KR101621278B1 - 광 감지 장치 및 그 단위 픽셀 - Google Patents

Abstract

광 감지 장치의 단위 픽셀은 포토 게이트, 전송 게이트 및 플로팅 확산 영역을 포함한다. 포토 게이트는 제1 방향으로 연장된 접합 게이트 및 접합 게이트로부터 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 핑거 게이트들을 포함한다. 전송 게이트는 접합 게이트에 인접하여 형성되고, 플로팅 확산 영역은 전송 게이트에 인접하여 형성된다. 따라서, 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

광 감지 장치 및 그 단위 픽셀{Photo detecting apparatus and unit pixel thereof}

본 발명은 광 감지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 영상 및/또는 거리 정보를 감지하는 장치의 구조 및 그 단위 픽셀에 관한 것이다.

광 감지 장치는 광학 정보(optical information)를 통해 제공되는 영상(Image) 또는 거리(Distance, Depth) 정보를 전기적인 신호로 변환하는 장치이다.

그 응용 분야에 따라 보다 정밀하면서도 정확하게 원하는 정보를 제공하기 위한 노력이 진행 중이다. 그 중에서도 기존의 영상 정보에 거리 정보까지 제공하는 3차원 입체 영상 센서(3D Depth Image Sensor)에 대한 연구 및 개발이 최근 활발하게 진행되고 있다.

이러한 3차원 입체 영상 센서는 주로 기존의 CMOS 공정 기술을 이용하여 제조되는 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor, CIS)를 기반으로 한다. CIS의 각 픽셀은 입사광의 세기에 상응하는 전하가 생성되는 광 감지 영역(photo-detecting region) 및 상기 생성된 전하가 축적되는 플로팅 확산 영역(floating diffusion region)을 포함한다.

종래의 CIS에서는, 상기 광 감지 영역에서 생성된 전하 중 상기 플로팅 확산 영역으로 전송되지 않고, 상기 광 감지 영역에 잔류하는 전하에 의해 이미지 래그(lag) 현상이 발생되는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로의 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있는 광 감지 장치의 단위 픽셀을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치를 제공하는 것이다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀은 제1 포토 게이트, 제1 전송 게이트 및 제1 플로팅 확산 영역을 포함한다.

상기 제1 포토 게이트는 제1 방향으로 연장된 제1 접합 게이트 및 상기 제1 접합 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 제1 핑거 게이트들을 포함한다. 상기 제1 전송 게이트는 상기 제1 접합 게이트에 인접하여 형성된다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 제1 전송 게이트에 인접하여 형성된다.

상기 제1 접합 게이트는 상기 복수의 제1 핑거 게이트들의 하부에서 수집된 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송되는 경로를 제공할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 단위 픽셀은 상기 제1 전송 게이트에 인접하는 적어도 하나의 플로팅 확산 영역을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 단위 픽셀은, 상기 제1 포토 게이트로부터 이격되고 상기 제1 포토 게이트에 대칭되도록 배치되며, 상기 제1 방향으로 연장된 제2 접합 게이트 및 상기 제2 접합 게이트로부터 상기 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 핑거 게이트들을 포함하는 제2 포토 게이트, 상기 제2 접합 게이트에 인접하는 제2 전송 게이트, 및 상기 제2 전송 게이트에 인접하는 제2 플로팅 확산 영역을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 단위 픽셀은, 상기 제1 포토 게이트와 상기 제2 포토 게이트 사이에 형성된 채널 중지 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 채널 중지 영역은, 상기 제1 포토 게이트 하부 영역과 상기 제2 포토 게이트 하부 영역 사이에서 전위 장벽을 형성할 수 있다. 상기 채널 중지 영역은, 상기 제1 포토 게이트에 의해 수집된 전하들이 상기 제2 포토 게이트 하부로 전송되거나 상기 제2 포토 게이트에 의해 수집된 전하들이 상기 제1 포토 게이트 하부로 전송되는 것을 차단할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 단위 픽셀은, 상기 제1 접합 게이트와 상기 제1 전송 게이트 사이에 형성된 브릿징 확산 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 브릿징 확산 영역은, 상기 제1 포토 게이트에 의해 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가 질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 포토 게이트는 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide)을 포함할 수 있다. 상기 제1 포토 게이트는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide), 또는 아연 산화물(zinc oxide), 티타늄 산화물(titanium dioxide)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 포토 게이트는 반도체 기판의 상부에 형성되고, 상기 반도체 기판은, 상기 제1 포토 게이트가 놓이는 표면 방향으로 점차적으로 낮은 농도로 도핑된 에피택셜 층을 포함할 수 있다. 상기 에피택셜 층은 매립 채널을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 포토 게이트에는 집광 시간 동안 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이를 주기적으로 토글링하는 제1 제어 신호가 인가될 수 있다. 상기 제1 제어 신호가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 입사광에 의해 생성된 전하들이 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집되고, 상기 제1 제어 신호가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집된 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 전송 게이트에는 상기 집광 시간 동안 로직 하이 레벨과 로직 로우 레벨 사이의 일정한 레벨을 가지는 제2 제어 신호가 인가되고, 상기 제1 전송 게이트는 상기 제2 제어 신호에 응답하여 반 턴-온(half turned-on) 상태를 가질 수 있다. 상기 제1 전송 게이트는, 상기 제1 제어 신호가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집된 전하들이 상기 제1 플로 팅 확산 영역으로 전송되는 것을 차단하고, 상기 제1 제어 신호가 제2 로직 레벨을 가질 때, 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집된 전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송할 수 있다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀은 제1 및 제2 포토 게이트들, 제1 및 제2 전하 수집 영역들, 제1 및 제2 브릿징 확산 영역들, 제1 및 제2 전송 게이트들, 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들을 포함한다.

상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 서로 다른 위상을 가지는 제1 및 제2 제어 신호들에 응답하여 각각 온-오프된다. 상기 제1 및 제2 전하 수집 영역들은 상기 제1 및 제2 포토 게이트들의 온-오프 동작에 따라 입사광에 의해 생성된 전하들을 각각 수집한다. 상기 제1 및 제2 브릿징 확산 영역들은 상기 제1 및 제2 전하 수집 영역들에 각각 인접하여 형성된다. 상기 제1 및 제2 전송 게이트들은 제3 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들에는 상기 제1 및 제2 전하 수집 영역들에 수집된 전하가 상기 제1 및 제2 브릿징 확산 영역들 및 상기 제1 및 제2 전송 게이트들에 의해 생성된 제1 및 제2 전송 채널들을 통하여 각각 축적된다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 포토 게이트들 각각은, 제1 방향으로 연장된 접합 게이트 및 상기 접합 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 핑거 게이트들을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 포토 게이트들 각각은, 나선 형태를 가지는 적어도 하나의 나선 핑거 게이트를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 제어 신호들은 서로 반전된 위상을 가질 수 있다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀은 제1 및 제2 포토 게이트들, 제1 및 제2 전송 게이트들, 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들을 포함한다.

상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 서로 대칭되도록 배치되고, 나선 형태를 가지는 적어도 하나의 나선 핑거 게이트를 각각 포함한다. 상기 제1 및 제2 전송 게이트들은 상기 제1 및 제2 포토 게이트들에 각각 인접하여 형성된다. 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들은 상기 제1 및 제2 전송 게이트들에 각각 인접하여 형성된다.

일 실시예에서, 상기 나선 핑거 게이트는, 제1 방향으로 제1 길이를 가지도록 연장된 제1 게이트, 및 상기 제1 게이트의 일단으로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장되고, 상기 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 가지는 제2 게이트를 포함할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치는 광전 변환부 및 신호 처리부를 포함한다.

상기 광전 변환부는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 복수의 단위 픽셀들을 포함한다. 상기 신호 처리부는 상기 전기적 신호를 처리하여 데이터를 생성한다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은, 제1 방향으로 연장된 접합 게이트 및 상기 접합 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 핑거 게이트들을 포함하는 포토 게이트, 상기 접합 게이트에 인접하는 전송 게이트, 및 상기 전송 게이트에 인접하는 플로팅 확산 영역을 포함한다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀은 포토 게이트, 전하 수집 영역, 브릿징 확산 영역, 전송 게이트 및 플로팅 확산 영역을 포함한다.

상기 포토 게이트는 제1 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 전하 수집 영역은 상기 포토 게이트의 온-오프 동작에 따라 그 하부에 광 생성된 전하를 수집한다. 상기 브릿징 확산 영역은 상기 전하 수집 영역에 인접한다. 상기 전송 게이트는 제2 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 플로팅 확산 영역은 상기 전하 수집 영역에 수집된 전하가 상기 브릿징 확산 영역 및 상기 전송 게이트에 의해 생성된 전송 채널을 통하여 축적된다.

일 실시예에서, 상기 제1 제어 신호는, 집광 시간 동안 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이를 주기적으로 토글링할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 제어 신호가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 상기 전하 수집 영역은 상기 전하를 수집하고, 상기 제1 제어 신호가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 상기 브릿징 확산 영역은 상기 전하 수집 영역에서 상기 전송 채널로 상기 전하를 전송할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제2 제어 신호는, 집광 시간 동안 로직 하이 레벨과 로직 로우 레벨 사이의 로직 레벨을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전송 게이트는, 상기 제1 제어 신호가 제1 로직 레벨을 가질 때, 상기 전하 수집 영역에 수집된 전하가 상기 플로팅 확산 영역에 전송되는 것을 차단하고, 상기 제1 제어 신호가 제2 로직 레벨을 가질 때, 상기 전하 수집 영역에 수집된 전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전송할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치는 광전 변환부 및 신호 처리부를 포함한다.

상기 광전 변환부는 입사광을 전기적 신호로 변환하는 복수의 단위 픽셀들을 포함한다. 상기 신호 처리부는 상기 전기적 신호를 처리하여 데이터를 생성한다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은, 제1 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 포토 게이트, 상기 포토 게이트의 온-오프 동작에 따라 그 하부에 광 생성된 전하를 수집하기 위한 전하 수집 영역, 상기 전하 수집 영역에 인접하는 브릿징 확산 영역, 제2 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 전송 게이트, 및 상기 전하 수집 영역에 수집된 전하가 상기 브릿징 확산 영역 및 상기 전송 게이트에 의해 생성된 전송 채널을 통하여 축적되는 플로팅 확산 영역을 포함한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀 및 광 감지 장치는 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로의 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀 및 광 감지 장치는 이미지 품질을 향상시킬 수 있다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이 해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 단위 픽셀(100)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 서로 중첩되지 않게 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집(collect)하는 전하 수집 영역(120)을 반도체 기판(110) 내에 생성할 수 있다. 전하 수집 영역(120)은 반도체 기판(110)에서 입사 광자(incident photon)에 의해 생성된 전자-전공 쌍(electron-hole pair) 중 전자를 수집할 수 있다.

실시예에 따라, 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 폴리실리콘(polysilicon)을 포함하거나, 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide, TCO)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(zinc oxide, ZnO), 티타늄 산화물(titanium dioxide, TiO2), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

제1 포토 게이트(130)는 제1 방향으로 연장된 제1 접합 게이트(133), 및 제1 접합 게이트(133)로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)을 포함 할 수 있다. 제1 접합 게이트(133) 및 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)은 동일 층에서 일체로 형성되거나, 서로 다른 층에 형성되고 콘택(137)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 접합 게이트(133) 및 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)은 하부의 전하 수집 영역에서 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집할 수 있다. 제1 접합 게이트(133)는 각각의 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)의 하부에서 수집된 전하들이 전송되는 경로를 제공할 수 있다. 즉, 제1 접합 게이트(133)는 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)의 하부에서 수집된 전하들을 제1 접합 게이트(133)의 하부에서 합쳐지도록 하는 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 제1 접합 게이트(133)는 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)의 하부에서 수집된 전하들의 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

제2 포토 게이트(140)는 제2 접합 게이트(143) 및 복수의 제2 핑거 게이트들(141a, 141b, 141c, 141d, 141e)을 포함할 수 있다. 제2 포토 게이트(140)는 제1 포토 게이트(130)와 중첩되지 않으며, 제1 포토 게이트(130)에 점대칭 되도록 배치될 수 있다. 또한, 제2 핑거 게이트들(141a, 141b, 141c, 141d, 141e) 각각은 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e) 및 제2 핑거 게이트들(141a, 141b, 141c, 141d, 141e)이 교번하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이의 불균형으로 인한 데이터 에러를 감소시킬 수 있다.

