KR102332287B1 - 고 동적 범위 픽셀 및 이를 작동하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HDR(High-Dynamic-Range) 픽셀로서, 상기 HDR 픽셀은 : 감광성 요소(photosensitive element); 상기 감광성 요소에 연결된 검출기 노드; 상기 검출기 노드를 미리 정해진 전압으로 리셋하기 위해 상기 검출기 노드에 연결된 리셋 스위치; 상기 검출기 노드에 연결된 입력을 가진 버퍼 증폭기; 판독 프로세스 동안 상기 픽셀을 선택하도록 동작 가능한 선택 트랜지스터; 상기 감광성 요소, 상기 검출기 노드, 상기 리셋 스위치, 상기 버퍼 증폭기, 상기 선택 트랜지스터 중 적어도 하나로부터 유래하고, 상기 감광성 요소에 의해 발생된 상기 소수 캐리어들을 저장하도록 작동 가능한 고유 기생 커패시턴스를 포함하며, 상기 픽셀은 상기 검출기 노드에 연결된 입력을 갖고 저장 모드 및 저장-해제(destoring) 모드에서 동작 가능한 듀얼-모드 커패시턴스를 더 포함하며, 상기 듀얼-모드 커패시턴스는 상기 저장 모드에 있는 동안 상기 생성된 소수 캐리어들을 저장하고, 그리고 상기 저장-해제 모드에 있는 동안 상기 소수 캐리어들을 상기 기생 커패시턴스로 내보내는 것을 특징으로 하는, HDR 픽셀에 관한 것이다.

Description

고 동적 범위 픽셀 및 이를 작동하는 방법 {A high dynamic range pixel and a method for operating it}
본 발명은 고-동적-범위(high-dynamic-range; HDR) 픽셀 및 이를 작동하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 전하 정보를 파괴하지 않으면서 타임-오브-플라이트(Time-Of-Fligh; TOF) 측정들을 수행하고 상이한 변환 이득들을 사용할 수 있게 하는 HDR 픽셀에 관한 것이다.
이미지 센서는 광속(light flux) 같은 충돌하는 전자기 방사선을 포착하여 전자 신호로 변환하는 기기이다. 디지털 이미징에서, 능동형 픽셀 센서(Active-Pixel Sensor; APS)들이 주로 사용된다. APS는 픽셀 센서들의 어레이를 포함하는 집적 회로로 구성된 이미지 센서들이며, 이 경우 각각의 픽셀은 포토다이오드 및 능동 증폭기를 포함한다.
APS에서, 포토다이오드는 입사광에 민감하다. 보다 정확하게는, 포토다이오드는 주어진 노광 시간(exposure time) 동안 축적되는 전하들로 입사광을 변환한 다음 픽셀 내부의 증폭된 전압으로 변환한다. 이 전압은 아날로그-디지털 컨버터 덕분에 전압 진폭을 나타내는 디지털 숫자로 변환될 수 있는 연속적인 아날로그 물리량이다.
표준 픽셀들의 주요 문제점들 중 하나는 너무 강한 입사광 및/또는 너무 긴 노광이 발생할 때 나타나는 잠재적인 포화이다. 타임 오브 플라이트(Time of Flight; ToF) 기술들을 사용하는 거리 이미징 시스템(range imaging system)에서, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 제어된 광원(18)에 의해 방출되고(16) 상기 씬(15)의 물체들에 의해 다시 반사되는(17) 펄스형 광 신호의 비행시간 및 위상을 분석함으로써 거리 정보를 제공하는 ToF 카메라 시스템(3)에서, 표준 반사 특성들을 갖는 물체들이 상기 이미징 시스템(3)이 보정되어 있는 거리 범위에 더 가까울 때 포화가 발생할 수 있다. 그 때 상기 물체는 상기 방출된 빛을 너무 많이 반사하며, 그리고 상기 센서의 적어도 일부 픽셀들이 그것들의 최대값으로 반응하게 한다. 또한 상기 픽셀들이 민감한 것으로 설계되어 있는 파장 영역에서 물체들이 완전 반사 특성들을 나타낼 때(예를 들어, 씬 내의 거울이 전체 입사광을 반사시킬 때 상기 센서 이미징 상에서 상기 씬이 수신될 때), 또는 물체들이 입사광을 반사시키고 이를 센서의 일부분에 집광시킬 때, 또는 ToF 카메라가 설계되어 있는 동일한 파장 도메인에서 강한 조명을 방출하는 외부 광원이 상기 센서에 조명을 비출 때, 포화가 나타날 수 있다.
