KR101905979B1 - 솔라 셀 기능을 갖는 이미지 센서 및 이를 이용한 전자 기기 - Google Patents

솔라 셀 기능을 갖는 이미지 센서 및 이를 이용한 전자 기기 Download PDF

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Abstract

이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 단위 픽셀 엘리먼트는, 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터, 상기 포토 디텍터의 소스 단자 및 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제1 스위치 및 상기 포토 디텍터의 게이트 단자 및 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제2 스위치를 포함하여, 이미지 센서로서의 기능과 동시에 빛 에너지 하베스팅이 가능하여 고효율의 광전변환 능력으로 유효한 전력을 생성 및 공급할 수 있다.

Description

솔라 셀 기능을 갖는 이미지 센서 및 이를 이용한 전자 기기 {IMAGE SENSOR WITH SOLAR CELL FUNCTION AND ELECTRONIC DEVICE THEREOF}
본 발명은 솔라 셀로서 동작 가능한 이미지 센서 및 이를 이용한 전자 기기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적으로는 이미지 센서로서 기능하며 필요에 따라 특정한 조건으로의 모드 전환을 통해 솔라 셀로서 동작시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
빛 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술은 사물인터넷(Internet of Things)이나 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network), 무선센서 네트워크(Wireless Sensor Network) 등에 반드시 필요한 기반 기술로서, 다양한 전자 장치에서 반영구적 전원으로 사용될 수 있으며, 기존의 배터리에 유선으로 전력을 제공하지 않고 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 충전할 수 있는 기술이다.
한편, 이와 같은 시스템은 초소형이면서 집적화된 형태로 구현되는 것이 바람직하다. 일부 연구에서, 빛 에너지 변환소자를 CMOS 공정의 PN 접합 포토다이오드(Photodiode)를 이용하여 ISC(Integrated Solar Cell) 형태로 제작함으로써 다른 회로와의 집적화를 시도하고 있는 경우도 있으나, 이러한 포토다이오드는 저효율의 광전 변환 능력의 한계를 가지고 있어서 칩 내의 회로들의 동작에 필요한 충분한 전력을 공급하는 것이 어렵다. 또한 솔라 셀 공정과 표준CMOS 공정의 완전 일체화에는 여전히 한계가 있다.
본 발명은 이미 등록된 특허인 'Unit Pixel of Image Sensor and Photo Detector There of' (US8,569,806B2, US8,610,234B2, US8,669,599B2)의 기술에 추가해서 픽셀화된 솔라 셀 시스템 온 칩을 구현하는 방법 및 개념을 제시하고자 한다. 먼저, 표준 CMOS 공정을 통해 제작되는 포토 디텍터와 픽셀 형태의 솔라 셀 구조 및 동작원리에 대해서 기술하고, 제작된 솔라 셀과 이미지 센서의 픽셀을 같은 셀로 공유를 하여 필요에 따라 각각을 선택해서 사용할 수 있는 방법을 제안한다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고효율의 광 디텍터를 가지는 솔라 셀과 이미지 센서의 픽셀을 같은 셀로 공유를 하여 필요에 따라 각각을 선택해서 이미지 센서로 사용하거나 또는 구동 전력을 생산, 저장하는 솔라 셀로 사용할 수 있는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 어레이 엘리먼트는, 복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트를 제1 방향으로 배치한 서브 엘리먼트; 및 상기 서브 엘리먼트를 제2 방향으로 복수 개 배치하기 위하여 상기 서브 엘리먼트 간에 온/오프 동작을 수행하는 서브 엘리먼트 스위치를 포함하고, 상기 서브 엘리먼트는 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터 및 상기 포토 디텍터의 단자들을 제1 및 제2 솔라 셀 버스와 연결시키는 제1 및 제2 스위치를 포함하는 단위 픽셀 엘리먼트를 포함한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 어레이 엘리먼트는 복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트를 제1 방향으로 배치한 서브 엘리먼트; 및 상기 서브 엘리먼트를 제2 방향으로 복수 개 배치하기 위하여 상기 서브 엘리먼트 간에 온/오프 동작을 수행하는 서브 엘리먼트 스위치를 포함하고, 상기 서브 엘리먼트는 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터, 상기 포토 디텍터의 단자들을 제1 및 제2 솔라 셀 버스와 연결시키는 제1 및 제2 스위치 및 상기 제2 솔라 셀 버스에 연결되어 상기 광 전류를 전압으로 충전하는 화소 출력단을 포함하는 단위 픽셀 엘리먼트를 포함한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 기능을 구비한 전자 기기에 있어서, 제어 신호에 따라 솔라 셀로서 동작 가능한 복수의 단위 픽셀로 구성된 이미지 센서부; 상기 이미지 센서에 대한 상기 제어 신호를 생성하여 상기 제어 신호를 상기이미지 센서부로 전송하는 프로세서를 포함하고, 상기 복수의 단위 픽셀 중 각각의 단위 픽셀은 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터를 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 이미지 센서로서의 기능과 동시에 빛 에너지 하베스팅이 가능하여 고효율의 광전변환 능력으로 유효한 전력을 생성 및 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 제조 공정상 주변회로들과 완전 일체형으로 제작이 가능하여 이미지센서 뿐만 아니라 CMOS 공정으로 만들어지는 모든 주변회로들과 집적화가 매우 용이하다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율의 광전변환이 가능한 포토 디텍터의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 상기 포토 디텍터의 고효율 광전변환 메커니즘을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 솔라 셀을 위한 포토 디텍터의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 상기 포토 디텍터의 전력 생성 메커니즘을 도시한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 포토 디텍터의 개방 회로 전압(Voc: open circuit voltage) 획득 메커니즘을 도시한다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 상기 포토 디텍터의 개방 회로 전압 획득 메커니즘을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 솔라 셀의 단위픽셀 구조를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 픽셀 어레이 상에서 개방 회로 전압 획득 메커니즘을 도시한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 픽셀 어레이 상에서 개방 회로 전압 획득 메커니즘을 도시한다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서에 대한 단위 픽셀 구조를 도시한다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 솔라 셀에 대한 단위 픽셀 구조를 도시한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서에 대한 제2 단위 픽셀을 도시한다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 솔라 셀에 대한 제2 단위 픽셀 구조를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 이미지 센서 어레이를 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 이미지 센서 및 솔라 셀로서 동작 가능한 어레이 엘리먼트를 도시한다.
도 16은 본 발명에 따른 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 기능을 구비한 전자 기기의 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고효율의 광전변환이 가능한 포토 디텍터(photo detector)의 단면도를 도시한다.
도 1에서, 상기 포토 디텍터에 해당하는 단위 화소의 수광 소자는 종래의 포토 다이오드 대신 터널 접합 소자(tunnel junction device)를 이용하여 구현된다. 여기서, 터널 접합 소자는 두 개의 도체나 반도체 사이에 얇은 절연층이 접합된 구조로서, 절연층에서 발생하는 터널링 효과(tunneling effect)를 이용하여 동작하는 소자를 지칭한다. 참고로, 터널링 효과는 양자역학적 현상으로서 포텐셜을 가지는 힘의 작용하에서 운동하는 입자가 그 자체가 가지는 운동에너지보다 큰 위치에너지를 가지는 영역을 통과하는 현상을 말한다.
본 발명의 일 실시예에서는 이러한 포토 디텍터를 이용하여 단위 화소의 수광 소자 및 솔라 셀(solar cell)을 생성할 수 있으며, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 "포토 디텍터"란 상기의 터널 접합 소자를 이용하여 구현된 수광 소자 및 솔라 셀을 가리킨다. 상기 포토 디텍터는 다양한 종류의 구조를 이용하여 구현될 수 있으며, 예를 들어, 일반적인 n-MOSFET또는 p-MOSFET 구조를 이용하여 구현할 수도 있다. 또한, MOSFET 이외에도 JFET, HEMT 등 터널링 효과를 얻을 수 있는 구조의 전자 소자를 이용하여 단위 소자를 구현할 수도 있다.