일 예에서, 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e) 및 제2 핑거 게이트들(141a, 141b, 141c, 141d, 141e) 각각은 약 0.25 내지 약 1 μm의 폭 및 약 3 내지 약 30 μm의 길이를 가질 수 있다. 인접한 제1 핑거 게이트와 제2 핑거 게이트는 약 0.25 내지 약 3 μm의 간격을 가질 수 있다. 제1 접합 게이트(133) 및 제2 접합 게이트(143) 각각은 약 1 μm의 폭 및 약 3 내지 약 30 μm의 길이를 가질 수 있다. 이러한 핑거 게이트 및 접합 게이트의 폭, 길이 및 간격은 단위 픽셀의 크기, 디자인 룰 등에 따라 변경될 수 있다. 또한, 도 1에는 각각의 포토 게이트가 5개의 핑거 게이트들을 포함하는 예가 도시되어 있으나, 핑거 게이트들의 수는 픽셀의 크기, 디자인 룰 등에 따라 변경될 수 있다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에는 콘택들(137, 147)이 각각 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에는 콘택들(137, 147)을 통하여 제어 신호들이 각각 인가될 수 있다. 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 상기 제어 신호들에 응답하여 전하 수집 영역(120)을 생성할 수 있다.

제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제1 전송 게이트(151)는 제1 접합 게이트(133)와 제1 플로팅 확산 영역(153) 사이에 배치되고, 제2 전송 게이트(161)는 제2 접합 게이트(143)와 제2 플로팅 확산 영역(163) 사이에 배치될 수 있다. 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 제1 포토 게이트(130)에 의해 수집된 전하들 및 제2 포토 게이트(140)에 의해 수집된 전하들을 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 각각 전송할 수 있다.

제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)이 제1 접합 게이트(133)에 연결되고, 제1 전송 게이트(151)가 제1 접합 게이트(133)에 인접하여 형성되므로, 제1 접합 게이트(133) 및 제1 전송 게이트(151)는 각각의 제1 핑거 게이트들(131a, 131b, 131c, 131d, 131e)의 하부에서 수집된 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송되는 경로를 제공할 수 있다. 또한, 제2 접합 게이트(143) 및 제2 전송 게이트(161)는 각각의 제2 핑거 게이트들(141a, 141b, 141c, 141d, 141e)의 하부에서 수집된 전하들이 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되는 경로를 제공할 수 있다. 이에 따라, 단위 픽셀(100)은, 각 포토 게이트가 다수의 핑거 게이트들을 포함하더라도, 하프-픽셀 마다 하나의 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있다. 게다가, 단위 픽셀(100)이 적은 수의 플로팅 확산 영역을 포함하는 경우, 필 팩터(fill factor)가 향상되고, 암 전류(dark current) 및 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)가 감소될 수 있다.

제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)은 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)에 의해 전송된 전하들을 각각 축적할 수 있다. 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호들을 각각 출력할 수 있다. 예를 들어, 제1 출력부(170)는 제1 플로팅 확산 영역(153)에 축적된 전하들을 방전하는 제1 리셋 트랜지스터(171), 제1 플로팅 확산 영역(153)의 전압을 증폭하는 제1 드라이브 트랜지스터(173), 및 제1 드라이브 트랜지스터(173)에 의해 증폭 된 전압을 제1 컬럼 라인으로 출력하는 제1 선택 트랜지스터(175)를 포함하고, 제2 출력부(180)는 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들을 방전하는 제2 리셋 트랜지스터(181), 제2 플로팅 확산 영역(163)의 전압을 증폭하는 제2 드라이브 트랜지스터(183), 및 제2 드라이브 트랜지스터(183)에 의해 증폭된 전압을 제2 컬럼 라인으로 출력하는 제2 선택 트랜지스터(185)를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 핑거 게이트들이 접합 게이트로부터 연장되고, 전송 게이트가 접합 게이트에 인접하여 형성되므로, 단위 픽셀(100)은 하프-픽셀 마다 하나의 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있고, 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

도 2는 I-I’에 의해 절단한 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이고, 도 3은 II-II’에 의해 절단한 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 2에는, 제1 핑거 게이트(131c)의 길이 방향으로 절단한 단위 픽셀(100)의 예가 도시되어 있다. 도 3에는, 제1 접합 게이트(133)의 길이 방향으로 절단한 단위 픽셀(100)의 예가 도시되어 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 포토 게이트(130)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제1 포토 게이트(130) 상에는 제어 신호가 인가되는 콘택(137)이 형성될 수 있다. 제1 전송 게이트(151)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제1 포토 게이트(130)에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 전송 게이트(151) 상에는 제어 신호가 인가되는 콘택이 형성될 수 있다. 제1 플로팅 확산 영역(153)은 반도체 기판(110) 내에 제1 전송 게이트(151)에 인접하여 형성될 수 있 다. 제1 전송 게이트(151) 상에는 도 1의 제1 드라이브 트랜지스터(173)의 게이트와 연결된 콘택이 형성될 수 있다. 제1 리셋 트랜지스터(171)는 리셋 신호가 인가되는 콘택이 형성된 게이트(RG1), 리셋 전원 전압이 연결된 드레인 및 소스(153)를 가질 수 있다.

제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제2 포토 게이트(140) 상에는 제어 신호가 인가되는 콘택(147)이 형성될 수 있다. 제2 전송 게이트(161)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제2 포토 게이트(140)에 인접하여 형성될 수 있다. 제2 전송 게이트(161) 상에는 제어 신호가 인가되는 콘택이 형성될 수 있다.

도 4는 I-I’에 의해 절단한 도 1의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 4에는, 제1 핑거 게이트(131c)의 길이 방향으로 절단한 단위 픽셀(100)의 예가 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 단위 픽셀(100)은 반도체 기판(110) 내에 형성된 제1 매립 채널(buried channel, 112a) 및 제2 매립 채널(112b)을 더 포함할 수 있다. 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)가 놓이는(overlain) 표면 근처에 형성될 수 있다. 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)은 n 타입의 불순물로 도핑될 수 있다. 제1 매립 채널(112a)은 제1 포토 게이트(130)의 하부 및 제1 포토 게이트(130)와 제1 전송 게이트(151) 사이의 기판 영역에 형성될 수 있고, 제2 매립 채 널(112b)은 제2 포토 게이트(140)의 하부 및 제2 포토 게이트(140)와 제2 전송 게이트(161) 사이의 기판 영역에 형성될 수 있다.

단위 픽셀(100)은 반도체 기판(110) 내에 제1 매립 채널(112a)과 제1 포토 게이트(130) 사이에 형성된 제1 p형 도핑 영역(113a) 및 제2 매립 채널(112b)과 제2 포토 게이트(140) 사이에 형성된 제2 p형 도핑 영역(113b)을 더 포함할 수 있다.

도 5는 도 1의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 5를 참조하면, 단위 픽셀(100)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에는 집광 시간(integration time) 동안 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이에서 주기적으로 토글링하는 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)가 각각 인가될 수 있다. 상기 집광 시간 동안의 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)는 주기적인 전압으로서, 예를 들어 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 트레인 전압, 사인 전압, 코사인 전압 등일 수 있다.

제1 포토 게이트(130) 하부의 제1 전하 수집 영역(121)은, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집하고, 제2 포토 게이트(140) 하부의 제2 전하 수집 영역(122)은, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 반도체 기판(110)에서 생성된 전하 들을 수집할 수 있다.

상기 집광 시간 동안, 제1 제어 신호(PGCS1)와 제2 제어 신호(PGCS2)는 서로 다른 위상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 제어 신호(PGCS2)는 제1 제어 신호(PGCS1)에 대하여 반전된 위상을 가질 수 있다. 즉, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨을 가지고, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 제2 제어 신호(PGCS2)는 상기 제1 로직 레벨을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140)는 선택적으로 턴-온되고, 제1 전하 수집 영역(121) 및 제2 전하 수집 영역(122)은 선택적으로 전하들을 수집할 수 있다.

단위 픽셀(100)을 포함하는 광 감지 장치는 선택적으로 턴-온되는 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)을 이용하여 거리 정보를 감지할 수 있다. 상기 광 감지 장치는 소정의 파장을 가진 광을 출력하는 발광 장치, 예를 들어 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등을 포함할 수 있다. 상기 광 감지 장치는 상기 발광 장치를 주기적으로 턴-온 및 턴-오프 시킴으로써, 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 광을 송신하며, 송신 광이 피사체에 의해 반사된 광을 수신할 수 있다. 상기 수신 광은 상기 송신 광에 대하여 광의 비행 시간(time of flight, TOF)만큼 지연된다. 상기 광 감지 장치는 TOF를 측정함으로써 상기 피사체까지의 거리를 측정할 수 있다.

상기 광 감지 장치는 제1 전하 수집 영역(121)이 수집하는 전하들과 2 전하 수집 영역(122)이 수집하는 전하들의 비를 이용하여 수신 광의 송신 광에 대한 지 연 시간, 즉 TOF 또는 지연 위상을 측정할 수 있다. 예를 들어, 제1 제어 신호(PGCS1)는 상기 송신 광의 세기와 동일한 위상을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)는 상기 송신 광의 세기에 대하여 반전된 위상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 TOF가 증가할수록, 제1 포토 게이트(130)가 턴-온될 때 제1 전하 수집 영역(121)에 의해 수집되는 전하들이 감소하고, 제2 포토 게이트(140)가 턴-온될 때 제2 전하 수집 영역(122)에 의해 수집되는 전하들이 증가한다. 즉, 상기 TOF가 클수록, 상기 비가 감소한다. 따라서, 상기 광 감지 장치는 상기 TOF를 측정하도록 상기 비를 계산할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 감지 장치는 상기 광 감지 장치로부터 상기 피사체까지의 거리를 D, 빛의 속도를 c라 하면, 수학식 D = TOF*c/2를 이용하여 상기 광 감지 장치로부터 상기 피사체까지의 거리를 계산할 수 있다.

제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)에는 상기 집광 시간 동안 일정한 전압 레벨을 가지는 제3 제어 신호(TGCS)가 공통적으로 인가될 수 있다. 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 제3 제어 신호(TGCS)에 의해 제어되어 제1 전하 수집 영역(121)과 제1 플로팅 확산 영역(153) 사이 및 제2 전하 수집 영역(122)과 제2 플로팅 확산 영역(163) 사이에 전송 채널들을 각각 형성할 수 있다.

제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)은 반도체 기판(110) 내에 형성된다. 일 예에서, 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)은 n 타입의 불순물로 높게(높은 농도로) 도핑될 수 있다. 제1 플로팅 확산 영역(153)은, 제1 전하 수집 영역(121)에서 수집되고, 제1 전송 게이트(151) 하부(under)의 전송 채널을 통하여 전송된 전하들을 축적할 수 있다. 또한, 제2 플로팅 확산 영역(163)은, 제2 전하 수집 영역(122)에 수집되고, 제2 전송 게이트(161) 하부(under)의 전송 채널을 통하여 전송된 전하들을 축적할 수 있다.

제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호들을 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)에 각각 출력할 수 있다. 제1 출력부(170)는 제1 리셋 트랜지스터(171), 제1 드라이브 트랜지스터(173), 및 제1 선택 트랜지스터(175)를 포함하고, 제2 출력부(180)는 제2 리셋 트랜지스터(181), 제2 드라이브 트랜지스터(183), 및 제2 선택 트랜지스터(185)를 포함할 수 있다.