픽셀들이 포화될 때, 제공된 응답이 제공될 수 있는 최대 전압값으로 평탄화되므로 상기 씬에 대한 의미 있는 정보는 손실된다. 이로 인해, 이미지들 내에 블루밍 효과들, 소실 영역(burned area) 같은 이미지 아티팩트들 또는 결함들이 발생된다. 뿐만 아니라, 특정 응용들(예를 들어, ToF 기술에서 깊이 정보 계산)은 거리 측정을 유도하기 위해 다수의 캡처들로부터의 위상 시프트에 기초한 계산들을 사용한다. 노출 시간(integration time) 동안 픽셀 포화가 발생한다면, 검출기 노드들은 포화 수준에 도달하며 이로써 해당 캡처가 손상된다.
표준 픽셀들의 또 다른 주요 문제점은 노이즈가 매우 강할 수 있다는 사실이다. 신호/잡음 비율이 작다면, 캡처하는 동안 노이즈가 우세하며 유용한 정보가 손실된다.
포화 및 노이즈 파라미터들 모두를 고려한 이미징 센서의 중요한 성능 지수(figure of merit)는 다이나믹 레인지(Dynamic Range; DR)라 불리는 것이며, 이는 도 2에 도시되어 있다. 다이나믹 레인지는 다음 비율(단위 : 데시벨(dB))로 정의될 수 있다 :
Figure 112017002701013-pct00001
이미지 센서들의 다이나믹 레인지를 증가시키기 위해, 여러 가지 기술들이 구현되어왔다. 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 증가시키기 위한 제1 솔루션은, 예를 들어 센서들의 크기를 줄임으로써, 노이즈 플로어의 레벨을 낮추는 것이다. 이 전략은 센서의 포화 수준을 동시에 감소시키는 단점이 있다. 이는 도 2에 도시된 A 사례이다.
센서들의 다이나믹 레인지를 증가시키는 또 다른 접근법은 센서들의 포화 레벨을 증가시키는 것이다. 래치들 및/또는 메모리 포인트가 추가된 여러 전자회로들을 사용하는 표준 이미지 센서들에서 HDR(High Dynamic Range) 또는 WDR(Wide Dynamic Range) 시스템들의 여러 솔루션들이 제안되어왔다. 또한, 센서들은 철저한 조정, 다중 캡처들 또는 공간적으로 변화하는 노광 같은 기술들을 이용하여 설계되었다. 뿐만 아니라, 추가 논리 회로는 CMOS APS 마다 추가되었지만, 이는 센서의 유효 민감 영역을 감소시키며 그리고 효율적인 ToF 이미징 요구사항들을 준수하지 않는 매우 낮은 충전율을 야기한다. 또 다른 솔루션은 대수 픽셀들(logarithmic pixels)을 가진 회로들을 사용하는 것으로 구성된다. 이러한 픽셀 회로들은 픽셀에 부딪히는 빛의 양의 대수 함수인 전압 레벨을 생성한다. 이는 선형 유형의 픽셀들을 사용하는 대부분의 CMOS 또는 CCD 유형의 이미지 센서들과는 상이하다. 그럼에도 불구하고, 로그 픽셀(logarithmic pixel)들의 사용은 필요한 데이터(예를 들어, 깊이 정보)를 계산하기 위한 사후 처리를 매우 복잡하게 한다. 왜냐하면 이는 잘 알려진 압축 문제들을 발생시키고 또한 추가 처리 계산들을 요구할 수 있기 때문이다.
포화 수준의 증가를 기반으로 하는 이러한 솔루션들 중 하나가 도 3에 도시되어 있다. 노출 시간 동안 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하들이 전달될 수 있는 추가 커패시터 CPA 가 사용된다. 이 방법의 가장 큰 단점은, 상기 추가 커패시터 상으로 전달되면, 단 한번의 판독(read-out) 사이클만이 가능하다는 것이다. 상기 추가 커패시터 상에 포함된 데이터를 여러 번 판독하고 사용될 변환 이득을 조정하는 것은 불가능하다.
서로 다른 변환 이득들을 사용하여 동일한 전하 정보의 비-파괴적 다중 판독들을 허용하면서, ToF 센서들의 다이나믹 레인지(DR)를 증가시키는 솔루션이 제안되어야 한다.
본 발명은 청구항 1에 따른 HDR(High Dynamic Range) 픽셀에 관한 것이다.
