KR20100065434A - 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 입체 영상 센서 - Google Patents
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Abstract
픽셀 어레이 및 이를 포함하는 입체 영상 센서가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서는, 종래의 MOS 구조 대신에 정션 게이트 구조를 갖는 픽셀 구조를 사용하기 때문에 광 이용 효율이 증대될 수 있다. 또한, 생성된 광전하가 웰에 저장되기 때문에 노이즈가 크게 감소될 수 있다.
입체 영상 센서, 정션 게이트, 웰
Description
본 발명에 따른 실시예는 피사체 거리 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 MOS 구조 대신 정션 게이트 구조를 갖는 단위 픽셀을 이용하여 광전하를 웰에 효율적으로 저장할 수 있고 노이즈를 크게 제거할 수 있는 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 입체 영상 센서에 관한 것이다.
종래에는 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 구조의 포토 게이트(photo-gate)를 이용하여 광전하의 수집 효율을 조절하고, 출사광과 반사광의 위상 차이를 이용하여 피사체의 거리를 측정하였다.
하지만, MOS 형태의 포토 게이트 구조는 폴리 실리콘(poly-Si)을 사용하기 때문에 중간에 광 흡수 요인이 발생하고 따라서 광 효율의 손실이 발생할 수 있다. 그리고, 이를 억제하기 위해서 폴리 실리콘의 두께를 얇게 할 경우에 폴리 실리콘의 저항이 증가하게 되어 게이트에 인가되는 전압이 충분히 전달되지 못할 수가 있다.
또한, MOS 형태의 포토 게이트 구조는 광전하가 Si과 SiO2의 계면에 모이기 때문에 암전류에 의한 노이즈가 발생할 수 있다. 또한, MOS 형태의 포토 게이트 구조는 안정적인 동작을 위해서 3.3V 이상의 고전압을 필요로 한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 실시예의 목적은 광전하의 노이즈를 최대한으로 억제할 수 있는 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 입체 영상 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 실시예의 다른 목적은, 낮은 작동 전압으로도 구동될 수 있는 픽셀 어레이 및 이를 포함하는 입체 영상 센서를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 입체 영상 센서의 픽셀 구조는, 광전하 저장 영역; 상기 광전하 저장 영역의 일면에 형성되는 게이팅 영역; 및 빛을 흡수하여 광전하를 생성하고, 생성된 상기 광전하를 상기 게이팅 영역에 인가되는 전압에 응답하여 상기 광전하 저장 영역에 선택적으로 제공하기 위한 광전하 생성 영역을 포함할 수 있다.
상기 광전하 저장 영역 및 상기 광전하 생성 영역은 제1 타입으로 도핑되고, 상기 광전하 저장 영역의 도핑 농도는 상기 광전하 생성 영역의 도핑 농도보다 클 수 있다.
상기 게이팅 영역은, 제2 타입으로 도핑될 수 있다.
상기 게이팅 영역에 인가되는 상기 전압은, 구형파 전압일 수 있다.
상기 입체 영상 센서의 픽셀 구조는, 상기 게이팅 영역에서 발생하는 누설전류를 억제하기 위한 누설전류 억제 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 누설전류 억제 영역은 상기 제1 타입으로 도핑되고, 상기 누설전류 억제 영역의 도핑 농도는, 상기 광전하 생성 영역의 도핑 농도보다 크고 상기 광전하 저장 영역의 도핑 농도보다 작은 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 입체 영상 센서의 픽셀 어레이는, 각각이 제1 타입으로 도핑되고, 서로 이격되어 형성되는 제1 웰 및 제2 웰; 각각이 제2 타입으로 도핑되고, 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 일면에 형성되는 제1 게이트 및 제2 게이트; 및 상기 제1 타입으로 도핑되고, 빛을 흡수해서 광전하를 생성하여 생성된 상기 광전하를 상기 제1 게이트 또는 상기 제2 게이트에 인가되는 전압에 기초하여 상기 제1 웰 또는 상기 제2 웰에 제공하기 위한 제1 층을 포함할 수 있다.
