KR20140069932A - 열적 리셋을 수행할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 장치들 - Google Patents

열적 리셋을 수행할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 장치들

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KR20140069932A
KR20140069932A KR1020120137825A KR20120137825A KR20140069932A KR 20140069932 A KR20140069932 A KR 20140069932A KR 1020120137825 A KR1020120137825 A KR 1020120137825A KR 20120137825 A KR20120137825 A KR 20120137825A KR 20140069932 A KR20140069932 A KR 20140069932A
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Abstract

이미지 센서의 동작 방법은 픽셀에 집적된 열전-접합을 갖는 열전 소자를 이용하여 상기 픽셀을 열전-냉각하는 단계와, 상기 열전 소자를 이용하여 광전 변환 동작을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 열전-냉각하는 단계는 펠티어-접합을 갖는 펠티어-소자를 이용하여 상기 픽셀을 펠티어-냉각하는 단계이다.

Description

열적 리셋을 수행할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 장치들{IMAGE SENSOR FOR PERFORMING THERMAL RESET, METHOD THEREOF, AND DEVICES INCLUDING THE SAME}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 펠티어-효과(Peltier effect)를 이용하여 열적 리셋(thermal reset)을 수행할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 장치들에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서는 상보 금속산화반도체(complementary metal-oxide semiconductor(CMOS))를 이용한 고체 이미지 감지 장치(solid-state image sensing device)이다.
상기 CMOS 이미지 센서는 고전압 아날로그 회로를 포함하는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서에 비해 제조 단가가 낮고, 크기가 작기 때문에 상기 CMOS 이미지 센서의 전력 소모는 적다.
최근에는 CMOS 이미지 센서의 성능이 향상되면서 스마트폰과 디지털 카메라 등과 같은 휴대용 전자 기기 이외의 다양한 전자 제품들에도 상기 CMOS 이미지 센서가 널리 사용되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 열전-소자를 이용하여 열적 리셋과 광전 변환을 수행할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 장치들을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서의 동작 방법은 픽셀에 집적된 열전-접합을 갖는 열전 소자를 이용하여 상기 픽셀을 열전-냉각하는 단계와, 상기 열전 소자를 이용하여 광전 변환 동작을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 열전-냉각하는 단계는 펠티어-접합을 갖는 펠티어-소자를 이용하여 상기 픽셀을 펠티어-냉각하는 단계일 수 있다.
상기 펠티어-냉각하는 단계는 리셋 동작 동안, 상기 펠티어-접합을 형성하는 n-타입 반도체 소자로 전압을 공급하는 단계와, 상기 리셋 동작 동안, 상기 전압이 상기 n-타입 반도체 소자로 공급되는 동안 상기 펠티어-접합을 형성하는 p-타입 반도체 소자로 상기 전압보다 높은 동작 전압을 공급하는 단계를 포함한다.
상기 p-타입 반도체 소자는 p-타입 상 변화 물질이고, 상기 p-타입 상 변화 물질은 Ge2Sb2Te5일 수 있다.
실시 예에 따라 상기 열전 소자는 FEOL 공정(front end of the line integration process)을 통하여 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따라 상기 열전 소자는 BEOL(back end of the line) 공정 후에 형성될 수 있다.
상기 방법은 상기 광전 변환 동작 동안, 광전 변환을 수행하는 상기 p-타입 반도체 소자로 상기 동작 전압을 공급하는 단계를 더 포함한다.
상기 광전 변환 동작 동안 상기 동작 전압을 상기 p-타입 반도체 소자로 공급하는 경로는 상기 리셋 동작 동안 상기 동작 전압을 상기 p-타입 반도체 소자로 공급하는 경로와 서로 다를 수 있다.
상기 방법은 상기 광전 변환 동작 동안, 상기 p-타입 반도체 소자를 이용하여 광전 변환을 수행하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 상기 광전 변화 동작 동안, 상기 p-타입 반도체 소자로부터 생성된 전하들을 플로팅 디퓨젼 노드로 직접 전송하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 상기 전하들에 기초하여 생성된 픽셀 신호를 리드아웃(readout)하는 동안, 상기 n-타입 반도체 소자로 상기 전압을 공급하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는 열전-접합을 갖는 열전 소자를 포함하는 픽셀과, 상기 열전 소자로 하여금 상기 픽셀에 대한 열전-냉각 동작과 광전 변환 동작을 수행하도록 제어하는 리드아웃 회로를 포함한다.
상기 열전 소자는 펠티어-접합을 형성하는 n-타입 반도체 소자와 p-타입 반도체 소자를 포함하는 펠티어 소자이다.
