KR20140047498A - 바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀 - Google Patents

바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서는 일면으로 빛이 입사되는 기판과 상기 기판의 일면에 배치되는 적어도 하나의 양자점을 포함하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 복수의 단위 픽셀들 중 선택된 단위 픽셀로부터 검출되는 전압 또는 전류로부터 상기 선택된 단위 픽셀의 바이너리 정보를 검출하는 칼럼 감지 증폭 회로, 및 상기 복수의 단위 픽셀들 각각의 바이너리 정보를 처리하여 픽셀 이미지 정보를 생성하는 프로세싱 유닛을 포함한다.

Description

바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀{IMAGE SENSOR AND UNIT PIXEL OF THE IMAGE SENSOR}
본 발명은 바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
일반적으로 사용되는 이미지 센서로는 전하 결합 소자(CCD: Charge Coupled Device) 및 CMOS 이미지 센서가 있다. 이 중, CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고, 신호 처리 회로를 단일 칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하다. CMOS 이미지 센서는 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 또한, CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다.
CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서는 픽셀을 구성하는 단위 픽셀이 다수개 집합되어 구성된다. 픽셀은 일반적으로 2um 정도의 크기로 제작된다. 픽셀의 크기를 더 작게 형성할 수도 있으나, 픽셀의 크기를 1um 이하의 크기로 줄이는 경우 이미지 센서의 성능 향상을 기대하기는 어렵다. 다이나믹 레인지(dynamic range)가 매우 좁아지고, 최대 웰 용량(full well capacity)이 작아지며, 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio; SNR)가 10-20:1 정도로 떨어지기 때문이다.
본 발명의 일 목적은 향상된 성능을 갖는 바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서는 일면으로 빛이 입사되는 기판과 상기 기판의 일면에 배치되는 적어도 하나의 양자점을 포함하는 복수의 단위 픽셀들, 상기 복수의 단위 픽셀들 중 선택된 단위 픽셀로부터 검출되는 전압 또는 전류로부터 상기 선택된 단위 픽셀의 바이너리 정보를 검출하는 칼럼 감지 증폭 회로, 및 상기 복수의 단위 픽셀들 각각의 바이너리 정보를 처리하여 픽셀 이미지 정보를 생성하는 프로세싱 유닛을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 칼럼 감지 증폭 회로는 상기 전압 또는 전류가 임계값 이상인 경우 상기 바이너리 정보를 1로 검출하고, 상기 전압 또는 전류가 임계값 보다 작은 경우 상기 바이너리 정보를 0으로 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 픽셀 이미지 정보는 3개 또는 4개의 상기 단위 픽셀들의 집합으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세싱 유닛은 상기 단위 픽셀의 집합을 구성하는 단위 픽셀들 각각의 바이너리 정보를 누적하여 상기 픽셀 이미지 정보를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세싱 유닛은 상기 단위 픽셀들의 집합을 구성하는 단위 픽셀들 가운데 어느 하나의 단위 픽셀의 바이너리 정보에 기초하여 상기 픽셀 이미지 정보를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 서로 다른 물질로 형성되는 양자점을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 서로 다른 크기를 갖는 양자점을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 단위 픽셀들은 레드 단위 픽셀(R), 그린 단위 픽셀(G), 블루 단위 픽셀(B)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀은 일면으로 빛이 인가되는 기판, 상기 기판의 상기 일면 상에 배치되는 적어도 하나의 양자점, 상기 기판의 타면 상에 배치되는 게이트 전극, 상기 게이트 전극 양옆에 각각 형성되는 소스 및 드레인 영역들, 상기 소스 및 드레인 영역들 사이에 형성되는 채널 영역, 및 상기 채널 영역과 상기 적어도 하나의 양자점 사이에 형성되고, 상기 적어도 하나의 양자점으로부터 전달되는 캐리어를 저장하는 전하 저장 영역을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 게이트 전극에 게이트 전압이 인가되면 상기 전하 저장 영역에 저장된 캐리어가 상기 채널 영역의 정전 포텐셜(electrostatic potectial)을 낮출 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전하 저장 영역과 상기 소스 및 드레인 영역은 서로 다른 도전형을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전하 저장 영역은 이온 주입법을 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 양자점과 상기 전하 저장 영역은 서로 접할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 양자점은 금속 화합물 또는 실리콘 화합물로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 화합물은 구리, 텅스텐, 및 알루미늄 중 적어도 하나의 화합물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀은 넓은 동적 범위(Wide Dynamic Range)를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀은 크로스토크(crosstalk)를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이를 더욱 구체적으로 보여준다.
