KR101930757B1 - 픽셀, 픽셀 어레이 및 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 각 픽셀의 포토 다이오드의 양 측면에 플로팅 센싱 노드들이 대칭으로 배치됨으로써, 픽셀 어레이 내의 위치에 따른 픽셀의 CRA 특성 차이로 인한 레드 칼라와 같은 장파장 빛에 대한 픽셀 별 감도 차이를 줄일 수 있다. 또한, 각 픽셀에 포토 게이트를 배치하고, 광 전하 전송 시 상기 포토 게이트에 음의 전압을 인가함으로써 상기 포토 다이오드로부터 플로팅 센싱 노드들 각각으로의 광 전송 효율을 높일 수 있다.

Description

픽셀, 픽셀 어레이 및 이미지 센서{PIXEL, PIXEL ARRAY, AND IMAGE SENSOR}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 이미지 센서, 특히 대칭 구조의 플로팅 센싱 노드(floating sensing node)를 포함하여 CRA(chip ray angle)의 차이에 따른 특정 컬러에서의 감도 차이를 보상할 수 있는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서(image sensor)에 관한 것이다.
빛의 세기, 온도, 질량, 또는 시간 등과 같은 유효한 물리량을 감지하여 전기 신호를 출력하는 픽셀 어레이를 포함하는 센서 장치가 다방면에서 사용되고 있다. 특히, 촬상되는(captured) 피사체의 이미지를 측정하는 이미지 센서는 다양한 분야에서 응용되고 있다.
본 발명의 목적은 픽셀의 위치에 따른 CRA의 차이로 인한 장파장 칼라의 감도 차이를 개선할 수 있는 CMOS 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 포토다이오드(photodiode)의 래그(lag) 특성을 향상시킨 CMOS 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀은 수신된 광신호를 변환하여 광전하를 출력하는 포토 다이오드와, 상기 광전하를 감지하며, 상기 포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭적으로 상기 포토 다이오드에 인접하게 배치된 적어도 두 개의 감지 노드와, 상기 감지된 광전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 구동부를 포함한다.
상기 픽셀은 상기 포토 다이오드로부터 상기 두 개의 감지 노드 각각으로 상기 광전하가 전송될 때, 상기 포토 다이오드에 음 전압을 제공하기 위한 포토 게이트를 더 포함한다.
상기 포토 게이트는 상기 포토 다이오드와 오버랩되도록 배치될 수 있다.
상기 포토 게이트는 상기 포토 다이오드로 입사하는 광경로 상에 배치될 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 상기 포토 게이트는 상기 포토 다이오드로 입사하는 광경로와 다른 경로에 배치될 수 있다.
상기 구동부는 상기 적어도 두 개의 감지 노드 각각에 인접하게 배치된 적어도 두 개의 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 트랜스퍼 트랜지스터는 동시에 온/오프 제어된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는 제1로우(row)에 배치되며, 제1포토 다이오드와, 상기 제1포토 다이오드의 양측에 인접하게 상기 제1포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭으로 배치된 적어도 두 개의 제1감지 노드를 포함하는 제1픽셀과, 제2로우에 배치되며, 제2포토 다이오드와, 상기 제2포토 다이오드의 양측에 인접하게 상기 제2포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭으로 배치된 적어도 두 개의 제2감지 노드를 포함하는 제2픽셀을 포함하며, 상기 제1픽셀과 상기 제2픽셀은 서로 인접하게 배치되며, 상기 적어도 두 개의 제1감지 노드와 상기 적어도 두 개의 제2감지 노드 중에서 적어도 하나는 서로 공유된다.
상기 제1픽셀과 상기 제2 픽셀은 서로 동일 칼럼(column)에 배치될 수 있다.
상기 제1픽셀과 상기 제2픽셀 각각은 상기 적어도 두 개의 제1감지 노드 및 상기 적어도 두 개의 제2감지 노드로부터 제공되는 전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 적어도 두 개의 구동부를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 구동부 중에서 적어도 하나는 상기 제1픽셀과 상기 제2 픽셀에 의해 서로 공유된다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 수신된 광신호를 변환하여 광 전하를 출력하는 포토 다이오드와, 상기 광 전하를 감지하고, 상기 포토 다이오드 양측에 인접하게 상기 포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭으로 배치된 적어도 두 개의 감지 노드와, 상기 감지된 광 전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 구동부 및 상기 감지 노드와 접속되어 상기 감지 노드를 소정의 전압 레벨로 리셋시키는 리셋부를 포함하는 픽셀이 로우 방향 및 칼럼 방향으로 복수 개 배열된 이미지 센서의 픽셀 어레이와, 상기 픽셀 어레이로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 포함한다.
본 발명에 따르면, CMOS 이미지 센서의 픽셀 위치에 따른 CRA 차이로 인한 장파장 칼라의 감도 차이를 개선할 수 있다.
또한, 포토 게이트를 통해 광 전하 전송 시 포토다이오드에 음의 전압을 인가함으로써, 래그 특성을 개선할 수 있다.
상기 플로팅 센싱 노드는 포토다이오드를 기준으로 적어도 한 쌍이 대칭적으로 배치되어 픽셀의 위치에 상관없이 CRA에 따른 레드(Red)와 같은 장파장 칼라에서의 픽셀의 위치에 따른 감도 차이를 개선할 수 있다.
또한, 포토다이오드와 입사 광 사이의 경로 사이 또는 경로를 벗어난 곳에 포토 게이트가 구비되어, 포토다이오드에서 생성된 광 전하를 플로팅 센싱 노드로 전송할 때 포토다이오드에 음의 전압을 인가함으로써 광 전송 효율을 높여 래그 특성을 개선할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀의 포토 다이오드 및 플로팅 센싱 노드를 도시한 평면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 픽셀을 X-X' 방향 및 Y-Y' 방향 각각으로 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀의 포토 다이오드 및 플로팅 센싱 노드를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4의 픽셀을 X-X' 방향 및 Y-Y' 방향 각각으로 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 포토 다이오드 및 플로팅 센싱 노드를 도시한 평면도이다.
도 7은 도 6의 픽셀을 X-X' 방향 및 Y-Y' 방향 각각으로 절단한 단면도이다.
도 8 및 도 9는 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 베이어 패턴을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 픽셀 어레이를 이루는 각 픽셀을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 도 10에 도시된 픽셀 어레이에 포토 게이트가 추가된 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 WRGB 패턴을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
도 14는 도 13에 도시된 픽셀 어레이를 이루는 각 픽셀을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 픽셀 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예들에 따른 픽셀 어레이를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 17은 도 8에 도시된 픽셀 어레이의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 17에 도시된 픽셀 어레이의 일 예에 따른 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 19a부터 도 19d는 다양한 단위 픽셀의 예를 도시한 상세 회로도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 카메라 시스템을 도시한 블록도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한 블록도이다.
도 23은 도 22의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀의 포토 다이오드 및 플로팅 센싱 노드를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(10)은 포토다이오드(11)와, 각 트랜스퍼 트랜지스터(transfer transistor)를 구성하는 각 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b)와, 각 플로팅 센싱 노드(floating sensing node; 12a와 12b)를 포함한다.
각 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b)는 각 메탈 콘택(metal contact; 미도시)을 통해 각 게이트 제어 신호를 수신할 수 있다.
