KR20140044909A - 고체 촬상 장치 및 화소 - Google Patents
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Abstract
화소(10)는 제 1 전위 장벽(B1)을 형성하는 제 1 장벽 영역(21) 및 제 2 전위 장벽(B2)을 형성하는 제 2 장벽 영역(27) 사이에 설치된 포토다이오드(PD)와, 제 1 장벽 영역(21)에 나란히 설치되고, 포토다이오드(PD)에서 생성된 제 1 부하가 전송되는 제 1 부유 확산 영역(F1)과, 제 2 장벽 영역(27)에 나란히 설치되고, 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 제 2 부하가 유입하고, 유입된 제 2 전하의 일부를 축적하는 제 2 부유 확산 영역(F2)을 구비한다. 제 2 전위 장벽(B2)은 제 1 전위 장벽(B1)보다 낮다.
Description
본 발명은 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치를 위한 화소에 관한 것이다.
자동차 헤드라이트 또는 테일라이트 등의 광원으로서 LED의 채용이 진행되고 있다. LED는 고속으로 점멸시킬 수 있으므로, LED의 점멸에 원하는 신호 정보를 중첩하여 통신하는 시스템이 연구되고 있다. 예를 들면, LED를 사용한 차차간 통신 시스템(inter vehicle communication system) 및 차로간 통신 시스템(road to vehicle communication system)이 검토되고 있다.
이들 통신 시스템에 관하여 특허문헌 1에는 광 통신 장치가 기재되어 있다. 광 통신 장치는 신호가 중첩된 광을 사용하여 통신한다. 이 광 통신 장치는 화상 신호를 취득하는 화소와, 통신 신호를 취득하는 화소를 포함하는 고체 촬상 장치를 구비하고 있다. 비특허문헌 1, 2에는 고체 촬상 장치가 기재되어 있다. 이들 고체 촬상 장치는 통신 신호 및 화상 신호를 검출 가능하게 구성되어 있다. 비특허문헌 3에는 CMOS 고체 촬상 장치가 기재되어 있다. 이 고체 촬상 장치는 신호가 중첩된 광에 대한 응답 특성이 개선되어 있다. 이 고체 촬상 장치는 포토다이오드를 불완전 축적 동작시키는 구조와, 극히 미소한 정전 용량을 갖는 전하의 검출 구조를 구비하고 있다. 이들 구조를 구비하고 있는 고체 촬상 장치에 의하면, 옥외 환경에서 10Mbps의 전송 속도가 실현된다.
비특허문헌 1: Y. 0ike, et. al.,"A smart imagesensor with high-speed feeble ID-beacon detection for augmented reality system", J. Inst. Image Inf. TV Eng., vol. 58, no. 6, pp. 835-841, 2004.
비특허문헌 2: 야마모토 외, "부분 영역 고속 판독 기능을 갖는 저소비 전력 ID 수신 CMOS 고체 촬상 장치를 사용한 정보 가전 멀티리모컨 「Opto-Navi」 시스템의 제안", 영정학지(映情學誌), 59, 12, pp. 1830-1840, 2005.
비특허문헌 3: S. Itoh, et. al., "A CMOS Image Sensor for l0Mb/s 70m Range LED-Based Spatial Optical Communication", Dig. Tech. Papers, IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., pp. 402-403, 2010.
특허문헌 1의 광 통신 장치에서는 화상 신호를 취득하는 화소와 통신 신호를 취득하는 화소가 서로 다른 별도의 화소이다. 따라서, 광 통신 장치에 입사된 광 중, 광의 일부가 화상 신호를 취득하는 화소에 입사되고, 광의 나머지가 통신 신호를 취득하는 화소에 입사된다. 화상 신호를 취득하는 화소에서 생성된 전하는 통신 신호의 취득에 사용할 수 없다. 또한, 통신 신호를 취득하는 화소에서 생성된 전하는 화상 신호의 취득에 사용할 수 없다. 이 때문에, 화상 신호 및 통신 신호의 취득에 사용할 수 있는 전하가 감소된다. 따라서, 광 통신 장치의 감도가 저하될 우려가 있었다.
상기 문제점을 감안하여 본 발명은 감도를 저하시키지 않고, 화상 신호의 취득 및 통신 신호의 취득이 가능한 고체 촬상 장치, 및 상기 고체 촬상 장치를 위한 화소를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은 고체 촬상 장치를 위한 화소이다. 이 화소는 제 1 전위 장벽을 형성하는 제 1 장벽 영역 및 제 2 전위 장벽을 형성하는 제 2 장벽 영역 사이에 설치된 광전 변환 영역과, 제 1 장벽 영역에 나란히 설치되고 광전 변환 영역에서 생성된 제 1 전하가 전송되는 제 1 부유 확산 영역과, 제 2 장벽 영역에 나란히 설치되고 광전 변환 영역에서 생성된 제 2 전하가 유입하고, 유입된 제 2 전하의 일부를 축적하는 제 2 부유 확산 영역을 구비하고 있다. 제 2 전위 장벽은 제 1 전위 장벽보다 낮다.
이 화소에서는 물체로부터의 반사광과 같이 광 강도가 비교적 약한 광이 화소에 조사되었을 때, 광전 변환 영역에서 전하가 생성된다. 광전 변환 영역은 제 1 장벽 영역과 제 2 장벽 영역 사이에 설치되어 있기 때문에 전하는 광전 변환 영역에 축적된다. 축적된 전하는 축적량이 적기 때문에 제 2 부유 확산 영역에 넘치지 않고 제 1 부유 확산 영역에 전송된다. 따라서, 광 강도가 비교적 약한 광에 기초하는 신호를 제 1 부유 확산 영역으로부터 취득할 수 있다. 한편, 이 화소에서는 광원으로부터 조사된 직접광과 같이 광 강도가 비교적 강한 광이 화소에 조사되었을 때, 광전 변환 영역에서 다량의 전하가 생성된다. 제 2 전위 장벽이 제 1 전위 장벽보다도 낮게 설정되어 있으므로, 제 2 전위 장벽을 상회하는 전하가 광전 변환 영역에 축적되면 제 2 전위 장벽을 초과하여 제 2 부유 확산 영역에 전하가 유출된다. 따라서, 광 강도가 강한 광의 조사에 제 2 부유 확산 영역의 전위가 응답하므로, 광 강도가 강한 광에 기초하는 신호를 제 2 부유 확산 영역으로부터 취득할 수 있다. 즉, 1개의 광전 변환 영역으로부터, 광 강도가 비교적 약한 광에 기초하는 신호와 광 강도가 비교적 강한 광에 기초하는 신호를 취득할 수 있다. 따라서, 화상 검출용 및 통신용의 2종류 신호의 취득에 있어서 전하를 공간적으로 효율적으로 사용할 수 있으므로 감도의 저하가 억제된다.
또한, 화소는 제 1 부유 확산 영역에 접속되고, 제 1 부유 확산 영역의 전위에 따른 화상 신호를 제공하는 제 1 출력 회로와, 제 2 부유 확산 영역에 접속되고, 제 2 부유 확산 영역의 전위에 따른 통신 신호를 제공하는 제 2 출력 회로를 더욱 구비하여도 좋다. 전하가 제 1 부유 확산 영역에 전송되면 제 1 부유 확산 영역의 전위가 변화된다. 이 전위의 변화는 제 1 부유 확산 영역에 접속된 제 1 출력 회로에 의해 제공된다. 이에 의해, 화소로부터 화상 신호를 취득할 수 있다. 또한, 전하가 제 2 부유 확산 영역에 유출되면 제 2 부유 확산 영역의 전위가 변화된다. 이 전위의 변화는 제 2 부유 확산 영역에 접속된 제 2 출력 회로에 의해 제공된다. 이에 의해, 화소로부터 통신 신호를 취득할 수 있다.