고유 커패시턴스는, (기생 커패시턴스 CP이기도한) 이러한 고유 커패시턴스가 회로에 부가되는 추가 커패시턴스가 아니라, 상기 회로들의 전자 화합물들과 관련된 모든 기생 커패시턴스들의 합(즉, 상기 감광성 요소, 상기 검출기 노드, 상기 리셋 스위치, 상기 버퍼 증폭기 및 상기 선택 트랜지스터 중 적어도 하나로부터 유래한 커패시턴스들의 합)이라는 것을 의미한다. 정의에 의해, 이러한 고유 커패시턴스는 단독으로 억제될 수 없다.
본 발명 덕분에, 최상의 변환 이득이 선택될 수도 있다. 전하들이 큰 커패시턴스 상에 먼저 저장된다 하더라도, 높은 변환 이득을 얻기 위해 이러한 전하들을 기생 커패시턴스로 전달하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 상기 듀얼-모드 커패시턴스(CHDR)는 반전 모드에서 소수 캐리어들을 저장하도록, 그리고 축적 모드에서 상기 소수 캐리어들을 내보내도록(de-storing) 작동 가능한 MOS 커패시턴스이다. MOS 커패시턴스를 사용하는 사실은 양방향으로(상기 기생 커패시턴스에서 상기 MOS 커패시턴스로 그리고 상기 MOS 커패시턴스로부터 상기 기생 커패시턴스로) 전하를 전송할 수 있게 한다. 이는 표준 1-모드 커패시턴스를 사용할 때에는 불가능하다.
유리하게는, 상기 감광성 요소는 전하 전달 단계 동안 상기 포토다이오드를 완전히 공핍시킬 수 있게 하여 판독 노이즈를 감소시킬 수 있게 하는 핀드 포토다이오드이다.
더 유리하게는, 상기 HDR 픽셀은 TOF 측정들을 수행하는데 사용된다. 오직 하나의 노출 시간(integration time)으로 낮은 변환 이득 및 높은 변환 이득 모두를 갖는 데이터를 획득하는 사실은 TOF 측정에서 매우 흥미롭다. 왜냐하면 동일한 전하 정보가 비파괴적인 방식으로 2번 출력될 수 있기 때문이다. 이것은 여러 상관들이 거리를 계산하기 위해 수학적으로 결합되어야하는 TOF 측정들에서 유리하다. 서로 다른 상관들은 동일한 노광 동안 동시에 또는 연속 노광들을 사용하여 순차적으로 획득될 수 있다. 본 발명은 전하 정보를 파괴하지 않으면서, 서로 다른 변환 이득들을 사용하여 각 노출의 상관들을 여러 번 측정하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 청구항 7에 따른 HDR(High Dynamic Range) 픽셀을 작동하는 방법에 관한 것이다.
유리하게는, 상기 방법은 낮은 리셋-노이즈를 갖는 측정들을 수행할 수 있게 한다. 왜냐하면 상기 감광성 요소의 리셋은 상기 듀얼-모드 커패시턴스가 축적 모드에 있는 동안 수행되기 때문이다.
상기 방법은 TOF 응용들에서 특히 유리하다. 여러 개의 일관성 있는 데이터 세트들이 이용가능하기 때문에, TOF 정보가 서로 다른 변환 이득들로부터 유래한 상관 데이터를 이용하여 계산되어야하는 상황이 존재하지 않는다. 따라서 서로에 대해 상이한 변환 이득들을 보정할 필요가 없으며, 이는 예를 들어 로그(logarithmic), 린-로그(lin-log), 또는 구분적 선형(piece-wise linear) 픽셀 구현들과 관련한 본 발명의 큰 이점이다.
본 발명의 다른 장점들 및 신규한 특징들은 첨부한 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명은 이하의 설명 및 첨부 도면에 비추어 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 TOF 카메라 시스템의 기본적인 동작 원리를 도시한다.
도 2는 HDR(High Dynamic Range)의 정의를 도시한다.
도 3은 종래 기술에서 구현된 바와 같은 표준 3T-픽셀 구성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구성을 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽셀 구성을 도시한다.
도 6은 MOS 커패시터의 잘 알려진 소자 물리를 도시하며, 이 때, 반도체 층은 p-도핑된 층이다.
도 7은 게이트 바이어스의 함수로서 MOS 커패시터의 전기용량 거동(capacitive behavior)을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 MOS 커패시터(CHDR)의 상면도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른, 픽셀을 제어하기 위한 일반적 파형들을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 TOF 이미징 시스템의 구현을 도시한다.
본 발명의 장점들 및 신규한 특징들은 첨부한 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 픽셀 구성을 도시한다.