도 1에서 상기 포토 디텍터(100)는 PMOS 구조로 구현된다. 상기 포토 디텍터(100)는 P형 기판(110)상에 형성되며, 일반적인 NMOS 전자 소자에서의 소스에 해당하는 P+ 확산층(120)과 드레인에 해당하는 P+ 확산층(130)을 포함한다. 이하, P+ 확산층(120, 130)을 각각 포토 디텍터에서의 "소스" 및 "드레인"이라고 호칭하기로 한다.
상기 소스(120)와 드레인(130)의 상부에는 외부 노드와 연결되는 소스 전극(121) 및 드레인 전극(131)이 각각 형성된다.
상기 포토 디텍터(100)는 P형의 기판(P-sub)(110) 상에 N형 불순물을 주입하여 N웰(115)을 형성한다. 형성된 N웰(115) 상에 고농도의 P형 불순물을 주입하여 소스(120)와 드레인(130)을 형성한다. 상기 소스(120)와 드레인(130)의 사이에는 얇은 산화막(140)이 형성되며, 상기 산화막(140)의 상부에는 일반적인 MOSFET 구조에서의 게이트에 해당하는 N형의 불순물이 도핑된 폴리 실리콘(poly-silicon)이 형성된다. 상기 폴리 실리콘(150)은 상기 포토 디텍터(100)에서 빛을 흡수하는 수광부로서 기능한다. 이하, 상기 폴리 실리콘(150)을 "수광부"라고 호칭하기로 한다.
상기 수광부(150)는 산화막(140)에 의해 상기 소스(120) 및 드레인(130)과 이격된다. 상기 수광부(150)와 상기 소스(120) 또는 드레인(130)의 사이에서 터널링(tunneling)이 발생된다. 이때, 터널링 현상의 발생을 용이하게 하기 위해, 산화막(140)의 두께는 10nm 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
일반적인 MOSFET 소자의 게이트와는 달리, 상기 포토 디텍터(100)는 상기 수광부(150)의 상부를 제외한 나머지 영역의 상부에 금속성의 차광층이 형성될 수 있다. 상기 포토 디텍터(100)는 상기 차광층을 통해 빛이 입사되는 영역을 수광부(150)로 한정시켜서 수광부(150)에서의 광전 변환을 극대화시킨다.
상기 포토 디텍터(100)의 구조는 표준 CMOS 공정을 통해 쉽게 제작할 수 있으며, 다른 회로들과 동일한 공정에서 제조할 수 있으며 집적화된 시스템의 일부로 사용될 수 있어서 시스템 집적화가 용이하고 다양한 응용 범위를 갖는다.
도 2는 본 발명에 따른 포토 디텍터(100)의 고효율 광전변환 메커니즘을 도시하고 있다. 상기 포토 디텍터(100)는 수광부(150)의 상부를 통해 빛을 수용한다. 수광부(150)에 입사된 빛에 의해 전자-정공쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 이로 인해 수광부(150)와 소스(120), 드레인(130) 간에 일정 전계가 형성된다. 이때, 소스 전극(120)과 드레인 전극(131)에 일정 전압이 인가되면, 빛에 의해 여기된 수광부(150)의 전하가 수광부(150)로부터 산화막(140)를 터널링하여 소스(120) 또는 드레인(130)으로 이동한다. 터널링에 의해 수광부(150)에서 홀이 소실되고 전자가 유입됨에 따라 수광부(150)에서의 전자의 전하량이 상대적으로 증가하게 되고, 이러한 전하량의 변화는 상기 소스(120)와 드레인(130) 간의 채널(160)의 문턱 전압(threshold voltage)을 낮추게 되어 상기 채널(160)에 광전류가 흐르게 된다. 이와 같은 기술은 이미 본 발명의 발명자에 의해 미국에서 출원되어 등록된 미국등록특허 US8,569,806B2, US8,610,234B2, US8,669,599B2 및 미국특허출원 US 14/327,549 등에서 자세히 소개된 바 있으므로 상세한 설명을 생략한다.
포토 디텍터(100)는 광 입사 영역이 수광부(150)의 상부 영역으로만 제한되며, 외부로부터 개방된 수광부(150)의 상부를 통해 다양한 파장대의 빛이 입사된다. 입사된 다양한 파장대의 빛은 수광부(150)에 흡수되거나 또는 수광부(150)를 투과하여 하부의 N웰(115) 또는 기판(110)에 도달할 수 있다. 예를 들어, 수광부(150)의 두께가 150nm 이상인 경우에, 청색 계열의 단파장은 하부의 기판(110)까지 도달하지 못하고 수광부(150)에서 대부분 흡수된다. 종래의 일반적인 포토 디텍터와는 달리 본 발명의 포토 디텍터(100)는 단파장대의 빛이 하부의 기판에 도달하지 못하고 수광부(150)에 흡수된다 하더라도, 수광부(150)에 흡수된 에너지로 수광부(150)의 전하량 변화를 발생시키고 이를 통해 채널(160)의 전류 흐름을 발생시키므로 단파장대의 빛을 용이하게 검출할 수 있으며, 그 이외의 파장대의 빛도 모두 상기 수광부(150)를 투과하게 되므로 유사한 현상이 상기 수광부(150)에서 발생하여 전류 채널의 문턱전압 변화에 영향을 주게 된다.
한편 상기 수광부(150)를 투과할 수 있는 상대적으로 긴 파장대의 빛은 N웰(115)에도 전자정공쌍을 발생시켜 도 2와 같이 전자를 채널의 하부인 상기 N웰(115)에 축적시켜 문턱전압 변화에 영향을 주기도 한다. 이렇게 만들어진 상기 포토 디텍터(100)는 단일 포톤도 감지할 수 있는 고감도 검출 능력을 가지고 있으며, 약간의 빛으로도 매우 큰 광전류를 흐르게 할 수 있는 능력 또한 겸비하게 된다. 이러한 본원 발명의 포토 디텍터(100)의 특성은 이미지센서용 포토 디텍터 뿐만 아니라 솔라 셀로서도 사용가능하다.
이하에서는, 이러한 포토 디텍터 원리를 기반으로 새로이 솔라 셀로서의 기능이 추가된 시스템 온칩(SOC: System On Chip) 형태의 솔라 센서칩을 제안한다. 참고로, 도 1, 2에서는 PMOS형의 구조를 기초로 설명하고 있으나, PMOS형 구조는 물론 NMOS형 구조 및 이와 유사한 다른 구조로도 구현될 수 있으며, 이와 같은 구조 모두 본 발명의 권리 범위에 포함된다고 볼 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 솔라 셀을 위한 포토 디텍터의 단면도이고, 도 4는 상기 포토 디텍터(300)의 전력 생성 메커니즘을 도시한 도면이다. 상기 포토 디텍터(300)는 솔라 셀로서 동작하는 경우에 빛의 흡수에 따라 광전류가 생성됨과 더불어 광기전력(Photo Voltaic)이 발생된다.
도 3을 참조하면, 상기 포토 디텍터(300)는 빛이 수광부(350)에 흡수되면 전자가 상기 소스(120) 및 상기 드레인(130) 간 채널로부터 상기 산화막(140)을 터널링하여 수광부(350)로 이동하고, 이로 인해 상기 수광부(350)의 전체 전하량이 변화된다. 이때, 상기 수광부(350)와 드레인(130) 간의 전압을 측정하면 빛에 의해 발생된 전하의 변화량을 전압의 형태로 측정할 수가 있다. 또한, 상기 N웰(115)에 축적된 전하들을 상기 드레인(130)과 상기 W-RST(360) 간의 전극들(131, 361)을 통해 전압으로 측정을 할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 포토 디텍터(300)는 제조 공정상에서 초기 형성된 트랜지스터의 문턱전압보다 큰 빛 에너지가 입사되면 채널(160)에 광전류가 흐르게 된다.