또한, 화소는 제 2 부유 확산 영역에 나란히 설치되고, 제 3 전위 장벽을 형성하는 제 3 장벽 영역과, 제 3 장벽 영역에 나란히 설치되고, 제 3 전위 장벽을 초과하여 제 2 부유 확산 영역으로부터 넘쳐나온 제 2 전하가 배출되는 전하 배출 영역을 더욱 구비하여도 좋다. 광 강도가 비교적 강한 광이 광전 변환 영역에 조사되지 않게 되었을 때, 광전 변환 영역으로부터의 전하의 유출이 정지되고, 또한 제 2 부유 확산 영역으로부터 전하 배출 영역에 제 2 전하가 배출된다. 따라서, 제 2 부유 확산 영역에서의 제 2 전하의 양이 감소한다. 제 2 부유 확산 영역의 제 2 전하의 양이 감소하면 제 2 부유 확산 영역의 전위가 변화된다. 따라서, 제 2 부유 확산 영역의 전위를 광 강도가 강한 광의 점멸에 응답시킬 수 있고, 그 점멸에 대응한 통신 신호를 얻을 수 있다.
또한, 화소는 제 3 전위 장벽이 제 2 전위 장벽보다 낮아도 좋다. 이러한 구성에 의하면, 제 2 부유 확산 영역으로부터 전하 배출 영역에 제 2 전하를 적합하게 배출시킬 수 있다.
또한, 화소는 일단이 전하 배출 영역에 접속되고, 타단이 제 1 출력 회로에 접속된 제 3 출력 회로를 더욱 구비하여도 좋다. 광 강도가 비교적 강한 광이 화소에 조사되면, 생성된 전위가 제 2 부유 확산 영역을 통하여 전하 배출 영역에 배출된다. 전하 배출 영역에 제 2 전하가 배출되면 전하 배출 영역의 전위가 변화된다. 이 전위의 변화는 제 3 출력 회로로부터 제 1 출력 회로에 출력시킬 수 있다. 이에 의해, 통신 신호의 취득에 사용하는 화소를 적절히 검출시킬 수 있다.
또한, 화소에서는 제 3 출력 회로의 일단과 타단 사이에 스위치가 설치되어 있어도 좋다. 이 구성에 의하면, 제 1 출력 회로와 제 2 출력 회로의 전기적인 접속을 절단할 수 있다. 이에 의해, 제 1 출력 회로에 기생 용량이 부가되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 화소는, 제 1 전위 장벽은 제 1 전하의 전송시에 제 1 장벽 영역에 인가되는 전송 신호에 의해 제어되고, 제 2 전위 장벽은 원하는 고정값에 설정되어 있고, 제 1 부유 확산 영역에 전송된 제 1 전하에 대응하는 화상 신호가 출력되고, 제 2 부유 확산 영역에 유입된 제 2 전하에 대응하는 통신 신호가 출력되어도 좋다. 이 구성에 의하면, 제 1 전위 장벽을 전송 신호에 의해 제어할 수 있으므로, 광전 변환 영역에서 생성된 전하를 원하는 시간 간격을 두고 제 1 부유 확산 영역에 전송할 수 있다. 따라서, 화소로부터 화상 신호를 취득할 수 있다. 또한, 제 2 전위 장벽은 제 1 전위 장벽보다도 낮은 원하는 고정값에 설정되어 있으므로, 다량으로 생성된 전하를 제 2 부유 확산 영역에 유출시킬 수 있다. 따라서, 화소로부터 통신 신호를 취득할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 고체 촬상 장치이다. 이 고체 촬상 장치는 2차원 형상으로 배치된 복수의 화소를 갖는 화소 어레이와, 화소 어레이로부터의 화상 신호를 판독하는 판독 회로와, 화소 어레이로부터의 통신 신호를 수신하는 수신 회로와, 각 화소를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 회로를 구비하여도 좋다. 화소는 제 1 전위 장벽을 형성하는 제 1 장벽 영역 및 제 2 전위 장벽을 형성하는 제 2 장벽 영역 사이에 설치된 광전 변환 영역과, 제 1 장벽 영역에 나란히 설치되고 광전 변환 영역에서 생성된 제 1 전하가 전송되는 제 1 부유 확산 영역과, 제 2 장벽 영역에 나란히 설치되고 광전 변환 영역에서 생성된 제 2 전하가 유입하고, 유입된 제 2 전하의 일부를 축적하는 제 2 부유 확산 영역과, 제 1 부유 확산 영역에 접속되고 제 1 부유 확산 영역의 전위에 따른 화상 신호를 제공하는 제 1 출력 회로와, 제 2 부유 확산 영역에 접속되어 제 2 부유 확산 영역의 전위에 따른 통신 신호를 제공하는 제 2 출력 회로를 포함하여도 좋다. 제 2 전위 장벽은 제 1 전위 장벽보다 낮아지도록 설정되고, 화상 신호는 제 1 부유 확산 영역에 전송된 제 1 전하에 대응하고, 통신 신호는 제 2 부유 확산 영역에 전송된 제 2 전하에 대응한다.
이 고체 촬상 장치에서는 물체로부터의 반사광과 같이 광 강도가 비교적 약한 광이 화소에 조사되었을 때, 광전 변환 영역에서 전하가 생성된다. 광전 변환 영역이 제 1 장벽 영역과 제 2 장벽 영역 사이에 설치되어 있기 때문에 전하가 광전 변환 영역에 축적된다. 축적된 전하는 제 1 부유 확산 영역에 전송된다. 따라서, 제 1 출력 회로를 통하여 광 강도가 비교적 약한 광에 기초하는 화상 신호를 취득할 수 있다. 한편, 이 고체 촬상 장치에서는 광원으로부터 조사된 직접광과 같이 광 강도가 비교적 강한 광이 화소에 조사되었을 때, 광전 변환 영역에서 다량의 전하가 생성된다. 제 2 전위 장벽은 제 1 전위 장벽보다도 낮게 설정되어 있다. 이 때문에, 제 2 전위 장벽을 상회하는 전하가 광전 변환 영역에 축적되면 제 2 전위 장벽을 초과하여 제 2 부유 확산 영역에 전하가 유출된다. 따라서, 광 강도가 비교적 강한 광의 조사에 제 2 부유 확산 영역의 전위가 응답하므로, 제 2 출력 회로를 통하여 광 강도가 비교적 강한 광에 기초하는 통신 신호를 취득할 수 있다. 이에 의해, 1개의 광전 변환 영역으로부터 화상 신호 및 통신 신호의 2종류 신호를 취득할 수 있다. 따라서, 광전 변환 영역에서 생성된 전하를 공간적으로 효율적으로 신호의 취득에 사용할 수 있으므로 감도의 저하가 억제된다.
또한, 고체 촬상 장치는 화소 어레이로부터의 판별 신호를 판독하고, 판별 신호에 기초하여 신호가 중첩된 광이 입사된 화소를 탐색하는 탐색 회로를 더욱 구비하여도 좋다. 화소는 제 3 전위 장벽을 형성하는 제 3 장벽 영역과, 제 3 장벽 영역에 나란히 설치되고 제 3 전위 장벽을 초과하여 제 2 부유 확산 영역으로부터 넘쳐나온 제 2 전하가 배출되는 전하 배출 영역과, 일단이 전하 배출 영역에 접속되고, 타단이 제 1 출력 회로에 접속된 제 3 출력 회로를 포함하고, 탐색 회로는 제 3 출력 회로 및 제 1 출력 회로를 경유하여 전하 배출 영역에 배출된 제 2 전하에 대응하는 판별 신호를 판독하여도 좋다. 이 구성에 의하면, 광 강도가 비교적 강한 광이 고체 촬상 장치에 조사되었을 때, 광전 변환 영역에서 생성된 전하가 제 2 부유 확산 영역을 통하여 전하 배출 영역에 배출된다. 전하 배출 영역에 전하가 배출되면 전하 배출 영역의 전위가 변화된다. 이 전위의 변화는 제 3 출력 회로에 의해 판별 신호로서 판독된다. 판별 신호는 탐색 회로에 입력된다. 이 판별 신호에 기초하여 통신 신호가 중첩된 광인지의 여부를 탐색 회로에 의해 판정한다. 이에 의해, 통신 신호가 중첩된 광을 수광한 화소의 위치를 특정할 수 있다.
상기 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치를 위한 화소에 의하면, 감도를 저하 시키지 않고 화상 신호 및 통신 신호를 취득할 수 있다.
도 1은 2차원 이미지 센서인 고체 촬상 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 고체 촬상 장치를 위한 화소 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 화소의 단면에서의 포텐셜도이다.
도 4는 화소에서의 통신 신호 판독부의 주파수 응답 특성을 도시한 도면이다.
