KR20140101101A - 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀, 이를 포함하는 3차원 이미지 센서 및 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법 - Google Patents

Abstract

3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제1 포토 게이트, 제1 광 검출 영역, 제1 전송 게이트, 제1 플로팅 확산 영역 및 제1 보상부를 포함한다. 제1 포토 게이트는 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 제1 광 검출 영역은 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 생성한다. 제1 전송 게이트는 제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 제1 플로팅 확산 영역은 제1 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 제1 광 검출 영역에서 생성된 제1 전하들을 축적한다. 제1 보상부는 수신 광에 포함되는 주변 광 성분에 기초하여 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하며, 제2 전하들을 제1 플로팅 확산 영역에 제공한다.

Description

3차원 이미지 센서의 거리 픽셀, 이를 포함하는 3차원 이미지 센서 및 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법{DEPTH PIXEL INCLUDED IN THREE-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR, THREE-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR INCLUDING THE SAME AND METHOD OF OPERATING DEPTH PIXEL INCLUDED IN THREE-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR}

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 이미지 센서에 포함되는 거리 픽셀, 상기 거리 픽셀을 포함하는 3차원 이미지 센서 및 상기 거리 픽셀의 구동 방법에 관한 것이다.

이미지 센서는 외부에서 입사하는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 반도체 소자로서, 상기 광 신호에 상응하는 영상 정보를 제공하고 있다. 최근에는 상기 광 신호에 기초하여 영상 정보뿐만 아니라 거리 정보까지 제공할 수 있는 3차원 이미지 센서(3D image sensor)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로, 3차원 이미지 센서는 광학 펄스(laser pulse)를 피사체에 조사한 후, 상기 광학 펄스가 피사체로부터 반사되어 돌아오기까지의 시간인 비행시간(Time Of Flight; TOF)을 측정하는 방식으로, 거리 픽셀 별로 피사체까지의 거리를 측정할 수 있다.

본 발명의 일 목적은 주변 광(ambient light)이 상대적으로 강한 경우에도 피사체까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주변 광이 상대적으로 강한 경우에도 피사체까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 3차원 이미지 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주변 광이 상대적으로 강한 경우에도 피사체까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법을 제공하는 것이다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제1 포토 게이트, 제1 광 검출 영역, 제1 전송 게이트, 제1 플로팅 확산 영역 및 제1 보상부를 포함한다. 상기 제1 포토 게이트는 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 광 검출 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 생성한다. 상기 제1 전송 게이트는 제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 제1 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 광 검출 영역에서 생성된 상기 제1 전하들을 축적한다. 상기 제1 보상부는 상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하며, 상기 제2 전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역에 제공한다.

일 실시예에서, 상기 제1 보상부는 제1 주변 광 검출 영역 및 제1 주입 게이트를 포함할 수 있다. 상기 제1 주변 광 검출 영역은 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제2 전하들을 생성할 수 있다. 상기 제1 주입 게이트는 제1 주입 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다.

상기 제1 주입 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 주변 광 검출 영역에서 생성된 상기 제2 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역에 주입될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 주변 광 검출 영역의 크기는 상기 제1 광 검출 영역의 크기보다 작을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 주변 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 형성되며, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 제1 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 주변 광 검출 영역은 상기 수신 광이 입사되는 상기 반도체 기판의 제1 면 방향으로 점차적으로 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다.

상기 제1 보상부는 제1 리셋 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 리셋 트랜지스터는 제1 리셋 신호에 응답하여 상기 제1 주변 광 검출 영역을 초기화시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 보상부는 제2 전송 게이트 및 제1 저장 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 전송 게이트는 제2 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제1 저장 영역은 상기 제2 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 주변 광 검출 영역에서 생성된 상기 제2 전하들을 저장할 수 있다.

상기 제2 전송 게이트가 턴온된 이후에 상기 제1 주입 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 저장 영역에 저장된 상기 제2 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역에 주입될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 주변 광 검출 영역은 제1 불순물 영역 및 제2 불순물 영역을 포함할 수 있다. 상기 제1 불순물 영역은 반도체 기판 내에 형성되며, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 제1 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 상기 제2 불순물 영역은 상기 반도체 기판 내의 상기 제1 불순물 영역의 하부에 형성되며, 상기 제1 불순물과 다른 도전형의 제2 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 주변 광 검출 영역은 제3 불순물 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 불순물 영역은 상기 반도체 기판 내의 상기 제1 불순물 영역의 상부에 형성되며, 상기 제2 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.

상기 제1 보상부는 제1 리셋 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 리셋 트랜지스터는 제1 리셋 신호에 응답하여 상기 제1 저장 영역을 초기화시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제2 포토 게이트, 제2 광 검출 영역, 제2 전송 게이트, 제2 플로팅 확산 영역 및 제2 보상부를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 포토 게이트는 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제2 광 검출 영역은 상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 수신 광에 기초하여 제3 전하들을 생성할 수 있다. 상기 제2 전송 게이트는 제2 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 제2 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제2 광 검출 영역에서 생성된 상기 제3 전하들을 축적할 수 있다. 상기 제2 보상부는 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제3 전하들과 다른 제4 전하들을 생성하며, 상기 제4 전하들을 상기 제2 플로팅 확산 영역에 제공할 수 있다.

상기 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 채널 중지 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 채널 중지 영역은 상기 제1 광 검출 영역과 상기 제2 광 검출 영역 사이에 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 포토 제어 신호는 집광 시간 동안에 제1 논리 레벨과 제2 논리 레벨 사이를 주기적으로 토글링하고, 독출 시간 동안에 상기 제1 논리 레벨을 가질 수 있다. 상기 제2 전하들은 상기 집광 시간 동안에 생성되어 수집되고, 상기 집광 시간 또는 상기 독출 시간 동안에 상기 제1 플로팅 확산 영역에 주입될 수 있다.

상기 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제1 출력부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 출력부는 상기 제1 전하들 및 상기 제2 전하들의 합에 상응하는 출력 전압을 발생할 수 있다.

상기 제1 출력부는 제1 리셋 트랜지스터, 제1 드라이브 트랜지스터 및 제1 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 상기 제1 리셋 트랜지스터는 제1 리셋 신호에 응답하여 상기 제1 플로팅 확산 영역을 초기화시킬 수 있다. 상기 제1 드라이브 트랜지스터는 상기 제1 플로팅 확산 영역의 전압을 증폭할 수 있다. 상기 제1 선택 트랜지스터는 상기 제1 드라이브 트랜지스터에 의해 증폭된 전압을 상기 출력 전압으로 출력할 수 있다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제1 및 제2 광 검출 영역들, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들 및 제1 및 제2 보상부들을 포함한다. 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들은 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 각각 생성한다. 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들은 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에서 생성된 상기 제1 전하들을 각각 축적한다. 상기 제1 및 제2 보상부들은 상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 각각 생성하며, 상기 제2 전하들을 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들에 각각 제공한다.

일 실시예에서, 상기 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들 및 제1 및 제2 포토 게이트들을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들은 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에 각각 인접하여 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들의 상부에 각각 형성되고, 제1 및 제2 포토 제어 신호들에 각각 응답하여 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에서 생성된 상기 제1 전하들을 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들에 각각 저장하기 위해 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제1 및 제2 저장 영역들 및 제1 및 제2 포토 게이트들을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 저장 영역들은 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 제1 및 제2 포토 제어 신호들에 각각 응답하여 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들과 상기 제1 및 제2 저장 영역들을 각각 전기적으로 연결할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들, 제1 및 제2 저장 영역들, 제1 및 제2 포토 게이트들 및 제1 및 제2 저장 게이트들을 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들은 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에 각각 인접하여 형성될 수 있다. 제1 및 제2 저장 영역들은 상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 제1 및 제2 포토 게이트들은 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들의 상부에 각각 형성되고, 제1 및 제2 포토 제어 신호들에 각각 응답하여 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에서 생성된 상기 제1 전하들을 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들에 각각 저장하기 위해 형성될 수 있다. 제1 및 제2 저장 게이트들은 상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들과 상기 제1 및 제2 저장 영역들을 각각 전기적으로 연결할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서는 광원부 및 픽셀 어레이를 포함한다. 상기 광원부는 피사체에 변조된 송신 광을 조사한다. 상기 픽셀 어레이는 복수의 거리 픽셀들을 포함하며, 상기 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생한다. 상기 복수의 거리 픽셀들 중 제1 거리 픽셀은 제1 포토 게이트, 제1 광 검출 영역, 제1 전송 게이트, 제1 플로팅 확산 영역 및 제1 보상부를 포함한다. 상기 제1 포토 게이트는 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 광 검출 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 생성한다. 상기 제1 전송 게이트는 제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 제1 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 광 검출 영역에서 생성된 상기 제1 전하들을 축적한다. 상기 제1 보상부는 상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하며, 상기 제2 전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역에 제공한다.

일 실시예에서, 상기 복수의 거리 픽셀들 중 상기 제1 거리 픽셀과 인접하는 제2 거리 픽셀은 제2 포토 게이트, 제2 광 검출 영역, 제2 전송 게이트 및 제2 플로팅 확산 영역을 포함할 수 있다. 상기 제2 포토 게이트는 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제2 광 검출 영역은 상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 수신 광에 기초하여 제3 전하들을 생성할 수 있다. 상기 제2 전송 게이트는 제2 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 제2 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제2 광 검출 영역에서 생성된 상기 제3 전하들을 축적할 수 있다. 상기 제1 보상부는 상기 제1 거리 픽셀 및 상기 제2 거리 픽셀에 의해 공유될 수 있다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법에서는, 집광 시간 동안에 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 생성한다. 상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성한다. 독출 시간 동안에 상기 제1 전하들을 플로팅 확산 영역에 축적한다. 상기 제2 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 주입한다.

일 실시예에서, 상기 제2 전하들을 생성하는 단계는 상기 집광 시간 동안에 수행될 수 있다. 상기 제2 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 주입하는 단계는 상기 집광 시간 동안에 또는 상기 독출 시간 동안에 수행될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은, 수신 광에 의해 제1 전하들을 생성하는 광 검출 영역 및 수신 광에 포함되는 주변 광 성분에 의해 생성되는 제2 전하들을 플로팅 확산 영역에 주입하는 보상부를 포함한다. 수신 광에 의해 생성되는 제1 전하들 중 일부가 제2 전하들과 결합되어 소멸되므로, 거리 픽셀을 포함하는 3차원 이미지 센서는 주변 광이 상대적으로 강한 경우에도 성능의 열화 없이 피사체까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4는 도 1의 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 평면도이다.
도 5a 및 5b는 도 4의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다.
도 6a, 6b 및 6c는 도 4의 거리 픽셀의 보상부에 포함되는 주변 광 검출 영역의 구성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 및 7b는 도 4의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 8은 도 1의 거리 픽셀의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 8의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다.
도 10a 및 10b는 도 8의 거리 픽셀의 보상부에 포함되는 주변 광 검출 영역의 구성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11a 및 11b는 도 8의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 12는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 13은 도 12의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 15는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 16은 도 15의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 18은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 19는 도 18의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다.
도 20a 및 20b는 도 18의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 21은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 22a 및 22b는 도 21의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 23은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 24는 도 23의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다.
도 25는 도 23의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 26은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 27은 도 26의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 28 및 29는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예들을 나타내는 평면도들이다.
도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 31은 도 30의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 32는 도 30의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 33a 및 33b는 도 30의 3차원 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 35a 및 35b는 도 34의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 38은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 39는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 40은 도 39의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 2는 도 1의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 3차원 이미지 센서에 포함되는 거리 픽셀(10)은 포토 게이트(20), 광 검출 영역(30), 전송 게이트(40), 플로팅 확산 영역(50) 및 보상부(60)를 포함한다. 거리 픽셀(10)은 출력부(80)를 더 포함할 수 있다.

포토 게이트(20)는 반도체 기판(11)의 상부(over)에 형성되며, 포토 제어 신호(PGC)에 응답하여 온-오프된다. 광 검출 영역(30)은 반도체 기판(11) 내에 형성되며, 포토 게이트(20)가 턴온되는 경우에 피사체로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 제1 전하들을 생성한다.

전송 게이트(40)는 반도체 기판(11)의 상부에 형성되며, 전송 제어 신호(TGC)에 응답하여 온-오프된다. 플로팅 확산 영역(50)은 반도체 기판(11) 내에 형성되며, 전송 게이트(40)가 턴온되는 경우에 광 검출 영역(30)에서 생성된 상기 제1 전하들을 축적한다. 다시 말하면, 전송 제어 신호(TGC)에 응답하여 광 검출 영역(30)과 플로팅 확산 영역(50)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 전기적인 연결은 두 개의 영역들 사이의 반도체 기판(11)의 상부 영역에 형성되는 채널일 수 있다.