제1 리셋 트랜지스터(171) 및 제2 리셋 트랜지스터(181)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(153)에 축적된 전하들 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들을 각각 방전한다. 제1 리셋 트랜지스터(171)는 리셋 신호(RST)가 인가되는 게이트 단자, 리셋 전원 전압(VRST)이 연결된 제1 단자 및 제1 플로팅 확산 영역(153)에 연결된 제2 단자를 가지고, 제2 리셋 트랜지스터(181)는 리셋 신호(RST)가 인가되는 게이트 단자, 리셋 전원 전압(VRST)이 연결된 제1 단자 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 연결된 제2 단자를 가질 수 있다.

제1 드라이브 트랜지스터(173) 및 제2 드라이브 트랜지스터(183)는 제1 플로팅 확산 영역(153)의 전압 및 제2 플로팅 확산 영역(163)의 전압을 각각 증폭한다. 제1 드라이브 트랜지스터(173)는 제1 플로팅 확산 영역(153)에 연결된 게이트 단자, 전원 전압(VDD)에 연결된 제1 단자 및 제1 선택 트랜지스터(175)의 제1 단자에 연결된 제2 단자를 가지고, 제2 드라이브 트랜지스터(183)는 제2 플로팅 확산 영역(163)에 연결된 게이트 단자, 전원 전압(VDD)에 연결된 제1 단자 및 제2 선택 트랜지스터(185)의 제1 단자에 연결된 제2 단자를 가질 수 있다.

제1 선택 트랜지스터(175) 및 제2 선택 트랜지스터(185)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 제1 드라이브 트랜지스터(173)에 의해 증폭된 전압 및 제2 드라이브 트랜지스터(183)에 의해 증폭된 전압을 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)으로 각각 출력한다. 제1 선택 트랜지스터(175)는 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 단자, 제1 드라이브 트랜지스터(173)의 상기 제2 단자가 연결된 제1 단자 및 제1 컬럼 라인(177)에 연결된 제2 단자를 가지고, 제2 선택 트랜지스터(185)는 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 단자, 제2 드라이브 트랜지스터(183)의 상기 제2 단자가 연결된 제1 단자 및 제2 컬럼 라인(187)에 연결된 제2 단자를 가질 수 있다.

도 5에는 각 하프-픽셀이 하나의 출력부를 가지는 단위 픽셀이 도시되어 있으나, 실시예에 따라 출력부의 일부 또는 전부는 복수의 하프-픽셀들에 의해 공유될 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 반도체 기판의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 반도체 기판(110a)은 에피택셜 층(epitaxial layer, 111)을 포함할 수 있다. 에피택셜 층(111)은 벌크 기판 상에 포토 게이트(130)가 놓이는(overlain) 표면 방향으로 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 에피택셜 층(111)은 반도체 기판(110a)에서 생성된 전하들이 전하 수집 영역(121)의 채널(예를 들어, 표면 채널(surface channel) 또는 매립 채널(buried channel))로 이동하는 속도(즉, 수직 이동 속도)를 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 에피택셜 층(111)은 p 타입의 불순물로 도핑될 수 있다.

반도체 기판(110a)은 에피택셜 층(111) 내에 형성된 매립 채널(buried channel, 112)을 더욱 포함할 수 있다. 매립 채널(112)은 전하 수집 영역(121)에 수집된 전하들이 전송 게이트 하부로 이동하는 속도(즉, 수평 이동 속도)를 증가시킬 수 있다. 여기서, 매립 채널(112)은 n 타입의 불순물로 낮게(낮은 농도로) 도핑될 수 있다.

반도체 기판(110a)이 에피택셜 층(111) 및 매립 채널(112)을 포함하는 경우, 전하 수집(charge collection) 효율 및 전하 전송(charge transfer) 효율이 더욱 향상될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.

도 5 및 도 7을 참조하면, 집광 시간 동안, 제1 전하 수집 영역(121) 및 제2 전하 수집 영역(122)은 반도체 기판(110) 내에 생성된 전하들을 수집하고, 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송한다(단계 S210). 일 예에서, 제1 전하 수집 영역(121) 및 제2 전하 수집 영역(122)이 전하들을 수집하기 직전에 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)이 제1 리셋 트랜지스터(171) 및 제2 리셋 트랜지스터(181)에 의해 리셋될 수 있다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 주기적으로 토글링하는 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)에 의해 각각 제어된다. 제1 제어 신 호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)는 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이에서 주기적으로 천이하는 신호로서, 펄스 파, 사인 파, 코사인 파 등과 같은 파형을 가질 수 있다. 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)는 서로 반전된 위상을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140)는 선택적으로 턴-온될 수 있다.

제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨(예를 들어, 로직 하이 레벨)을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨(예를 들어, 로직 로우 레벨)을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)가 턴-온되어 제1 전하 수집 영역(121)이 반도체 기판(110) 내에 생성된 전하들을 수집하고, 제2 포토 게이트(140)가 턴-오프되어 제2 전하 수집 영역(122)에서 수집된 전하들이 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송된다.

제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제2 로직 레벨을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)가 턴-오프되어 제1 전하 수집 영역(121)에서 수집된 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송되고, 제2 포토 게이트(140)가 턴-온되어 제2 전하 수집 영역(122)이 반도체 기판(110) 내에 생성된 전하들을 수집한다.

이에 따라, 각 하프 픽셀은 상기 집광 시간 동안 전하 수집 및 전하 전송을 주기적으로 반복할 수 있다.

이러한 집광 시간이 지나면, 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)에 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들에 상응하는 제1 및 제2 데이터 전압들을 각각 출력한다(단계 S230).

제1 드라이브 트랜지스터(173)는 제1 플로팅 확산 영역(153)에 축적된 전하들에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 제1 데이터 전압을 생성하고, 제1 선택 트랜지스터(175)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 제1 데이터 전압을 제1 컬럼 라인(177)으로 출력할 수 있다. 또한, 제2 드라이브 트랜지스터(183)는 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 제2 데이터 전압을 생성하고, 제2 선택 트랜지스터(185)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 제2 데이터 전압을 제2 컬럼 라인(187)으로 출력할 수 있다.

제1 및 제2 데이터 전압들이 출력된 후, 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)에 제1 및 제2 리셋 전압들을 각각 출력한다(단계 S250).

제1 리셋 트랜지스터(171) 및 제2 리셋 트랜지스터(181)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)을 리셋한다. 즉, 제1 리셋 트랜지스터(171) 및 제2 리셋 트랜지스터(181)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 턴-온되고, 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)을 리셋 전원 전압(VRST)에 연결함으로써, 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들을 방전시킨다.

제1 드라이브 트랜지스터(173)는 리셋된 제1 플로팅 확산 영역(153)의 전압을 증폭하여 상기 제1 리셋 전압을 생성하고, 제1 선택 트랜지스터(175)는 선택 신 호(SEL)에 응답하여 상기 제1 리셋 전압을 제1 컬럼 라인(177)으로 출력할 수 있다. 또한, 제2 드라이브 트랜지스터(183)는 리셋된 제2 플로팅 확산 영역(163)의 전압을 증폭하여 상기 제2 리셋 전압을 생성하고, 제2 선택 트랜지스터(185)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 제2 리셋 전압을 제2 컬럼 라인(187)으로 출력할 수 있다.

일 실시예에 따른 방법에 의해 구동되는 광 감지 장치는 데이터 전압과 리셋 전압의 차에 기초한 상관 이중 샘플링을 수행하여 이미지 및/또는 거리 정보를 생성함으로써, 노이즈를 감소시키고 이미지 및/또는 거리 정보의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 8은 도 7의 구동 방법에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 송신 광 세기, 수신 광 세기 및 제어 신호들을 나타내는 타이밍도이다.

도 5 및 도 8을 참조하면, 집광 시간 동안, 단위 픽셀(100)을 포함하는 광 감지 장치는 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 송신 광(TX)을 방사(emit)할 수 있다. 예를 들어, 상기 광 감지 장치는 약 10 내지 약 200 MHz의 주파수로 발광 장치를 턴-온 및 턴-오프시킴으로써 광의 송신 및 비-송신을 주기적으로 반복할 수 있다.

송신 광(TX)은 피사체에 의해 반사되어 수신 광(RX)으로서 상기 광 감지 장치에 도달한다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(TOF)만큼 지연된다. 예를 들어, 상기 광 감지 장치는 송신된 광자들(310)이 TOF(즉, t2 ? t1 또는 t4 ? t3)만큼 지연된 광자들(320)을 수신할 수 있다.

상기 집광 시간 동안, 제1 제어 신호(PGCS1)는 송신 광(TX)의 세기와 동일한 위상을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)는 송신 광(RX)의 세기에 대하여 반전된 위상, 즉 180도만큼 지연된 위상을 가질 수 있다. 이에 따라, 수신된 광자들(320)에 의해 생성된 전하들의 일부는 제1 제어 신호(PGCS1)가 제1 로직 레벨(330)을 가질 때 제1 전하 수집 영역(121)에 수집된다. 또한, 수신된 광자들(320)에 의해 생성된 전하들의 다른 일부는 제2 제어 신호(PGCS2)가 제1 로직 레벨(340)을 가질 때 제2 전하 수집 영역(122)에 수집될 수 있다. 일 예에서, 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)의 상기 제1 로직 레벨은 약 3V이고, 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)의 상기 제2 로직 레벨은 약 0V일 수 있다.

TOF에 따라 제1 전하 수집 영역(121)이 수집하는 전하들과 제2 전하 수집 영역(122)이 수집하는 전하들의 비가 변경된다. 예를 들어, 수신 광(RX)의 송신 광(TX)에 대하여 지연되는 시간이 길수록, 제1 전하 수집 영역(121)이 수집하는 전하들이 감소하고, 제2 전하 수집 영역(122)이 수집하는 전하들이 증가한다. 이에 따라, 상기 광 감지 장치는 제1 전하 수집 영역(121)이 수집하는 전하들과 제2 전하 수집 영역(122)이 수집하는 전하들의 비를 이용하여 수신 광(RX)의 송신 광(TX)에 대한 지연 시간, 즉 TOF를 측정할 수 있다.

또한, 상기 광 감지 장치로부터 상기 피사체까지의 거리를 D, 빛의 속도를 c라 하면, 수학식 D = TOF*c/2를 이용하여 D가 계산될 수 있다. 이에 따라, 상기 광 감지 장치는 상기 피사체에 대한 거리 정보를 검출할 수 있다. 게다가, 상기 광 감지 장치는 제1 포토 게이트(130)를 포함하는 제1 하프-픽셀에 의한 데이터 및 제2 포토 게이트(140)를 포함하는 제2 하프-픽셀에 의한 데이터를 이용하여 이미지 정보를 검출할 수 있다. 예를 들어, 상기 광 감지 장치는 제1 하프-픽셀에 의한 데이터 및 제2 하프-픽셀에 의한 데이터를 합산함으로써 상기 이미지 정보를 생성할 수 있다.

상기 집광 시간 동안, 제3 제어 신호(TGCS)는 로직 하이 레벨과 로직 로우 레벨 사이의 일정한 전압 레벨을 가질 수 있다. 일 예에서, 제3 제어 신호(TGCS)의 상기 로직 하이 레벨은 약 2V이고, 제3 제어 신호(TGCS)의 상기 로직 로우 레벨은 약 0V이며, 제3 제어 신호(TGCS)의 상기 일정한 전압 레벨을 약 0.5 내지 약 1V일 수 있다. 이에 따라, 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 완전히 턴-온되거나, 완전히 턴-오프되지 않은 반 턴-온(half turned-on) 상태를 가질 수 있다.

반 턴-온된 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)에 의해 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역은, 턴-온된 포토 게이트 하부의 기판 영역에 대하여 전위 장벽(potential barrier)의 역할을 수행하고, 턴-오프된 포토 게이트 하부의 기판 영역에 대하여 전송 채널의 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때 제1 전하 수집 영역(121)은 전하 수집을 수행하고, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때 제1 전하 수집 영역(121)에 수신된 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송될 수 있다. 또한, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때 제2 전하 수집 영역(122)은 전하를 수집하고, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상 기 제2 로직 레벨을 가질 때 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들이 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송될 수 있다.