상기 제1 게이트에는 제1 전압이 인가되거나, 상기 제2 게이트에는 상기 제1 전압과 180도의 위상차를 갖는 제2 전압이 인가될 수 있다.
상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압은 구형파 전압일 수 있다.
상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 도핑 농도는, 상기 제1 층의 도핑 농도보다 클 수 있다.
상기 입체 영상 센서의 픽셀 어레이는, 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트의 사이에 발생하는 누설전류를 억제하기 위한 제2 층을 더 포함하고, 상기 제2 층은 상기 제1 타입으로 도핑될 수 있다.
상기 제2층의 도핑 농도는, 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 도핑 농도보다 작고 상기 제1 층의 도핑 농보보다 클 수 있다.
상기 입체 영상 센서의 픽셀 어레이는, 상기 제1 웰 또는 상기 제2 웰 중 어 느 하나에 저장된 상기 광전하를 전송하기 위한 트랜스퍼 게이트; 상기 트랜스퍼 게이트에 의해 전송된 상기 광전하를 수신하고 저장하기 위한 플로팅 디퓨전 층; 및 상기 플로팅 디퓨전 층을 리셋하기 위한 리셋 게이트를 더 포함할 수 있다.
상기 입체 영상 센서의 픽셀 어레이는, 상기 플로팅 디퓨전 층에 저장된 상기 광전하를 증폭하기 위한 감지 증폭기를 더 포함할 수 있다.
상기 감지 증폭기는, 기설정된 시간 동안에 상기 플로팅 디퓨전 층에 저장된, 상기 광전하를 증폭할 수 있다.
상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트 각각은 막대 형태를 갖는 다수의 서브 게이트들을 포함하고, 상기 제1 게이트의 서브 게이트들 및 상기 제2 게이트의 서브 게이트들 각각은 서로 순차적으로 배열될 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 반도체 시스템은, 다수의 픽셀 어레이들을 포함하는 입체 영상 센서; 상기 입체 영상 센서의 동작을 제어하기 위한 CPU; 및 상기 CPU에 의해 제어되는 상기 입체 영상 센서로부터 제공되는 영상을 저장하기 위한 메모리 장치를 포함하고, 상기 다수의 픽셀 어레이들 각각은, 각각이 제1 타입으로 도핑되고, 서로 이격되어 형성되는 제1 웰 및 제2 웰; 각각이 제2 타입으로 도핑되고, 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 일면에 형성되는 제1 게이트 및 제2 게이트; 및 상기 제1 타입으로 도핑되고, 빛을 흡수해서 광전하를 생성하여 생성된 상기 광전하를 상기 제1 게이트 또는 상기 제2 게이트에 인가되는 전압에 기초하여 상기 제1 웰 또는 상기 제2 웰에 제공하기 위한 제1 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서는, 정션 게이트 구조의 픽셀을 포함함으로써 광 이용 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서는, 생성된 광전하가 Si 또는 SiO2의 계면을 피하여 웰에 저장됨으로써 암전류로 인한 노이즈를 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서는, 낮은 작동 전압으로도 구동이 가능하여 구현하기가 용이하다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 달성하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조해야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서에 포함된 픽셀 어레이(100)의 단면도이다. 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)는 하나 이상의 단위 픽셀(unit pixel)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)는, 광전하를 저장하기 위한 광전하 저장 영역(11 및 12, 또는 집합적으로 10), 상기 광전하 저장 영역(10)을 제어 하기 위한 게이팅 영역(21 및 22, 또는 집합적으로 20), 상기 광전하 저장 영역(10)에 광전하를 제공하기 위한 광전하 생성 영역(30)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광전하 생성 영역(30)은 제1 타입(예컨대, n 타입)으로 도핑될 수 있다. 또한, 상기 광전하 생성 영역(30)은, 외부로부터 입사되는 광을 흡수하고 흡수된 광에 응답하여 광전하를 발생시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 광전하 생성 영역(30)은 광원(미도시)로부터 출사된 광이 피사체(미도시)에 의해 반사되어 입사되는 광을 흡수할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 상기 광전하 생성 영역(30)에서는 흡수된 광의 세기에 비례하는 양의 광전하가 생성될 수 있다.