실시 예에 따라 상기 이미지 센서는 표면 조사용(front side illumination(FSI)) CMOS 이미지 센서일 수 있다. 다른 실시 예에 따라, 상기 이미지 센서는 이면 조사용(back side illumination(BSI)) CMOS 이미지 센서일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 처리 장치는 이미지 센서와, 상기 이미지 센서의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함한다. 상기 이미지 센서는 열전-접합을 갖는 열전 소자를 포함하는 픽셀과, 상기 열전 소자로 하여금 상기 픽셀에 대한 열전-냉각 동작과 광전 변환 동작을 수행하도록 제어하는 리드아웃 회로를 포함한다.
상기 열전 소자는 펠티어-접합을 형성하는 n-타입 반도체 소자와 p-타입 반도체 소자를 포함하는 펠티어 소자이고, 상기 리드아웃 회로는 리셋 동작 동안, 상기 n-타입 반도체 소자로 전압이 공급되는 동안 상기 p-타입 반도체 소자로 상기 전압보다 높은 동작 전압을 공급한다.
상기 리드아웃 회로는 상기 광전 변환 동작 동안, 상기 p-타입 반도체 소자에 의해 생성된 전하들을 플로팅 디퓨젼 노드로 직접 전송하고, 리드아웃 동작 동안, 상기 n-타입 반도체 소자로 상기 전압을 공급한다.
본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 전자 장치는 상기 이미지 처리 장치와, 상기 이미지 처리 장치의 동작을 제어하는 프로세서와, 상기 이미지 처리 장치에 의해 처리된 이미지 데이터를 디스플레이하는 디스플레이를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 이미지 센서는, 리셋 동작 동안, 열적 리셋과 전기적 리셋을 수행할 수 있으므로 온도의 변화에 적응적으로 동작할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자를 포함하는 픽셀과 리드아웃 (readout) 회로를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 나타낸다.
도 2는 도 1의 리드아웃 회로의 동작에 관련된 제어 신호들의 타이밍 도이다.
도 3은 도 1의 픽셀과 리드아웃 회로의 일부를 포함하는 FEOL 집적(front end of the line integration) 표면 조사용(front side illumination(FSI)) CMOS (complementary metal oxides semiconductors) 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 1의 픽셀과 리드아웃 회로의 일부를 포함하는 BEOL(back end of the line) 집적 표면 조사용 CMOS 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 1의 픽셀과 리드아웃 회로의 일부를 포함하는 이면 조사용(back side illumination(BSI)) CMOS 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 6은 열전-냉각을 수행할 수 있는 픽셀들이 집적된 픽셀 어레이를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 픽셀과 리드아웃 회로를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 나타낸다.
도 8은 도 7에 도시된 리드아웃 회로의 동작에 관련된 제어 신호들의 타이밍 도이다.
도 9는 열전-냉각을 수행할 수 없는 종래의 픽셀에 접속된 종래의 리드아웃 회로의 신호들의 파형도를 나타낸다.
도 10은 열전-냉각을 수행할 수 있는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀에 접속된 본 발명의 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 신호들의 파형도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 휴대용 전자 장치의 블록도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 휴대용 전자 장치의 블록도를 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 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 명세서에서 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.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자를 포함하는 픽셀과 리드아웃 (readout) 회로를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 나타낸다.
도 1을 참조하면, CMOS 이미지 센서(100)는 픽셀(pixel; 110)과 리드아웃 회로(readout circuit; 120)를 포함한다. 예컨대, 픽셀(110)과 리드아웃 회로(120)는 픽셀 어레이의 단위 픽셀을 구성할 수 있다.
픽셀(110)은 열전-접합(thermoelectric-junction)을 갖는 열전 소자 (thermoelectric device or thermoelectric element)를 이용하여 픽셀(110)을 열전-냉각(thermoelectric cooling)할 수 있다.
상기 열전 소자는 열전 효과(thermoelectric effect)를 이용하여 온도 차이들을 전압으로 직접 변환하거나 또는 상기 열전 효과를 이용하여 전압 차이들을 온도로 직접 변환할 수 있는 소자를 의미한다.
상기 열전 효과는 펠티어(Peltier) 효과, 지벡(Seebak) 효과, 및 톰슨 (Thomson) 효과를 포함한다.
상기 열전 효과에 따라, 두 개의 서로 다른 물질들의 접합(이를, "열전-접합"이라 한다)에서 열전-냉각 또는 열전-가열이 수행된다. 즉, 상기 열전 효과는 상기 열전-접합에서 발생할 수 있고, 또한 상기 물질들 각각에 접속된 전극 (electrode)에서 발생할 수 있다.
상기 열전-냉각과 상기 열전-가열의 방향은 상기 물질들로 공급되는 전압들의 극성들 또는 상기 전압들의 차이에 따라 결정된다. 즉, 상기 열전-냉각과 상기 열전-가열은 열전-접합 사이에 열 유속(heat flux)을 생성하는 열전 효과를 이용한다.
본 명세서에는 열전-냉각의 일 예로서 펠티어-접합을 갖는 펠티어-소자를 이용하여 픽셀(110)을 펠티어-냉각하는 과정이 상세히 설명되나 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 바와 같이, 상기 펠티어-접합은 펠티어-효과를 나타낼 수 있는 접합을 의미하고, 상기 펠티어-냉각은 상기 펠티어-효과를 이용한 냉각을 의미한다.
