KR20160030459A - 촬상 회로 및 촬상 회로를 동작시키는 방법 - Google Patents
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Abstract
촬상 회로는 제 1 수직 트렌치 게이트 및 이웃하는 제 2 수직 트렌치 게이트를 포함한다. 촬상 회로는 게이트 제어 회로를 포함한다. 게이트 제어 회로는 제 1 동작 모드에서 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수집 콘택으로 가속시키는 제 1 공간 전하 영역을 생성하도록 그리고 제 2 동작 모드에서 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수집 콘택으로 가속시키는 제 2 공간 전하 영역을 생성하도록 동작한다. 촬상 회로는, 제 1 동작 모드에서 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 그리고 제 2 동작 모드에서 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 컬러 정보를 결정하는 이미지 프로세싱 회로를 더 포함한다.
Description
기술분야
실시형태는 오브젝트의 이미지를 생성하는 것에 관련되며 특히 촬상 회로 및 촬상 회로를 동작시키기 위한 방법에 관련된다.
배경
다양한 센서 및 게이지는 음향적 및 광학적 펄스 또는 코드화된 신호의 지연 측정을 사용한다. 몇몇 애플리케이션에서, 거리의 측정은 패턴 검출과 커플링된다. 이것은, 예를 들면, 가시광 또는 적외선 광을 사용하는 몇몇 비행시간(time-of-flight; TOF) 기술에서의 경우일 수도 있다. 적외선 광은 그 비가시성으로 인해 많은 애플리케이션에서 선택되는 파장 신호일 수도 있다. 적외선 광은 수십 미크론 또는 그 이상 정도의 투과 깊이를 갖는다. 이 깊이에서는, 표면 도핑층의 외확산(out-diffusion)에 의해 공간 전하 영역이 쉽게 확립될 수 없다. 또한, 광 혼합 디바이스(Photonic mixing devices; PMD)는, 적외선 펄스 광만이 평가되기 때문에, 컬러 인식을 할 수 없다. 사용되는 포토셀(photocell)은 고정된 스펙트럼 응답을 제공하며 따라서 컬러 인식 디바이스로 작용하도록 설계되지 않는다.
개요
3차원 컬러 이미지의 생성을 가능하게 하는 촬상 회로를 제공하는 것이 요구된다.
이러한 요구는 특허청구범위의 주제(subject matter)에 의해 만족될 수도 있다.
몇몇 실시형태는 반도체 기판 및 반도체 기판 안으로 연장되는 제 1 수직 트렌치 게이트 및 이웃하는 제 2 수직 트렌치 게이트를 포함하는 촬상 회로에 관련된다. 촬상 회로는 게이트 제어 회로를 더 포함한다. 게이트 제어 회로는, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된(photogenerated) 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트에 인접한 제 1 수집 콘택(collection contact)으로 가속시키는 제 1 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트에 제 1 전압을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트에 제 2 전압을 제공하도록 제 1 동작 모드에서 동작하도록 구성된다. 게이트 제어 회로는 또한, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트에 인접한 제 1 수집 콘택으로 가속시키는 제 2 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트에 제3 전압을 제공하도록 제 2 동작 모드에서 동작하도록 구성된다. 촬상 회로는, 제 1 동작 모드에서 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 결정하도록 그리고 제 2 동작 모드에서 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 컬러 정보를 결정하도록 구성된 이미지 프로세싱 회로를 더 포함한다.
몇몇 실시형태는, 반도체 기판과 반도체 기판 안으로 연장하는 복수의 수직 트렌치 게이트를 포함하는 촬상 회로에 관련된다. 각각의 수직 트렌치 게이트는 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 수집하기 위해 대응하는 수집 콘택을 자신의 근처에 구비한다. 촬상 회로는, 수집 시간 인터벌 동안 복수의 수직 트렌치 게이트의 각각에 상이한 전압을 제공하도록 구성된 게이트 제어 회로를 더 포함한다. 각각의 수직 트렌치 게이트는, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 자신의 각 수집 콘택으로 가속시키기 위한 각각의 공간 전하 영역을 생성한다. 촬상 회로는 오브젝트의 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보를 결정하도록 구성된 이미지 프로세싱 회로를 더 포함하고, 각각의 컬러 정보 타입의 컬러 정보는 각각의 대응하는 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초한다.
몇몇 실시형태는 촬상 회로를 동작시키기 위한 방법에 관련된다. 그 방법은, 제 1 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트에 인접한 제 1 수집 콘택으로 가속시키는 제 1 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트에 제 1 전압을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트에 제 2 전압을 제공하는 것을 포함한다. 그 방법은, 제 2 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트에 인접한 제 1 수집 콘택으로 가속시키는 제 2 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트에 제3 전압을 제공하는 것을 더 포함한다. 그 방법은, 제 1 동작 모드에서, 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 결정하는 것을 더 포함한다. 그 방법은, 제 2 동작 모드에서, 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 컬러 정보를 결정하는 것을 더 포함한다.
장치 및/또는 방법의 몇몇 실시형태가, 단지 예로서 그리고 첨부의 도면을 참조하여 하기에서 설명될 것이다.
도 1은 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
도 2는 한 실시형태에 따른 제 1 동작 모드에서 동작하는 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
도 3은 한 실시형태에 따른 제 1 동작 모드에서 게이트 제어 회로에 의해 제공되는 전압을 나타내는 도면을 도시한다.
도 4의 A는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 4의 B는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 4의 C는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 4의 D는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 5는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 6은 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
도 7은 한 실시형태에 따른 촬상 회로를 동작시키기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8a는 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 8b는 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 9는 깊은 공핍(deep depletion)에서의 공간 전하 영역 폭을 나타내는 도면을 도시한다.
도 10은 실리콘으로의 광의 투과 깊이를 나타내는 도면을 도시한다.
도 11은 측정된 광전류(photocurrent)를 트렌치 게이트 전압의 함수로서 나타내는 도면을 도시한다.
도 1은 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
도 2는 한 실시형태에 따른 제 1 동작 모드에서 동작하는 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
도 3은 한 실시형태에 따른 제 1 동작 모드에서 게이트 제어 회로에 의해 제공되는 전압을 나타내는 도면을 도시한다.
도 4의 A는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 4의 B는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 4의 C는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 4의 D는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 5는 한 실시형태에 따른 제 2 동작 모드에서 동작하는 수직 트렌치 게이트의 개략적인 단면을 도시한다.
도 6은 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
도 7은 한 실시형태에 따른 촬상 회로를 동작시키기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8a는 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 8b는 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 상면도를 도시한다.
도 9는 깊은 공핍(deep depletion)에서의 공간 전하 영역 폭을 나타내는 도면을 도시한다.
도 10은 실리콘으로의 광의 투과 깊이를 나타내는 도면을 도시한다.
도 11은 측정된 광전류(photocurrent)를 트렌치 게이트 전압의 함수로서 나타내는 도면을 도시한다.
상세한 설명
이제, 몇몇 예시적인 실시형태가 예시되는 첨부의 도면을 참조하여, 다양한 예시적인 실시형태가 더 완전히 설명될 것이다. 도면에서, 라인, 층, 및/또는 영역의 두께는 명확성을 위해 과장될 수도 있다.
따라서, 예시적인 실시형태의 다양한 수정예 및 대안적 형태가 가능하지만, 그 실시형태는 도면의 예를 통해 도시되고 본원에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 예시적인 실시형태를 개시된 특정 형태로 제한하려는 의도는 없으며, 오히려, 예시적인 실시형태는 본 개시의 범위 내에 있는 모든 수정예, 등가예, 및 대안예를 포괄할 것임이 이해되어야 한다. 도면의 설명 전체에 걸쳐, 동일한 도면 부호는 동일한 또는 유사한 엘리먼트를 지칭한다.