두 개의 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b) 각각은 포토 다이오드(11)를 소스 (source)/드레인(drain)으로 하고 각 플로팅 센싱 노드(12a와 12b)를 드레인/소스로 하는 두 개의 트랜스퍼 트랜지스터 각각을 구성할 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 트랜스퍼 트랜지스터는 트랜스퍼 게이트(13a), 소스와 드레인 중에서 어느 하나의 기능을 수행하는 포토다이오드 (11)와, 상기 소스와 상기 드레인 중에서 다른 하나의 기능을 수행하는 플로팅 센싱 노드(12a)를 포함할 수 있다.
각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)는 각 트랜스퍼 트랜지스터와, 도시되지 않은 구동부(또는 증폭부)를 포함하는 트랜지스터 및/또는 리셋 트랜지스터의 메탈 콘택(미도시)을 통해 형성된 기생 캐패시터(parasitic capacitor)를 포함할 수 있다.
포토다이오드(11)를 기준으로 두 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)가 대칭을 이루도록 배치된다. 포토다이오드(11)와 두 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b) 각각의 사이에는 각각의 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b)가 배치된다. 각 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b)는 메탈(metal), 폴리 실리콘(poly silicon) 또는 이들의 조합 등으로 구성되어, 전기 전도성(electric conductivity)을 갖는다.
여기서, 포토다이오드(11)는 P형 불순물 도핑 영역과 N형 불순물 도핑 영역을 포함할 수 있다. 기판(substrate)이 P형 불순물을 포함할 경우, 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)는 N형 불순물을 포함할 수 있다. 이때, 트랜스퍼 트랜지스터는 NMOS 트랜지스터를 포함한다.
도 2는 도 1의 픽셀을 X-X' 방향과 Y-Y' 방향 각각으로 절단한 단면도(cross sectional view)이다. 픽셀(10)은 FIS(front-side illumination sensor) 방식으로 구동하는 이미지 센서에 사용된다.
도 2의 (a)는 도 1의 X-X' 방향의 절단 단면으로서, 기판(Sub)에 포토다이오드(11)가 형성되어 있다. 포토다이오드(11)의 양측에는 포토다이오드(11)와 이격되도록 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)가 형성되어 있다.
두 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)는 포토다이오드(11)를 기준으로 대칭적으로 구현된다. 포토 다이오드(11)와 플로팅 센싱 노드들(12a 및 12b) 각각의 사이에는 두 개의 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b) 각각이 배치된다. 포토 다이오드(11)에서 생성된 광 전하는 각 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b)의 턴-온 동작에 따라 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)로 이동될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 2의 (a)에 도시된 픽셀(10)은 FIS 구조이므로, 전면을 통해 빛(14a 및 14b)이 입사된다. 예컨대, 픽셀(10)에 입사하는 빛(14a 및 14b)이 CRA(Chip Ray Angle) 특성상, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(11)의 양끝 하단으로 입사하는 경우, 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)가 대칭으로 배치되므로, 침투 깊이가 큰 장파장의 칼라, 예컨대, 레드(red)의 경우 양 방향에서 동일한 감도 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)가 포토 다이오드(11)의 어느 한쪽 방향에만 배치되어 있을 때, 장파장의 경우, 상기 장파장은 포토 다이오드(11)와 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)의 경계 부분까지 침투한다. 이는 광 전하를 생성하는 작용을 하므로, 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)의 유무에 따라 광 조도가 낮은 환경일수록 또는 픽셀 사이즈가 작을수록 장파장에 해당하는 칼라에 대한 광 감도 차이가 발생할 수 있다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)가 포토 다이오드(11)를 기준으로 대칭으로 배치됨으로써, 전술한 장파장에 해당하는 칼라에 대한 양쪽 방향에 대한 감도 차이를 해결할 수 있다.
도 2의 (b)는 도 1의 Y-Y' 방향의 절단 단면으로서, 포토 다이오드(11)의 양측에 절연막(Fox, 예컨대, 필드 산화막(field oxide))이 배치된다. 빛은 14c와 14d와 같이 CRA 내로 입사된다. 절연막(Fox)은 픽셀(10)과 인접하는 픽셀 또는 전기 전도성 패턴 등을 격리시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 픽셀을 X-X' 방향 및 Y-Y' 방향 각각으로 절단한 단면도이다. 픽셀(10)은 BIS(back-side illumination sensor) 방식으로 구동하는 이미지 센서에 사용된다.
도 3의 (a)는 도 1의 X-X' 방향의 절단 단면으로서, 기판(Sub)에 포토 다이오드(11)가 형성되어 있다. 포토 다이오드(11)의 양측에는 포토 다이오드(11)와 이격되도록 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)가 배치된다. 두 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)는 포토 다이오드(11)를 기준으로 서로 대칭을 이룬다. 포토 다이오드(11)와 플로팅 센싱 노드들(12a 및 12b) 각각의 사이에는 두 개의 트랜스퍼 게이트 (13a과 13b) 각각이 배치된다.
포토 다이오드(11)에서 생성된 광 전하는 각 트랜스퍼 게이트(13a 및 13b)의 턴-온 동작에 따라 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)로 이동될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 3의 (a)에 도시된 픽셀은 BIS 방식의 이미지 센서에 사용되므로, 기판(Sub)의 후면을 통해 빛(14e 및 14f)이 입사된다.
예컨대, 픽셀(10)에 입사하는 빛(14e 및 14f)이 CRA(Chip Ray Angle) 특성 상, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드(11)의 양끝 하단으로 입사하는 경우, 플로팅 센싱 노드들(12a 및 12b)이 대칭으로 배치되므로, 레드 칼라와 같이 침투 깊이가 큰 장파장의 경우, 각 플로팅 센싱 노드(12a 및 12b)가 어느 한쪽에 있는 경우에 비해, 픽셀의 위치에 상관없이 동일한 감도 특성을 나타낼 수 있다.
도 3의 (b)는 도 1의 Y-Y' 방향의 절단 단면으로서, 포토 다이오드(11)의 양측에 절연막(Fox)이 배치된다. 빛은 14g와 14h와 같이 CRA 내로 입사된다. 절연막 (Fox)은 픽셀(10)과 인접하는 픽셀 또는 전기 전도성 패턴 등을 격리시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서를 구성하는 단위 픽셀의 포토다이오드 및 플로팅 센싱 노드를 도시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(40)은 포토 다이오드(41)와, 각 트랜스퍼 트랜지스터를 구성하는 각 트랜스퍼 게이트(43a 및 43b)와 각 플로팅 센싱 노드(42a 및 42b)를 포함한다. 포토 다이오드(41) 상부에는 빛을 투과시키면서 전도성을 갖는 물질로 구성된 포토 게이트(photo gate; 45)가 배치된다. 포토 게이트 (45)는 포토 다이오드(41)로 입사하는 광의 광 경로(optical path)에 배치되거나 또는 상기 광 경로와 다른 방향으로 배치될 수 있다.
포토 게이트(45)는 ITO(Indium tin oxide) 등과 같이 빛을 모두 투과하면서도 전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 한편, 포토 다이오드(41)에서 광전 변환되는 빛이 가시 광선 영역일 경우, 포토 게이트(45)는 상기 가시 광선 영역만을 선택적으로 투과하면서도 전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
포토 다이오드(41)에 집적된 광 전하가 각 트랜스퍼 게이트(43a 및 43b)의 온/오프 제어를 통해 각 플로팅 센싱 노드(42a 및 42b)로 전송될 때, 포토 게이트 (45)에 음 전압(negative voltage)이 인가됨으로써 광 전하의 전송 효율(transfer efficiency)을 높일 수 있다.