구체적으로, 소스(120)와 드레인(130) 사이에는 최초의 제조 공정시에 채널(160)이 형성될 수 있는 실리콘 계면의 포텐셜 상태가 서브-스레홀드(sub-threshold) 직전의 상태가 되는 문턱 전압을 갖도록 형성되어 있다. 이 상태에서는 수광부(350)에 빛이 입사되지 않으면 채널(160)에 광 전류가 흐르지 않는다.
이 상태에서, 수광부(350)에 도핑된 불순물이 결합하고 있는 에너지보다 큰 에너지를 갖는 빛이 입사되면, 상기 수광부(350)에는 평형 상태에서 전하들의 이동을 차단하는 산화막(140)을 경계로 불순물 도핑으로 형성된 다수의 전자 및 정공이 자유로운 상태가 된다. 이 때, 생성된 전자-정공쌍은 재결합(recombination) 되기 전까지 일정 시간 동안 전자와 정공의 상태로 각각 존재하여 국지적으로 전계가 집중되는 곳에 전하들이 이동하게 된다.
소스(120)와 드레인(130) 사이의 실리콘 계면의 포텐셜이 서브-스레홀드(sub-threshold) 직전의 상태이므로, 수광부(350)에 입사된 빛에 의해 증가된 전하량과 전계로 인해 소스(120) 및 드레인(130)과 수광부(350) 사이에서 전자 또는 정공들이 터널링되고, 이로 인해 상기 채널(160)의 문턱전압을 낮춰주어 채널(160)에 빛의 양에 비례해서 광전류가 흐르게 된다.
상기 광전류를 발생시킨 전압은 상기 수광부(350) 또는 상기 N웰(115)을 통해 검출할 수 있다. 검출되는 전압은 상기 수광부(350) 또는 상기 N웰(115)을 통해 검출된 빛의 양에 따라 다르기는 하지만, 광전류는 수 나노에서 수 마이크로 암페어가 흐를 수 있고, 이로 인해 발생되는 전압 차는 0.1 ~ 1.0 V 정도일 수 있다. 참고로, 상기 값은 암 전류(dark current)를 제외한 측정값이며, 이러한 출력은 3um 이내의 픽셀사이즈로부터 얻을 수 있다. 따라서, 복수의 픽셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 픽셀 어레이를 구성하고 이를 제어하면 매우 큰 전력을 획득할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 포토 디텍터(300)의 개방 회로 전압(Voc: open circuit voltage) 획득 메커니즘을 도시한다.
도 5를 참조하면, 상기 소스(120)와 드레인(130) 간에 일정 전압을 걸어둔 상태에서 상기 수광부(350)에 빛이 입사되면 문턱전압이 바뀌어 광전류가 흐르게 된다. 또한, 장파장대의 빛은 상기 수광부(350)를 통과하여 N웰(115)에 흡수되며, 이때, N웰(115)에서도 수광부(150)와 동일한 원리로 일정량의 전하들이 생성되어 채널의 경계면 주위에 축적되게 된다.
이때, 채널을 흐르는 광전류는 상기 수광부(350)와 상기 N웰(115) 내의 전하량이 변화하여 생긴 전압에 기인한다. 즉, 생성된 광전류에 의해 상기 드레인(130)과 상기 수광부(350) 간의 전압(VDrain -Gate) 및 상기 드레인(350)과 상기 N웰(115) 간의 전압(VDrain - Wrst)이 발생된다. 따라서, 상기 드레인(130)에 연결된 단자(131)와 상기 수광부(350)에 연결된 단자(351) 간의 전압(VDrain -Gate) 또는 상기 드레인(350)에 연결된 단자(131)와 상기 N웰(115)에 연결된 단자(361) 간의 전압(VDrain - Wrst) 중 어느 하나를 선택하여 Voc를 획득할 수가 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 상기 포토 디텍터(300)의 개방 회로 전압 획득 메커니즘을 도시한다.
원하는 만큼의 큰 전력을 얻기 위하여, 상기 포토 디텍터(300)로부터 큰 광전류를 획득하는 방법 이외에, 보다 큰 Voc 값을 획득하는 것이 필요하다. 도 6에서, 수광부(350)에 연결된 단자(351)와 N웰(115) 상에 형성된 N+ 확산층(360)에 연결된 단자(361)를 연결하여 채널의 문턱전압 변화를 보다 크게 하면, 수광부(350)와 N웰(115)가 연결된 단자(352)와 드레인(130)에 연결된 단자(132) 간에 보다 큰 전압(VDrain -(gate-wrst))을 획득할 수 있다. 이는 상기 N웰(115)의 하부에 존재하는 전자가 N+ 확산층(360)으로 이동함에 따라 추가적으로 증가한 전하량에 의한 효과가 발생한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 솔라 셀의 단위픽셀(unit pixel) 구조를 도시하고 있다. 도 7을 참조하면, 상기 솔라 셀은 픽셀 솔라 셀(Pixelated solar cell)로서 구성되는 단위픽셀(700) 구조를 갖는다.
상기 단위픽셀(700)은 상기 포토 디텍터(300), 제1 스위치(Ms), 제2 스위치(Mg), 제3 스위치(Mwr), 제4 스위치(Mv), 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)를 포함한다. 상기 포토 디텍터(300)는 수광부(게이트)에 수광된 빛(hv)에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시킨다. 상기 제1 스위치(Ms)는 상기 포토 디텍터(300)의 소스 단자 및 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 사이에 연결되어 온/오프 동작을 수행한다. 상기 제2 스위치(Mg)는 상기 포토 디텍터(300)의 수광부(게이트) 단자 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 사이에 연결되어 온/오프 동작을 수행한다. 상기 제3 스위치(Mwr)는 상기 포토 디텍터(300)의 N웰 또는 기판에 연결된 리셋 단자 및 상기 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행한다. 여기서 상기 상기 리셋 단자는 상기 소스 및 상기 드레인에 도핑된 불순물과 상이한 불순물로 도핑된다. 도 3 내지 도 6을 참조하며, 상기 리셋 단자(Wrst)는 상기 소스 및 상기 드레인에 도핑된 P형 불순물과 상이한 N형 불순물로 도핑되며, NMOS의 경우에는 상기 리셋 단자는 상기 소스 및 상기 드레인에 도핑된 N형 불순물과 상이한 P형 불순물로 도핑될 수 있다. 여기서, VDD는 상기 포토 디텍터(300)를 구동하기 위해 별도의 외부 시스템 전원과 연결하여 고정시켜 둔다. 이때, 상기 VDD는 제4 스위치(Mv)를 통해 상기 포토 디텍터(300)의 드레인에 연결될 수 있다. 이때, 최소의 암 전류가 흐르도록 최소의 VDD 전압을 인가하고, 픽셀 외부에 암 전류를 별도로 제거하는 회로를 추가할 수 있다. 한편, 상기 포트 디텍터(300)는 주변 회로와 동일한 공정으로 제조되므로, 주변 회로와 동일한 전원을 사용할 수 있다. 이 경우, 종래의 포토 디텍터와는 달리 본 발명의 포토 디텍터(300)는 별도의 외부 전원을 필요로 하지 않고 주변 회로의 전원을 그대로 사용하도록 구성될 수 있다.
상기 포토 디텍터(300)에 빛이 입사되면, 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1)와 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 간에 광전류가 흐르게 되고, 이와 동시에 상기 제2 스위치(Mg)와 상기 제3 스위치(Mwr)를 제어하여 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1)와 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 간에 광기전력 Voc를 획득할 수 있다.
