KR101503037B1 - 이미지 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

이미지 센서와 이미지 센서의 동작 방법이 제공된다. 이미지 센서는 반도체의 접합에 의해 형성된 복수의 접합 영역들로 가시 광 및 비가시 광을 흡수하고, 가시 광의 흡수로부터 컬러 값을 검출하고, 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출할 수 있다.
이미지 센서, image sensor, color, depth, Triple well

Description

이미지 센서 및 그 동작 방법{IMAGE SENSOR AND OPERATING METHOD FOR IMAGE SENSOR}
본 발명에 따른 일실시예들은 이미지 센서 및 이미지 센서의 동작 방법에 관한 것이다.
최근 이미지 센서(image sensor)를 구비한 휴대용 장치(예를 들어, 디지털 카메라, 이동 통신 단말기 등)가 개발되어 판매되고 있다. 이미지 센서를 이용하여 3차원 영상을 획득하기 위해서는 색상뿐만 아니라 물체와 이미지 센서 간의 거리에 관한 정보를 얻을 필요가 있다. 일반적으로 물체와 이미지 센서 간의 거리에 관해 재구성된 영상을 해당 분야에서는 depth image로 표현하기도 한다. 일반적으로 depth image는 가시 광선(visible light) 영역 외의 적외선(infrared light)을 이용하여 얻어질 수 있다.
종래 3차원 영상을 획득하기 위하여 색상과 거리에 관한 정보를 얻기 위해 Bayer 패턴을 적용한 이미지 센서가 이용되었다. Bayer 패턴을 이용한 이미지 센서는 컬러 필터를 사용하여 가시 광선 중 적색, 녹색, 청색 영역의 빛을 받아들이는 픽셀 1개씩과 적외선 영역의 빛을 받아들이는 픽셀이 사각형으로 배치된 형태를 이 루었다. 이러한 Bayer 패턴을 이용한 이미지 센서는 적외선 영역의 빛을 받아들이는 픽셀의 크기가 다른 픽셀들보다 커 픽셀들 사이에 공간이 발생하게 되고, 녹색 영역의 빛을 받아들이는 픽셀이 추가로 요구될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서는 서로 다른 파장의 가시 광을 흡수하는 접합 영역들로 이루어진 광 흡수부 및 상기 가시 광의 흡수로부터 컬러 값을 검출하고, 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출하는 검출부를 포함하고, 상기 접합 영역들 각각은 제1 도전형 반도체 및 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 표면으로부터 서로 다른 깊이에 형성되고, 상기 접합 영역들 중 어느 하나는 비가시 광을 더 흡수할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 제1 도전형 반도체는 P형 반도체이고, 상기 제2 도전형 반도체는 N형 반도체일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 광 흡수부는 제1 도전형 반도체 기판과 깊은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제1 깊이에 형성되어 제1 파장 가시 광 및 비가시 광을 흡수하는 제1 접합 영역, 상기 깊은 제2 도전형 반도체와 제1 도전형 반도체 웰의 접합에 의해 제2 깊이에 형성되어 제2 파장 가시 광을 흡수하는 제2 접합 영역, 상기 제1 도전형 반도체 웰과 얕은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제3 깊이에 형성되어 제3 파장 가시 광을 흡수하는 제3 접합 영역을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 검출부는 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값의 검출을 선택적으로 제어하는 제1 검출부, 상기 제2 파장 가시 광의 흡수로부터 제2 파장 컬러 값을 검출하는 제2 검출부 및 상기 제3 파장 가시 광의 흡수로부터 제3 파장 컬러 값을 검출하는 제3 검출부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제1 검출부는 상기 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 거리 값의 검출을 스위치를 사용하여 선택적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제1 검출부는 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 검출된 상기 제1 파장 컬러 값을 이용하여 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 파장 가시 광은 적색 가시 광이고, 상기 제2 파장 가시 광은 녹색 가시 광이고, 상기 제3 파장 가시 광은 청색 가시 광일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 동작 방법은 제1 도전형 반도체 및 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 표면으로부터 서로 다른 깊이에 형성된 접합 영역들 각각으로 서로 다른 파장의 가시 광을 흡수하는 단계 - 상기 접합 영역들 중 어느 하나는 비가시 광을 더 흡수함 - 상기 가시 광의 흡수로부터 컬러 값을 검출하는 단계 및 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예들은 적층된 포토다이오드 구조로 형성된 복수의 접합 영역들을 이용함으로써, 하나의 픽셀에서 복수 