여기서, 포토 게이트(45)와 도면 부호들을 제외한 도 4의 픽셀(40)의 구성과 동작은 도 1의 픽셀(10)의 구성과 동작과 실질적으로 동일하므로, 픽셀(40)의 구체적인 구성과 동작에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 도 4의 픽셀을 X-X' 방향 및 Y-Y' 방향 각각으로 절단한 단면도이다. 픽셀(40)은 FIS 방식으로 구동하는 이미지 센서에 사용된다.
도 5의 (a)는 도 4의 X-X' 방향의 절단 단면으로서, 기판(Sub)에 포토 다이오드(41)가 형성되어 있다. 포토 다이오드(41)의 양측에는 포토 다이오드(41)와 이격되도록 각 플로팅 센싱 노드(42a 및 42b)가 배치된다. 두 플로팅 센싱 노드(42a 및 42b)는 포토 다이오드(41)를 기준으로 서로 대칭적으로 배치된다.
포토 다이오드(41)와 플로팅 센싱 노드들(42a 및 42b) 각각의 사이에는 두 개의 트랜스퍼 게이트(43a 및 43b) 각각이 배치된다. 포토 다이오드(41) 상부에는 포토 게이트(45)가 배치되어, 포토 다이오드(41)에서 생성된 광 전하를 각 플로팅 센싱 노드(42a 및 42b)로 전송 시, 포토 게이트(45)로 음 전압이 공급된다.
전술한 바와 같이, 도 5의 (a)에 도시된 픽셀(40)은 FIS 구조이므로, 빛 (44a 및 44b)이 포토 게이트(45)를 통해 포토 다이오드(41)에 입사된다. 포토 게이트(45)는 포토 다이오드(41)에서 광전 변환을 위해 요구되는 빛을 통과시킬 수 있는 특성을 가질 수 있다.
예컨대, 포토 다이오드(41)가 이미지 센서에 사용될 경우, 가시 광선 영역을 통과시킬 있는 특성이 필요하며, 거리 측정 센서에 사용될 경우 거리 측정에 사용되는 레이저(laser) 또는 LED(light emitting diode) 광을 통과시킬 수 있는 특성이 필요하다.
아울러, 전술한 바와 같이, 포토 게이트(45)가 포토 다이오드(41)에 음의 전압을 공급하는 용도 이외에, 광 투과 특성에 영향을 미칠 경우에는 포토 다이오드 (41)의 전면을 덮을 수 있는 모양을 가질 수 있다.
도 5의 (b)는 도 4의 Y-Y' 방향의 절단 단면으로서, 포토 다이오드(41)의 양측에 절연막(Fox)이 배치된다. 빛은 44c와 44d와 같이 CRA 내로 입사된다. 절연막 (Fox)은 픽셀(40)과 인접하는 픽셀 또는 전기 전도성 패턴 등을 격리시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 포토 다이오드 및 플로팅 센싱 노드를 도시한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 이미지 센서의 픽셀(60)은 포토 다이오드(61)와, 각 트랜스퍼 트랜지스터를 구성하는 각 트랜스퍼 게이트(63a 및 63b)와 각 플로팅 센싱 노드(62a 및 62b)를 포함한다.
포토 다이오드(61)의 상부에는 전기 전도성을 갖는 물질로 구성된 포토 게이트(65)가 배치된다. 여기서, 포토 게이트(65)는 포토 다이오드(61)의 상부에 배치된 것처럼 도시되어 있지만, BIS 방식의 이미지 센서에 사용되는 픽셀(60)이므로, 물리적인 구조상으로 포토 게이트(65)가 포토 다이오드(61) 하부에 위치할 것이다.
포토 다이오드(61)에 집적된 광 전하가 각 트랜스퍼 게이트(63a 및 63b)의 온/오프 제어를 통해 각 플로팅 센싱 노드(62a 및 62b)로 전송될 때, 포토 게이트 (65)에 음 전압이 공급됨으로써 광 전하의 전송 효율이 높아질 수 있다.
포토 게이트(65)를 제외한 픽셀(60)의 구조와 동작은 도 1의 픽셀(10)의 구조와 동작, 또는 도 4의 픽셀(40)의 구조와 동작과 도면 부호만 다를 뿐 서로 실질적으로 동일하므로 픽셀(60)의 구조와 동작에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 7은 도 6의 픽셀을 X-X' 방향과 Y-Y' 방향 각각으로 절단한 단면도이다. 픽셀(60)은 BIS 방식으로 구동하는 이미지 센서에 사용된다.
도 7의 (a)는 도 6의 X-X' 방향의 절단 단면으로서, 기판(Sub)에 포토 다이오드(61)가 형성되어 있다. 포토 다이오드(61)의 양측에는 포토 다이오드(61)와 이격되도록 각 플로팅 센싱 노드(62a 및 62b)가 배치된다. 두 플로팅 센싱 노드(62a 및 62b)는 포토 다이오드(61)를 기준으로 대칭적으로 배치된다.
포토 다이오드(61)와 플로팅 센싱 노드들(62a 및 62b) 각각의 사이에는 두 개의 트랜스퍼 게이트(63a 및 63b) 각각이 배치된다. 포토 다이오드(61)의 하부에는 포토 게이트(65)가 배치되어, 포토 다이오드(61)에서 생성된 광 전하를 플로팅 센싱 노드(62a 및 62b)로 전송할 때, 포토 게이트(65)로 음 전압이 공급된다.
전술한 바와 같이, 도 6 및 도 7에 도시된 픽셀(60)은 BIS 구조이므로, 빛 (64a 및 64b)이 포토 게이트(65)의 반대편, 즉, 기판(Sub)의 후면을 통해 포토 다이오드(61)에 입사된다. 한편, 기판(Sub)의 후면에는 포토 다이오드(61)에서 광전 변환을 위해 요구되는 빛을 통과시킬 수 있는 특성을 갖는 필터(미도시)가 추가될 수 있다.
이때, 광전 변환에 사용되는 빛이 가시 광선일 경우, 픽셀(60)은 상기 가시 광선만을 선택적으로 투과하면서도 전기 전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 아울러, 광전 변환에 사용되는 가시 광 영역은 특정 칼라, 예컨대, 레드(R) 칼라, 블루(B) 칼라, 그린(G) 칼라, 화이트(W) 칼라, 마젠타(Mg) 칼라, 사이언(Cy) 칼라, 또는 옐로우(Y) 칼라 등을 포함할 수 있다. 여기서, 화이트(W) 칼라는 전술한 칼라 필터를 포함하지 않는 픽셀로 공급되는 가시 광을 의미한다.
도 7의 (b)는 도 6의 Y-Y' 방향의 절단 단면으로서, 포토 다이오드(61)의 양측에 절연막(Fox)이 배치된다. 빛은 64c 및 64d와 같이 CRA 내로 입사된다. 절연막 (Fox)은 픽셀(60)과 인접하는 픽셀 또는 전기 전도성 패턴 등을 격리시킬 수 있다.
도 8은 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 도시한 평면도이다.
도 8을 참조하면, 도 6에서 설명된 픽셀(60)과 동일한 구조를 갖는 단위 픽셀들(81~84)이 규칙적으로 배열되어 픽셀 어레이(80)를 구성한다.
픽셀 어레이(80)에서 픽셀들은 로우 방향(Row_1~Row_8)과 칼럼 방향(Col-1~Col_6)으로 규칙적으로 배치되며, 인접하는 로우(row) 라인 간 또는 칼럼 (column) 라인 간에는 픽셀들이 서로 엇갈려 배치된다. 이러한 픽셀 간의 엇갈린 배열은 포토 다이오드를 중심으로 대칭적으로 배열된 각 플로팅 센싱 노드와 이의 효율적인 동작을 위한 것이다.