도 3은 도 1의 픽셀 어레이의 등가 회로를 보여준다.
도 4는 도 3의 단위 픽셀의 단면도를 보여준다.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 도 1의 바이너리 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀들의 적용예를 보여준다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서들을 보여준다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 14는 도 13의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 보여주는 블록도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 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 명세서에 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.
본 발명은 바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀에 관한 것이다. 이하에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서(1000)는 픽셀 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1200), 로우 드라이버(1300), 칼럼 감지 증폭기 회로(1400), 및 프로세싱 유닛(1500)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 픽셀 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1200), 로우 드라이버(1300), 칼럼 감지 증폭기 회로(1400), 및 프로세싱 유닛(1500)은 하나의 기판에 집적되어 원-칩 형태로 제작될 수 있다.
픽셀 어레이(1100)는 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀은 복수의 단위 픽셀(Unit Pixel, 또는 'JOT'라고도 호칭됨)을 포함할 수 있다. 각각의 단위 픽셀은 입사되는 광신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 각각의 단위 픽셀은 적어도 하나의 양자점(Quantum Dot)을 포함할 수 있다. 양자점은 나노 크기의 반도체 물질로서 양자 제한(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질로 이해될 수 있다. 양자점으로 인가된 광자(photon)에 의해 생성되는 캐리어(전자 및/또는 정공)는 단위 픽셀의 전기적 특성(ex. 전압, 전류)의 변화를 유도할 것이다. 단위 픽셀의 전기적 특성의 변화로부터 단위 픽셀이 갖는 바이너리(binary) 정보가 정의될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이너리 이미지 센서 및 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀은 양자점을 사용하여 단위 픽셀로 인가되는 빛의 집광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 각각의 단위 픽셀마다 빛을 수광하기 위한 양자점을 배치함으로써 단위 픽셀 간의 크로스토크(crosstalk)를 감소시키고, 넓은 동적 범위(Wide Dynamic Range)를 가질 수 있다. 또한, 단위 픽셀 별로 바이너리 정보를 정의함으로써 일반적인 이미지 센서의 아날로그-디지털 변환 회로(ADC)와 같은 구성을 생략할 수 있다. 단위 픽셀의 구조 및 동작에 대해서는 이하의 도 4 내지 도 7을 참고하여 더욱 구체적으로 설명될 것이다.
타이밍 컨트롤러(1200)는 이미지 센서(1000)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 이를 위해, 타이밍 컨트롤러(1200)는 로우 드라이버(1300) 및 칼럼 감지 증폭기 회로(1400)에 타이밍(timing) 신호, 제어 신호, 및 어드레스 정보 등을 제공할 수 있다.
로우 드라이버(1300)는 타이밍 컨트롤러(1200)로부터 제공되는 어드레스 정보를 이용하여 픽셀 어레이(1100)의 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 로우 드라이버(1300)는 복수의 픽셀들을 구동하기 위한 구동 신호들을 픽셀 어레이(1100)로 제공할 수 있다. 복수의 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행 별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
칼럼 감지 증폭기 회로(1400)는 단위 픽셀들을 센싱하는 복수의 감지 증폭기들을 포함할 수 있다. 칼럼 감지 증폭기 회로(1400)는 단위 픽셀들을 센싱하여 '1' 또는 '0'의 바이너리 정보를 획득할 수 있다. 예를 들면, 칼럼 감지 증폭기 회로(1400)는 센싱된 단위 픽셀의 전류가 임계값 이상인 경우 바이너리 정보를 '1'로 판단하고, 센싱된 단위 픽셀의 전류가 임계값 보다 작은 경우 바이너리 정보를 '0'으로 판단할 수 있다. 또한, 예를 들면, 칼럼 감지 증폭기 회로(1400)는 전류가 흐르는 단위 픽셀의 경우 바이너리 정보를 '1'로 판단하고, 전류가 흐르지 않는 단위 픽셀의 경우 바이너리 정보를 '0'으로 판단할 수 있다.