상기 픽셀(40)은 :
- 충돌하는 광에 반응하여 전하들을 생성하는 감광성 요소(photosensitive element)(PD)(예를 들어, 포토다이오드); 핀드 포토다이오드(pinned photodiode; PPD) 또한 사용될 수 있다;
- 전달 게이트가 없는 경우 포토다이오드의 음극에 부착되는 노드인 검출기 노드(FD), 또는 전달 게이트(도시되어 있지 않음)에 의해 PD 요소에 연결될 수 있는 검출기 노드(FD);
- 제어 신호(RST)에 응답하고, 그리고 상기 감광성 요소(PD)를 공지된 전압(VRST)으로 초기화하도록 또는 핀드 포토다이오드가 사용된다면 상기 핀드 포토다이오드를 완전히 공핍시키면서 상기 요소(FD)를 공지된 전압으로 리셋하도록 동작 가능한 리셋 트랜지스터(MRST);
- VDD 신호에 응답하고, 그리고 축적된 전하를 제거하지 않으면서 픽셀 전압이 관측될 수 있도록 동작 가능한 증폭기 트랜지스터(MSF)(예를 들어, 소스 팔로워(source-follower)); 상기 검출기 노드(FD)에서의 전압은 증폭기로서 사용되는 이 트랜지스터를 경유하여 픽셀 출력쪽으로 변환된다;
- SEL 신호에 응답하고, 그리고 판독 프로세스 동안 픽셀을 선택하도록 동작 가능한 선택 트랜지스터(MSEL);
- 상기 회로의 모든 기생 커패시턴스들의 합에 대응하는, 작은 고유 용량 또는 기생 커패시턴스(CP), 주로 상기 증폭기 트랜지스터 및 상기 리셋 트랜지스터와 연관된 커패시턴스들 및 고유 포토다이오드 커패시턴스;
- 듀얼-모드 커패시턴스(예를 들어, MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 커패시터(CHDR))를 포함한다.
하나의 가능한 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 추가 스위치(S2)는 상기 픽셀에 추가되며, 그리고 CMOS 커패시터(CHDR) 및 상기 검출기 노드(FD) 사이에 연결된다.
상기 기생 고유 커패시턴스(CP)의 값은 일반적으로 약 10 fF이다. 이러한 작은 커패시턴스는 적은 양의 전하들을 통합할 수 있지만, 낮은 포화 레벨을 갖는 단점이 있다. 이것의 변환 이득, 즉 비율"생성된 전자들에 의해 생성된 전압/생성된 전자들의 개수"는 높고, 그리고 어둠의 상황에서 높은 감도를 얻을 수 있게 한다.
상기 MOS 커패시터(CHDR)는 반도체 바디 또는 기판, 절연막, 게이트라고 하는 금속 전극, 그리고 상기 반도체 바디와 접촉하기 위한 하나 또는 두 개의 옴 콘택트들로 구성된다. 표준 CMOS 트랜지스터는 일반적으로 상기 반도체 바디에 접촉하는, 소스 및 드레인이라 불리는 두 개의 옴 영역들을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명에서, 상기 소스 및 드레인은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 연결될 수 있으며, 또는 도 8에서와 같이 오직 하나의 존만이 설계될 수 있다. 본 발명에서, 두 개의 옴 콘택트들이 설계된다면, 상기 MOS 커패시터(CHDR)는 상기 반도체 측(즉, MOS 커패시터의 소스 및 드레인)이 상기 광 검출기(PD)의 검출 노드(FD)에 연결되도록 배열된다.
상기 MOS 커패시터(CHDR)의 변환 이득은 상대적으로 작다. 이 큰 커패시턴스는 포화 수준이 높기 때문에 밝은 상황에서 특히 유용하다.
도 6은 MOS 커패시터의 잘 알려진 소자 물리(device physics)를 도시하며, 이 때, 반도체 층은 p-도핑된 층이다 :
- 상기 게이트에 인가된 전압(Vg)이 플랫-밴드 전압(flat-band voltage)(Vfb)이라 하는 전압 보다 작다면, 표면 반도체/산화물에 또는 표면 반도체/산화물 부근에 다수의 홀들이 존재한다. 이것들은 축적 층을 형성하며, 상기 커패시턴스는 축적 모드에 있다.
- 상기 게이트에 인가된 전압(Vg)이 임계전압(VT)이라 하는 전압 보다 크다면, 이제 반전 전자들이 채워지는 역전층이 존재한다. 이는 반전 모드이다.