상기 광전하 저장 영역(10)은 상기 광전하 생성 영역(30)에서 생성된 광전하를 저장할 수 있다. 상기 광전하 저장 영역(10)은 제1 타입(예컨대, n 타입)으로 도핑될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 상기 광전하 저장 영역(10)은 베리드 웰(buried well) 형태로 구현될 수 있고, 따라서 상기 광전하 생성 영역(30)에서 생성된 광전하는 상기 광전하 저장 영역(10)에 효율적으로 저장될 수 있다.
상기 광전하 생성 영역(30) 및 상기 광전하 저장 영역(10)은 동일한 타입(예컨대, n 타입)으로 도핑될 수 있으며, 실시예에 따라 상기 광전하 저장 영역(10)의 도핑 농도가 상기 광전하 생성 영역(30)의 도핑 농도보다 더 클 수 있다. 또한, 깊은 영역에 발생한 광전하를 모으기 위해서 상기 광전하 생성 영역(30)을 낮은 도핑 농도로 만들거나 또는 인트린식(intrinsic) 상태로 만들 수 있다.
상기 광전하 생성 영역(30)에서 생성된 광전하는 상기 게이트 영역(20)에 인가되는 전압들(Vgate1 또는 Vgate2) 중 어느 하나에 응답하여 상기 광전하 저장 영역(10)에 선택적으로 전송될 수 있다.
상기 게이팅 영역(20)은 상기 광전하 저장 영역(10)의 일면에 형성될 수 있으며, 상기 게이팅 영역(20) 각각에는 게이트 전압(Vgate1 및 Vgate2)이 입력될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 영역(20) 각각은 제2 타입(예컨대, p 타입)으로 도핑될 수 있다.
또한, 제1 게이트(예컨대, 21)에 인가되는 제1 전압(예컨대, Vgate1)과 제2 게이트(예컨대, 22)에 인가되는 제2 전압(예컨대, Vgate2)은 서로 180도의 위상 차이를 가질 수 있다. 실시예에 따라, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압은 구형파(square wave) 형태의 전압일 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압의 크기는 1V 이내일 수 있다.
따라서, 서로 180도의 위상 차이를 갖는 구형파 전압들이 상기 각 게이트(21 및 22)에 입력되기 때문에 상기 제1 게이트(21) 또는 상기 제2 게이트(22)가 동시에 게이팅되지 않고, 따라서 상기 제1 게이트(21) 또는 상기 제2 게이트(22) 중 어느 하나에만 선택적으로 전압이 공급될 수 있도록 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)가 구현될 수 있다.
예컨대, 제1 전압(Vgate1)이 제1 레벨(예컨대, 로우 레벨)을 가질 경우에 상기 제2 전압(Vgate2)은 상기 제1 전압(Vgate1)과 180도의 위상 차이를 갖기 때문에 제2 레벨(예컨대, 하이 레벨)을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제2 게이트(22)와 접촉하며 형성된 제2 웰(12)의 영역이 확장되고 깊어지면서, 상기 광전하 생성 영역(30)에서 생성된 광전하들이 상기 제2 웰(12)에 축적될 수 있다.
유사하게, 제1 전압(Vgate1)이 제2 레벨(예컨대, 하이 레벨)을 가질 경우에 상기 제2 전압(Vgate2)은 제1 레벨(예컨대, 로우 레벨)을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 게이트(21)와 접촉하며 형성된 제1 웰(11)의 영역이 확장되고 깊어지면서, 상기 광전하 생성 영역(30)에서 생성된 광전하들이 상기 제1 웰(11)에 축적될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)는, 상기 전하 생성 영역(30)의 하단부에 형성된 기판(40)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판(40)은 제2 타입(예컨대, p 타입)으로 도핑될 수 있다.