픽셀(110)은 열전-접합을 형성하는 p-타입 반도체 소자(111)와 n-타입 반도체 소자(112)를 포함한다. 예컨대, 상기 열전-접합을 형성하는 p-타입 반도체 소자 (111)와 n-타입 반도체 소자(112)는 메탈과 같은 도전체(electric conductor)를 통하여 서로 접속될 수 있다.
p-타입 반도체 소자(111)는 p-타입 상 변화 물질(phase change material), 예컨대 GST, 보다 구체적으로 Ge2Sb2Te5로 구현될 수 있다. 상기 열전-접합은 p-n 다이오드의 p-n 접합과 그 성질이 완전히 다르다.
리드아웃 회로(120)는, 리셋 동작 동안, 픽셀(110)의 내부에 형성된 열전 소자로 하여금 픽셀(110)에 대한 열전-냉각 동작과 광전 변환 동작을 수행하도록 제어한다. 열전-접합을 형성하는 상기 열전 소자는 p-타입 반도체 소자(111)와 n-타입 반도체 소자(112)로 구현될 수 있다. 예컨대, 펠티어 소자는 p-타입 반도체 소자(111)와 n-타입 반도체 소자(112)를 포함한다.
리드아웃 회로(120)는 제1제어 신호(cG)에 응답하여 제1전압(V1)을 n-타입 반도체 소자(112)로 공급하는 제1스위치(121), 제2제어 신호(TG)에 응답하여 동작 전압(Vdd)을 p-타입 반도체 소자(111)로 공급하는 제2스위치(122)를 포함한다.
제1전압(V1)은 동작 전압(Vdd)보다 낮다.
리드아웃 회로(120)는 리셋 스위치(123), 소스 팔로워(SF), 및 선택 스위치 (124)를 더 포함한다. 각 구성 요소(121, 122, 123, SF, 및 124)는 MOSFET로 구현될 수 있다.
리셋 스위치(123)는 리셋 신호(RG)에 응답하여 소스 팔로워(SF)의 게이트로 동작 전압(Vdd)을 공급한다. 소스 팔로워(SF)는 상기 게이트의 전압에 기초하여 동작 전압(Vdd)에 상응하는 전압을 선택 스위치(124)로 전송한다. 선택 스위치(124)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 픽셀(110)에 의해 생성된 전하들에 상응하는 픽셀 신호(POUT)를 출력한다.
소스 팔로워(SF)의 게이트와 접지 사이에는 커패시터(CAP)가 형성된다. 커패시터(CAP)는 플로팅 디퓨전 노드(floating diffusion node)의 기능을 수행할 수 있다. 이 경우, 커패시터(CAP)는 p-타입 반도체 소자(111)로부터 생성된 전하들을 저장하는 상기 플로팅 디퓨전 노드의 모델링일 수 있다.
도 2는 도 1의 리드아웃 회로의 동작에 관련된 제어 신호들의 타이밍 도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 제1구간 동안(T1), 예컨대 리셋 동작 동안, 열적 리셋(thermal reset)을 위해 제1스위치(121)를 통해 열전-접합, 예컨대 펠티어-접합을 형성하는 n-타입 반도체 소자(112)로 제1전압(V1)이 공급된다.
제1전압(V1)이 n-타입 반도체 소자(112)로 공급되는 동안, 전기적 리셋을 위해 리셋 스위치(123)를 통해 p-타입 반도체 소자(111)로 제1전압(V1)보다 높은 동작 전압(Vdd)이 공급된다.
제2구간 동안(T2), 예컨대 전하 전송 동작 동안 또는 광전 변화 동작 동안, 제2제어 신호(TG)는 하이 레벨을 유지한다. 따라서, 제2스위치(122)를 통해 동작 전압(Vdd)이 p-타입 반도체 소자(111)로 공급된다. 이때, p-타입 반도체 소자(111)는 광 검출기(photo detector)의 기능을 수행할 수 있으므로, p-타입 반도체 소자 (111)에 의해 광전 변환 동작이 수행될 수 있다.
제3구간 동안(T3), 즉 픽셀 신호(POUT)를 리드아웃하는 동작 동안, 제1제어 신호(cG)는 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 제1전압(V1)은 제1스위치(121)를 통해 n-타입 반도체 소자(112)로 공급된다.
도 3은 도 1의 픽셀과 리드아웃 회로의 일부를 포함하는 FEOL 집적(front end of the line integration) 표면 조사용(front side illumination(FSI)) CMOS (complementary metal oxides semiconductors) 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 1부터 도 3을 참조하면, 기판(sub)에 n-타입 반도체 소자(n++)가 형성되고, n-타입 반도체 소자(n++) 위(on)에 열전-접합을 형성하기 위해 p-타입 반도체 소자, 예컨대 p-타입 Ge2Sb2Te5(p-Ge2Sb2Te5)가 형성된다. 이때, n-타입 반도체 소자 (n++)와 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)는 FEOL 공정을 통해 형성된다. 그 후, 메탈들 및/또는 컨택들이 BEOL 공정을 통해 형성되고, 패시베이션(passivation) 공정이 수행된다.