보상부(60)는 반도체 기판(11)의 상부 및 내부에 형성된다. 보상부(60)는 수신 광(RX)에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른(즉, 반대 극성의) 제2 전하들을 생성하며, 주입 제어 신호(IGC)에 응답하여 상기 제2 전하들을 플로팅 확산 영역(50)에 제공한다. 보상부(60)의 구체적인 구성에 대해서는 도 4, 5b, 8 및 9를 참조하여 후술하도록 한다.

일 실시예에서, 상기 제1 전하들은 전자-정공 쌍(electron-hole pair) 중 전자일 수 있고, 상기 제2 전하들은 정공일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제2 전하들은 전자-정공 쌍 중 정공일 수 있고, 상기 제2 전하들은 전자일 수 있다.

출력부(80)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 플로팅 확산 영역(50)을 초기화시키며, 플로팅 확산 영역(50)의 전압을 전기적인 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 다시 말하면, 출력부(80)는 상기 제1 전하들 및 상기 제2 전하들의 합에 상응하는 출력 전압(VOUT)을 발생할 수 있다. 출력부(80)의 구체적인 구성에 대해서는 도 4 및 5a를 참조하여 후술하도록 한다.

도 3은 도 1의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.

도 1, 2 및 3을 참조하면, 거리 픽셀(10)은 집광 시간(TINT) 이전에 리셋 신호(RST)를 활성화하여 플로팅 확산 영역(50)을 초기화시킨다.

거리 픽셀(10)을 포함하는 3차원 이미지 센서는 집광 시간(TINT) 동안에 피사체에 변조된 송신 광(TX)을 조사(illumination)한다. 도 30 및 34를 참조하여 후술하는 바와 같이, 상기 3차원 이미지 센서는 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 송신 광(TX)을 피사체에 조사하기 위한 광원 또는 발광 장치를 포함할 수 있다. 송신 광(TX)은 상기 피사체에 의해 반사되어 수신 광(RX)으로서 상기 3차원 이미지 센서에 도달한다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(Time Of Flight; TOF)만큼 지연된다.

집광 시간(TINT) 동안에 수신 광(RX)에 의해 거리 픽셀(10)의 광 검출 영역(30)에서 상기 제1 전하들이 생성된다. 구체적으로, 집광 시간(TINT) 동안에 포토 제어 신호(PGC)는 주기적으로 변동하는 세기를 가지며, 이러한 포토 제어 신호(PGC)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q)이 광 검출 영역(30)에서 생성되어 상기 제1 전하들로서 수집된다.

이와 같이 포토 제어 신호(PGC)의 위상에 상응하는 광 전하들(Q)의 양을 구하면 TOF를 구할 수 있다. 상기 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리를 D, 빛의 속도를 c라 하면, 수학식 "D = TOF*c/2"를 이용하여 D가 계산될 수 있다. 도 3에는 송신 광(TX)과 동일한 위상을 갖는 하나의 포토 제어 신호(PGC)만이 도시되어 있으나, 실시예에 따라서 TOF를 더욱 정밀하게 산출하기 위하여 송신 광(TX)과 서로 다른 위상 차를 갖는 복수의 포토 제어 신호들이 이용될 수도 있다.

또한, 집광 시간(TINT) 동안에 수신 광(RX)에 포함되는 상기 주변 광 성분에 의해 거리 픽셀(10)의 보상부(60)에서 상기 제2 전하들이 생성된다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 먼저 리셋 신호(RST)가 활성화되어 플로팅 확산 영역(50)이 초기화된다. 플로팅 확산 영역(50)이 초기화된 후에 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)가 활성화되면, 플로팅 확산 영역(50)의 전압이 노이즈 전압(VB)으로서 검출된다. 노이즈 전압(VB)이 검출된 후에, 전송 제어 신호(TGC)가 활성화되어 상기 제1 전하들이 플로팅 확산 영역(50)에 축적된다. 이와 동시에, 주입 제어 신호(IGC)가 활성화되어 상기 제2 전하들이 플로팅 확산 영역(50)에 주입된다. 상기 제1 및 제2 전하들이 플로팅 확산 영역(50)에 축적/주입된 후에 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)가 활성화되면, 플로팅 확산 영역(50)의 전압이 복조 전압(VD)으로서 검출된다. 복조 전압(VD)은 상기 제1 전하들 및 상기 제2 전하들의 합에 상응한다. 복조 전압(VD)과 노이즈 전압(VB)의 차이가 유효 전압에 상응할 수 있다.

도 3에는 리셋 신호(RST)가 집광 시간(TINT) 동안에 비활성화되는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 리셋 신호(RST)는 집광 시간(TINT) 이전에 활성화되어 전체 집광 시간(TINT) 동안에 활성화 상태를 계속 유지할 수도 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 거리 픽셀(10)은, 주변 광 성분에 의해 생성되는 제2 전하들을 플로팅 확산 영역(50)에 주입하는 보상부(60)를 포함한다. 수신 광(RX)에 의해 생성되는 제1 전하들 중 일부가 상기 제2 전하들과 결합되어 소멸되므로, 거리 픽셀(10)을 포함하는 3차원 이미지 센서는 주변 광이 상대적으로 강한 경우에도 성능의 열화 없이 피사체까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 다양한 실시예들을 설명하도록 한다.

도 4 내지 도 11(즉, 도 11a 및 11b)은 수신 광(RX)에 포함되는 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제2 전하들을 생성하는 보상 블록의 구성과 관련된 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 도 12 내지 도 29는 광 검출 영역을 포함하고 수신 광(RX)에 기초하여 상기 제1 전하들을 생성하는 메인 센싱 블록의 구성과 관련된 실시예들을 설명하기 위한 것이다.

도 4는 도 1의 거리 픽셀의 일 예를 나타내는 평면도이다. 도 5a 및 5b는 도 4의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다. 도 5a는 도 4의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 5b는 도 4의 II-II' 라인에 의해 절단된 단면도이다.

도 4, 5a 및 5b를 참조하면, 거리 픽셀(100a)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151) 및 제1 보상부(160a)를 포함하며, 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다. 또한, 거리 픽셀(100a)은 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170a) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.

거리 픽셀(100a)은 반도체 기판(110)을 이용한 CMOS 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 검출 영역들(131, 133) 및 플로팅 확산 영역들(151, 153)은 반도체 기판(110)의 상부 표면으로의 이온 주입 공정 등을 통하여 반도체 기판(110) 내에 형성될 수 있고, 포토 게이트들(121, 123) 및 전송 게이트들(141, 143)은 증착 공정, 식각 공정 등을 통하여 반도체 기판(110)과 이격되도록 반도체 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 도시하지는 않았으나, 반도체 기판(110)의 상부 표면과 게이트들(121, 123, 141, 143) 사이에는 산화막과 같은 절연층이 개재될 수 있다.

제1 포토 게이트(121)는 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 온-오프되며, 제1 전송 게이트(141)는 제1 전송 제어 신호(TGC1)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제2 포토 게이트(123)는 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 온-오프되며, 제2 전송 게이트(143)는 제2 전송 제어 신호(TGC2)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제1 포토 게이트(121)는 제1 광 검출 영역(131)의 상부에 배치되며, 제1 전송 게이트(141)는 제1 광 검출 영역(131)과 제1 플로팅 확산 영역(151) 사이에 배치될 수 있다. 제2 포토 게이트(123)는 제2 광 검출 영역(133)의 상부에 배치되며, 제2 전송 게이트(143)는 제2 광 검출 영역(133)과 제1 플로팅 확산 영역(153) 사이에 배치될 수 있다.

게이트들(121, 123, 141, 143)은 폴리실리콘(polysilicon)을 포함하거나, 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide, TCO)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트들(121, 123, 141, 143)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(zinc oxide, ZnO), 티타늄 산화물(titanium dioxide, TiO₂), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

거리 픽셀(100a)에 입사되는 수신 광(RX)은 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)의 상부 표면으로부터 입사될 수 있고, 이 경우 포토 게이트들(121, 123)은 투명 전도 산화물을 포함하여 형성될 수 있다. 한편, 거리 픽셀(100a)에 입사되는 수신 광(RX)은 도 5a 및 5b에 도시된 바와 다르게 반도체 기판(110)의 하부 표면으로부터 입사될 수 있고, 이 경우 게이트들(121, 123, 141, 143)은 불투명 전도 산화물을 포함할 수 있다.

제1 광 검출 영역(131)은 제1 포토 게이트(121)가 턴온되는 경우에 피사체로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 제1 전하들을 생성하며, 제1 플로팅 확산 영역(151)은 제1 전송 게이트(141)가 턴온되는 경우에 제1 광 검출 영역(131)에서 생성된 상기 제1 전하들을 축적할 수 있다. 제2 광 검출 영역(133)은 제2 포토 게이트(123)가 턴온되는 경우에 수신 광(RX)에 기초하여 제3 전하들을 생성하며, 제2 플로팅 확산 영역(153)은 제2 전송 게이트(143)가 턴온되는 경우에 제2 광 검출 영역(133)에서 생성된 상기 제3 전하들을 축적할 수 있다. 상기 제1 전하들과 상기 제3 전하들은 동일한 극성을 가질 수 있다.

광 검출 영역들(131, 133) 및 플로팅 확산 영역들(151, 153)은 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고, 광 검출 영역들(131, 133) 및 플로팅 확산 영역들(151, 153)은 n형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제3 전하들은 전자-정공 쌍 중 전자일 수 있다. 실시예에 따라서, 광 검출 영역들(131, 133) 및 플로팅 확산 영역들(151, 153)은 n형 불순물을 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑하여 형성될 수 있으며, 광 검출 영역들(131, 133)은 포토 다이오드, 핀드 포토 다이오드 등의 형태로 구현될 수 있다.

제1 출력부(180)는 제1 플로팅 확산 영역(151)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호를 출력할 수 있다. 제2 출력부(190)는 제2 플로팅 확산 영역(153)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호를 출력할 수 있다.

제1 출력부(180)는 제1 리셋 트랜지스터(181), 제1 드라이브 트랜지스터(183) 및 제1 선택 트랜지스터(185)를 포함할 수 있다. 제1 리셋 트랜지스터(181)는 제1 리셋 신호(RST1)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(151)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 제1 플로팅 확산 영역(151)을 전원 전압(VDD)의 레벨로 초기화시킬 수 있다. 제1 드라이브 트랜지스터(183)는 제1 플로팅 확산 영역(151)의 전압을 증폭할 수 있다. 제1 선택 트랜지스터(185)는 제1 선택 신호(SEL1)에 응답하여 제1 드라이브 트랜지스터(183)에 의해 증폭된 전압을 제1 출력 전압(VOUT1)으로서 제1 출력 라인(187)에 제공할 수 있다.

제2 출력부(190)는 제1 출력부(180)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 출력부(190)는 제2 리셋 트랜지스터(191), 제2 드라이브 트랜지스터(193) 및 제2 선택 트랜지스터(195)를 포함할 수 있다. 제2 리셋 트랜지스터(191)는 제2 리셋 신호(RST2)에 응답하여 제2 플로팅 확산 영역(153)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 제2 플로팅 확산 영역(153)을 전원 전압(VDD)의 레벨로 초기화시킬 수 있다. 제2 드라이브 트랜지스터(193)는 제2 플로팅 확산 영역(153)의 전압을 증폭할 수 있다. 제2 선택 트랜지스터(195)는 제2 선택 신호(SEL2)에 응답하여 제2 드라이브 트랜지스터(193)에 의해 증폭된 전압을 제2 출력 전압(VOUT2)으로서 제2 출력 라인(197)에 제공할 수 있다.

제1 보상부(160a)는 수신 광(RX)에 포함되는 주변 광 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하며, 상기 제2 전하들을 제1 플로팅 확산 영역(151)에 제공할 수 있다. 제2 보상부(170a)는 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제3 전하들과 다른 제4 전하들을 생성하며, 상기 제4 전하들을 제2 플로팅 확산 영역(153)에 제공할 수 있다. 상기 제4 전하들과 상기 제2 전하들은 동일한 극성을 가질 수 있다.