도 1에서는 상기 광전하 생성 영역(30) 및 상기 광전하 저장 영역(10)이 n 타입으로 도핑되고 상기 기판(40) 및 상기 게이팅 영역(20)이 p 타입으로 도핑된 것으로 예시하였지만, 실시예에 따라 각 요소들의 도핑 타입이 반대로 구현될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서에서 피사체의 거리를 측정할 수 있는 원리를 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 임의의 광원(미도시)으로 출사된 광(Emitted Light)이 피사체(미도시)에 의해 반사될 수 있고, 반사되는 광(Reflected Light)이 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서로 입사될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광원으로부터 출사된 광은 구형파(square wave)일 수 있다.
또한, 상기 피사체로부터 반사되는 광(Reflected Light)이 본 발명의 실시예에 따른 광전하 생성 영역(30)에 흡수되면, 상기 광전하 생성 영역(30)에서 광전하가 생성될 수 있다.
이때, 상기 제1 게이트(21)에 입력되는 제1 전압(Vgate1)은 상기 광원에서 출사되는 광원과 동일한 위상을 가질 수 있고, 상기 제2 게이트(22)에 입력되는 상기 제2 전압(Vgate2)은 상기 제1 전압(Vgate1)과 180도의 위상차를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광전하 생성 영역(30)에 반사광(Reflected Light)이 입사되는 동안에, 상기 제1 게이트(21)에 인가되는 상기 제1 전압(Vgate1)이 제2 레벨(예컨대, 하이 레벨)을 갖는 시간(예컨대, 'A')과 상기 제2 게이트(22)에 인가되는 상기 제2 전압(Vgate2)이 제2 레벨(예컨대, 하이 레벨)을 갖는 시간(예컨대, 'B')이 결정될 수 있다.
이러한 시간(A 또는 B) 동안에 각각의 웰(11 및 12)에 광전하가 저장될 수 있고, 각 웰(11 및 12)에 저장된 광전하량의 차이를 이용하여 상기 피사체의 거리를 산출할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이에서 게이트에 전압을 인가하였을 경우에 나타나는 웰의 변화를 설명하기 위한 예시도이다.
도 1 내지 도 3a를 참고하면, 도 3a의 상단 그래프는 본 발명의 실시예에 따른 게이트들(21 및 22)에 전압을 인가하지 않은 경우에 포텐셜 분포를 시뮬레이션한 그래프이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 게이트(21) 및 상기 제2 게이 트(22)에 아무런 전압도 인가되지 않는 경우에는 상기 제1 웰(11) 및 상기 제2 웰(12) 각각은 포텐셜이 약하게 형성되어 있으며, 또한 상기 제1 게이트(21) 및 상기 제2 게이트(22) 각각의 하부 상태는 동일할 수 있다.
또한, 도 3a의 하단 그래프는 본 발명의 실시예에 따른 게이트들(21 및 22) 중 어느 하나의 게이트(예컨대, 제2 게이트(22))에 전압을 인가한 경우에 포텐션 분포를 시뮬레이션한 그래프이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 제2 게이트(22)에 0.7V의 전압을 인가한 경우에는 상기 제2 게이트(22)의 아래에 형성된 상기 제2 웰(12)이 확장되어 깊어지게 되고, 따라서 상기 광전하 생성 영역(30)에서 생성된 광전하가 상기 제2 웰(12)에 축적될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 게이트에 전압이 인가되었을 때, 픽셀 어레이의 수직 단면에 따른 포텐셜 그래프를 나타낸 것이다. 도 3b에서는 게이트에 0.5V의 전압을 인가한 것으로 예시하고 있으며, 웰의 깊이가 깊어지면서 영역이 확장되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입체 영상 센서의 픽셀 어레이의 단면도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이는, 상기 게이팅 영역(20)에서 발생하는 누설전류(leakage current)를 억제하기 위한 누설전류 억제 영역(50)을 더 포함할 수 있다.