도 5는 고체 촬상 장치를 반도체 집적 소자로서 실현한 반도체 칩을 도시한 도면이다.
도 6은 고체 촬상 장치로부터 출력되는 통신 신호의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 고체 촬상 장치를 위한 화소 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 화소의 단면에서의 포텐셜도이다.
도 4는 화소에서의 통신 신호 판독부의 주파수 응답 특성을 도시한 도면이다.
도 5는 고체 촬상 장치를 반도체 집적 소자로서 실현한 반도체 칩을 도시한 도면이다.
도 6은 고체 촬상 장치로부터 출력되는 통신 신호의 일례를 도시한 도면이다.
이하, 고체 촬상 장치 및 거기에 내장되는 화소의 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에서 동일의 요소에는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명을 생략한다.
도 1은 2차원 이미지 센서인 고체 촬상 장치(1)의 구성을 도시한 블록도이다. 고체 촬상 장치(1)는 화소 어레이(2), 제어 회로(3), 화상 신호 처리 회로(4), 신호 처리 회로(6), 통신 신호 처리 회로(7), 탐색 회로(8) 및 타이밍 생성 회로(9)를 포함한다.
화소 어레이(2)는 2차원 형상으로 배치된 복수의 화소(10)를 구비하고 있다. 화소(10)에는 화상 신호선(GL), 통신 신호선(CL) 및 구동선(DL)이 접속되어 있다. 또한, 도 1에서는 화소 어레이(2)에 9개의 화소(10)가 배치된 구성이 도시되어 있지만, 화소 어레이(2)에 배치되는 화소(10)의 수는 9개로 한정되지 않는다. 화소 어레이(2)에 배치되는 화소(10)의 수는 9개 이상이라도 좋고 9개 이하라도 좋다.
도 2는 고체 촬상 장치(1)에 내장된 화소(10) 구조의 일례를 도시한 도면이다. 화소(10)는 광전 변환 영역(11), 화상 신호 판독부(12), 통신 신호 판독부(13), 제 1 출력 회로(14), 제 2 출력 회로(16) 및 제 3 출력 회로(18)를 포함한다. 화소(10)는 예를 들면 p형 반도체로 이루어지는 반도체 기판(17)을 포함한다. 반도체 기판(17)의 주면(17s) 위에는 절연층(19)이 설치되어 있다.
광전 변환 영역(11)은 화상 신호 판독부(12) 및 통신 신호 판독부(13) 사이에 설치되어 있다. 광전 변환 영역(11)은 화상 신호광(LG)을 수광하여 전하를 생성한다. 화상 신호광(LG)은 예를 들면 물체로부터 반사되는 물체의 상을 나타내는 화상광이다. 광전 변환 영역(11)은 통신 신호광(LC)을 수광하여 전하를 생성한다. 통신 신호광(LC)은 소정의 통신 신호가 중첩된 광이다. 통신 신호광(LC)은 예를 들면, LED를 점멸시킴으로써 생성되어 화소(10)에 직접 입사되는 직접광이다.
광전 변환 영역(11)은 매립형 포토다이오드(PD)를 포함한다. 매립형 포토다이오드(PD)는 반도체 기판(17)의 주면(17s)에 매립되어 설치되어 있다. 포토다이오드(PD)는 반도체 기판(17)의 주면(17s)에 설치된 비교적 얕은 p+형 반도체 영역(AN)과, p+형 반도체 영역(AN)의 바로 아래에 설치된 비교적 깊은 n형 반도체 영역(KD)을 포함한다. p+형 반도체 영역(AN)과 n형 반도체 영역(KD)은 pn 접합(J)을 형성한다. 이 pn 접합(J)은 반도체 기판(17) 내에 위치하여 매립되어 있으므로 포토다이오드(PD)의 암전류가 상당히 작다. p+형 반도체 영역(AN)은 반도체 기판(17)을 통하여 접지선에 접속되어 있다. n형 반도체 영역(KD)은 트랜지스터(M1)의 소스부와 공용되어 있고, 이에 의해 포토다이오드(PD)는 트랜지스터(M1)에 접속되어 있다.
화상 신호 판독부(12)는 광전 변환 영역(11)에 인접하여 나란히 설치되어 있다. 화상 신호 판독부(12)는 제 1 출력 회로(14)를 통하여 화상 신호(G1)를 화상 신호선(GL)에 출력한다. 화상 신호(G1)는 광전 변환 영역(11)으로부터 제 1 부유 확산 영역(F1)에 전송된 전하에 대응한다.
화상 신호 판독부(12)는 제 1 장벽 영역(21), 제 1 부유 확산 영역(F1), 제 4 장벽 영역(22) 및 제 1 배출 영역(D1)을 포함한다. 제 1 장벽 영역(21)은 포토다이오드(PD)에 인접하여 나란히 설치되어 있다. 제 1 부유 확산 영역(F1)은 제 1 장벽 영역(21)에 인접하여 나란히 설치되어 있다. 제 1 장벽 영역(21)은 p형 반도체에 의해 형성되고, 제 1 전위 장벽을 형성하고 있다. 제 1 장벽 영역(21)의 표면에는 절연층(19)을 통하여 게이트 전극(24)이 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해, 제 1 전위 장벽은 전하의 전송시에 제 1 장벽 영역에 인가되는 전송 신호(TX)에 의해 제어된다. 제 1 부유 확산 영역(F1)은 n+형 반도체에 의해 형성되어 있다. 제 1 부유 확산 영역(F1)의 표면에는 제 1 출력 회로(14)의 입력단(14a)이 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해 트랜지스터(M1)가 형성된다. 포토다이오드(PD)의 n형 반도체 영역(KD)은 트랜지스터(M1)의 소스부에 대응한다. 포토다이오드(PD)의 제 1 부유 확산 영역(F1)은 트랜지스터(M1)의 드레인부에 대응한다. 포토다이오드(PD)의 게이트부는 트랜지스터(M1)의 게이트 전극(24)에 대응한다. 게이트 전극(24)이 구동선(DL)에 접속됨으로써 트랜지스터(M1)는 광전 변환 영역(11)으로부터 전하를 전송하기 위한 전송 스위치로서 동작한다. 즉, 게이트 전극(24)을 통하여 제 1 장벽 영역(21)에 인가되는 전송 신호(TX)에 의해 제 1 전위 장벽이 제어된다. 이에 의해, 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하가 제 1 부유 확산 영역(F1)에 제 1 전하로서 전송된다.
제 4 장벽 영역(22)은 제 1 부유 확산 영역(F1)에 인접하여 나란히 설치되어 있다. 제 1 배출 영역(D1)은 제 4 장벽 영역(22)에 인접하여 나란히 설치되어 있다. 제 4 장벽 영역(22)은 p형 반도체에 의해 형성되고, 제 4 전위 장벽을 형성하고 있다. 제 4 장벽 영역(22)에는 절연층(19)을 통하여 게이트 전극(26)이 접속되어 있다. 제 1 배출 영역(D1)은 n+형 반도체에 의해 형성되고, 그 표면에는 고위 전원(VDD)이 접속되어 있다. 이러한 구성에 의해 트랜지스터(M2)가 형성된다. 제 1 부유 확산 영역(F1)은 트랜지스터(M2)의 소스부에 대응한다. 제 1 배출 영역(D1)은 트랜지스터(M2)의 드레인부에 대응한다. 게이트 전극(26)은 트랜지스터(M2)의 게이트부에 대응한다. 게이트 전극(26)에는 구동선(DL)이 접속되어 있다. 이 구성에 의해, 트랜지스터(M2)는 화상 신호 판독부(12)에 전송된 전하를 리셋하기 위한 리셋 스위치로서 동작한다. 즉, 게이트 전극(26)을 통하여 제 4 장벽 영역(22)에 인가되는 리셋 신호(TR)에 의해 제 4 전위 장벽이 제어된다. 제 4 전위 장벽의 제어에 의해, 제 1 부유 확산 영역(F1)에 전송된 제 1 전하가 제 1 배출 영역(D1)에 배출되므로 제 1 부유 확산 영역(F1)의 제 1 전하가 리셋된다.