리셋 동작 동안(T1), 제1제어 신호(cG)에 응답하여 온(on)-된 제1스위치 (121)는 메탈들 및/또는 컨택들을 통해 제1전압(V1)을 n-타입 반도체 소자(n++)로 공급하고, 제1전압(V1)이 n-타입 반도체 소자(n++)로 공급되는 동안 제2제어 신호 (TG)에 응답하여 온-된 제2스위치(122)는 메탈들 및/또는 컨택들을 통해 동작 전압 (Vdd)을 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)로 공급한다. 따라서, 열전-접합, 예컨대 n-타입 반도체 소자(n++)와 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)의 접합에서 열전-냉각, 예컨대 펠티어-냉각이 수행된다.
도 4는 도 1의 픽셀과 리드아웃 회로의 일부를 포함하는 BEOL(back end of the line) 집적 표면 조사용 CMOS 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 1, 도 2, 및 도 4를 참조하면, BEOL 공정 후에 n-타입 반도체 소자(n++)가 형성되고, n-타입 반도체 소자(n++) 위에 열전-접합을 형성하기 위해 p-타입 반도체 소자, 예컨대 p-타입 Ge2Sb2Te5(p-Ge2Sb2Te5)가 형성된다.
리셋 동작 동안(T1), 제1제어 신호(cG)에 응답하여 온-된 제1스위치(121)는 메탈 및/또는 컨택을 통해 제1전압(V1)을 n-타입 반도체 소자(n++)로 공급하고, 제1전압(V1)이 n-타입 반도체 소자(n++)로 공급되는 동안 제2제어 신호(TG)에 응답하여 온-된 제2스위치(122)는 메탈 및/또는 컨택을 통해 동작 전압(Vdd)을 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)로 공급한다. 따라서, 열전-접합, 예컨대 n-타입 반도체 소자 (n++)와 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)의 접합에서 열전-냉각, 예컨대 펠티어-냉각이 수행된다.
도 5는 도 1의 픽셀과 리드아웃 회로의 일부를 포함하는 이면 조사용(back side illumination(BSI)) CMOS 이미지 센서의 단면도를 나타낸다.
도 1, 도 2, 및 도 5를 참조하면, 기판(sub)에 n-타입 반도체 소자(n++)가 형성되고, n-타입 반도체 소자(n++) 위에 열전-접합을 형성하기 위해 p-타입 반도체 소자, 예컨대 p-타입 Ge2Sb2Te5(p-Ge2Sb2Te5)가 형성된다.
리셋 동작 동안(T1), 제1제어 신호(cG)에 응답하여 온-된 제1스위치(121)는 제1전압(V1)을 n-타입 반도체 소자(n++)로 공급하고, 제1전압(V1)이 n-타입 반도체 소자(n++)로 공급되는 동안 제2제어 신호(TG)에 응답하여 온-된 제2스위치(122)는 동작 전압(Vdd)을 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)로 공급한다. 따라서, 열전-접합, 예컨대 n-타입 반도체 소자(n++)와 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)의 접합에서 열전-냉각, 예컨대 펠티어-냉각이 수행된다.
도 3부터 도 5에 도시된 IR은 픽셀(100)로 입사되는 입사 광, 예컨대 가시광 또는 적외선을 의미한다. 또한, 도 3부터 도 5에 도시된 바와 같이, n-타입 반도체 소자(n++)와 p-타입 반도체 소자(p-Ge2Sb2Te5)가 픽셀(110)의 내부에 집적되므로 별도의 열전 소자는 불필요하다.
도 6은 열전-냉각을 수행할 수 있는 픽셀들이 집적된 픽셀 어레이를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 픽셀 어레이(140)는 복수의 픽셀들(110-1~110-4)과 복수의 리드아웃 회로들(120-1~120-4)을 포함한다. 도 6에서는 설명의 편의를 위해, 4개의 픽셀들(110-1~110-4)과 4개의 리드아웃 회로들(120-1~120-4)을 포함하는 CMOS 이미지 센서가 도시되나 본 발명의 개념은 이에 한정되는 것이 아니다.
4개의 픽셀들(110-1~110-4) 각각의 구조는 도 3부터 도 5를 참조하여 설명된 각 픽셀(110)의 구조와 실질적으로 동일하다. 여기서, 실질적 동일은 완전 동일 또는 오차 범위 내에서 동일한 것을 의미한다.
이때, n-타입 반도체 소자(112)는 n-플러그(n-plug)로 불릴 수 있다. p-타입 반도체 소자(111), 예컨대 GST로부터 공급되는 전자들은 n-플러그(112) 쪽으로 공급될 수 있다.