본 발명은 p-도핑된 MOS 커패시턴스가 제공되며, 그리고 이하에서, 소수 캐리어들은 전자들이지만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 당업자에 의해, n-도핑된 커패시턴스 및 홀들인 소수 캐리어들로 구현될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 7은 게이트 바이어스의 함수로서 MOS 커패시터(CHDR)의 전기용량 거동(capacitive behavior)을 도시한다. 라인(a)는 바이어스 조건에 대해 낮은 주파수에서 상기 게이트에 나타나는 커패시턴스를 나타내며, 라인(b)는 MOS의 반전층과 동일한 극성으로 도핑된 반도체 콘택트에서 나타나는 커패시턴스를 나타낸다.
게이트에서 볼 때, 상기 MOS 커패시터는 낮은 주파수에서 반전 및 축적에서의 게이트 커패시턴스들이 동일하기 때문에(도 7, a) 제한된 동조성을 갖는다. 그러나 반전에서, 상기 커패시터의 다른 측상에서(즉, 반도체 측상에서) 사용되는 전하들은 소수 캐리어들인 반면, 축적 시 전하들은 다수 캐리어들이다. 이것은, 소수 캐리어들, 즉 상기 포토다이오드(PD)에 의해 노출 시간 동안 집적된 소수 캐리어들에서 볼 때, 축적 시 상기 커패시터에 축적될 수 있는 전하가 없음을 의미한다. 이것은, 소수 캐리어들의 경우, 상기 MOS 커패시터가 축적 중일 때 커패시터가 없음을 의미한다(도 7, b).
도 4 또는 도 5의 구조의 게이트 전압이 상기 커패시터의 반전 모드에 대응할 때, 상기 커패시터는 이제 상기 반도체 콘택트로부터 소수 캐리어들을 수용할 수 있고, 그리고 그러한 전하들(이 경우, 전자들)에 대한 커패시터로서 작용할 수 있다. 게이트 전압이 축적 모드에 대응할 때, 상기 채널에 존재했던 소수 캐리어들은 이제 다시 반도체 영역으로 밀어내지며, 이로써, 전하 정보를 수정하지 않으면서 이 노드의 커패시턴스를 변경한다. 이렇게 하면, 소수 캐리어들에 대한 높은 커패시턴스와 낮은 변환 이득을 갖는 모드(반전 중인 MOS) 그리고 낮은 커패시턴스와 높은 변환 이득을 갖는 모드(축적하는 MOS) 사이를 전환하는 것이 가능하다.
듀얼-모드 커패시턴스 MOS(CHDR)의 사용은 다음의 전하들의 전달을 가능하게 한다 :
- 상기 커패시턴스(CHDR)가 반전 모드에서 동작하도록, 그리고 소수 캐리어들(CT)에 의해 나타나는 총 커패시턴스가 CP 및 CHDR의 합이도록, 상기 스위치(S2)를 개방하고 게이트 전압(Vg)을 인가함으로써 상기 기생 커패시턴스(CP)로부터 큰 커패시턴스(CHDR)로의 전하 전달; 및
- 상기 커패시턴스가 축적 모드에서 동작하고 상기 소수 캐리어들을 상기 기생 커패시턴스로 밀어내도록, 그리고 상기 소수 캐리어들(CT)에 의해 나타나는 총 커패시턴스가 오직 CP이도록, 게이트 전압(Vg)을 인가함으로써 상기 큰 커패시턴스(CHDR)로부터 상기 기생 커패시턴스(CP)로의 전하 전달.
이러한 듀얼-모드 MOS 커패시턴스를 포함하는 본 발명의 픽셀(40)은 TOF 카메라 시스템에서 특히 흥미롭다. 바람직하게는, 본 발명의 픽셀(40)은 TOF 측정을 수행하도록 동작 가능하다. 상기 픽셀(40)은, 예를 들어, TOF 상관 측정들을 수행하기 위한 CAPD(Current-Assisted Photonic Demodulator)의 픽셀일 수 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 듀얼-모드 MOS 커패시턴스 덕분에, 동일한 전하 정보는 비-파괴적인 방식으로 두 번 출력될 수 있으며, 이는 거리를 계산하기 위해 여러 상관들을 수학적으로 결합해야하는 TOF 측정들에 유리하다. 서로 다른 상관들은 동일한 노광 동안 동시에 또는 연속 노광들을 사용하여 순차적으로 획득될 수 있다. 본 발명은 전하 정보를 파괴하지 않으면서, 서로 다른 변환 이득들을 사용하여 각 노광의 상관들을 여러 번 측정하는 방법을 제공한다. 이는, 상관 데이터를 수학적으로 결합할 수 있도록 상관 데이터세트가 일관성이 있어야하며 그리고 동일한 변환 이득을 사용하여 측정되어야하기 때문에, TOF에 중요하다. 이제, 본 발명을 이용하면, 일관성 있는 다수의 데이터세트들이 이용 가능하다. 한 세트 내의 각 상관 데이터 포인트는 동일한 변환 이득을 사용하여 측정되며, 그리고 서로 다른 변환 이득들을 이용하여 측정되는 여러 세트들이 이용 가능하다. 이는, 수집된 전하가 낮은 저-강도 측정들의 경우, 높은 변환 이득을 가진 데이터 세트가 사용될 수 있는 반면(즉, 상기 기생 커패시턴스(CP)), 고-강도 측정들의 경우, 정보가 높은 변환 이득 상에서 측정될 때 포화될 것이기 때문에 낮은 변환 이득을 가진 데이터세트가 사용될 수 있음(즉, 상기 MOS 커패시턴스(CHDR))을 의미한다.