파장의 가시 광과 적외선을 함께 받을 수 있는 이미지 센서 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예들은 가시 광용 포토다이오드와 적외선용 포토다이오드를 함께 사용함으로써, 별도의 추가 공정과 해상도의 저하 없이 보다 효율적으로 컬러 값 및 거리 값을 얻을 수 있는 이미지 센서 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예들은 센서 표면으로부터 서로 다른 깊이에 형성된 접합 영역들 각각을 통해 흡수된 서로 다른 파장의 가시 광 및 적외선을 이용함으로써, 컬러 필터가 없이도 고품질의 이미지를 획득할 수 있는 이미지 센서 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서(100)의 개괄적인 동작 모습을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 이미지 센서(100)는 3차원 이미지 영상을 얻기 위해서 물체의 2차원 이미지 정보를 위한 컬러 값과 함께 거리 정보를 얻는다. 물체와 이미지 센서 사이의 거리 정보를 검출하기 위한 방법의 일예는 TOF(Time of Flight) 방법이다. TOF 방법이란 광원에서 출발한 빛이 물체에서 반사되어 돌아오기까지 걸리는 시간을 측정하고, 측정한 시간으로부터 물체와 이미지 센서(100) 사이의 거리 정보를 검출하는 방법이다. 도 1에 도시된 바와 같이 광원에서 나오는 빛은 이미지 센서(100)에 입사된 빛으로부터 거리를 추출하는 방법에 따라 적절한 형태로 모듈레이션될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 광원에서 나온 빛이 물체 전체를 동시에 비추기 위해 상기 광원은 빛을 퍼트려 주기 위한 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 광원에서 출발한 빛이 물체에서 반사되어 돌아오는 시간으로부터 수학식 1을 적용하여 거리 정보를 검출할 수 있다.
Figure 112008073687845-pat00001
이 때, d는 거리 정보이고, V c 는 빛의 속도, t travel 은 광원에서 출발한 빛이 물체에서 반사되어 이미지 센서에 돌아오는데 걸린 시간이다.
또한, 거리 측정을 위해 사용되는 상기 빛은 주로 가시 광보다는 비가시 광이 사용되는데 이는 이미지 센서(100)가 이미지 정보를 얻기 위해 흡수하는 가시 광의 품질이 광원에서 나오는 빛에 의해 저하되는 것을 방지하기 위함이다. 이 때, 상기 비가시 광의 일예는 적외선 광일 수 있다.
이와 같이, 이미지 센서(100)는 3차원 영상을 얻기 위해서 이미지 정보와 함께 거리 정보를 얻을 수 있어야 한다. 따라서, 이미지 센서(100)는 이미지 정보를 감지하기 위한 가시 광용 포토다이오드와 거리 정보를 얻기 위한 비가시 광용 포토다이오드를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서(100)를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 이미지 센서(100)는 검출부(110) 및 광 흡수부(120)를 포함한다.
광 흡수부(120)는 서로 다른 파장의 가시 광을 흡수하는 접합 영역들로 이루어진다. 이 때, 상기 접합 영역들 각각은 적어도 하나의 제1 도전형 반도체 및 적어도 하나의 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 광 흡수부 표면으로부터 서로 다른 깊이에 형성된다. 또한, 상기 접합 영역들 중 어느 하나는 가시 광의 흡수와 함께 비가시 광을 더 흡수할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 도전형 반도체는 P형 반도체이고, 상기 제2 도전형 반도체는 N형 반도체일 수 있다.
예를 들어, 광 흡수부(120)는 하나의 P형 반도체와 두 개의 N형 반도체의 접합, 즉 N형, P형, N형 반도체의 순서로 접합되어 표면으로부터 서로 다른 두 개의 깊이에 형성된 두 개의 접합 영역을 포함할 수 있다. 또한, 광 흡수부(120)는 두 개의 P형 반도체와 두 개의 N형 반도체의 접합, 즉 N형, P형, N형, P형 반도체의 순서로 접합되어 표면으로부터 서로 다른 세 개의 깊이에 형성된 세 개의 접합 영역을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 접합 영역들 각각은 서로 다른 파장의 가시 광을 흡수하는 포토다이오드로 동작할 수 있으며, 이러한 접합 영역들 중 어느 하나는 비가시 광을 더 흡수하는 포토다이오드로 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서(100)를 구체화한 도면이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광 흡수부(120)를 보다 구체적으로 살펴본다. 도 3에 도시된 바와 같이 광 흡수부(120)는 제1 도전형 반도체 기판과 깊은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제1 깊이(124)에 형성되어 제1 파장 가시 광 및 비가시 광을 흡수하는 제1 접합 영역, 상기 깊은 제2 도전형 반도체와 제1 도전형 반도체 웰의 접합에 의해 제2 깊이(123)에 형성되어 제2 파장 가시 광을 흡수하는 제2 접합 영역 및 상기 제1 도전형 반도체 웰과 얕은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제3 깊이(122)에 형성되어 제3 파장 가시 광을 흡수하는 제3 접합 영역으로 이루어질 수 있다.