픽셀(81)의 구성이 상세히 설명된다. 픽셀(81)은 BIS 방식으로 사용되며, 포토 다이오드(81i)의 광 전하 전송 효율을 높이기 위해 포토 게이트(81g)에 음 전압이 인가된다.
픽셀(81)은 포토 다이오드(81i)와, 포토 다이오드(81i)를 중심으로 대칭으로 배치된 각 플로팅 센싱 노드(81e 및 81f)와, 포토 다이오드(81i)와 플로팅 센싱 노드들(81e 및 81f) 각각의 사이에 배치된 트랜스퍼 게이트들(81c 및 81d) 각각을 포함한다.
포토 다이오드(81i)의 기판 하부에는 포토 게이트(81g)가 배치되며, 포토 다이오드(81i)의 측면에 대응하는 픽셀(81)의 측면에는 두 개의 구동부(81a 및 81h)와 한 개의 리셋부(81b)가 배치된다. 여기서, 픽셀(81)은 각 플로팅 센싱 노드(81e 및 81f)에 인접한 면을 제외하고, 4개의 측면을 가지고 있으며, 상기 4개의 측면 중에서 2개는 구동부들(81a 및 81h)에 인접하고, 1개는 리셋부(81b)에 인접한다.
각 플로팅 센싱 노드(81e 및 81f)는 칼럼 방향으로 이웃한 픽셀들 간에 서로 공유된다. 따라서, 구동부(81a)와 리셋부(81b)는 도면에 도시되지는 않았지만, 픽셀(81)에 구현된 칼럼과 동일 칼럼(Col_1)에 배치되는 픽셀들 사이에서 공유된다.
같은 방식으로, 플로팅 센싱 노드(81f)는 칼럼 방향으로 서로 이웃하는 픽셀 (81 및, 84) 간에 서로 공유되며, 구동부(84b)와 리셋부(84a)는 칼럼 방향으로 서로 이웃하는 픽셀들(81 및 84) 간에 공유된다.
전술한 제1칼럼(Col_1)에 배치된 픽셀들(81 및 84)과는 달리, 제2칼럼 (Col_2)에 배치된 픽셀들(82 및 83) 사이에서 구동부(81h)와 리셋부(81b) 각각의 위치가 달라질 수 있다. 이에 대해서는 후술하는 도 10에서 보다 상세하게 설명한다.
도 9는 단위 픽셀을 포함하는 픽셀 어레이를 도시한 평면도이다.
도 9를 참조하면, 도 8에 도시된 픽셀 어레이(80)와 같이 단위 픽셀들 (91~94)이 규칙적으로 배열되어 픽셀 어레이(90)를 이룬다. 픽셀 어레이(90)는 로우 방향(Row_1~Row_8)과 칼럼 방향(Col-1~Col_6)으로 규칙적인 배열을 이루며, 인접하는 로우 라인 또는 칼럼 라인 간에는 픽셀들이 서로 엇갈려 배치된다.
여기서, 도 8의 픽셀 어레이(80)의 구조와 도 9의 어레이(90)의 구조 사이의 다른 점은 포토 게이트(91g)가 ITO 등의 투명 전극 물질로 이루어져 있는 점이다. 이로 인해 포토 게이트(91g)가 포토 다이오드(91i)의 상부에 배치되어도, 광 입사에 실질적인 영향을 주지 않으므로, 도 9의 픽셀 어레이(90)는 FIS 구조의 이미지 센서에 적용할 수 있다.
투명 전극 물질로 구성된 포토 게이트(91g)를 포함하는 픽셀 어레이(90)는 FIS 뿐만 아니라 BIS 구조에도 적용 가능하다. 포토 게이트(91g)를 제외한 모든 픽셀 어레이(90)의 구조가 도 8의 픽셀 어레이(80)의 구조와 도면 부호만 다를 뿐 동일하므로, 상세한 구성과 동작 설명은 생략한다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 베이어 패턴을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 두 개의 그린 픽셀(G), 한 개의 레드 픽셀(R) 및 한 개의 블루 픽셀(B)을 포함하는 모자이크 구조의 베이어 패턴(Bayer pattern)이 반복적으로 배치되어 픽셀 어레이(100)를 구성한다. 도 10의 픽셀 어레이(100)는 도 9의 픽셀 어레이(90)와 달리 포토 게이트(91g)를 포함하지 않고, 각 픽셀은 그린 픽셀 (G), 레드 픽셀(R), 및 블루 픽셀(B)로 구현된다.
홀수 칼럼들(Col_1, Col_3, 및 Col_5)에는 그린 칼라 픽셀들(G1~G12)이 배치된다. 그린 칼라 픽셀들(G1~G12) 각각은 대응되는 칼럼에서 서로 상하로 인접하게 배치되고, 대응되는 플로팅 센싱 노드, 대응되는 각 구동부(X1~X12) 및 대응되는 각 리셋부(Y1~Y7)를 공유한다. 여기서, 상하로 인접한 두 그린 칼라 픽셀들(G1과 G4)은 픽셀들(G1과 G4) 사이에 배치된 플로팅 센싱 노드(FD1)를 공유하며, 구동부 (X3)와 리셋부(Y2)를 공유한다.
짝수 칼럼들(Col_2, Col_4, 및 Col_6)에는 블루 칼라 픽셀들(B1~B6) 및 레드 칼라 픽셀들(R1~R6)이 배치된다. 블루 칼라 픽셀들(B1~B6) 각각과 레드 칼라 픽셀들(R1~R6) 각각은 서로 상하로 인접하게 배치되고, 대응되는 플로팅 센싱 노드, 대응되는 각 구동부(X1~X12) 및 대응되는 각 리셋부(Y1~Y7)를 공유한다. 여기서, 상하로 인접한 레드 칼라 픽셀(R1)과 블루 칼라 픽셀(B2)는 플로팅 센싱 노드 (FD2)와 구동부(X2) 및 리셋부(Y1)를 공유한다.
전술한 설명에서는 칼럼을 기준으로 픽셀 어레이(100)의 구성이 설명되었으나, 로우를 기준으로 픽셀 어레이(100)의 구성이 설명될 수 있다. 즉, 홀수 로우들 (Row_1, Row_3, Row_5 및 Row_7)에는 레드 칼라 픽셀들(R1~R6) 및 블루 칼라 픽셀들(B1~B6)이 배치되고, 짝수 로우들(Row_2, Row_4, Row_6, 및 Row_8)에는 그린 칼라 픽셀들(G1~G12)이 배치된다.
도 11은 도 10에 도시된 픽셀 어레이를 이루는 각 픽셀을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 6개의 칼라 픽셀들(Ga, Gb, Ra, Rb, Ba 및 Bb)이 도시된다. 각 칼라 픽셀(Ga, Gb, Ra, Rb, Ba 및 Bb)의 포토 다이오드는 모두 4개의 면을 가지며, 각 픽셀(Ga, Gb, Ra, Rb, Ba 및 Bb)의 4개의 면 중에서 3개의 면에는 대응되는 두 개의 구동부(X1과 X2, X3와 X4, X5와 X6, X11과 X12, X9와 X10 및 X7과 X8)와 대응되는 하나의 리셋부(Y1, Y2, Y3, Y6, Y5 및 Y4)가 인접하게 배치된다.