프로세싱 유닛(1500)은 단위 픽셀의 바이너리 정보를 처리하여 픽셀의 이미지 정보를 생성할 수 있다. 예를 들면, 단위 픽셀 가운데 어느 하나라도 '1'의 바이너리 정보를 갖는 경우 대응되는 픽셀은 '1'의 이미지 정보를 갖는 것으로 처리될 수 있다. 하지만, 픽셀의 이미지 정보 생성 방법은 이에 한정되는 것이 아니며, 다양한 방법(예를 들면, 단위 픽셀의 바이너리 정보의 총합)에 따라 픽셀의 이미지 정보가 생성될 수 있다. 즉, 단위 픽셀들의 바이너리 정보에 따라 픽셀의 이미지 정보가 결정될 것이다. 결정된 이미지 정보는 이미지 데이터 처리부(미도시)로 전달될 것이다.
한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서(1000)는 이미지 촬영 기능을 구비한 다양한 멀티미디어 장치들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서(1000)는, 모바일 폰 또는 스마트 폰, 태블릿 또는 스마트 태블릿에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 이미지 센서(1000)는 노트북 컴퓨터, 텔레비전, 스마트 텔레비전, 디지털 카메라 또는 디지털 캠코더에 적용될 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이를 더욱 구체적으로 보여준다. 도 3은 도 1의 픽셀 어레이의 등가 회로를 보여준다.
먼저, 도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(1100)는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀은 복수의 단위 픽셀들(1110)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 각각의 픽셀은 4개의 단위 픽셀들(예를 들면, 펜타일 구조의 경우)을 포함할 수 있다. 하지만, 각각의 픽셀은 3개의 단위 픽셀들로 구성될 수도 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 각각의 단위 픽셀(1110)은 예를 들어, 레드(R), 그린(G) 또는 블루(B) 픽셀들일 수 있다.
도 3을 참조하면, 단위 픽셀들(1110)은 하나의 플로팅 바디 트랜지스터로 모델링될 수 있다. 각각의 단위 픽셀(1110)은 어레이 형태로 배치되고, 그에 따라 플로팅 바디 트랜지스터들은 서로 연결될 것이다.
구체적으로, 픽셀 어레이(1100)의 소스 라인들(SL1-SLn)은 하나의 로우에 연결된 단위 픽셀들의 소스들과 연결된다. 로우 드라이버(1300)는 소스 라인들(SL1-SLn)을 통해 선택된 단위 픽셀들의 소스들에 소스 전압(Vs)을 인가할 것이다.
픽셀 어레이(1100)의 게이트 라인들(GL1-GLn)은 하나의 로우에 연결된 단위 픽셀들의 게이트들과 연결된다. 게이트 라인들은 소스 라인들과 나란하게 배치될 수 있다. 로우 드라이버(1300)는 게이트 라인들(GL1-GLn)을 통해 선택된 단위 픽셀들의 게이트들에 게이트 전압(Vg)을 인가할 것이다.
단위 픽셀들의 드레인들은 각각 대응되는 열의 칼럼 라인(CL1-CLn)과 연결된다. 칼럼 감지 증폭 회로(1400)는 칼럼 라인(CL1-CLn)을 통해 선택된 단위 픽셀들의 전압 또는 전류를 센싱하고, 센싱된 전압 또는 전류로부터 단위 픽셀의 바이너리 정보를 검출할 것이다.
도 4는 도 3의 단위 픽셀의 단면도를 보여준다.
도 4에 도시된 플로팅 바디 트랜지스터는 기판의 후면으로 빛이 입사되는 후면 수광 구조를 갖는 것으로 설명된다. 이하에서 설명되는 각 영역들의 도전형이 여기에 한정되지 않음은 잘 이해될 것이다.