기판(40), 광전하 생성 영역(30), 광전하 저장 영역(10), 게이팅 영역(20)의 구체적인 동작 또는 구성 등은 도 1에 기술된 것과 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
실시예에 따라, 상기 게이트들(21 및 22)중 어느 하나에 인가되는 전압의 크기를 증가시킬 경우에 상기 게이트들(21 및 22) 간에 누설전류가 발생할 수 있으며, 발생된 누설전류를 최대한 억제하기 위해서 상기 누설전류 억제 영역(50)이 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 게이트(21 및 22)를 둘러쌓으면서 또는 각 게이트(21 및 22) 사이의 공간에 상기 누설전류 억제 영역(50)이 구현될 수 있다. 또한, 상기 누설전류 억제 영역(50)은 제1 타입(예컨대, n 타입)으로 도핑될 수 있으며, 상기 누설전류 억제 영역의 도핑 농도는 상기 제1 웰(11) 및 상기 제2 웰(12)의 도핑 농도보다 작고 상기 광전하 생성 영역(30)의 도핑 농도 보다는 클 수 있다.
또한, 이 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 광전하 저장 영역(10)의 크기가 상대적으로 작을 수 있다. 따라서, 웰들(11 및 12) 사이의 거리가 더 증가되면서 각 웰(11 및 12) 간에 보다 큰 포텐셜 차이를 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입체 영상 센서의 픽셀 어레이의 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 도 5에서는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 광전하 저장 영역(10)이 서로 격리되어 있지 않고 연속적으로 인접하여 있지만, 각 게이트(21 및 22)에 전압이 인가됨에 따라 게이트(21 및 22) 하단의 웰이 베리드 웰로 확장될 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 픽셀 어레이(100)로부터 도 1 및 도 4에 도시된 픽셀 어레이와 실질적으로 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입체 영상 센서의 픽셀 어레이의 확장된 단면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 도 6은 각 웰(11 및 12)에 상응하는 플로팅 디퓨전 층(70)을 별개로 구비하는 픽셀 어레이(100)를 예시한다. 각 웰(11 및 12)에 저장된 광전하는 트랜스퍼 게이트(60)에 의한 게이팅 동작에 응답하여 상기 플로팅 디퓨전 층(70)으로 전송될 수 있다.
예컨대, 제1 게이트(21)에 인가되는 전압에 응답하여 상기 제1 웰(11)에 저장된 광전하는 상기 트랜스퍼 게이트(60) 중 어느 하나(예컨대, Transfer 1)의 게이팅 동작에 응답하여 상기 플로팅 디퓨전 층(70)에 전송될 수 있다. 즉, 상기 트랜스퍼 게이트(60)의 게이팅 동작에 의해 상기 각 웰(11 및 12)과 상기 플로팅 디퓨전 층(70) 사이에 인버전 채널(inversion channel)이 형성되고, 형성된 상기 인버전 채널을 따라 상기 각 웰(11 및 12)에 저장된 광전하가 상기 플로팅 디퓨전 층(70)으로 전송될 수 있다.
상기 플로팅 디퓨전 층(70)에 축적된 광전하는 감지 증폭기(AMP, 90)에 의 해 증폭되어 센싱될 수 있으며, 센싱이 완료된 이후에는 리셋 게이트(80)의 게이팅 동작에 의해 상기 플로팅 디퓨전 층(70)에 리셋될 수 있다.
이 경우에, 한 번의 샘플링만으로는 신호가 충분하지 않을 수도 있기 때문에 광전하 축적 동작을 여러 번 수행한 다음에 상기 센싱 동작이 되도록 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)가 구현될 수 있다. 이에 따라, 광원(미도시)과 각 게이트(21 및 22)의 전압(Vgate1 및 Vgate2)도 조절될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면도이다.
도 1 내지 도 7c를 참고하면, 도 7a는 도 6에 도시된 픽셀 어레이에 대한 평면도로서 각 웰(11 및 12)에 저장된 광전하를 측면 방향으로 각 플로팅 디퓨전 층(70)에 전송하는 구조를 나타낸다.
또한, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)의 다른 구조로서, 각 웰(11 및 12)에 저장된 광전하가 수직 방향(즉, 도 7b에서는 지면을 뚫고 나오거나 들어가는 방향)으로 전송될 수 있다. 이를 위해, 각 게이트(21 및 22) 중 어느 하나는 지면의 앞 방향으로 위치하고 다른 하나는 지면의 뒷 방향으로 위치할 수 있다.