복수의 픽셀들(110-1~110-4) 각각으로부터 출력된 픽셀 신호(Sig_out1과 Sig_out2)은 복수의 제어 신호들에 응답하여 각 컬럼을 통해 출력될 수 있다.
또한, 대응되는 로우(ROW1과 ROW2)에 구현된 대응되는 제1스위치들은 대응되는 제1제어 신호(cG)에 응답하여 제1전압(V1)을 대응되는 n-플러그(112)로 공급할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 픽셀 어레이에 포함된 픽셀과 리드아웃 회로를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 나타낸다.
제3제어 신호(DG)에 기초하여 제2전압(V2)을 p-타입 반도체 소자(111)로 공급하는 제3스위치(125)를 제외하면, 도 1의 리드아웃 회로(120)의 구조와 동작과 도 7의 리드아웃 회로(120A)의 구조와 동작은 실질적으로 동일하다.
도 6에 도시된 복수의 리드아웃 회로들(120-1~120-4) 각각은 도 1의 리드아웃 회로(120) 또는 도 7의 리드아웃 회로(120A)로 구현될 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 리드아웃 회로의 동작에 관련된 제어 신호들의 타이밍 도이다.
도 7과 도 8을 참조하면, 제1구간 동안(T1), 열적 리셋을 위해 제1제어 신호 (cG)가 먼저 하이 레벨로 천이하고 전기적 리셋을 위해 리셋 신호(RG)가 상기 하이 레벨로 천이한다.
제2구간 동안(T2), 전기적 드레인(electrical drain)을 위해 제3제어 신호 (DG)가 제2제어 신호(TG)보다 먼저 하이 레벨로 천이한다. 따라서, 제3스위치(125)는 제3제어 신호(DG)에 응답하여 제2전압(V2)을 p-타입 반도체 소자(111)로 공급한다. 이때, 제2전압(V2)은 동작 전압(Vdd)보다 높다.
도 9는 열전-냉각을 수행할 수 없는 종래의 픽셀에 접속된 종래의 리드아웃 회로의 신호들의 파형도를 나타내고, 도 10은 열전-냉각을 수행할 수 있는 본 발명의 실시 예에 따른 픽셀에 접속된 본 발명의 실시 예에 따른 리드아웃 회로의 신호들의 파형도를 나타낸다.
도 9는 n-타입 반도체 소자(112)와 제1스위치(121)가 구현되지 않았을 때 대응되는 리드아웃 회로로부터 출력되는 픽셀 신호(POUTP)를 나타내고, 도 10은 n-타입 반도체 소자(112)와 제1스위치(121)가 구현되었을 때, 대응되는 리드아웃 회로 (120 또는 120A)로부터 출력되는 픽셀 신호(POUT)를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 열적 리셋이 수행되지 않으므로 픽셀 신호(POUTP)는 리셋 동작 동안 완전히 리셋되지 않는다. 그러나, 도 10을 참조하면, 제1제어 신호(cG)에 따라 픽셀(110)에서 열적 리셋이 수행되므로, 픽셀 신호(POUT)는 리셋 동작 동안 거의 완전히 리셋된다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 1부터 도 8, 및 11을 참조하면, 리셋 동작 동안(T1), 픽셀(110)에 집적된 열전-접합, 예컨대 펠티어-접합을 갖는 열전 소자, 예컨대 펠티어 소자를 이용하여 픽셀(110)을 열전-냉각한다(S110).
그리고, 광전 변환 동작 동안(T2), 상기 열전 소자의 적어도 일부를 이용하여 광전 변환 동작이 수행된다(S120).
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치의 일 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 12를 참조하면, 이미지 처리 장치(200)는 CMOS 이미지 센서(210)와 이미지 신호 프로세서(220)를 포함한다.
CMOS 이미지 센서(210)는 도 1의 픽셀(110)과 리드아웃 회로(120)를 포함하거나 또는 도 6에 도시된 픽셀 어레이(140)를 포함한다. 즉, CMOS 이미지 센서 (210)는 열전-접합을 갖는 열전 소자를 이용하여 열전-냉각과 광전 변환 동작을 수행할 수 있다.
이미지 신호 프로세서(220)는 CMOS 이미지 센서(210)로부터 출력된 이미지 신호를 처리할 수 있다.
CMOS 이미지 센서(210)와 이미지 신호 프로세서(220)는 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지(multi-chip pachage)로 구현될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 장치의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 13을 참조하면, 이미지 처리 장치(300)는 애플리케이션 프로세서(310), 카메라 모듈(320), 및 디스플레이(330)를 포함한다.
이미지 처리 장치(300)는 휴대용 전자 장치, 예컨대 스마트 폰(smart phone) 또는 태블릿 PC(tablet personal computer)일 수 있다.
