KR20080038399A - 적응형 고체 이미지 센서 - Google Patents

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KR20080038399A
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노블 피크 비젼 코프.
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Abstract

개선된 모놀리식 고체 이미저는 각각 다른 종류의 픽셀들을 갖는 복수의 서브-어레이, 컬러 필터와 투명 엘리먼트를 포함한 선택적인 필터 모자이크, 및 픽셀들의 출력을 처리하기 위한 회로를 포함한다. 다른 종류의 픽셀들은 각각 다른 스펙트럼 범위에 반응한다. 유리하게는 다른 종류의 픽셀들은, 1) 대략 800-1800 nm의 범위인 단파 적외선(SWIR)에 반응하는 SWIR 픽셀들; 2) 가시광선 및 NIR 광선(400-1000 nm)에 반응하는 정규 픽셀들; 및 3) 가시광선, NIR 및 SWIR 광선에 반응하는 광대역 픽셀들로부터 선택될 수 있다.

Description

적응형 고체 이미지 센서{ADAPTIVE SOLID STATE IMAGE SENSOR}
본 출원은 2개의 미국 특허 출원의 CIP(continuation-in-part)이며, 구체적으로 본원은 2003년 6월 3일에 J. Bude 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 제10/453,037호("Semiconductor Devices With Reduced Active Region Defects and Unique Contacting Schemes")의 CIP이며, 이는 2002년 12월 18일에 Bude 등에 의해 출원된 미국 가출원 제60/434,359의 우선권을 주장한다. 또한 본 출원은 2004년 10월 13일에 Conor S. Rafferty 등에 의해 출원된 미국 특허 출원 제10/964,266호("Optical Receiver Comprising a Receiver Photodetector Integrated With an Imaging Array")의 CIP이며, 이는 2003년 10월 13일에 C.S. Rafferty 등에 의해 출원된 미국 가출원 제60/510,933호의 우선권을 주장한다. 전술한 모든 출원(10/453,037; 60/434,359; 10/964,266 및 60/510,933)은 참조로써 본원에 통합된다.
미국 정부는 NSF Award DMI-0450487에 속하는 본 발명의 일정한 권리를 보유한다.
본 발명은 고체 이미지 센서(solid state image sensor)에 관한 것이며, 보다 구체적으로 밝은 대낮부터 그믐밤까지의 넓은 범위의 상이한 조명 상태에 대해 적응할 수 있거나 또는 이에 대해 조절될 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
고체 이미지 센서("이미저(imager)")는 전문가용 및 소비자용 비디오 및 스틸 이미지 사진 촬영, 보안 및 안전을 위한 원격 감시, 천문학 및 기계 시각(machine vision)을 포함한 갖가지 다양한 어플리케이션에서 중요하다. 비가시광선(non-visible radiation), 예컨대 적외선에 감광하는 이미저는 나이트 비전, 위장 탐지(camouflage detection), 비가시 천문학, 예술품 보존, 의료 진단, (도로 위나 항공기에서의) 얼음 탐지, 및 약제 제조를 포함하는 일부의 다른 어플리케이션에서 사용된다.
전형적인 이미지 센서는 독출 집적 회로(ROIC; readout integrated circuit)와 결합한 광검출기(photodetector)들의 2차원 어레이(초점면 어레이라 불림)를 포함한다. 광검출기들은 인입 광선에 감광한다. ROIC는 광검출기들로부터의 출력을 스캔하고 양적으로 평가하여 이들을 이미지로 처리한다. 이미저의 다양한 형태의 광선에 반응하는 능력은 광검출기의 스펙트럼 응답에 의해 결정된다.
도 1은 전형적인 종래 CMOS 실리콘 이미저(10)의 개념적인 블록 다이어그램과 대략적인 물리적 레이아웃이다. 이미지(10)는 유리하게 단일 실리콘 다이(die) 상에 구현된 픽셀들(12)의 n행 m열 어레이를 포함한다. 각각의 픽셀(12)은 광검출기와 멀티플렉스 회로를 포함한다. 이것은 신호 증폭 및 처리 회로(픽셀 구성요소들은 미도시)를 선택적으로 포함할 수 있다. 각각의 실리콘 광검출기는 입사하는 가시광선 및 근적외선(near infrared (NIR) radiation)에 반응한다. 각각의 픽셀은 정의된 집적 주기(integration period) 동안 광검출기에 입사하는 축적된 가시 광선 및 NIR 광선이 비례하는 출력 신호를 생성한다.
하나의 행 내의 모든 픽셀들(12)은 행 멀티플렉서(row multiplexer; 14)에 의해 생성된 행 신호들의 세트에 의해 제어된다. 행 멀티플렉서는, 픽셀 리셋 및 집적 주기의 길이를 포함한 행 어드레스 및 타이밍 기능을 픽셀 내에서 수행하는 회로들을 포함한다. 하나의 행 내의 모든 픽셀들은 동시에 열 버스(column bus; 15) 상에 출력하지만, 상이한 행들 내에 있는 픽셀들은 상이한 시간에 출력할 수 있다. 이러한 스태거링(staggering)은 열 내의 픽셀들이 열 버스(15)를 공유하는 것을 허용하여, 이들의 출력 신호들을 한 번에 한 행씩 열 버스 상에 연속하여 멀티플렉싱 한다.
하나의 열 내의 모든 픽셀들(12)은 열 버스(15)를 통해 열 멀티플렉서(column multiplexer; 17)로 이들의 출력 신호를 보낸다. 픽셀 출력 신호들은 행 멀티플렉서(14)로부터의 제어 신호들에 응답하여 열 버스 상으로 멀티플렉싱 된다. 열 멀티플렉서 내의 회로들(미도시)은 증폭, 노이즈 감소 및 미리 정해진 비디오 또는 이미지 포맷, 예컨대 표준 TV 비디오 시퀀스로의 멀티플렉싱을 포함한 다수의 기능들을 수행할 수 있다.