제1 보상부(160a)는 제1 주변 광 검출 영역(161), 제1 주입 게이트(163) 및 제3 리셋 트랜지스터(169)를 포함할 수 있다. 제1 주변 광 검출 영역(161)은 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제2 전하들을 생성할 수 있다. 제1 주입 게이트(163)는 제1 주입 제어 신호(HIGC1)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제1 주입 게이트(163)가 턴온되는 경우에, 제1 주변 광 검출 영역(161)에서 생성된 상기 제2 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(151)에 주입될 수 있다. 즉, 제1 주입 제어 신호(HIGC1)에 응답하여 제1 주변 광 검출 영역(161)과 제1 플로팅 확산 영역(151)이 전기적으로 연결될 수 있으며, 이 때 제1 주변 광 검출 영역(161)과 제1 플로팅 확산 영역(151)은 반도체 기판(110)의 상부 영역에 형성되는 채널을 통하여 직접적으로 연결될 수도 있고 금속 배선 등을 통하여 간접적으로 연결될 수도 있다. 제3 리셋 트랜지스터(169)는 제3 리셋 신호(HRST1)에 응답하여 제1 주변 광 검출 영역(161)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 제1 주변 광 검출 영역(161)을 접지 전압(VSS)의 레벨로 초기화시킬 수 있다.

제2 보상부(170a)는 제1 보상부(160a)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 제2 보상부(170a)는 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제4 전하들을 생성하는 제2 주변 광 검출 영역(171), 및 제2 주입 제어 신호(HIGC2)에 응답하여 온-오프되는 제2 주입 게이트(173)를 포함하며, 제2 주입 게이트(173)가 턴온되는 경우에 제2 주변 광 검출 영역(171)에서 생성된 상기 제4 전하들이 제2 플로팅 확산 영역(153)에 주입될 수 있다. 제2 보상부(170a)는, 제4 리셋 신호(HRST2)에 응답하여 제2 주변 광 검출 영역(171)에 축적된 전하들을 방전함으로써 제2 주변 광 검출 영역(171)을 접지 전압(VSS)의 레벨로 초기화시키는 제4 리셋 트랜지스터(179)를 포함할 수 있다.

보상부들(160a, 170a)에 포함되는 주변 광 검출 영역들(161, 171)은 반도체 기판(110) 내에 형성될 수 있고, 주입 게이트들(163, 173)은 반도체 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 주변 광 검출 영역들(161, 171)은 반도체 기판(110)과 동일한 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고, 주변 광 검출 영역들(161, 171)은 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 및 제4 전하들은 전자-정공 쌍 중 정공일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 주변 광 검출 영역(161)의 크기는 제1 광 검출 영역(131)의 크기보다 작을 수 있다. 따라서, 상기 주변 광 성분에 의해 생성된 상기 제2 전하들의 양은 수신 광(RX)에 의해 생성된 상기 제1 전하들의 양보다 적을 수 있다. 상기 제1 전하들 중 일부가 상기 제2 전하들과 결합되어 소멸되며, 소멸되지 않은 잔류 제1 전하들에 기초하여 제1 출력 전압(VOUT1)을 발생함으로써, 상기 주변 광 성분에 의한 광 감지 성능의 저하가 방지될 수 있다. 마찬가지로, 제2 주변 광 검출 영역(171)의 크기는 제2 광 검출 영역(133)의 크기보다 작을 수 있다.

거리 픽셀(100a)은 채널 중지 영역(120)을 더 포함할 수 있다. 채널 중지 영역(120)은 제1 광 검출 영역(131)과 제2 광 검출 영역(133) 사이의 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 반도체 기판(110)과 동일한 도전형의 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 채널 중지 영역(120)은 제1 광 검출 영역(131)에서 제2 광 검출 영역(133)으로 또는 제2 광 검출 영역(133)에서 제1 광 검출 영역(131)으로 전하가 전송되는 것을 차단할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들에 따른 거리 픽셀(100a)은, 수신 광(RX)에 기초하여 전자를 생성/수집하는 메인 센싱 블록과 상기 주변 광 성분에 기초하여 정공을 생성/수집하는 보상 블록으로 구분될 수 있다. 이 경우, 상기 메인 센싱 블록은 포토 게이트들(121, 123), 광 검출 영역들(131, 133), 전송 게이트들(141, 143), 플로팅 확산 영역들(151, 153) 및 출력부들(180, 190)을 포함하고, 상기 보상 블록은 제1 및 제2 보상부들(160a, 170a)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 거리 픽셀(100a)은, 두 개의 하프 픽셀들로 구분될 수 있다. 이 경우, 제1 하프 픽셀은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151), 제1 보상부(160a) 및 제1 출력부(180)를 포함하고, 제2 하프 픽셀은 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170a) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.

도 4에는 각 하프-픽셀이 하나의 출력부를 구비하고 하나의 메인 센싱 블록 및 하나의 보상 블록을 구비하는 단위 픽셀이 도시되어 있으나, 실시예에 따라서 출력부의 일부 또는 전부는 복수의 하프 픽셀들에 의해 공유될 수도 있으며, 보상 블록의 일부 또는 전부는 복수의 메인 센싱 블록들에 의해 공유될 수도 있다.

도 6a, 6b 및 6c는 도 4의 거리 픽셀의 보상부에 포함되는 주변 광 검출 영역의 구성을 설명하기 위한 도면들이다. 도 6a 및 6b는 도 4의 제1 주변 광 검출 영역의 예들을 나타내는 단면도들이다. 도 6c는 도 4의 제1 주변 광 검출 영역의 깊이에 따른 도핑 프로파일을 나타내는 도면이다.

도 6a를 참조하면, 제1 주변 광 검출 영역(161a)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 제1 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 불순물은 p형 불순물일 수 있다. 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고, 제1 주변 광 검출 영역(161a)은 p형 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.

도 6b를 참조하면, 제1 주변 광 검출 영역(161b)은 반도체 기판(110) 내에 형성되고, 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 제1 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑되어 형성되며, 수신 광(RX)이 입사되는 반도체 기판(110)의 제1 면(즉, 게이트들이 놓이는(overlain) 반도체 기판(110)의 상부 표면) 방향으로 점차적으로 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이며, 제1 주변 광 검출 영역(161b)은 p형 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑되고 반도체 기판(110)의 상부 표면 방향으로 점차적으로 높은 농도로 도핑될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 주변 광 검출 영역은, 상부 표면이 도핑 농도가 가장 높고 상부 표면에서 깊어질수록 도핑 농도가 감소하는 도 6c에 도시된 형태의 도핑 프로파일을 가질 수 있다.

도 6a에 도시된 제1 주변 광 검출 영역(161a) 및 도 6b에 도시된 제1 주변 광 검출 영역(161b)은 전자-정공 쌍 중 정공을 생성/수집할 수 있다. 한편, 도시하지는 않았으나, 제2 보상부에 포함되는 제2 주변 광 검출 영역은 제1 주변 광 검출 영역과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 7a 및 7b는 도 4의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다. 도 7a는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 집광 시간 동안에 생성되어 수집되고 독출 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타내며, 도 7b는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 집광 시간 동안에 생성되어 수집되고 집광 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타낸다.

도 4, 5a, 5b 및 7a를 참조하면, 거리 픽셀(100a)은 집광 시간(TINT) 이전에 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 플로팅 확산 영역들(151, 153)을 초기화시키며, 제3 및 제4 리셋 신호들(HRST1, HRST2)을 활성화하여 주변 광 검출 영역들(161, 171)을 초기화시킨다.

집광 시간(TINT) 동안에 피사체에 조사된 송신 광(TX)이 상기 피사체에 의해 반사되어 수신 광(RX)으로서 거리 픽셀(100a)에 도달한다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(TOF)만큼 지연된다.

집광 시간(TINT) 동안에 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 제1 및 제2 포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)은 송신 광(TX)과 일정한 위상 차를 갖는다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, 제1 포토 제어 신호(PGC1)는 송신 광(TX)과 동일한 위상을 갖고, 제2 포토 제어 신호(PGC2)는 송신 광(TX)과 반대 위상(즉, 180도의 위상 차)을 가질 수 있다. 즉, 제1 및 제2 포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)은 집광 시간(TINT) 동안에 제1 논리 레벨과 제2 논리 레벨 사이를 주기적으로 토글링하고, 독출 시간(TRD) 동안에 상기 제1 논리 레벨을 가질 수 있다.

제1 포토 제어 신호(PGC1)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q1)이 제1 광 검출 영역(151)에서 생성되어 상기 제1 전하들로서 수집되고, 제2 포토 제어 신호(PGC2)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q2)이 제2 광 검출 영역(153)에서 생성되어 상기 제3 전하들로서 수집된다. 또한, 수신 광(RX)에 포함되는 상기 주변 광 성분에 의해, 제1 주변 광 검출 영역(161)에서 상기 제2 전하들이 생성되고 제2 주변 광 검출 영역(171)에서 상기 제4 전하들이 생성된다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 플로팅 확산 영역들(151, 153)을 초기화시킨다. 플로팅 확산 영역들(151, 153)이 초기화된 후에 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 제1 플로팅 확산 영역(151)의 전압이 제1 노이즈 전압(VB1)으로서 검출되고, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 제2 플로팅 확산 영역(153)의 전압이 제2 노이즈 전압(VB2)으로서 검출된다. 노이즈 전압들(VB1, VB2)이 검출된 후에, 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여, 상기 제1 전하들을 제1 플로팅 확산 영역(151)에 전송하고 상기 제3 전하들을 제2 플로팅 확산 영역(153)에 전송한다. 이와 동시에 제1 및 제2 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)을 활성화하여, 상기 제2 전하들을 제1 플로팅 확산 영역(151)에 주입하고 상기 제4 전하들을 제2 플로팅 확산 영역(153)에 주입한다. 상기 전하들이 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 축적/주입된 후에 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 전하들 및 상기 제2 전하들의 합에 상응하는 제1 플로팅 확산 영역(151)의 전압이 제1 복조 전압(VD1)으로서 검출되고, 상기 제3 전하들 및 상기 제4 전하들의 합에 상응하는 제2 플로팅 확산 영역(153)의 전압이 제2 복조 전압(VD2)으로서 검출된다.

검출된 노이즈 전압들(VB1, VB2) 및 복조 전압들(VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다. 즉, 제1 노이즈 전압(VB1)과 제1 복조 전압(VD1)의 차이로부터 제1 포토 제어 신호(PGC1)의 위상에 상응하는 제1 유효 전압(V1=|VB1-VD1|)을 결정하고 제2 노이즈 전압(VB2)과 제2 복조 전압(VD2)의 차이로부터 제2 포토 제어 신호(PGC2)의 위상에 상응하는 제2 유효 전압(V2=|VB2-VD2|)을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 제어 신호(PGC1)와 송신 광(TX) 사이의 위상 차를 P1이라 하고 제2 포토 제어 신호(PGC2)와 송신 광(TX) 사이의 위상 차를 P2라 하면, (P1V1+P2V2)/(V1+V2)와 같은 가중치 평균으로부터 수신 광(RX)의 위상이 계산될 수 있고, 결과적으로 피사체까지의 거리를 구할 수 있다.

도 4, 5a, 5b 및 7b를 참조하면, 거리 픽셀(100a)은 집광 시간(TINT) 이전에 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 플로팅 확산 영역들(151, 153)을 초기화시키며, 제3 및 제4 리셋 신호들(HRST1, HRST2)을 활성화하여 주변 광 검출 영역들(161, 171)을 초기화시킨다. 플로팅 확산 영역들(151, 153)이 초기화된 후에 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 제1 및 제2 노이즈 전압들(VB1, VB2)로서 각각 검출된다.

집광 시간(TINT) 동안에 거리 픽셀(100a)에 도달하는 수신 광(RX)에 의해, 제1 및 제2 포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q1, Q2)이 제1 및 제2 광 검출 영역들(151, 153)에서 생성되어 상기 제1 및 제3 전하들로서 각각 수집된다. 상기 주변 광 성분에 의해, 제1 및 제2 주변 광 검출 영역들(161, 171)에서 상기 제2 및 제4 전하들이 각각 생성된다.

또한, 집광 시간(TINT) 동안에 제1 및 제2 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)을 활성화하여, 상기 제2 및 제4 전하들을 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 주입한다. 도 7b에는 집광 시간(TINT) 동안에 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)이 1회 활성화되는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서, 집광 시간(TINT) 동안에 제1 및 제2 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)은 복수 회 활성화될 수 있으며 이 경우 상기 제2 및 제4 전하들이 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 복수 회 주입될 수 있다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여, 상기 제1 및 제3 전하들을 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 전송한다. 상기 전하들이 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 축적된 후에 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합에 상응하는 제1 플로팅 확산 영역(151)의 전압이 제1 복조 전압(VD1)으로서 검출되고, 상기 제3 및 제4 전하들의 합에 상응하는 제2 플로팅 확산 영역(153)의 전압이 제2 복조 전압(VD2)으로서 검출된다. 검출된 노이즈 전압들(VB1, VB2) 및 복조 전압들(VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다.

