KR101565750B1 - 고감도 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

고감도 이미지 센서가 제공된다. 고감도 이미지 센서는 제1 도전형의 기판 내에 형성된 단전자 트랜지스터(Single Electron Field Effect Transistor; SEFET)를 포함하는 픽셀을 포함하며, 상기 단전자 트랜지스터는, 상기 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 웰; 상기 제1 웰 내에 소정 간격 이격되어 형성된 제1 도전형의 소스 영역 및 드레인 영역; 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 제1 웰 내에 형성된 제2 도전형 게이트 영역을 포함한다.
이미지 센서, 단전자

Description

고감도 이미지 센서{High sensitivity image sensor}
본 발명은 고감도 이미지 센서에 관한 것으로 보다 상세하게는 단전자의 센싱이 가능한 고감도 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
일반적으로 사용되는 CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서는 단위 화소를 구성하는 픽셀이 다수개 집합되어 구성된다. 픽셀은 일반적으로 2um 정도의 크기로 제작된다. 픽셀의 크기를 더 작게 형성할 수도 있으나, 픽셀의 크기를 1um 이하의 크기로 줄이는 경우 이미지 센서의 성능 향상을 기대하기는 어렵다. 다이나믹 레인지(dynamic range)가 매우 좁아지고, 최대 웰 용량(full well capacity)이 작아지며, 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio; SNR)가 10-20:1 정도로 떨어지기 때문이다. 또한, 전하를 전압으로 변환하는 효율인 변환 이득은 수광 영역의 캐패시 턴스와 영향이 있다. 수광 영역의 캐패시턴스가 커지면, 변환 이득은 작아진다. 소자가 작아지면, 상대적인 캐패시턴스가 커지기 때문에 변환 이득이 현저히 작아지는 문제점이 발생한다.
상기의 문제점에도 불구하고, 픽셀의 크기를 줄이기 위하여는, 기존의 이미지 센서와는 다른 구조와 개념으로 신호를 처리하는 것이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단전자의 센싱이 가능한 고감도 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서는 제1 도전형의 기판 내에 형성된 단전자 트랜지스터(Single Electron Field Effect Transistor; SEFET)를 포함하는 픽셀을 포함하며, 상기 단전자 트랜지스터는, 상기 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 웰; 상기 제1 웰 내에 소정 간격 이격되어 형성된 제1 도전형의 소스 영역 및 드레인 영역; 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 제1 웰 내에 형성된 제2 도전형 게이트 영역을 포함한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서는 빛을 수광하고, 수광된 빛의 양을 출력하는 단전자 트랜지스터; 상기 단전자 트랜지스터와 커플링된 소스 팔로우 트랜지스터; 및 상기 단전자 트랜지스터와 커플링된 선택 트랜지스터를 포함하여, 상기 세개의 트랜지스터가 하나의 픽셀을 구성한다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 이미지 센싱 방법은 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 웰, 상기 제1 웰 내에 소정 간격 이격되어 형성된 제1 도전형의 소스 영역 및 드레인 영역, 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 제1 웰 내에 형성된 제2 도전형 게이트 영역을 포함하는 단전자 트랜지스터 및 상기 단전자 트랜지스터와 커플링된 소스 팔로우 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 이미지 센서에 빛을 입사하고, 상기 단전자 트랜지스터 및 상기 소스 팔로우 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하도록 상기 이미지 센서를 제어하고, 상기 소스 팔로우 트랜지스터와 연결되는 상기 단전자 트랜지스터의 소스 영역에서 출력되는 전압을 측정하는 것을 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "연결된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경 우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 연결된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 레이아웃도이다. 도 2a는 도 1의 A-A'을 절단한 단면도이다. 도 2b는 도 1의 B-B'을 절단한 단면도이다.
도 1 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서는 P형 서브 기판(100) 상에 형성된 N형 웰(210), 상기 N형 웰(210) 상에 형성된 소스 영역(220) 및 드레인 영역(230), 소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)을 연결하는 채널 영역(250), 채널 영역(250) 하부에 형성된 게이트 영역(240)을 포함한다.
서브 기판(100) 상에 형성된 N형 웰(210)은 게이트 영역(240)보다는 낮은 농도로 도핑된 불순물 영역이다. 예를 들어, N형 웰(210)의 불순물 농도는 예를 들 어, 1×1014 내지 1×1017 원자/cm3일 수 있다. 또한, N형 웰(210)의 깊이(a)는 예를 들어, 200-500nm 일 수 있다. 다만, 도핑되는 농도 및 위치는 제조 공정 및 설계에 따라서 달라질 수 있으므로 이에 제한되지 않는다.