열 멀티플렉서(17)에 의해 생성된 비디오 또는 이미지 신호들은 이미지를 재구성(reorganize)하고, 개선하고, 화질을 높이기 위해 이미지 신호 프로세서(18)에 의해 추가로 처리될 수 있다. 예를 들면, 이미지 신호 프로세서는 이미지의 테두리들을 탐지하고 두드러지게 할 수 있다. 또는 프로세서(18)는 집적 주기의 길이를 수정하는 제어 신호들을 이용하여 평균 이미지 명도(intensity)를 조정할 수 있 다. 예시적인 종래 이미저의 구조와 동작에 관한 보다 상세한 사항들은 Ackland 등의 "Camera on a Chip", IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., Feb. 1996, pp. 22-25로부터 알 수 있으며, 이는 본원에 참조로써 통합된다.
이미저(10)는 컬러 필터 모자이크(mosaic of color filters)를 픽셀 어레이 위에 배치하여 컬러 이미지들을 제공하도록 적응될 수 있다. 도 2는 컬러 필터들(22R, 22G, 및 22B; 각각 적색, 녹색 및 청색)의 전형적인 모자이크 어레이(20)를 도시한다. 모자이크 어레이(20)는 픽셀 어레이(11) 위에 위치된 적색, 녹색 및 청색 필터들의 n행 m열 어레이일 수 있으며, 각각의 컬러 필터는 한 픽셀(12)을 정확히 덮는다.
도 2에 도시된 특정 모자이크는 공지된 베이어 패턴(Bayer pattern)으로 컬러 필터들을 분배한다. 모자이크의 각각의 2x2 영역은 2개의 녹색 필터, 하나의 적색 필터 그리고 하나의 청색 필터로 구성된다. 정위치의 모자이크로 인해, 각각의 픽셀은 오직 한 색, 즉 적색, 녹색 또는 청색에만 반응한다. 이미지 프로세서(18)의 회로들은 픽셀 신호 값들을 해석하여 각 픽셀 위치에 대한 적색, 녹색 및 청색 값들을 생성하는데 사용될 수 있으며, 이를 통해 컬러 이미지를 생성한다. 예시적인 컬러 이미저에 관한 보다 상세한 사항들은 1976년에 발행된 B. Bayer의 미국 특허 제3,971,065호("Color Imaging Array")로부터 알 수 있으며, 이는 본원에 참조로써 통합된다.
종래 이미저는 잘 정의된 조광 상태 하에서 고품질 이미지들을 생성하기 위해 정교한 전자 기기들을 사용할 수 있지만, 이들은 대낮부터 어두운 밤까지의 변 화와 같이 매우 다양한 조명 상태에 적응할 수 있다고 증명되진 않았다. 또한 이미지들은 다른 스펙트럼 밴드에서의 감광성을 요구하는 어플리케이션들에 쉽게 적응할 수 없다. 도 1에 도시된 것과 같은 종래 이미저들은 오직 한 종류의 광선에 반응하는 거의 이상적인 픽셀들로 구성된다. 예를 들면, 실리콘 픽셀들의 어레이는 오직 가시광선 및 NIR 광선에만 반응한다.
컬러 필터들은 각각의 픽셀들의 스펙트럼 반응을 추가로 제한함으로써 이미저 출력의 화질을 높이는데 사용될 수 있다. 이러한 화질 강화는 감소된 감광성을 희생하여 만들어진다. 컬러 필터 모자이크를 이용하여, 예를 들어 종래 실리콘 이미저는 높은 수준의 조도(illumination) 하에서 컬러 이미지들을 생성할 수 있지만, 이들은 적당히 낮은 조명에 대해 증가된 노이즈와 감소된 감광성을 나타내며, 따라서 어둡거나 또는 달 밝은 밤에는 적합하지 않다.
더 낮은 노이즈 단색(monochrome) 이미지들(예컨대 그레이 스케일 이미지들)은 단색 실리콘 이미징 어레이, 즉 컬러 필터 모자이크가 없는 것을 사용하여 얻어질 수 있다. 또한 이러한 이미저들은 단파 적외선(short wave infrared (SWIR) radiation)을 탐지할 수 없으며, 이러한 탐지는 예컨대 얼음 탐지 어플리케이션에서 요구될 수 있다.
따라서 다양한 어플리케이션들의 필요에 부합하도록 다양한 스펙트럼 밴드에서 감광성을 나타낼 수 있고, 대낮에서 그믐밤까지의 다양한 범위의 조명 상태에서도 고품질의 이미지들을 제공할 수 있는 개선된 고체 이미지 센서가 필요하다.
본 발명에 따라서, 개선된 모놀리식 실리콘 고체 이미저는 각각 다fms 종류의 픽셀들을 포함한 복수의 서브-어레이, 컬러 필터 및 투명 엘리먼트를 포함하는 선택적인 필터 모자이크, 및 픽셀들의 출력을 처리하기 위한 회로를 포함한다. 본원에서 언급된 픽셀들은 능동 픽셀들인 것이 바람직하며, 이는 광검출기와 광검출기의 출력을 증폭하기 위한 회로를 모두 포함한다. 다른 종류의 픽셀들은 각각 다른 스펙트럼 범위에 반응한다. 유리하게는 다른 종류의 픽셀들은, 1) 단파 적외선(SWIR) - 단파 적외선 범위의 하한은 대략 700nm 내지 대략 1000nm 사이에 있으며, 이의 상한은 대략 1600nm 내지 대략 2500nm 사이에 있음 - 에 반응하는 SWIR 픽셀들; 2) 가시광선 및 NIR 광선(400-100nm)에 반응하는 정규 픽셀들 및 3) 가시광선, NIR 및 SWIR 광선에 반응하는 광대역 픽셀들로부터 선택될 수 있다.