도 8은 도 1의 거리 픽셀의 다른 예를 나타내는 평면도이다. 도 9는 도 8의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다. 도 9는 도 8의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이다.

도 8 및 9를 참조하면, 거리 픽셀(100b)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151) 및 제1 보상부(160b)를 포함하며, 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다. 또한, 거리 픽셀(100b)은 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170b) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.

도 8의 거리 픽셀(100b)은 보상부들(160b, 170b)의 구성이 변경되는 것을 제외하면 도 4의 거리 픽셀(100a)과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 도 8의 거리 픽셀(100b)의 메인 센싱 블록은 도 4의 거리 픽셀(100a)의 메인 센싱 블록과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

제1 보상부(160b)는 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하며, 상기 제2 전하들을 제1 플로팅 확산 영역(151)에 제공할 수 있다. 제2 보상부(170b)는 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제3 전하들과 다른 제4 전하들을 생성하며, 상기 제4 전하들을 제2 플로팅 확산 영역(153)에 제공할 수 있다.

제1 보상부(160b)는 제1 주변 광 검출 영역(162), 제1 주입 게이트(164), 제3 전송 게이트(165), 제1 저장 영역(167) 및 제3 리셋 트랜지스터(168)를 포함할 수 있다. 제1 주변 광 검출 영역(162)은 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제2 전하들을 생성할 수 있다. 제3 전송 게이트(165)는 제3 전송 제어 신호(HTGC1)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제1 저장 영역(167)은 제3 전송 게이트(165)가 턴온되는 경우에 제1 주변 광 검출 영역(162)에서 생성된 상기 제2 전하들을 저장할 수 있다. 즉, 제3 전송 제어 신호(HTGC1)에 응답하여 제1 주변 광 검출 영역(162)과 제1 저장 영역(167)이 전기적으로 연결될 수 있으며, 이 때 제1 주변 광 검출 영역(162)과 제1 저장 영역(167)은 반도체 기판(110)의 상부 영역에 형성되는 채널을 통하여 연결될 수 있다. 제1 주입 게이트(164)는 제1 주입 제어 신호(HIGC1)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제3 전송 게이트(165)가 턴온된 이후에 제1 주입 게이트(164)가 턴온되는 경우에, 제1 저장 영역(167)에 저장된 상기 제2 전하들이 제1 플로팅 확산 영역(151)에 주입될 수 있다. 즉, 제1 주입 제어 신호(HIGC1)에 응답하여 제1 저장 영역(167)과 제1 플로팅 확산 영역(151)이 전기적으로 연결될 수 있으며, 이 때 제1 저장 영역(167)과 제1 플로팅 확산 영역(151)은 반도체 기판(110)의 상부 영역에 형성되는 채널을 통하여 직접적으로 연결될 수도 있고 금속 배선 등을 통하여 간접적으로 연결될 수도 있다. 제3 리셋 트랜지스터(168)는 제3 리셋 신호(HRST1)에 응답하여 제1 저장 영역(167)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 제1 저장 영역(167)을 접지 전압(VSS)의 레벨로 초기화시킬 수 있다.

제2 보상부(170b)는 제1 보상부(160b)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 제2 보상부(170b)는 상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제4 전하들을 생성하는 제2 주변 광 검출 영역(172), 제4 전송 제어 신호(HTGC2)에 응답하여 온-오프되는 제4 전송 게이트(175), 제4 전송 게이트(175)가 턴온되는 경우에 제2 주변 광 검출 영역(172)에서 생성된 상기 제4 전하들을 저장하는 제2 저장 영역(177), 및 제2 주입 제어 신호(HIGC2)에 응답하여 온-오프되는 제2 주입 게이트(174)를 포함하며, 제4 전송 게이트(175)가 턴온된 이후에 제2 주입 게이트(174)가 턴온되는 경우에 제2 저장 영역(177)에 저장된 상기 제4 전하들이 제2 플로팅 확산 영역(153)에 주입될 수 있다. 제2 보상부(170b)는 제4 리셋 신호(HRST2)에 응답하여 제2 저장 영역(177)에 축적된 전하들을 방전함으로써 제2 저장 영역(177)을 접지 전압(VSS)의 레벨로 초기화시키는 제4 리셋 트랜지스터(178)를 포함할 수 있다.

보상부들(160b, 170b)에 포함되는 주변 광 검출 영역들(162, 172) 및 저장 영역들(167, 177)은 반도체 기판(110) 내에 형성될 수 있고, 전송 게이트들(165, 175) 및 주입 게이트들(164, 174)은 반도체 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 주변 광 검출 영역들(162, 172) 및 저장 영역들(167, 177)은 반도체 기판(110)과 동일한 도전형의 불순물(예를 들어, p형 불순물)로 도핑되어 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 주변 광 검출 영역들(162, 172)의 크기는 광 검출 영역들(131, 133)의 크기보다 작을 수 있다.

도 10a 및 10b는 도 8의 거리 픽셀의 보상부에 포함되는 주변 광 검출 영역의 구성을 설명하기 위한 도면들이다. 도 10a 및 10b는 도 8의 제1 주변 광 검출 영역의 예들을 나타내는 단면도들이다.

도 10a를 참조하면, 제1 주변 광 검출 영역(162a)은 포토 다이오드의 형태로 구현될 수 있다. 제1 주변 광 검출 영역(162a)은 제1 불순물 영역(DPR1) 및 제2 불순물 영역(DPR2)을 포함할 수 있다. 제1 불순물 영역(DPR1)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 제1 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 제2 불순물 영역(DPR2)은 반도체 기판(110) 내의 제1 불순물 영역(DPR1)의 하부에 형성되며, 상기 제1 불순물과 다른 도전형의 제2 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 불순물은 p형 불순물이고, 상기 제2 불순물은 n형 불순물일 수 있다. 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고, 제1 불순물 영역(DPR1)은 p형 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑될 수 있으며, 제2 불순물 영역(DPR2)은 n형 불순물이 도핑될 수 있다.

도 10b를 참조하면, 제1 주변 광 검출 영역(162b)은 핀드 포토 다이오드의 형태로 구현될 수 있다. 제1 주변 광 검출 영역(162b)은 제1 불순물 영역(DPR1), 제2 불순물 영역(DPR2) 및 제3 불순물 영역(DPR3)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 불순물 영역들(DPR1, DPR2)은 도 10a의 제1 및 제2 불순물 영역들(DPR1, DPR2)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 제3 불순물 영역(DPR3)은 반도체 기판(110) 내의 제1 불순물 영역(DPR1)의 상부에 형성되며, 상기 제2 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고, 제1 불순물 영역(DPR1)은 p형 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑될 수 있으며, 제2 및 제3 불순물 영역들(DPR2, DPR3)은 n형 불순물이 도핑될 수 있다.

도 10a에 도시된 제1 주변 광 검출 영역(162a) 및 도 10b에 도시된 제1 주변 광 검출 영역(162b)은 전자-정공 쌍 중 정공을 생성/수집할 수 있다. 한편, 도시하지는 않았으나, 제2 보상부에 포함되는 제2 주변 광 검출 영역은 제1 주변 광 검출 영역과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 11a 및 11b는 도 8의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다. 도 11a는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 집광 시간 동안에 생성되어 수집되고 독출 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타내며, 도 11b는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 집광 시간 동안에 생성되어 수집되고 집광 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타낸다.

도 8, 9 및 11a를 참조하면, 거리 픽셀(100b)은 집광 시간(TINT) 이전에 리셋 신호들(RST1, RST2, HRST1, HRST2)을 활성화하여 플로팅 확산 영역들(151, 153) 및 저장 영역들(167, 177)을 초기화시킨다.

집광 시간(TINT) 동안에 거리 픽셀(100b)에 도달하는 수신 광(RX)에 의해, 광 검출 영역들(151, 153)에서 상기 제1 및 제3 전하들이 각각 생성된다. 상기 주변 광 성분에 의해, 주변 광 검출 영역들(162, 172)에서 상기 제2 및 제4 전하들이 각각 생성된다.

또한, 집광 시간(TINT) 동안에 제3 및 제4 전송 제어 신호들(HTGC1, HTGC2)을 활성화하여, 상기 제2 및 제4 전하들을 저장 영역들(167, 177)에 각각 저장한다. 도 11a에는 제3 및 제4 전송 제어 신호들(HTGC1, HTGC2)이 전체 집광 시간(TINT) 동안에 활성화 상태를 계속 유지하는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 제3 및 제4 전송 제어 신호들(HTGC1, HTGC2)은 집광 시간(TINT)의 일부 구간 동안에만 활성화 상태를 유지할 수도 있다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여, 플로팅 확산 영역들(151, 153)을 초기화시킨다. 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 노이즈 전압들(VB1, VB2)로서 각각 검출된다. 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여, 상기 제1 및 제3 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 전송한다. 이와 동시에 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)을 활성화하여, 상기 제2 및 제4 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 주입한다. 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합 및 상기 제3 및 제4 전하들의 합에 각각 상응하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 복조 전압들(VD1, VD2)로서 각각 검출된다. 검출된 전압들(VB1, VB2, VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다.

도 8, 9 및 11b를 참조하면, 거리 픽셀(100b)은 집광 시간(TINT) 이전에 리셋 신호들(RST1, RST2, HRST1, HRST2)을 활성화하여 플로팅 확산 영역들(151, 153) 및 저장 영역들(167, 177)을 초기화시키며, 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여 전원 전압(VDD)으로 초기화된 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 노이즈 전압들(VB1, VB2)로서 각각 검출된다.

집광 시간(TINT) 동안에 거리 픽셀(100b)에 도달하는 수신 광(RX)에 의해, 광 검출 영역들(151, 153)에서 상기 제1 및 제3 전하들이 각각 생성된다. 상기 주변 광 성분에 의해, 주변 광 검출 영역들(161, 171)에서 상기 제2 및 제4 전하들이 각각 생성된다.

또한, 집광 시간(TINT)의 일부 구간 동안에 제3 및 제4 전송 제어 신호들(HTGC1, HTGC2)을 활성화하여, 상기 제2 및 제4 전하들을 저장 영역들(167, 177)에 각각 저장한다. 제3 및 제4 전송 제어 신호들(HTGC1, HTGC2)을 활성화된 후에 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)을 활성화하여, 상기 제2 및 제4 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 주입한다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여, 상기 제1 및 제3 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 전송한다. 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합 및 상기 제3 및 제4 전하들의 합에 각각 상응하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 복조 전압들(VD1, VD2)로서 각각 검출된다. 검출된 전압들(VB1, VB2, VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다.

도 12는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다. 도 13은 도 12의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다. 도 13은 도 12의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이다.

도 12 및 13을 참조하면, 거리 픽셀(100c)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 브릿지 확산 영역(135), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151), 제1 보상부(160a), 제1 출력부(180), 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 브릿지 확산 영역(137), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170a) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.

도 12의 거리 픽셀(100c)은 임시 저장 영역으로서 브릿지 확산 영역들(135, 137)을 더 포함하는 것을 제외하면 도 4의 거리 픽셀(100a)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 12의 거리 픽셀(100c)은 도 7a의 실시예 또는 도 7b의 실시예와 유사하게 동작할 수 있으며, 다만 상기 제1 및 제3 전하들을 광 검출 영역들(131, 133)에 각각 저장하는 대신에 브릿지 확산 영역들(135, 137)에 각각 임시 저장할 수 있다.

제1 브릿지 확산 영역(135)은 제1 광 검출 영역(131)에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(121)는 제1 광 검출 영역(131)의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 제1 광 검출 영역(131)에서 생성된 상기 제1 전하들을 제1 브릿지 확산 영역(135)에 저장할 수 있다. 제1 전송 게이트(141)에 인가되는 제1 전송 제어 신호(TGC1)에 응답하여 제1 브릿지 확산 영역(135)과 제1 플로팅 확산 영역(151)이 전기적으로 연결되며, 상기 제1 전하들이 제1 브릿지 확산 영역(135)에서 제1 플로팅 확산 영역(151)으로 전송될 수 있다.

제2 브릿지 확산 영역(137)은 제2 광 검출 영역(133)에 인접하여 형성될 수 있다. 제2 포토 게이트(123)는 제2 광 검출 영역(133)의 상부에 형성되고, 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 제2 광 검출 영역(133)에서 생성된 상기 제3 전하들을 제2 브릿지 확산 영역(137)에 저장할 수 있다. 제2 전송 게이트(143)에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TGC2)에 응답하여 제2 브릿지 확산 영역(137)과 제2 플로팅 확산 영역(153)이 전기적으로 연결되며, 상기 제3 전하들이 제2 브릿지 확산 영역(137)에서 제2 플로팅 확산 영역(153)으로 전송될 수 있다.