도 4를 참조하면, 단위 픽셀은 제 1 영역(1111), 드레인 영역(1112), 소스 영역(1113), 게이트 절연막(1114), 게이트 전극(1115), 제 2 영역(1116), 전하 저장 영역(1117), 및 양자점(1118)을 포함할 수 있다.
제 1 영역(1111)은 예를 들어, 실리콘(Si) 기판일 수 있다. 제 1 영역(1111)은 예를 들어, p 형 불순물(또는 n 형 불순물)로 도핑될 수 있다. 드레인 영역(1112) 및 소스 영역(1113)은 n 형 불순물(또는 p 형 불순물)로 도핑될 수 있으며, 서로 이격되어 형성될 수 있다. 드레인 영역(1112) 및 소스 영역(1113)은 고농도로 도핑될 수 있다. 제 1 영역(1111)과 드레인 영역(1112) 및 소스 영역(1113)은 서로 다른 도전형을 갖도록 도핑될 수 있다.
드레인 영역(1112) 및 소스 영역(1113) 사이에는 채널(channel)이 형성될 것이다. 게이트 절연막(1114)은 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성될 수 있다. 게이트 전극(1115)은 투명한 금속, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide) 전극 또는 폴리실리콘 전극일 수 있다. 제 2 영역(1116)은 절연층이며, 예를 들어, 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 영역(1116)에는 게이트 전극(1115)에 연결되는 금속 배선이 형성될 수 있다.
전하 저장 영역(1117)은 채널 위에(도 4에 도시된 방향을 기준으로 설명함) 형성될 수 있다. 전하 저장 영역(1117)은 예를 들어, 이온 주입법(ion implantation)을 이용하여 형성될 수 있으며, 채널과 반대되는 도전형을 갖도록 형성될 수 있다.
전하 저장 영역(1117)에는 양자점(1118)으로부터 생성된 캐리어(전자 또는 정공)가 저장될 것이다. 저장된 캐리어는 채널의 정전 포텐셜(electrostatic potential)에 영향을 미치고, 변화된 정전 포텐셜에 따라 채널에 흐르는 전류의 크기가 변화될 것이다.
양자점(1118)은 빛이 인가됨에 따라 캐리어(전자 및/또는 정공)를 생성할 것이다. 양자점(1118)은 전하 저장 영역(1117) 위에 형성될 수 있다. 양자점(1118)은 하나 또는 그 이상이 형성될 수 있으며, 자기 정렬(self-aligned) 또는 패터닝 방법에 의해 형성될 수 있다. 양자점(1118)은 p 형, n 형, 또는 p 형과 n 형이 혼합된 형태의 도전형을 가질 수 있다. 양자점(1118)은 예를 들면, 금속 산화물(ex. 구리, 텅스텐, 알루미늄), Si, 또는 GaAs 등으로 형성될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 도 4에 도시된 단위 픽셀의 동작을 설명하기 위한 단면도들이다.
단위 픽셀은 하기의 도 5 내지 도 7을 이용하여 설명되는 리셋, 충전, 및 선택/읽기 동작을 타이밍 컨트롤러(1200)의 제어에 따라 소정 간격마다 반복할 것이다. 도 5 내지 도 7에서는 드레인 영역(1112) 및 소스 영역(1113)의 도전형은 n 형, 전하 저장 영역(1117)의 도전형은 p 형인 것으로 가정되나, 이에 한정되지 않음은 잘 이해될 것이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 리셋 동작이 설명된다. 소스 라인(도 3 참조)을 통해 소스 영역(1113)에 소스 전압(Vs)이 인가되면, 전하 저장 영역(1117)에 저장되어 있던 캐리어(예를 들어, 정공)가 제거될 수 있다. 소스 전압(Vs)은 캐리어의 극성과 반대되는 극성을 가질 수 있다. 예를 들면, 소스 전압(Vs)은 음의 극성을 갖도록 인가될 수 있다. 한편, 리셋 동작 동안 게이트 전압(Vg)은 0으로 설정될 수 있다.