도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이(100)의 또 다른 구조로서, 넓은 면적의 픽셀을 구현할 때 적합한 구조이다.
예컨대, 도 7c에 도시된 바와 같이, 각 게이트(21 및 22)는 다수의 서브 게이트들을 포함하고, 각 서브 게이트는 서로 교차되어 배열될 수 있다. 따라서, 각 게이트(21 및 22)는 넓은 범위에 입사되는 빛에 의해 형성되는 광전하를 효율적으로 저장할 수 있게 하고, 따라서 도 7c에 도시된 바와 같은 깍지 형태의 게이트를 이용함으로서 넓은 면적의 픽셀 어레이가 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서(200)의 개략적인 블록도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서(200)는 광전변환부(210) 및 이미지 프로세서(230)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광전 변환부(210) 및 상기 이미지 프로세서(230) 각각은 별도의 칩 또는 모듈 단위로 구현될 수 있다.
상기 광전변환부(210)는 입사되는 빛에 기초하여 피사체에 대한 이미지 신호를 생성할 수 있다. 상기 광전변환부(210)는 픽셀 어레이(211), 로우 디코더(212), 로우 드라이버(213), 상관 이중 샘플링 블록(CDS, 214), 출력 버퍼(215), 컬럼 드라이버(216), 컬럼 디코더(217), 타이밍 생성기(218), 컨트롤 레지스터 블록(219), 및 램프 신호 생성기(220)를 포함할 수 있다.
상기 픽셀 어레이(211)는 도 1, 도 4, 도 5, 및 도 6에 도시된 픽셀 어레이(100)를 포함할 수 있으며, 각각이 다수의 로우 라인들 및 다수의 컬럼 라인들과 접속되는 매트릭스 형태를 갖는 다수의 픽셀들을 포함할 수 있다.
상기 로우 디코더(212)는 상기 타이밍 생성기(218)에서 발생된 로우 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩하고, 상기 로우 드라이버(213)는 디코딩된 로우 제어 신호에 응답하여 상기 픽셀 어레이(211)를 구성하는 로우 라인들(미도시) 중에서 적어도 어느 하나의 로우 라인을 선택할 수 있다.
상기 상관 이중 샘플링 블록(214)은 상기 픽셀 어레이(211)를 구성하는 컬럼 라인들(미도시) 중에서 어느 하나의 컬럼 라인에 접속된 단위 픽셀로부터 출력되는 픽셀 신호에 대해 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)을 수행하여 샘플링 신호(미도시)를 생성하고, 샘플링 신호와 램프 신호(Vramp)를 비교하여 비교 결과에 따른 디지털 신호를 출력할 수 있다.
상기 출력 버퍼(215)는 상기 컬럼 드라이버(216)에서 출력되는 컬럼 제어 신 호(예컨대, 어드레스 신호)에 응답하여 상기 상관 이중 샘플링 블록(214)에서 출력되는 신호들을 버퍼링하여 출력할 수 있다.
상기 컬럼 드라이버(216)는 상기 컬럼 디코더(217)에서 출력되는 디코딩된 제어 신호(예컨대, 어드레스 신호)에 응답하여 상기 픽셀 어레이(211)의 컬럼 라인들 중에서 적어도 어느 하나의 컬럼 라인을 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 상기 컬럼 디코더(217)는 상기 타이밍 생성기(218)에서 발생된 컬럼 제어신호(예컨대, 어드레스 신호)를 디코딩할 수 있다.