게이트 영역(240)의 하부에 형성된 N형 웰(210) 영역은 게이트 영역(240)과 함께 광전 변환 영역으로 기능할 수 있다. 즉, 입사광에 대응하여 생성된 전하가 축적될 수 있다.
소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)은 P+형의 불순물 영역일 수 있다. 소스 영역(220) 및 드레인 영역은 N형 웰(210) 내에서 서로 이격되어 형성되며, 채널 영역(250)에 의해 연결된다. 소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)의 불순물 농도는 예를 들어, 1×1018 내지 1×1022 원자/cm3일 수 있으며, 그 폭(b)은 각각 30-100nm일 수 있다.
소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)은 채널 영역(250)에 의해 연결된다. 채널 영역(250)은 P형 불순물 영역으로, 불순물의 농도는 예를 들어, 2×1016 내지 1×1019 원자/cm3일 수 있다. 채널 영역의 길이(c), 즉 소스 영역(220)과 드레인 영역(230) 사이의 간격은 예를 들어, 200-400nm일 수 있다. 또한, 채널 영역의 깊이는 예를 들어, 100nm일 수 있다.
게이트 영역(240)은 채널 영역(250) 하부에 형성된 N형 불순물 영역이다. 게이트 영역(240)은 소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)과 연결되지 않도록, 고립되 어 형성된다. 또한, 게이트 영역(240)은 콘택 등으로 연결되지 않도록 형성되므로, N형 웰(210) 내에 플로팅되어 형성된 것으로 이해할 수 있다. 게이트 영역(240)은 입사광에 대응하여 생성된 전하가 축적되는 영역으로, 광전 변환 영역으로 기능한다. 게이트 영역(240)의 불순물의 농도는 예를 들어, 1×1016 내지 1×1019 원자/cm3일 수 있으며, N형 웰(210)의 불순물의 농도보다 큰 농도로 형성한다. 게이트 영역(240)은 채널 영역(250) 하부에 형성되어, 그 폭(d)은 예를 들어, 약 80-200nm일 수 있으나. 채널 영역(250)의 길이(c)보다는 짧게 형성된다. 또한, 그 깊이(e)는 예를 들어, 50-200nm일 수 있다.
N형 웰(210), 소스 영역(220), 드레인 영역(230), 채널 영역(250) 및 게이트 영역(240)은 하나의 정션 트랜지스터(junction transistor)를 구성하며, 게이트 영역(240)에 입사된 빛의 양에 의해 동작한다. 여기서, 상기 정션 트랜지스터를 단전자 트랜지스터(Single Electron Field Effect Transistor; SEFET)(200)라 정의한다. 단전자 트랜지스터(200)는 이미지 센서의 픽셀을 구성하며, 광전 변환 소자와 센싱 소자의 기능을 수행한다. 즉, 단전자 트랜지스터(200)는 광전 변환 소자의 기능과 센싱 소자의 기능을 같이 수행한다.
또한, 단전자 트랜지스터(200)는 하나의 전자만으로도 센싱이 가능하다. 즉, 적은 양의 빛으로도 센싱이 가능하며, 전하를 전압으로 변환하는 효율인 전환 이득(conversion gain)이 1meV/e보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단전자 트랜지스터(200) 는, 소스 영역(220), 채널 영역(250) 및 게이트 영역(240)을 모두 합한 길이가 1um보다 작다. 따라서, 1um보다 작은 픽셀을 제공할 수 있다. 또한, 광전 변환 소자와 센싱 소자의 기능을 모두 단전자 트랜지스터(200)가 수행하며, 게이트 영역(240)의 크기가 매우 작아 캐패시턴스가 현저히 줄어들게 된다. 따라서, 높은 변환 이득이 가능하다.
도 3은 도 2a의 C-C'을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 3을 참조하면, 채널 영역(250)과 서브 기판(100) 사이의 게이트 영역(240) 및 N형 웰(210)은 포텐셜 우물을 구성한다. 따라서, 단전자 트랜지스터(200)로 입사된 빛에 의하여 전하가 생성되며, 게이트 영역(240) 및 N형 웰(210)이 구성하는 포텐셜 우물에 전자가 갇히게 된다. 따라서, 도 1 내지 도 2b에 도시된 게이트 영역(240) 및 그 하부의 N형 웰(210)은 광전 변환 소자로 기능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단전자 트랜지스터에서, 포텐셜도를 도시한다. X축은 기판 바닥에서 상부 영역으로의 거리를 나타내며, Y축은 해당 위치의 전위를 나타낸다.