카메라 모듈(320)이 도 12에 도시된 CMOS 이미지 센서(210)만을 포함할 때, 애플리케이션 프로세서(310)는 카메라 모듈(320)로부터 출력된 이미지 신호를 처리할 수 있는 이미지 신호 처리 기능을 수행할 수 있다. 이때, 상기 이미지 신호 처리 기능은 도 12의 이미지 신호 프로세서(220)에서 수행되는 기능과 동일할 수 있다.
카메라 모듈(320)이 도 12에 도시된 CMOS 이미지 센서(210)와 이미지 신호 프로세서(220)를 포함하는 이미지 처리 장치(200)일 때, 애플리케이션 프로세서 (310)는 이미지 신호 프로세서(220)에 의해 처리된 이미지 신호를 처리할 수 있다.
이때, 애플리케이션 프로세서(310)는 카메라 모듈(320)에 포함된 CMOS 이미지 센서의 동작을 제어하는 제어 회로 또는 프로세서의 기능을 수행할 수 있다.
애플리케이션 프로세서(310)의 제어에 따라, 디스플레이(330)는 카메라 모듈 (320)로부터 출력된 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 휴대용 전자 장치의 블록도를 나타낸다.
도 1과 도 14를 참조하면, 휴대용 전자 장치(400)는 애플리케이션 프로세서 (410), 이미지 센서(420), 디스플레이(430), 및 메모리(441)를 포함할 수 있다.
휴대용 전자 장치(400)는 랩탑(laptop) 컴퓨터, 이동 전화기, 스마트 폰 (smart phone), 태블릿(tablet) PC, PDA(personal digital assistant), EDA (enterprise digital assistant), PMP(portable multimedia player), 또는 e-북(e-book) 등으로 구현될 수 있다.
예컨대, 휴대용 전자 장치(400)는 MIPI®(mobile industry processor interface)를 지원할 수 있는 통신 장치일 수 있다.
애플리케이션 프로세서(410)는 CMOS 이미지 센서(420), 디스플레이(430), 및 메모리(441)의 동작을 제어할 수 있다.
애플리케이션 프로세서(410)에 구현된 CSI(camera serial interface) 호스트(412)는 카메라 시리얼 인터페이스를 통하여 CMOS 이미지 센서(420)의 CSI 장치(421)와 시리얼 통신할 수 있다. 실시 예에 따라, CSI 호스트(412)에는 디시리얼라이저(DES)가 구현될 수 있고, CSI 장치(421)에는 시리얼라이저(SER)가 구현될 수 있다.
CMOS 이미지 센서(420)는 열전-냉각과 광전 변환 동작을 수행할 수 있는 픽셀 (110)을 포함한다.
애플리케이션 프로세서(410)에 구현된 DSI(display serial interface(DSI)) 호스트(411)는 디스플레이 시리얼 인터페이스를 통하여 디스플레이(430)의 DSI 장치(431)와 시리얼 통신할 수 있다. 실시 예에 따라, DSI 호스트(411)에는 시리얼라이저(SER)가 구현될 수 있고, DSI 장치(431)에는 디시리얼라이저(DES)가 구현될 수 있다.
휴대용 전자 장치(400)는 애플리케이션 프로세서(410)와 통신할 수 있는 RF 칩(450)을 더 포함할 수 있다. 애플리케이션 프로세서(410)의 PHY(413)와 RF 칩 (450)의 PHY(451)는 통신 프로토콜, 예컨대 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
애플리케이션 프로세서(410)는 CMOS 이미지 센서(420)에 의해 처리된 데이터를 메모리(441)에 저장할 수 있다.
휴대용 전자 장치(400)는 NAND 플래시 메모리와 같은 불휘발성 메모리로 구현된 데이터 저장 장치(442), 마이크(443), 또는 스피커(444)를 포함할 수 있다.
데이터 저장 장치(442)는 외장 메모리, 예컨대 eMMC(embedded multimedia card) 또는 UFS(universal flash storage)일 수 있다.
휴대용 전자 장치(400)는 적어도 하나의 통신 프로토콜(또는 통신 표준), 예컨대, UWB(ultra-wideband; 445), WLAN(Wireless LAN; 446), WiMAX(worldwide interoperability for microwave access; 447), 또는 LTETM(long term evolution) 등을 이용하여 외부 통신 장치와 통신할 수 있다.
휴대용 전자 장치(400)는 GPS(global positioning system) 수신기(448)를 더 포함할 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 CMOS 이미지 센서를 포함하는 휴대용 전자 장치의 블록도를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 휴대용 전자 장치(500)는 디지털 카메라, 스마트폰(smart phone), 또는 태블릿 PC(tablet personal computer)로 구현될 수 있다.
휴대용 전자 장치(500)는 광학 렌즈(503), CMOS 이미지 센서(510), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor(DSP); 600), 및 디스플레이(700)를 포함한다.
CMOS 이미지 센서(510)는 광학 렌즈(503)를 통하여 입사된 피사체(501) 또는 장면(scene)에 대한 이미지 데이터(IDATA)를 생성한다.