상기 제2 스위치(Mg)와 상기 제3 스위치(Mwr)는 스위치 온 동작을 통해 행 디코더(Row decoder)와 같은 외부 매트릭스와 선택적으로 연결될 수 있다. 이때, 상기 제2 스위치(Mg)와 제3 스위치(Mwr)는 별도로 스위치 온 되어 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)에 연결되거나 또는 동시에 스위치 온 되어 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)에 연결되도록 선택될 수 있다. 상기 제2 스위치(Mg)와 상기 제3 스위치(Mwr)가 동시에 스위치 온 되어 외부 매트릭스와 연결되면, 도 6에서 살펴본 바와 같이 상기 포토 디텍터(300)의 수광부와 N웰이 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)에 별도로 연결된 경우에 비해 보다 큰 Voc를 획득할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 픽셀 어레이 상에서 개방 회로 전압 획득 메커니즘을 도시한다. 상기 픽셀 어레이(800)는 복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트(700)를 제1 방향으로 배치한 서브 엘리먼트(810) 및 상기 서브 엘리먼트(810)를 제2 방향으로 복수 개 배치하기 위하여 상기 서브 엘리먼트(810) 간에 온/오프 동작을 수행하는 서브 엘리먼트 스위치(820)를 포함한다. 여기서, 상기 서브 엘리먼트(810)는 도 7을 참조하면, 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터(300) 및 상기 포토 디텍터(300)의 단자들을 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)와 연결시키는 제1 스위치(Ms) 및 제2 스위치(Mg)를 포함하는 단위 픽셀 엘리먼트(700)를 포함한다. 상기 단위 픽셀 엘리먼트(700)은 상기 포토 디텍터(300)를 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB2)와 연결시키는 제3 스위치(Mwr)을 더 포함할 수 있다.
상기 서브 엘리먼트 스위치(820)는 상기 제1 서브 엘리먼트(810)의 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)와 상기 제2 서브 엘리먼트(830)의 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행한다.
상기 픽셀 어레이(800) 내의 상기 단위 픽셀(700)에서 얻을 수 있는 Voc는 드레인과 게이트 및 드레인과 N-well 간에 발생하는 개방 회로 전압으로 정의되지만, 어레이 형태로 배열하면 각 픽셀 간의 연결 상태를 조절할 수 있게 되어 보다 큰 Voc를 획득할 수 있다. 각 컬럼 간에는 동일한 Voc(V1)가 인가되므로 n개의 컬럼 전압을 직렬로 연결하면 전체 출력 Voc는 nV1이 되어 매우 높은 Voc 전압을 얻을 수 있다. 도 8과 같이 각 칼럼 간에 SCB 라인을 공통으로 상호 직렬로 연결하고 상기 서브 엘리먼트 스위치(820)를 조절하여 출력된 각 컬럼의 전압을 최종적으로 직렬로 출력할 수 있다. 따라서 필요한 Voc 전압은 상기 서브 엘리먼트 스위치(820)를 어떻게 선택하여 연결하느냐에 따라 적절한 Voc 전압을 선택 할 수 있으므로 필요에 따라서 요구되는 전력량도 조절이 가능하게 된다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 픽셀 어레이 상에서 개방 회로 전압 획득 메커니즘을 도시한다. 상기 픽셀 어레이(900)는 도 8에 도시된 바와 같이 상기 서브 엘리먼트(810) 및 상기 서브 엘리먼트 스위치(820) 외에 제1 제어부(910)를 더 포함한다. 상기 제1 제어부(910)는 상기 복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트 내의 상기 제1 및 제2 스위치에 대한 개별 제어 신호를 생성하여, 상기 픽셀 어레이(900) 내의 각각의 단위 픽셀로 상기 개별 제어 신호를 전송한다. 여기서, 상기 제1 제어부(910)는 프로세서로부터의 제어 신호를 디코딩하여 상기 각각의 단위 픽셀로 상기 제어 신호를 전송하므로, 디코더 및 매트릭스 제어부(Decoder and Matrix Controller)로 명칭될 수 있다.
여기서, 상기 제1 서브 엘리먼트(810), 상기 제2 서브 엘리먼트(830) 외에 추가적으로 제3 내지 제4 서브 엘리먼트(940, 950)을 더 구비한 경우에, 제2 제어부(920)는 상기 제2 방향의 상기 제1 및 제3 서브 엘리먼트(810, 940) 및 상기 제2 및 제4 서브 엘리먼트(830, 950) 간에 상기 제1 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 1, SCB 2)를 공유하도록 제어 신호를 생성하여 상기 제어 신호를 각각의 서브 엘리먼트로 전송할 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 서브 엘리먼트(810, 830)를 상기 제1 서브 어레이 스위치(820) 및 내부 버스(SCB)로 연결하고, 상기 제3 내지 제4 서브 엘리먼트(940, 950)을 제2 서브 어레이 스위치(960) 및 내부 버스(SCB)로 연결할 수 있다. 따라서, 2개의 컬럼에 해당하는 상기 제1 및 제2 서브 엘리먼트(810, 830)를 내부 버스(SCB)를 이용하여 연결하여 두 배의 Voc를 얻을 수 있다. 이때, 빛에 의해 발생하는 광전류와 Voc는 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1)와 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)를 통해 검출된다.
마찬가지로 2개의 컬럼에 해당하는 상기 제3 및 제4 서브 엘리먼트(940, 950)를 내부 버스(SCB)를 이용하여 연결하여 두 배의 Voc를 얻을 수 있으며, 이때 생성된 전류와 전압 Voc는 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1)와 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)를 통해 검출되어, 상기 단위 픽셀 엘리먼트(700)를 구성하는 칩 내부의 커패시터 또는 외부 배터리 등에 축적시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 제어부(910)를 통해 광전 변환에 기여하는 픽셀 엘리먼트를 선택적으로 지정할 수 있고, 커패시터나 배터리에 충분한 전력이 축적되었을 때는 자동으로 전력 생성을 중단할 수 있도록 제어도 가능하다. 또한, 상기 제1 제어부(910) 및 제2 제어부(920)는 하나의 물리적인 제어부에 의해 구현될 수 있으며, 전자 기기 내의 프로세서에 의해 구현될 수 있음은 물론이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서에 대한 단위 픽셀 구조를 도시한다. 상기 단위 픽셀(1000)은 상기 포토 디텍터(300)에 연결된 선택 소자(SEL)를 구비하고 있으며, 상기 단위 픽셀(1000)은 전류 전압 변환 회로인 IVC 회로(1010)로 구성된 이미지센서와 컬럼 버스(CB)를 통해 연결될 수 있다. 여기서, 상기 선택 소자(SEL)는 다양한 소자로 구현될 수 있으며, 예를 들어 MOSFET 구조를 이용하여 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 포토 디텍터(300)와 상기 선택 소자(SEL)를 MOSFET 제조 공정을 이용하여 동시에 구현할 수 있어서 간단하고 저비용으로 제조할 수 있다.