다른 종류의 픽셀들은 각각의 서브-어레이가 본래 동일한 장면에 대한 다른 스펙트럼 이미지를 캡쳐하도록 하는 방식으로 공통 어레이 내의 서브-어레이들로써 배치되는 것이 유리하다. 선택적인 필터 모자이크는, 이것이 이미징 어레이 상에 위치될 때, 다른 픽셀 타입들과 다른 필터 엘리먼트들의 조합이 다수의 서브-어레이들을 생성하도록 설계되며, 이는 다양한 이미징 옵션들을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 컬러 필터들은 대낮의 컬러 이미징을 제공하기 위해서 정규 픽셀들 위에 놓이는 것이 유리하고, 반면에 투명 엘리먼트들은 화질 좋은 야간 성능을 나타내기 위해서 SWIR 픽셀들 및/또는 광대역 픽셀들 위에 놓이는 것이 유리하다. 대안적으로, 투명 엘리먼트도 어둠 성능을 강화하기 위해서 정규 픽셀들 위에 놓일 수도 있다.
전자 기기는 다양한 조명 상태 및 다양한 어플리케이션에 적응할 수 있는 것이 유리하다. 높은 레벨의 조명이 탐지되면, 전자 기기는 컬러 이미지를 생성하기 위해서 컬러 필터들로 덮인 정규 및 광대역 픽셀들의 출력을 처리할 수 있는 것이 선호된다. 낮은 레벨의 조명하에서는, 개선된 신호 대 잡음비를 갖는 단색 이미지를 생성하기 위해서 투명 엘리먼트들로 덮인 정규, SWIR 및/또는 광대역 픽셀들의 출력을 처리할 수 있는 것이 선호된다. 예컨대 얼음 또는 물 탐지와 같은 SWIR 감광성을 필요로 하는 어플리케이션에 대해서, 전자 기기는 어플리케이션에서 필요로 하는 공간 정보 및/또는 특정 스펙트럼을 나타내기 위해서 SWIR, 정규 및 광대역 픽셀들의 일부 조합들의 출력을 처리할 수 있는 것이 선호된다.
본 발명의 장점들, 본질 및 다양한 추가적인 특징들은 첨부된 도면들과 함께 상세히 기술될 예시적인 실시예들의 참작을 통해 더욱 완벽히 나타날 것이다.
도 1은 종래 고체 이미지 센서의 개념적인 블록 다이어그램 및 대략적인 물리적 레이아웃이다.
도 2는 도1의 센서와 함께 사용되는 컬러 필터들의 전형적인 모자이크 어레이를 도시한다.
도 3A 및 3B는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 관련된 적응형 고체 이미지 센서의 개념적인 블록 다이어그램들이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 적응형 고체 이미지 센서의 개념적인 블록 다이어그램이다.
도 5는 도 4의 센서와 함께 사용되는 컬러 필터들의 모자이크 어레이를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 적응형 고체 이미지 센서의 개념적인 블록 다이어그램이다.
도 7은 도 6의 센서와 함께 사용되는 컬러 필터들의 모자이크 어레이를 도시한다.
본 도면들은 본 발명의 사상을 나타내기 위한 것이며, 실제와 비례하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도면들을 참조하면, 도 3A는 정규 픽셀들(regular pixels; 12)과 광대역 픽셀들(wideband pixels; 32A)의 서브-어레이들을 각각 사용하는 적응형 고체 이미저(30)의 제 1 실시예를 도시한다. 도 3A에 도시된 이미징 어레이는 일부의 정규 실리콘 픽셀들(12)이 가시광선과 단파 적외선에 반응하는 광대역 픽셀들(32A)로 대체되었다는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 것과 유사하다. 도 3A에 도시된 특정 실시예에서, 정확히 절반의 픽셀들은 정규 픽셀(12)이고, 나머지 절반의 픽셀들은 광대역 픽셀(32A)이며, 이러한 2가지 상이한 타입들은 한 열씩 교차하여 배열된다. n x m 어레이는 2개의 상호 배치된 n x m/2 서브-어레이들로 간주될 수 있으며, 제 1 서브-어레이는 전부 정규 픽셀들(12)로 구성되고, 제 2 서브-어레이는 전부 광대역 픽셀들(32A)로 구성된다. 두 서브-어레이는 거의 공간적으로 일치하여, 한 서브-어레이는 다른 서브-어레이로부터 수평 방향으로 오직 한 픽셀 치수의 크기만큼 만 변위된다. 이미지가 이미저(30) 상에 초점 맞춰질 때, 두 서브-어레이들은 본래 동일한 장면에 대해 2가지 개별 이미지들을 캡쳐하는데 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 열 멀티플렉서(17)는 2개의 멀티플렉서(37A, 37B)로 대체된다. 정규 픽셀들(12)을 포함하는 열들로부터의 열 버스 배선들(bus wires; 35A)은 열 멀티플렉서(37A)와 연결된다. 광대역 픽셀들(32A)을 포함하는 열들로부터의 열 버스 배선들(bus wires; 35B)은 열 멀티플렉서(37B)와 연결된다.