도 4의 a는 단전자 트랜지스터의 게이트 영역에 전자가 하나도 저장되지 않았을 때의 포텐셜도이고, b는 게이트 영역에 5개의 전자가 저장되었을 때의 포텐셜도이다.
도 4를 참조하면, a와 b의 전압 차이가 약 44meV임을 나타낸다. 즉, 5개의 전자에 의해 약 44meV의 전압차이가 나므로, 변환 이득(conversion gain)은 약 9meV/e이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단전자 트랜지스터에서, 게이트 영역에 저장된 전자의 수에 따라 변화된 전압을 낸다.
도 5를 참조하면, 전자가 하나 저장되었을 때에 약 9.5meV의 전압을 나타낸다, 두개의 전자가 저장되었을 때에 약 19meV의 전압을 나타낸다. 즉, 전자 하나 하나에 의하여 명확하게 전압이 변하기 때문에, 전자 단위로 센싱이 가능하다. 도 5에서는 전자가 하나 저장되었을 때에 약 9.5meV의 전압을 나타내므로, 변환 이득은 9.5meV/e가 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서에서는, 변환 이득이 1meV/e보다 크다. 따라서, 하나의 전자에 의해서도 센싱이 가능하여, 상당히 고감도의 이미지 센서를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 등가회로도이다.
도 6을 참조하면, 고감도 이미지 센서는 단전자 트랜지스터(200) 및 선택 트랜지스터(S)가 커플링되어 형성되고, 선택 트랜지스터(S)는 소스 팔로우 트랜지스터(F)와 연결된다. 즉, 고감도 이미지 센서는 단전자 트랜지스터(200), 선택 트랜지스터(S) 및 소스 팔로우 트랜지스터(F)가 하나의 픽셀을 구성한다.
단전자 트랜지스터(200)는 빛을 수광하며, 빛에 의해 형성된 전자를 센싱한다. 단전자 트랜지스터의 드레인으로는 드레인 전압(Vd)이 인가된다. 또한, 단전자 트랜지스터의 게이트에서는 수광된 빛의 양에 따라 전자를 제공하여 입력 전압(Vin)이 생성된다.
선택 트랜지스터(S)는 행 선택 라인(SEL)에 의해 제공되는 바이어스에 의해 턴온된다. 선택 트랜지스터(S)가 턴온되면, 단전자 트랜지스터(200)와 소스 팔로우 트랜지스터(F)가 전기적으로 연결될 수 있다. 소스 팔로우 트랜지스터(F)는 선택 트랜지스터(S)에 의해 단전자 트랜지스터(200)와 커플링된다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 센싱을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 리셋 동작을 설명한다. 리셋 동작이란 광전 변환에 의해 게이트 영역(240)에 저장된 전자를 모두 소거하는 것이다. 게이트 영역(240)에 저장된 전자를 모두 소거하기 위하여는, 서브 기판(100)에 1V이상의 전압을 가할 수 있다. 그러면, 전자는 서브 기판(100)으로 빠져나가게 된다. 또는, 소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)에 -1V의 전압을 인가할 수도 있다. 소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)에 -1V의 전압을 가하면, 전자는 채널 영역(250)을 경유하여, 소스 영역(220) 및 드레인 영역(230)으로 빠져나간다.
광전 변환 동작을 설명한다. 게이트 영역(240)에서 광전 변환이 일어날 때에는 드레인 영역(230), 소스 영역(220) 및 서브 기판(100)의 전압을 모두 OV로 하거나, 또는 게이트 영역(240)이 플로팅되어 고립되도록 한다. 그러면, 게이트 영역(240) 및 게이트 영역(240) 하부의 N형 웰(210)에서 형성된 전자는 게이트 영역(240)으로 모이고, 홀은 서브 기판(100)으로 흘러 나간다.