독출 시간 동안, 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에는 상기 제2 로직 레벨을 가지는 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)가 인가될 수 있다. 도 8에는 상기 독출 시간 동안의 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨을 가지는 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라 상기 독출 시간 동안의 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)는 상기 제1 로직 레벨을 가지거나, 변동하는 전압 레벨을 가질 수 있다. 상기 독출 시간 동안, 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)이 일정한 전압 레벨을 가지는 경우, 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에 의한 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 대한 간섭이 억제될 수 있다.

상기 독출 시간 동안, 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)에는 상기 로직 로우 레벨을 가지는 제3 제어 신호(TGCS)가 인가될 수 있다. 제3 제어 신호(TGCS)가 상기 로직 로우 레벨을 가짐으로써, 제1 전송 게이트(151) 하부의 기판 영역은 제1 포토 게이트(130) 하부의 기판 영역에서 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 또는 제1 플로팅 확산 영역(153)에서 제1 포토 게이트(130) 하부의 기판 영역으로 전하들이 이동하지 않도록 전위 장벽을 형성할 수 있고, 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역은 제2 포토 게이트(140) 하부의 기판 영역에서 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 또는 제2 플로팅 확산 영역(163)에서 제2 포토 게이트(140) 하부의 기판 영역으로 전하들이 이동하지 않도록 전위 장벽을 형성할 수 있다.

상기 독출 시간 동안, 제1 플로팅 확산 영역(153)에 축적된 전하들에 상응하는 제1 데이터 전압 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들에 상응하는 제2 데이터 전압이 출력되고, 리셋된 제1 플로팅 확산 영역(153)의 전압에 상응하는 제1 리셋 전압 및 리셋된 제2 플로팅 확산 영역(163)의 전압에 상응하는 제2 리셋 전압이 출력될 수 있다.

단위 픽셀(100)을 포함하는 광 감지 장치는 상기 제1 데이터 전압과 상기 제1 리셋 전압의 차 및 상기 제2 데이터 전압과 상기 제2 리셋 전압의 차에 기초하여 이미지 및/또는 거리 정보를 생성함으로써, 노이즈를 감소시키고 이미지 및/또는 거리 정보의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 8에는 송신 광(TX)의 세기, 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 집광 시간 동안 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 트레인인 예가 도시되어 있으나, 다른 실시예에서 상기 집광 시간 동안의 송신 광(TX)의 세기, 제1 제어 신호(PGV1) 및 제2 제어 신호(PGV2)는 제1 로직 레벨 및 제2 로직 레벨 사이를 주기적으로 천이하는 신호로서, 사인 신호, 코사인 신호 등일 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 도 7의 구동 방법에 따른 도 1의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면들이다.

도 9a 및 도 9b에는 제1 전하 수집 영역 및 제2 전하 수집 영역이 전자들을 수집할 때의 단위 픽셀의 전위 레벨들의 예들이 도시되어 있다. 여기서, Y축의 양의 방향은 전위 레벨이 낮아지는 방향이다.

도 9a에는, 도 8의 제1 제어 신호(PGCS1)가 제1 로직 레벨을 가지고, 제2 제 어 신호(PGCS2)가 제2 로직 레벨을 가지는 시간(t2 내지 t3)에서 도 1 내지 도 5의 단위 픽셀(100)의 전위 레벨의 예가 도시되어 있다.

도 1, 도 5 및 도 9a를 참조하면, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)에 의해 생성된 제1 전하 수집 영역(121)은 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집한다.

제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역(즉, 전송 채널)은 제2 포토 게이트(140) 하부의 기판 영역(즉, 제2 전하 수집 영역(122)) 보다 높은 전위 레벨을 가진다. 이에 따라, 제2 전하 수집 영역(122)에서 이전에 수집된 전하들이 상기 전송 채널을 통하여 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되어 축적된다.

이와 같이, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)를 포함하는 제1 하프-픽셀은 전하 수집을 수행하고, 제2 포토 게이트(140)를 포함하는 제2 하프-픽셀은 전하 전송을 수행할 수 있다.

도 9b에는, 도 8의 제1 제어 신호(PGCS1)가 제2 로직 레벨을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)가 제1 로직 레벨을 가지는 시간(t3 내지 t4)에서 도 1 내지 도 5의 단위 픽셀(100)의 전위 레벨의 예가 도시되어 있다.

도 1, 도 5 및 도 9b를 참조하면, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 제1 전송 게이트(151) 하부의 기판 영역(즉, 전송 채널)은 제1 포토 게이트(130) 하부의 기판 영역(즉, 제1 전하 수집 영역(121)) 보다 높은 전위 레벨 을 가진다. 이에 따라, 제1 전하 수집 영역(121)에서 이전에 수집된 전하들이 상기 전송 채널을 통하여 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송되어 축적된다.

제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제2 포토 게이트(140)에 의해 생성된 제2 전하 수집 영역(122)은 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집한다.

이와 같이, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제2 로직 레벨을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)를 포함하는 제1 하프-픽셀은 전하 전송을 수행하고, 제2 포토 게이트(140)를 포함하는 제2 하프-픽셀은 전하 수집을 수행할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 형성하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1 및 도 10을 참조하면, 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)가 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다(단계 S810). 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 서로 중첩되지 않고, 대칭되도록 배치될 수 있다. 실시예에 따라, 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 폴리실리콘(polysilicon)을 포함하거나, 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide, TCO)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(zinc oxide, ZnO), 티타늄 산화물(titanium dioxide, TiO2), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)가 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다(단계 S830). 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에 각각 인접하여 형성될 수 있다.

제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)은 반도체 기판(110) 내에 형성된다(단계 S850). 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)은 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)에 각각 인접하여 형성될 수 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 11을 참조하면, 단위 픽셀(100a)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)를 포함한다. 단위 픽셀(100a)은 도 1의 단위 픽셀(100)과 비교하여 전송 게이트들 없이 구현될 수 있다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 서로 중첩되지 않고, 대칭되게 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(130)는 제1 방향으로 연장된 제1 접합 게이트, 및 제1 접합 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제1 핑거 게이트들을 포함하고, 제2 포토 게이트(140)는 상기 제1 방향으로 연장된 제2 접합 게이트 및 상기 제2 접합 게이트로부터 상기 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제2 핑거 게이트들을 포함할 수 있다.

제1 플로팅 확산 영역(153)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130)에 인접하여 형성되고, 제2 플로팅 확산 영역(163)은 반도체 기판(110) 내에 제2 포토 게이트(140)에 인접하여 형성된다. 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)은 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에 의해 수집된 전하들을 축적한다.

제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호들을 각각 출력할 수 있다.

도 12는 I-I’에 의해 절단한 도 11의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 12를 참조하면, 제1 포토 게이트(130)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제1 플로팅 확산 영역(153)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130)에 인접하여 형성될 수 있다. 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성될 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 13을 참조하면, 단위 픽셀(100b)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 복수의 제1 플로팅 확산 영역들(153a, 153b, 153c), 복수의 제2 플로팅 확산 영역들(163a, 163b, 163c), 제 1 출력부(170a) 및 제2 출력부(180a)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 서로 중첩되지 않고, 대칭되게 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(130)는 제1 방향으로 연장된 제1 접합 게이트, 및 제1 접합 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제1 핑거 게이트들을 포함하고, 제2 포토 게이트(140)는 상기 제1 방향으로 연장된 제2 접합 게이트 및 상기 제2 접합 게이트로부터 상기 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제2 핑거 게이트들을 포함할 수 있다.

제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제1 전송 게이트(151)는 상기 제1 접합 게이트에 인접하게 배치되고, 제1 전송 게이트(151)는 상기 제2 접합 게이트에 인접하게 배치된다.

복수의 제1 플로팅 확산 영역들(153a, 153b, 153c)이 반도체 기판(110) 내에 제1 전송 게이트(151)에 인접하여 형성되고, 복수의 제2 플로팅 확산 영역들(163a, 163b, 163c)이 반도체 기판(110) 내에 제2 전송 게이트(161)에 인접하여 형성된다. 각 하프-픽셀이 복수 개의 플로팅 확산 영역들을 포함하는 경우, 각 하프-픽셀의 전하 축적 용량이 증가될 수 있다. 이와는 달리, 상기 전하 축적 용량을 증가시키기 위하여, 각 하프-픽셀은 하나의 플로팅 확산 영역을 포함하고, 상기 플로팅 확산 영역에 연결된 커패시터를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 커패시터는 단위 픽셀(100b)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있고, MOS(metal-oxide-semiconductor) 커패시터, MIM(metal-insulator-metal) 커패시터 등일 수 있다.

제1 출력부(170a) 및 제2 출력부(180a)는 복수의 제1 플로팅 확산 영역들(153a, 153b, 153c) 및 복수의 제2 플로팅 확산 영역들(163a, 163b, 163c)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호들을 각각 출력할 수 있다. 제1 출력부(170a)는 복수의 제1 플로팅 확산 영역들(153a, 153b, 153c)에 축적된 전하들을 각각 방전하기 위한 복수의 제1 리셋 트랜지스터들(171a, 171b, 171c)을 포함하고, 제2 출력부(180a)는 복수의 제2 플로팅 확산 영역들(163a, 163b, 163c)에 축적된 전하들을 각각 방전하기 위한 복수의 제2 리셋 트랜지스터들(181a, 181b, 181c)을 포함할 수 있다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 14를 참조하면, 단위 픽셀(100c)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170), 제2 출력부(180) 및 채널 중지 영역(190)을 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 서로 중첩되지 않고, 대칭되게 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(130)는 제1 방향으로 연장된 제1 접합 게이트, 및 제1 접합 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제1 핑거 게이트들을 포함하고, 제2 포토 게이트(140)는 상기 제1 방향으로 연장된 제2 접합 게이트 및 상기 제2 접합 게이트로부터 상기 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제2 핑거 게이트들을 포함할 수 있다.

제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이의 반도체 기판(110) 내에 채널 중지 영역(190)이 형성될 수 있다. 즉, 채널 중지 영역(190)은 제1 포토 게이트(130)에 의해 생성되는 제1 전하 수집 영역과 제2 포토 게이트(140)에 의해 생성되는 제2 전하 수집 영역 사이에 형성될 수 있다.

채널 중지 영역(190)은 상기 제1 전하 수집 영역에서 상기 제2 전하 수집 영역으로 또는 상기 제2 전하 수집 영역에서 상기 제1 전하 수집 영역으로 전하가 전송되는 것을 차단할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 게이트(130)에 제1 로직 레벨을 가지는 제1 제어 신호가 인가될 때, 상기 제2 전하 수집 영역에 수집된 전하들이 상기 제1 전하 수집 영역으로 전송되는 것을 차단하고, 제2 포토 게이트(140)에 상기 제1 로직 레벨을 가지는 제2 제어 신호가 인가될 때, 상기 제1 전하 수집 영역에 수집된 전하들이 상기 제2 전하 수집 영역으로 전송되는 것을 차단할 수 있다.

이와 같이, 단위 픽셀(100c)은 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이에서 전위 장벽을 형성하는 채널 중지 영역(190)을 포함하여 하프-픽셀들 사이의 전하 전송에 의한 노이즈 및 데이터 에러의 발생을 억제할 수 있다.

도 15는 I-I’에 의해 절단한 도 14의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 15를 참조하면, 제1 포토 게이트(130)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제1 전송 게이트(151)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제1 포토 게이트(130)에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 플로팅 확산 영역(153)은 반도체 기 판(110) 내에 제1 전송 게이트(151)에 인접하여 형성될 수 있다.

제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제2 전송 게이트(161)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제2 포토 게이트(140)에 인접하여 형성될 수 있다.

채널 중지 영역(190)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이에 형성될 수 있다. 채널 중지 영역(190)은 p 타입의 불순물로 높게(높은 농도로) 도핑될 수 있다.