이 때, 도 3에 도시된 P-sub은 P형 반도체로 상기 제1 도전형 반도체 기판의 일예에 포함되고, Deep N-well은 N형 반도체로 상기 깊은 제2 도전형 반도체의 일예에 포함되고, PP-well은 P형 반도체로 상기 제1 도전형 반도체 웰의 일예에 포함되고, N+은 N형 반도체로 상기 얕은 제2 도전형 반도체의 일예에 포함될 수 있다. 더불어, 도 3에 도시된 바와 같은 P형 반도체 기판과 N형, P형 및 N형 반도체로 생성된 적층 형태의 구조는 Triple well구조로 표현될 수 있다.
또한, 상기 제1 접합 영역, 제2 접합 영역 및 제3 접합 영역은 각각 서로 다른 파장의 가시 광을 흡수하는 포토다이오드로 동작할 수 있으며, 이러한 접합 영역들은 서로 다른 도전형 반도체의 접합으로 생성된 공핍 영역을 의미할 수 있다.
도 3을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 제1 접합 영역은 제1 도전형 반도체 기판과 깊은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제1 깊이(124)에 형성되어 제1 파장 가시 광을 흡수하는 포토다이오드 D1로 동작되고, 상기 제2 접합 영역은 깊은 제2 도전형 반도체와 제1 도전형 반도체 웰의 접합에 의해 제2 깊이(123)에 형성되어 제2 파장 가시 광을 흡수하는 포토다이오드 D2로 동작되고, 상기 제3 접합 영역은 상기 제1 도전형 반도체 웰과 얕은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제3 깊이(122)에 형성되어 제3 파장 가시 광을 흡수하는 포토다이오드 D3으로 동작할 수 있다. 이 때, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 파장 가시 광은 적색 가시 광이고, 상기 제2 파장 가시 광은 녹색 가시 광이고, 상기 제3 파장 가시 광은 청색 가시 광일 수 있다. 즉, 광 흡수부(120)는 별도의 컬러 필터를 포함하지 아니하여도 표면으로부터 더 깊은 영역의 접합 영역일수록 더 긴 파장의 가시 광이 도달한다는 특성을 이용하여 접합 영역별로 서로 다른 가시 광을 흡수할 수 있다. 따라서, 상기 적색 가시 광은 녹색 가시 광 및 청색 가시 광보다, 상기 녹색 가시 광은 상기 청색 가시 광보다 더 긴 파장의 가시 광인 것이다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 깊이(124)는 2
Figure 112008073687845-pat00002
, 제2 깊이(123)는 0.6
Figure 112008073687845-pat00003
, 제3 깊이(122)는 0.2
Figure 112008073687845-pat00004
일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 접합 영역은 비가시 광을 더 흡수할 수 있다. 이 때, 상기 비가시 광의 일예는 적외선일 수 있으며, 상기 비가시 광은 광원에 의하여 조사된 광에 의하여 반사된 반사광일 수 있다. 즉, 앞서 도 1을 통해 설명된 바와 같이, 광 흡수부(120)는 상기 제1 접합 영역을 통해 광원으로부터 조사된 적외선의 반사광을 흡수할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 접합 영역은 적색 가시 광을 받아들이는 용도로 사용되지만 빛의 파장이 길수록 반도체를 구성하는 실리콘의 더 깊은 영역까지 빛이 도달된다는 특성에 의해 상기 적색 가시 광 이외에도 적외선을 더 받아들일 수 있으며, 이 때 상기 적외선의 일예는 실리콘이 받아들일 수 있는 한계인 최대 1.1
Figure 112008073687845-pat00005
의 근적외선일 수 있다. 또한, 상기 적외선은 거리를 측정하기 위해 광원에서 펄스 혹인 사인곡선의 형태로 모듈레이션된 것일 수 있다.