제 1 출력 회로(14)는 제 1 부유 확산 영역(F1)의 전위에 따른 화상 신호(G1)를 제공한다. 제 1 출력 회로(14)는 제 1 부유 확산 영역(F1)에 전송된 제 1 전하에 응답한 화상 신호(G1)를 제공한다. 제 1 출력 회로(14)는 트랜지스터(M3, M4)를 포함하고, 소위 소스 폴로어 앰프의 회로 구성을 갖고 있다. 트랜지스터(M3)는 소위 판독 스위치이다. 트랜지스터(M3)의 게이트부는 제 1 부유 확산 영역(F1)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M3)의 드레인부는 고위 전원(VDD)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M3)의 소스부는 트랜지스터(M4)의 드레인부에 접속되어 있다. 트랜지스터(M4)는 소위 선택 스위치이다. 트랜지스터(M4)의 게이트부는 구동선(DL)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M4)의 드레인부는 트랜지스터(M3)의 소스부에 접속되어 있다. 트랜지스터(M4)의 소스부는 화상 신호선(GL)에 접속되어 있다.
통신 신호 판독부(13)는 화상 신호 판독부(12)가 설치된 영역의 반대측 영역에, 광전 변환 영역(11)에 인접하여 나란히 설치되어 있다. 통신 신호 판독부(13)는 제 3 출력 회로(16)를 통하여 통신 신호(C1)를 통신 신호선(CL)에 출력한다. 통신 신호(C1)는 광전 변환 영역(11)으로부터 제 2 부유 확산 영역(F2)에 유출된 전하에 대응한다.
통신 신호 판독부(13)는 제 2 장벽 영역(27), 제 2 부유 확산 영역(F2), 제 3 장벽 영역(28) 및 제 2 배출 영역(전하 배출 영역)(D2)을 포함한다. 통신 신호 판독부(13)는 반도체 기판(17)의 주면(17s)에 매설된 n형 반도체에 의해 형성된 반도체 영역(29)의 내부에 p형 또는 n형의 반도체 영역을 포함하여 구성되어 있다. 이 반도체 영역(29)은 p형 반도체에 의해 형성된 반도체 기판(17)의 일부를 끼고, 포토다이오드(PD)의 n형 반도체 영역(KD)으로부터 소정의 거리(L)만큼 이간되어 있다. 이 반도체 영역(29)과 n형 반도체 영역(KD) 사이에 제 2 전위 장벽이 설정된 제 2 장벽 영역(27)이 형성되어 있다. 즉, 제 2 장벽 영역(27)은 포토다이오드(PD)에 인접하여 나란히 설치되어 있다. 일례에서 소정의 거리(L)는 O.9㎛이다. 제 2 장벽 영역(27)과 광전 변환 영역(11) 사이의 전위차는 전송 스위치가 닫힌 상태인 경우에 있어서의 제 1 장벽 영역(21)과 광전 변환 영역(11) 사이의 전위차보다도 낮게 설정되어 있다. 전송 스위치가 닫힌 상태란, 예를 들면 게이트 전극(24)에 0V의 전압이 인가된 상태이다. 또한, 전송 스위치가 닫힌 상태란, 제 1 장벽 영역(21)과 광전 변환 영역(11) 사이의 전위차가 가장 큰 상태이다. 반도체 영역(29)은 포토다이오드(PD)의 p형 반도체 영역(AN)과 서로 접하고 있다.
n+형 반도체에 의해 형성된 제 2 부유 확산 영역(F2)은 p형 반도체에 의해 형성된 제 2 장벽 영역(27)에 근접하여 설치되어 있다. 제 2 부유 확산 영역(F2)에는 제 2 출력 회로(16)의 입력단(16a)이 접속되어 있다. p형 반도체에 의해 형성된 제 3 장벽 영역(28)은 제 2 부유 확산 영역(F2)에 근접하여 설치되어 있다. n+형 반도체에 의해 형성된 제 2 배출 영역(D2)은 제 3 장벽 영역(28)에 근접하여 설치되어 있다. 제 3 장벽 영역(28)은 제 2 전위 장벽보다 낮은 제 3 전위 장벽을 형성하고 있다. 즉, 제 3 장벽 영역(28)과 광전 변환 영역(11) 사이의 전위차는 제 2 장벽 영역(27)과 광전 변환 영역(11) 사이의 전위차보다 크다. 제 2 배출 영역(D2)에는 제 3 출력 회로(18)의 입력단(18a) 및 고위 전원(VDD)이 접속되어 있다.
제 2 출력 회로(16)는 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위에 따른 통신 신호(C1)를 제공한다. 제 2 출력 회로(16)는 제 2 부유 확산 영역(F2)에 유출된 제 2 전하에 응답한 통신 신호(C1)를 제공한다. 이 제 2 출력 회로(16)는 트랜지스터(M5, M6)를 포함하고, 소위 소스 폴로어 앰프의 회로 구성을 갖고 있다. 트랜지스터(M5)는 소위 판독 스위치이다. 트랜지스터(M5)의 게이트부는 제 2 부유 확산 영역(F2)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M5)의 드레인부는 고위 전원(VDD)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M5)의 소스부는 트랜지스터(M6)의 드레인부에 접속되어 있다. 트랜지스터(M6)는 소위 선택 스위치이다. 트랜지스터(M6)의 게이트부는 구동선(DL)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M6)의 드레인부는 트랜지스터(M5)의 소스부에 접속되어 있다. 트랜지스터(M6)의 소스부는 통신 신호선(CL)에 접속되어 있다.
제 3 출력 회로(18)의 일단은 제 2 배출 영역(D2)에 접속되어 있다. 제 3 출력 회로(18)의 타단은 제 1 출력 회로(14)에 접속되어 있다. 제 3 출력 회로(18)는 트랜지스터(M7)를 포함한다. 트랜지스터(M7)의 게이트부는 구동선(DL)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M7)의 드레인부는 제 2 배출 영역(D2)에 접속되어 있다. 트랜지스터(M7)의 소스부는 제 1 출력 회로(14)의 트랜지스터(M3)의 게이트부에 접속되어 있다. 화소(10)의 동작시에는 소정의 제어 신호가 트랜지스터(M7)의 게이트부에 인가되고, 트랜지스터(M7)의 소스부와 드레인부의 도통이 확보된다. 이 제어 신호의 인가에 의해, 제 2 배출 영역(D2)에 배출된 제 2 전하에 대응한 판별 신호(H1)가 제 1 출력 회로(14)로부터 제공된다.
웰(15)은 광전 변환 영역(11), 화상 신호 판독부(12) 및 통신 신호 판독부(13)를 둘러싸도록 설치되어 있다. 웰(15)은 반도체 기판(17)의 주면(17s)에 수직 방향에서 보았을 때 환상의 형상을 갖고 있다. 웰(15)은 높은 전위 장벽을 형성함으로써, 동일 기판 위에 형성된 서로 이웃하는 화소(10)들 사이의 전기적인 절연성을 확보한다.
반도체 기판(17)의 주면(17s) 위에는 절연층(19)이 설치되어 있다. 이 절연층(19)에는 개구(19a 내지 19d)가 설치되어 있다. 개구(19a)는 제 1 부유 확산 영역(F1)에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 개구(19b)는 제 1 배출 영역(D1)에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 개구(19c)는 제 2 부유 확산 영역(F2)에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 개구(19d)는 제 2 배출 영역(D2)에 대응하는 위치에 설치되어 있다. 절연층(19)은 예를 들면, 산화실리콘막(SiO2)을 사용할 수 있다. 그러나, 산화실리콘막에 한정되지 않고 절연층(19)에는 여러가지 절연성을 갖는 재료로 이루어지는 막을 사용하여도 좋다.
도 3은 도 2에 도시된 화소(10)의 단면에 따른 포텐셜도이다. 도 3의 검은 환형은 전하(전자)를 나타내고 있다. 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이 범위(A1)는 포토다이오드(PD)가 형성된 영역에 대응한다. 범위(A2)는 제 1 장벽 영역(21)이 형성된 영역에 대응한다. 범위(A3)는 제 1 부유 확산 영역(F1)이 형성된 영역에 대응한다. 범위(A4)는 제 4 장벽 영역(22)이 형성된 영역에 대응한다. 범위(A5)는 제 1 배출 영역(D1)이 형성된 영역에 대응한다. 범위(A6)는 제 2 장벽 영역(27)이 형성된 영역에 대응한다. 범위(A7)는 제 2 부유 확산 영역(F2)이 형성된 영역에 대응한다. 범위(A8)는 제 3 장벽 영역(28)이 형성된 영역에 대응한다. 범위(A9)는 제 2 배출 영역(D2)이 형성된 영역에 대응한다.