브릿지 확산 영역들(135, 137)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 광 검출 영역들(131, 133) 및 플로팅 확산 영역들(151, 153)과 마찬가지로 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다.

도 14는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 14를 참조하면, 거리 픽셀(100d)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 브릿지 확산 영역(135), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151), 제1 보상부(160b), 제1 출력부(180), 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 브릿지 확산 영역(137), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170b) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.

도 14의 거리 픽셀(100d)은 임시 저장 영역으로서 브릿지 확산 영역들(135, 137)을 더 포함하는 것을 제외하면 도 8의 거리 픽셀(100b)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 14의 거리 픽셀(100d)은 도 11a의 실시예 또는 도 11b의 실시예와 유사하게 동작할 수 있으며, 다만 상기 제1 및 제3 전하들을 광 검출 영역들(131, 133)에 각각 저장하는 대신에 브릿지 확산 영역들(135, 137)에 각각 임시 저장할 수 있다. 브릿지 확산 영역들(135, 137)은 도 12의 브릿지 확산 영역들(135, 137)과 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 15는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다. 도 16은 도 15의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다. 도 16은 도 15의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이다.

도 15 및 16을 참조하면, 거리 픽셀(100e)은 제1 포토 게이트(125), 제1 광 검출 영역(131), 제1 저장 영역(145), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151), 제1 보상부(160a), 제1 출력부(180), 제2 포토 게이트(127), 제2 광 검출 영역(133), 제2 저장 영역(147), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170a) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.

도 15의 거리 픽셀(100e)은 포토 게이트들(125, 127)의 구성이 변경되고 임시 저장 영역으로서 저장 영역들(145, 147)을 더 포함하는 것을 제외하면 도 4의 거리 픽셀(100a)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 15의 거리 픽셀(100e)은 도 7a의 실시예 또는 도 7b의 실시예와 유사하게 동작할 수 있으며, 다만 상기 제1 및 제3 전하들을 광 검출 영역들(131, 133)에 각각 저장하는 대신에 저장 영역들(145, 147)에 각각 임시 저장할 수 있다.

제1 저장 영역(145)은 제1 광 검출 영역(131)과 이격되어 형성될 수 있다. 제1 포토 게이트(125)는 제1 광 검출 영역(131)과 제1 저장 영역(145) 사이의 반도체 기판(110)의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 제1 광 검출 영역(131)에서 생성된 상기 제1 전하들을 제1 저장 영역(145)에 저장할 수 있다. 즉, 제1 포토 게이트(125)에 인가되는 제1 포토 제어 신호(PGC1)의 위상에 상응하는 광 전하가 상기 제1 전하들로서 수집되어 제1 저장 영역(145)에 저장될 수 있다. 제1 전송 게이트(141)에 인가되는 제1 전송 제어 신호(TGC1)에 응답하여 제1 저장 영역(145)과 제1 플로팅 확산 영역(151)이 전기적으로 연결되며, 상기 제1 전하들이 제1 저장 영역(145)에서 제1 플로팅 확산 영역(151)으로 전송될 수 있다.

제2 저장 영역(147)은 제2 광 검출 영역(133)과 이격되어 형성될 수 있다. 제2 포토 게이트(127)는 제2 광 검출 영역(133)과 제2 저장 영역(147) 사이의 반도체 기판(110)의 상부에 형성되고, 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 제2 광 검출 영역(133)에서 생성된 상기 제3 전하들을 제2 저장 영역(147)에 저장할 수 있다. 제2 전송 게이트(143)에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TGC2)에 응답하여 제2 저장 영역(147)과 제2 플로팅 확산 영역(153)이 전기적으로 연결되며, 상기 제3 전하들이 제2 저장 영역(147)에서 제2 플로팅 확산 영역(153)으로 전송될 수 있다.

저장 영역들(145, 147)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 광 검출 영역들(131, 133) 및 플로팅 확산 영역들(151, 153)과 마찬가지로 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다.

도 17은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 17을 참조하면, 거리 픽셀(100f)은 제1 포토 게이트(125), 제1 광 검출 영역(131), 제1 저장 영역(145), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151), 제1 보상부(160b), 제1 출력부(180), 제2 포토 게이트(127), 제2 광 검출 영역(133), 제2 저장 영역(147), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170b) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.

도 17의 거리 픽셀(100f)은 포토 게이트들(125, 127)의 구성이 변경되고 임시 저장 영역으로서 저장 영역들(145, 147)을 더 포함하는 것을 제외하면 도 8의 거리 픽셀(100b)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 17의 거리 픽셀(100f)은 도 11a의 실시예 또는 도 11b의 실시예와 유사하게 동작할 수 있으며, 다만 상기 제1 및 제3 전하들을 광 검출 영역들(131, 133)에 각각 저장하는 대신에 저장 영역들(145, 147)에 각각 임시 저장할 수 있다. 포토 게이트들(125, 127) 및 저장 영역들(145, 147)은 도 15의 포토 게이트들(125, 127) 및 저장 영역들(145, 147)과 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 18은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다. 도 19는 도 18의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다. 도 19는 도 18의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이다.

도 18 및 19를 참조하면, 거리 픽셀(100g)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 브릿지 확산 영역(135), 제1 저장 게이트(155), 제1 저장 영역(145), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151), 제1 보상부(160a), 제1 출력부(180), 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 브릿지 확산 영역(137), 제2 저장 게이트(157), 제2 저장 영역(147), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170a) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.

도 18의 거리 픽셀(100g)은 임시 저장 영역으로서 브릿지 확산 영역들(135, 137) 및 저장 영역들(145, 147)을 더 포함하고 저장 게이트들(155, 157)을 더 포함하는 것을 제외하면 도 4의 거리 픽셀(100a)과 실질적으로 동일할 수 있다.

제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(135, 137)은 제1 및 제2 광 검출 영역들(131, 133)에 각각 인접하여 형성될 수 있다. 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147)은 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(135, 137)과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 제1 및 제2 포토 게이트들(121, 123)은 제1 및 제2 광 검출 영역들(131, 133)의 상부에 각각 형성되고, 제1 및 제2 포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)에 응답하여 제1 및 제2 광 검출 영역들(131, 133)에서 생성된 상기 제1 및 제3 전하들을 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(135, 137)에 각각 저장할 수 있다.

제1 및 제2 저장 게이트들(155, 157)은 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(135, 137)과 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147) 사이의 반도체 기판(110)의 상부에 각각 형성될 수 있다. 제1 및 제2 저장 게이트들(155, 157)에 인가되는 제1 및 제2 저장 제어 신호들(SGC1, SGC2)에 응답하여 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(135, 137)과 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제3 전하들이 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(135, 137)에서 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147)로 각각 전송될 수 있다.

제1 및 제2 전송 게이트들(141, 143)은 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147)과 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153) 사이의 반도체 기판(110)의 상부에 각각 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전송 게이트들(141, 143)에 인가되는 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)에 응답하여 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147)과 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제3 전하들이 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147)에서 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)로 각각 전송될 수 있다.

도 20a 및 20b는 도 18의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다. 도 20a는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 독출 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타내며, 도 20b는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 집광 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타낸다.

도 18, 19 및 20a를 참조하면, 집광 시간(TINT) 이전 및 집광 시간(TINT) 동안의 거리 픽셀(100g)의 동작은 도 7a의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 플로팅 확산 영역들(151, 153)을 초기화시킨다. 저장 제어 신호들(SGC1, SGC2)을 활성화하여 상기 제1 및 제3 전하들을 저장 영역들(145, 147)에 각각 전송한다. 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 노이즈 전압들(VB1, VB2)로서 각각 검출된다. 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여 상기 제1 및 제3 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 전송하고, 이와 동시에 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)을 활성화하여 상기 제2 및 제4 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 주입한다. 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합 및 상기 제3 및 제4 전하들의 합에 각각 상응하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 복조 전압들(VD1, VD2)로서 각각 검출된다. 검출된 전압들(VB1, VB2, VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다.

도 18, 19 및 20b를 참조하면, 집광 시간(TINT) 이전 및 집광 시간(TINT) 동안의 거리 픽셀(100g)의 동작은 도 7b의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 저장 제어 신호들(SGC1, SGC2)을 활성화하여 상기 제1 및 제3 전하들을 저장 영역들(145, 147)에 각각 전송한다. 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여 상기 제1 및 제3 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 전송하고, 이와 동시에 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)을 활성화하여 상기 제2 및 제4 전하들을 플로팅 확산 영역들(151, 153)에 각각 주입한다. 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합 및 상기 제3 및 제4 전하들의 합에 각각 상응하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(151, 153)의 전압이 복조 전압들(VD1, VD2)로서 각각 검출된다. 검출된 전압들(VB1, VB2, VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다.

도 21은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 21을 참조하면, 거리 픽셀(100h)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 브릿지 확산 영역(135), 제1 저장 게이트(155), 제1 저장 영역(145), 제1 전송 게이트(141), 제1 플로팅 확산 영역(151), 제1 보상부(160b), 제1 출력부(180), 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 브릿지 확산 영역(137), 제2 저장 게이트(157), 제2 저장 영역(147), 제2 전송 게이트(143), 제2 플로팅 확산 영역(153), 제2 보상부(170b) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.

도 21의 거리 픽셀(100h)은 임시 저장 영역으로서 브릿지 확산 영역들(135, 137) 및 저장 영역들(145, 147)을 더 포함하고 저장 게이트들(155, 157)을 더 포함하는 것을 제외하면 도 8의 거리 픽셀(100b)과 실질적으로 동일할 수 있다. 브릿지 확산 영역들(135, 137), 저장 게이트들(155, 157) 및 저장 영역들(145, 147)은 도 18의 브릿지 확산 영역들(135, 137), 저장 게이트들(155, 157) 및 저장 영역들(145, 147)과 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 22a 및 22b는 도 21의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다. 도 22a는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 독출 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타내며, 도 22b는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 집광 시간 동안에 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타낸다.

도 21 및 22a를 참조하면, 거리 픽셀(100h)은 도 11a의 실시예와 유사하게 동작할 수 있다. 다만, 독출 시간(TRD) 동안에 저장 제어 신호들(SGC1, SGC2)을 활성화하여 상기 제1 및 제3 전하들을 저장 영역들(145, 147)에 각각 전송하는 단계를 더 포함하며, 상술한 단계는 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하는 단계 이후 및 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하는 단계 이전에 수행될 수 있다.

도 21 및 22b를 참조하면, 거리 픽셀(100h)은 도 11b의 실시예와 유사하게 동작할 수 있다. 다만, 독출 시간(TRD) 동안에 저장 제어 신호들(SGC1, SGC2)을 활성화하여 상기 제1 및 제3 전하들을 저장 영역들(145, 147)에 각각 전송하는 단계를 더 포함하며, 상술한 단계는 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하는 단계 이전에 수행될 수 있다.

도 23은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다. 도 24는 도 23의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다. 도 24는 도 23의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이다.

도 23 및 24를 참조하면, 거리 픽셀(100i)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 전송 게이트(141), 공통 플로팅 확산 영역(152), 제1 보상부(160a), 공통 출력부(186), 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 전송 게이트(143) 및 제2 보상부(170a)를 포함할 수 있다.

도 23의 거리 픽셀(100i)은 노이즈 전압들(VB1, VB2) 및 복조 전압들(VD1, VD2)을 순차적으로 검출하기 위한 하나의 공통 플로팅 확산 영역(152) 및 하나의 공통 출력부(186)를 포함한다. 공통 플로팅 확산 영역(152) 및 공통 출력부(186)는 두 개의 하프 픽셀들에 의해 공유될 수 있다. 제1 하프 픽셀은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 전송 게이트(141) 및 제1 보상부(160a)를 포함하여 구현되며, 제2 하프 픽셀은 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 전송 게이트(143) 및 제2 보상부(170a)를 포함하여 구현될 수 있다. 포토 게이트들(121, 123), 광 검출 영역들(131, 133), 전송 게이트들(141, 143) 및 보상부들(160a, 170a)은 도 4의 포토 게이트들(121, 123), 광 검출 영역들(131, 133), 전송 게이트들(141, 143) 및 보상부들(160a, 170a)과 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)에 응답하여 포토 게이트들(121, 123)이 턴온되는 경우에, 광 검출 영역들(131, 133)은 수신 광(RX)에 기초하여 제1 및 제3 전하들을 각각 생성할 수 있다. 주변 광 검출 영역들(161, 171)은 상기 주변 광 성분에 기초하여 제2 및 제4 전하들을 각각 생성할 수 있다. 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)에 응답하여 전송 게이트들(141, 143)이 턴온되는 경우에, 상기 제1 및 제3 전하들이 공통 플로팅 확산 영역(152)에 축적될 수 있다. 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)에 응답하여 주입 게이트들(163, 173)이 턴온되는 경우에, 상기 제2 및 제4 전하들이 공통 플로팅 확산 영역(152)에 주입될 수 있다. 거리 픽셀(100g)은 하나의 공통 플로팅 확산 영역(152)을 포함하므로, 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2) 및 주입 제어 신호들(HIGC1, HIGC2)은 서로 다른 타이밍에 활성화될 수 있다.