검출부(110)는 상기 가시 광의 흡수로부터 컬러 값을 검출하고, 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출한다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 검출부(110)는 제1 검출부(111), 제2 검출부(112) 및 제3 검출부(113)를 포함한다.
제1 검출부(111)는 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값의 검출을 선택적으로 제어하여, 상기 제1 파장 컬러 값 및 거리 값을 검출한다. 이 때, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 검출부(111)는 상기 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 거리 값의 검출을 스위치를 사용하여 선택적으로 제어할 수 있다. 즉, 제1 검출부(111)는 스위치를 사용하여 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 상기 제1 파장 컬러 값을, 상기 비가시 광의 흡수로부터 상기 거리 값을 선택적으로 검출할 수 있는 것이다. 또한, 앞서 살펴본 바와 같이 상기 제1 파장 가시 광은 적색 가시 광이고, 상기 비가시 광은 적외선일 수 있다.
도 3을 참조하여 제1 검출부(111)의 동작 일예를 보다 구체적으로 살펴보면, 제1 검출부(111)는 트랜지스터 스위치를 이용하여 적색 컬러 값과 거리 값을 선택적으로 검출하기 위해, 적색 가시 광의 흡수에 대응하여 출력되는 적색 컬러 값을 검출하는 리드 아웃 회로와 적외선의 흡수에 대응하여 출력되는 거리 값을 검출하는 리드 아웃 회로를 구분하여 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 적색 컬 러 값을 검출하는 리드 아웃 회로와 거리 값을 검출하는 리드 아웃 회로의 일예는 각각 Red image sensing circuit과 IR(Infrared Ray) image sensing circuit일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 검출부(111)는 Reset 트랜지스터, SF(Source Follower) 트랜지스터, SW1 트랜지스터, SW2 트랜지스터 및 바이어스 회로(Bias circuit)를 포함할 수 있다. 이 때, Reset 트랜지스터와 SF 트랜지스터의 드레인 단자(drain terminal)에는 공급 전압 VDD가 연결되고, Reset 트랜지스터는 Deep N-well과 P-sub의 접합으로 형성된 포토다이오드 D1을 주기적으로 리셋하기 위한 트랜지스터로서 Reset 트랜지스터의 게이트 단자(gate terminal)에는 펄스 형태의 전압이 인가되어 빛을 인테그레이션하는 시간을 조절할 수 있다. 또한, SF 트랜지스터는 소스 플로워로 동작하여 포토다이오드 D1에서 생성된 전하를 전압의 형태로 변환하여 리드 아웃 회로로 전달해주는 역할을 수행할 수 있다.
또한, SW1 트랜지스터는 스위치로 동작하여 적색 가시 광을 받아들일 때 켜지고, 적색 가시 광의 흡수에 의해 포토다이오드 D1에서 생성된 전하로 인하여 SF 트랜지스터의 소스 단자(source terminal)로부터 출력되는 전압을 Red image sensing circuit으로 전달할 수 있다. 또한, SW2 트랜지스터는 적외선의 흡수에 의해 포토다이오드 D1에서 생성된 전하로 인하여 SF 트랜지스터의 소스 단자로부터 출력되는 전압을 IR image sensing circuit으로 전달할 수 있다. 또한, 리드 아웃 회로 Red image sensing circuit은 포토다이오드 D1에서 생성된 전하로 인해 결정된 전압을 이용하여 적색 컬러 값을 검출하며, IR image sensing circuit은 포토다이오드 D1에서 생성된 전하로 인해 결정된 전압을 이용하여 거리 값을 검출할 수 있다.
또한, 제1 검출부(111)는 제1 시간 구간 동안 상기 적색 가시 광의 흡수로부터 적색 컬러 값을 검출하고, 제2 시간 구간 동안 상기 적외선의 흡수로부터 거리 값을 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 컬러 값의 검출 및 거리 값의 검출의 선택적 제어를 위한 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 4를 통해 제1 시간 구간 동안 및 제2 시간 구간 동안 적색 컬러 값과 거리 값을 순차적으로 검출하기 위한 제1 검출부(111)의 동작 일예를 구체적으로 살펴보면, 먼저 도면부호 401의 시간 구간 동안 제1 검출부(111)는 적외선의 광원을 끈 상태에서 Reset 트랜지스터의 게이트 단자에 일정한 펄스를 가하여 포토다이오드 D1을 소정 전압 레벨로 리셋한다. 이 때, 상기 Reset 트랜지스터가 NMOS 트랜지스터인 경우 상기 소정 전압 레벨은 VDD - Vth이고, 상기 Reset 트랜지스터가 PMOS 트랜지스터인 경우 상기 소정 전압 레벨은 VDD일 수 있다.