각 서브-어레이의 열 멀티플렉서(37A, 37B)는 자신의 해당 n x m/2 이미지를 생성할 것이다. 이미지 신호 프로세서는 본 기술분야의 당업자에게 공지된 보간 기술들(interpolation techniques)을 사용하여 각각의 이미지를 n x m 해상도로 선택적으로 복원하는데 사용될 수 있다. 제 1 서브-어레이 내의 픽셀들(12)은 SWIR 광선에는 반응하지 않고 가시광선 및 NIR 광선에 반응하기 때문에, 열 멀티플렉서(37A)는 NIR 이미지를 더한 가시광 이미지를 생성할 것이며, 이를 정규 이미지(regular image)라 한다. 제 2 서브-어레이 내의 픽셀들(32A)은 광대역 광선에 반응하기 때문에, 열 멀티플렉서(37B)는 광대역 이미지를 생성할 것이다. 실리콘 광검출기의 훌륭한 저-노이즈 및 낮은 암전류(dark current) 속성으로 인해, 정규 이미지는, 예컨대 대낮 또는 어두운 조명하에서 발생하듯이, 촬상되는 장면이 현저하게 가시광선 및 NIR 광선에 의해 조명될 때 우수한 이미지 품질을 나타낼 것이다. 제 2 서브-어레이는 예컨대 그믐밤 시간의 조명하에서 발생하듯이, 촬상되는 장면이 현저하기 SWIR 광선에 의해 조명될 때 우수한 품질을 나타낼 것이다. 이미지 신호 프로세서는 외부 제어 입력에 따라서 사용될 이미지를 결정할 수 있다. 대안적으로 예컨대 각 이미지의 상대 명도(relative intensity)와 같은 상대적 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)에 대한 몇 가지 측정치에 따라서 사용될 이미지를 선택할 수 있다. 대안적으로, 더 높은 해상도 또는 더욱 개선된 신호 대 잡음비를 제공하기 위해서 두 이미지를 결합할 수도 있다.
도 3B는 도 3A 실시예의 변형을 나타내며, 여기서 SWIR 픽셀들(32B)이 광대역 픽셀들(32A)을 대체한다. SWIR 픽셀들은 오직 SWIR 광선에만 감광한다. 이러한 대체는 낮은 조명 상태에서 저하된 감광성을 나타낼 것이지만, 열 멀티플렉서(37B)가 광대역 이미지가 아니라SWIR 이미지를 생성하는 것을 허용할 것이다. 이러한 대체는, 예컨대 얼음 및 위장 탐지와 같은, 가시 이미지와 SWIR 이미지 간의 차이를 처리하는 것이 필요한 어플리케이션에서 유용할 것이다.
정규 픽셀들, 광대역 또는 SWIR 픽셀들, 관련 회로, 및 연결들의 상술된 배열은 본 기술분야에 공지된 기술을 이용하여 실리콘과 같은 결정질 반도체 기판 안에 집적되는 것이 유리하다. 정규 픽셀들은 Ackland 등의 "Camera on a chip", IEEE Lntl. Solid State Circuits Conference, Feb. 1996, pp. 22-25에 기술된 3-T 픽셀들과 같은 실리콘 픽셀들인 것이 유리하며, 상기 문헌은 본원에 참조로써 통합된다. 광대역 픽셀들은 본원에 참조로써 통합되는 미국 특허 출원 제10/453,039호에서 기술된 것과 같은 실리콘 회로와 실리콘 기판에 집적된 게르마늄 광검출기들을 포함하는 게르마늄-온-실리콘(germanium-on-silicon) 픽셀들인 것이 유리하다. SWIR 픽셀들은 SWIR 광선은 통과시키지만 가시광선은 차단하는 필터 엘리먼트와 결합한 게르마늄-온-실리콘 광대역 픽셀을 포함하는 것이 유리하다.
도 3A와 3B에 도시된 2개의 열 멀티플렉서(37A, 37B)는 하나의 열 멀티플렉서로 대체될 수 있으며, 본 기술분야의 당업자에게 공지된 기술들을 사용하여 열 멀티플렉서 내부 회로에 의해 정규 이미지와 광대역 또는 SWIR 이미지의 분리(separation)가 수행된다.
도 4는 도 5에 도시된 컬러 필터 모자이크(5)와 결합하여 사용될 수 있는 적응형 이미지 센서(40)의 제 2 실시예를 도시한다. 본 경우에, 종래 도 1 장치의 일부 정규 픽셀들(12)은 가시, NIR 및 SWIR 광선에 반응하는 광대역 픽셀들(42)로 대체되었다. 도 4에 도시된 특정 실시예에서, 정확히 4분의 1의 픽셀들은 광대역 픽셀들(42)을 포함한다. 픽셀들(12, 42)이 도 5의 컬러 필터 모자이크에 의해 덮여지면, 광대역 필터들(42)의 각각은 투명 엘리먼트(22C)로 덮여지고, 정규 픽셀들은 적색, 녹색 또는 청색 필터(22R, 22G, 22B)로 덮여진다. n x m 어레이는 2개의 상호 배치된 서브-어레이들로 간주될 수 있다. 첫 번째는 전부 광대역 픽셀들(42)로 구성된 n/2 x m/2 서브-어레이이며, 이는 투명 엘리먼트들(22C)을 통해 필터링 되지 않은 광선을 수신한다. 두 번째는 픽셀 그룹들의 n/2 x m/2 서브-어레이이며, 각각의 픽셀 그룹은 각각 적색, 녹색 및 청색 필터들(22R, 22G 22B)로 덮여진 정규 픽셀들(12)을 정확히 하나씩 포함한다. 두 어레이는 거의 공간적으로 일치하기 때문에, 본래 동일한 장면에 대한 2개의 개별 n/2 x m/2 이미지들을 캡쳐하는데 사용될 수 있다.
본 실시예에서, 서브-어레이 멀티플렉서(46)는 픽셀 출력들을 분리하고 액세스되는 특정 행에 따라서 이들을 2개의 개별 열 멀티플렉서(47A, 47B)로 보내는데 사용된다. 행 멀티플렉서로부터의 제어 신호는 서브-어레이 멀티플렉서(46)의 동작을 제어한다. 예를 들면, 짝수 행의 픽셀들이 이들의 출력 신호들을 열 버스 배선에 보낼 때, 서브-어레이 멀티플렉서는 멀티플렉서(47A)에 모든 신호들을 전송할 것이다. 홀수 행의 픽셀들이 이들의 출력 신호들을 열 버스 배선에 보낼 때, 서브-어레이 멀티플렉서는 짝수 열로부터의 신호들은 멀티플렉서(47B)에 송신하고 홀수 열로부터의 신호들은 멀티플렉서(47A)에 송신할 것이다.