공통 출력부(186)는 공통 플로팅 확산 영역(152)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호를 출력할 수 있다. 공통 출력부(186)는 리셋 트랜지스터(187), 드라이브 트랜지스터(188) 및 선택 트랜지스터(189)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(187)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 공통 플로팅 확산 영역(152)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 공통 플로팅 확산 영역(152)을 전원 전압(VDD)의 레벨로 초기화시킬 수 있다. 드라이브 트랜지스터(188)는 공통 플로팅 확산 영역(152)의 전압을 증폭할 수 있다. 선택 트랜지스터(189)는 선택 신호(SEL)에 응답하여 드라이브 트랜지스터(188)에 의해 증폭된 전압을 출력 전압(CVOUT)으로서 출력 라인(196)에 제공할 수 있다.

도 25는 도 23의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 도 25는 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 독출 시간 동안에 공통 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타낸다.

도 23, 24 및 25를 참조하면, 집광 시간(TINT) 이전 및 집광 시간(TINT) 동안의 거리 픽셀(100i)의 동작은 도 7a의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.

독출 시간(TRD)이 시작되면, 리셋 신호(RST)를 활성화하여 공통 플로팅 확산 영역(152)을 초기화시키며, 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여 전원 전압(VDD)으로 초기화된 공통 플로팅 확산 영역(152)의 전압이 제1 노이즈 전압(VB1)으로서 검출된다. 제1 전송 제어 신호(TGC1)를 활성화하여 상기 제1 전하들을 공통 플로팅 확산 영역(152)에 전송하고, 이와 동시에 제1 주입 제어 신호(HIGC1)를 활성화하여 상기 제2 전하들을 공통 플로팅 확산 영역(152)에 주입한다. 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합에 상응하는 공통 플로팅 확산 영역(152)의 전압이 제1 복조 전압(VD1)으로서 검출된다. 이후에 리셋 신호(RST)를 다시 활성화하여 공통 플로팅 확산 영역(152)을 초기화시키며, 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 다시 활성화하여 전원 전압(VDD)으로 초기화된 공통 플로팅 확산 영역(152)의 전압이 제2 노이즈 전압(VB2)으로서 검출된다. 제2 전송 제어 신호(TGC2)를 활성화하여 상기 제3 전하들을 공통 플로팅 확산 영역(152)에 전송하고, 이와 동시에 제2 주입 제어 신호(HIGC2)를 활성화하여 상기 제4 전하들을 공통 플로팅 확산 영역(152)에 주입한다. 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 다시 활성화하여, 상기 제3 및 제4 전하들의 합에 상응하는 공통 플로팅 확산 영역(152)의 전압이 제2 복조 전압(VD2)으로서 검출된다. 검출된 전압들(VB1, VB2, VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다.

도 26은 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예를 나타내는 평면도이다.

도 26을 참조하면, 거리 픽셀(100j)은 제1 포토 게이트(121), 제1 광 검출 영역(131), 제1 전송 게이트(141), 공통 플로팅 확산 영역(152), 제1 보상부(160b), 공통 출력부(186), 제2 포토 게이트(123), 제2 광 검출 영역(133), 제2 전송 게이트(143) 및 제2 보상부(170b)를 포함할 수 있다.

도 26의 거리 픽셀(100j)은 보상부들(160b, 170b)의 구성이 변경되는 것을 제외하면 도 23의 거리 픽셀(100i)과 실질적으로 동일할 수 있다. 보상부들(160b, 170b)은 도 8의 보상부들(160b, 170b)과 각각 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 27은 도 26의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 도 27은 제2 및 제4 전하들(즉, 정공들)이 독출 시간 동안에 공통 플로팅 확산 영역에 주입되는 실시예를 나타낸다.

도 27을 참조하면, 집광 시간(TINT) 이전 및 집광 시간(TINT) 동안의 거리 픽셀(100j)의 동작은 도 11a의 실시예와 실질적으로 동일하며, 독출 시간(TRD) 동안의 거리 픽셀(100j)의 동작은 도 25의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만, 하나의 공통 플로팅 확산 영역(152) 및 하나의 공통 출력부(186)를 포함하는 도 23 및 26의 거리 픽셀들(100i, 100j)은, 실시예에 따라서 도 12, 14, 15, 17, 18 및 21을 참조하여 상술한 것처럼 브릿지 확산 영역들(135, 137) 및 저장 영역들(145, 147) 중 적어도 하나(즉, 임시 저장 영역들)를 더 포함하도록 구현될 수도 있다.

도 28 및 29는 도 1의 거리 픽셀의 또 다른 예들을 나타내는 평면도들이다.

도 28을 참조하면, 거리 픽셀(200a)은 제1 포토 게이트(221), 제1 광 검출 영역(231), 제1 전송 게이트(241), 제1 플로팅 확산 영역(251), 제1 보상부(260a), 제1 출력부(280), 제2 포토 게이트(223), 제2 광 검출 영역(233), 제2 전송 게이트(243), 제2 플로팅 확산 영역(253), 제2 보상부(270a) 및 제2 출력부(290)를 포함할 수 있다.

도 28의 거리 픽셀(200a)은 도 4의 거리 픽셀(100a)과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 포토 게이트들(221, 223), 광 검출 영역들(231, 233), 전송 게이트들(241, 243), 플로팅 확산 영역들(251, 253) 및 출력부들(280, 290)을 포함하는 메인 센싱 블록은 도 5a에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있으며, 보상부들(260a, 270a)을 포함하는 보상 블록은 도 5b에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 출력부들(280, 290)은 리셋 트랜지스터들(281, 291), 드라이브 트랜지스터들(283, 293) 및 선택 트랜지스터들(285, 295)을 각각 포함할 수 있으며, 보상부들(260a, 270a)은 주변 광 검출 영역들(261, 271), 주입 게이트들(263, 273) 및 리셋 트랜지스터들(269, 279)을 각각 포함할 수 있다.

다만, 도 28의 거리 픽셀(200a)은 상기 메인 센싱 블록이 수신 광(RX)에 기초하여 정공을 생성/수집하고, 상기 보상 블록이 상기 주변 광 성분에 기초하여 전자를 생성/수집할 수 있다. 이 경우, 반도체 기판(210)은 n형 반도체 기판이고, 광 검출 영역들(231, 233) 및 플로팅 확산 영역들(251, 253)은 p형 불순물이 반도체 기판(210)보다 높은 농도로 도핑되어 형성됨으로써, 광 검출 영역들(231, 233)이 전자-정공 쌍 중 정공을 생성/수집할 수 있다. 또한, 주변 광 검출 영역들(261, 271)은 n형 불순물이 반도체 기판(210)보다 높은 농도로 도핑되거나 반도체 기판(210)의 상부 표면 방향으로 점차적으로 높은 농도로 도핑됨으로써, 전자-정공 쌍 중 전자를 생성/수집할 수 있다.

도 29를 참조하면, 거리 픽셀(200b)은 제1 포토 게이트(221), 제1 광 검출 영역(231), 제1 전송 게이트(241), 제1 플로팅 확산 영역(251), 제1 보상부(260b), 제1 출력부(280), 제2 포토 게이트(223), 제2 광 검출 영역(233), 제2 전송 게이트(243), 제2 플로팅 확산 영역(253), 제2 보상부(270b) 및 제2 출력부(290)를 포함할 수 있다.

도 29의 거리 픽셀(200b)은 보상부들(260b, 270b)의 구성이 변경되는 것을 제외하면 도 28의 거리 픽셀(200a)과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 도 29의 거리 픽셀(200b)의 메인 센싱 블록은 도 28의 거리 픽셀(200a)의 메인 센싱 블록과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다.

보상부들(260b, 270b)을 포함하는 보상 블록은 도 9에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 보상부들(260b, 270b)은 주변 광 검출 영역들(262, 272), 주입 게이트들(264, 274), 전송 게이트들(265, 275), 저장 영역들(267, 277) 및 리셋 트랜지스터들(268, 278)을 각각 포함할 수 있다. 주변 광 검출 영역들(262, 272) 및 저장 영역들(267, 277)은 반도체 기판(210)과 동일한 n형 불순물이 도핑될 수 있다. 주변 광 검출 영역들(262, 272)은 포토 다이오드 또는 핀드 포토 다이오드의 형태로 구현됨으로써, 전자-정공 쌍 중 전자를 생성/수집할 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만, 상기 메인 센싱 블록이 수신 광(RX)에 기초하여 정공을 생성/수집하고 상기 보상 블록이 상기 주변 광 성분에 기초하여 전자를 생성/수집하는 도 28 및 29의 거리 픽셀들(200a, 200b)은, 실시예에 따라서 도 12, 14, 15, 17, 18 및 21을 참조하여 상술한 것처럼 브릿지 확산 영역들(135, 137) 및 저장 영역들(145, 147) 중 적어도 하나(즉, 임시 저장 영역들)를 더 포함하도록 구현될 수도 있고, 도 23 및 26을 참조하여 상술한 것처럼 하나의 공통 플로팅 확산 영역(152) 및 하나의 공통 출력부(186)를 구비하도록 구현될 수도 있다.

도 30은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 도 31은 도 30의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 30 및 31을 참조하면, 3차원 이미지 센서(500)는 픽셀 어레이(510), 로우 구동부(520), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion; ADC)부(530), 광원부(540), 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing; DSP)부(550) 및 제어부(560)를 포함한다.

광원부(540)는 피사체(580)에 변조된 송신 광(TX)을 조사한다. 광원부(540)는 광원(541) 및 렌즈(543)를 포함할 수 있다. 광원(541)은 소정의 파장을 가진 광(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 발생할 수 있다. 광원(541)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있으며, 세기가 주기적으로 변하도록 변조된 광을 출력할 수 있다. 예를 들어, 광원(541)에서 방출되는 광의 세기는 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 파, 사인 파, 코사인 파 등과 같은 형태를 가지도록 변조될 수 있다. 렌즈(543)는 광원(541)에서 방출되는 광을 송신 광(TX)으로서 피사체(580)에 집중시킬 수 있다.

픽셀 어레이(510)는 복수의 거리 픽셀들(511)을 포함한다. 픽셀 어레이(510)는 피사체(580)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 3차원 이미지 센서(500)로부터 피사체(580)까지의 거리 정보를 발생한다. 즉, 복수의 거리 픽셀들(511)은 3차원 이미지 센서(500)로부터 피사체(580)까지의 거리에 대한 정보를 각각 제공할 수 있다. 수신 광(RX)은 광원부(540)에서 방출되고 피사체(580)에서 반사되어 되돌아온 반사 광 성분 및 주변 광 성분을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 3차원 이미지 센서(500)는 반사 광 성분 및 주변 광 성분에 포함되는 적외선 또는 근적외선을 이용할 수 있으며, 이 경우 적외선 필터 또는 근적외선 필터가 복수의 거리 픽셀들(511) 상에 각각 형성될 수 있다.

복수의 거리 픽셀들(511) 각각은 도 1의 거리 픽셀(10)일 수 있으며, 도 4, 8, 12, 14, 15, 17, 18, 21, 23, 26, 28 및 29를 참조하여 상술한 바와 같이 구현될 수 있다. 즉, 복수의 거리 픽셀들(511) 각각은 수신 광(RX)에 기초하여 전자-정공 쌍 중 하나(예를 들어, 전자)에 상응하는 제1 전하들을 발생하는 광 검출 영역 및 주변 광 성분에 기초하여 전자-정공 쌍 중 다른 하나(예를 들어, 정공)에 상응하는 제2 전하들을 발생하는 주변 광 검출 영역을 구비하는 보상부를 포함한다. 상기 제1 전하들 중 일부가 상기 제2 전하들과 결합되어 소멸되므로, 거리 픽셀들(511)을 포함하는 3차원 이미지 센서(500)는 주변 광이 상대적으로 강한 경우에도 성능의 열화 없이 피사체(580)까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

로우 구동부(520)는 픽셀 어레이(510)의 각 로우에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 로우 구동부(520)는 픽셀 어레이(510)에 포함되는 복수의 거리 픽셀들(511)을 로우 단위로 구동할 수 있다.