범위(A1)에는 포토다이오드(PD)의 포텐셜 우물(W1)이 형성되어 있다. 범위(A3)에는 제 1 부유 확산 영역(F1)의 포텐셜 우물(W2)이 형성되어 있다. 포텐셜 우물(W1)은 제 1 전위 장벽(B1)과 제 2 전위 장벽(B2)에 끼워져 있다. 즉, 광전 변환 영역(11)은 제 1 장벽 영역(21) 및 제 2 장벽 영역(27) 사이에 설치되어 있다. 제 1 전위 장벽(B1)은 게이트 전극(24)에 인가되는 전송 신호(TX)에 의해 제어된다. 범위(A5)에는 제 1 배출 영역(D1)의 드레인(DR1)이 형성되어 있다. 포텐셜 우물(W2)과 드레인(DR1) 사이에는 제 4 전위 장벽(B4)이 형성되어 있다. 제 4 전위 장벽(B4)은 게이트 전극(26)에 인가되는 리셋 신호(TR)에 의해 제어된다. 제 2 전위 장벽(B2)은 예를 들면 제 2 장벽 영역(27)을 형성하는 반도체의 불순물 농도에 의해 설정할 수 있다. 제 3 전위 장벽(B3)은 예를 들면 완전 공핍(空乏)화 전위에 기초하여 설정할 수 있다. 제 2 부유 확산 영역(F2) 및 제 2 배출 영역(D2)에서의 포텐셜의 밑바닥 위치는 예를 들면, 제 2 부유 확산 영역(F2) 및 제 2 배출 영역(D2)을 형성하는 반도체의 불순물 농도에 의해 설정할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제어 회로(3)는 화소(10)를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 제어 회로(3)는 화상행 선택 회로(3a) 및 통신행 선택 회로(3b)를 포함한다. 이 화상행 선택 회로(3a)는 화상 신호(G1)를 출력하는 행을 선택하는 제어 신호를 생성한다. 통신행 선택 회로(3b)는 통신 신호(C1)를 출력하는 행을 선택하는 제어 신호를 생성한다. 구동선(DL)은 예를 들면, 하나 또는 복수의 전송 스위치 구동선, 리셋 스위치 구동선 및 행 선택 스위치 구동선을 포함한다. 행 선택 스위치 구동선은 화상행 선택 스위치 구동선 및 신호행 선택 스위치 구동선을 포함한다. 이 제어 회로(3)는 복수의 블록으로 나누어져서 화소 어레이(2)의 주변에 배치되어 있다.
화상 신호 처리 회로(4)는 화소 어레이(2) 중의 각 화소(10)로부터의 화상 신호(G1)를 행마다 판독하는 판독 회로(4a)를 포함한다. 화상 신호 처리 회로(4)는 샘플 홀드 회로 및/또는 노이즈 캔슬 회로 등을 포함한다. 샘플 홀드 회로는 리셋 레벨에 대응한 신호 및 신호 레벨에 대응한 신호를 유지한다. 노이즈 캔슬 회로는 리셋 레벨과 신호 레벨의 차를 생성한다. 이러한 구성을 갖는 화상 신호 처리 회로(4)에서는 화소(10)의 리셋 노이즈를 캔슬할 수 있다. 화상 신호 처리 회로(4)에는 화상 신호선(GL)이 접속되어 있다. 화상 신호 처리 회로(4)에는 화상 신호선(GL)을 통하여 화상 신호(G1)가 입력된다. 신호(S)(img)는 화상 신호 처리 회로(4)의 판독 회로(4a)로부터 신호 처리 회로(6)로 출력된다. 화상 신호(G1)는 화소(10)의 제 1 부유 확산 영역에 전송된 제 1 전하에 대응한다.
신호 처리 회로(6)는 판독 회로(4a)로부터의 신호(S)(img)를 받는다. 신호 처리 회로(6)는 신호(S)(img)의 증폭 등을 위한 신호 처리 회로를 포함한다. 신호 처리 회로(6)는 신호(S)(img)를 판독하기 위한 판독 신호(S)(OUT)를 생성한다. 화상 신호 처리 회로(4)의 신호(S)(img)는 소정의 디지털 형식의 디지털 신호라도 좋다.
통신 신호 처리 회로(7)는 화소 어레이(2) 중의 각 화소(10)로부터의 통신 신호(C1)를 수신하는 수신 회로(7a)를 포함한다. 수신 회로(7a)에는 통신 신호선(CL)이 접속되어 있다. 통신 신호(C1)는 화소(10)의 제 2 부유 확산 영역(F2)에 유입된 제 2 전하에 대응한다. 수신 회로(7a)는 입력된 통신 신호(C1)에 대하여 소정의 신호 처리를 실시하여 신호(S)(com)를 출력한다. 소정의 신호 처리에는 예를 들면 동기 검파 처리가 있다.
탐색 회로(8)는 통신 신호광(LC)이 입사된 화소(10)의 위치를 탐색한다. 이 탐색은 제 3 출력 회로 및 제 1 출력 회로를 경유하여 제 2 배출 영역에 배출된 제 2 전하에 대응하는 판별 신호(H1)에 기초하여 행하여진다. 탐색 회로(8)는 수신 회로(8a)를 포함한다. 수신 회로(8a)는 화소 어레이(2) 중의 각 화소(10)로부터의 판별 신호(H1)를 수신한다. 수신 회로(8a)는 입력된 판별 신호(H1)에 기초하여 판별 신호(H1)가 통신 신호(C1)이 중첩된 광(이하 통신 신호광(LC)이라고 한다)에 의해 생성된 신호인지의 여부를 판정한다. 그리고, 판별 신호(H1)가 통신 신호광(LC)에 의해 생성된 신호일 때에는, 그 판별 신호(H1)에 대응하는 화소(10)를 특정함으로써 통신 신호광(LC)이 입사된 화소(10)의 위치를 특정하는 정보를 취득한다. 화소의 위치 정보는 통신행 선택 회로(3b)에 출력된다.
통신 신호광(LC)이 조사된 화소(10)의 탐색은 소정의 시간 간격을 두고 반복 실행된다. 이에 의해, 화소 어레이(2)에서 통신 신호광(LC)이 조사되는 화소를 추적할 수 있다. 화소(10)의 탐색은 통신 신호광(LC)이 조사된 화소로서 과거에 특정된 화소의 주위를 우선적으로 탐색하여도 좋다. 이에 의해, 통신 신호광(LC)이 조사되는 화소를 효율적으로 탐색할 수 있으므로 탐색 처리를 고속화할 수 있다. 또한, 화소(10)의 탐색은 통신 신호광(LC)이 조사되는 화소를 추적한 결과로, 다음에 통신 신호광(LC)이 조사되는 화소의 이동 방향을 예측하고, 상기 방향의 영역을 우선적으로 탐색하여도 좋다. 이에 의해, 통신 신호광(LC)이 조사되는 화소를 더욱 효율적으로 탐색할 수 있다.
타이밍 생성 회로(9)는 고체 촬상 장치(1)에 포함되는 회로의 동작 타이밍을 제어하기 위한 제어 신호, 클록 신호 등을 생성한다.
고체 촬상 장치(1)에서의 화상 신호(G1) 및 통신 신호(C1)의 판독 동작에 대하여 설명한다. 도 1, 도 2 및 도 3(a)를 참조하면서 화상 신호(G1)를 판독하는 공정을 설명한다. 처음에, 게이트 전극(24)에 전송 신호(TX)가 인가된다. 전송 신호(TX)는 예를 들면 OV라는 낮은 전압이고, 전송 스위치 구동선을 통하여 제어 회로(3)로부터 게이트 전극(24)에 인가된다. 이때, 제 1 장벽 영역(21)에서는 실선(Bla)으로 표시된 제 1 전위 장벽(B1)이 형성된다. 또한, 게이트 전극(26)에 리셋 신호(TR)가 인가된다. 리셋 신호(TR)는 예를 들면 플러스(5V)라는 양의 전압이고, 리셋 스위치 구동선을 통하여 제어 회로(3)로부터 게이트 전극(26)에 인가된다. 이때, 제 4 장벽 영역(22)에서는 파선(B4b)으로 표시된 바와 같이, 제 4 전위 장벽(B4)의 높이가 저하된다. 이에 의해, 제 1 부유 확산 영역(F1)에 존재하는 전하가 제 1 배출 영역(D1)에 전송되고, 제 1 부유 확산 영역(F1)이 리셋된다.