한 엘리먼트가 "다른 엘리먼트에 "연결된" 또는 "커플링된" 것으로 언급되면, 그 한 엘리먼트는 그 다른 엘리먼트에 직접적으로 연결되거나 또는 커플링될 수도 있거나 또는 개재하는(intervening) 엘리먼트가 존재할 수도 있음이 이해될 것이다. 대조적으로, 한 엘리먼트가 다른 엘리먼트에 "직접적으로 연결된" 또는 "직접적으로 커플링된" 것으로 언급되면, 개재하는 엘리먼트는 존재하지 않는다. 엘리먼트 사이의 관계를 설명하기 위해 사용되는 다른 용어도 유사한 형태로 해석되어야 한다(예를 들면, "사이" 대 "사이에 직접적으로", "인접한" 대 "직접적으로 인접한" 등등).
본원에서 사용된 전문 용어는 특정한 예시적인 실시형태를 설명하려는 목적을 위한 것이며, 예시적인 실시형태의 제한인 것으로 의도된 것은 아니다. 본원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태의 "a", "an" 및 "the"는, 문맥상 명확히 그렇지 않다고 나타내지 않는 한, 복수의 형태도 또한 포함하도록 의도된다. 용어 "포함한다(comprise)", "포함하는(comprising)", "포함한다(include)" 및/또는 "포함하는(including)"은, 본 명세서에서 사용될 때, 언급된 특징, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 및/또는 컴포넌트의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 엘리먼트, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아님이 더 이해될 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 용어(기술적 그리고 과학적 용어를 포함함)는, 예시적인 실시형태가 속하는 기술분야의 숙련된 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 용어, 예를 들면, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어는, 관련 기술의 맥락에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본원에서 이상적으로 또는 과도하게 정형적인 의미로 명시적으로 정의되지 않는 한, 그렇게 해석되지 않을 것임이 더 이해될 것이다.
도 1은 한 실시형태에 따른 촬상 회로(1)의 개략적인 단면을 도시한다. 촬상 회로(1)는 반도체 기판(10) 및 반도체 기판(10) 안으로 연장되는 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 이웃하는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)를 포함한다.
촬상 회로(1)는 게이트 제어 회로(239)를 더 포함한다. 게이트 제어 회로(239)는, 제 1 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시키는 제 1 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제 1 전압, 예를 들면 V1을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 제 2 전압, 예를 들면 V2를 제공하도록 동작한다.
게이트 제어 회로(239)는 또한, 제 2 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시키는 제 2 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제3 전압을 제공하도록 동작한다.
촬상 회로(1)는, 제 1 동작 모드에서 제 1 수집 콘택(32)에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 그리고 제 2 동작 모드에서 제 1 수집 콘택(32)에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 컬러 정보를 결정하는 이미지 프로세싱 회로(235)를 더 포함한다.
이미지 프로세싱 회로(235), 게이트 제어 회로(239), 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)의 상기 구현으로 인해, 촬상 회로는, 주변 장면 및 컬러 인식의 상세한 묘사를 나타내는 3차원 이미지, 컬러 이미지 및 3차원 컬러 이미지의 생성을 가능하게 한다. 또한, 오브젝트의 거리 정보 및 컬러 정보 둘 다는 동일한 촬상 회로에 의해 결정될 수도 있다. 또한, 오브젝트에 관한 거리 정보 및 컬러 정보 둘 다를 갖는 이미지는 촬상 회로(1)에 의해 생성될 수도 있다. 또한, 공간 전하 영역을 생성하기 위한 수직 트렌치 게이트의 사용으로 인해, 촬상 회로(1)의 횡방향의 치수(lateral dimension)가 감소될 수 있고 해상도가 증가될 수 있으며 부유 전하 캐리어에 의해 야기되는 노이즈가 방지되거나 최소화될 수 있다.
반도체 기판(10)은 실리콘 기반 반도체 기판, 실리콘 카바이드 기반 반도체 기판, 갈륨 비소 기반 반도체 기판 또는 갈륨 질화물 기반 반도체 기판일 수도 있다. 반도체 기판(10)은, 반도체 기판의 대다수(majority)의 전하 캐리어가 양의 전하 캐리어, 예를 들면 정공(hole)이도록, 또는 반도체 기판의 대다수의 전하 캐리어가 음의 전하 캐리어, 예를 들면, 전자이도록, 도핑될 수도 있다. 예시의 목적을 위해, 반도체 기판(10)은 p 도핑 반도체 기판인 것으로 가정된다. 다시 말하면, 반도체 기판(10)에서의 대다수의 전하 캐리어가 양의 전하 캐리어, 즉, 정공이라고 가정한다.
예를 들면, 반도체 기판(10)은 약 1×1013 내지 1×1017 cm-3 사이의, 또는 1×1014 내지 1×1016 cm-3, 또는 1×1014 내지 1×1015 cm-3 사이의, 예를 들면, 약 5×1014 cm-3의 도핑 농도를 가질 수도 있다.
반도체 기판(10)은, 예를 들면, 반도체 다이 또는 반도체 칩일 수도 있다. 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 반도체 기판(10), 즉 반도체 다이 내에 형성될 수도 있다. 반도체 기판(10)은 반도체 기판의 상면(top side)과 바닥면(bottom side) 사이에서 수직 방향으로 측정된 두께를 가질 수도 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 제 1 수직 트렌치(218)(도 2에 도시됨) 내에 위치되고 제 1 수직 트렌치(218) 내부의 절연층(216)(도 2에 도시됨)에 의해 반도체 기판(10)으로부터 절연될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수직 트렌치(218)는, 예를 들면, 반도체 기판(10)의 상면(101)을 구성하는 것에 의해 반도체 기판(10)의 상면(101)에 형성될 수도 있고, 제 1 수직 트렌치(218)는 상면(101)으로부터 반도체 기판(10) 안으로 연장될 수도 있다.
후속하여, 절연층(216)이 제 1 수직 트렌치(218) 내에 증착될 수도 있고 제 1 수직 트렌치(218)의 바닥 벽(bottom wall)과 측벽(sidewall)을 피복할 수도 있다. 절연층(216)은 예를 들면 산화물 층일 수도 있다. 예를 들면, 절연층(216)은 실리콘 이산화물 층일 수도 있다. 절연층(216)은 1㎚ 내지 30㎚ 사이의, 또는 2㎚ 내지 25㎚ 사이의, 또는 5㎚ 내지 25㎚ 사이의, 예를 들면 약 20㎚의 두께를 가질 수도 있다.
절연층(216)은 또한 게이트 산화물 층 또는 산화물 라이너로 칭해질 수도 있다. 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 전기적 도전성 재료를 제 1 수직 트렌치(218) 내에 증착하는 것에 의해 형성될 수도 있다. 전기적 도전성 재료는, 예를 들면, 제 1 수직 트렌치(218)를 충진(fill)할 것이고, 절연층(216) 위에, 예를 들면, 바로 위에 형성될 수도 있다. 전기적 도전성 재료는, 예를 들면, 폴리실리콘, 및/또는 금속일 수도 있다. 절연층(216)은 반도체 기판(10)으로부터 제 1 수직 트렌치 게이트(12)를 절연시킬 수도 있다.
제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 구현에 따라 구현될 수도 있다.
제 1 수집 콘택(32)은, 예를 들면, 반도체 기판(10)의 상부 표면(top surface)에 형성된 로컬한 n 도핑 영역(도 4의 A 내지 D에 도시됨) 및 n 도핑 영역 위에 형성된 금속 콘택을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수집 콘택(32)은 n 도핑 주입 영역 위에 증착된 전기적 도전성 전극 재료일 수도 있다. 제 1 수집 콘택(32)은 n 도핑 주입 영역과 직접적으로 전기적으로 연결될 수도 있거나, 또는 하나 이상의 전기적 도전층을 통해 n 도핑 주입 영역에 전기적으로 연결될 수도 있다. 제 1 수집 콘택(32) 및 n 도핑 주입 영역은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 반도체 기판(10)의 상면(101)에 형성될 수도 있다. 예를 들면, n 도핑 주입 영역은 상면(101)의 표면에서 반도체 기판(10) 내에 형성될 수도 있고, 제 1 수집 콘택(32)은 n 도핑 주입 영역 위에, 예를 들면, 반도체 기판(10)의 상면(101) 위에 형성될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수집 콘택(32) 및 n 도핑 주입 영역은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)를 둘러쌀 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수집 콘택(32) 및/또는 n 도핑 주입 영역은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 절연층(216)에 인접할 수도 있거나 또는 바로(directly) 인접할 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수집 콘택(32)과 n 도핑 주입 영역은 적어도 부분적으로 또는 완전히 제 1 수직 트렌치 게이트(12)를 둘러쌀 수도 있는데, 예를 들면, 이들은 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 둘레를 적어도 부분적으로 또는 완전히 둘러쌀 수도 있다.