도 16은 도 14의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 16을 참조하면, 단위 픽셀(100c)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170), 제2 출력부(180) 및 채널 중지 영역(190)을 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에는 집광 시간 동안 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이에서 주기적으로 토글링하는 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)가 각각 인가될 수 있다. 제1 포토 게이트(130)는 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집하는 제1 전하 수집 영역(121)을 생성할 수 있다. 제2 포토 게이트(140)는 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집하는 제2 전하 수집 영역(122)을 생성할 수 있다.

제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이의 반도체 기판(110) 내, 즉 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122) 사이에 채널 중지 영역(190)이 형성될 수 있다. 일 예에서, 채널 중지 영역(190)은 p 타입의 불순물로 높게(높은 농도로) 도핑될 수 있다.

채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122) 사이에서 전위 장벽을 형성한다. 이에 따라, 채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)에 수집된 전하들이 제2 전하 수집 영역(122)으로 이동되거나, 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들이 제1 전하 수집 영역(121)으로 이동되는 것을 차단할 수 있다.

도 17은 도 7의 구동 방법에 따른 도 14의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.

도 17에는, 제1 포토 게이트(130)에 제1 로직 레벨을 가지는 제1 제어 신호가 인가되고, 제2 포토 게이트(140)에 제2 로직 레벨을 가지는 제2 제어 신호가 인가될 때, 단위 픽셀(100c)의 전위 레벨의 예가 도시되어 있다.

도 14 내지 도 17을 참조하면, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)에 의해 생성된 제1 전하 수집 영역(121)은 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집한다. 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 제2 전하 수집 영역(122)에서 이전에 수집된 전하들이 제2 전송 게이트(161) 하부의 전송 채널을 통하여 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되어 축적된다.

채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)의 전위 레벨 및 제2 전하 수집 영역(122)의 전위 레벨보다 낮은 전위 레벨을 가진다. 이에 따라, 채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122)사이에서 전위 장벽을 형성할 수 있다. 이에 따라, 채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122) 사이의 전하 전송을 차단할 수 있다.

도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 18을 참조하면, 단위 픽셀(100d)은 제1 포토 게이트(130a), 제2 포토 게이트(140a), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a) 각각은 적어도 하나의 나선 핑거 게이트(spiral finger gate)(135)를 포함할 수 있다. 나선 핑거 게이트(135)는 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 교번하고, 점차 짧은 길이를 가지도록 연장되는 바(bar) 형태의 게이트들을 포함할 수 있다.

예를 들어, 나선 핑거 게이트(135)는 접합 게이트(133)로부터 양의 상기 제2 방향으로 제1 길이를 가지도록 연장된 제1 게이트(135a), 및 제1 게이트(135a)의 일단으로부터 음의 상기 제1 방향으로 상기 제1 길이 보다 짧은 제2 길이를 가지도록 연장된 제2 게이트(135b)를 포함할 수 있다. 또한, 나선 핑거 게이트(135)는 제 2 게이트(135b)의 일단으로부터 음의 상기 제2 방향으로 상기 제2 길이 보다 짧은 제3 길이를 가지도록 연장된 제3 게이트(135c)를 더욱 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 나선 핑거 게이트(135)는 두개 이상의 교번하는 방향들로 연장된 게이트들을 포함할 수 있다.

제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a)는 서로 중첩되지 않고, 점 대칭되도록 형성될 수 있다. 또한, 제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a) 각각이 서로 대칭되는 적어도 하나의 나선 핑거 게이트(135)를 포함하여, 제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a)는 반도체 기판의 광 감지 영역의 실질적으로 전체를 커버할 수 있다.

도 18에는 제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a) 각각이 2개의 나선 핑거 게이트들을 가지는 예가 도시되어 있으나, 실시예에 따라, 제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a)가 가지는 나선 핑거 게이트의 수는 변경될 수 있다.

제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a) 각각은 상기 제1 방향으로 연장된 접합 게이트(133)를 더욱 포함할 수 있다. 접합 게이트(133)에는 적어도 하나의 나선 핑거 게이트(135) 및/또는 핑거 게이트가 결합될 수 있다. 실시예에 따라, 접합 게이트(133) 및 나선 핑거 게이트(135)는 동일 층에 일체로 형성되거나, 서로 다른 층에 형성될 수 있다. 접합 게이트(133)는 적어도 하나의 나선 핑거 게이트(135)의 하부에서 수집된 전하들이 전송되는 경로를 제공할 수 있다. 이에 따라, 접합 게이트(133)는 적어도 하나의 나선 핑거 게이트(135)의 하부에서 수집된 전하들의 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 각 포토 게이트(130a, 140a)가 적어도 하나의 나선 핑거 게이트를 포함하여, 단위 픽셀(100d)은 반도체 기판의 광 감지 영역의 실질적으로 전체를 커버할 수 있다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 19를 참조하면, 단위 픽셀(100e)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 브릿징 확산 영역(150), 제2 브릿징 확산 영역(160), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 서로 중첩되지 않고, 대칭되게 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집하는 전하 수집 영역(120)을 반도체 기판(110) 내에 생성할 수 있다.

제1 포토 게이트(130)는 제1 방향으로 연장된 제1 접합 게이트, 및 제1 접합 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제1 핑거 게이트들을 포함하고, 제2 포토 게이트(140)는 상기 제1 방향으로 연장된 제2 접합 게이트 및 상기 제2 접합 게이트로부터 상기 제2 방향으로 서로 평행하게 연장된 복수의 제2 핑거 게이트들을 포함할 수 있다.

제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기 판(110) 내에 상기 제1 접합 게이트 및 상기 제2 접합 게이트에 각각 인접하여 형성된다. 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 전하 수집 영역(120)이 전자들을 수집하는 경우, 전하 수집 영역(120) 보다 높은 전압 레벨을 가지고, 전하 수집 영역(120)이 정공들을 수집하는 경우, 전하 수집 영역(120) 보다 낮은 전압 레벨을 가질 수 있다.

이와 같이, 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)이 전하 수집 영역(120)에 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가짐으로써, 전하 수집 영역(120)에서 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)으로의 전하 전송 효율이 향상될 수 있다. 게다가, 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 전하 수집 영역(120)과 제1 전송 게이트(151) 하부의 기판 영역 사이 및 전하 수집 영역(120)과 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역 사이에서 발생될 수 있는 전위 장벽을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 전하 전송 효율이 더욱 향상될 수 있다.

도 20은 I-I’에 의해 절단한 도 19의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 20을 참조하면, 제1 포토 게이트(130)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제1 브릿징 확산 영역(150)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130)에 포함된 제1 접합 게이트에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 전송 게이트(151)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제1 브릿징 확산 영역(150)에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 플로팅 확산 영역(153)은 반도체 기판(110) 내에 제1 전송 게이트(151)에 인접하여 형성될 수 있다.

제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기판(110) 내에 제2 포토 게이트(140)에 포함된 제2 접합 게이트에 인접하여 형성될 수 있다. 제2 전송 게이트(161)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제2 브릿징 확산 영역(160)에 인접하여 형성될 수 있다.

도 21은 I-I’에 의해 절단한 도 19의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 21을 참조하면, 단위 픽셀(100e)은 반도체 기판(110) 내에 형성된 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)을 더 포함할 수 있다. 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)가 놓이는(overlain) 표면 근처에 형성될 수 있다. 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)은 n 타입의 불순물로 도핑될 수 있다. 단위 픽셀(100e)은 반도체 기판(110) 내에 제1 매립 채널(112a)과 제1 포토 게이트(130) 사이에 형성된 제1 p형 도핑 영역(113a) 및 제2 매립 채널(112b)과 제2 포토 게이트(140) 사이에 형성된 제2 p형 도핑 영역(113b)을 더 포함할 수 있다.

도 22는 도 19의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 22를 참조하면, 단위 픽셀(100e)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 브릿징 확산 영역(150), 제2 브릿징 확산 영역(160), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에는 집광 시간 동안 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이에서 주기적으로 토글링하는 제1 제어 신호(PGCS1) 및 제2 제어 신호(PGCS2)가 각각 인가될 수 있다. 제1 포토 게이트(130)는 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집하는 제1 전하 수집 영역(121)을 생성할 수 있다. 제2 포토 게이트(140)는 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집하는 제2 전하 수집 영역(122)을 생성할 수 있다.

제1 브릿징 확산 영역(150)은 반도체 기판(110) 내에 제1 전하 수집 영역(121)에 인접하여 형성되고, 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기판(110) 내에 제2 전하 수집 영역(122)에 인접하여 형성된다. 일 예에서, 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 n 타입의 불순물로 높게 도핑될 수 있다.

제1 브릿징 확산 영역(150)은 제1 전하 수집 영역(121)에 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가지고, 제2 브릿징 확산 영역(160)은 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가질 수 있다.

이에 따라, 제1 브릿징 확산 영역(150)은 제1 전하 수집 영역(121)에 수집된 전하들이 제1 전송 게이트(151) 하부의 전송 채널을 통하여 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송되는 효율을 향상시킬 수 있고, 제2 브릿징 확산 영역(160)은 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들이 제2 전송 게이트(161) 하부의 전송 채널을 통하여 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되는 효율을 향상시킬 수 있다.

단위 픽셀(100e)은, 제1 전하 수집 영역(121)과 제1 전송 게이트(151) 하부의 전송 채널 사이에 제1 브릿징 확산 영역(150), 및 제2 전하 수집 영역(122)과 제2 전송 게이트(161) 하부의 전송 채널 사이에 제2 브릿징 확산 영역(160)을 포함하여, 제1 전하 수집 영역(121)에서 제1 플로팅 확산 영역(153)으로의 전하 전송 및 제2 전하 수집 영역(122)에서 제2 플로팅 확산 영역(163)으로의 전하 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 23은 도 7의 구동 방법에 따른 도 19의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.

도 23에는, 제1 포토 게이트(130)에 제1 로직 레벨을 가지는 제1 제어 신호가 인가되고, 제2 포토 게이트(140)에 제2 로직 레벨을 가지는 제2 제어 신호가 인가될 때, 단위 픽셀(100e)의 전위 레벨의 예가 도시되어 있다.

도 19 내지 도 23을 참조하면, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)에 의해 생성된 제1 전하 수집 영역(121)은 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집한다.

제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 제2 브릿징 확산 영역(160)은 제2 전하 수집 영역(122) 보다 높은 전압 레벨을 가진다. 즉, 제2 브릿징 확산 영역(160)은, 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가질 수 있고, 또한, 제2 전하 수집 영역(122)과 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역 사이에서 발생될 수 있는 전위 장벽을 억제할 수 있다. 이에 따라, 제2 전하 수집 영역(122)에서 이전에 수집된 전하들이 제2 브릿징 확산 영 역(160) 및 제2 전송 게이트(161) 하부의 전송 채널을 통하여 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되는 효율이 향상될 수 있다.

도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 24를 참조하면, 단위 픽셀(100f)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 브릿징 확산 영역(150), 제2 브릿징 확산 영역(160), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 복수의 제1 플로팅 확산 영역들(153a, 153b, 153c), 복수의 제2 플로팅 확산 영역들(163a, 163b, 163c), 제1 출력부(170a) 및 제2 출력부(180a)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 서로 중첩되지 않고, 대칭되게 형성될 수 있다. 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에 각각 인접하여 형성된다. 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)에 각각 인접하여 형성된다. 복수의 제1 플로팅 확산 영역들(153a, 153b, 153c) 및 복수의 제2 플로팅 확산 영역들(163a, 163b, 163c)이 반도체 기판(110) 내에 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)에 각각 인접하여 형성된다.

단위 픽셀(100f)은, 제1 포토 게이트(130)와 제1 전송 게이트(151) 사이에 형성된 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 포토 게이트(140)와 제2 전송 게이 트(161) 사이에 형성된 제2 브릿징 확산 영역(160)을 포함하여, 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 단위 픽셀(100f)은, 제1 전송 게이트(151)에 인접하는 복수의 제1 플로팅 확산 영역들(153a, 153b, 153c) 및 제2 전송 게이트(161)에 인접하는 복수의 제2 플로팅 확산 영역들(163a, 163b, 163c)을 포함하여, 전하 축적 용량을 증가시킬 수 있다.