다음에, 물체로부터의 반사광이 화소(10)에 입사하면 포토다이오드(PD)에서 전하가 생성된다. 전하는 포토다이오드(PD)의 포텐셜 우물(W1)에 축적된다. 계속하여, 게이트 전극(24)에 소정의 양의 전압인 전송 신호(TX)가 인가된다. 전송 신호(TX)는 전송 스위치 구동선을 통하여 제어 회로(3)로부터 게이트 전극(24)에 인가된다. 이때, 제 1 장벽 영역(21)에서는 파선(Blb)으로 표시된 바와 같이 제 1 전위 장벽(B1)의 높이가 저하되므로, 포토다이오드(PD)의 포텐셜 우물(W1)로부터 제 1 부유 확산 영역(F1)의 포텐셜 우물(W2)에 제 1 전하가 전송된다. 여기에서, 포텐셜 우물(W2)의 깊이는 포텐셜 우물(W1)의 깊이보다도 깊게 형성되어 있으므로, 포텐셜 우물(W1)에 축적된 전하는 모두 포텐셜 우물(W2)에 전송된다. 이에 의해 제 1 전하의 완전 전송이 실현된다. 제 1 부유 확산 영역(F1)에 제 1 전하가 전송되면 제 1 부유 확산 영역(F1)의 전위가 변화된다. 그리고, 트랜지스터(M4)의 게이트부에 제어 신호가 인가된다. 제어 신호는 화상행 선택 스위치 구동선을 통하여 게이트부에 인가된다. 이에 의해, 제 1 출력 회로(14)의 트랜지스터(M3, M4)를 통하여 제 1 부유 확산 영역(F1)의 전위가 화상 신호(G1)로서 화상 신호선(GL)에 출력된다. 화상 신호(G1)는 화상 신호선(GL)을 통하여 화상 신호 처리 회로(4)의 판독 회로(4a)에 입력된다. 화상 신호 처리 회로(4)에서, 화상 신호(G1)에는 소정의 처리가 이루어짐으로써 신호(S)(img)가 생성되고, 신호(S)(img)는 신호 처리 회로(6)에 출력된다. 화상 신호 처리 회로(4)에서는 예를 들면, 화상 신호(G1)에 포함된 노이즈를 캔슬하는 처리가 이루어진다. 신호 처리 회로(6)에서는 신호 처리 회로에 의해 신호(S)(img)가 증폭된 신호(S)(out)가 생성되고, 신호(S)(out)가 외부 회로에 출력된다.
다음에, 도 3(b)를 참조하면서 통신 신호(C1)를 판독하는 공정을 설명한다. 우선, 통신 신호광(LC)이 입사된 화소(10)의 위치를 탐색 회로(8)에 의해 탐색하여 통신 신호(C1)를 판독하는 화소(10)를 설정하는 공정에 대하여 설명한다. 화소(10)에 통신 신호광(LC)이 입사되었을 때, 제 2 전하가 제 2 부유 확산 영역(F2)에 넘친다. 그리고, 제 2 부유 확산 영역(F2)에 축적되어 제 2 부유 확산 영역(F2)으로부터 넘친 제 2 전하가 제 2 배출 영역(D2)에 배출된다. 제 2 배출 영역(D2)에 제 2 전하가 배출되면 제 2 배출 영역(D2)의 전위가 변화된다. 제 2 배출 영역(D2)의 전위의 변화는 행마다 화상 신호선(GL)을 통하여 탐색 회로(8)에 판별 신호(H1)로서 출력된다. 통신 신호광(LC)에 기초하는 제 2 배출 영역(D2)의 전위의 변화는 화상 신호광(LG)에 기초하는 제 1 부유 확산 영역(F1)의 전위의 변화보다도 크다. 이 때문에, 탐색 회로(8)에서는 각 화소(10)로부터 출력된 판별 신호(H1)와, 소정의 전압 임계값을 화소(10)마다 비교한다. 그리고, 소정의 전압 임계값을 초과한 전압값을 갖는 판별 신호(H1)를 통신 신호광(LC)에 기초하는 신호라고 판정한다. 이러한 공정에 의해, 통신 신호광(LC)이 입사되어 있는 화소(10)를 탐색할 수 있다. 통신 신호광(LC)이 입사되어 있는 화소(10)라고 판정된 화소(10)의 위치 정보는 통신행 선택 회로(3b)에 출력된다. 통신행 선택 회로(3b)는 입력된 위치 정보에 기초하여 통신 신호광(LC)이 입사되어 있는 화소(10)의 제 2 출력 회로(16)의 트랜지스터(M6)에 제어 신호를 인가한다. 이 제어 신호의 인가에 의해 트랜지스터(M6)의 소스부와 드레인부의 도통이 확보된다.
다음에, 화소(10)로부터 통신 신호(C1)를 판독하는 공정을 설명한다. 포토다이오드(PD)로의 통신 신호광(LC)의 입사가 개시되면, 포토다이오드(PD)에서 전하가 생성된다. 이 통신 신호광(LC)은 예를 들면 LED라는 광원으로부터 조사된 직접광이므로, 화상 신호(G1)를 생성하는 물체로부터의 반사광의 광 강도보다 강한 광 강도를 갖고 있다. 그 때문에 통신 신호광(LC)이 포토다이오드(PD)에 입사되면 포텐셜 우물(W1)에 다량의 전하가 축적된다. 제 2 장벽 영역(27)의 제 2 전위 장벽(B2)은 제 1 장벽 영역(22)의 제 1 전위 장벽(B1)보다도 소정의 전위차(DP1)만큼 낮게 설정되어 있다. 그 때문에 포텐셜 우물(W1)에 다량의 전하가 축적되었을 때, 제 2 장벽 영역(27)의 제 2 전위 장벽(B2)을 초과하여 포텐셜 우물(W1)로부터 제 2 부유 확산 영역(F2)에 제 2 전하가 넘친다. 넘친 제 2 전하는 제 2 부유 확산 영역(F2)에 유입하여 축적된다. 또한, 제 2 부유 확산 영역(F2)으로부터 넘친 제 2 전하는 제 2 배출 영역(D2)에 배출되어 불완전 축적 상태를 형성한다. 이때, 제 2 부유 확산 영역(F2)에서의 전위는 하강한다.
그리고, 포토다이오드(PD)로부터 넘쳐나오는 제 2 전하의 양과, 제 2 부유 확산 영역(F2)으로부터 제 2 배출 영역(D2)에 배출되는 제 2 전하의 양이 균형을 이루므로 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위 변화가 멈춘다. 그리고, 포토다이오드(PD)로의 통신 신호광(LC)의 입사가 정지되면, 포토다이오드(PD)에서의 전하의 생성이 멈춘다. 또한, 제 2 부유 확산 영역(F2)으로부터 제 2 배출 영역(D2)으로의 제 2 전하의 배출이 진행됨에 따라 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위가 상승한다.
제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위는 제 2 출력 회로(16)의 트랜지스터(M5, M6)를 통하여 통신 신호선(CL)에 통신 신호(C1)로서 출력된다. 통신 신호(C1)는 통신 신호선(CL)을 통하여 통신 신호 처리 회로(7)의 수신 회로(7a)에 입력된다. 수신 회로(7a)에 입력된 통신 신호(C1)는 통신 신호 처리 회로(7)에서 복조 처리 및 아날로그 디지털 변환 처리되고, 신호(S)(com)가 생성된다.