구체적으로, 칼라 픽셀들(Ga, Gb, Ra, Rb, Ba 및 Bb) 중에서 대응되는 픽셀은 두 개의 구동부 (X1과 X2, X3와 X4, X5와 X6, X11과 X12, X9와 X10 및 X7과 X8)와 한 개의 리셋부(Y1, Y2, Y3, Y6, Y5 및 Y4)를 포함한다. 두 개의 구동부(X1과 X2, X3와 X4, X5와 X6, X11과 X12, X9와 X10, 및 X7과 X8) 중에서 하나는 플로팅 센싱 노드를 공유하는 인접 픽셀과 공유되는 반면, 다른 하나는 플로팅 센싱 노드를 공유하지 않는 다른 인접 픽셀에 의해 사용된다. 각 리셋부(Y1~Y6)는 해당 픽셀의 플로팅 센싱 노드를 통해 동작한다.
전술한 도 8부터 도 10에서 예시된 픽셀들 각각의 포토 다이오드는 모두 4개의 면을 가지며, 상기 4개의 면 중에서 3개의 면에서 각 구동부(X1~X12) 또는 각 리셋부(Y1~Y6)가 인접하게 배치된다. 나머지 하나의 면의 주변은 비어져 있으나, 더미 패턴(dummy pattern)으로 채워지거나, 각 구동부(X1와 X2~X11와 X12)가 확장되거나, 글로벌 셔터(global shutter) 또는 다이나믹 레인지(dynamic range)를 넓히기 위한 추가된 구성 요소, 예컨대, 커패시터 또는 트랜지스터로 구현될 수 있다.
각 구동부(X1~X12)는 각 플로팅 센싱 노드를 통해 감지된 광 전하를 전기 신호로 변환하고 이를 증폭하여 출력할 수 있다. 각 리셋부(Y1~Y6)는 플로팅 센싱 노드의 광 전하를 리셋(즉, 전원 전압 레벨로 리셋)할 수 있다.
예를 들어, 이미지 센서에서 사용되는 상호 연관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS)) 방식은 고정 패턴 잡음(fixed pattern noise(FPN))를 줄이기 위해 플로팅 센싱 노드의 리셋 값을 먼저 읽은 후, 데이터 센싱 값을 읽고, 두 값의 차이를 산출한다. 각 리셋부(Y1~Y6)는 이러한 CDS 방식에서 리셋 동작을 위해 사용 가능하다.
도 12는 도 10의 픽셀 어레이에 포토 게이트가 추가된 구조를 갖는 이미지 센서의 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 12의 픽셀 어레이(120)는 도 10의 픽셀 어레이(100)와 실질적으로 동일하고, 각 픽셀의 포토 다이오드의 상부에 각 포토 게이트(121)가 추가로 배치된다. 포토 게이트(121)는 ITO 등의 투명 전극 물질로 구성되어, 포토 다이오드의 상부에 배치될 수 있다. 픽셀 어레이(120)는 FIS 방식의 이미지 센서에 적용 가능하다.
실시 예에 따라 포토 게이트(121)가 포토 다이오드의 하부 즉, 기판 하부에 배치될 수 있고, 이러한 구조를 갖는 픽셀 어레이는 BIS 방식의 이미지 센서에 적용 가능하다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 WRGB 패턴을 포함하는 이미지 센서의 픽셀 어레이를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 화이트 픽셀(W), 그린 픽셀(G), 레드 픽셀(R), 및 블루 픽셀(B)을 포함하는 모자이크 구조의 WRGB 패턴이 반복적으로 배치되어 픽셀 어레이(130)를 구성한다. 도 13의 픽셀 어레이(130)와 도 10의 베이어 패턴 구조의 픽셀 어레이(100)를 참조하면, 도 10의 베이어 패턴에 포함된 두 개의 그린 픽셀들 중에서 어느 하나가 화이트 픽셀(W)로 대체되었다.
홀수 칼럼들(Col_1, Col_3 및 Col_5)에는 그린 픽셀들(G1~G6) 및 화이트 픽셀들(W1~W6)이 서로 인접하여 반복적으로 교차되어 배치된다. 그린 픽셀들(G1~G6) 및 화이트 픽셀들(W1~W6, G1~G6)은 대응되는 칼럼에서 상하로 인접한 픽셀들로서, 대응되는 플로팅 센싱 노드, 대응되는 각 구동부(X1~X12) 및 대응되는 각 리셋부 (Y1~Y7)를 공유한다.
여기서, 상하로 인접한 그린 픽셀(G1) 및 화이트 픽셀(W2)은 픽셀들(G1과 W2) 사이에 위치하는 플로팅 센싱 노드(FD1), 구동부(X3), 및 리셋부(Y2)를 서로 공유한다.
짝수 칼럼들(Col_2, Col_4 및 Col_6)에는 블루 픽셀들(B1~B6) 및 레드 픽셀들(R1~R6)이 배치된다. 블루 픽셀들(B1~B6) 및 레드 픽셀들(R1~R6)은 상하로 서로 인접하는 픽셀들로서, 대응되는 플로팅 센싱 노드, 대응되는 각 구동부(X1~X12) 및 대응되는 각 리셋부(Y1~Y7)를 공유한다. 여기서, 상하로 인접한 레드 픽셀(R1)과 블루 픽셀(B2)은 픽셀들(R1과 B2) 사이에 배치된 플로팅 센싱 노드(FD2)와 구동부 (X2) 및 리셋부(Y1)를 공유한다.
로우를 기준으로 설명하면, 홀수 로우들(Row_1, Row_3, Row_5 및 Row_7)에는 레드 픽셀들(R1~R6) 및 블루 픽셀들(B1~B6)이 배치되고, 짝수 로우들(Row_2, Row_4, Row_6, 및 Row_8)에는 그린 픽셀들(G1~G6) 및 화이트 픽셀들(W1~W6)이 배치된다.
도 14는 도 13에 도시된 픽셀 어레이를 이루는 각 픽셀들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 8개의 칼라 픽셀들(Ga, Gb, Ra, Rb, Ba, Bb, Wa 및 Wb)이 도시된다. 각 픽셀(Ga, Gb, Ra, Rb, Ba, Bb, Wa 및 Wb)의 포트 다이오드는 4개의 면을 가지며, 상기 4개의 면 중에서 3개의 면에 대응되는 각 구동부(X1~X16)와 각 리셋부(Y1~Y8)가 인접하게 배치된다.
구체적으로, 칼라 픽셀들(Ga, Gb, Ra, Rb, Ba, Bb, Wa 및 Wb) 각각의 주변에는 대응되는 두 개의 구동부(X1와 X2, X11과 X12, X5와 X6, X15와 X16, X13과 X14, X7과 X8, X9와 X10, 및 X3과 X4)와 대응되는 하나의 리셋부(Y1, Y6, Y3, Y8, Y7, Y4, Y5 및 Y2)가 배치된다. 대응되는 두 개의 구동부(X1와 X2, X11과 X12, X5와 X6, X15와 X16, X13과 X14, X7과 X8, X9와 X10 및 X3과 X4)중 하나는 플로팅 센싱 노드를 공유하는 인접 픽셀과 공유되는 반면, 대응되는 두 개의 구동부(X1와 X2, X11과 X12, X5와 X6, X15와 X16, X13과 X14, X7과 X8, X9와 X10 및 X3과 X4) 중 다른 하나는 플로팅 센싱 노드를 공유하지 않는 다른 인접 픽셀에 의해 사용된다. 각 리셋부(Y1~Y8)는 해당 픽셀의 각 플로팅 센싱 노드를 통해 동작한다.