도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 25를 참조하면, 단위 픽셀(100g)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 브릿징 확산 영역(150), 제2 브릿징 확산 영역(160), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170), 제2 출력부(180) 및 채널 중지 영역(190)을 포함한다.

제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 서로 중첩되지 않고, 대칭되게 형성될 수 있다. 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에 각각 인접하여 형성된다. 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이의 반도체 기판(110) 내에 채널 중지 영역(190)이 형성될 수 있다.

단위 픽셀(100g)은, 제1 포토 게이트(130)와 제1 전송 게이트(151) 사이에 형성된 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 포토 게이트(140)와 제2 전송 게이트(161) 사이에 형성된 제2 브릿징 확산 영역(160)을 포함하여, 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 단위 픽셀(100g)은 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이에서 전위 장벽을 형성하는 채널 중지 영역(190)을 포함하여 하프-픽셀들 사이의 전하 전송에 의한 노이즈 및 데이터 에러의 발생을 억제할 수 있다.

도 26은 I-I’에 의해 절단한 도 25의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 26을 참조하면, 제1 포토 게이트(130)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제1 브릿징 확산 영역(150)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130)에 포함된 제1 접합 게이트에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 전송 게이트(151)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제1 브릿징 확산 영역(150)에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 플로팅 확산 영역(153)은 반도체 기판(110) 내에 제1 전송 게이트(151)에 인접하여 형성될 수 있다.

제2 포토 게이트(140)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 형성된다. 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기판(110) 내에 제2 포토 게이트(140)에 포함된 제2 접합 게이트에 인접하여 형성될 수 있다. 제2 전송 게이트(161)는 반도체 기판(110)의 상부(over)에 제2 브릿징 확산 영역(160)에 인접하여 형성될 수 있다.

채널 중지 영역(190)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이에 형성될 수 있다. 채널 중지 영역(190)은 p 타입의 불순물로 높게(높은 농도로) 도핑될 수 있다.

도 27은 I-I’에 의해 절단한 도 25의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 27을 참조하면, 단위 픽셀(100g)은 반도체 기판(110) 내에 형성된 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)을 더 포함할 수 있다. 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)가 놓이는(overlain) 표면 근처에 형성될 수 있다. 제1 매립 채널(112a) 및 제2 매립 채널(112b)은 n 타입의 불순물로 도핑될 수 있다. 단위 픽셀(100g)은 반도체 기판(110) 내에 제1 매립 채널(112a)과 제1 포토 게이트(130) 사이에 형성된 제1 p형 도핑 영역(113a) 및 제2 매립 채널(112b)과 제2 포토 게이트(140) 사이에 형성된 제2 p형 도핑 영역(113b)을 더 포함할 수 있다.

도 28은 도 25의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 28을 참조하면, 단위 픽셀(100g)은 제1 포토 게이트(130), 제2 포토 게이트(140), 제1 브릿징 확산 영역(150), 제2 브릿징 확산 영역(160), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170), 제2 출력부(180) 및 채널 중지 영역(190)을 포함한다.

제1 브릿징 확산 영역(150)은 반도체 기판(110) 내에 제1 전하 수집 영역(121)에 인접하여 형성되고, 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기판(110) 내에 제2 전하 수집 영역(122)에 인접하여 형성된다. 제1 브릿징 확산 영역(150)은 제1 전하 수집 영역(121)에 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가지고, 제2 브릿징 확산 영역(160)은 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 브릿징 확산 영역(150)은 제1 전하 수집 영역(121)에 수집된 전하들이 제1 전송 게이트(151) 하부의 전송 채널을 통하여 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송되는 효율을 향상시킬 수 있고, 제2 브릿징 확산 영역(160)은 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들이 제2 전송 게이트(161) 하부의 전송 채널을 통하여 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되는 효율을 향상시킬 수 있다.

제1 포토 게이트(130)와 제2 포토 게이트(140) 사이의 반도체 기판(110) 내, 즉 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122) 사이에 채널 중지 영역(190)이 형성될 수 있다. 채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122) 사이에서 전위 장벽을 형성한다. 이에 따라, 채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)에 수집된 전하들이 제2 전하 수집 영역(122)으로 이동되거나, 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들이 제1 전하 수집 영역(121)으로 이동되는 것을 차단할 수 있다.

도 29는 도 7의 구동 방법에 따른 도 25의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.

도 29에는, 제1 포토 게이트(130)에 제1 로직 레벨을 가지는 제1 제어 신호가 인가되고, 제2 포토 게이트(140)에 제2 로직 레벨을 가지는 제2 제어 신호가 인가될 때, 단위 픽셀(100g)의 전위 레벨의 예가 도시되어 있다.

도 25 내지 도 29를 참조하면, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)에 의해 생성된 제1 전하 수집 영역(121)은 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집한다.

제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 제2 브릿징 확산 영 역(160)은 제2 전하 수집 영역(122) 보다 높은 전압 레벨을 가진다. 즉, 제2 브릿징 확산 영역(160)은, 제2 전하 수집 영역(122)에 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가질 수 있고, 또한, 제2 전하 수집 영역(122)과 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역 사이에서 발생될 수 있는 전위 장벽을 억제할 수 있다. 이에 따라, 제2 전하 수집 영역(122)에서 이전에 수집된 전하들이 제2 브릿징 확산 영역(160) 및 제2 전송 게이트(161) 하부의 전송 채널을 통하여 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되는 효율이 향상될 수 있다.

채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)의 전위 레벨 및 제2 전하 수집 영역(122)의 전위 레벨보다 낮은 전위 레벨을 가진다. 이에 따라, 채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122)사이에서 전위 장벽을 형성할 수 있다. 이에 따라, 채널 중지 영역(190)은 제1 전하 수집 영역(121)과 제2 전하 수집 영역(122) 사이의 전하 전송을 차단할 수 있다.

도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 30을 참조하면, 단위 픽셀(100h)은 제1 포토 게이트(130a), 제2 포토 게이트(140a), 제1 브릿징 확산 영역(150), 제2 브릿징 확산 영역(160), 제1 전송 게이트(151), 제2 전송 게이트(161), 제1 플로팅 확산 영역(153), 제2 플로팅 확산 영역(163), 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)를 포함한다.

제1 포토 게이트(130a) 및 제2 포토 게이트(140a) 각각은 적어도 하나의 나선 핑거 게이트를 포함할 수 있다. 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 반도체 기판(110) 내에 제1 포토 게이트(130) 및 제2 포토 게이트(140)에 각각 인접하여 형성된다.

단위 픽셀(100h)은, 적어도 하나의 나선 핑거 게이트를 가지는 포토 게이트를 포함하여, 반도체 기판의 광 감지 영역의 실질적으로 전체를 커버할 수 있다. 또한, 단위 픽셀(100h)은, 제1 포토 게이트(130)와 제1 전송 게이트(151) 사이에 형성된 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 포토 게이트(140)와 제2 전송 게이트(161) 사이에 형성된 제2 브릿징 확산 영역(160)을 포함하여, 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.

도 22 및 도 31을 참조하면, 집광 시간 동안, 제1 전하 수집 영역(121) 및 제2 전하 수집 영역(122)은 반도체 기판(110) 내에 생성된 전하들을 수집한다(단계 S410).

제1 제어 신호(PGCS1)가 제1 로직 레벨(예를 들어, 로직 하이 레벨)을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)가 턴-온되어 제1 전하 수집 영역(121)이 반도체 기판(110) 내에 생성된 전하들을 수집할 수 있다. 제2 제어 신호(PGCS2)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제2 포토 게이트(140)가 턴-온되어 제2 전하 수집 영역(122)이 반도체 기판(110) 내에 생성된 전하들을 수집할 수 있다. 여기서, 도 31의 구동 방법에 따른 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)은 큰 저장 용량(capacity)을 가질 수 있고, 상기 수집된 전하들의 실질적으로 대부분이 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)에 저장될 수 있다.

이러한 집광 시간이 지나면, 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)에 제1 및 제2 리셋 전압들을 각각 출력한다(단계 S430).

제1 리셋 트랜지스터(171) 및 제2 리셋 트랜지스터(181)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)을 리셋한다. 제1 드라이브 트랜지스터(173)는 리셋된 제1 플로팅 확산 영역(153)의 전압을 증폭하여 상기 제1 리셋 전압을 생성하고, 제1 선택 트랜지스터(175)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 제1 리셋 전압을 제1 컬럼 라인(177)으로 출력할 수 있다. 또한, 제2 드라이브 트랜지스터(183)는 리셋된 제2 플로팅 확산 영역(163)의 전압을 증폭하여 상기 제2 리셋 전압을 생성하고, 제2 선택 트랜지스터(185)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 제2 리셋 전압을 제2 컬럼 라인(187)으로 출력할 수 있다.

상기 제1 및 제2 리셋 전압들이 출력된 후, 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)에 저장된 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송된다(단계 S450).

제3 제어 신호(TGCS)가 로직 하이 레벨(예를 들어 약 2V)을 가질 때, 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 제3 제어 신호(TGCS)에 응답하여 제1 브릿징 확산 영역(150)과 제1 플로팅 확산 영역(153) 사이, 및 제2 브릿징 확산 영역(160)과 제2 플로팅 확산 영역(163) 사이에서 전송 채널들을 생성할 수 있다. 상기 전송 채널들에 의해, 제1 브릿징 확산 영역(150)에 저장된 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송되고, 제2 브릿징 확산 영역(160)에 저장된 전하들이 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송될 수 있다.

제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 전하들이 축적된 후, 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)에 제1 및 제2 데이터 전압들을 각각 출력한다(단계 S470).

제1 드라이브 트랜지스터(173)는 제1 플로팅 확산 영역(153)에 축적된 전하들에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 제1 데이터 전압을 생성하고, 제1 선택 트랜지스터(175)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 제1 데이터 전압을 제1 컬럼 라인(177)으로 출력할 수 있다. 또한, 제2 드라이브 트랜지스터(183)는 제2 플로팅 확산 영역(163)에 축적된 전하들에 상응하는 전압을 증폭하여 상기 제2 데이터 전압을 생성하고, 제2 선택 트랜지스터(185)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 상기 제2 데이터 전압을 제2 컬럼 라인(187)으로 출력할 수 있다.

다른 실시예에 따른 방법에 의해 구동되는 광 감지 장치는 데이터 전압과 리셋 전압의 차에 기초한 상관 이중 샘플링을 수행하여 이미지 및/또는 거리 정보를 생성함으로써, 노이즈를 감소시키고 이미지 및/또는 거리 정보의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 32는 도 31의 구동 방법에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 송신 광 세기, 수신 광 세기 및 제어 신호들을 나타내는 타이밍도이다.

도 22 및 도 32을 참조하면, 집광 시간 동안, 단위 픽셀(100)을 포함하는 광 감지 장치는 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 송신 광(TX)을 방사(emit)할 수 있다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(TOF)만큼 지연된다.

상기 집광 시간 동안, 제1 제어 신호(PGCS1)는 송신 광(TX)의 세기와 동일한 위상을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)는 송신 광(RX)의 세기에 대하여 반전된 위상, 즉 180도만큼 지연된 위상을 가질 수 있다. 제3 제어 신호(TGCS)는 로직 로우 레벨을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 포토 게이트(130)를 포함하는 하프-픽셀 및 제2 포토 게이트(140)를 포함하는 하프-픽셀은 전하 수집 동작을 주기적으로 수행할 수 있다. 또한, 수집된 전하들은 제1 브릿징 확산 영역(150) 및 제2 브릿징 확산 영역(160)에 저장될 수 있다.