상기 MOS 커패시터(CHDR)의 상면도는 도 8에 제공되어 있다. 참조번호 72의 영역은 상기 CMOS 커패시턴스의 게이트의 상면도이며, 이 게이트 밑에 절연 및 반도체 층들이 있다. 상기 소수 캐리어들이 상기 MOS 커패시터에 들어갔다 나왔다할 수 있도록, 참조번호 71의 영역은 상기 반도체 층에 접촉하는 옴 콘택트이다. 도 8에서, 오직 하나의 옴 콘택트(71)만이 도시되었지만, 본 발명은 2 개의 옴 콘택트들을 포함할 수 있다. 표준 CMOS 트랜지스터는 일반적으로 소스 및 드레인이라 불리는 두 개의 옴 영역들을 포함한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명에서, 소스 및 드레인은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 연결될 수 있으며, 또는 도 8에 도시된 바와 같이 오직 하나의 존만이 설계될 수 있다. 상기 소수 캐리어들이 상기 MOS 커패시터에 들어갔다 나왔다할 수 있도록 하기 위해 오직 하나의 옴 콘택트만이 요구된다.
on과 off로 스위칭될 수 이TSms 추가 커패시턴스(CHDR)의 값은 게이트 단위 커패시턴스(일반적으로 약 4 fF/μm2)에 비례하며, 상기 MOS 커패시터(75)의 폭 및 상기 MOS 커패시터(74)의 길이에 비례한다. 그러나 또한 상기 구조의 추가는 폭(75)에, (기술 의존적이고 최소화되어야하는) 상기 콘택트 길이(73)에, 그리고 또한 기술 의존적인 이러한 활성(active) 영역(71)의 접합 커패시턴스에 비례하는 기생 커패시턴스를 추가한다. 상기 노드(FD)에서 커패시턴스의 높은 변조를 갖기 위해, 상기 MOS 구조(75)의 폭을 최소화함으로써 (스위칭될 수 없는) 기생 커패시턴스(CP)를 최소화해야하며, 그리고 상기 MOS 구조(75)의 길이를 최대화해야한다. 6:1에서 최대 10:1까지의 변조 비율들은 길이(74) 및 폭(75)을 최적화함으로써 달성될 수 있으며, 각각 약 20 dB의 다이나믹 레인지 향상을 제공한다. 원형 게이트로 둘러싸인 단일 드레인/소스 콘택트 등 MOS 구조의 다른 더 이색적인 구현들도 가능하다.
도 9는 본 발명의 방법을 도시하는, 픽셀을 제어하기 위한 일반적 파형들을 도시한다.
시각 T1에서, 상기 소스-팔로워(MSF)는 VDD 값으로 리셋된다. 그 다음, 시각 T2 까지 상기 트랜지스터(MRST)의 게이트에 리셋 펄스가 주어진다. 리셋하는 동안, 상기 MOS 커패시터(CHDR)는 낮은 VHDR를 가지면서 축적 상태를 유지하며, 이는 소수 캐리어들에 대해 오직 기생 커패시턴스만 존재한다는 것을 의미한다. 따라서, 리셋에 의해 생성된 kTC 노이즈는 노드 FD에 남아있는 기생 커패시턴스(예를 들어, 상기 증폭기(MSF)의 입력 커패시턴스)와 동시에 상기 검출 다이오드(PD)의 기생 커패시턴스의 합인 기생 커패시턴스(CP)에 의해서만 정의된다.
리셋 후에, 상기 MOS는 시각 T3에서 약한 반전에서 바이어스되며, 노출 시간(integration time)이 시작된다. 노드 FD 상에 축적된 모든 전하에 대해, 추가 MOS 커패시터(CHDR)가 나타나므로, 전하 정보의 통합은 노광 동안 CP 및 CHDR의 합인 총 커패시턴스 CT 상에 발생한다.