따라서 열 멀티플렉서(47A)는 광대역 픽셀들(42)로부터의 신호들을 처리하고, 열 멀티플렉서(47B)는 컬러 필터링된 정규 픽셀들(12)로부터의 신호들을 처리한다. 도 3에 대해 기술된 것과 유사한 기술들을 사용하여, 각각의 열 멀티플렉서는 이의 입력 픽셀들로부터의 신호들을 결합하여 n/2 x m/2 이미지를 형성한다. 열 멀티플렉서(47A)의 출력은 컬러 필터들의 부재와 SWIR 밴드로 연장하는 검출기의 광대역 응답으로 인해 높은 감광성과 좋은 신호 대 잡음비를 갖는 n/2 x m/2 단색 이미지일 것이다. 이는 예컨대 그믐밤에 발생할 수 있는 것과 같이, 매우 낮은 조명 상태 하에서도 고품질의 이미지들을 제공할 것이다. 열 멀티플렉서(47B)의 출력은 각 이미지 위치에서 적색, 녹색 및 청색 값을 갖는 n/2 x m/2 컬러 이미지일 것이다. 이는 예컨대 대낮에 발생할 수 있는 것과 같인 높은 조도 상태에서 좋은 신호 대 잡음비를 제공할 것이다.
정규 픽셀들, 관련 회로 및 연결들의 상술된 배열은 실리콘 또는 에피텍셜 성장된 게르마늄을 포함한 실리콘과 같은 단결정 반도체 기판에 집적되는 것이 유리하다. 정규 픽셀들은 앞서 언급된 3-T 픽셀들인 것이 유리하며, 광대역 픽셀들 은 앞서 언급된 게르마늄-온-실리콘 픽셀들인 것이 유리하다.
이미지 신호 프로세서(18)는 각각의 이미지의 해상도를 n x m으로 복원하는데 사용될 수 있다. 또한, 이미지 신호 프로세서는, 예컨대 Henker, S 등의 "Concept of Color Correction on Multi-channel CMOS Sensors" Proc. VII th Conf. Digital Image Computing: Techniques and Applications, Dec. 2003, Sydney, pp. 771-780에 기술된 것과 같은 공지된 기술들을 사용하여, 컬러 이미지의 색 충실도(color fidelity)를 강화하기 위해 두 서브-어레이로부터의 신호들을 결합할 수 있다. 대안적으로 이미지 프로세서는 광대역 픽셀들을 사용하여 다른 색 가시 이미지 내의 적외선-에너지의 존재를 식별하는 의사-컬러(pseudo-color) 이미지를 생성할 수 있다. Scribner, D. 등의 "Melding Images for Information" SPIE OE Magazine, Sept. 2002, pp. 24-26을 참조하라.
적응형 이미저(60)의 제 3 실시예는 도 6과 7에 도시된다. 여기서 광대역 픽셀(62)의 크기는 낮은 광 감광성을 향상시키기 위해 확대되었다. 본 경우에, n x m 어레이는 픽셀 그룹들의 n/2 x m/4 어레이로 간주될 수 있다. 각 픽셀 그룹은 향상된 감광성을 제공하기 위해 2 x 2 픽셀 단위 크기인 하나의 광대역 픽셀(62)을 포함한다. 확대된 광대역 픽셀은 확대된 투명 필터 엘리먼트(72C)로 덮인다(도 7). 또한 픽셀 그룹은 단위 크기인 정규 픽셀들의 2 x 2 어레이를 포함한다. 이들 중 하나는 적색 필터(22R)로 덮이고, 다른 하나는 녹색 필터(22G)로 덮이고, 또 다른 하나는 청색 필터(22B)로 덮이며, 마지막 하나는 투명 엘리먼트(22C)로 덮인 다. 서브-어레이 멀티플렉서(66)는 광대역 픽셀들의 출력들은 열 멀티플렉서(67A)로 보내고 정규 픽셀들의 출력은 열 멀티플렉서(67B)로 보내는데 사용된다. 각 광대역 픽셀(62)은 행 어드레스 멀티플렉서로부터의 행 신호들의 2가지 세트를 수신한다는 것에 주의한다. 이들 중 첫 번째만이 픽셀의 동작을 제어하는데 사용된다. 이것은 동일한 픽셀 그룹의 일부인 정규 픽셀들의 제 1 행으로 통과된다. 행 신호들의 제 2 세트는 광대역 픽셀에 의해 사용되지 않지만, 동일한 픽셀 그룹 내의 정규 픽셀들의 제 2 행으로 간단히 통과된다.
열 멀티플렉서(67A)는 매우 낮은 조명 상태에서 사용하기 위한 매우 큰 광대역 픽셀들로 인해 증가된 감광성을 갖는 n/2 x m/4 광대역 이미지를 생성한다. 열 멀티플렉서(67B)는 각각의 이미지 위치에 적색, 녹색, 청색 그리고 백색 값을 갖는 n/2 x m/4 이미지를 생성한다.