다음으로, 제1 시간 구간 동안(402) 제1 검출부(111)가 SW1 트랜지스터를 키게 되면, Reset 트랜지스터가 꺼져 있는 동안 적색 가시 광에 의해 생성된 전하로 인해 포토다이오드 D1의 캐소드(cathode) 전압은 리셋 전압 레벨에서 떨어지게 되 고, 이러한 캐소드 전압으로 인하여 출력되는 SF 트랜지스터의 소스 단자의 전압은 SW1 트랜지스터의 출력 전압을 결정하고, 이러한 출력 전압은 Red image sensing circuit으로 전달될 수 있다. 또한, Red image sensing circuit은 상기 출력 전압을 이용하여 상기 적색 컬러 값을 결정할 수 있다.
또한, 도면부호 403의 시간 구간 동안 제1 검출부(111)는 Reset 트랜지스터의 게이트 단자에 일정한 펄스를 가하여 포토다이오드 D1을 상기 소정 전압 레벨로 리셋 한 후 끈다. 마지막으로, 제2 시간 구간 동안(404) 제1 검출부(111)가 SW2 트랜지스터를 킴과 동시에 광원을 켜서 펄스 또는 사인곡선 현태로 모듈레이션된 적외선을 물체에 조사하면, 광원에서 나온 적외선이 광원과 물체의 거리에 따라 일정한 시간이 지연된 후 포토다이오드 D1로 흡수되게 된다. 또한, 적외선의 흡수에 의해 생성된 전하로 인해 포토다이오드 D1의 캐소드(cathode) 전압은 리셋 전압 레벨에서 떨어지게 되고, 이러한 캐소드 전압으로 인하여 출력되는 SF 트랜지스터 소스 단자의 전압은 SW2 트랜지스터의 출력 전압을 결정하고, 이러한 출력 전압은 IR image sensing circuit으로 전달될 수 있다. 또한, IR image sensing circuit은 상기 출력 전압을 이용하여 상기 거리 값을 결정할 수 있다. 또한, 이러한 거리 값은 물체와 광원 사이의 거리 정보를 계산하기 위해 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 적외선은 상기 SW2 트랜지스터가 켜져 있는 동안 지속적으로 조사되거나, 소정 시간 동안 조사되고 꺼질 수 있으며, 순차적으로 나오는 펄스 트레인의 형태 또는 사인 곡선의 형태로 모듈레이션 될 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 상기 적외선은 다양한 형태로 결정될 수 있다. 또한, 제1 검출부(111)는 상기 적색 컬러 값과 거리 값을 검출하는 순서를 바꾸거나, 거리 값을 여러 번 읽는 동안 적색 컬러 값을 한 번 읽는 등 본 발명의 다양한 실시예에 따라 다르게 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 검출부(111)는 상기 적색 가시 광의 흡수로부터 검출된 상기 적색 컬러 값을 이용하여 상기 적외선의 흡수로부터 거리 값을 검출할 수 있다. 예를 들어, 적외선이 포토다이오드 D1로 흡수되는 동안에도 적색 가시 광 역시 계속 흡수될 수 있으므로, 광원을 키고 SW2를 켰을 때의 IR image sensing circuit의 출력은 적외선과 적색 가시 광의 흡수에 대응하는 응답을 모두 포함하고 있을 수 있다. 따라서, 제1 검출부(111)는 상기 IR image sensing circuit의 출력에서 광원을 끄고 SW2를 켰을 때의 적색 가시 광에 의한 출력을 뺀 값을 상기 거리 값으로 결정할 수 있다. 이처럼, 제1 검출부(111)는 상기 거리 값의 검출에 있어 상기 적색 컬러 값을 반영할 수 있다.
또한, 지금까지 제1 검출부(111)의 동작 방법은 포토다이오드 D1에 의해 생성된 전하를 이용하여 상기 적색 컬러 값 및 거리 값을 검출하는 것에 초점을 맞추어 설명하였으나, 본 발명의 일실시예에 따르면 제1 검출부(111)는 포토다이오드 D1에 의해 생성된 전류를 이용하여 상기 적색 컬러 값 및 거리 값을 검출할 수도 있다.