상기 단위 픽셀(1000)의 상기 포토 디텍터(300)에서 광전 변환된 광전류가 상기 SEL의 스위치 온 으로 상기 IVC 회로(1010)의 커패시터(1015)에 충전이 된다. 상기 커패시터(1015)를 통해 충전이 된 광전류는 IVC_OUT의 값을 갖는 전압으로 출력되어 CDS(Co-Double Sampling) 등의 회로로 신호가 전달된다. 상기 SEL이 온 상태에서 BUS_RST을 온 시키면 상기 IVC 회로(1010)의 상기 커패시터(1015)를 포함하여 상기 컬럼 버스(CB)와 상기 포토 디텍터(300)가 GND를 통해 직접 연결되므로 충전된 전하들이 제거되어, 신호의 리셋이 수행된다. 상기 동작들을 통하여 이미지센서에 필요한 축적시간(Integration Time)을 정의할 수 있으며 롤링 셔터(Rolling Shutter) 방식을 활용하면 연속적인 영상을 획득할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 솔라 셀에 대한 단위 픽셀 구조를 도시한다. 상기 단위 픽셀(1100)은 도 10에 도시된 1T 타입의 이미지 센서의 단위 픽셀(1000)을 솔라 셀로서 구현한 것이다. 이를 위하여 상기 단위 픽셀(1100)은 제1 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 1, SCB 2)과 S1, S2 스위치를 추가 하는 것에 의하여 도 10에서의 이미지 센서를 솔라 셀로도 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 단위 픽셀(1100)은 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 상기 포토 디텍터(300), 상기 포토 디텍터(300)의 게이트 단자 및 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제1 스위치(S1) 및 상기 포토 디텍터(300)의 소스 단자 및 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 간에 연결되어 상기 광전류를 화소 출력단(1010)으로 출력시키는 선택 소자(SEL)을 포함한다. 여기서, 상기 화소 출력단(1010)은 도 10 및 도 11에서의 상기 IVC 회로(1010)에 해당한다. 또한, 상기 단위 픽셀(1100)은 상기 선택 소자(SEL) 및 상기 화소 출력단(1010) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제2 스위치(S2)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 스위치(S1)를 통해 상기 제 1 솔라 셀 버스(SCB1)와 상기 포토 디텍터(300)의 게이트와 연결을 하고, 상기 제2 스위치(S2)를 통해 도 10에서의 상기 컬럼 버스(CB)를 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)로 이용하면, 상기 제1 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 1, SCB 2) 간에 광전류와 Voc를 획득하여 전력을 생성할 수 있다. 이와 같이 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 이용하여 상기 이미지 센서와 상기 솔라 셀을 선택적으로 구현할 수 있다. 즉, 상기 제1 스위치(S1)가 온 이고 상기 선택 소자(SEL) 또는 제2 스위치(S2)가 오프 이면 상기 단위 픽셀(1100)은 솔라 셀로 동작하고, 상기 S1 스위치(S1)가 오프 이고 상기 제2 스위치(S2)가 온 이면 상기 단위 픽셀(1100)은 이미지 센서로 동작한다.
또한, 상기 화소 출력단(1010)은 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 및 접지(GND) 간에 연결되어 상기 광전류에 의한 충전을 수행하는 커패시터(1015) 및 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 및 상기 접지(GND) 간에 연결되고 상기 커패시터(1015)와 병렬로 연결된 리셋 소자(BUS_RST)를 포함한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서에 대한 제2 단위 픽셀을 도시한다. 상기 제2 단위 픽셀(1200)은 도 10에서 도시된 바와 같이 상기 포토 디텍터(300) 및 상기 선택 소자(SEL) 외에 상기 포토 디텍터(300)의 웰(well)에 연결된 리셋 소자(RST)를 더 포함한다. 상기 제2 단위 픽셀(1200)과 같은 단위 픽셀의 각 컬럼에 상기 IVC 회로(1010)이 연결되어 이미지 센서를 구현할 수 있다. 상기 선택 소자(SEL)가 온 인 경우 상기 포토 디텍터(300)에서 광전 변환된 광전류는 상기 IVC 회로(1010)의 상기 커패시터(1015)에 광전하들을 충전시킨다. 상기 커패시터(1015)에 충전이 된 광전하는 IVC_OUT의 값을 갖는 전압으로 출력되어 CDS 등의 회로로 신호가 전달된다.
상기 선택 소자(SEL)가 온 상태에서 BUS_RST을 온 시키면 상기 IVC 회로(1010)의 상기 커패시터(1015)를 포함하여 컬럼 버스(CB)와 상기 포토 디텍터(300)가 GND를 통해 직접 연결되므로 충전된 전하들이 제거되어, 신호의 리셋이 수행된다.
한편, 상기 리셋 소자(RST)는 상기 포토 디텍터(300)에 의한 신호의 리셋이 원활하지 못하거나 또는 전류채널의 문턱전압을 수동으로 조절하기 위해서 사용될 수 있으며, 고속 프레임 동작시 영상 지연 현상 등이 없는 특수 촬영에 사용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 솔라 셀에 대한 제2 단위 픽셀 구조를 도시한다. 상기 제2 단위 픽셀(1300)은 도 12에 도시된 2T 타입의 이미지 센서의 단위 픽셀(1200)을 솔라 셀로서 구현한 것이다. 상기 제2 단위 픽셀(1300)은 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터(300), 상기 포토 디텍터(300)의 게이트 단자 및 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제1 스위치(S1), 상기 포토 디텍터(300)의 리셋 단자 및 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제2 스위치(S2), 상기 포토 디텍터(300)의 소스 단자 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 간에 연결되어 상기 광전류를 상기 화소 출력단(1010)으로 출력시키는 선택 소자(SEL) 외에 상기 포토 디텍터(300)의 웰(well)에 연결된 리셋 소자(RST)를 더 포함한다. 여기서, 상기 리셋 단자(RST)는 상기 소스 및 상기 드레인에 도핑된 불순물과 상이한 불순물로 도핑된다.
또한 상기 제2 단위 픽셀(1300)은 상기 선택 소자(SEL) 및 상기 화소 출력단(1010) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제3 스위치(S3)를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 제1 스위치(S1) 또는 상기 제2 스위치(S2)가 온 이고 상기 제3 스위치(S3)가 오프 인 경우에 상기 단위 픽셀은 솔라 셀로서 동작하며, 상기 제1 스위치(S1) 및 상기 제2 스위치(S2)가 오프 이고 상기 제3 스위치(S3)가 온 인 경우에 상기 단위 픽셀은 이미지 센서로서 동작한다. 여기서, 보다 큰 Voc를 얻기 위해서 상기 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 동시에 온 시킬 수도 있다.
상기 화소 출력단(1010)은 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 및 접지(GND) 간에 연결되어 상기 광전류에 의한 충전을 수행하는 커패시터(1015) 및 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 및 상기 접지(GND) 간에 연결되고 상기 커패시터(1015)와 병렬로 연결된 리셋 소자(BUS_RST)를 포함한다. 상기의 구성에 의하여 상기 제1 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 1, SCB 2) 라인 간에 광전류와 Voc를 획득하여 전력을 생성할 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 이미지 센서 어레이를 도시한다. 상기 이미지 센서 어레이(1400)는 행 디코더 및 매트릭스 제어기(1410)와 열 디코더 및 매트릭스 제어기(1420)를 이용하여 각 열의 상기 단위 픽셀(1000, 1200)에서 광전 변환된 광전류를 각 열의 IVC 회로가 열 방향으로 배열된 IVC 회로 어레이(1430)로 전달하여 전압 신호로 변환한 후 CDS 등으로 전달하게 되면 고감도 특성의 이미지 센서로서 동작을 하게 된다. 이때 상기의 구성을 통해 고감도/고속의 이미지 센서를 구현하는 것이 가능하다. 또한, 상기의 단위 화소는 PPS 방식을 이용하여 구현하는 것이 가능하며, 이 경우, 화소 내부에 수광 소자의 출력 전류에 비해서 기생 커패시터(parasitic capacitor)의 성분이 극미하거나 존재하지 않기 때문에, Row decoder에 의해서 픽셀이 선택되기 전까지 인테그레이션의 작용이 진행될 수 없다. 이는 종래의 APS방식의 CIS 단위픽셀과의 주요한 차이점 중 하나이다. 따라서 변형된 롤링 셔터(rolling shutter) 방식에서 다중으로 신호처리를 진행하게 되면 고속프레임의 이미지 센서 구현이 가능하여, 광신호를 롤러 셔터 방식으로도 전달할 수 있다. 또한 열 병렬(Column parallel) 방식으로도 광신호를 전달할 수 있음은 물론이다.