이미지 신호 프로세서는 각 픽셀 그룹으로부터의 백색 값만을 사용한 n/2 x m/4 단색 이미지를 생성하기 위해 열 멀티플렉서(67B)의 출력을 사용할 수 있다. 이것은 예컨대 그믐밤에 발생할 수 있는 것과 같이, 이용 가능한 광선의 대부분이 가시 및 NIR 밴드 내에 있는 낮은 조명 상태 하에서 높은 신호 대 잡음비를 제공할 것이다. 또한 이미지 신호 프로세서는 각각의 이미지 위치에 4가지 정규 픽셀 모두의 출력을 사용한 컬러 이미지를 생성하기 위해 열 멀티플렉서(67B)의 출력을 사용할 수 있다. 따라서 3개의 이미지가 이미지 신호 프로세서로부터 출력될 수 있으며, 이들은 광대역 단색 이미지, 가시 및 NIR 단색 이미지 및 컬러 이미지이다. 다시 한 번, 이미지 신호 프로세서(18)는 공지된 보간 기술들을 사용하여 이러한 3 개의 이미지들의 각각의 해상도를 예컨대 n x m으로 증가시키는데 사용될 수 있다. 또한 이미지 신호 프로세서는 전체 이미지 명도 또는 이미지 품질에 대한 몇 가지 다른 측정을 기초로 볼 때 최상의 이미지를 선택하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 이미지 프로세서는 제한된 양의 컬러 정보를 단색 이미지들의 하나에 추가하기 위해 컬러 이미지를 사용할 수 있다. 더 많은 컬러 정보가 컬러 이미지에서 더 높은 신호 대 잡음비를 생성하였던 이러한 조명 상태 하에서 추가될 것이다. 대안적으로 이미지 신호 프로세서는 다른 가시광 컬러 이미지에서 적외선 에너지의 존재를 식별하는 의사-컬러 이미지를 생성하기 위해 열 멀티플렉서들(67A 및 67B)의 출력을 결합할 수 있다.
본원에 기술된 이미지 센서들을 만드는 바람직한 방법은 이들을 집적 독출 회로들과 함께 실리콘 기판 상의 실리콘 및 게르마늄-온-실리콘 광검출기들로 제조하는 것이다. 정규 광검출기들뿐만 아니라 독출 회로는 본 기술분야에 공지된 기술들에 따라서 제조될 수 있다. 광대역 광검출기들은 실리콘 기판에 집적된 게르마늄 광감응 엘리먼트들과 실리콘 독출 회로를 형성함으로써 제조될 수 있다.
처음에 실리콘 트랜지스터들은 공지된 실리콘 웨이퍼 제조 기술들을 사용하여 실리콘 기판 상에 형성된다. 다음으로 게르마늄 엘리먼트들이 에피텍셜 성장에 의해 실리콘 상부에 형성된다. 게르마늄 엘리먼트들은 유전체 클래딩(dielectric cladding)의 표면 개구들 내에 형성되는 것이 유리하다. 웨이퍼 제조 기술들은 절연된(isolated) 게르마늄 광다이오드들을 형성하기 위해 엘리먼트들에 적용된다. 게르마늄 처리에 필요한 온도는 실리콘 처리에 필요한 온도보다 낮기 때문에, 게르 마늄 소자들의 형성은 이전에 형성된 실리콘 소자들에 영향을 주지 않는다. 그 후 절연 및 금속층들이 증착되고 실리콘 소자들을 상호연결하고 게르마늄 소자들을 실리콘 회로에 연결하기 위해 패터닝 된다. 따라서 게르마늄 엘리먼트들은 에피텍셜 성장에 의해 실리콘에 통합되고 공통 금속층들에 의해 실리콘 회로에 통합된다.
각각의 화소(picture element) 또는 픽셀에서, 게르마늄 엘리먼트는 인입 조도(incoming illumination)를 전기적 신호로 변환한다. 픽셀의 회로는 게르마늄 엘리먼트로부터의 신호를 탐지하고 증폭한다. 픽셀들은 행 및 열 어드레싱 회로에 의해 독출 되기 위해 판독되고 특유한 방법으로 각 픽셀의 출력을 식별한다. 따라서 이미지가 어레이로부터 독출 된다. 게르마늄은 가시 광에서 약 1.8 μm의 파장까지의 적외선에 광감응하기 때문에, 가시 이미지와 적외선 이미지 모두 형성될 수 있다. 각 픽셀로부터의 신호는 반도체 칩 밖으로(off-chip) 전송되기 전에 아날로그 전류 또는 전압에서 디지털 값으로 변환될 수 있다. 이러한 변환은 신호의 품질저하(signal degradation)를 최소화 한다. 바람직한 실시예에서, 각각의 게르마늄 픽셀은 유전체 표면 클래딩 내의 작은 결정질 섬(crystalline island)과 같이 실리콘 상에 에피텍셜 성장된다. 더 상세한 내용은 동시계속 특허 출원 제10/453,037호와 제10/964,057호에서 설명되며, 이들은 본원에 참조로써 통합된다.
SWIR 픽셀들은 SWIR 광선은 통과시키지만 가시광선은 차단하는 필터를 광대역 픽셀들 상부에 위치시킴으로써 제조될 수 있다. 이러한 필터는 광대역 필터에 직접 적용될 수 있으며, 또는 상술된 것과 같이 컬러 모자이크 오버레이의 일부와 같이 통합될 수도 있다.
기술된 3가지 실시예는, SWIR, 광대역 및 정규 픽셀들이 다양한 조명 상태 및 어플리케이션에 대해 최적화된 이미지들의 세트를 생성하기 위해 2차원 어레이로 결합될 수 있고 또한 선택적인 컬러 필터 모자이크와 추가로 결합될 수 있는 여러 가지 방법들에 대한 예시임을 의도한다. 본 기술분야의 당업자는 상이한 픽셀 크기와 상이한 레이아웃 패턴들을 사용한 다른 배치(arrangement)들이 다른 어플리케이션에서 더 좋은 성능을 제공할 수 있다는 것을 알 것이다. 예컨대 도 3A와 3B에서 도시된 어레이들은, 수평 및 수직 라인들에 의해 크게 영향 받는 장면(scene)들 내의 엘리어싱(aliasing)을 감소시키기 위해, 도시된 직교하는 상호 배치 패턴(orthogonal interleaved pattern) 대신에 비스듬한 체커판과 같은 패턴 내에 광대역 또는 SWIR 및 정규 픽셀들을 상호 배치함으로써 구현될 수 있다. 다른 예시로써, 도 6과 7에 도시된 어레이는 각 픽셀 그룹 내에 2x2 정규 픽셀 어레이 위에 2개의 녹색 필터, 하나의 적색 필터 그리고 하나의 청색 필터를 갖는 베이어형 패턴(Bayer-like pattern)을 사용하여 구현될 수 있다. 이는 감소된 낮은 가시광선 감광성을 희생하여 더 높은 컬러 해상도를 달성할 것이다. 또한 SWIR, 광대역 및 정규 픽셀들의 상호 배치 어레이(interleaved array)들은 도 1에 도시된 것과는 다른 독출 기술들과 함께 사용될 수 있다. 예컨대 CCD 기반의 직렬 독출(serial readout)이 개별 픽셀 값들을 이미지 신호 프로세서에 전송하는데 사용될 수 있다. 독출 기술이 동일한 다이 상에 포함되는 것이 반드시 필수적인 것은 아니다. SWIR, 광대역 및 정규 광-검출기들의 어레이는, 예컨대 Bai, Y 등의 "Development of hybrid CMOS visible focal plane arrays at Rockwell", Proc. SPIE, Vol. 4028, p. 174-182에서 기술된 것과 같은 공지된 기술들을 사용하여 픽셀 처리 회로를 포함한 개별 다이에 범프 본딩(bump bond)될 수 있다.
