 전송 스위칭부(TX)를 동작시켜 행해질 수 있다.
단계(S12)에서, 제1 광전 변환 영역의 전하 집적 과정을 개시한다. 리셋 스위칭부(RX) 및 전송 스위칭부(TX)를 턴온시켰다가 이들이 모두 턴 오프되는 시점으로부터 전하 집적 과정이 개시될 수 있다.
단계(S13)에서, 제1 광전 변환 영역의 전하량 정보를 출력한다. 제1 광전 변환 영역의 광전하 집적이 개시된 이후 전송 스위칭부(TX)를 동작시키는 경우에 전하량 정보가 출력될 수 있다.
단계(S14)에서, 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거한다. 이 경우 제1 광전 변환 영역의 전하도 함께 소거될 수 있다. 제2 광전 변환 영역의 전하 소거는 제어 스위칭부(NIRCX)가 온 모드인 경우에, 리셋 스위칭부(RX) 및 전송 스위칭부(TX)를 동작시켜 행해질 수 있다.
단계(S15)에서, 제2 광전 변환 영역의 전하 집적 과정을 개시한다. 제어 스위칭부(NIRCX)를 온 모드로 하여, 리셋 스위칭부(RX), 전송 스위칭부(TX)를 턴온시켰다가 이들 셋이 모두 턴 오프되는 시점으로부터 전하 집적 과정이 개시될 수 있다. 이 경우 제1 광전 변환 영역의 전하도 집적될 수 있다.
단계(S16)에서, 제2 광전 변환 영역의 전하량 정보를 출력한다. 제2 광전 변환 영역의 광전하 집적이 개시된 이후 전송 스위칭부(TX)를 동작시키는 경우에 전하량 정보가 출력될 수 있다. 이 때 제1 광전 변환 영역의 전하량 정보도 함께 출력될 수 있다.
단계(S17)에서, 단계(S13) 및 단계(S16)에서 획득한 전하량 정보를 제1 광전 변환 영역 및 제2 광전 변환 영역의 광 감지 범위를 기초로 연산하여 광 정보를 산출한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 어레이를 회로로 구현한 블록 구성도를 나타낸다. 픽셀 어레이(200)는 제1 광전 변환부(PD1), 제어 스위칭부(NIRCX), 제1 전송 스위칭부(TX1), 제어 스위칭부(NIRCX)를 포함하지 아니한 VIS-ONLY-회로(21), 리셋 스위칭부(RX), 전하 저장부(FD), 출력부(DX, SX, Vout)를 포함할 수 있다.
도 6에서 예시되는 픽셀 어레이(200)는 VIS-ONLY-회로(21)를 더 포함한 점을 제외하고는 도 2의 그것과 동일하다.
VIS-ONLY-회로(21)는 제2 광전 변환부(PD2) 및 제2 전송 스위칭부(TX2)를 포함하고, 본 발명의 제1 파장 범위의 빛, 예컨대 가시광선 영역의 빛만을 감지, 전송할 수 있다. 이 경우 VIS-ONLY-회로(21)는 제1 파장 범위의 빛만을 검출하고, 제어 스위칭부(NIRCX)가 배치된 제1 광전 변환부(PD1)는 제2 파장 범위의 빛만을 검출하도록 동작할 수 있다. 제1 및 제3 광전 변환부(PD1, PD2)의 빛의 검출은 타이밍이 각각 구별되어 행해질 수 있다. 이로써, 하나의 광전 변환부를 가지고 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위를 모두 검출하였던 도 2에서와는 달리 두개의 광전 변환부에 의해 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위를 독립적으로 검출할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의해서는 가시광선 영역과 적외선 영역을 명확하게 처리할 수 있는 픽셀, 픽셀 어레이, 이를 포함하는 이미지센서 및 그 구동방법을 제공할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 기판에 형성되어 빛을 감지하는 광전 변환부;
    상기 기판에 형성되고 상기 광전 변환부에서 변환된 전하를 저장하는 전하 저장부;
    상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 일측에 배치되고 상기 광전 변환부로부터의 전하를 상기 전하 저장부로 전송하는 전송 스위칭부;
    상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 타측에 배치되고 인가되는 동작 전압에 따라 상기 광전 변환부의 전하 공핍 영역의 깊이를 조절하여 광 감지 범위를 제어하는 제어 스위칭부; 및
    상기 전하 저장부에 저장된 전하의 전하량 정보를 출력하는 출력부를 포함하는 픽셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 범위에 기초하여 상기 출력부로부터의 전하량 정보를 광 정보로서 산출하는 연산부를 더 포함하는 픽셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 범위는 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제1 파장 범위는 가시광선 영역을 포함하고, 상기 제2 파장 범위는 가시광선 영역 및 적외선 영역을 포함하는 픽셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환부는 동일한 도전형으로 도핑되고 상기 광 감지 범위와 관련하여 구별되는 제1 광전 변환 영역 및 제2 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 제2 광전 변환 영역은 상기 제1 광전 변환 영역보다 상기 광전 변환부의 표면으로부터 깊은 곳에 배치되고 상기 제1 광전 변환 영역보다 긴 파장 범위의 빛을 더 감지하는 픽셀.