제 1 수집 콘택(32)은 이미지 프로세싱 회로(235)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제 1 수집 콘택(32)은 제 1 수집 콘택(32)에 수집된 광생성된 전하 캐리어에 관련된 광생성된 전기 신호(photogenerated electric signal)를 제공할 수 있다. 제 1 수집 콘택(32)에서 수집되는 광생성된 전하 캐리어는 게이트 제어 회로(239)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인가되는 적어도 제 1 전압(V1) 및 제3 전압(V3)에 의해 생성될 수도 있고/있거나, 예를 들면, 농도 기울기로부터의 확산에 기인하여 제 1 수집 콘택(32)에 도달하는 광생성된 전하 캐리어일 수도 있다. 제공되는 광생성된 전기 신호는 평가를 위해 이미지 프로세싱 회로(235)로 송신될 수도 있다. 이미지 프로세싱 회로(235)는 광생성된 전하 캐리어에 관련된 광생성된 전기 신호를 수신할 수도 있다. 광생성된 전기 신호는, 예를 들면, 광전류, 또는 전압 신호일 수도 있다.
제 1 공간 전하 영역 및 제 2 공간 전하 영역은 상이한 시간에 생성되는 공간 전하 영역일 수도 있다. 제 1 공간 전하 영역 및 제 2 전하 영역은 동일한 또는 상이한 전압을 인가하는 것에 의해 생성될 수도 있고 반도체 기판의 동일한 부분 또는 상이한 부분을 지나 연장할 수도 있다.
제 1 동작 모드에서, 오브젝트에 관한 원하는 거리 정보는 촬상 회로(1)의 이미지 프로세싱 회로(235)에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 오브젝트의 3차원 이미지가 촬상 회로(1)에 의해 생성되길 원할 수 있다.
오브젝트는, 예를 들면, 사물(thing), 장면 또는 사람일 수도 있다. 오브젝트는, 예를 들면, 3차원이고 컬러를 가질 수도 있다.
제 1 동작 모드에서, 조명원(illumination source)은 오브젝트의 근처에서, 예를 들면, 오브젝트를 향해 제 1 관심 대상 파장(a first wavelength of interest)을 갖는 전자기파를 방출할 수도 있다. 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파는 조명원에 의해 방출되고 변조 주파수인 f에서 변조될 수도 있다. 제 1 관심 대상 파장을 갖는 방출된 전자기파는 오브젝트에 의해 반사되고 촬상 회로(1)에 의해 수신될 수도 있다. 오브젝트의 거리 정보를 결정하기 위해, 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파와 그 반사된 신호 사이의 위상 상관이 촬상 회로(1)에 의해 평가될 수도 있다.
반도체 기판(10)이 p 도핑 반도체 기판이라고 가정하면, 예를 들면, 제 1 전압(V1)은 양의 바이어스 전압일 수도 있고 제 2 전압(V2)은 제로 전압, 즉 바이어스가 없을 수 있다. V1과 V2 사이에 전위차가 존재하도록, V1 및 V2에 대해 다른 바이어스 전압이 선택될 수도 있음이 이해될 수도 있다. 전압(V1 및 V2)이 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 교호적으로(alternately) 인가되는 바이어싱 주파수는, 검출될 신호(예를 들면, 오브젝트에 의해 반사되는 관심 대상 파장을 갖는 전자기파)의 주파수인 f에 대해 고정될 수도 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 대한 제 1 전압(V1) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 대한 제 2 전압(V2)의 제공은, 반도체 기판(10) 내에 제 1 공간 전하 영역을 생성할 수 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)를 갖는 게이트 제어 회로(239)의 구현으로 인해, 노이즈의 감소가 달성될 수도 있다. 수직 트렌치 게이트의 사용을 통해, 적절한 기판 도핑 레벨에서 공간 전하 영역의 적어도 부분적으로 외부에서의 적외선 광에 의해 생성되어 노이즈에 기여하는 전자 정공 쌍이 회피될 수도 있도록, 공간 전하 영역이 생성될 수도 있다. 노이즈의 감소 외에, 광 믹서 디바이스와 비교하여 훨씬 더 적은 횡방향 치수가 달성될 수도 있다.
제 1 동작 모드에서, 이미지 프로세싱 회로(235)는 제 1 시간 인터벌 동안 제 1 수집 콘택(32)에서 수집되는 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어 및 제 2 시간 인터벌 동안 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인접한 제 2 수집 콘택(33)에서 수집되는 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 결정할 수도 있다. 제 1 파장을 갖는 전자기파의 위상 지연을 계산하기 위해, 이미지 프로세싱 회로(235)는 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에서 모인 전하 양을 비교할 수도 있다. 제 1 동작 모드에서, 이미지 프로세싱 회로(235)는 알고리즘, 예를 들면, TOF 위상 검출에서 사용되는 연속파 변조 계산 또는 펄스폭 변조 계산을 실행할 수도 있다.
위에서 설명된 실시형태에서, 반도체 기판(10)은 p 도핑 반도체 기판인 것으로 가정된다. 다른 실시형태에서, 반도체 기판(10)은 p 도핑 반도체 기판인 것으로 한정되지 않을 수도 있으며 대신 n 도핑 반도체 기판일 수도 있음이 이해될 것이다. 이들 다른 실시형태에서, 구성은 반대일 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수집 콘택(32) 및 제 2 수집 콘택(33)의 도핑은, 예를 들면, n 도핑에서 p 도핑으로, 반대일 수도 있다. 예를 들면, 벌크 콘택의 도핑은, 예를 들면 p 도핑에서 n 도핑으로, 반대일 수도 있다. 예를 들면, V1은 양의 바이어스 대신 음의 바이어스일 수도 있다. 예를 들면, V2는 양의 바이어스 또는 제로일 수도 있다. 예를 들면, 제 1 전하 캐리어 타입(16)은 양의 전하 캐리어, 예를 들면, 정공일 수도 있고, 제 2 전하 캐리어 타입(17)은 음의 전하 캐리어, 예를 들면, 전자일 수도 있다.
이러한 구현(예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12), 제 2 수직 트렌치 게이트(13), 제 1 수집 콘택(32) 및 제 2 수집 콘택(33)을 갖는 게이트 제어 회로(239))으로 인해, 촬상 회로(1)는 빠른 캡쳐 싸이클 동안 위상 감지 포토셀(phase sensitive photocell)로서 구현될 수도 있는데, 위상 감지 포토셀에서, 전자는 트렌치 게이트 표면에서 수집되고, 그 다음 트렌치에 가까운 로컬 콘택에 의해 디바이스로부터 추출될 수도 있고 한편 정공은 벌크로 거절되고 기판 콘택에 의해 수집될 수도 있다.
제 2 동작 모드에서, 오브젝트에 관한 원하는 컬러 정보는 촬상 회로(1)의 이미지 프로세싱 회로(235)에 의해 결정될 수 있다. 이미지 프로세싱 회로(235)는 복수의 상이한 전압에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보를 결정할 수도 있고, 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보에 기초하여 오브젝트의 컬러 이미지를 생성할 수도 있다.