또한, 도 3을 통해 설명된 제1 검출부(111)의 일실시예는 설명의 편의를 위 해 선택된 것에 불과하다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 도 3을 통해 설명된 상기 내용에 한정 해석되어서는 안될 것이다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 제1 검출부(111)는 접합 영역들 중 어느 하나로 흡수되는 제1 파장 가시 광 및 비가시 광을 이용하여 제1 파장 컬러 값과 거리 값을 선택적으로 검출할 수 있는 다양한 형태의 회로로 구현될 수 있다.
제2 검출부(112)는 상기 제2 파장 가시 광의 흡수로부터 제2 파장 컬러 값을 검출한다. 이 때, 앞서 살펴본 바와 같이 상기 제2 파장 가시 광은 녹색 가시 광일 수 있다.
도 3을 참조하여 제2 검출부(112)의 동작 일예를 보다 구체적으로 살펴보면, 제2 검출부(112)는 Reset 트랜지스터, SF 트랜지스터 및 리드 아웃 회로로서 green image sensing circuit을 포함할 수 있다. 이 때, SF 트랜지스터의 드레인 단자에는 공급 전압 VDD가 연결되고, Reset 트랜지스터의 드레인 단자에는 특정 전압 VSS가 연결되고, Reset 트랜지스터는 PP-well과 Deep N-well의 접합으로 형성된 포토다이오드 D2를 주기적으로 리셋하기 위한 트랜지스터로서 Reset 트랜지스터의 게이트 단자에는 펄스 형태의 전압이 인가되어 빛을 인테그레이션하는 시간을 조절할 수 있다. 또한, SF 트랜지스터는 소스 플로워로 동작하여 포토다이오드 D2에서 생성된 전하를 전압의 형태로 변환하여 green image sensing circuit으로 전달해주는 역할을 할 수 있다. 또한, green image sensing circuit은 포토다이오드 D2에서 생성된 전하로 인해 결정된 전압을 이용하여 녹색 컬러 값을 검출할 수 있다.
또한, 도 3을 통해 설명된 제2 검출부(112)의 일실시예는 설명의 편의를 위해 선택된 것에 불과하다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 도 3을 통해 설명된 상기 내용에 한정 해석되어서는 안될 것이다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 제2 검출부(112)는 접합 영역들 중 어느 하나로 흡수되는 제2 파장 가시 광을 이용하여 제2 파장 컬러 값 검출할 수 있는 다양한 형태의 회로로 구현될 수 있다.
제3 검출부(113)는 상기 제3 파장 가시 광의 흡수로부터 제3 파장 컬러 값을 검출한다. 이 때, 앞서 살펴본 바와 같이 상기 제3 파장 가시 광은 청색 가시 광일 수 있다.
도 3을 참조하여 제3 검출부(113)의 동작 일예를 보다 구체적으로 살펴보면, 제3 검출부(113)는 Reset 트랜지스터, SF 트랜지스터 및 리드 아웃 회로로서 blue image sensing circuit을 포함할 수 있다. 이 때, SF 트랜지스터 및 Reset 트랜지스터의 드레인 단자에는 공급 전압 VDD가 연결되고, Reset 트랜지스터는 N+와 PP-well의 접합으로 형성된 포토다이오드 D3을 주기적으로 리셋하기 위한 트랜지스터로서 Reset 트랜지스터의 게이트 단자에는 펄스 형태의 전압이 인가되어 빛을 인테그레이션하는 시간을 조절할 수 있다. 또한, SF 트랜지스터는 소스 플로워로 동작하여 포토다이오드 D3에서 생성된 전하를 전압의 형태로 변환하여 blue image sensing circuit으로 전달해주는 역할을 할 수 있다. 또한, blue image sensing circuit은 포토다이오드 D3에서 생성된 전하로 인해 결정된 전압을 이용하여 청색 컬러 값을 검출할 수 있다.
또한, 도 3을 통해 설명된 제3 검출부(113)의 일실시예는 설명의 편의를 위해 선택된 것에 불과하다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 도 3을 통해 설명된 상기 내용에 한정 해석되어서는 안될 것이다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 제3 검출부(113)는 접합 영역들 중 어느 하나로 흡수되는 제3 파장 가시 광을 이용하여 제3 파장 컬러 값 검출할 수 있는 다양한 형태의 회로로 구현될 수 있다.