도 6을 참조하면, 충전 동작이 설명된다. 충전 동작은 양자점(1118)에 빛이 인가되어 캐리어가 생성되고, 생성된 캐리어가 전하 저장 영역(1117)에 저장되는 동작으로 정의될 수 있다. 예를 들면, 양자점(1118)에 빛이 인가되면 전자 및 정공 쌍이 생성되고, 그 가운데 정공만이 전하 저장 영역(1117)에 저장될 것이다. 인가되는 빛의 세기가 강할수록 더 많은 수의 정공이 전하 저장 영역(1117)에 저장될 수 있다. 충전 동작 동안 소스 전압(Vs) 및 게이트 전압(Vg)은 0으로 설정될 수 있다.
도 7을 참조하면, 선택/읽기 동작이 설명된다. 전하 저장 영역(1117)에 저장된 캐리어에 의해 채널의 정전 포텐셜이 변화될 것이다. 예를 들면, 전하 저장 영역(1117)에 저장된 캐리어는 채널의 정전 포텐셜을 감소시켜 채널에 흐르는 전류를 증가시킬 수 있다. 나아가, 양자점(1118)으로 인가되는 빛의 세기가 강할수록 채널의 정전 포텐셜에 대한 캐리어의 영향은 증가할 수 있다. 즉, 각각의 단위 픽셀은 양자점(1118)으로 입사되는 빛의 세기에 따라 각각 다른 수의 캐리어를 생성할 것이다. 그에 따라, 각각의 단위 픽셀의 채널에 흐르는 전류의 세기가 달라질 것이다. 선택/읽기 동작 시에 게이트 전극(1115)에 소정 레벨의 게이트 전압(Vg)이 인가되면, 변화된 정전 포텐셜에 따른 전류가 채널에 형성될 것이다. 선택/읽기 동작 동안 소스 전압(Vs)은 구동 전압(Vdd)으로, 게이트 전압(Vg)은 소정 레벨의 게이트 전압(Vg)으로 설정될 수 있다.
도 8은 도 1의 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8에서 픽셀 어레이(1100)는 10 x 10 개의 단위 픽셀들을 포함하는 것으로 가정된다. 4개의 단위 픽셀들은 하나의 픽셀을 구성할 수 있다. 각각의 단위 픽셀은 바이너리 정보를 가질 수 있다. 예시적으로, 음영으로 표시된 단위 픽셀들은 '1'의 바이너리 정보를 갖는 것으로, 음영으로 표시되지 않은 단위 픽셀들은 '0'의 바이너리 정보를 갖는 것으로 정의된다.
도 8을 참조하면, 이미지 센서(1000, 도 1 참조)의 칼럼 감지 증폭 회로(1400)는 각각의 단위 픽셀의 바이너리 정보를 센싱할 수 있다. 예를 들면, 칼럼 감지 증폭 회로(1400)의 센싱 결과, 센싱된 단위 픽셀의 전류가 임계값 이상인 경우 바이너리 정보는 '1'로 판단될 것이다. 칼럼 감지 증폭 회로(1400)의 센싱 결과, 센싱된 단위 픽셀의 전류가 임계값 보다 작은 경우 바이너리 정보는 '0'으로 판단될 것이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1000)는 단위 픽셀마다 바이너리 정보를 출력할 수 있다. 출력된 단위 픽셀의 바이너리 정보는 프로세싱 유닛(1500)에 의해 처리되어 픽셀의 이미지 정보로 가공될 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀들의 적용예를 보여준다.
도 9를 참조하면, 3개의 단위 픽셀들이 순차적으로 연결된 구조가 도시된다. 각각의 단위 픽셀은 도 4를 참조하여 설명한 단위 픽셀과 동일한 구조를 가질 수 있다. 하지만, 본 적용예의 경우 각각 다른 물질로 구성된 제 1 내지 제 3 양자점들(1118a, 1118b, 1118c)을 사용하여 각각의 단위 픽셀이 서로 다른 파장의 빛을 흡수하도록 구성할 수 있다. 구체적으로, 제 1 내지 제 3 양자점들(1118a, 1118b, 1118c)의 크기 또는 물질 조성(예를 들어, Si, GaAs 등)을 조절하여 각각 다른 파장 대의 빛을 흡수하도록 구성할 수 있다.