이제 일 측면에서 본 발명이 입사하는 광선에 반응하여 전기 신호들을 생성하기 위한 광검출기 픽셀들의 모놀리식 실리콘 어레이 및 픽셀 출력들을 스캔하고 이미지에 대응하는 신호들로 처리하기 위한 독출 회로를 포함하는 고체 능동 픽셀 이미지 센서임을 알 수 있을 것이다. 각각의 능동 픽셀은 광검출기와 광검출기의 출력을 증폭하기 위한 회로를 포함한다. 픽셀들의 어레이는 제 1 스펙트럼 범위에 반응하는 광검출기들을 구비한 다수의 제 1 픽셀들, 및 제 1 스펙트럼 범위와는 다른 제 2 스펙트럼 범위에 반응하는 광검출기들을 구비한 다수의 제 2 픽셀들을 포함한다. 다수의 제 1 픽셀들과 다수의 제 2 픽셀들, 그리고 각각의 관련 회로는 동일한 단결정 반도체 기판 안에 모놀리식으로 집적된다. 어레이의 픽셀들은 본래 동일한 이미지를 캡처하도록 배치되고 배열된 다수의 서브-어레이들을 형성하기 위해 공간적으로 배열되고 연결된다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 서브-어레이의 픽셀들은 제 1 스펙트럼 범위에 반응하고, 적어도 다른 서브-어레이의 픽셀들은 제 1 스펙트럼 범위와는 다른 제 2 스펙트럼 범위에 반응한다. 서브-어레이들의 픽셀들은 개별 서브-어레이들을 사용하여 이미지 신호들의 개별 처리를 위해, 또는 복수의 서브-어레이들을 사용하여 이미지 신호들을 공통으로 처리하기 위해 전기적으로 연결될 수 있다. 픽셀들은 전기적으로 연결될 수 있으며, 사용되는 서브-어레이들이 스위칭 가능하게 제어될 수 있다.
일 예시적인 실시예에서, 하나의 서브-어레이는 400-1000 나노미터의 범위인 가시광선 및 근적외선에 반응하는 정규 픽셀들을 포함하고, 다른 서브-어레이는 가시, NIR 및 SWIR 광선에 반응하는 광대역 픽셀들을 포함한다. 또는 수정된 형태에서, 광대역 픽셀들은 대략 800-1800 나노미터의 범위인 단파 적외선에 반응하는 SWIR 픽셀들로 대체될 수 있다.
다른 측면에서, 각각의 서브-어레이는 적어도 2가지 다른 스펙트럼 범위의 광선에 각각 반응하는 상이한 픽셀들과 함께 다수의 픽셀들로 구성된다. 예시적인 실시예는, 각각의 어레이 내에, 적어도 하나의 광대역 픽셀과 적어도 하나의 정규 픽셀을 사용한다.
상술된 실시예들은 본 발명의 어플리케이션들을 대표할 수 있는 많은 실시예들 중 오직 소수만을 도시하는 것임을 이해해야 한다. 수많은 그리고 다양한 다른 배치들이 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않고 본 기술분야의 당업자에 의해 만들어질 수 있다.