또한, 검출부(110)는 상기 제1 파장 컬러 값, 제2 파장 컬러 값 및 제3 파장 컬러 값을 이용하여 2차원 이미지 정보를 검출하고, 상기 거리 값을 이용하여 거리 정보를 검출할 수 있다. 또한, 검출부(110)는 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 적어도 하나의 이미지 센서를 포함하는 이미지 장치로 송신하고, 상기 이미지 장치는 적어도 하나의 이미지 센서로부터 수신한 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 통해 3차원 이미지 영상을 생성할 수 있다. 이 때, 상기 이미지 장치는 어레이를 형성한 복수의 픽셀들을 포함할 수 있으며, 이러한 복수의 픽셀들 각각이 이미지 센서일 수 있다. 예를 들어, 상기 이미지 장치는 240 개의 픽셀들이 하나의 행(row)을 형성하고, 320 개의 픽셀들이 하나의 열(column)을 형성하면 320 x 240 의 해상도를 가질 수 있다. 또한, 상기 이미지 장치는 행 주소 및 열 주소의 조합에 의해 복수의 픽셀들 각각에 접근할 수 있다.
다만, 본 발명의 일실시예에 따르면, 검출부(110)는 상기 제1 파장 컬러 값, 제2 파장 컬러 값, 제3 파장 컬러 값 및 상기 거리 값을 추출하여 적어도 하나의 이미지 센서를 포함하는 이미지 장치로 송신하고, 상기 이미지 장치에서 상기 제1 파장 컬러 값, 제2 파장 컬러 값, 제3 파장 컬러 값 및 상기 거리 값을 통해 3차원 이미지 영상을 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 검출부(110)에서 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 검출하고, 상기 이미지 정보 및 거리 정보를 이용하여 3차원 이미지 정보를 생성하고, 상기 3차원 이미지 정보를 상기 이미지 장치로 송신하고, 상기 이미지 장치는 복수의 이미지 센서로부터 수신한 복수의 3차원 이미지 정보를 통해 3차원 이미지 영상을 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 이미지 센서 동작 방법은 단계(S501) 내지 단계(S503)로 수행될 수 있다. 또한, 이와 같은 이미지 센서 동작 방법은 이미지 센서(100)에 의하여 수행될 수 있다.
단계(S501)에서 이미지 센서(100)는 제1 도전형 반도체 및 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 표면으로부터 서로 다른 깊이에 형성된 접합 영역들 각각으로 서로 다른 파장의 가시 광을 흡수한다. 이 때, 상기 접합 영역들 중 어느 하나는 비가시 광을 더 흡수할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 도전형 반도체는 P형 반도체이고, 상기 제2 도전형 반도체는 N형 반도체일 수 있다.
구체적으로, 단계(S501)에서 이미지 센서(100)는 제1 도전형 반도체 기판과 깊은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제1 깊이에 형성된 제1 접합 영역을 이용하여 제1 파장 가시 광 및 비가시 광을 흡수하고, 상기 깊은 제2 도전형 반도체와 제1 도전형 반도체 웰의 접합에 의해 제2 깊이에 형성된 제2 접합 영역을 이용하여 제2 파장 가시 광을 흡수하고, 상기 제1 도전형 반도체 웰과 얕은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제3 깊이에 형성된 제3 접합 영역을 이용하여 제3 파장 가시 광을 흡수할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제1 파장 가시 광은 적색 가시 광이고, 상기 제2 파장 가시 광은 녹색 가시 광이고, 상기 제3 파장 가시 광이고, 상기 비가시 광은 적외선일 수 있다. 또한, 상기 비가시 광은 광원에 의하여 조사된 광에 의하여 반사된 반사광일 수 있다.
단계(S502)에서 이미지 센서(100)는 상기 가시 광의 흡수로부터 컬러 값을 검출하고, 단계(S503)에서 이미지 센서(100)는 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출한다.
구체적으로, 이미지 센서(100)는 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값의 검출을 선택적으로 제어하여, 상기 제1 파장 컬러 값 및 거리 값을 검출하고, 상기 제2 파장 가시 광의 흡수로부터 제2 파장 컬러 값을 검출하고, 상기 제3 파장 가시 광의 흡수로부터 제3 파장 컬러 값을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 이미지 센서(100)는 상기 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 거리 값의 검출을 선택적으로 제어하기 위하여, 스위치를 사용할 수 있다. 또한, 이미지 센서(100)는 제1 시간 구간 동안 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 제1 파장 컬러 값을 검출하고, 제2 시간 구간 동안 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출할 수 있다. 또한, 이미지 센서(100)는 상기 비가 시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출하기 위하여 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 검출된 상기 제1 파장 컬러 값을 이용할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100)는 상기 비가시 광으로부터 흡수한 거리 값에서 상기 제1 파장 컬러 값을 뺀 값을 상기 거리 값으로 확정할 수 있다.