예를 들면, 제 1 양자점(1118a)을 갖는 단위 픽셀은 레드(R)에 대응하는 파장(약 670nm)의 빛을 흡수할 수 있다. 제 2 양자점(1118b)을 갖는 단위 픽셀은 그린(G)에 대응하는 파장(약 570nm)의 빛을 흡수할 수 있다. 제 3 양자점(1118c)을 갖는 단위 픽셀은 블루(B)에 대응하는 파장(약 415nm)의 빛을 흡수할 수 있다.
즉, 본 적용예에 따르면 이미지 센서(1000, 도 1 참조)는 R, G, B 단위 픽셀마다 바이너리 정보를 획득할 수 있다. 따라서, R, G, B 각각에 대한 개별적인 이미지 데이터를 생성할 수 있고, 일반적인 이미지 센서들과 달리 컬러 필터(color filter)의 사용이 생략될 수 있다. 또한, 각각의 단위 픽셀들의 양자점들(1118a, 1118b, 1118c)은 물리적으로 분리되어 배치되므로 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서를 보여준다.
먼저, 도 10을 참조하면, 감지 증폭 회로(1400) 및 프로세싱 유닛(1500)은 하나의 기판에 집적될 수 있다. 단위 픽셀(1110, 도 4 참조)과 칼럼 감지 증폭 회로(1400) 및 프로세싱 유닛(1500)이 집적된 기판은 복층 구조로 배치될 수 있다. 단위 픽셀(1110)은 비아(via, 1120)를 통해 칼럼 감지 증폭 회로(1400) 및 프로세싱 유닛(1500)이 집적된 기판과 연결될 수 있다.
구체적으로, 칼럼 감지 증폭 회로(1400) 및 프로세싱 유닛(1500)은 단위 픽셀(1110)의 드레인으로부터 출력되는 전압 또는 전류를 전달받을 수 있다. 칼럼 감지 증폭 회로(1400) 및 프로세싱 유닛(1500)의 동작에 대해서는 도 1 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같다. 상술한 바와 같이, 단위 픽셀(1110)과 칼럼 감지 증폭 회로(1400) 및 프로세싱 유닛(1500)이 집적된 기판을 복층 구조로 배치함으로써 이미지 센서의 면적을 소형화할 수 있다.
도 11을 참조하면, 단위 픽셀(1110, 도 4 참조)의 아래에 선택 트랜지스터(SEL, 1121~1125로 구성됨)가 배치될 수 있다. 선택 트랜지스터(SEL)는 기판(1121), 드레인 영역(1122), 소스 영역(1123), 게이트 절연막(1124), 및 게이트 전극(1125)을 포함할 수 있다. 단위 픽셀(1110)의 드레인(1112)과 선택 트랜지스터(SEL)의 드레인(1122)은 비아(via, 1120)를 통해 연결될 수 있다. 선택 트랜지스터(SEL)의 게이트(1125)에는 선택 전압(Vsel)이 인가될 수 있다. 따라서, 선택 트랜지스터(SEL)는 스위치와 같이 동작할 수 있다. 즉, 단위 픽셀(1110)의 드레인으로(1112)부터 출력되는 전압 또는 전류는 선택 트랜지스터(SEL)가 턴-온 되는 경우에 외부로 출력될 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 시스템을 보여주는 블록도이다.
여기서, 카메라 시스템(2000)은 일 예로 디지털 카메라를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 카메라 시스템(2000)은 렌즈(2100), 이미지 센서(2200), 모터부(2300) 및 엔진부(2400)를 포함할 수 있다.
렌즈(2100)는 이미지 센서(2200)의 수광 영역으로 입사 광을 집광시킨다.