  5. 기판에 형성되어 빛을 감지하는 광전 변환부;
    상기 기판에 형성되고 상기 광전 변환부에서 변환된 전하를 저장하는 전하 저장부;
    상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 일측에 배치되고 상기 광전 변환부로부터의 전하를 상기 전하 저장부로 전송하는 전송 스위칭부;
    상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 타측에 배치되고 인가되는 동작 전압에 따라 상기 광전 변환부의 광 감지 범위를 제어하는 제어 스위칭부; 및
    상기 전하 저장부에 저장된 전하의 전하량 정보를 출력하는 출력부를 포함하고,
    상기 광전 변환부는 동일한 도전형으로 도핑되고 상기 광 감지 범위와 관련하여 구별되는 제1 광전 변환 영역 및 제2 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 제2 광전 변환 영역은 상기 제1 광전 변환 영역보다 상기 광전 변환부의 표면으로부터 깊은 곳에 배치되고 상기 제1 광전 변환 영역보다 긴 파장 범위의 빛을 더 감지하며,
    상기 제어 스위칭부는 인가되는 동작 전압에 따라 오프 모드 및 온 모드에 의한 동작 모드를 가지고, 상기 오프 모드 시에 상기 제1 광전 변환 영역 및 상기 제2 광전 변환 영역은 상기 기판을 사이에 두고 서로 거리를 두고 떨어져서 배치되고, 상기 온 모드 시에 상기 제2 광전 변환 영역에서 변환된 전하가 상기 제1 광전 변환 영역으로 전달 가능하도록 동작하는 픽셀.
  6. 삭제
  7. 기판에 형성되어 빛을 감지하는 광전 변환부;
    상기 기판에 형성되고 상기 광전 변환부에서 변환된 전하를 저장하는 전하 저장부;
    상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 일측에 배치되고 상기 광전 변환부로부터의 전하를 상기 전하 저장부로 전송하는 전송 스위칭부;
    상기 기판 상에 상기 광전 변환부의 타측에 배치되고 인가되는 동작 전압에 따라 상기 광전 변환부의 광 감지 범위를 제어하는 제어 스위칭부; 및
    상기 전하 저장부에 저장된 전하의 전하량 정보를 출력하는 출력부를 포함하고,
    픽셀에 동작 전원을 공급하는 전원 전압을 더 포함하고,
    상기 제어 스위칭부의 동작 전압은 상기 전원 전압의 크기보다 크거나 같은 픽셀.
  8. 제1항에 있어서,
    기판에 형성되어 빛을 감지하는 제2 광전 변환부;
    상기 기판 상에 상기 제2 광전 변환부의 일측에 배치되고 상기 제2 광전 변환부로부터의 전하를 상기 전하 저장부로 전송하는 전송 스위칭부를 더 포함하고,
    상기 제2 광전 변환부의 광 감지 범위는 상기 광전 변환부의 광 감지 범위에 포함되도록 동작하는 픽셀.
  9. 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항의 픽셀을 어레이로서 가지는 픽셀 어레이.
  10. 제9항의 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서.
  11. 이미지 센서의 구동 방법에 있어서,
    기판에 형성된 광전 변환부의 제1 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계;
    상기 제1 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계;
    상기 제1 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계;
    상기 광전 변환부의 일측에 형성된 제어 스위칭부를 구동하여 상기 광전 변환부의 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계;
    상기 제2 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계; 및
    상기 제2 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계에서,
    상기 제어 스위칭부는 인가되는 동작 전압에 따라 오프 모드 및 온모드에 의한 동작 모드를 가지고,
    상기 온 모드 시에 상기 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 이미지 센서의 구동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환 영역 및 상기 제2 광전 변환 영역의 광 감지 범위를 기초로 상기 전하량 정보를 광 정보로서 산출하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 구동 방법
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광 감지 범위는 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제1 파장 범위는 가시광선 영역을 포함하고, 상기 제2 파장 범위는 가시광선 영역 및 적외선 영역을 포함하는 이미지 센서의 구동 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 광전 변환부는 동일한 도전형으로 도핑되고 서로 다른 파장 범위의 빛을 감지하는 제1 광전 변환 영역 및 제2 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 제2 광전 변환 영역은 상기 제1 광전 변환 영역보다 상기 광전 변환부의 표면으로부터 깊은 곳에 배치되고 상기 제1 광전 변환 영역보다 긴 파장 범위의 빛을 더 감지하는 이미지 센서의 구동 방법.
  15. 삭제
  16. 이미지 센서의 구동 방법에 있어서,
    기판에 형성된 광전 변환부의 제1 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계;
    상기 제1 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계;
    상기 제1 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계;
    상기 광전 변환부의 일측에 형성된 제어 스위칭부를 구동하여 상기 광전 변환부의 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계;
    상기 제2 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계; 및
    상기 제2 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계는, 상기 광전 변환부의 전하 공핍 영역의 깊이가 상기 제1 변환 영역으로부터 상기 제2 변환 영역으로 확장되는 단계를 포함하는 이미지 센서의 구동 방법.
  17. 이미지 센서의 구동 방법에 있어서,
    기판에 형성된 광전 변환부의 제1 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계;
    상기 제1 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계;
    상기 제1 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계;
    상기 광전 변환부의 일측에 형성된 제어 스위칭부를 구동하여 상기 광전 변환부의 제2 광전 변환 영역의 전하를 소거하는 단계;
    상기 제2 광전 변환 영역에 대한 전하의 집적을 개시하는 단계; 및
    상기 제2 광전 변환 영역에 집적된 전하의 전하량 정보를 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 이미지 센서에 포함되는 픽셀,
    상기 픽셀에 동작 전원을 공급하는 전원 전압을 더 포함하고,
    상기 제어 스위칭부의 동작 전압은 상기 전원 전압의 크기보다 크거나 같도록 동작하는 이미지 센서의 구동 방법.
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