ADC부(530)는 픽셀 어레이(510)의 각 컬럼에 연결되고, 픽셀 어레이(510)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, ADC부(530)는 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하며, 각 컬럼 라인마다 출력되는 아날로그 신호들을 병렬로(즉, 동시에) 디지털 신호들로 변환하는 컬럼 ADC를 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, ADC부(530)는 단일의 아날로그-디지털 변환기를 포함하며, 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 디지털 신호들로 변환하는 단일 ADC를 수행할 수 있다.

실시예에 따라서, ADC부(530)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 CDS부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 신호 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 데이터 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 신호 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.

DSP부(550)는 ADC부(530)로부터 출력된 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP부(550)는 이미지 보간(Image Interpolation), 색 보정(Color Correction), 화이트 밸런스(White Balance), 감마 보정(Gamma Correction), 색 변환(Color Conversion) 등을 수행할 수 있다.

제어부(560)는 로우 구동부(520), ADC부(530), 광원부(540) 및 DSP부(550)를 제어할 수 있다. 제어부(560)는 로우 구동부(520), ADC부(530), 광원부(540) 및 DSP부(550)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 제어 신호들을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(560)는 로직 제어 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다.

도 32는 도 30의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 다른 예를 나타내는 도면이다.

도 30 및 32를 포함하면, 픽셀 어레이(510)는 복수의 거리 픽셀들(511a, 511b, 511c, 511d)을 포함할 수 있다.

거리 픽셀들(511a, 511c)은 픽셀 어레이(510)의 제1 행에 배치되고, 거리 픽셀들(511b, 511d)은 픽셀 어레이(510)의 제2 행에 배치될 수 있다. 거리 픽셀들(511a, 511b)은 픽셀 어레이(510)의 제1 열에 배치되고, 거리 픽셀들(511c, 511d)은 픽셀 어레이(510)의 제2 열에 배치될 수 있다. 복수의 거리 픽셀들(511a, 511b, 511c, 511d)은 메인 센싱 블록들(MS1, MS2, MS3, MS4) 및 보상 블록들(CA, CB)을 각각 포함할 수 있다. 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이, 메인 센싱 블록들(MS1, MS2, MS3, MS4)은 포토 게이트들, 광 검출 영역들, 전송 게이트들, 플로팅 확산 영역들 및 출력부들을 각각 포함하며, 보상 블록들(CA, CB)은 보상부들을 각각 포함할 수 있다.

도 30을 참조하여 상술한 바와 같이, 픽셀 어레이(510)에 포함되는 복수의 거리 픽셀들은 로우 단위로 구동되므로, 복수의 거리 픽셀들(511a, 511b, 511c, 511d) 중 서로 다른 행에 배치되고 서로 인접하는 두 개의 거리 픽셀들은 하나의 보상 블록을 공유할 수 있다. 예를 들어, 보상 블록(CA)은 거리 픽셀들(511a, 511b)에 의해 공유되며, 보상 블록(CB)은 거리 픽셀들(511c, 511d)에 의해 공유될 수 있다. 다시 말하면, 제1 거리 픽셀(511a)은 제1 및 제2 포토 게이트들, 제1 및 제2 광 검출 영역들, 제1 및 제2 전송 게이트들, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들 및 제1 및 제2 출력부들을 구비하는 제1 메인 센싱 블록(MS1)을 포함하고, 제2 거리 픽셀(511b)은 제3 및 제4 포토 게이트들, 제3 및 제4 광 검출 영역들, 제3 및 제4 전송 게이트들, 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들 및 제3 및 제4 출력부들을 구비하는 제2 메인 센싱 블록(MS2)을 포함하며, 제1 및 제2 보상부들을 구비하는 제1 보상 블록(CA)은 제1 거리 픽셀(511a) 및 제2 거리 픽셀(511b)에 의해 공유될 수 있다.

도 33a 및 33b는 도 30의 3차원 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍도들이다. 특히, 도 33a 및 33b는 도 30의 3차원 이미지 센서(500)에 포함되는 픽셀 어레이(510)의 구조가 도 32에 도시된 것처럼 서로 인접하는 두 개의 거리 픽셀들이 하나의 보상 블록을 공유하는 경우의 실시예들을 나타낸다. 도 33a는 보상 블록 내의 보상부들이 도 4에 도시된 것처럼 구현된 경우의 실시예이고, 도 33a는 보상 블록 내의 보상부들이 도 8에 도시된 것처럼 구현된 경우의 실시예이다.

도 30, 32, 33a 및 33b를 참조하면, 신호들(PGC1, PGC2, RST1, RST2, TGC1, TGC2, VOUT1, VOUT2)은 제1 거리 픽셀(511a) 내의 제1 메인 센싱 블록(MS1)과 관련된 신호들을 나타내고, 신호들(PGC3, PGC4, RST3, RST4, TGC3, TGC4, VOUT3, VOUT4)은 제2 거리 픽셀(511b) 내의 제2 메인 센싱 블록(MS2)과 관련된 신호들을 나타내며, 신호들(HRST1, HRST2, HIGC1, HIGC2, HTGC1, HTGC2)은 제1 및 제2 거리 픽셀들(511a, 511b)에 의해 공유되는 제1 보상 블록(CA)과 관련된 신호들을 나타낸다.

도 33a에서, 제1 집광 시간(TINT1) 및 제1 독출 시간(TRD1) 동안에 제1 거리 픽셀(511a)이 구동됨에 따라 노이즈 전압들(VB1, VB2) 및 복조 전압들(VD1, VD2)이 검출되며, 제2 집광 시간(TINT2) 및 제2 독출 시간(TRD2) 동안에 제2 거리 픽셀(511b)이 구동됨에 따라 노이즈 전압들(VB3, VB4) 및 복조 전압들(VD3, VD4)이 검출된다. 제1 보상 블록(CA)이 공유되는 것을 제외하면, 제1 거리 픽셀(511a)의 동작 및 제2 거리 픽셀(511b)의 동작은 각각 도 7a의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.

도시하지는 않았지만, 제1 거리 픽셀(511a)의 동작 및 제2 거리 픽셀(511b)의 동작은 각각 도 7b의 실시예와 실질적으로 동일할 수도 있다.

도 33b에서, 제1 집광 시간(TINT1) 및 제1 독출 시간(TRD1) 동안에 제1 거리 픽셀(511a)이 구동됨에 따라 노이즈 전압들(VB1, VB2) 및 복조 전압들(VD1, VD2)이 검출되며, 제2 집광 시간(TINT2) 및 제2 독출 시간(TRD2) 동안에 제2 거리 픽셀(511b)이 구동됨에 따라 노이즈 전압들(VB3, VB4) 및 복조 전압들(VD3, VD4)이 검출된다. 제1 보상 블록(CA)이 공유되는 것을 제외하면, 제1 거리 픽셀(511a)의 동작 및 제2 거리 픽셀(511b)의 동작은 각각 도 11a의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.

도시하지는 않았지만, 제1 거리 픽셀(511a)의 동작 및 제2 거리 픽셀(511b)의 동작은 각각 도 11b의 실시예와 실질적으로 동일할 수도 있다.

도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 도 35a 및 35b는 도 34의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 예들을 나타내는 도면들이다.

도 34, 35a 및 35b를 참조하면, 3차원 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(610), 제1 로우 구동부(620a), 제2 로우 구동부(620b), 제1 ADC부(630a), 제2 ADC부(630b), 광원부(640), DSP부(650) 및 제어부(660)를 포함한다.

광원부(640)는 피사체(680)에 변조된 송신 광(TX)을 조사한다. 광원부(640)는 광원(641) 및 렌즈(643)를 포함할 수 있으며, 도 30의 광원부(540)와 실질적으로 동일할 수 있다.

픽셀 어레이(610)는 피사체(680)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 3차원 이미지 센서(600)로부터 피사체(680)까지의 거리 정보를 발생한다. 픽셀 어레이(610)는 복수의 거리 픽셀들 및 복수의 컬러 픽셀들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 픽셀 어레이(610)는 다양한 개수 비 및 사이즈 비로 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 35a에 도시된 것처럼 픽셀 어레이(610a)는 거리 픽셀들(611a) 및 컬러 픽셀들(613a)을 포함할 수도 있고, 도 35b에 도시된 것처럼 픽셀 어레이(610b)는 거리 픽셀들(611b) 및 컬러 픽셀들(613b)을 포함할 수도 있다. 적외선(또는 근적외선) 필터가 상기 거리 픽셀들 상에 형성되고, 컬러 필터(예를 들어, 레드, 그린 및 블루 필터들)가 상기 컬러 픽셀들 상에 형성될 수 있다.

제1 로우 구동부(620a)는 상기 컬러 픽셀들의 각 로우에 연결되고, 상기 컬러 픽셀들의 각 로우를 구동하는 제1 구동 신호를 생성할 수 있다. 제2 로우 구동부(620b)는 상기 거리 픽셀들의 각 로우에 연결되고, 상기 거리 픽셀들의 각 로우를 구동하는 제2 구동 신호를 생성할 수 있다. 제1 ADC부(630a)는 상기 컬러 픽셀들의 각 컬럼에 연결되고, 상기 컬러 픽셀들의 각 컬럼으로부터 출력되는 제1 아날로그 신호를 제1 디지털 신호로 변환할 수 있다. 제2 ADC부(630b)는 상기 거리 픽셀들의 각 컬럼에 연결되고, 상기 거리 픽셀들의 각 컬럼으로부터 출력되는 제2 아날로그 신호를 제2 디지털 신호로 변환할 수 있다. DSP부(650)는 제1 및 제2 ADC부들(630a, 630b)로부터 출력된 제1 및 제2 디지털 신호들을 수신하고, 상기 제1 및 제2 디지털 신호들에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 제어부(660)는 제1 로우 구동부(620a), 제2 로우 구동부(620b), 제1 ADC부(630a), 제2 ADC부(630b), 광원부(640) 및 DSP부(650)를 제어할 수 있다.

도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1, 2, 3, 30 및 36을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법에 있어서, 집광 시간(TINT) 동안에 피사체(580)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 제1 전하들을 생성한다(단계 S110). 상기 제1 전하들은 광 검출 영역(30)에서 생성/수집될 수 있으며, 전자-정공 쌍 중 하나(예를 들어, 전자)에 상응할 수 있다.

수신 광(RX)에 포함되는 주변 광 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성한다(단계 S120). 상기 제2 전하들은 보상부(60)에서, 특히 보상부(60) 내의 주변 광 검출 영역에서 생성/수집될 수 있으며, 전자-정공 쌍 중 다른 하나(예를 들어, 정공)에 상응할 수 있다. 일 실시예에서, 집광 시간(TINT) 동안에 상기 제2 전하들이 생성될 수 있다.

독출 시간(TRD) 동안에 상기 제1 전하들을 플로팅 확산 영역(50)에 축적한다(단계 S130). 상기 제2 전하들을 플로팅 확산 영역(50)에 주입한다(단계 S140). 플로팅 확산 영역(50)에서 상기 제1 전하들 중 일부가 상기 제2 전하들과 결합되어 소멸됨에 따라, 상기 주변 광 성분에 의한 깊이 에러(depth error)의 발생을 방지할 수 있다. 일 실시예에서, 도 7a 및 11a에 도시된 것처럼 독출 시간(TRD) 동안에 상기 제2 전하들이 플로팅 확산 영역(50)에 주입될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 7b 및 11b에 도시된 것처럼 집광 시간(TINT) 동안에 상기 제2 전하들이 플로팅 확산 영역(50)에 주입될 수 있다.

도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1, 2, 3, 30 및 37을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 거리 측정 방법에 있어서, 피사체(580)에 변조된 송신 광(TX)을 조사한다(단계 S210). 송신 광(TX)은 펄스 파, 사인 파, 코사인 파 등과 같은 형태를 가지도록 변조될 수 있다.

집광 시간(TINT) 동안에 피사체(580)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 제1 전하들을 생성한다(단계 S220). 수신 광(RX)에 포함되는 주변 광 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성한다(단계 S230). 단계 S220 및 S230은 도 36의 단계 S110 및 S120과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.

플로팅 확산 영역(50)을 초기화한 후, 플로팅 확산 영역(50)의 전압에 상응하는 노이즈 전압(VB)을 검출한다(단계 S240). 예를 들어, 리셋 신호(RST)를 활성화하여 플로팅 확산 영역(50)을 전원 전압(VDD)으로 초기화하고, 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여 초기화된 플로팅 확산 영역(50)의 전압이 노이즈 전압(VB)으로서 검출될 수 있다.

노이즈 전압(VB)을 검출한 후, 독출 시간(TRD) 동안에 상기 제1 전하들을 플로팅 확산 영역(50)에 축적한다(단계 S250). 상기 제2 전하들을 플로팅 확산 영역(50)에 주입한다(단계 S260). 단계 S250 및 S260은 도 36의 단계 S130 및 S140과 각각 실질적으로 동일할 수 있다.