이와 같이, 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위 변화는 통신 신호광(LC)의 점멸에 응답하여 하강 또는 상승한다. 이 통신 신호(C1)를 판독하는 공정은 화상 신호(G1)를 판독하는 공정과 다르다. 즉, 통신 신호광(LC)의 입사에 의해 포토다이오드(PD)에서 다량의 전하가 생성되면, 제 2 부유 확산 영역(F2)으로의 제 2 전하의 넘침이 발생하여 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위가 변화된다. 그리고, 포토다이오드(PD)에서의 전하의 생성이 멈추면, 제 2 부유 확산 영역(F2)의 제 2 전하가 제 2 배출 영역(D2)에 배출되고, 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위가 변화된다. 이러한 동작에 의해, 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위는 통신 신호광(LC)의 점멸에 대응하여 변화될 수 있다. 따라서, 통신 신호광(LC)에 중첩된 신호의 수신 수단으로서 화소(10)를 사용할 수 있다.
여기에서, 통신 신호 판독부(13)(도 2 참조)의 주파수 응답 특성을 시뮬레이션에 의해 확인하였다. 통신 신호 판독부(13)의 주파수 응답 특성은 포토다이오드(PD)로부터 제 2 부유 확산 영역(F2)으로의 주파수 응답 특성, 및 제 2 부유 확산 영역(F2)으로부터 제 2 배출 영역(D2)으로의 주파수 응답 특성에 기초하고 있다. 화소(10)에서는 포토다이오드(PD)의 정전 용량이 비교적 크므로, 포토다이오드(PD)로부터 제 2 부유 확산 영역(F2)으로의 주파수 응답 특성이 통신 신호 판독부(13)의 주파수 응답 특성에 관하여 지배적이다. 그 때문에 통신 신호광(LC)의 on, off에 대한 통신 신호(C1)의 주파수 응답 특성은 포토다이오드(PD)의 정전 용량 및 광전류량에 의해 결정된다.
도 4는 화소(10)에서의 통신 신호 판독부(13)의 주파수 응답 특성을 도시한 도면이다. 도 4에는 광 강도 0.1W/cm2, 파장 870nm의 광 펄스를 화소(10)에 조사하였을 때의 주파수 응답 특성이 도시되어 있다. 도 4를 확인하면, 광 펄스의 주파수의 대수에 반비례하여 통신 신호(C1)의 진폭이 감소하고 있다. 예를 들면, 광 펄스의 주파수가 1MHz일 때, 통신 신호(C1)의 진폭은 20mV이었다. 이러한 주파수 응답 특성을 갖는 화소(10)는 낮은 비트율에 의한 통신에 사용할 수 있고, 1MHz 정도에서의 통신 동작이 가능한 것을 알았다.
도 5는 2차원 화상 센서인 고체 촬상 장치(1)를 반도체 집적 소자로서 실현한 반도체 칩(30)을 도시한 도면이다. 도 5에는 반도체 칩(30)의 블록 배치가 도시되어 있다. 반도체 칩(30)은 매립형 포토다이오드에 대하여 0.18㎛의 CMOS 화상 센서의 기술을 사용하여 실현되었다. 이 반도체 칩(30)은 수평 방향에 400개, 수직 방향에 480개가 배치된 화소 어레이(31)를 갖고 있다. 화소 어레이(31)의 좌측 절반에는 통신 신호(C1) 및 화상 신호(G1)를 출력하는 2개의 출력 포트를 구비하는 화소가 배치되어 있다. 개개 화소의 사이즈는 15㎛×7.5㎛이다. 화소 어레이(31)의 우측 절반에는 LPR 셀 및 화상 취득을 위한 화소가 배치되어 있다.
화소 어레이(31)의 주위에는 수직 주사 회로부(32), 수평 주사 및 칼럼 CDS 회로부(33), 콤퍼레이터 및 래치 회로부(34), 통신행 선택 회로부(35), 멀터플렉서 스위치 회로부(36), AD 컨버터부(37) 및 증폭 회로부(38)가 설치되어 있다. 수직 주사 회로부(32)는 화상행 선택 회로(3a)에 대응한다. 수평 주사 및 칼럼 CDS 회로부(33)는 화상 신호 처리 회로(4)에 대응한다. 콤퍼레이터 및 래치 회로부(34)는 탐색 회로(8)에 대응한다. 통신행 선택 회로부(35)는 통신행 선택 회로(3b)에 대응한다. 멀터플렉서 스위치 회로부(36)는 통신 신호 처리 회로(7)에 대응한다. AD 컨버터부(37) 및 증폭 회로부(38)는 신호 처리 회로(6)에 대응한다. 화상 신호는 도 5에서 화소 어레이(2)의 하측에 배치된 수평 주사 및 칼럼 CDS 회로부(33)로부터 판독된다. 통신 신호(C1)는 도 5에서 화소 어레이(2)의 상측에 배치된 멀터플렉서 스위치 회로부(36)로부터 판독된다.
도 6은 고체 촬상 장치로부터 출력되는 통신 신호(C1)의 일례를 도시한 도면이다. 도 6(a)에는 화소(10)로부터 출력된 통신 신호(C1)의 아날로그 파형(N1)이 도시되어 있다. 아날로그 파형(N1)의 진폭(v1)은 약 1OOmV이다. 이 통신 신호(C1)는 랜덤 스퀀스를 사용한 기저 대역 신호이고, 2Mbps의 차동 맨체스터 부호화 방식을 사용하여 외부 회로에 의해 복조된다. 통신 신호광(LC)을 출사하는 LED 광원은 변조 신호에 의해 점멸 구동되어 있다. 그리고, 아날로그 파형의 통신 신호(C1)는 고속 아날로그 디지털 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환된다. 도 6(b)에는 디지털화된 통신 신호(N2)가 도시되어 있다. 공간 광통신에 사용되는 이미지 센서 통신 장치(ISC)인 고체 촬상 장치(1)에 의해 2Mpbs의 통신 속도가 실현되는 것을 알았다.
고체 촬상 장치(1) 또는 고체 촬상 장치(1)를 위한 화소(10)에 의하면, 물체로부터의 반사광과 같이 광 강도가 비교적 약한 광이 포토다이오드(PD)에 조사되었을 때, 포토다이오드(PD)에서 전하가 생성되어 축적된다. 축적된 전하는 제 2 부유 확산 영역에 넘치지 않고 제 1 부유 확산 영역(F1)에 전송되므로 제 1 부유 확산 영역(F1)의 전위가 변화된다. 따라서, 제 1 출력 회로(14)로부터 제 1 부유 확산 영역(F1)의 전위 변화에 기초하는 화상 신호(G1)를 취득할 수 있다. 한편, LED로부터 조사된 직접광과 같이 광 강도가 비교적 강한 통신 신호광(LC)이 포토다이오드(PD)에 조사되었을 때, 포토다이오드(PD)에서 다량의 전하가 생성된다. 제 2 장벽 영역(27)의 제 2 전위 장벽(B2)은 제 1 장벽 영역(21)의 제 1 전위 장벽(B1)보다도 낮게 설정되어 있으므로, 전하는 제 2 전위 장벽(B2)을 초과하여 제 2 부유 확산 영역(F2)에 축적된다. 이때, 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위는 하강한다. 그리고, 포토다이오드(PD)로의 통신 신호광(LC)의 입사가 정지되면, 전하의 생성이 멈춘다. 제 3 전위 장벽은 제 2 전위 장벽보다도 낮으므로, 제 2 부유 확산 영역(F2)으로부터 넘친 제 2 전하가 제 2 배출 영역(D2)에 배출된다. 제 2 부유 확산 영역(F2)으로부터 제 2 배출 영역(D2)으로의 제 2 전하가 배출됨에 따라 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위가 상승한다. 따라서, 제 3 출력 회로(16)로부터 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위 변화에 기초하는 통신 신호(C1)를 취득할 수 있다. 이렇게, 고체 촬상 장치(1) 또는 고체 촬상 장치를 위한 화소(10)에 의하면, 1개의 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하가 제 1 부유 확산 영역(F1)을 통하여 화상 신호(G1) 또는 제 2 부유 확산 영역(F2)을 통하여 통신 신호(C1)로서 취득된다. 따라서, 화상 신호(G1) 또는 통신 신호(C1)의 2종류 신호의 취득에, 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하를 공간적으로 효율적으로 사용할 수 있으므로 감도의 저하가 억제된다.