예를 들면, 복수의 컬러 정보 타입은, 복수의 관심 대상 파장, 예를 들면, 적색광 또는 녹색광 또는 청색광에 대한 이미지 회로의 스펙트럼 감지도에 기초한 광생성된 전하 캐리어의 세기/진폭 정보에 기초할 수도 있다. 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보 타입의 수는 3개로 한정되지 않으며, 1보다 큰 임의의 정수 개를 포함할 수도 있음이 이해될 수도 있다. 또한, 이미지 회로의 스펙트럼 감지도는 적색광 또는 녹색광 또는 청색광에 한정되는 것 아니라, 하나보다 많은 임의의 수의 컬러를 포함할 수도 있음이 이해될 수 있다.
도 2는 제 1 동작 모드에 동작하는 촬상 회로(2)의 개략적인 예시를 도시한다. 촬상 회로(2)는 촬상 회로(1)와 관련하여 이미 설명된 피쳐 중 하나 이상 또는 모두를 포함할 수도 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 제 1 수직 트렌치(218) 내에 위치되고 제 1 수직 트렌치(218) 내부의 절연층(216)에 의해 반도체 기판(10)으로부터 절연될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수직 트렌치(218)는, 예를 들면, 반도체 기판(10)의 상면(101)을 구성하는 것에 의해 반도체 기판(10)의 상면(101)에 형성될 수도 있고, 제 1 수직 트렌치(218)는 상면(101)으로부터 반도체 기판(10) 안으로 연장될 수도 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 반도체 기판(10) 안으로 5㎛ 이상 연장될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)와 제 2 수직 트렌치 게이트(13)의 수직 높이인 h는 5㎛ 내지 500㎛ 사이, 또는 100㎛ 내지 300㎛ 사이, 또는 10㎛ 내지 100㎛ 사이, 예를 들면, 70㎛일 수도 있다. 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 동일한 또는 유사한 깊이로 연장될 수도 있지만, 이것은 다른 실시형태에서는 변할 수도 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13) 각각은 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 사이, 또는 0.1㎛ 내지 4㎛ 사이, 또는 0.1㎛ 내지 2㎛ 사이의 범위에 이르는, 예를 들면, 1㎛의 폭 w(예를 들면, 한 방향에서의 최소 또는 평균 연장)를 가질 수도 있다.
반도체 기판(10)은 반도체 기판의 상면과 바닥면 사이에서 수직 방향으로 측정된 두께인 ds를 가질 수도 있다. 반도체 기판 두께의 가능한 예는, 400㎛ 내지 1mm 사이, 또는 500㎛ 내지 900㎛ 사이, 또는 600㎛ 내지 850㎛ 사이일 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
제 1 동작 모드의 제 1 시간 인터벌인 t1 동안, 게이트 제어 회로(239)는 (도 3에 도시된 바와 같이) 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제 1 전압(V1)을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 제 2 전압(V2)을 제공할 수 있다. 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 대한 제 1 전압(V1) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 대한 제 2 전압(V2)의 제공은 동시에 수행될 수 있다.
오브젝트에 의해 반사되는 제 1 관심 대상 파장을 갖는 방출된 전자기파는 촬상 회로(1)에 의해 수신될 수도 있다. 제 1 파장을 갖는 전자기파는 촬상 회로(1)에 충돌할 수도 있고 반도체 기판(10) 내의 전자기파 수신 영역(26)에 들어갈 수도 있다. 화살표(19)(도 2에 도시됨)는, 예를 들면, 반도체 기판(10)의 상면(101)으로부터 촬상 회로, 예를 들면, 촬상 회로(1)에 충돌하여 진입하는 제 1 파장을 갖는 전자기파의 진입(entry)을 예시한다. 다른 대안적인 실시형태에서, 제 1 파장을 갖는 전자기파의 진입은 반도체 기판(10)의 바닥면(102)으로부터일 수도 있음이 이해될 수 있다. 제 1 파장을 갖는 전자기파의 제 1 공간 전하 영역(241)으로의 진입은, 광생성된 전하 캐리어, 즉 전자 정공 쌍의 생성으로 이어질 수도 있는데, 광생성된 전하 캐리어는 제 1 전하 캐리어 타입(16), 예를 들면, 전자, 및 제 2 전하 캐리어 타입(17), 예를 들면 정공을 포함한다.
제 1 시간 인터벌인 t1 동안, 제 1 전압(V1)이 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제공되고 제 2 전압(V2)이 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 제공되는 동안, 제 1 공간 전하 영역은 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어, 예를 들면, 전자를, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시킨다. 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어는 농도 기울기에 의한 확산으로 인해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 또한 도달할 수도 있고, 예를 들면, 제 1 수집 콘택(32)에 의해 또한 수집될 수도 있다. 또한, 제 1 공간 전하 영역은 제 2 전하 캐리어 타입(17)의 광생성된 전하 캐리어, 예를 들면, 정공을, 반도체 기판에 연결된 벌크 콘택 및/또는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인접한 제 2 수집 콘택으로 가속시킬 수도 있다. 제 1 공간 전하 영역은 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 주위에 형성될 수도 있고 한편 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 반도체 기판(10)의 중성 영역에 남아 있을 수도 있다.
수직 트렌치 게이트(12 및 13)에 전압(V1 및 V2)을 각각 인가하는 것은, 제 1 공간 전하 영역(241)으로 하여금 수평으로(디바이스 표면 또는 상면(101)에 평행하게) 확산하게 한다. 제 1 수직 트렌치 게이트(12)와 제 2 수직 트렌치 게이트(13) 사이의 분리 거리인 d는, 예를 들면, TOF 위상 감지 검출기로서의 그 동작이, 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)와 제 2 수직 트렌치 게이트(13) 사이에서 완전히 공핍된 갭을 생성하도록, 예를 들면, 기판 도핑 레벨에 링크될 수도 있다.
예를 들면, 분리 거리인 d는 0.5㎛ 내지 10㎛ 사이 또는 1㎛ 또는 5㎛ 사이 또는 1㎛ 또는 3㎛ 사이에 있을 수도 있고, 예를 들면, 약 1㎛일 수도 있다. 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로부터 공간 전하 영역(241)의 확산 거리는 0.5㎛ 내지 10 ㎛ 사이 또는 1㎛ 또는 5㎛ 사이 또는 1㎛ 또는 3㎛ 사이에 있을 수도 있고, 예를 들면, 약 1㎛일 수도 있지만, 그러나 분리 거리(d)보다 작을 수도 있어서, 제 2 수직 트렌치 게이트(13)가 중성 영역(108)에 남아 있게 된다.
또한, 제 1 공간 전하 영역(241)은 수직으로(반도체 기판 표면 또는 상면(101)에 수직하게) 확산할 수도 있다. 공간 전하 영역(241)의 깊이인 d1은 5㎛ 내지 500㎛ 사이 또는 10㎛ 내지 300㎛ 사이, 또는 10㎛ 내지 100㎛ 사이에 있을 수도 있다. 공간 전하 영역(241)의 깊이는 수직 트렌치 게이트의 높이, 인가된 게이트 전압 및/또는 도핑 레벨에 의존하고, 예를 들면, 수직 확산에 기인한 수직 트렌치 게이트의 높이보다 약간 더 클 수도 있다.
제 1 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어(전자)는 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에서의 인가된(양의) 바이어스로 인해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)를 향해 가속될 수도 있고 제 1 시간 인터벌인 t1 동안 제 1 수집 콘택(32)에서 수집될 수도 있다. 제 2 전하 캐리어 타입(17)의 광생성된 전하 캐리어(정공)은 벌크 콘택(36)(도 5에 도시됨) 및/또는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에서의 제 2 수집 콘택에서 수집될 수도 있다. 제 2 전하 캐리어 타입(17)의 전하생성된 캐리어는 반도체 기판(10)의 벌크로 거절되고, 예를 들면, 벌크 콘택에 의해 수집될 수도 있다. 유사하게, 제 1 동작 모드의 제 2 시간 인터벌인 t2 동안 교호하는 바이어싱이 제공되면, 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)를 향해 가속될 수도 있고 제 2 전하 캐리어 타입(17)의 광생성된 전하 캐리어는 제 1 수직 트렌치 게이트(12)를 향해 가속될 수도 있다.