센싱 동작을 설명한다. 소스 팔로우 트랜지스터(F) 및 단전자 트랜지스터(200)를 포화 영역에서 동작시키면, 각 트랜지스터들은 게이트와 소스 사이의 전 압에 의해서만 제어된다. 따라서, 단전자 트랜지스터(200)에 인가된 입력 전압(Vin)에 비례하는 출력 전압(Vout)이 단전자 트랜지스터(200)의 소스 영역과 연결된 소스 팔로우 트랜지스터(F)의 소스에서 출력된다. 즉, 소스 팔로우 트랜지스터(F) 및 단전자 트랜지스터(200) 사이에 흐르는 전류는 같으므로, 입력 전압과 출력 전압 사이의 관계는 다음과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112009021839297-pat00001
∴
Figure 112009021839297-pat00002
즉, 출력 전압(Vout)은 입력 전압(Vin)에 비례한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서에 따르면, 단전자 트랜지스터는 광전 변환 소자로써 기능할 뿐 아니라, 센싱 소자로써 기능한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단면도이다.
도 8을 참조하면, N형 웰이 상부 N형 웰(212) 및 하부 N형 웰(214)로 구분되어 형성될 수 있다. 이 때, 상부 N형 웰(212)의 불순물 농도는 하부 N형 웰(214)의 불순물 농도보다 크게 형성된다.
또한, 하부 N형 웰(214)의 하부 영역에는 P형 웰(216, 218)이 형성될 수 있다. 즉, P형 서브 기판(100)만으로도 센서로 동작할 수 있지만, 성능을 보다 향상시키기 위하여 하부 N형 웰(214)의 하부 영역에 P형 웰(216, 218)을 형성할 수 있다. 또한, P형 웰(216, 218)은 상부 P형 웰(216) 및 하부 P형 웰(218)을 포함할 수 있다. 이 때, 상부 P형 웰(216)의 불순물 농도는 하부 P형 웰(218)의 불순물 농도보다 작게 형성된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 레이아웃도이다. 도 10은 도 9의 D-D'을 절단한 단면도이다. 도 11은 도 9의 E-E'을 절단한 단면도이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단전자 트랜지스터(200)는 N형 서브 기판(100) 상에 형성된 P형 웰(310)을 포함하고, P형 웰(310) 내에 서로 이격되어 형성된 소스 영역(320) 및 드레인 영역(330), 상기 소스 영역(320)과 드레인 영역(330) 사이의 P형 웰(310) 내에 플로팅되어 형성된 게이트 영역(340)을 포함한다.
소스 영역(320) 및 드레인 영역(330)은 P형 불순물 영역일 수 있고, 게이트 영역(340)은 N형 불순물 영역일 수 있다. 한편, 게이트 영역(340) 상부에는 P형 불순물 영역(350)이 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서를 구성하는 단전자 트랜지스터(202)에서는 게이트 영역(340) 하부의 P웰 영역(310)이 채널 영역으로 기능한다. 즉, 게이트 영역(340)을 둘러싸는 P웰 영역(310)이 채널 영역이 되어, 도 10에 도시된 화살표와 같이, 소스 영역(320)에서 드레인 영역(330)으로 채널이 형성된다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서도 도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서와 같이, P형 웰(310) 하부에 N형 웰을 더 포함할 수도 있으며, P형 웰(310)이 불순물 농도가 다른 복수개의 웰로 구성될 수도 있음은 물론이다.
도 12는 도 9의 F-F'을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 12를 참조하면, 게이트 영역(240)에 포텐셜 우물이 형성되어, 전자들이 저장될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 간략 회로도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서는 소스 팔로우 트랜지스터가 형성되지 않고, 대신에 소스 팔로우 저항(R)이 형성될 수 있다. 소스 팔로우 저항(R)이 형성된 경우, 다음과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112009021839297-pat00003
∴
Figure 112009021839297-pat00004
이상 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 레이아웃도이다.
도 2a는 도 1의 A-A'을 절단한 단면도이다.
도 2b는 도 1의 B-B'을 절단한 단면도이다.
도 3은 도 2a의 C-C'을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단전자 트랜지스터에서, 포텐셜도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단전자 트랜지스터에서, 게이트 영역에 저장된 전자의 수에 따라 변화된 전압을 낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 등가회로도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 센싱을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고감도 이미지 센서의 레이아웃도이다.
도 10은 도 9의 D-D'을 절단한 단면도이다.
도 11은 도 9의 E-E'을 절단한 단면도이다.