이미지 센서(2200)는 도 1 내지 도 7에서 설명된 단위 픽셀(Unit Pixel)들로 구성되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서(2200)는 도 9를 참조하여 설명된 단위 픽셀들로 구성되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 센서(2200)는 렌즈(2100)를 통하여 입사된 광에 기초하여 이미지 데이터를 생성한다. 이미지 센서(2200)는 클록 신호(CLK)에 기초하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 실시 예에 따라, 이미지 센서(2200)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(2400)와 인터페이싱할 수 있다.
모터부(2300)는 엔진부(2400)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 렌즈(2100)의 포커스(Focus)를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다.
엔진부(2400)는 이미지 센서(2200) 및 모터부(2300)를 제어한다. 또한, 엔진부(2400)는 이미지 센서(2200)로부터 수신된 거리 및/또는 이미지 데이터에 기초하여 피사체와의 거리, 휘도 성분, 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터(YUV)를 생성할 수 있다. 또한, 엔진부(2400)는 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다. 엔진부(2400)는 호스트/어플리케이션(2500)에 연결될 수 있다. 엔진부(2400)는 마스터 클록(MCLK)에 기초하여 YUV 데이터(YUV) 또는 JPEG 데이터를 호스트/어플리케이션(2500)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(2400)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(2500)과 인터페이싱할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨팅 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(3000)은 프로세서(3100), 메모리 장치(3200), 저장 장치(3300), 입출력 장치(3400), 파워 서플라이(3500) 및 이미지 센서(3600)를 포함할 수 있다.
한편, 도 13에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(3300)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드 및 USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(Port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(3100)는 특정 계산들 또는 태스크(Task)들을 수행할 수 있다. 실시 예에 따라, 프로세서(3100)는 마이크로프로세서(Micro-processor) 또는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)를 포함할 수 있다. 프로세서(3100)는 어드레스 버스(Address bus), 제어 버스(Control bus) 및 데이터 버스(Data bus)를 통하여 메모리 장치(3200), 저장 장치(3300) 및 입출력 장치(3400)와 통신할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(3100)는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.
메모리 장치(3200)는 컴퓨팅 시스템(3000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(3200)는 디램(DRAM), 모바일 DRAM(Mobile DRAM), 에스램(SRAM), 피램(PRAM), 에프램(FRAM), 알램(RRAM) 및/또는 엠램(MRAM) 등을 포함할 수 있다.
저장 장치(3300)는 SSD(Solid State Drive), HDD(Hard Disk Drive) 또는 씨디 롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다.
입출력 장치(3400)는 키보드(Keyboard), 키 패드(Keypad), 마우스(Mouse) 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다.
파워 서플라이(3500)는 컴퓨팅 시스템(3000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
이미지 센서(3600)는 도 1 내지 도 7에서 설명된 단위 픽셀(Unit Pixel)들로 구성되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서(3600)는 도 9를 참조하여 설명된 단위 픽셀들로 구성되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 이미지 센서(3600)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(3100)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 이미지 센서(3600)는 프로세서(3100)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다. 한편, 컴퓨팅 시스템(3000)은 이미지 센서(3600)를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(3000)은 디지털 카메라, 이동 전화기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 스마트 폰(Smart phone) 등을 포함할 수 있다.
도 14는 도 13의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 보여주는 블록도이다.
도 14를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(190)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치로 구현될 수 있고, AP(Application Processor, 4100)와 이미지 센서(4300) 및 디스플레이(4400) 등을 포함할 수 있다. AP(4100)의 CSI 호스트(Camera Serial Interface Host, 4120)는 CSI를 통하여 이미지 센서(4300) 내의 CSI 장치(4310)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다.
일 실시 예에서, CSI 호스트(4120)는 DES(DESerializer)를 포함할 수 있고, CSI 장치(4310)는 SER(SERializer)을 포함할 수 있다. 이미지 센서(4300)는 도 1 내지 도 7에서 설명된 단위 픽셀(Unit Pixel)들로 구성되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서(4300)는 도 9를 참조하여 설명된 단위 픽셀들로 구성되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.