제 1 동작 모드의 제 1 시간 인터벌에서, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)와 제 2 수직 트렌치 게이트(13) 사이의 거리는, 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 제 1 공간 전하 영역(241)에 의해 둘러싸이고, 반면 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 반도체 기판(10)의 중성 영역(108)에 남아 있도록 선택될 수도 있다. 반도체 기판(10)의 중성 영역(108)(도 2에 도시됨)은 반도체 기판(10)의 벌크와 유사한 특성(예를 들면, 동일한 전압을 수직 트렌치 게이트 및 벌크에 인가하는 동안의 자유 전하 캐리어의 농도)을 갖는 영역일 수도 있다. 마찬가지로, 제 1 동작 모드의 제 2 시간 인터벌에서 교호 바이어스가 인가되면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)와 제 2 수직 트렌치 게이트(13) 사이의 거리는, 예를 들면, 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 제 2 공간 전하 영역에 의해 둘러싸이고, 반면 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 반도체 기판(10)의 중성 영역에 남아 있도록 선택될 수도 있다.
예를 들면, 촬상 회로의 픽셀 엘리먼트는, 예를 들면, 제 1 동작 모드에서 고정된 주파수를 가지고 공핍 모드에서 동작하는 적어도 2개의 트렌치 게이트를 갖는 포토셀일 수도 있다. 이 주파수는 전송된 신호의 주파수에 대해 고정되고, 따라서 광 펄스와 그 반사 펄스 사이의 위상 상관이 평가될 수 있다. 트렌치 게이트를 사용함으로써, 공간 전하 영역은, 공핍 폭이 예를 들면 평형 상태 하에서 최대 공핍 폭보다 더 크기 때문에, 깊은 공핍에서 수평으로(디바이스 표면에 평행하게) 확산할 수도 있다.
2개의 인접한 전극 사이의 공간은, TOF 디바이스로서의 동작이 트렌치 사이에 완전히 공핍된 갭을 강제하는 방식으로, 기판 도핑 레벨에 링크될 수도 있다. 트렌치 게이트의 깊이는 신호원(signal source)으로서 사용되는 광 파장에 적응될 수도 있는데, 즉 그것은 수십 미크론의 범위 안에 있을 수 있다.
예를 들면, 제 1 동작 모드에서, 촬상 디바이스(1)는 위상 감지 검출기로서 사용될 수도 있고, 인접한 트렌치의 전극, 예를 들면 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 양(positive)으로 교호적으로 바이어싱되어(빠른 스윕), 따라서 촬상 디바이스(1)는 깊은 공핍 상태에서 동작한다. 그 다음, 트렌치에 가까운 로컬 n 도핑 영역 및 콘택에 의해 판독되는, 전극에 모인 전하량을 비교하기 위해 판독 회로부가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 촬상 디바이스(1)는 제 1 동작 모드에서 광 믹서 디바이스와 유사하게 동작할 수도 있다.
이 교호하는 바이어스는 도 3에 예시적으로 도시되는데, 도 3은 제 1 동작 모드에서 게이트 제어 회로에 의해 제공되는 전압을 나타내는 도면을 도시한다.
제 1 동작 모드의 제 1 시간 인터벌 동안 가속되는 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어의 적어도 일부는, 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성될 수도 있다. 또한, 제 1 동작 모드의 제 2 시간 인터벌 동안 가속되는 제 2 전하 캐리어 타입(17)의 광생성된 전하 캐리어의 적어도 일부는, 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성될 수도 있다.
판독 회로부는 제 1 수집 콘택(32) 및 벌크 콘택에 수집된 광생성 전하 캐리어에 의해 생성된 세기/진폭 정보를 전기 신호, 예를 들면, 전류 신호 또는 전압 신호 또는 저항 신호로 변환할 수도 있다. 판독 회로부는 제 1 수집 콘택(32) 및 벌크 콘택의 각각을, 전기 신호를 수신하는 이미지 프로세싱 회로(235)에 연결할 수도 있다.
게이트 제어 회로(239)는, 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어가 제 1 공간 전하 영역(241)에서 생성되도록 제 1 공간 전하 영역(241)이, 적어도, 반도체 기판(10)의 깊이인 d1 안으로 연장하도록, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제 1 전압(V1)을 제공할 수도 있다. 제 1 공간 전하 영역(241)의 깊이(d1)를 제어하기 위한 제 1 전압(V1)은, 비어-람베르트(Beer-Lambert) 법칙에 따라, 반도체 기판(10)의 상면(101)으로부터의, 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파의 투과 깊이에 기초할 수도 있다. 투과 깊이는, 반도체 기판을 투과하는 전자기파의 세기가, 상면(101) 또는 표면에서 반도체 기판에 진입하는 전자기파의 세기의 약 1/e(예를 들면, 대략 0.367)배로 감소하게 되는 반도체 기판의 상면(101) 또는 표면으로부터의 깊이로서 정의될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 공간 전하 영역(241)의 깊이(d1)를 제어하기 위한 제 1 전압(V1)은, 반도체 기판(10)에 진입하는 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율(예를 들면, 약 80%, 90% 또는 95%보다 큼) 또는 대다수(예를 들면, 약 50%보다 큼)가 제 1 공간 전하 영역(241) 내에서 생성되도록 선택될 수도 있다. 이 예시적인 예에서, 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파는 적외선 전자기파일 수도 있다. 예를 들면, 제 1 관심 대상 파장이 약 800㎚이면, 실리콘 기판에서의 80㎚ 파장의 EM 파의 투과 깊이는 약 11.8㎛일 수도 있다. 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율의 또는 대다수는 약 11.8㎛의 깊이 내에서 생성될 수도 있고, 제 1 공간 전하 영역(241)은, 적어도, 그 영역의 깊이인 d1 안으로, 예를 들면, 적어도 11.8㎛ 또는 그 이상으로 연장할 수도 있다.
또한, 제 1 및 제 2 수직 트렌치 게이트(12, 13)의 높이는, 제 1 및 제 2 수직 트렌치 게이트(12, 13)에 의해 생성되는 공간 전하 영역의 깊이가 적어도 어떤 깊이 안으로 연장될 수 있도록 구조화될 수도 있는데, 특정 관심 대상 파장에 의해 생성되는 전하 캐리어의 미리 결정된 비율 또는 대다수는 그 어떤 깊이 내에서 생성된다. 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)의 깊이, 즉 수직 높이인 h는, 제 1 관심 대상 파장, 즉, 신호원으로서 사용되는 광 파장의 투과 깊이에 기초하여 적응될 수도 있다. 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 반도체 기판(10) 안으로, 예를 들면, 수 십 미크론미터 연장될 수도 있다.
후속하는 제 2 시간 인터벌인 t2 동안, 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 이웃하는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인가되는 전압은, 도 3에 도시된 바와 같이, 반대로 될 수도 있다. 따라서, 후속하는 제 2 시간 인터벌 동안, 게이트 제어 회로(239)는 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제 2 전압(V2)을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트에 제 1 전압(V1)을 제공할 수도 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제 2 전압(V2)을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 제 1 전압(V1)을 제공하는 것은, 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어, 예를 들면, 전자를, 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인접한 제 2 수집 콘택(33)(도 2에 도시됨)으로 가속시키는 공간 전하 영역을 생성한다. 또한, 제3 공간 전하 영역은 제 2 전하 캐리어 타입(17)의 광생성된 전하 캐리어, 예를 들면, 정공을, 벌크 콘택, 또는, 예를 들면, 반도체 기판의 이면측에서 반도체 기판(10)에 연결된 다른 벌크 콘택으로 추가적으로 가속한다. 다시 말하면, 구성이 반대로 되어, 즉, 제3 공간 전하 영역은 제 2 수직 트렌치 게이트(13) 주위에 형성될 수도 있고 한편 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 반도체 기판(10)의 중성 영역으로 남게 된다.