독출 시간 동안, 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)에 제1 및 제2 리셋 전압들을 각각 출력한다. 상기 제1 및 제2 리셋 전압들이 출력된 후, 제3 제어 신호(TGCS)는 로직 하이 레벨을 가질 수 있다. 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161)는 제3 제어 신호(TGCS)에 응답하여 제1 브릿징 확산 영역(150)에 저장된 전하들을 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송하고, 제2 브릿징 확산 영역(160)에 저장된 전하들을 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송할 수 있다. 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)에 전하들이 축적된 후, 제1 출력부(170) 및 제2 출력부(180)는 제1 컬럼 라인(177) 및 제2 컬럼 라인(187)에 제1 및 제2 데이터 전압들을 각각 출력할 수 있다.

도 33a 및 도 33b는 도 31의 구동 방법에 따른 도 19의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면들이다.

도 33a에는, 제1 제어 신호(PGCS1)가 제1 로직 레벨을 가지고, 제2 제어 신호(PGCS2)가 제2 로직 레벨을 가지는 시간(t2 내지 t3)에서 도 19 내지 도 22의 단위 픽셀(100e)의 전위 레벨의 예가 도시되어 있다.

도 19, 도 22 및 도 33a를 참조하면, 제1 제어 신호(PGCS1)가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 제1 포토 게이트(130)에 의해 생성된 제1 전하 수집 영역(121)은 반도체 기판(110)에서 생성된 전하들을 수집한다.

제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역이 제1 전하 수집 영역(121) 및 제2 전하 수집 영역(122) 보다 낮은 전압 레벨을 가진다. 이에 따라, 집광 시간 동안, 제1 전하 수집 영역(121) 및 제2 전하 수집 영역(122)에서 수집된 전하들은 제1 플로팅 확산 영역(153) 및 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송되지 않을 수 있다.

도 33b에는, 독출 시간 동안 전하 전송이 수행될 때 도 19 내지 도 22의 단위 픽셀(100e)의 전위 레벨의 예가 도시되어 있다.

도 19, 도 22 및 도 33b를 참조하면, 전하 전송이 수행될 때, 제1 전송 게이트(151) 및 제2 전송 게이트(161) 하부의 기판 영역은 제1 전하 수집 영역(121) 및 제2 전하 수집 영역(122) 보다 높은 전압 레벨을 가진다. 이에 따라, 제1 브릿징 확산 영역(150)에 저장된 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(153)으로 전송되고, 제2 브릿징 확산 영역(160)에 저장된 전하들이 제2 플로팅 확산 영역(163)으로 전송될 수 있다.

도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 34를 참조하면, 광 감지 장치(600a)는 광전 변환부(610), 신호 처리부(620a) 및 발광 장치(640)를 포함한다.

광전 변환부(610)는 입사광을 전기적 신호로 변환한다. 광전 변환부(610)는 단위 픽셀들이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 어레이(611)를 포함할 수 있다.

픽셀 어레이(611)는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h)을 포함할 수 있다. 단위 픽셀(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h)은 피사체(Object)의 거리 정보를 생성할 수 있는 바, 광 감지 장치(600a)는 거리 측정 센서(Depth sensor)라 칭하기도 한다. 픽셀 어레이(611)는 이미지 정보를 취득하기 위한 이미지 픽셀을 더욱 포함할 수 있다. 이 경우, 이미지 정보와 거리 정보를 통해 피사체를 입체적으로 구현할 수 있어 광 감지 장치(600a)는 3차원 입체 영상 센서(3D Depth sensor)라 칭하기도 한다. 실시예에 따라, 광 감지 장치(600a)의 이미지 픽셀과 단위 픽셀(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h)의 개수 비는 변경될 수 있다. 예를 들어, 이미지 픽셀과 단위 픽셀(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h)의 개수 비는 1:1, 2:1 등일 수 있다.

광전 변환부(610)는 적외선 필터 및/또는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 적외선 필터는 단위 픽셀(100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h) 상부에 형성될 수 있고, 컬러 필터는 이미지 픽셀 상부에 형성될 수 있다. 또한, 광전 변환부(610)는 집광을 위한 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.

신호 처리부(620a)는 로우 드라이버(621a), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling, CDS)부(622a), 아날로그-디지털 변환(analog-digital converting, ADC)부(623a) 및 타이밍 컨트롤러(629a)를 포함한다.

로우 드라이버(621a)는 픽셀 어레이(611)의 각 로우(row)에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성한다. 예를 들어, 로우 드라이버(621a)는 픽셀 어레이(611)에 포함된 복수의 단위 픽셀들을 로우 단위로 구동할 수 있다.

CDS부(622a)는 커패시터, 스위치 등을 이용하여 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 전압과 입사광에 상응하는 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 전압의 차이를 구하여 아날로그 더블 샘플링(ADS; Analog Double Sampling)을 수행하고 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 전압을 출력한다. CDS부(622a)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 CDS 회로들을 포함하고, 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 전압을 각 컬럼마다 출력할 수 있다.

ADC부(623a)는 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 전압을 디지털 전압으로 변환한다. ADC부(623a)는 기준 신호 생성기(624a), 비교부(625a), 카운터(626a) 및 래치부(627a)를 포함한다. 기준 신호 생성기(640)는 기준 신호 예컨대, 일정한 기울기를 갖는 램프 신호를 생성하고, 상기 램프 신호를 비교부(625a)에 기준 신호로서 제공한다. 비교부(625a)는 CDS부(622a)로부터 각 컬럼마다 출력되는 아날로그 전압과 기준 신호 생성기(624a)로부터 발생되는 기준 신호를 비교하여 유효한 신호 성분에 따른 각각의 천이 시점을 갖는 비교 신호들을 출력한다. 카운터(626a)는 카운팅 동작을 수행하여 카운팅 신호를 생성하고, 상기 카운팅 신호 를 래치부(627a)에 제공한다. 래치부(627a)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 래치 회로들을 포함하고, 각 비교 신호의 천이에 응답하여 카운터(626a)로부터 출력되는 카운팅 신호를 각 컬럼마다 래치하며, 래치된 카운팅 신호를 영상 및/또는 거리 데이터로서 출력한다.

타이밍 컨트롤러(629a)는 로우 드라이버(621a), CDS부(622a), 및 ADC부(623a)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(629a) 로우 드라이버(621a), CDS부(622a), ADC부(623a)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.

발광 장치(640)는 소정의 파장을 가진 광, 예를 들어 적외선을 출력할 수 있다. 예를 들어, 발광 장치(640)는 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등을 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(629e)는 발광 장치(640)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다.

발광 장치(640)는 타이밍 컨트롤러(629e)에 의해 주기적으로 턴-온 및 턴-오프됨으로써, 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 광을 송신할 수 있다.

도 35는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 35를 참조하면, 광 감지 장치(600b)는 광전 변환부(610), 신호 처리부(620b) 및 발광 장치(640)를 포함한다. 신호 처리부(620b)는 로우 드라이버(621b), ADC부(623b) 및 타이밍 컨트롤러(629b)를 포함한다. ADC부(623b)는 기준 신호 생성기(624b), 비교부(625b), 카운터(626b), 제1 래치부(627b) 및 제2 래치 부(628b)를 포함한다.

광 감지 장치(600b)는 제1 래치부(627b) 및 제2 래치부(628b)를 이용하여 리셋 성분에 대한 아날로그 신호 및 신호 성분에 대한 아날로그 신호를 각각 디지털 신호로 변환한 후에 유효한 신호 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(DDS; Digital Double Sampling)을 수행한다.

픽셀 어레이(611)는 리셋 성분을 나타내는 제1 아날로그 전압 및 이미지 신호 성분을 나타내는 제2 아날로그 전압을 각각 출력한다. 제1 샘플링 과정에서 비교부(625b)는 리셋 성분을 나타내는 제1 아날로그 전압과 기준 신호 생성기(624b)로부터 발생되는 기준 신호를 비교하여 리셋 성분에 따른 천이 시점을 갖는 비교 신호를 각 컬럼마다 출력한다. 카운터(626b)에서 출력되는 카운팅 신호는 제1 래치부(627b)에 포함된 각각의 래치 회로들에 공통으로 제공되며, 각 래치 회로는 상응하는 비교 신호의 천이 시점에 응답하여 카운터(626b)로부터 출력되는 카운팅 신호를 래치하여 리셋 성분에 상응하는 디지털 신호를 저장한다.

제2 샘플링 과정에서 비교부(625b)는 이미지 신호 성분을 나타내는 제2 아날로그 전압과 기준 신호 생성기(624b)로부터 발생되는 기준 신호를 비교하여 이미지 신호 성분에 따른 천이 시점을 갖는 비교 신호를 각 컬럼마다 출력한다. 제2 래치부(628b)는 각 비교 신호의 천이 시점에 응답하여 카운터(626b)로부터 출력되는 카운팅 신호를 래치하여 이미지 신호 성분에 관한 디지털 신호를 저장한다. 제1 래치부(627b) 및 제2 래치부(628b)에 저장된 디지털 신호들은 논리 연산을 수행하는 내부 회로에 제공되어 영상 및/또는 거리 데이터로서 유효한 이미지 신호 성분이 계 산되고, 이와 같은 방식으로 디지털 더블 샘플링이 수행될 수 있다.

도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 36을 참조하면, 광 감지 장치(600c)는 광전 변환부(610), 신호 처리부(620c) 및 발광 장치(640)를 포함한다. 신호 처리부(620c)는 로우 드라이버(621c), ADC부(623c) 및 타이밍 컨트롤러(629c)를 포함한다. ADC부(623c)는 기준 신호 생성기(624c), 비교부(625c) 및 카운터부(626c)를 포함한다.

광 감지 장치(600c)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 카운터들을 포함하는 카운터부(626c)에 의해 고속 동작을 수행할 수 있고, 또한 디지털 더블 샘플링을 수행할 수 있다.

픽셀 어레이(611)로부터 출력된 아날로그 신호는, 비교부(625c) 및 카운터부(626c)를 포함하는 ADC부(623c)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 비교부(625c) 및 카운터부(626c)는 픽셀 어레이(611)로부터 각 컬럼마다 출력되는 아날로그 신호를 병렬적으로 처리하도록 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 비교기들 및 복수의 카운터들을 포함할 수 있다. 이와 같이 각 컬럼마다 구비된 신호 처리 수단을 이용하여 하나의 로우 라인에 연결된 단위 픽셀들로부터 출력된 신호를 동시에 처리함으로써, 광 감지 장치(600c)는 대역 성능이나 노이즈의 측면에서 향상된 성능을 갖고 고속 동작이 가능하게 된다.

픽셀 어레이(611)는 리셋 성분을 나타내는 제1 아날로그 신호 및 이미지 신호 성분을 나타내는 제2 아날로그 신호를 각각 출력하고, 제1 아날로그 신호 및 제 2 아날로그 신호에 기초하여 비교부(625c) 및 카운터부(626c)를 포함하는 ADC부(623c)는 디지털적으로 상관 이중 샘플링, 즉 디지털 더블 샘플링을 수행할 수 있다.

도 34에는 아날로그 더블 샘플링을 수행하는 광 감지 장치(600a)의 예가 도시되어 있고, 도 35 및 도 36에는 디지털 더블 샘플링을 수행하는 광 감지 장치(600b, 600c)의 예들이 도시되어 있으나, 실시예에 따라 광 감지 장치는 스위치드 커패시터와 같은 아날로그 회로를 이용한 아날로그 상관 이중 샘플링 및 디지털 회로를 이용한 디지털 상관 이중 샘플링을 포함하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.

도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 34 내지 도 36에는 컬럼 별 ADC가 수행되는 광 감지 장치(600a, 600b, 600c)가 도시되어 있으나, 도 37의 광 감지 장치(600d)는 각 컬럼의 아날로그 신호를 순차적으로 디지털 신호로 변환하는 하나의 ADC(623d)를 사용할 수 있다.

도 37을 참조하면, 광 감지 장치(600d)는 광전 변환부(610), 신호 처리부(620d) 및 발광 장치(640)를 포함한다. 신호 처리부(620d)는 로우 드라이버(621d), CDS부(622d), 멀티플렉서(631), ADC(623d) 및 타이밍 컨트롤러(629c)를 포함한다.