또한, 이와 같은 단계(S501) 내지 단계(S503)에 대해서 설명하지 아니한 사항은 앞서 도 1 내지 도 4를 통하여 설명한 내용과 동일하거나 설명한 내용으로부터 당업자라면 용이하게 유추 가능한 내용이므로 이하 설명을 생략하도록 하겠다.
본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 명세서에서는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)로 구현되는 이미지 센서의 실시예가 주로 기재되었으나 본 발명의 실시예들은 전하 결합 소자(Charge Coupled Device, CCD)를 이용하여 구현되는 경우에도 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 디지털 카메라(digital camera), 캠코더(camcorder), 휴대용 통신 장치에 부속되는 카메라, 폐쇄회로 TV(CCTV), 등의 이미징 장치에 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 개괄적인 동작 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서를 구체화한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 컬러 값의 검출 및 거리 값의 검출의 선택적 제어를 위한 타이밍 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 이미지 센서
110: 검출부
120: 광 흡수부

Claims (12)

  1. 제1 도전형 반도체 및 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 표면으로부터 서로 다른 깊이에 형성되고, 서로 다른 파장의 가시 광을 흡수하는 접합 영역들을 포함하는 광 흡수부; 및
    상기 가시 광의 흡수로부터 컬러 값을 검출하는 검출부
    를 포함하고,
    상기 접합 영역들은,
    제1 파장 가시 광을 및 비가시 광을 흡수하는 제1 접합 영역; 및
    제2 파장 가시 광을 흡수하는 제2 접합 영역
    을 포함하고,
    상기 검출부는 선택적으로 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 제1 파장 컬러 값 및 상기 비가시 광으로부터 거리 값을 검출하는 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체는 P형 반도체이고, 상기 제2 도전형 반도체는 N형 반도체인 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접합 영역들은,
    제3 파장 가시 광을 흡수하는 제3 접합 영역
    을 더 포함하고,
    상기 제1 접합 영역은 제1 도전형 반도체 기판과 깊은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제1 깊이에 형성되고,
    상기 제2 접합 영역은 상기 깊은 제2 도전형 반도체와 제1 도전형 반도체 웰의 접합에 의해 제2 깊이에 형성되고,
    상기 제3 접합 영역은 상기 제1 도전형 반도체 웰과 얕은 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 제3 깊이에 형성되는 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값의 검출을 선택적으로 제어하는 제1 검출부;
    상기 제2 파장 가시 광의 흡수로부터 제2 파장 컬러 값을 검출하는 제2 검출부; 및
    상기 제3 파장 가시 광의 흡수로부터 제3 파장 컬러 값을 검출하는 제3 검출부
    를 포함하는 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 제1 파장 컬러 값의 검출 및 상기 거리 값의 검출을 스위치를 사용하여 선택적으로 제어하는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는,
    제1 시간 구간 동안 상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 제1 파장 컬러 값을 검출하고, 제2 시간 구간 동안 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출하는 이미지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 검출된 상기 제1 파장 컬러 값을 이용하여 상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출하는 이미지 센서.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 파장 가시 광은 적색 가시 광이고, 상기 제2 파장 가시 광은 녹색 가시 광이고, 상기 제3 파장 가시 광은 청색 가시 광인 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 비가시 광은 적외선인 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 비가시 광은 광원에 의하여 조사된 광에 의하여 반사된 반사광인 이미지 센서.
  11. 제1 도전형 반도체 및 제2 도전형 반도체의 접합에 의해 표면으로부터 서로 다른 깊이에 형성된 제1 접합 영역과 제2 파장 가시 광을 흡수하는 제2 접합 여역 중에서 상기 제1 접합 영역으로 상기 제2 파장 가시 광과 파장이 상이한 제1 파장 가시광과 비가시 광을 흡수하는 단계;
    상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 컬러 값을 검출하는 단계; 및
    상기 비가시 광의 흡수로부터 거리 값을 검출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 파장 가시 광의 흡수로부터 컬러 값의 검출 및 상기 비가시 광으로부터 거리 값의 검출은 선택적으로 제어되는 이미지 센서 동작 방법.
  12. 제11항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
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