Claims (21)

  1. 입사 광선(incident radiation)에 반응하여 전기 신호들을 생성하기 위한 능동 픽셀(active pixel)들의 어레이, 및 픽셀 출력들을 스캔하고 이미지에 대응하는 신호들로 처리하기 위한 독출 회로(readout circuitry)를 포함하는 능동 픽셀 이미지 센서에 있어서,
    각각의 능동 픽셀은 광검출기(photodetector) 및 상기 광검출기의 출력을 증폭하기 위한 회로를 포함하며;
    상기 픽셀들의 어레이는 제 1 스펙트럼 범위에 반응하는 광검출기들을 구비한 다수의 제 1 픽셀들 및 상기 제 1 스펙트럼 범위와 다른 제 2 스펙트럼 범위에 반응하는 광검출기들을 구비한 다수의 제 2 픽셀들을 포함하며;
    상기 다수의 제 1 픽셀들 및 상기 다수의 제 2 픽셀들 각각은 동일한 단결정(single crystal) 반도체 기판 안에 모놀리식으로 집적된 광검출기들을 포함하며;
    상기 어레이의 상기 픽셀들은 필수적으로 동일한 이미지를 캡쳐하도록 배치되고 배열된 다수의 서브-어레이들을 형성하기 위해 공간적으로 배열되고 연결되는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 서브-어레이의 픽셀들은 상기 제 1 스펙트럼 범위에 반응하 고, 적어도 다른 서브-어레이의 픽셀들은 상기 제 1 스펙트럼 범위와 다른 상기 제 2 스펙트럼 범위에 반응하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서브-어레이들의 픽셀들은 상기 이미지의 개별적인 처리를 위해 전기적으로 연결된, 능동 픽셀 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서브-어레이들의 픽셀들은 상기 이미지의 공통적인 처리를 위해 전기적으로 연결된, 능동 픽셀 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서브-어레이들의 픽셀들은 공통 이미지를 처리하기 위해 상이한 서브-어레이들을 스위칭 가능하게(switchably) 연결하도록 전기적으로 연결된, 능동 픽셀 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 어레이는 픽셀들의 선형(linear) 행들(rows) 및 열들(columns)로 이루어진 직사각형 어레이를 포함하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 서브-어레이들은 픽셀들의 상호 배치된(interleaved) 행들 또는 열들을 포함하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 어레이는 픽셀 그룹들의 선형 행들 및 열들로 이루어진 직사각형 어레이를 포함하며, 각각의 픽셀 그룹은 각각의 서브-어레이로부터의 적어도 하나의 픽셀을 포함하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    픽셀들의 상기 서브-어레이들의 적어도 하나는 1000나노미터보다 큰 파장을 갖는 적외선에 반응하는 하나 이상의 광검출기들을 포함하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 서브-어레이들은, 대략 800-1800나노미터의 범위인 단파 적외선에 반응하는 픽셀들(SWIR 픽셀들)의 서브-어레이들, 400-1000나노미터의 범위인 가시광선 및 근적외선에 반응하는 픽셀들(정규 픽셀들)의 서브-어레이들, 및 대략 400-1800나노미터의 범위인 가시광선, 근적외선 및 단파 적외선에 반응하는 픽셀들(광대역 픽셀들)의 서브-어레이들로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 서 브-어레이들을 포함하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 내의 다수의 상기 능동 픽셀들은 게르마늄을 포함하는 광검출기들을 사용하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 내의 다수의 상기 능동 픽셀들은 단결정 게르마늄(single crystal germanium)을 포함하는 광검출기들을 사용하는, 능동 픽셀 이미지 센서.
  13. 입사 광선에 반응하여 전기 신호들을 생성하기 위한 광검출기 픽셀들의 어레이, 및 상기 픽셀들의 출력들을 스캔하고 처리하여 상기 출력들을 이미지에 대응하는 데이터로 처리하기 위한 독출 회로를 포함하는 고체 이미지 센서(solid state image sensor)에 있어서,
    상기 픽셀들의 어레이는 적어도 두 개의 서브-어레이들 - 각각의 서브-어레이는 다수의 픽셀들로 구성되고, 상기 두 서브-어레이들 각각의 픽셀들은 상이한 스펙트럼 범위의 광선에 반응함 - 을 포함하며;
    상기 두 서브-어레이들 중 하나의 서브-어레이는 400-1000나노미터의 범위인 가시광선 및 근적외선에 반응하는 픽셀들(정규 픽셀들)을 포함하고, 다른 서브-어레이는 대략 800-1800나노미터의 범위인 단파 적외선에 반응하는 픽셀들을 포함하 는, 고체 이미지 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    입사 광선과 상기 어레이의 픽셀들 사이의 경로에 배치된, 컬러 필터들과 투명 엘리먼트들의 모자이크를 더 포함하는, 고체 이미지 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    단파 광선에 반응하는 상기 픽셀들은 게르마늄을 포함하는 광검출기들을 사용하는, 고체 이미지 센서.
  16. 제13항에 있어서,
    단파 광선에 반응하는 상기 픽셀들은 단결정 게르마늄을 포함하는 광검출기들을 사용하는, 고체 이미지 센서.
  17. 입사 광선에 반응하여 전기 신호들을 생성하기 위한 광검출기 픽셀들의 어레이, 및 상기 픽셀들의 출력들을 스캔하고 처리하여 상기 출력들을 이미지에 대응하는 데이터로 처리하기 위한 독출 회로를 포함하는 고체 이미지 센서에 있어서,
    상기 픽셀들은 동일한 실리콘 반도체 기판 안에 모놀리식으로 집적되고;
    상기 픽셀들의 어레이는 적어도 두 개의 서브-어레이들 - 각각의 서브-어레이는 다수의 픽셀들로 구성되고, 상기 두 서브-어레이들 각각의 픽셀들은 상이한 스펙트럼 범위의 광선에 반응하는 광검출기들을 구비함 - 을 포함하며;
    상기 두 서브-어레이들 중 하나의 서브-어레이는 400-1000나노미터의 범위인 가시광선 및 근적외선에 반응하는 픽셀들(정규 픽셀들)을 포함하고, 다른 서브-어레이는 대략 400-1800나노미터의 범위인 가시광선, 근적외선 및 단파 적외선에 반응하는 픽셀들(광대역 픽셀들)을 포함하는, 고체 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    입사 광선과 상기 어레이의 픽셀들 사이의 경로에 배치된, 컬러 필터들과 투명 엘리먼트들의 모자이크를 더 포함하는, 고체 이미지 센서.
  19. 제17항에 있어서,
    각각의 서브-어레이는 다수의 픽셀들로 구성되며, 다른 픽셀들은 적어도 2가지 다른 스펙트럼 범위의 광선에 각각 반응하는, 고체 이미지 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    각각의 서브-어레이는, 400-1000나노미터의 범위인 가시광선 및 근적외선을 포함한 제 1 스펙트럼 범위에 반응하는 적어도 하나의 픽셀, 및 대략 400-1800나노미터의 범위인 가시광선, 근적외선 및 단파 적외선을 포함한, 상기 제 1 스펙트럼 범위와 다른 제 2 스펙트럼 범위에 반응하는 적어도 하나의 픽셀을 포함하는, 고체 이미지 센서.
  21. 제20항에 있어서,
    입사 광선과 상기 어레이의 상기 픽셀들 사이의 경로에 배치된, 컬러 필터들과 투명 엘리먼트들의 모자이크를 더 포함하는, 고체 이미지 센서.
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