CMOS 이미지 센서(510)는 픽셀 어레이(520), 로우 드라이버(530), 타이밍 생성기(540), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling(CDS)) 블록(550), 비교기 블록(552), 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter(ADC)) 블록 (554), 제어 레지스터 블록(560), 램프 신호 생성기(570), 및 버퍼(580)를 포함한다.
픽셀 어레이(520)는 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 복수의 단위 픽셀들 (521)을 포함한다. 도 1부터 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 복수의 단위 픽셀들(521) 각각은 픽셀(110)과 리드아웃 회로(120)를 포함한다. 즉, 픽셀(110)은 열전-냉각과 광전 변환 동작을 수행할 수 있다.
로우 드라이버(530)는, 타이밍 생성기(540)의 제어에 따라, 복수의 단위 픽셀들(521) 각각의 동작을 제어하기 위한 복수의 제어 신호들(예컨대, RG, TG, cG, 및 SEL)을 픽셀 어레이(520)로 공급한다. 실시 예에 따라, 로우 드라이버(530)는 제어 신호(DG)를 더 생성할 수 있다.
타이밍 생성기(540)는, 제어 레지스터 블록(560)의 제어에 따라, 로우 드라이버(530), CDS 블록(550), ADC 블록(554), 및 램프 신호 생성기(570)의 동작을 제어할 수 있다.
CDS 블록(550)은 픽셀 어레이(520)에 구현된 복수의 컬럼 라인들 각각으로부터 출력된 각 픽셀 신호에 대해 CDS을 수행한다.
비교기 블록(552)은 CDS 블록(550)으로부터 출력된 복수의 상관 이중 샘플된 픽셀 신호들 각각과 램프 신호 생성기(570)로부터 출력된 램프 신호를 서로 비교하고 비교의 결과에 따라 복수의 비교 신호들을 출력한다.
ADC 블록(554)은 비교기 블록(552)으로부터 출력된 복수의 비교 신호들 각각을 디지털 신호로 변환하고 버퍼(180)는 ADC 블록(554)으로부터 출력된 디지털 신호들을 저장한다.
제어 레지스터 블록(560)은 DSP(600)의 제어에 따라 타이밍 생성기(540), 램프 신호 생성기(570), 및 버퍼(580) 중에서 적어도 하나의 동작을 제어한다.
버퍼(580)는 ADC 블록(554)으로부터 출력된 복수의 디지털 신호들에 대응되는 이미지 데이터(IDATA)를 DSP(600)로 전송한다.
DSP(600)는 이미지 신호 프로세서(610), CMOS 이미지 센서 컨트롤러(620), 및 디스플레이 인터페이스(630)를 포함한다.
이미지 신호 프로세서(610)는 디스플레이 인터페이스(630), 및 제어 레지스터 블록(160)을 제어하는 CMOS 이미지 센서 컨트롤러(620)를 제어한다.
실시 예에 따라, CMOS 이미지 센서(510)와 DSP(600)는 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지(multi-chip package)로 구현될 수 있다. 다른 실시 예에 따라 이미지 센서(510)와 이미지 신호 프로세서(610)는 하나의 패키지, 예컨대 멀티-칩 패키지로 구현될 수 있다.
이미지 신호 프로세서(610)는 버퍼(580)로부터 전송된 이미지 데이터(IDATA)를 처리하고 처리된 이미지 데이터를 디스플레이 인터페이스(630)로 전송한다.
CMOS 이미지 센서 컨트롤러(620)는, 이미지 신호 프로세서(610)의 제어에 따라, 제어 레지스터 블록(160)을 제어하기 위한 다양한 제어 신호들을 생성한다.
디스플레이 인터페이스(630)는 이미지 신호 프로세서(610)에서 처리된 이미지 데이터를 디스플레이(700)로 전송한다. 디스플레이(700)는 디스플레이 인터페이스(630)로부터 출력된 이미지 데이터를 디스플레이한다. 디스플레이(700)는 TFT-LCD(thin film transistor-liquid crystal display), LED(light emitting diode) 디스플레이, OLED(organic LED) 디스플레이, AMOLED(active-matrix OLED) 디스플레이 또는 플렉시블 디스플레이로 구현될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100; 이미지 센서
110; 픽셀
111; p-타입 반도체 소자
112; n-타입 반도체 소자
120; 리드아웃 회로
121; 제1스위치
122; 제2스위치
200, 300; 이미지 처리 장치
210; 이미지 센서
220; 이미지 신호 프로세서
310; 애플리케이션 프로세서
320; 카메라 모듈
330; 디스플레이

Claims (20)

  1. 픽셀에 집적된 열전-접합(thermoelectric-junction)을 갖는 열전 소자를 이용하여 상기 픽셀을 열전-냉각(thermoelectric cooling)하는 단계; 및
    상기 열전 소자를 이용하여 광전 변환 동작을 수행하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전-냉각하는 단계는,
    펠티어-접합을 갖는 펠티어-소자를 이용하여 상기 픽셀을 펠티어-냉각하는 단계인 이미지 센서의 동작 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 펠티어-냉각하는 단계는,
    리셋 동작 동안, 상기 펠티어-접합을 형성하는 n-타입 반도체 소자로 전압을 공급하는 단계; 및
    상기 리셋 동작 동안, 상기 전압이 상기 n-타입 반도체 소자로 공급되는 동안 상기 펠티어-접합을 형성하는 p-타입 반도체 소자로 상기 전압보다 높은 동작 전압을 공급하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 p-타입 반도체 소자는 p-타입 상 변화 물질인 이미지 센서의 동작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 p-타입 상 변화 물질은 Ge2Sb2Te5인 이미지 센서의 동작 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 광전 변환 동작 동안, 광전 변환을 수행하는 상기 p-타입 반도체 소자로 상기 동작 전압을 공급하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 광전 변환 동작 동안, 상기 p-타입 반도체 소자를 이용하여 광전 변환을 수행하는 단계를 더 포함하는 이미지 센서의 동작 방법.