시각 T4에서, 상기 노광 시간이 종료되며, 그리고 상기 정보는 샘플링된다. 상기 전하 정보는 전체 커패시턴스(CT) 상에서 판독되며, 이는 낮은 변환 이득이 사용된다는 것을 의미한다.
이러한 첫 번째 판독 작업 후, 상기 MOS 커패시터(CHDR)는 시각 T5 및 T6 사이에서 낮은 레벨의 VHDR로 축적 상태(또는 적어도 플랫 밴드)로 전환되며, 그리고 상기 반전층에 이전에 존재한 소수 캐리어들은 노드 FD에 연결된 반도체 콘택트(71) 내로 다시 밀려난다. 바람직하게는, 시각 T5 및 시각 T6은 더 나은 전달을 위해 반전 및 축적 모드 간의 변화가 느리고 갑작스럽지 않도록 선택된다. 또한, 시각 T5 및 T6은 단일 시각으로 융합될 수 있다. 그 후, 동일한 전하 정보는 낮은 커패시턴스(CP) 상에서 판독될 수 있으며, 이는 두 번째 판독 작업 동안 높은 변환 이득이 사용됨을 의미한다.
이러한 높은 변환 이득 모드에서 판독된 데이터가 포화된다면, TOF 계산은 시각 T3에서 낮은 변환 이득 모드에서 획득된 데이터를 사용하여 수행될 수 있으며, 그리고 선택이 수행될 수 있다.
일실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이 스위치(S2)가 사용될 때, 상기 스위치는 시각 T4까지 닫힌 상태가 유지될 수 있다(신호 SW). 그 다음, 상기 스위치는 상기 첫 번째 판독 단계 동안 전하를 완전히 전달할 수 있도록 개방될 수 있다.
또한, 본 발명은 PD 요소와 FD 요소 사이에 전달 게이트를 구현함으로써 글로벌 셔터 픽셀 접근법에서 사용될 수 있다. 듀얼-모드 커패시턴스는 다시 FD 요소에 연결된다. PD 요소가 핀드 포토다이오드가 아닌 경우, 상기 전달 게이트가 전도 중일 때, 수집된 캐리어들은 PD 및 FD 사이에 분배되어 양 노드들에 동등한 전위를 갖는다. 이에 따라 FD 상에 큰 커패시턴스를 갖는 것이 유리하므로, 수집된 캐리어들 대부분은 FD 측에 저장될 것이다. 상기 전달 게이트가 릴리즈되면, 그 상황은 정지된다. 이제 FD 노드 상의 전자들은 낮은 변환 이득 모드에서 먼저 읽혀질 수 있고, 그리고 그 다음, MOS 구조를 다시 축적 상태로 둠으로써 높은 변환 이득 모드에서 읽혀질 수 있다. 이를 수행함으로써, 일반적인 글로벌 셔터 모드에 관하여 PD로부터 FD로의 더 나은 전하 전달을 달성하였다. 듀얼-모드 커패시터가 없다면 손실된 전하량은 통상적으로 1/2에 가까운 (CPD/(CPD + CFD))인 반면, 본 발명에서 글로벌 셔터 작업 시 손실된 전하량은 높은-변환 이득 모드에서 대략적으로 원래의 FD 변환 이득을 유지하면서 (CPD/(CPD + CFD + CHDR))로 감소된다.
도 10은 본 발명의 다이나믹 레인지 개선을 사용하는 TOF 이미징 시스템(900)의 구현을 도시한다. 본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 픽셀들(40)의 어레이를 포함하는 픽셀 어레이(901)는 ADC, 아날로그 출력 버퍼, 한 세트의 병렬 ADC들 등일 수 있는 판독 모듈(902), 그리고 여러 모드들에서 각각의 픽셀을 판독하기 위한 판독 모듈(902) 및 픽셀 어레이(901) 모두를 제어하는 타이밍 모듈(903)에 연결된다.