도 12는 도 9의 F-F'을 따라 도시한 포텐셜도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 간략 회로도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
100: 기판 200, 202: 단전자 트랜지스터
240, 340: 게이트 영역 250: 채널 영역

Claims (19)

  1. 제1 도전형의 기판 내에 형성된 단전자 트랜지스터(Single Electron Field Effect Transistor; SEFET)를 포함하는 픽셀을 포함하며,
    상기 단전자 트랜지스터는,
    상기 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 웰;
    상기 제1 웰 내에 소정 간격 이격되어 형성된 제1 도전형의 소스 영역 및 드레인 영역;
    상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 제1 웰 내에 형성된 제2 도전형 게이트 영역을 포함하고,
    상기 게이트 영역은 수광 영역인 고감도 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 소스 영역 및 드레인 영역을 연결하도록 상기 기판 내에 형성되며, 상기 게이트 영역 상부에 형성된 제1 도전형의 채널 영역을 더 포함하는 고감도 이미지 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 도전형은 P형이고, 상기 제2 도전형은 N형인 고감도 이미지 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 영역 상부에 형성된 제1 도전형 불순물 영역을 더 포함하는 고감도 이미지 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 사이의 상기 게이트 영역을 둘러싸는 제1 웰은 채널 영역으로 정의되는 고감도 이미지 센서.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 도전형은 N형이고, 상기 제2 도전형은 P형인 고감도 이미지 센서.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 웰은 상부 제1 웰 및 하부 제1 웰을 포함하며, 상기 상부 제1 웰의 농도는 상기 하부 제1 웰의 농도보다 큰 고감도 이미지 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 웰 하부에 형성된 제1 도전형의 제2 웰을 더 포함하는 고감도 이미지 센서.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 웰은 상부 제2 웰 및 하부 제2 웰을 포함하며, 상기 상부 제2 웰의 농도는 상기 하부 제2 웰의 농도보다 작은 고감도 이미지 센서.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 단전자 트랜지스터와 연결된 소스 팔로우 트랜지스터를 더 포함하는 고감도 이미지 센서.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 단전자 트랜지스터와 직렬로 연결된 소스 팔로우 저항을 더 포함하는 고감도 이미지 센서.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 게이트 영역으로 입사되는 빛은 입력 전압을 형성하고, 상기 소스 영역에서 검출되는 전압은 출력 전압인 고감도 이미지 센서.
  14. 빛을 수광하고, 수광된 빛의 양을 출력하는 단전자 트랜지스터;
    상기 단전자 트랜지스터와 커플링된 소스 팔로우 트랜지스터; 및
    상기 단전자 트랜지스터와 커플링된 선택 트랜지스터를 포함하여, 상기 단전자 트랜지스터와 상기 소스 팔로우 트랜지스터와 상기 선택 트랜지스터가 하나의 픽셀을 구성하는 고감도 이미지 센서.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 단전자 트랜지스터는,
    기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 웰 영역, 상기 제1 웰 영역 내에 소정 간격 이격되어 형성된 제1 도전형의 소스 영역 및 드레인 영역, 및 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 제1 웰 영역 내에 형성된 제2 도전형 게이트 영역을 포함하는 고감도 이미지 센서.
  16. 기판 내에 형성된 제2 도전형의 제1 웰, 상기 제1 웰 내에 소정 간격 이격되어 형성된 제1 도전형의 소스 영역 및 드레인 영역, 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 제1 웰 내에 형성된 제2 도전형 게이트 영역을 포함하는 단전자 트랜지스터 및 상기 단전자 트랜지스터와 커플링된 소스 팔로우 트랜지스터를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    상기 이미지 센서에 빛을 입사하고,
    상기 단전자 트랜지스터 및 상기 소스 팔로우 트랜지스터가 포화 영역에서 동작하도록 상기 이미지 센서를 제어하고,
    상기 소스 팔로우 트랜지스터와 연결되는 상기 단전자 트랜지스터의 소스 영역에서 출력되는 전압을 측정하는 것을 포함하는 고감도 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 이미지 센서에 빛을 입사할 때에는 상기 소스 영역, 상기 드레인 영역 및 상기 기판에 0V의 전압을 인가하는 고감도 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 기판에 1V 이상의 전압을 인가하여 상기 단전자 트랜지스터를 리셋하는 것을 더 포함하는 고감도 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역에 -1V 이상의 전압을 인가하여 상기 단전자 트랜지스터를 리셋하는 것을 더 포함하는 고감도 이미지 센서의 이미지 센싱 방법.
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