도 14의 구성은 도 11의 구성에 화이트 픽셀(W)을 추가한 구성이므로, 도 14의 구성 및 동작에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 픽셀 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 15의 (a)부터 (h)에는 8가지의 포토 다이오드 모양이 도시된다. 여기서는 설명의 편의를 위해, 각 포토 다이오드(PDa~PDh)와 각 플로팅 센싱 노드 (FD_a1~FD_h2) 만을 도시한다.
도 15의 (a)에서는 포토 다이오드(PDa)가 사각형(마름모) 구조를 가지며, 대칭 관계에 있는 두 꼭지점 각각에 플로팅 센싱 노드들(FD_a1 및 FD_a2) 각각이 인접하게 배치된다.
도 15의 (b)에서는 포토 다이오드(PDb)가 사각형(정사각형 또는 직사각형) 구조를 가지며, 대칭 관계에 있는 두 면들 각각의 주변에 플로팅 센싱 노드들 (FD_b1 및 FD_b2)각각이 배치된다.
도 15의 (c)에서는 포토 다이오드(PDc)가 육각형 구조를 가지며, 대칭 관계에 있는 두 면들 각각의 주변에 플로팅 센싱 노드들(FD_c1 및 FD_c2) 각각이 배치된다.
도 15의 (d)에서는 포토 다이오드(PDd)가 육각형 구조를 가지며, 대칭 관계에 있는 두 꼭지점들 각각의 주변에 플로팅 센싱 노드들(FD_d1 및 FD_d2) 각각이 배치된다.
도 15의 (e)에서는 포토 다이오드(PDe)가 팔각형 구조를 가지며, 대칭 관계에 있는 두 면들 각각의 주변에 플로팅 센싱 노드들(FD_e1 및 FD_e2) 각각이 배치된다.
도 15의 (f)에서는 포토 다이오드(PDf)가 원형 구조를 가지며, 대칭 관계에 있는 대응되는 위치들 각각의 주변에 플로팅 센싱 노드들(FD_f1 및 FD_f2) 각각이 배치된다.
도 15의 (g)에서는 포토 다이오드(PDg)가 타원형 구조를 가지며, 단축 방향으로 대칭 관계에 있는 대응되는 위치들 각각의 주변에 플로팅 센싱 노드들(FD_g1 및 FD_g2) 각각이 배치된다.
도 15의 (h)에서는 포토 다이오드(PDh)가 타원형 구조를 가지며, 장축 방향으로 대칭 관계에 있는 대응되는 위치들 각각의 주변에 플로팅 센싱 노드들(FD_h1 및 FD_h2) 각각이 배치된다.
도 16은 본 발명의 실시 예들에 따른 픽셀 어레이를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 16을 참조하면, 픽셀 어레이(160)는 서로 인접하는 3개의 픽셀들 (PX_1~PX_3)을 포함한다. 픽셀들(PX_1~PX_3) 각각은 포토 다이오드(PD_1~PD_3)와, 서로 대칭적으로 배치된 두 개의 플로팅 센싱 노드(FD_1과 FD_2, FD_2과 FD_3 및 FD_3과 FD_4)과, 포토 다이오드(PD_1~PD_3)와 플로팅 센싱 노드들(FD_1, FD_2, FD_3 및 FD_4) 각각의 사이에 배치된 트랜스퍼 트랜지스터들(TX_1과 TX_2, TX_3과 TX_4, TX_5와 TX_6) 각각을 포함한다.
또한, 픽셀 어레이(160)는 4개의 리셋부(Y_1~Y_4)와 4개의 구동부(X_1~X_4)를 포함한다. 각 리셋부(Y_1~Y_4)와 각 구동부(X_1~X_4)는 하나씩 쌍을 이룬다. 여기서, 각각의 한 쌍을 하나의 구동부라고 칭할 수도 있다. 이러한 구동부와 리셋부의 쌍, 및 상기 쌍에 접속된 플로팅 센싱 노드(FD_1, FD_2, FD_3 및 FD_4)는 인접하는 두 픽셀들에 의해 공유된다.
픽셀들(PX_1과 PX_2)는 구동부(X_2)와 리셋부(Y_2) 및 플로팅 센싱 노드 (FD_2)를 공유하며, 픽셀들(PX_2과 PX_3)은 구동부(X_3)와 리셋부(Y_3) 및 플로팅 센싱 노드(FD_3)를 공유한다.
리셋부(Y_1)의 구조는 각 리셋부(Y_2~Y_4)의 구조와 동일하고, 구동부(X_1)의 구조는 각 구동부(X_2~X_4)의 구조와 동일하다.
리셋부(Y_1)는 리셋 트랜지스터(RX_1)를 포함한다. 리셋 트랜지스터(RX_1)의 게이트는 리셋 신호(미도시)에 의해 제어되고, 소스는 플로팅 센싱 노드(FD_1)에 접속되며, 드레인은 전압 공급단에 접속된다. 리셋 트랜지스터(RX_1)의 드레인은 고정된 전원 전압단에 접속되거나 또는 가변 가능한 전원 전압단에 접속될 수 있다.
구동부(X_1)는 셀렉트 트랜지스터(SX_1)와 드라이브 트랜지스터(DX_1)를 포함한다. 셀렉트 트랜지스터(SX_1)의 게이트는 선택 신호(미도시)에 의해 제어되며, 드레인은 전압 공급단에 접속된다. 드라이브 트랜지스터(DX_1)의 게이트는 플로팅 센싱 노드(FD_1)를 통해 리셋 트랜지스터(RX_1)의 소스에 공통 접속되며, 드레인은 셀렉트 트랜지스터(SX_1)의 소스 단자에 접속된다.
여기서, 셀렉트 트랜지스터(SX_1)는 드라이브 트랜지스터(DX_1)의 소스와 접지 전압단 사이에 접속될 수도 있다. 여기서, 접지 전압단도 그 전압 레벨이 가변 될 수 있다.
도 17은 도 8에 도시된 픽셀 어레이의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 18은 도 17에 도시된 픽셀 어레이의 일 예에 따른 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 17 및 도 18을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 CMOS 이미지 센서의 CDS 동작을 설명한다.
T0시점에서 각 리셋 신호(RG_i+1과 RG_i)가 로직 하이(logic high)로 되고, 포토 게이트가 제어 신호(PDgate_i+1)에 의해 제어되는 로우(row)에 위치하는 각 픽셀에 의해 대칭을 이루는 플로팅 센싱 노드 쌍을 리셋시킨다.
T1시점에서 각 리셋 신호(RG_i+1과 RG_i)가 로직 로우로 되고, 이때 각 선택 신호(SEL_i와 SEL_i+2)가 로직 하이로 되어, CDS를 위한 리셋 값들이 출력된다.
출력된 리셋 값들은 T2 및 T3로 정의된 구간, 즉 각 샘플링 신호(S/H_up과 S/H_down)의 로직 하이 구간에서 샘플링된다.
여기서, 각 샘플링 신호(S/H_up 및 S/H_down)는, 리셋 값을 읽는 방식에 따라, 아날로그 디지털 변환(analog to digital conversion(ADC)) 개시 신호 또는 ADC 변환 값들을 샘플 앤 홀드 회로(sample and hold circuit)에 일시 저장하는 신호로 해석이 가능할 것이다. 상기 신호는 아날로그 CDS, 디지털 CDS 또는 이중 CDS 등 다양한 방식에 따라 각기 다른 해석이 가능할 것이다.