화소(10)에서, 제 1 장벽 영역(21)의 제 1 전위 장벽(B1)은 전송 신호(TX)에 의해 제어할 수 있으므로, 원하는 시간 간격으로 포토다이오드(PD)에 의해 생성된 전하를 제 1 부유 확산 영역(F1)에 전송할 수 있다. 이에 의해, 제 1 부유 확산 영역(F1)의 전위 변화에 기초하는 화상 신호(G1)를 취득할 수 있다. 또한, 제 2 장벽 영역(27)의 제 2 전위 장벽(B2)은 제 1 장벽 영역(21)의 제 1 전위 장벽(B1)보다도 낮은 원하는 고정값에 설정되어 있으므로, 통신 신호광(LC)에 의해 생성된 전하를 제 2 부유 확산 영역(F2)에 유출시킬 수 있다. 이에 의해, 제 2 부유 확산 영역(F2)의 전위 변화에 기초하는 통신 신호(C1)를 취득할 수 있고, 통신 신호광(LC)의 점멸에 대응한 통신 신호를 얻을 수 있다.
화소(10)에서는 통신 신호광(LC)을 수광한 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하가 제 2 부유 확산 영역(F2)을 통하여 제 2 배출 영역(D2)에 유입된다. 제 2 배출 영역(D2)에 유입된 전하에 기초하여 제 2 배출 영역(D2)에서의 전위가 변화된다. 이 전위의 변화를 제 2 출력 회로(18) 및 제 1 출력 회로(14)를 통하여 출력시킴으로써 통신 신호(C1)의 취득에 사용하는 화소(10)를 적절히 검출시킬 수 있다.
화소(10)에는 제 2 출력 회로(18)에 스위치인 트랜지스터(M7)가 설치되어 있다. 이 구성에 의하면, 트랜지스터(M7)의 게이트부에 인가되는 제어 신호에 의해 제 1 출력 회로(14)와 제 2 출력 회로(18)를 전기적으로 접속, 또는 절단할 수 있다. 따라서, 제 1 출력 회로(14)에 기생 용량이 부가되는 것을 방지할 수 있다.
고체 촬상 장치(1)에서는 통신 신호광(LC)을 수광한 포토다이오드(PD)에서 생성된 전하가 제 2 부유 확산 영역(F2)을 통하여 제 2 배출 영역(D2)에 유입된다. 제 2 배출 영역(D2)에 제 2 전하가 배출되면, 제 2 배출 영역(D2)에서의 전위가 변화된다. 이 전위의 변화에 기초하여 통신 신호(C1)가 중첩된 광인지의 여부를 탐색 회로(8)에 의해 판정한다. 이에 의해, 통신 신호가 중첩된 광을 수광한 화소의 위치를 특정할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치를 위한 화소에 의하면, 감도를 저하시키지 않고 화상 신호 및 통신 신호를 취득할 수 있다.
10…화소, 11…광전 변환 영역
21…제 1 장벽 영역, 27…제 2 장벽 영역
Bl…제 1 전위 장벽, B2…제 2 전위 장벽
F1…제 1 부유 확산 영역, F2…제 2 부유 확산 영역
PD …포토다이오드.
21…제 1 장벽 영역, 27…제 2 장벽 영역
Bl…제 1 전위 장벽, B2…제 2 전위 장벽
F1…제 1 부유 확산 영역, F2…제 2 부유 확산 영역
PD …포토다이오드.
Claims (9)
- 제 1 전위 장벽을 형성하는 제 1 장벽 영역 및 제 2 전위 장벽을 형성하는 제 2 장벽 영역 사이에 설치된 광전 변환 영역과,
상기 제 1 장벽 영역에 나란히 설치되고, 상기 광전 변환 영역에서 생성된 제 1 전하가 전송되는 제 1 부유 확산 영역과,
상기 제 2 장벽 영역에 나란히 설치되고, 상기 광전 변환 영역에서 생성된 제 2 전하가 유입하고, 유입된 상기 제 2 전하의 일부를 축적하는 제 2 부유 확산 영역을 구비하고,
상기 제 2 전위 장벽은 상기 제 1 전위 장벽보다 낮은 화소. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 부유 확산 영역에 접속되고, 상기 제 1 부유 확산 영역의 전위에 따른 화상 신호를 제공하는 제 1 출력 회로와,
상기 제 2 부유 확산 영역에 접속되고, 상기 제 2 부유 확산 영역의 전위에 따른 통신 신호를 제공하는 제 2 출력 회로를 더욱 구비하는 화소. - 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 부유 확산 영역에 나란히 설치되고, 제 3 전위 장벽을 형성하는 제 3 장벽 영역과,
상기 제 3 장벽 영역에 나란히 설치되고, 상기 제 3 전위 장벽을 초과하여 상기 제 2 부유 확산 영역으로부터 넘쳐나온 상기 제 2 전하가 배출되는 전하 배출 영역을 더욱 구비하는 화소. - 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 전위 장벽은 상기 제 2 전위 장벽보다 낮은 화소.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 일단이 상기 전하 배출 영역에 접속되고, 타단이 상기 제 1 출력 회로에 접속된 제 3 출력 회로를 더욱 구비하는 화소.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 출력 회로의 상기 일단과 상기 타단 사이에는 스위치가 설치되어 있는 화소.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전위 장벽은 상기 제 1 전하의 전송시에 상기 제 1 장벽 영역에 인가되는 전송 신호에 의해 제어되고,
상기 제 2 전위 장벽은 원하는 고정값에 설정되어 있고,
상기 제 1 부유 확산 영역에 전송된 상기 제 1 전하에 대응하는 상기 화상 신호가 출력되고,
상기 제 2 부유 확산 영역에 유입된 상기 제 2 전하에 대응하는 상기 통신 신호가 출력되는 화소. - 2차원 형상으로 배치된 복수의 화소를 갖는 화소 어레이와,
상기 화소 어레이로부터의 화상 신호를 판독하는 판독 회로와,
상기 화소 어레이로부터의 통신 신호를 수신하는 수신 회로와,
각 화소를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어 회로를 구비하고,
상기 화소는,
제 1 전위 장벽을 형성하는 제 1 장벽 영역 및 제 2 전위 장벽을 형성하는 제 2 장벽 영역 사이에 설치된 광전 변환 영역과,
상기 제 1 장벽 영역에 나란히 설치되고 상기 광전 변환 영역에서 생성된 제 1 전하가 전송되는 제 1 부유 확산 영역과,
상기 제 2 장벽 영역에 나란히 설치되고 상기 광전 변환 영역에서 생성된 제 2 전하가 유입하고, 유입된 상기 제 2 전하의 일부를 축적하는 제 2 부유 확산 영역과,
상기 제 1 부유 확산 영역에 접속되고 상기 제 1 부유 확산 영역의 전위에 따른 상기 화상 신호를 제공하는 제 1 출력 회로와,
상기 제 2 부유 확산 영역에 접속되고 상기 제 2 부유 확산 영역의 전위에 따른 상기 통신 신호를 제공하는 제 2 출력 회로를 포함하고,
상기 제 2 전위 장벽은 상기 제 1 전위 장벽보다 낮아지도록 설정되고,
상기 화상 신호는 상기 제 1 부유 확산 영역에 전송된 상기 제 1 전하에 대응하고,
상기 통신 신호는 상기 제 2 부유 확산 영역에 전송된 상기 제 2 전하에 대응하는, 고체 촬상 장치. - 제 8 항에 있어서, 상기 화소 어레이로부터의 판별 신호를 판독하고, 상기 판별 신호에 기초하여 신호가 중첩된 광이 입사된 상기 화소를 탐색하는 탐색 회로를 더욱 구비하고,
상기 화소는 제 3 전위 장벽을 형성하는 제 3 장벽 영역과, 상기 제 3 장벽 영역에 나란히 설치되어 상기 제 3 전위 장벽을 초과하여 상기 제 2 부유 확산 영역으로부터 넘쳐나온 상기 제 2 전하가 배출되는 전하 배출 영역과, 일단이 상기 전하 배출 영역에 접속되고, 타단이 상기 제 1 출력 회로에 접속된 제 3 출력 회로를 포함하고,
상기 탐색 회로는 상기 제 3 출력 회로 및 상기 제 1 출력 회로를 경유하여 상기 전하 배출 영역에 배출된 상기 제 2 전하에 대응하는 상기 판별 신호를 판독하는, 고체 촬상 장치.
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