판독 회로부는 제 2 수집 콘택(33) 및 벌크 콘택에 수집된 광생성 전하 캐리어에 의해 생성된 데이터를 전기 신호, 예를 들면, 전류 신호 또는 전압 신호 또는 저항 신호로 변환할 수 있다. 판독 회로부는 전기 신호를 수신하는 이미지 프로세싱 회로에 연결될 수도 있다.
추가 상세 및 양태가 (예를 들면, 반도체 기판, 제 1 수직 트렌치 게이트, 제 2 수직 트렌치 게이트, 게이트 제어 회로 및 이미지 프로세싱 회로에 관해) 상기 또는 하기에 설명되는 실시형태와 연계하여 언급된다. 도 2에 도시된 실시형태는 상기(예를 들면 도 1) 또는 하기(예를 들면, 도 3, 또는 도 4의 A 내지 D, 도 5 내지 도 7, 또는 도 8a 및 도 8b)에서 설명되는 하나 이상의 실시형태 또는 제안된 개념과 연계하여 언급되는 하나 이상의 양태에 대응하는 하나 이상의 옵션사항인 추가 피쳐를 포함할 수도 있다.
도 3은 제 1 동작 모드에서 게이트 제어 회로에 의해 제공되는 전압을 나타내는 도면을 도시한다.
게이트 제어 회로는, 촬상 회로(1, 2)의 픽셀 엘리먼트가 제 1 동작 모드 동안 깊은 공핍(deep depletion)에 있도록, V1과 V2의 빠른 교호 바이어스를 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인가하도록 구성된다. 예를 들면, 교호 주파수는 50Hz 내지 1MHz 사이에, 또는 100Hz 내지 800Hz 사이에, 또는 200Hz 내지 600Hz 사이에 있을 수도 있거나, 또는 이들 값 사이의 임의의 값일 수도 있다.
전압(V1)은, 예를 들면, 1V 내지 15V 사이에, 또는 2V 내지 12V 사이에, 또는 5V 내지 10V 사이에 있을 수도 있다. 전압(V2)은, 예를 들면, 약 제로 볼트(접지)이거나 또는 다른 기준 전위일 수도 있다.
도 4의 A 내지 D는 제 2 동작 모드에서 동작하는 촬상 회로(1 또는 2)의 개략적인 단면을 도시한다.
제 2 동작 모드에서, 토글링(toggling)하는 게이트 전압은, 예를 들면, 게이트 전압 스윕(sweep)에 의해 대체될 수도 있는데, 게이트 전압 스윕은 트렌치 채널 영역에서 전하 캐리어 농도의 변화를 야기한다. 이 기술을 사용함으로써, 스펙트럼 응답에서의 변화 및 그러므로 컬러 인식이 제공될 수도 있다. 컬러 인식을 위해 구현되는 추가적인 피쳐는, 게이트 전압이 증가하도록 채널 전하를 점진적으로 변화시키는 채널 영역일 수도 있다. 이것은 점진적으로 도핑된 기판 영역에 의해 제공될 수도 있다. 또한, 이것은 내장 전계(built-in field)를 사용하는 것에 의해 양자 효과를 증가시키는 것을 도울 수도 있고 PMD 시스템에서 사용될 수도 있다. 다른 접근법은, 콘 형상이거나 화학량론적 조성에서 변하는 게이트 유전체(gate dielectric)일 것이다.
증가하는 또는 상승하는 게이트 전압으로 인해, 채널 영역은 축적, 공핍 및/또는 반전에서 동작될 수도 있다. 제 2 동작 모드에서, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 반도체 기판 내에 복수의 상이한 반전 구역을 생성하기 위해 복수의 상이한 동작 상태에서 동작할 수도 있다. 예를 들면, 게이트 제어 회로(239)는, 제 2 동작 모드에서, 복수의 상이한 전압, 예를 들면, V3, V4, V5 및/또는 더 많은 전압을 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제공할 수도 있다.
제 2 동작 모드 동안 인가되는 전압, 예를 들면, V3, V4, V5는 1V 내지 15V 사이, 또는 2V 내지 12V 사이, 또는 5V 내지 10V 사이에 있을 수도 있다. 몇몇 예에서, 제 2 동작 모드에서의 전압은 1V에서 15V로, 또는 2V에서 12V로, 또는 5V에서 10V로 점진적으로 스윕될 수도 있다. 다른 예에서, 전압(V3, V4, V5)은 1V 내지 15V 사이, 또는 2V 내지 12V 사이, 또는 5V 내지 10V 사이에서 이산적으로 선택된 값일 수도 있다.
전압은, 예를 들면, 증가하는 게이트 바이어스의 순서일 수도 있다. 복수의 상이한 전압의 각각의 전압은 반전 구역과 반도체 기판의 계면에서 각각의 공간 전하 영역을 생성하도록 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 연속하여(예를 들면, 차례차례) 제공될 수도 있고, 반도체 기판(10)으로의 그 연장은, 예를 들면, 게이트 바이어스를 증가시키면서 증가한다. 각각의 공간 전하 영역은, 예를 들면, 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수집 콘택(32)으로 가속할 수도 있다.
도 4의 A는 축적 영역, 예를 들면, 반도체 기판(10)과 동일한 대다수 캐리어, 즉 정공을 갖는 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 주위에 형성된 채널 영역을 도시한다. 축적 영역은 제 1 수직 트렌치 게이트에 대한 음의 바이어스의 제공에 기인하여 생성될 수도 있다.
도 4의 B는 제3 시간 인터벌인 t3 동안 동작하는 촬상 회로를 예시적으로 도시한다. 게이트 제어 회로(239)는 제3 시간 인터벌인 t3 동안 제3 전압(V3)을 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제공할 수도 있다. 제3 전압의 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로의 제공은 반도체 기판(10)에 반전 구역(22)을 생성할 수도 있다. 반전 구역(22)은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 대한 적절한 외부 전위의 제공에 의해 생성될 수도 있다. 게이트 유전체로서 기능하는 절연층(216)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)가 반도체 기판(10)으로부터 절연되기 때문에, 표면 전하 캐리어는, 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 절연층(216)과 반도체 기판(10) 사이의 계면에서 반도체 기판(10)에 축적된다. 반전 구역(22)에서의 표면 전하 캐리어는, 예를 들면, 반도체 기판(10)의 벌크 도핑의 전하 캐리어 타입과는 반대의 전하 캐리어 타입을 갖는다. 따라서, 반도체 기판(10)이 p 도핑 반도체라고 가정하면, 제 1 수직 트렌치 게이트에 대한 적절한 양의 바이어스의 인가는, 예를 들면, 전자의 반전 구역(22)을 생성한다.
제3 시간 인터벌인 t3 동안, 게이트 제어 회로(239)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로 제공되는 제3 전압(V3)은 반도체 기판(10) 안으로 연장할 수도 있는 반전 구역(22)을 생성할 수도 있고, 그 결과 제 2 공간 전하 영역(24)(도 5에 도시됨)은 적어도 반도체 기판(10)의 깊이인 d2 안으로 연장되는데, 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율 또는 대다수는 그 d2 내에서 생성된다.
예를 들면, 제3 시간 인터벌인 t3 동안, 반전 구역(22)은, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 높이인 h의 약 1/3 내지 약 1/2인 깊이까지 반도체 기판(10) 안으로 연장될 수도 있다(도 4의 B에 더 예시됨). 다시 말하면, 반전 구역(22)은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 상위 부분에서만 형성될 수도 있다.