상기 제1 전하들 및 상기 제2 전하들의 합에 상응하는 복조 전압(VD)을 검출한다(단계 S270). 노이즈 전압(VB) 및 복조 전압(VD)의 차이로부터 유효 전압을 결정한다(단계 S280).

도 38은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.

도 38을 참조하면, 카메라(800)는 수광 렌즈(810), 3차원 이미지 센서(820), 모터부(830) 및 엔진부(840)를 포함할 수 있다. 3차원 이미지 센서(820)는 도 30의 3차원 이미지 센서 또는 도 34의 3차원 이미지 센서일 수 있으며, 이미지 센서 칩(821) 및 광원 모듈(823)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 이미지 센서 칩(821) 및 광원 모듈(823)은 각각 별도의 장치로 구현되거나, 광원 모듈(823) 중 적어도 일부의 구성이 이미지 센서 칩(821)에 포함되도록 구현될 수 있다. 또한 수광 렌즈(810)는 3차원 이미지 센서(820)의 일부 구성 요소로서 포함될 수도 있다.

수광 렌즈(810)는 이미지 센서 칩(821)의 수광 영역(예를 들어, 거리 픽셀들 및/또는 컬러 픽셀들)으로 입사광을 집광시킬 수 있다. 이미지 센서 칩(821)은 수광 렌즈(810)를 통하여 입사된 가시광선 또는 적외선에 기초하여 거리 정보 및/또는 컬러 영상 정보를 포함하는 데이터(DATA1)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 칩(821)에서 생성되는 데이터(DATA1)는 광원 모듈(823)에서 방출된 적외선 또는 근적외선을 이용하여 생성된 거리 데이터를 포함할 수 있으며, 외부 가시광선을 이용하여 생성된 베이어 패턴의 RGB 데이터(RGB)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 이미지 센서 칩(821)은 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하는 3차원 컬러 이미지 센서 칩일 수 있다.

이미지 센서 칩(821)은 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하도록 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀을 포함한다. 상기 거리 픽셀들 각각은 수신 광(RX)에 기초하여 전자-정공 쌍 중 하나(예를 들어, 전자)에 상응하는 제1 전하들을 발생하는 광 검출 영역 및 주변 광 성분에 기초하여 전자-정공 쌍 중 다른 하나(예를 들어, 정공)에 상응하는 제2 전하들을 발생하는 주변 광 검출 영역을 구비하는 보상부를 포함한다. 상기 제1 전하들 중 일부가 상기 제2 전하들과 결합되어 소멸되므로, 상기 거리 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 칩(821)은 주변 광이 상대적으로 강한 경우에도 성능의 열화 없이 피사체까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

이미지 센서 칩(821)은 클럭 신호(CLK)에 기초하여 데이터(DATA1)를 엔진부(840)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라서, 이미지 센서 칩(821)은 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(840)와 인터페이싱할 수 있다.

모터부(830)는 엔진부(840)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 수광 렌즈(810)의 포커스를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 광원 모듈(823)에서, 광원과 렌즈의 상대적 위치는 모터부(830) 또는 이미지 센서 칩(821)에 의해 제어될 수 있다.

엔진부(840)는 이미지 센서(820) 및 모터부(830)를 제어한다. 또한, 엔진부(840)는 이미지 센서 칩(821)으로부터 수신된 데이터(DATA1)를 처리할 수 있다. 예를 들어, 엔진부(840)는 이미지 센서 칩(821)으로부터 수신된 데이터(DATA1)에 기초하여 입체 컬러 데이터를 생성할 수 있다. 다른 예에서, 엔진부(840)는 데이터(DATA1)에 포함된 상기 RGB 데이터에 기초하여 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다. 엔진부(840)는 호스트/어플리케이션(850)에 연결될 수 있으며, 엔진부(840)는 마스터 클럭(MCLK)에 기초하여 데이터(DATA2)를 호스트/어플리케이션(850)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(840)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I²C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(850)과 인터페이싱할 수 있다.

도 39는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.

도 39를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 3차원 이미지 센서(1030), 저장 장치(1040), 입출력 장치(1050) 및 파워 서플라이(1060)를 포함할 수 있다. 한편, 도 39에 도시되지는 않았지만, 컴퓨팅 시스템(1000)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.

프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor) 또는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1040) 및 입출력 장치(1050)와 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에 더욱 연결될 수 있다.

메모리 장치(1020)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), 모바일 DRAM 등과 같은 휘발성 메모리로 구현되거나, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리(Flash Memory), PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리로 구현될 수 있다.

저장 장치(1040)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1050)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1060)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

3차원 이미지 센서(1030)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(1010)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 3차원 이미지 센서(1030)는 거리 정보 및 컬러 영상 정보를 제공하는 3차원 컬러 이미지 센서일 수 있다. 3차원 이미지 센서(1030)는 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하도록 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀들을 포함한다. 상기 거리 픽셀들 각각은 수신 광(RX)에 기초하여 전자-정공 쌍 중 하나(예를 들어, 전자)에 상응하는 제1 전하들을 발생하는 광 검출 영역 및 주변 광 성분에 기초하여 전자-정공 쌍 중 다른 하나(예를 들어, 정공)에 상응하는 제2 전하들을 발생하는 주변 광 검출 영역을 구비하는 보상부를 포함한다. 상기 제1 전하들 중 일부가 상기 제2 전하들과 결합되어 소멸되므로, 상기 거리 픽셀들을 포함하는 3차원 이미지 센서(1030)는 주변 광이 상대적으로 강한 경우에도 성능의 열화 없이 피사체까지의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.

3차원 이미지 센서(1030)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 3차원 이미지 센서(1030)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 3차원 이미지 센서를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(1000)은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 노트북(Laptop), 디지털 TV(Digital Television), 셋-탑 박스(Set-Top Box), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템 등을 포함할 수 있다.

도 40은 도 39의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 40을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1100)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 휴대폰, 개인 정보 단말기, 휴대형 멀티미디어 플레이어, 스마트 폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 3차원 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다.

어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 3차원 이미지 센서(1140)의 CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.

또한, 컴퓨팅 시스템(1100)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1100)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(1100)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1100)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선 랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1100)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 기기에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿 PC, 노트북, PDA, PMP, 디지털 카메라, 음악 재생기, 휴대용 게임 콘솔, 네비게이션 등과 같은 다양한 단말기에 적용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

1. 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 포토 게이트;
   상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 생성하는 제1 광 검출 영역;
   제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 전송 게이트;
   상기 제1 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 광 검출 영역에서 생성된 상기 제1 전하들을 축적하는 제1 플로팅 확산 영역; 및
   상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하며, 상기 제2 전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역에 제공하는 제1 보상부를 포함하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 보상부는,
   상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제2 전하들을 생성하는 제1 주변 광 검출 영역; 및
   제1 주입 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 주입 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 주입 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 주변 광 검출 영역에서 생성된 상기 제2 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역에 주입되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 주변 광 검출 영역의 크기는 상기 제1 광 검출 영역의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 주변 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 형성되며, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 제1 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1 주변 광 검출 영역은 상기 수신 광이 입사되는 상기 반도체 기판의 제1 면 방향으로 점차적으로 높은 농도로 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 보상부는,
   제2 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 전송 게이트; 및
   상기 제2 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 주변 광 검출 영역에서 생성된 상기 제2 전하들을 저장하는 제1 저장 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제2 전송 게이트가 턴온된 이후에 상기 제1 주입 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 저장 영역에 저장된 상기 제2 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역에 주입되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 제1 주변 광 검출 영역은,
   반도체 기판 내에 형성되며, 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 제1 불순물이 상기 반도체 기판보다 높은 농도로 도핑되어 형성되는 제1 불순물 영역; 및
   상기 반도체 기판 내의 상기 제1 불순물 영역의 하부에 형성되며, 상기 제1 불순물과 다른 도전형의 제2 불순물이 도핑되어 형성되는 제2 불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 주변 광 검출 영역은,
    상기 반도체 기판 내의 상기 제1 불순물 영역의 상부에 형성되며, 상기 제2 불순물이 도핑되어 형성되는 제3 불순물 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
11. 제 1 항에 있어서,
    제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 포토 게이트;
    상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 수신 광에 기초하여 제3 전하들을 생성하는 제2 광 검출 영역;
    제2 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 전송 게이트;
    상기 제2 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제2 광 검출 영역에서 생성된 상기 제3 전하들을 축적하는 제2 플로팅 확산 영역; 및
    상기 주변 광 성분에 기초하여 상기 제3 전하들과 다른 제4 전하들을 생성하며, 상기 제4 전하들을 상기 제2 플로팅 확산 영역에 제공하는 제2 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 포토 제어 신호는 집광 시간 동안에 제1 논리 레벨과 제2 논리 레벨 사이를 주기적으로 토글링하고, 독출 시간 동안에 상기 제1 논리 레벨을 가지며,
    상기 제2 전하들은 상기 집광 시간 동안에 생성되어 수집되고, 상기 집광 시간 또는 상기 독출 시간 동안에 상기 제1 플로팅 확산 영역에 주입되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
13. 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 각각 생성하는 제1 및 제2 광 검출 영역들;
    상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에서 생성된 상기 제1 전하들을 각각 축적하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들; 및
    상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 각각 생성하며, 상기 제2 전하들을 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들에 각각 제공하는 제1 및 제2 보상부들을 포함하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에 각각 인접하여 형성되는 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들; 및
    상기 제1 및 제2 광 검출 영역들의 상부에 각각 형성되고, 제1 및 제2 포토 제어 신호들에 각각 응답하여 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에서 생성된 상기 제1 전하들을 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들에 각각 저장하기 위한 제1 및 제2 포토 게이트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광 검출 영역들과 각각 이격되어 형성되는 제1 및 제2 저장 영역들; 및
    제1 및 제2 포토 제어 신호들에 각각 응답하여 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들과 상기 제1 및 제2 저장 영역들을 각각 전기적으로 연결하는 제1 및 제2 포토 게이트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에 각각 인접하여 형성되는 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들;
    상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들과 각각 이격되어 형성되는 제1 및 제2 저장 영역들;
    상기 제1 및 제2 광 검출 영역들의 상부에 각각 형성되고, 제1 및 제2 포토 제어 신호들에 각각 응답하여 상기 제1 및 제2 광 검출 영역들에서 생성된 상기 제1 전하들을 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들에 각각 저장하기 위한 제1 및 제2 포토 게이트들; 및
    상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들과 상기 제1 및 제2 저장 영역들을 각각 전기적으로 연결하는 제1 및 제2 저장 게이트들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
17. 피사체에 변조된 송신 광을 조사하는 광원부; 및
    복수의 거리 픽셀들을 포함하며, 상기 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생하는 픽셀 어레이를 포함하며,
    상기 복수의 거리 픽셀들 중 제1 거리 픽셀은,
    제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 포토 게이트;
    상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 생성하는 제1 광 검출 영역;
    제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 전송 게이트;
    상기 제1 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제1 광 검출 영역에서 생성된 상기 제1 전하들을 축적하는 제1 플로팅 확산 영역; 및
    상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하며, 상기 제2 전하들을 상기 제1 플로팅 확산 영역에 제공하는 제1 보상부를 포함하는 3차원 이미지 센서.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 복수의 거리 픽셀들 중 상기 제1 거리 픽셀과 인접하는 제2 거리 픽셀은,
    제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 포토 게이트;
    상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 수신 광에 기초하여 제3 전하들을 생성하는 제2 광 검출 영역;
    제2 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 전송 게이트; 및
    상기 제2 전송 게이트가 턴온되는 경우에, 상기 제2 광 검출 영역에서 생성된 상기 제3 전하들을 축적하는 제2 플로팅 확산 영역을 포함하고,
    상기 제1 보상부는 상기 제1 거리 픽셀 및 상기 제2 거리 픽셀에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서.
19. 집광 시간 동안에 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 제1 전하들을 생성하는 단계;
    상기 수신 광에 포함되는 주변 광(ambient light) 성분에 기초하여 상기 제1 전하들과 다른 제2 전하들을 생성하는 단계;
    독출 시간 동안에 상기 제1 전하들을 플로팅 확산 영역에 축적하는 단계; 및
    상기 제2 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 주입하는 단계를 포함하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제2 전하들을 생성하는 단계는 상기 집광 시간 동안에 수행되며,
    상기 제2 전하들을 상기 플로팅 확산 영역에 주입하는 단계는 상기 집광 시간 동안에 또는 상기 독출 시간 동안에 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀의 구동 방법.
    
    

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