AP(4100)의 DSI 호스트(Display Serial Interface Host, 4110)는 DSI를 통하여 디스플레이(4400)의 DSI 장치(4410)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시 예에서, DSI 호스트(4110)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(4410)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(4000)은 AP(4100)와 통신을 수행할 수 있는 RF(Radio Frequency) 칩(4500)을 더 포함할 수 있다. AP(4100)의 PHY(Physical layer, 4130)와 RF 칩(4500)의 PHY(4510)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, AP(4100)는 PHY(4130)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(4140)를 더 포함할 수 있다.
컴퓨팅 시스템(4000)은 GPS(Global Positioning System, 4200), 스토리지(4600), 마이크(4700), DRAM(Dynamic Random Access Memory, 4800) 및 스피커(4900)를 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 시스템(4000)은 WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, 4910), WLAN(Wireless Local Area Network, 4920), 및 UWB(Ultra WideBand, 4930) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(4000)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위와 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1000: 이미지 센서 2000: 카메라 시스템
1100: 픽셀 어레이 2100: 렌즈
1200: 타이밍 컨트롤러 2200: 이미지 센서
1300: 로우 드라이버 2300: 모터부
1400: 칼럼 감지 증폭 회로 2400: 엔진부
1500: 프로세싱 유닛 2500: 호스트/어플리케이션
1110: 단위 픽셀 3000: 컴퓨팅 시스템
1111, 1121: 제 1 영역 3100: 프로세서
1112, 1122: 드레인 영역 3200: 메모리 장치
1113, 1123: 소스 영역 3300: 스토리지
1114, 1124: 게이트 절연막 3400: I/O 디바이스
1115, 1125: 게이트 전극 3500: 전원
1116: 제 2 영역 3600: 이미지 센서
1117: 전하 저장 영역
1118: 양자점

Claims (10)

  1. 일면으로 빛이 입사되는 기판과 상기 기판의 일면에 배치되는 적어도 하나의 양자점을 포함하는 복수의 단위 픽셀들;
    상기 복수의 단위 픽셀들 중 선택된 단위 픽셀로부터 검출되는 전압 또는 전류로부터 상기 선택된 단위 픽셀의 바이너리 정보를 검출하는 칼럼 감지 증폭 회로; 및
    상기 복수의 단위 픽셀들 각각의 바이너리 정보를 처리하여 픽셀 이미지 정보를 생성하는 프로세싱 유닛을 포함하는 바이너리 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼럼 감지 증폭 회로는 상기 전압 또는 전류가 임계값 이상인 경우 상기 바이너리 정보를 1로 검출하고, 상기 전압 또는 전류가 임계값 보다 작은 경우 상기 바이너리 정보를 0으로 검출하는 바이너리 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 픽셀 이미지 정보는 3개 또는 4개의 상기 단위 픽셀들의 집합으로 구성되는 바이너리 이미지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로세싱 유닛은 상기 단위 픽셀의 집합을 구성하는 단위 픽셀들 각각의 바이너리 정보를 누적하여 상기 픽셀 이미지 정보를 생성하는 바이너리 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 서로 다른 물질로 형성되는 양자점을 포함하는 바이너리 이미지 센서.
  6. 일면으로 빛이 인가되는 기판;
    상기 기판의 상기 일면 상에 배치되는 적어도 하나의 양자점;
    상기 기판의 타면 상에 배치되는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극 양옆에 각각 형성되는 소스 및 드레인 영역들;
    상기 소스 및 드레인 영역들 사이에 형성되는 채널 영역; 및
    상기 채널 영역과 상기 적어도 하나의 양자점 사이에 형성되고, 상기 적어도 하나의 양자점으로부터 전달되는 캐리어를 저장하는 전하 저장 영역을 포함하는 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 게이트 전극에 게이트 전압이 인가되면 상기 전하 저장 영역에 저장된 캐리어가 상기 채널 영역의 정전 포텐셜(electrostatic potectial)을 낮추는 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전하 저장 영역과 상기 소스 및 드레인 영역은 서로 다른 도전형을 갖는 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전하 저장 영역은 이온 주입법을 이용하여 형성되는 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 양자점과 상기 전하 저장 영역은 서로 접하는 바이너리 이미지 센서의 단위 픽셀.
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