상기 타이밍 생성기(218)는 상기 컨트롤 레지스터 블록(219)에서 출력되는 명령에 기초하여 상기 픽셀 어레이(211), 상기 로우 디코더(212), 상기 출력 버퍼(215), 상기 컬럼 디코더(217) 및 상기 램프 신호 생성기(220) 중에서 적어도 하나의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 컨트롤 레지스터 블록(219)은 상기 광전변환부(210)를 구성하는 요소들을 제어하기 위한 각종 명령을 생성할 수 있다. 상기 램프 신호 발생기(220)는 상기 컨트롤 레지스터 블록(219)으로부터 출력된 명령에 응답하여 상기 상관 이중 샘플링 블록(214)에 램프 신호(Vramp)를 출력할 수 있다. 상기 이미지 프로세서(230)는 상기 광전변환부(210)로부터 출력되는 픽셀 신호들에 기초하여 피사체에 대한 이미지를 생성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서(200)가 포함된 반도체 시스템(1)의 개략적인 블록도이다.
예컨대, 상기 반도체 시스템(1)은 컴퓨터 시스템(computer system), 카메라 시스템(camera system), 스캐너(scanner), 네비게이션 시스템(navigation system), 비디오폰(videophone), 감독 시스템(supervision system), 자동 포커스 시스템(automatic focus system), 추적 시스템(tracing system), 동작 감시 시스템(operation monitoring systme), 이미지 안정화 시스템(image stabilization system) 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, 반도체 시스템(1)의 한 종류인 컴퓨터 시스템은 버스(500), 중앙 정보 처리 장치(CPU)(300), 입체 영상 센서(200) 및 메모리 장치(400)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반도체 시스템(1)은 상기 버스(500)에 접속되어 외부와 통신할 수 있는 인터페이스(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서 인터페이스는 예컨대, I/O 인터페이스일 수 있으며, 무선(wireless) 인터페이스일 수 있다.
상기 CPU(510)는 상기 입체 영상 센서(200)의 동작을 제어할 수 있는 제어 신호를 생성할 수 있으며, 상기 버스(500)를 통해 상기 입체 영상 센서(200)에 제어 신호를 제공할 수 있다.
상기 메모리 장치는(530)는 상기 입체 영상 센서(200)로부터 출력되는 영상 신호를 상기 버스(500)를 통해 제공받고, 이를 저장할 수 있다.
한편, 상기 입체 영상 센서(200)는 상기 CPU(300), 상기 메모리 장치(400) 등과 함께 집적될 수 있으며, 경우에 따라서는 디지털 신호 처리 장치(Digital Signal Processor; DSP)가 함께 집적되거나, 또는 이미지 센서(400)만 별개의 칩에 집적될 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서의 픽셀 어레이의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서에서 피사체의 거리를 측정할 수 있는 원리를 설명하기 위한 타이밍도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이에서 게이트에 전압을 인가하였을 경우에 나타나는 웰의 변화를 설명하기 위한 예시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입체 영상 센서의 픽셀 어레이의 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입체 영상 센서의 픽셀 어레이의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입체 영상 센서의 픽셀 어레이의 확장된 단면도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀 어레이의 평면도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서의 개략적인 블록도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 입체 영상 센서가 포함된 반도체 시스템의 개략적인 블록도.
Claims (17)
- 광전하 저장 영역;상기 광전하 저장 영역의 일면에 형성되는 게이팅 영역; 및빛을 흡수하여 광전하를 생성하고, 생성된 상기 광전하를 상기 게이팅 영역에 인가되는 전압에 응답하여 상기 광전하 저장 영역에 선택적으로 제공하기 위한 광전하 생성 영역을 포함하는 입체 영상 센서의 픽셀 구조.
- 제1항에 있어서,상기 광전하 저장 영역 및 상기 광전하 생성 영역은 제1 타입으로 도핑되고,상기 광전하 저장 영역의 도핑 농도는 상기 광전하 생성 영역의 도핑 농도보다 큰 입체 영상 센서의 픽셀 구조.
- 제2항에 있어서, 상기 게이팅 영역은,제2 타입으로 도핑되는 입체 영상 센서의 픽셀 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 게이팅 영역에 인가되는 상기 전압은,구형파 전압인 입체 영상 센서의 픽셀 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 입체 영상 센서의 픽셀 구조는,상기 게이팅 영역에서 발생하는 누설전류를 억제하기 위한 누설전류 억제 영역을 더 포함하는 입체 영상 센서의 픽셀 구조.