한편, 포토 다이오드는 T0시점 또는 그 이전 시점부터 집광을 한다. 포토 다이오드에 집광되어 광전 변환을 통해 생성된 광 전하는 T4시점에서 로직 하이를 갖는 제어 신호(TG_i)에 의해 쌍을 이루는 각 플로팅 센싱 노드로 이동된다.
이때, 이동하는 광 전하의 양의 차이는 플로팅 센싱 노드 또는 포토 다이오드 내부의 불순물 농도 프로파일(profile), 또는 기타 특성에 따라 발생할 수 있다. 이러한 차이가 발생한다 하더라도, 하나의 포토 다이오드에서 양쪽 방향으로 각각 출력되는 전하량은 최종적으로 합산되는 것을 기준으로 하므로, 픽셀 데이터의 출력 값에는 문제가 되지 않을 것이다.
T4 및 T5의 구간 동안, 포토 다이오드에 집적되어 생성된 광 전하가 출력되며, 이때 광 전송 효율을 높이기 위해 포토 게이트에 음의 전압이 공급될 수 있다. T4와 T5 사이의 구간 동안, 도 18의 제어 신호(PDgate_i)는 음의 값을 갖는다.
출력된 값들은 T6와 T7로 정의된 구간, 즉 각 샘플링 신호(S/H_up 및 S/H_down)에 의해 샘플링된다. T6과 T7 사이의 구간은 T2와 T3 사이의 구간과 동일하며, CDS 및 이미지 센서 구동 방식에 따라 해당 구간에서의 동작이 달라질 수 있다.
T8 시점에서 각 선택 신호(SEL_i와 SEL_i+2)가 로직 로우로 천이됨에 따라, 해당 로우에 대한 CDS 동작이 완료되며, 다시 각 리셋 신호(RG_i와 RG_i+1)가 로직 하이로 천이되면서 다음 프레임(frame)에서의 데이터 출력을 위한 리셋 동작이 수행된다.
도 19a부터 도 19d는 다양한 단위 픽셀의 예를 도시한 상세 회로도이다.
도 19a를 참조하면, 단위 픽셀(190a)은 포토 다이오드(PD)와, 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)와, 플로팅 센싱 노드(FD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.
트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 전송 제어 신호(Φt)에 응답하여 동작하고, 리셋 트랜지스터(Rx)는 리셋 제어 신호(Φr)에 응답하여 동작하고, 셀렉트 트랜지스터 (Sx)는 선택 신호(Φs)에 응답하여 동작한다.
여기서, 포토 다이오드(PD)는 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 19a에서는 하나의 포토 다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터들(Tx, Rx, Dx 및 Sx)을 포함하는 4T 구조의 단위 픽셀을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 드라이브 트랜지스터(Dx)와 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하는 적어도 3개의 트랜지스터들과 포토 다이오드(PD)를 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시 예가 적용될 수 있다.
단위 픽셀의 다른 실시 예가 도 19b부터 도 19d에 도시된다.
도 19b에 도시된 단위 픽셀(190b)은 3-트랜지스터(3T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토 다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함한다.
도 19c에 도시된 단위 픽셀(190c)은 5-트랜지스터(5T) 구조의 단위 픽셀로서, 포토 다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하고, 하나의 트랜지스터(Gx)를 더 포함한다.
도 19d에 도시된 단위 픽셀(190d)은 5-트랜지스터 단위 픽셀로서, 포토 다이오드(PD)와, 리셋 트랜지스터(Rx)와, 드라이브 트랜지스터(Dx)와, 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함하며, 이외에 한 개의 트랜지스터(PX)를 더 포함한다. 트랜지스터 (PX)는 제어 신호(Φp)에 응답하여 동작한다.
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센서를 도시한 도면이다.
도 20을 참조하면, 이미지 센서(200)는 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력한다. 타이밍 컨트롤러(201)는 이미지 센서(200)의 동작 타이밍을 제어한다.
예컨대, 타이밍 컨트롤러(201)는 이미지 센서(200)의 트랜스퍼 게이트 제어신호를 통해 집광 시간을 제어할 수 있다. 이미지 센서(200)는 픽셀 어레이(203), 아날로그 디지털 변환기(204; analog to digital converter(ADC)), 로우 어드레스 디코더(202; row ddress decoder), 메모리(205), 및 이미지 시그널 프로세서(206, image signal processor(ISP))를 포함한다. 픽셀 어레이(203)는 전술한 도 1부터 도 19d의 구성 및 동작을 포함하여 CRA 특성에 따른 레드(red) 등의 장파장 칼라에 대한 감도가 향상된다.
ADC(204)는 픽셀 어레이(203)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.
메모리(205)는 버퍼 메모리(buffer memory) 또는 프레임 메모리(frame memory)라 칭할 수 있다. 메모리(205)는 디지털 변환된 신호를 프레임 단위로 저장할 수 있다.
ISP(206)는 메모리(205)에 저장된 디지털 이미지 신호를 이용하여 필요한 신호 처리를 수행한다. 상기 신호 처리는 색 보간(color interpolation), 색 보정 (color correction), 자동 백색 보정(auto white balance), 감마 보정(gamma correction), 색 포화 보정(color saturation correction), 포맷 변환 (formatting), 불량 픽셀 보정(bad pixel correction), 및/또는 색도 보정(hue correction) 등을 포함할 수 있다.
로우 어드레스 디코더(202)는 타이밍 컨트롤러(201)로부터 제공되는 어드레스 정보(X-Add)를 이용하여 픽셀 어레이(203)의 로우 별 동작(출력) 타이밍을 제어한다.
ADC(204)는 CDS 방식의 적용에 따라 아날로그 CDS, 디지털 CDS, 또는 듀얼 CDS(Dual CDS) 방식별로 그 구조가 변경될 수 있다. 또한, ADC(204)는 이미지 센서 (200)의 칼럼별로 배치되는 칼럼 ADC(Column ADC) 또는 하나의 ADC가 배치되는 싱글 ADC(Single ADC)로 구현될 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 카메라 시스템을 도시한 블록도이다. 여기서, 카메라 시스템은 일 예로 디지털 카메라를 포함할 수 있다.
도 21을 참조하면, 카메라 시스템(210)은 렌즈(211)와 이미지 센서(212)와 모터부(213) 및 엔진부(214)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(212)의 픽셀 어레이는 도 1부터 도 19d에서 설명된 포토 다이오드를 기준으로 대칭적으로 쌍을 이루는 플로팅 센싱 노드들을 포함할 수 있다.
렌즈(211)는 이미지 센서(212)의 수광 영역(예컨대, 포토 다이오드)으로 입사 광을 집광시킨다.
이미지 센서(212)는 렌즈(211)를 통하여 입사된 광에 기초하여 이미지 데이터를 생성한다. 이미지 센서(212)는 클록 신호(CLK)에 기초하여 이미지 데이터를 제공할 수 있다.
실시 예에 따라, 이미지 센서(212)는 MIPI®(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(214)와 인터페이싱할 수 있다.
모터부(213)는 엔진부(214)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 렌즈 (211)의 포커스(focus)를 조절하거나, 셔터링(shuttering)을 수행할 수 있다.
엔진부(214)는 이미지 센서(212) 및 모터부(213)를 제어한다. 또한, 엔진부 (214)는 이미지 센서(212)로부터 수신된 거리 및/또는 이미지 데이터에 기초하여 피사체와의 거리, 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터(YUV)를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다.