광 파(light wave)가 전자기파 수신 영역(26)으로 진입할 때, 전압(V3)의 제공은, 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 대해 스펙트럼적 감지도를 갖도록 촬상 회로를 튜닝할 수도 있다. 전압(V3)의 제공은, 제 2 공간 전하 영역(24)의 깊이를 튜닝할 수도 있고, 그 결과 제 2 공간 전하 영역은 적어도 반도체 기판(10)의 깊이인 d2 안으로 연장되는데, 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율 또는 대다수는 그 깊이 d2 내에서 생성된다. 예를 들면, 제 2 공간 전하 영역(24)의 깊이(d2)를 제어하기 위한 제3 전압(V3)은, 비어-람베르트(Beer-Lambert) 법칙에 따라, 반도체 기판(10)의 상면(101)으로부터의, 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파의 투과 깊이에 기초할 수도 있다. 예를 들면, 제 2 공간 전하 영역(24)의 깊이(d2)를 제어하기 위한 제3 전압(V1)은, 반도체 기판(10)에 진입하는 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율(예를 들면, 약 80%, 90% 또는 95%보다 큼) 또는 대다수(예를 들면, 약 50%보다 큼)가 제 2 공간 전하 영역(24) 내에서 생성되도록 선택될 수도 있다. 예를 들면, 제 2 공간 전하 영역의 깊이인 d2는 10㎛ 미만, 또는 8㎛ 미만, 또는 5㎛ 미만일 수도 있다.
제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파가 가시 스펙트럼 내의 전자기파일 때, 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파는, 예를 들면, 제 1 관심 대상 파장을 갖는 전자기파보다 더 작은 투과 깊이를 갖는다. 게이트 제어 회로(239)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트로 제공되는 전압(V3)은, 제3 전압(v3)에 의해 생성되는 제 2 반전 구역(22) 따라서 제 2 공간 전하 영역(24)의 깊이가, 깊은 공핍에서 전압(v1) 및 전압(v2)에 의해 생성되는 제 1 공간 전하 영역(241) 및 제3 공간 전하 영역의 깊이보다 더 작도록 선택될 수도 있다. 다시 말하면, 제 1 공간 전하 영역(241) 및 제 2 공간 전하 영역(24)은 상이한 깊이만큼 반도체 기판(10) 안으로 연장될 수도 있다.
제 2 공간 전하 영역(24)은 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어, 예를 들면 전자를 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시킬 수도 있다. 제 2 동작 모드 동안 가속되는 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어의 적어도 일부는, 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성될 수도 있다. 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어는 반전 구역(22)을 따라 반도체 기판(10)의 깊이로부터 반도체 기판(10)의 상면(101)에 있는 제 1 수집 콘택(32)으로 도통되는데, 광생성된 전하 캐리어는 제 1 수집 콘택(32)에서 평가를 위해 이미지 프로세싱 회로에 제공될 수도 있다. 제 2 공간 전하 영역(24)은 제 2 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어, 예를 들면, 양으로 하전된 정공을 벌크 콘택으로 가속시킬 수도 있고 벌크 콘택을 통해 이미지 프로세싱 회로(235)에 제공될 수도 있다.
게이트 제어 회로(239)에 의한 복수의 전압, 예를 들면, V3, V4, V5의 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로의 연속적인 제공은 반전 구역(22)의 깊이 및 공간 전하 영역의 범위를 변경시켜, 상이한 바이어스 전압에 대해 상이한 스펙트럼 응답을 생성하게 된다. 예를 들면, V3, V4, 및 V5는 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 계단식으로 또는 점진적으로 증가하면서, 즉 게이트 전압 스윕으로 제공되어, 반전 구역의 연장의 증가로 그리고 이에 따른 반도체 기판(10) 안으로의 공간 전하 영역의 연장으로 이어지게 된다.
도 4의 C는 제 2 동작 모드에서 동작하는 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
후속하는 제4 시간 인터벌인 t4 동안, 게이트 제어 회로(239)는 제4 전압(V4)을 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제공하도록 추가로 구성될 수도 있는데, 여기서 제3 전압(V3) 및 제4 전압(V4)은 상이하다. 제4 시간 인터벌 동안 게이트 제어 회로(239)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로 제공되는 제4 전압(V4)은, 도 4의 B에 도시된 인가 전압 바이어스(V3)로 생성되는 반전 구역(22)보다 반도체 기판 안으로 더 깊이 연장되는 반전 구역(222)을 생성한다. 반전 구역(222)은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 상위 부분 및 중간 부분에 형성될 수도 있다.
게이트 제어 회로(239)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로 제공되는 전압(V4)은, 제4 공간 전하 영역이 적어도 반도체 기판(10)의 깊이인 d3 안으로 연장되도록, 반도체 기판(10) 안으로 연장될 수도 있는 제 2 반전 구역(222)을 생성할 수도 있는데, 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율 또는 대다수는 그 d3에서 제 3 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성된다. 예를 들면, 제4 시간 인터벌인 t4 동안, 제 2 반전 구역(222)은, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 높이인 h의 약 1/2 내지 약 3/4인 깊이까지 반도체 기판(10) 안으로 연장될 수도 있다.
광 파가 전자기파 수신 영역(26)으로 들어갈 때, 전압(V4)의 제공은, 제 3 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 대해 스펙트럼적 감지도를 갖도록 촬상 회로를 튜닝할 수도 있다. 전압(V4)의 제공은, 제4 공간 전하 영역의 깊이를 튜닝할 수도 있고, 그 결과 제4 공간 전하 영역은 적어도 반도체 기판(10)의 깊이인 d3 안으로 연장되는데, 제 3 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율 또는 대다수는 그 깊이 d3 내에서 생성된다. 예를 들면, 제4 공간 전하 영역의 깊이(d3)를 제어하기 위한 전압(V4)은 반도체 기판(10)의 상면(101)으로부터의, 제 3 관심 대상 파장을 갖는 전자기파의 투과 깊이에 기초할 수도 있다. 예를 들면, 제4 공간 전하 영역의 깊이(d3)를 제어하기 위한 전압(V4)은, 반도체 기판(10)에 진입하는 제 3 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율(예를 들면, 약 80%, 90% 또는 95%보다 큼) 또는 대다수(예를 들면, 약 50%보다 큼)가 제4 공간 전하 영역 내에서 생성되도록, 선택될 수도 있다. 예를 들면, 제4 공간 전하 영역의 깊이인 d3은 10㎛ 미만, 또는 8㎛ 미만, 또는 5㎛ 미만일 수도 있다.
제 3 관심 대상 파장을 갖는 전자기파는 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파보다 더 큰 투과 깊이를 가질 수도 있다. 게이트 제어 회로(239)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트로 제공되는 전압(V4)은, 전압(V4)에 의해 생성되는 제 2 반전 구역(222) 그러므로 제4 공간 전하 영역의 깊이인 d3가, 전압(V3)에 의해 생성되는 반전 구역(22) 그러므로 제 2 공간 전하 영역의 깊이보다 더 커지도록 선택될 수도 있다.
마찬가지로, 제4 공간 전하 영역은 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어, 예를 들면 전자를 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시킬 수도 있다. 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어는 제 2 반전 구역(222)을 따라 반도체 기판(10)의 깊이로부터 반도체 기판(10)의 상면(101)에 있는 제 1 수집 콘택(32)으로 도통되는데, 광생성된 전하 캐리어는 제 1 수집 콘택(32)에서 평가를 위해 이미지 프로세싱 회로에 제공될 수도 있다. 제 2 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어는 이미지 프로세싱 회로에 제공된 제 2 수집 콘택(33)에서 수집될 수도 있다.
따라서, 제 2 동작 모드에서, 촬상 회로는 복수의 동작 상태에서 동작할 수도 있는데, 복수의 동작 상태의 각각에서, 반전 구역(22)이 반도체 기판(10)의 안으로 투과하는 정도는 변경될 수도 있음이 이해될 수도 있다. 동작 상태의 각각에서의 반전 구역의 깊이는 이산적으로 또는 점진적으로 조정될 수도 있다. 반전 구역의 확장의 이산적인 또는 점진적인 조정가능성 또는 변동은 도 4에서 화살표(23)에 의해 나타내어진다.