- 제5항에 있어서,상기 누설전류 억제 영역은 상기 제1 타입으로 도핑되고,상기 누설전류 억제 영역의 도핑 농도는, 상기 광전하 생성 영역의 도핑 농도보다 크고 상기 광전하 저장 영역의 도핑 농도보다 작은 입체 영상 센서의 픽셀 구조.
- 각각이 제1 타입으로 도핑되고, 서로 이격되어 형성되는 제1 웰 및 제2 웰;각각이 제2 타입으로 도핑되고, 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 일면에 형성되는 제1 게이트 및 제2 게이트; 및상기 제1 타입으로 도핑되고, 빛을 흡수해서 광전하를 생성하여 생성된 상기 광전하를 상기 제1 게이트 또는 상기 제2 게이트에 인가되는 전압에 기초하여 상기 제1 웰 또는 상기 제2 웰에 제공하기 위한 제1 층을 포함하는 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제7항에 있어서,상기 제1 게이트에는 제1 전압이 인가되거나, 상기 제2 게이트에는 상기 제1 전압과 180도의 위상차를 갖는 제2 전압이 인가되는 입체 영상 센서의 픽셀 어레 이.
- 제8항에 있어서,상기 제1 전압 또는 상기 제2 전압은 구형파 전압인 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제7항에 있어서,상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 도핑 농도는, 상기 제1 층의 도핑 농도보다 큰 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제10항에 있어서, 상기 입체 영상 센서의 픽셀 어레이는,상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트의 사이에 발생하는 누설전류를 억제하기 위한 제2 층을 더 포함하고,상기 제2 층은 상기 제1 타입으로 도핑되는 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제11항에 있어서, 상기 제2층의 도핑 농도는,상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 도핑 농도보다 작고 상기 제1 층의 도핑 농보보다 큰 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제7항에 있어서, 상기 입체 영상 센서의 픽셀 어레이는,상기 제1 웰 또는 상기 제2 웰 중 어느 하나에 저장된 상기 광전하를 전송하기 위한 트랜스퍼 게이트;상기 트랜스퍼 게이트에 의해 전송된 상기 광전하를 수신하고 저장하기 위한 플로팅 디퓨전 층; 및상기 플로팅 디퓨전 층을 리셋하기 위한 리셋 게이트를 더 포함하는 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제13항에 있어서, 상기 입체 영상 센서의 픽셀 어레이는,상기 플로팅 디퓨전 층에 저장된 상기 광전하를 증폭하기 위한 감지 증폭기를 더 포함하는 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제14항에 있어서, 상기 감지 증폭기는,기설정된 시간 동안에 상기 플로팅 디퓨전 층에 저장된, 상기 광전하를 증폭하는 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 제7항에 있어서,상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트 각각은 막대 형태를 갖는 다수의 서브 게이트들을 포함하고,상기 제1 게이트의 서브 게이트들 및 상기 제2 게이트의 서브 게이트들 각각은 서로 순차적으로 배열되는 입체 영상 센서의 픽셀 어레이.
- 다수의 픽셀 어레이들을 포함하는 입체 영상 센서;상기 입체 영상 센서의 동작을 제어하기 위한 CPU; 및상기 CPU에 의해 제어되는 상기 입체 영상 센서로부터 제공되는 영상을 저장하기 위한 메모리 장치를 포함하고,상기 다수의 픽셀 어레이들 각각은,각각이 제1 타입으로 도핑되고, 서로 이격되어 형성되는 제1 웰 및 제2 웰;각각이 제2 타입으로 도핑되고, 상기 제1 웰 및 상기 제2 웰 각각의 일면에 형성되는 제1 게이트 및 제2 게이트; 및상기 제1 타입으로 도핑되고, 빛을 흡수해서 광전하를 생성하여 생성된 상기 광전하를 상기 제1 게이트 또는 상기 제2 게이트에 인가되는 전압에 기초하여 상기 제1 웰 또는 상기 제2 웰에 제공하기 위한 제1 층을 포함하는 반도체 시스템.
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