  8. 열전-접합을 갖는 열전 소자를 포함하는 픽셀; 및
    상기 열전 소자로 하여금 상기 픽셀에 대한 열전-냉각 동작과 광전 변환 동작을 수행하도록 제어하는 리드아웃 회로를 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열전 소자는,
    펠티어-접합을 형성하는 n-타입 반도체 소자와 p-타입 반도체 소자를 포함하는 펠티어 소자인 이미지 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 리드아웃 회로는,
    리셋 동작 동안, 상기 n-타입 반도체 소자로 전압이 공급되는 동안 상기 p-타입 반도체 소자로 상기 전압보다 높은 동작 전압을 공급하는 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 p-타입 반도체 소자는 p-타입 상 변화 물질인 이미지 센서.
  12. 제9항에 있어서, 상기 리드아웃 회로는,
    리셋 동작 동안, 제1제어 신호에 응답하여 전압을 상기 n-타입 반도체 소자로 공급하는 제1스위치; 및
    상기 리셋 동작 동안, 리셋 신호에 응답하여 상기 전압보다 높은 동작 전압을 상기 p-타입 반도체 소자에 직접 접속된 플로팅 디퓨젼 노드로 공급하는 리셋 스위치를 포함하는 이미지 센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 리드아웃 회로는,
    상기 광전 변환 동작 동안, 제2제어 신호에 응답하여, 광전 변환을 수행하는 상기 p-타입 반도체 소자로 상기 동작 전압을 공급하는 제2스위치를 더 포함하는 이미지 센서.
  14. 제10항에 있어서, 상기 리드아웃 회로는,
    상기 광전 변환 동작 동안, 상기 p-타입 반도체 소자에 의해 생성된 전하들을 플로팅 디퓨젼 노드로 직접 전송하고,
    리드아웃 동작 동안, 상기 n-타입 반도체 소자로 상기 전압을 공급하는 이미지 센서.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 표면 조사용(front side illumination(FSI)) CMOS 이미지 센서인 이미지 센서.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 이면 조사용(back side illumination(BSI)) CMOS 이미지 센서인 이미지 센서.
  17. 이미지 센서; 및
    상기 이미지 센서의 동작을 제어하는 제어 회로를 포함하며,
    상기 이미지 센서는,
    열전-접합을 갖는 열전 소자를 포함하는 픽셀; 및
    상기 열전 소자로 하여금 상기 픽셀에 대한 열전-냉각 동작과 광전 변환 동작을 수행하도록 제어하는 리드아웃 회로를 포함하는 이미지 처리 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 열전 소자는,
    펠티어-접합을 형성하는 n-타입 반도체 소자와 p-타입 반도체 소자를 포함하는 펠티어 소자이고,
    상기 리드아웃 회로는,
    리셋 동작 동안, 상기 n-타입 반도체 소자로 전압이 공급되는 동안 상기 p-타입 반도체 소자로 상기 전압보다 높은 동작 전압을 공급하는 이미지 처리 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 리드아웃 회로는,
    상기 광전 변환 동작 동안, 상기 p-타입 반도체 소자에 의해 생성된 전하들을 플로팅 디퓨젼 노드로 직접 전송하고,
    리드아웃 동작 동안, 상기 n-타입 반도체 소자로 상기 전압을 공급하는 이미지 처리 장치.
  20. 제17항의 이미지 처리 장치;
    상기 이미지 처리 장치의 동작을 제어하는 프로세서; 및
    상기 이미지 처리 장치에 의해 처리된 이미지 데이터를 디스플레이하는 디스플레이를 포함하는 휴대용 전자 장치.


KR1020120137825A 2012-11-30 2012-11-30 열적 리셋을 수행할 수 있는 이미지 센서, 이의 동작 방법, 및 상기 이미지 센서를 포함하는 장치들 KR102036346B1 (ko)

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