CDS부(622d)는 픽셀 어레이(611)로부터 출력된 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 전압과 입사광에 상응하는 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 전압의 차이를 구하여 아날로그 더블 샘플링을 수행하고 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 전압을 각 컬럼마다 출력한다. 멀티플렉서(631)는 칼럼 라인들을 통하여 전달된 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 전압들을 순차적으로 출력한다. ADC(623d)는 각 아날로그 전압을 디지털 전압으로 변환하여 영상 및/또는 거리 데이터를 생성한다.

광 감지 장치(600d)는 하나의 ADC(623d)를 채용하여 복수의 컬럼 라인들을 통한 출력 신호를 변환함으로써, 회로 면적을 감소시킬 수 있다.

도 38은 도 34 내지 도 37의 광 감지 장치를 포함하는 시스템을 나타내는 도면이다.

도 38을 참조하면, 시스템(700)은 광 감지 장치(600)와 프로세서(710)와 메모리 장치(720)와 입출력 장치(740)와 저장 장치(730) 및 전원 장치(750)를 포함하여 구성된다.

프로세서(710)는 특정 계산들 또는 태스크들을 실행하는 특정 소프트웨어를 실행하는 것과 같이 다양한 컴퓨팅 기능들을 실행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(710)는 마이크로프로세서 또는 중앙 처리 장치일 수 있다. 프로세서(710)는 어드레스 버스, 제어 버스 및/또는 데이터 버스를 통하여 메모리 장치(720)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(720)는 동적 랜덤 액세스 메모리(dynamic random access memory, DRAM), 정적 랜덤 액세스 메모리(static random access memory, SRAM), 또는 이피롬(erasable programmable read-only memory, EPROM), 이이피롬(electrically erasable programmable read-only memory, EEPROM), 및 플래시 메 모리 장치를 포함하는 모든 형태의 비휘발성 메모리일 수 있다. 또한, 프로세서(710)는 주변 구성요소 상호연결(peripheral component interconnect, PCI) 버스와 같은 확장 버스에 연결될 수 있다. 이에 따라, 프로세서(710)는 키보드 또는 마우스와 같은 하나 이상의 입력 장치(740), 프린터 또는 디스플레이 장치와 같은 하나 이상의 출력 장치(740), 또는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브 또는 CD-ROM과 같은 하나 이상의 저장 장치(730)를 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(710)는 버스 또는 다른 통신 링크를 통해서 광 감지 장치(600)와 통신할 수 있다. 시스템(700)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 다른 시스템과 통신할 수 있는 포트를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광 감지 장치(600)는 마이크로프로세서, 중앙 처리 장치, 또는 디지털 신호 처리기와 같은 프로세서(710)과 함께 집적될 수 있고, 메모리 장치(720)가 함께 집적될 수도 있다. 다른 실시예에서, 광 감지 장치(600)와 프로세서(710)는 서로 다른 칩에 집적될 수 있다.

아울러, 광 감지 장치(600)가 3차원 입체 영상 센서일 경우, 거리 정보 감지 장치와 영상 정보 감지 장치가 결합된 1칩 형태 또는 분리된 2칩 형태가 가능할 것이다.

시스템(700)은 동작 전압을 공급하기 위한 전원(750)을 더 포함할 수 있다.

시스템(700)은 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템, 또는 이 외의 광 감지 장치를 이용하는 시스템일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀 및 광 감지 장치는 플로팅 확산(floating diffusion) 영역으로의 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀 및 광 감지 장치는 이미지 및 거리 정보의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 임의의 광 감지 장치 및 이를 포함하는 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템 등에 유용하게 이용될 수 있다.

상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 2는 I-I’에 의해 절단한 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 3은 II-II’에 의해 절단한 도 1의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 4는 I-I’에 의해 절단한 도 1의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 5는 도 1의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 6은 도 1에 도시된 반도체 기판의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.

도 8은 도 7의 구동 방법에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 송신 광 세기, 수신 광 세기 및 제어 신호들을 나타내는 타이밍도이다.

도 9a 및 도 9b는 도 7의 구동 방법에 따른 도 1의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면들이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 형성하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내 는 평면도이다.

도 12는 I-I’에 의해 절단한 도 11의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 15는 I-I’에 의해 절단한 도 14의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 16은 도 14의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 17은 도 7의 구동 방법에 따른 도 14의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.

도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 20은 I-I’에 의해 절단한 도 19의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 21은 I-I’에 의해 절단한 도 19의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 22는 도 19의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 23은 도 7의 구동 방법에 따른 도 19의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.

도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 25는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 26은 I-I’에 의해 절단한 도 25의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 27은 I-I’에 의해 절단한 도 25의 단위 픽셀의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 28은 도 25의 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.

도 29는 도 7의 구동 방법에 따른 도 25의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.

도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 31은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.

도 32는 도 31의 구동 방법에 따른 광 감지 장치의 단위 픽셀의 송신 광 세기, 수신 광 세기 및 제어 신호들을 나타내는 타이밍도이다.

도 33a 및 도 33b는 도 31의 구동 방법에 따른 도 19의 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면들이다.

도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 35는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 광 감지 장치의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 38은 본 발명의 실시예들에 따른 광 감지 장치를 포함하는 시스템을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h: 단위 픽셀

110: 반도체 기판

120, 121, 122: 전하 수집 영역

130, 140, 130a, 140a: 포토 게이트

150, 160: 브릿징 확산 영역

151, 161: 전송 게이트

153, 163: 플로팅 확산 영역

170, 180: 출력부

600, 600a, 600b, 600c, 600d: 광 감지 장치

700: 시스템

Claims (30)

1. 제1 방향으로 연장된 제1 게이트, 및 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 게이트들을 포함하는 제1 포토 게이트;

   상기 제1 게이트에 인접하는 제1 전송 게이트;

   상기 제1 전송 게이트에 인접하는 제1 플로팅 확산 영역;

   상기 제1 포토 게이트로부터 이격되고 상기 제1 포토 게이트에 대칭되도록 배치되며, 상기 제1 방향으로 연장된 제3 게이트, 및 상기 제3 게이트로부터 상기 제2 방향으로 연장된 복수의 제4 게이트들을 포함하는 제2 포토 게이트;

   상기 제3 게이트에 인접하는 제2 전송 게이트; 및

   상기 제2 전송 게이트에 인접하는 제2 플로팅 확산 영역을 포함하고,

   상기 제1 전송 게이트는 상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제1 게이트 사이에 배치되고,

   상기 제1 포토 게이트에는 집광 시간 동안 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이를 주기적으로 토글링하는 제1 제어 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 게이트는 상기 복수의 제2 게이트들의 하부에서 수집된 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송되는 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 전송 게이트에 인접하는 적어도 하나의 제3 플로팅 확산 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
4. 삭제
5. 제1 방향으로 연장된 제1 게이트, 및 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 게이트들을 포함하는 제1 포토 게이트;

   상기 제1 게이트에 인접하는 제1 전송 게이트;

   상기 제1 전송 게이트에 인접하는 제1 플로팅 확산 영역;

   상기 제1 포토 게이트로부터 이격되고 상기 제1 포토 게이트에 대칭되도록 배치되며, 상기 제1 방향으로 연장된 제3 게이트, 및 상기 제3 게이트로부터 상기 제2 방향으로 연장된 복수의 제4 게이트들을 포함하는 제2 포토 게이트;

   상기 제3 게이트에 인접하는 제2 전송 게이트;

   상기 제2 전송 게이트에 인접하는 제2 플로팅 확산 영역; 및

   상기 제1 포토 게이트와 상기 제2 포토 게이트 사이에 형성된 채널 중지 영역을 포함하고,

   상기 제1 전송 게이트는 상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제1 게이트 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
6. 제5 항에 있어서, 상기 채널 중지 영역은, 상기 제1 포토 게이트 하부 영역과 상기 제2 포토 게이트 하부 영역 사이에서 전위 장벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
7. 제5 항에 있어서, 상기 채널 중지 영역은, 상기 제1 포토 게이트에 의해 수집된 전하들이 상기 제2 포토 게이트 하부로 전송되거나 상기 제2 포토 게이트에 의해 수집된 전하들이 상기 제1 포토 게이트 하부로 전송되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
8. 제1 방향으로 연장된 제1 게이트, 및 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 게이트들을 포함하는 제1 포토 게이트;

   상기 제1 게이트에 인접하는 제1 전송 게이트;

   상기 제1 전송 게이트에 인접하는 제1 플로팅 확산 영역;

   상기 제1 포토 게이트로부터 이격되고 상기 제1 포토 게이트에 대칭되도록 배치되며, 상기 제1 방향으로 연장된 제3 게이트, 및 상기 제3 게이트로부터 상기 제2 방향으로 연장된 복수의 제4 게이트들을 포함하는 제2 포토 게이트;

   상기 제3 게이트에 인접하는 제2 전송 게이트;

   상기 제2 전송 게이트에 인접하는 제2 플로팅 확산 영역; 및

   상기 제1 게이트와 상기 제1 전송 게이트 사이에 형성된 브릿징 확산 영역을 포함하고,

   상기 제1 전송 게이트는 상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제1 게이트 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
9. 제8 항에 있어서, 상기 브릿징 확산 영역은, 상기 제1 포토 게이트에 의해 수집된 전하들을 끌어당기는 전압 레벨을 가진 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
10. 제1 항에 있어서, 상기 제1 포토 게이트는 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
11. 제10 항에 있어서, 상기 제1 포토 게이트는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 또는 티타늄 산화물(titanium dioxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
12. 제1 항에 있어서, 상기 제1 포토 게이트는 반도체 기판의 상부에 형성되고,

    상기 반도체 기판은, 상기 제1 포토 게이트가 놓이는 표면 방향으로 점차적으로 낮은 농도로 도핑된 에피택셜 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
13. 제12 항에 있어서, 상기 에피택셜 층은 매립 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
14. 삭제
15. 제1 항에 있어서, 상기 제1 제어 신호가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 입사광에 의해 생성된 전하들이 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집되고,

    상기 제1 제어 신호가 상기 제2 로직 레벨을 가질 때, 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집된 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송되는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
16. 제1 항에 있어서, 상기 제1 전송 게이트에는 상기 집광 시간 동안 로직 하이 레벨과 로직 로우 레벨 사이의 일정한 레벨을 가지는 제2 제어 신호가 인가되고,

    상기 제1 전송 게이트는 상기 제2 제어 신호에 응답하여 반 턴-온(half turned-on) 상태를 가지는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
17. 제16 항에 있어서, 상기 제1 전송 게이트는,

    상기 제1 제어 신호가 상기 제1 로직 레벨을 가질 때, 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집된 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송되는 것을 차단하고,

    상기 제1 제어 신호가 제2 로직 레벨을 가질 때, 상기 제1 포토 게이트 하부에 수집된 전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전송하는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치의 단위 픽셀.
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 입사광을 전기적 신호로 변환하는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는 광전 변환부; 및

    상기 전기적 신호를 처리하여 데이터를 생성하는 신호 처리부를 포함하고,

    상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,

    제1 방향으로 연장된 제1 게이트, 및 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 방향에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 연장된 복수의 제2 게이트들을 포함하는 제1 포토 게이트;

    상기 제1 게이트에 인접하는 제1 전송 게이트;

    상기 제1 전송 게이트에 인접하는 제1 플로팅 확산 영역;

    상기 제1 포토 게이트로부터 이격되고 상기 제1 포토 게이트에 대칭되도록 배치되며, 상기 제1 방향으로 연장된 제3 게이트, 및 상기 제3 게이트로부터 상기 제2 방향으로 연장된 복수의 제4 게이트들을 포함하는 제2 포토 게이트;

    상기 제3 게이트에 인접하는 제2 전송 게이트; 및

    상기 제2 전송 게이트에 인접하는 제2 플로팅 확산 영역을 포함하고,

    상기 제1 전송 게이트는 상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제1 게이트 사이에 배치되고,

    상기 제1 포토 게이트에는 집광 시간 동안 제1 로직 레벨과 제2 로직 레벨 사이를 주기적으로 토글링하는 제1 제어 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 광 감지 장치.
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30. 삭제

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