Claims (7)

  1. 타임-오브-플라이트(Time-Of-Flight; TOF) 측정들을 수행하도록 작동 가능한 고 동적 범위(High-Dynamic-Range; HDR) 픽셀(40)로서,
    상기 HDR 픽셀(40)은 :
    - 노출 시간(integration time) 동안 입사 방사선에 응답하여 다수 캐리어들 및 소수 캐리어들을 생성하는 감광성 요소(photosensitive element)(PD);
    - 상기 감광성 요소(PD)에 연결된 검출기 노드(FD);
    - 상기 검출기 노드(FD)를 미리 정해진 전압으로 리셋하기 위해 상기 검출기 노드(FD)에 연결된 리셋 스위치(MRST);
    - 상기 검출기 노드(FD)에 연결된 입력을 가진 버퍼 증폭기(MSF);
    - 판독 프로세스 동안 상기 픽셀을 선택하도록 동작 가능한 선택 트랜지스터(MSEL);
    - 상기 감광성 요소(PD), 상기 검출기 노드(FD), 상기 리셋 스위치(MRST), 상기 버퍼 증폭기(MSF), 상기 선택 트랜지스터(MSEL) 중 적어도 하나로부터 유래하고, 상기 감광성 요소(PD)에 의해 발생된 상기 소수 캐리어들을 저장하도록 작동 가능한 고유 기생 커패시턴스(CP)
    를 포함하고,
    상기 픽셀(40)은 상기 검출기 노드(FD)에 연결된 입력을 갖고 저장 모드 및 저장-해제(de-storing) 모드에서 동작 가능한 듀얼-모드 커패시턴스(CHDR)를 더 포함하며, 상기 듀얼-모드 커패시턴스(CHDR)는 상기 저장 모드에 있는 동안 상기 생성된 소수 캐리어들을 저장하고, 그리고 상기 저장-해제 모드에 있는 동안 상기 저장된 소수 캐리어들을 상기 기생 커패시턴스로 내보내는(destoring) 것을 특징으로 하고,
    상기 픽셀(40)은, 오직 하나의 노출 시간으로 두 개의 이득들을 가진 데이터를 획득하기 위해, 낮은 변환 이득 또는 높은 변환 이득을 선택하고 그리고 낮은 변환 이득의 경우 상기 기생 커패시턴스(CP) 및 상기 듀얼-모드 커패시턴스(CHDR)의 합 상에 저장된 소수 캐리어들에 대응하는 픽셀 데이터를 처리하고 높은 변환 이득의 경우 상기 기생 커패시턴스(CP) 상에만 저장된 소수 캐리어들에 대응하는 픽셀 데이터를 처리함으로써, TOF 측정들을 수행하도록 작동 가능하고,
    상기 듀얼-모드 커패시턴스(CHDR)는 반전 모드에서 소수 캐리어들을 저장하도록, 그리고 축적 모드에서 상기 소수 캐리어들을 저장-해제(de-storing)하도록 작동 가능한 MOS 커패시턴스인, HDR 픽셀.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 포토다이오드는 핀드 포토다이오드(pinned photodiode; PPD)인, HDR 픽셀.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 감광성 요소(PD) 및 상기 검출기 노드(FD) 사이에 연결된 전달 게이트를 더 포함하는, HDR 픽셀.
  5. 청구항 1, 3 및 4 중 어느 한 항에 따른 HDR 픽셀들(40)의 어레이(901)를 포함하는 TOF 이미징 시스템(900)으로서,
    상기 픽셀 데이터를 판독하는 판독 모듈(902); 및
    상기 픽셀 어레이(901) 및 상기 판독 모듈(902) 모두를 제어하는 타이밍 모듈(903)을 더 포함하는, TOF 이미징 시스템.
  6. 청구항 1, 3 및 4 중 어느 한 항에 따른 TOF 측정들을 수행하기 위한 HDR 픽셀(40)을 작동하는 방법으로서,
    상기 방법은 :
    - 상기 듀얼 모드 커패시턴스(CHDR)를 상기 저장-해제 모드로 유지하면서 상기 감광성 요소(PD)를 리셋하는 단계;
    - 상기 기생 커패시턴스(CP) 및 상기 듀얼-모드 커패시턴스(CHDR) 상에 소수 캐리어들을 저장하기 위해, 상기 듀얼 모드 커패시턴스(CHDR)를 상기 저장 모드로 유지하면서 입사 방사선에 응답하여 전하들을 집적하는 단계;
    - 상기 기생 커패시턴스(CP) 및 상기 듀얼-모드 커패시턴스(CHDR) 상에 저장된 상기 소수 캐리어들에 대응하는 픽셀 데이터를 판독하는 단계;
    - 상기 소수 캐리어들을 상기 기생 커패시턴스(CP)로 보내기 위해 상기 듀얼 모드 커패시턴스(CHDR)를 상기 저장 해제 모드로 전환시키는 단계;
    - 상기 기생 커패시턴스(CP) 상에만 저장된 상기 소수 캐리어들에 대응하는 픽셀 데이터를 판독하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 듀얼 모드 커패시턴스(CHDR)를 상기 저장 해제 모드로 전환시키는 단계는 갑자기(abruptly) 수행되지 않는, 방법.
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