엔진부(214)는 호스트/애플리케이션 프로세서(215)에 연결될 수 있으며, 엔진부(214)는 마스터 클록(MCLK)에 기초하여 YUV 데이터(YUV) 또는 JPEG 데이터를 호스트/애플리케이션 프로세서(215)로 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(214)는 SPI (Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/애플리케이션 프로세서(215)와 인터페이싱할 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른 컴퓨팅 시스템을 도시한 블록도이다.
도 22를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(220)은 프로세서(221), 메모리 장치(222), 저장 장치(223), 입출력 장치(224), 파워 서플라이(225), 및 이미지 센서(226)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(226)의 픽셀 어레이는 도 1부터 도 19d에서 설명된 구조를 포함할 수 있다.
한편, 도 22에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(220)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트들(ports)을 더 포함할 수 있다.
프로세서(221)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시 예에 따라, 프로세서(221)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치 (Central Processing Unit(CPU))를 포함할 수 있다. 프로세서(221)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(222), 저장 장치(223) 및 입출력 장치(224)와 통신을 수행할 수 있다.
실시 예에 따라, 프로세서(221)는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(222)는 컴퓨팅 시스템 (220)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(222)는 DRAM(dynamic random access memory), 모바일 DRAM, SRAM, 플래시 메모리, PRAM, FRAM, RRAM 및/또는 MRAM 등으로 구현될 수 있다.
저장 장치(223)는 SSD(solid state drive), HDD(hard disk drive), 또는 CD-ROM 등을 포함할 수 있다.
입출력 장치(224)는 키보드(heyboard), 키 패드(keypad), 마우스(mouse) 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(225)는 컴퓨팅 시스템(220)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(226)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크(link)를 통해서 프로세서(221)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 이미지 센서(226)는 프로세서(221)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(220)은 이미지 센서(226)를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(220)은 디지털 카메라, 이동 전화기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 스마트 폰(Smart phone) 등을 포함할 수 있다.
도 23은 도 22의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 23을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(230)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치로 구현될 수 있고, AP(Application Processor, 2300)와 이미지 센서(2320) 및 디스플레이(2330) 등을 포함할 수 있다.
AP(2300)의 CSI 호스트(Camera Serial Interface Host, 2302)는 CSI를 통하여 이미지 센서(2320) 내의 CSI 장치(2321)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, CSI 호스트(2302)는 DES(DESerializer)를 포함할 수 있고, CSI 장치 (2321)는 SER(SERializer)을 포함할 수 있다. 이미지 센서(2320)의 픽셀 어레이는 도 1부터 도 19d에서 설명된 구조를 포함할 수 있다.
AP(2300)의 DSI 호스트(Display Serial Interface Host, 2301)는 DSI를 통하여 디스플레이(2330)의 DSI 장치(2331)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, DSI 호스트(2301)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(2331)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(230)은 AP(2300)와 통신을 수행할 수 있는 RF(radio frequency) 칩(2340)을 더 포함할 수 있다. RF 칩(2340)은 PHY(2341)와 DigRF 슬레이브(2342)를 포함한다.
AP(2300)의 PHY(physical layer; 2303)와 RF 칩(2340)의 PHY(2341)는 MIPI (Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, AP(2300)는 PHY(2303)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(2304)를 더 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(230)은 GPS(Global Positioning System, 2310), 스토리지 (2350), 마이크(2360), DRAM(Dynamic Random Access Memory, 2370) 및 스피커(2380)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(230)은 UWB(Ultra WideBand, 2393), WLAN(Wireless Local Area Network, 2392) 및 WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, 2391) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(230)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10, 40 및 60; 픽셀
11, 41 및 61; 포토 다이오드
12a, 12b, 42a, 42b, 62a 및 62b; 플로팅 센싱 노드
13a, 13b, 43a, 43b, 63a 및 63b; 트랜스퍼 게이트
65; 포토 게이트
80, 90, 100, 120, 130 및 160; 픽셀 어레이
81~84; 단위 픽셀
200; 이미지 센서
201; 타이밍 컨트롤러
202; 로우 어드레스 디코더
203; 픽셀 어레이
204; 아날로그-디지털 변환기
205; 메모리
206; 이미지 신호 프로세서

Claims (10)

  1. 수신된 광신호를 변환하여 광전하를 출력하는 포토 다이오드;
    상기 광전하를 감지하며, 상기 포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭적으로 상기 포토 다이오드에 인접하게 배치된 적어도 두 개의 감지 노드; 및
    상기 감지된 광전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 구동부를 포함하되,
    동일한 칼럼(column)에 인접하게 배치되는 다른 픽셀과 상기 적어도 두 개의 감지 노드 중 적어도 하나를 공유하는 이미지 센서의 픽셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포토 다이오드로부터 상기 두 개의 감지 노드 각각으로 상기 광전하가 전송될 때, 상기 포토 다이오드에 음 전압을 제공하기 위한 포토 게이트를 더 포함하는 이미지 센서의 픽셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포토 게이트는 상기 포토 다이오드와 오버랩되도록 배치된 이미지 센서의 픽셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 포토 게이트는 상기 포토 다이오드로 입사하는 광경로 상에 배치된 이미지 센서의 픽셀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 포토 게이트는 상기 포토 다이오드로 입사하는 광경로와 다른 경로에 배치된 이미지 센서의 픽셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 적어도 두 개의 감지 노드 각각에 인접하게 배치된 적어도 두 개의 트랜스퍼 트랜지스터를 포함하며, 상기 적어도 두 개의 트랜스퍼 트랜지스터는 동시에 온/오프 제어되는 이미지 센서의 픽셀.
  7. 제1포토 다이오드와, 상기 제1포토 다이오드의 양측에 인접하게 상기 제1포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭으로 배치된 적어도 두 개의 제1감지 노드를 포함하는 제1픽셀; 및
    상기 제1픽셀과 동일한 칼럼(column)에 배치되며, 제2포토 다이오드와, 상기 제2포토 다이오드의 양측에 인접하게 상기 제2포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭으로 배치된 적어도 두 개의 제2감지 노드를 포함하는 제2픽셀을 포함하며,
    상기 제1픽셀과 상기 제2픽셀은 서로 인접하게 배치되며, 상기 적어도 두 개의 제1감지 노드와 상기 적어도 두 개의 제2감지 노드 중에서 적어도 하나는 서로 공유되는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1픽셀과 상기 제2픽셀 각각은 상기 적어도 두 개의 제1감지 노드 및 상기 적어도 두 개의 제2감지 노드로부터 제공되는 전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 적어도 두 개의 구동부를 포함하며,
    상기 적어도 두 개의 구동부 중에서 적어도 하나는 상기 제1픽셀과 상기 제2 픽셀에 의해 서로 공유되는 이미지 센서의 픽셀 어레이.
  10. 수신된 광신호를 변환하여 광 전하를 출력하는 포토 다이오드와, 상기 광 전하를 감지하고, 상기 포토 다이오드 양측에 인접하게 상기 포토 다이오드를 기준으로 서로 대칭으로 배치된 적어도 두 개의 감지 노드와, 상기 감지된 광 전하를 전기 신호로 변환하여 출력하는 구동부 및 상기 감지 노드와 접속되어 상기 감지 노드를 소정의 전압 레벨로 리셋시키는 리셋부를 포함하는 픽셀이 로우 방향 및 칼럼 방향으로 복수 개 배열된 이미지 센서의 픽셀 어레이; 및
    상기 픽셀 어레이로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부를 포함하되,
    동일한 칼럼(column)에 인접하게 배치되는 복수 개의 픽셀은 상기 적어도 두 개의 감지 노드 중 적어도 하나를 공유하는 이미지 센서.
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