한편, 단위 화소의 구조가 매우 간단하고 그 크기가 크지 않기 때문에 일반 글로벌 셔터(global shutter)방식과 같이 단위 픽셀 내부에 커패시터를 형성시켜 아날로그 메모리에 일시에 데이터를 저장시켜 고속으로 데이터를 읽게 되면 500~10,000fps의 영상을 구현할 수 있다.
상기의 복수의 실시예들을 통해 이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 매트릭스로 구현한 이미지 센서를 설명하였다. 본 실시예들에서 설명된 단위 픽셀은 2차원 배열로 배열되며, 배열 방법을 640*480, 1280*720, 1920*1080 등과 같이 기존의 VGA, HD, Full HD 형식으로 배치하거나, 3840*2160 또는 4096*2160와 같은 4K UHD 또는 7680*4320과 같은 8K UHD 형식으로 배치하여 하나의 프레임을 형성할 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해, 본 발명의 단위 픽셀을 종래의 포토 다이오드에 비해 상대적으로 많은 광전류를 흐르게 하는 것이 가능한다. 이는 정전용량에 축적된 전하량 만으로 명암을 구분하는 종래의 포토 다이오드 방식과 달리, 본 발명은 빛의 입사로 인한 수광부의 전하량 변화가 전계 효과로 작용하여 소스-드레인 채널의 전류 흐름을 제어하고, 한편으로는 드레인을 통해 전하를 공급받을 수 있어 자체적으로 증폭되는 구성을 갖고 있기 때문이다.
도 15는 본 발명에 따른 이미지 센서 및 솔라 셀로서 동작 가능한 어레이 엘리먼트를 도시한다. 상기 어레이 엘리먼트(1500)는 복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트를 제1 방향으로 배치한 서브 엘리먼트(1501) 및 상기 서브 엘리먼트를 제2 방향으로 복수 개 배치하기 위하여 상기 서브 엘리먼트 간에 온/오프 동작을 수행하는 서브 엘리먼트 스위치(1502)를 포함하고, 상기 서브 엘리먼트(1501)는 도 11 및 13을 참조하면, 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터(300), 상기 포토 디텍터의 단자들을 제1 및 제2 솔라 셀 버스와 연결시키는 복수의 스위치들(S1 ~ S3 및 SEL) 및 상기 제2 솔라 셀 버스에 연결되어 상기 광 전류를 전압으로 충전하는 화소 출력단(1010)을 포함하는 단위 픽셀 엘리먼트(1100, 1300)를 포함한다.
상기 서브 엘리먼트 스위치(1502)는 제1 서브 엘리먼트(1501)의 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)와 제2 서브 엘리먼트(1503)의 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하거나 또는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 상기 제1 서브 엘리먼트(1501)의 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)와 상기 제2 서브 엘리먼트(1503)의 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행할 수 있다.
상기 어레이 엘리먼트(1500)는 상기 복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트(1100) 내의 복수의 스위치들(S1 ~ S3 및 SEL) 에 대한 개별 제어 신호를 생성하는 제 1제어부(1510)를 더 포함할 수 있고, 여기서 도 13을 참조하면 상기 제1 스위치(S1)는 상기 포토 디텍터(300)의 게이트 단자 및 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하고, 상기 선택 소자(SEL)는 상기 포토 디텍터(300)의 소스 단자 및 상기 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 간에 연결되어 상기 광전류를 상기 화소 출력단(1530)으로 출력한다. 또한 상기 포토 디텍터(300)는 상기 포토 디텍터(300)의 리셋 단자 및 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제2 스위치(S2) 및/또는 상기 선택 소자(SEL) 및 상기 화소 출력단(1010) 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제3 스위치(S3)를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 리셋 단자는 상기 소스 및 상기 드레인에 도핑된 불순물과 상이한 불순물로 도핑된다.
또한, 상기 제2 방향의 상기 제1 및 제2 서브 엘리먼트(1501, 1502) 간에 상기 제1 솔라 셀 버스(SCB 1) 및 제2 솔라 셀 버스(SCB 2)를 공유하여, 원하는 광 기전력을 생성할 수 있다. 따라서, 상기 어레이 엘리먼트(1500)는 제 1 솔라 셀 버스(SCB 1), 제2 솔라 셀 버스(SCB 2) 및 도 11 또는 도 13에 도시된 복수의 스위치들을 구비하여 상기 이미지 센서 어레이(1400)의 이미지 센서를 솔라 셀로 전환하여 이용할 수 있다. 즉, 동일한 포토 디텍터를 이용하여 이미지 센서와 솔라 셀이 겸용되는 구조가 되므로 필요에 따라 전력 생성과 이미지 획득을 교대로 할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 픽셀 기반 CMOS 솔라 셀에 사용된 포토 디텍터의 제조 공정이 표준 CMOS 공정으로 제작이 가능하기 때문에 구현되며, 나아가 주변 회로들과도 동일 칩에 집적화가 용이하게 된다는 것을 의미한다.
도 16은 본 발명에 따른 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 기능을 구비한 전자 기기의 블록도이다. 상기 전자 기기(1600)는 디지털 카메라, CCTV 등 영상 촬영 장치 뿐만 아니라, 영상 촬영 기능이 구비된 스마트폰, 태블릿 PC, TV 등 각종 전자 기기들을 포함한다. 상기 전자 기기(1600)는 제어 신호에 따라 솔라 셀로서 동작 가능한 복수의 단위 픽셀로 구성된 이미지 센서부(1610), 상기 이미지 센서부(1610)에 대한 상기 제어 신호를 생성하여 상기 제어 신호를 상기 이미지 센서부로 전송하는 프로세서(1620), 상기 이미지 센서부(1610)로부터 충전된 전력을 공급받는 배터리(1630) 및 상기 이미지 센서부(1610)로부터 충전된 전력을 상기 이미지 센서부(1610)로부터 또는 상기 배터리(1630)로부터 전력을 공급받는 전력 IC(1640)를 포함한다. 여기서 상기 복수의 단위 픽셀 중 각각의 단위 픽셀은 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터를 포함한다.
한편, 상기 프로세서(1620)는 상기 이미지 센서부(1610)가 이미지 센서로 동작하는 것과 연관된 이벤트가 존재하지 않는 경우에 상기 제어신호를 상기 이미지 센서부(1610)로 전송하여 상기 이미지 센서부(1610)를 솔라 셀로 동작하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 전자기기(1600)는 주변 광을 수집하여, 상기 주변 광의 강도(intensity)가 일정 값 이상이면 상기 프로세서(1620)로 하여금 상기 제어신호를 생성하도록 수집된 주변 광 정보를 제공하는 주변 광 센서(1650)를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 각각의 단위 픽셀은, 도 7을 참조하면 상기 포토 디텍터(300)의 소스 단자 및 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제1 스위치(S1) 및 상기 포토 디텍터(300)의 게이트 단자 및 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제2 스위치(S2)를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 각각의 단위 픽셀은, 도 11을 참조하면 상기 포토 디텍터(300)의 게이트 단자 및 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제1 스위치(S1) 및 상기 포토 디텍터(300)의 소스 단자 및 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 상기 광전류를 화소 출력단(1010)으로 출력시키는 선택 소자(SEL)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이미지 센서부(1610)는 픽셀 기반 CMOS 솔라 셀(Pixelated CMOS solar cell(PCSC))로서 동작 가능하면, 상기 이미지 센서부(1610)는 이미지 센서와 함께 표준 CMOS 공정을 이용하여 동일 칩 상에 제조될 수 있어 소형화, 저전력화를 동시에 구현할 수 있게 된다. 또한 상기 이미지 센서부(1610)에 의한 전력 생성으로 2차 전지와 같은 상기 배터리(1630)에는 필요에 따라 전력을 충전시킬 수 있어 외부 전원을 통한 별도의 충전 없이도 상기 전력 IC(1640)로 전력을 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 어레이 엘리먼트에 있어서,
    복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트를 제1 방향으로 배치한 서브 엘리먼트; 및
    상기 서브 엘리먼트를 제2 방향으로 복수 개 배치하기 위하여 상기 서브 엘리먼트 간에 온/오프 동작을 수행하는 서브 엘리먼트 스위치;
    상기 서브 엘리먼트는 상기 제2 방향으로 인접한 제1 내지 제4서브 엘리먼트를 포함하고, 상기 서브 엘리먼트는 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터 및 상기 포토 디텍터의 단자들을 제1 및 제2 솔라 셀 버스와 연결시키는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하는 단위 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 스위치 및 제2 스위치에 대한 개별 제어 신호를 생성하여, 상기 단위 픽셀로 상기 개별 제어 신호를 전송하는 제1 제어부; 및
    상기 제2 방향의 상기 제1 및 제3 서브 엘리먼트 및 상기 제2 및 제4 서브 엘리먼트 간에 상기 제1 및 제2 솔라 셀 버스를 공유하도록 제어 신호를 생성하여 상기 제어 신호를 상기 서브 엘리먼트로 전송하는 제2 제어부를 포함하는, 어레이 엘리먼트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서브 엘리먼트 스위치는 제1 서브 엘리먼트의 상기 제2 솔라 셀 버스와 제2 서브 엘리먼트의 상기 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되는, 어레이 엘리먼트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트 내의 상기 제1 및 제2 스위치에 대한 개별 제어 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하는, 어레이 엘리먼트.
  4. 삭제
  5. 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 어레이 엘리먼트에 있어서,
    복수 개의 단위 픽셀 엘리먼트를 제1 방향으로 배치한 서브 엘리먼트; 및
    상기 서브 엘리먼트를 제2 방향으로 복수 개 배치하기 위하여 상기 서브 엘리먼트 간에 온/오프 동작을 수행하는 서브 엘리먼트 스위치를 포함하고,
    상기 서브 엘리먼트는 상기 제2 방향으로 인접한 제1 내지 제4서브 엘리먼트를 포함하고, 상기 서브 엘리먼트는 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터, 상기 포토 디텍터의 단자들을 제1 및 제2 솔라 셀 버스와 연결시키는 제1 및 제2 스위치 및 상기 제2 솔라 셀 버스에 연결되어 상기 광 전류를 전압으로 충전하는 화소 출력단을 포함하는 단위 픽셀 엘리먼트를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 스위치에 대한 개별 제어 신호를 생성하여, 상기 단위 픽셀 엘리먼트로 상기 개별 제어 신호를 전송하는 제1 제어부; 및
    상기 제2 방향의 상기 제1 및 제3 서브 엘리먼트 및 상기 제2 및 제4 서브 엘리먼트 간에 상기 제1 및 제2 솔라 셀 버스를 공유하도록 제어 신호를 생성하여 상기 제어 신호를 상기 서브 엘리먼트로 전송하는 제2 제어부를 포함하는, 어레이 엘리먼트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 서브 엘리먼트 스위치는 제1 서브 엘리먼트의 상기 제2 솔라 셀 버스와 제2 서브 엘리먼트의 상기 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되는, 어레이 엘리먼트.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 포토 디텍터의 게이트 단자 및 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는, 어레이 엘리먼트.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제2 스위치는 상기 포토 디텍터의 소스 단자 및 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 상기 광전류를 화소 출력단으로 출력시키는, 어레이 엘리먼트.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 포토 디텍터는 상기 포토 디텍터의 N웰에 연결된 리셋 단자 및 상기 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제3 스위치를 더 포함하는, 어레이 엘리먼트.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 포토 디텍터는 상기 포토 디텍터의 리셋 단자 및 상기 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는 제4 스위치를 더 포함하는, 어레이 엘리먼트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 리셋 단자는 상기 소스 및 상기 드레인에 도핑된 불순물과 상이한 불순물로 도핑된, 어레이 엘리먼트.
  14. 이미지 센서와 솔라 셀로서 동작 가능한 기능을 구비한 전자 기기에 있어서,
    제어 신호에 따라 솔라 셀로서 동작 가능한 복수의 단위 픽셀로 구성된 이미지 센서부;
    상기 이미지 센서에 대한 상기 제어 신호를 생성하여 상기 제어 신호를 상기 이미지 센서부로 전송하는 프로세서를 포함하고,
    상기 복수의 단위 픽셀 중 각각의 단위 픽셀은 게이트에 수광된 빛에 의해 소스와 드레인 간 채널의 광전류의 흐름을 발생시키는 포토 디텍터 및 상기 포토 디텍터의 단자들을 제1 솔라 셀 버스 및 제2 솔라 셀 버스와 연결시키는 제1 스위치 및 제2 스위치를 포함하고,
    상기 복수의 단위 픽셀은 제1 방향으로 배치한 서브 엘리먼트를 포함하고,
    상기 서브 엘리먼트는 상기 제2 방향으로 인접한 제1 내지 4서브 엘리먼트를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 및 제2 스위치에 대한 개별 제어 신호를 생성하여, 상기 단위 픽셀로 상기 개별 제어 신호를 전송하는 제1 프로세서; 및
    상기 제2 방향의 상기 제1 및 제3 서브 엘리먼트 및 상기 제2 및 제4 서브 엘리먼트 간에 상기 제1 및 제2 솔라 셀 버스를 공유하도록 제어 신호를 생성하여 상기 제어 신호를 상기 서브 엘리먼트로 전송하는 제2 프로세서를 포함하는, 전자 기기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 이미지 센서부가 이미지 센서로 동작하는 것과 연관된 이벤트가 존재하지 않는 경우에 상기 제어 신호를 상기 이미지 센서부로 전송하는, 전자 기기.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 이미지 센서부로부터 충전된 전력을 공급받는 배터리를 더 포함하는, 전자 기기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이미지 센서부로부터 충전된 전력을 상기 이미지 센서부로부터 또는 상기 배터리로부터 전력을 공급받는 전력 IC를 더 포함하는, 전자 기기.
  18. 제14항에 있어서,
    주변 광을 수집하여, 상기 주변 광의 강도(intensity)가 일정 값 이상이면 상기 프로세서로 하여금 상기 제어 신호를 생성하도록 상기 수집된 주변 광과 관련된 정보를 상기 프로세서로 제공하는 주변 광 센서를 더 포함하는, 전자 기기.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 포토 디텍터의 소스 단자 및 상기 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하고,
    상기 제2 스위치는 상기 포토 디텍터의 게이트 단자 및 상기 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하는, 전자 기기.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 포토 디텍터의 게이트 단자 및 상기 제1 솔라 셀 버스 간에 연결되어 온/오프 동작을 수행하고,
    상기 포토 디텍터의 소스 단자 및 제2 솔라 셀 버스 간에 연결되어 상기 광전류를 화소 출력단으로 출력시키는 선택 소자를 포함하는, 전자 기기.
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TWM543465U (zh) * 2016-12-29 2017-06-11 新唐科技股份有限公司 高電壓pin二極體
US10115837B1 (en) * 2017-09-28 2018-10-30 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Integrated circuits with solar cells and methods for producing the same
WO2019113186A1 (en) * 2017-12-06 2019-06-13 Ohio State Innovation Foundation Open circuit voltage photodetector
CN108061599B (zh) * 2018-01-03 2020-03-27 京东方科技集团股份有限公司 光检测电路及其检测方法、光检测装置
US11538847B2 (en) 2018-02-23 2022-12-27 The Regents Of The University Of Michigan Imaging sensor and pixel structure for simultaneous imaging and energy harvesting
CN108519151B (zh) * 2018-03-23 2020-05-05 京东方科技集团股份有限公司 光检测电路、光检测方法和光检测装置
CN111525030B (zh) * 2020-04-29 2023-02-07 上海华虹宏力半导体制造有限公司 一种pps电容器及其形成方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008294590A (ja) * 2007-05-22 2008-12-04 Sony Corp 撮像装置
WO2009136285A2 (en) * 2008-04-16 2009-11-12 Quantum Semiconductor Llc Pixel circuitry for ultra wide dynamic range
US20100270459A1 (en) * 2009-04-24 2010-10-28 Augusto Carlos J R P Image Sensors with Photo-Current Mode and Solar Cell Operation

Family Cites Families (49)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4173765A (en) 1978-05-26 1979-11-06 Eastman Kodak Company V-MOS imaging array
JPS5850030B2 (ja) * 1979-03-08 1983-11-08 日本放送協会 光電変換装置およびそれを用いた固体撮像板
EP0067566A3 (en) 1981-06-13 1985-08-07 Plessey Overseas Limited Integrated light detection or generation means and amplifying means
JPS59158551A (ja) * 1983-02-28 1984-09-08 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体光検出装置及びその駆動方法
JPH0779159B2 (ja) * 1984-03-22 1995-08-23 潤一 西澤 光トリガ・光クエンチ可能なサイリスタ装置
JPS61124171A (ja) * 1984-11-20 1986-06-11 Seiko Instr & Electronics Ltd 半導体装置
JPS61228668A (ja) * 1985-04-01 1986-10-11 Mitsubishi Electric Corp 固体撮像装置
JPH04313268A (ja) 1991-04-10 1992-11-05 Sony Corp 固体撮像装置
JPH07255013A (ja) * 1994-01-31 1995-10-03 Sony Corp 固体撮像装置
JP2878137B2 (ja) * 1994-06-29 1999-04-05 シャープ株式会社 増幅型光電変換素子、それを用いた増幅型固体撮像装置、及び増幅型光電変換素子の製造方法
JP2937047B2 (ja) * 1994-12-26 1999-08-23 日本電気株式会社 画像入力装置
WO1998012741A1 (en) 1996-09-18 1998-03-26 Advanced Micro Devices, Inc. Short channel non-self aligned vmos field effect transistor
JPH10242443A (ja) 1997-02-27 1998-09-11 Toshiba Corp 機能集積半導体装置
US5886368A (en) 1997-07-29 1999-03-23 Micron Technology, Inc. Transistor with silicon oxycarbide gate and methods of fabrication and use
JP3442283B2 (ja) 1998-04-28 2003-09-02 セイコーインスツルメンツ株式会社 リニアイメージセンサ
JP2001177702A (ja) 1999-12-20 2001-06-29 Nec Shizuoka Ltd コードレスハンドスキャナ
JP2001230443A (ja) 2000-02-16 2001-08-24 Fujitsu Ltd 光半導体装置
US6864920B1 (en) 2001-08-24 2005-03-08 Eastman Kodak Company High voltage reset method for increasing the dynamic range of a CMOS image sensor
JP4183464B2 (ja) 2002-09-20 2008-11-19 富士フイルム株式会社 固体撮像装置とその駆動方法
KR100525895B1 (ko) 2003-04-30 2005-11-02 매그나칩 반도체 유한회사 씨모스 이미지 센서의 단위화소
US6998657B2 (en) * 2003-10-21 2006-02-14 Micron Technology, Inc. Single poly CMOS imager
KR100531243B1 (ko) 2003-12-03 2005-11-28 전자부품연구원 나노 사이즈의 전자채널을 이용한 고감도 이미지 센서 및그 제조방법
KR100558527B1 (ko) 2003-12-03 2006-03-10 전자부품연구원 고감도 이미지 센서 및 그 제조방법
JP4304338B2 (ja) 2004-01-13 2009-07-29 独立行政法人産業技術総合研究所 光検出素子
US7271430B2 (en) 2004-06-04 2007-09-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Image sensors for reducing dark current and methods of fabricating the same
US7466255B1 (en) 2005-11-17 2008-12-16 University Of Rochester Multiplexed-input-separated Σ-Δ analog-to-digital converter for pixel-level analog-to-digital conversion utilizing a feedback DAC separation
JP2007281144A (ja) 2006-04-05 2007-10-25 Fujifilm Corp 固体撮像素子及び撮像装置
KR100851553B1 (ko) 2006-10-02 2008-08-11 삼성전자주식회사 반도체 소자 및 그 구동방법
JP4950703B2 (ja) 2007-03-02 2012-06-13 株式会社東芝 固体撮像素子
KR101404074B1 (ko) 2007-07-31 2014-06-05 삼성전기주식회사 Ｃｍｏｓ 영상 센서
DE102007045448A1 (de) 2007-09-24 2009-04-02 Arnold & Richter Cine Technik Gmbh & Co. Betriebs Kg Bildsensor
TWI324832B (en) 2007-10-23 2010-05-11 Au Optronics Corp Photo sensor and fabrication method thereof
KR20090043737A (ko) 2007-10-30 2009-05-07 플래닛팔이 주식회사 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀
JP5027680B2 (ja) 2008-01-18 2012-09-19 パナソニック株式会社 半導体リレーモジュール
JP5213501B2 (ja) 2008-04-09 2013-06-19 キヤノン株式会社 固体撮像装置
US7888215B2 (en) 2008-06-04 2011-02-15 Omnivision Technologies, Inc. CMOS image sensor with high full-well-capacity
KR101588459B1 (ko) 2009-08-20 2016-01-25 주식회사 동부하이텍 이미지 센서 및 그 구동 방법
US8263920B2 (en) 2009-09-30 2012-09-11 The Boeing Company Diodeless terrestrial photovoltaic solar power array
JP2011243704A (ja) 2010-05-17 2011-12-01 Panasonic Corp 固体撮像装置
JP2013045879A (ja) * 2011-08-24 2013-03-04 Sony Corp 半導体装置、半導体装置の製造方法、固体撮像装置、固体撮像装置の製造方法、電子機器
US8569806B2 (en) 2011-09-02 2013-10-29 Hoon Kim Unit pixel of image sensor and photo detector thereof
US8610234B2 (en) 2011-09-02 2013-12-17 Hoon Kim Unit pixel of image sensor and photo detector thereof
US8653618B2 (en) 2011-09-02 2014-02-18 Hoon Kim Unit pixel of color image sensor and photo detector thereof
FR2983296B1 (fr) 2011-11-29 2013-12-27 Soc Fr Detecteurs Infrarouges Sofradir Dispositif de detection de rayonnement a etendue d'illumination amelioree
FR2997596B1 (fr) 2012-10-26 2015-12-04 New Imaging Technologies Sas Structure d'un pixel actif de type cmos
FR3001578B1 (fr) 2013-01-31 2015-04-03 New Imaging Technologies Sas Matrice de photodiode a zone dopee absorbant les charges
KR102030996B1 (ko) 2013-04-30 2019-10-11 요코하마 고무 가부시키가이샤 자외선 경화형 수지 조성물 및 이것을 이용하는 적층체
US9366570B1 (en) 2014-03-10 2016-06-14 Verily Life Sciences Llc Photodiode operable in photoconductive mode and photovoltaic mode
WO2016092762A2 (en) 2014-12-11 2016-06-16 Sony Corporation Imaging apparatus, drive method, and electronic apparatus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008294590A (ja) * 2007-05-22 2008-12-04 Sony Corp 撮像装置
WO2009136285A2 (en) * 2008-04-16 2009-11-12 Quantum Semiconductor Llc Pixel circuitry for ultra wide dynamic range
US20100270459A1 (en) * 2009-04-24 2010-10-28 Augusto Carlos J R P Image Sensors with Photo-Current Mode and Solar Cell Operation

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