도 4의 D는, 예를 들면, 게이트 제어 회로(239)에 의한 수직 트렌치 게이트(12)로의 제5 전압(V5)의 제공을 도시한다. 제5 전압(V5)은, 제5 시간 인터벌 동안 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 대략 전체 깊이로 연장될 수도 있는 제3 반전 구역(223)을 생성할 수도 있다. 다시 말하면, 게이트 제어 회로(239)에 의해 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로 제공되는 전압(V5)은, 전압(V5)에 의해 생성되는 제3 반전 구역(223) 그러므로 제5 공간 전하 영역의 깊이가 전압(V4)에 의해 생성되는 제 2 반전 구역(222) 그러므로 제4 공간 전하 영역의 깊이보다 더 커지도록, 선택될 수도 있다. 제3 반전 구역(223)은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 전체를 따라 형성될 수도 있다.
전압(V5)의 제공은 제 4 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 대한 스펙트럼 감지도를 갖도록 촬상 회로를 튜닝할 수도 있다. 전압(V5)의 제공은, 제5 공간 전하 영역의 깊이를 튜닝할 수도 있고, 그 결과 제5 공간 전하 영역은 적어도 반도체 기판(10)의 깊이인 d4 안으로 연장되는데, 제 4 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율 또는 대다수는 그 깊이 d4 내에서 생성된다. 예를 들면, 제5 공간 전하 영역의 깊이를 제어하기 위한 전압(V5)은 반도체 기판(10)에서의, 제 4 관심 대상 파장을 갖는 전자기파의 투과 깊이에 기초할 수도 있다. 예를 들면, 제5 공간 전하 영역의 깊이를 제어하기 위한 전압(V5)은, 반도체 기판(10)에 진입하는 제 4 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되는 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율(예를 들면, 약 80%, 90% 또는 95%보다 큼) 또는 대다수(예를 들면, 약 50%보다 큼)가 제5 공간 전하 영역 내에서 생성되도록 선택될 수도 있다. 예를 들면, 제5 공간 전하 영역의 깊이인 d4는 10㎛ 미만, 또는 8㎛ 미만, 또는 5㎛ 미만일 수도 있다.
촬상 회로는, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제공하기 위해 구성된 제 1 수집 콘택(32)을 더 포함할 수도 있다. 제 2 동작 모드의 제 1 동작 상태에서, 제 1 반전 구역(22)은 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어의 제 1 부분을 선택적으로 수집하도록 그리고 광생성된 전하 캐리어의 수집된 제 1 부분을 제 1 수집 콘택(32)으로 도통시키도록 구성될 수도 있다. 제 2 동작 상태에서, 제 2 반전 구역은 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어의 제 2 부분을 선택적으로 수집하도록 그리고 광생성된 전하 캐리어의 수집된 제 2 부분을 제 1 수집 콘택(32)으로 도통시키도록 구성될 수도 있다.
제 2, 제3 또는 제4 관심 대상 파장을 갖는 전자기파는 광 파로부터 유래할 수도 있다. 주변 광 또는 발광 디바이스로부터 유래할 수도 있는 광 파는, 예를 들면, (3차원의) 컬러 이미지가 취해질 오브젝트에 의해 반사될 수도 있다. 광 파는, 예를 들면, 약 380㎚로부터 약 750㎚까지의 가시 스펙트럼 내에 놓이는 파장을 갖는 전자기파를 포함할 수도 있다. 반사된 광 파는, 예를 들면, 오브젝트에 관한 컬러 정보를 포함할 수도 있다.
본원에서 설명되는 관심 대상 파장은 서로 상이할 수도 있음이 이해될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 관심 대상 파장과 제 2 관심 대상 파장은 상이할 수도 있다. 예를 들면, 제 1, 제 2 파장, 제3 파장 및 제4 파장 각각은 서로 상이할 수도 있다. 수직 트렌치 게이트로의 특정 전압의 인가는, 예를 들면, 특정 관심 대상 파장에 대해, 또는 예를 들면, 적외선 또는 가시 스펙트럼 내의 특정 파장 범위에 대해 촬상 회로가 최대 스펙트럼 감지도를 나타내는 것을 허용할 수도 있다. 수직 트렌치 게이트로의 상이한 전압 바이어스의 인가는, 상이한 관심 대상 파장에 대해 상이한 스펙트럼 감지도를 갖도록 촬상 회로를 효과적으로 튜닝할 수도 있다.
제 1 수직 트렌치 게이트(12)에서의 스펙트럼 감지도의 구현은 도 4의 A 내지 D와 관련하여 예시적으로 도시되었다. 그러나, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 게이트 제어 회로(235)에 의해 개별적으로뿐만 아니라, 반도체 기판(10)에 형성되는 복수의 수직 트렌치 게이트와 동시에 제어될 수도 있음이 이해될 수도 있다. 예를 들면, 제 2 동작 모드에서, 게이트 제어 회로(239)는, 제 1 전하 캐리어 타입(16)의 광생성된 전하 캐리어를 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인접한 제 2 수집 콘택(33)으로 가속시키는 추가 공간 전하 영역을 더 생성하기 위해, 제3 시간 인터벌 동안 제3 전압(V3)을 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로 그리고 마찬가지로 제 2 수직 트렌치 게이트(13)로도 제공할 수도 있다. 마찬가지로, 전압 스윕에서의 각각의 연속적인 전압은 복수의 수직 트렌치 게이트에, 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 그리고 반도체 기판(10) 내의 다른 수직 트렌치 게이트에 동시에 제공될 수도 있다.
복수의 수직 트렌치 게이트는 광검출기 어레이를 형성할 수도 있는데, 광검출기 어레이에서의 각각의 픽셀 어레이는 적어도 하나의 수직 트렌치 게이트를 포함한다. 제 2 동작 모드에서, 광검출기 어레이의 각각의 픽셀 엘리먼트는 픽셀 엘리먼트 내의 단일의 수직 트렌치 게이트 광검출기를 사용하여 오브젝트에 관한 컬러 정보를 생성할 수도 있다. 제 1 동작 모드에서, 이웃하는 픽셀 엘리먼트의 쌍, 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는, 수직 트렌치 게이트 광검출기의 쌍을 이용하여 오브젝트에 관한 거리 정보를 생성할 수도 있다.
후속하여, 이미지 프로세싱 회로(235)는 거리 정보 및 컬러 정보에 기초하여 오브젝트의 3차원 컬러 이미지의 이미지 데이터를 생성할 수도 있다.
다른 실시형태는, 반도체 기판(10)의 깊이 안으로 이산적으로 또는 점진적으로 연장될 수 있는 반전 구역을 생성하는 방식을 설명한다.
일 실시형태에서, 반도체 기판(10)은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)를 따라 점진적으로 증가하는 도핑을 가질 수도 있다. 예를 들면, 반도체 기판(10)은 기판의 깊이 안으로 수직으로, 즉, 상면(101)으로부터 바닥면(102)을 향해 점진적으로 증가하는 도핑을 가질 수도 있다. 예를 들면, 반도체 기판(10)의 도핑은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 바닥 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)의 바닥 근처에서 상면(101)보다 더 높다. 이것은, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)의 바닥으로 연장하는 반전 구역을 생성할 수 있기 위해서는, 더 높은 전압이 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인가될 필요가 있는 것으로 이어질 수도 있다.
대안적으로, 옵션사항으로서 또는 추가적으로, 절연층(216)의 두께는 반도체 기판(10) 안으로 증가할 수도 있다. 절연층(216)은 반도체 기판(10) 안으로 깊이가 증가함에 따라 제 1 수직 트렌치(216)에서 더 두꺼워질 수도 있다. 예를 들면, 절연층(216)의 두께는 반도체 기판(10) 안으로의 깊이가 증가함에 따라 점진적으로 증가할 수도 있는데, 트렌치의 바닥에서의 절연층(216)의 두께는 트렌치의 상부에서의 두께보다 몇 배, 예를 들면 2배 더 두꺼울 수도 있다.
대안적으로, 옵션사항으로서 또는 추가적으로, 절연층(216)은 불균일한 화학량론을 가질 수도 있다. 예를 들면, 트렌치 유전체(216)는 깊이에 따라 자신의 유전 특성을 변경시킬 수도 있다. 이것은 반도체 기판에서 절연층(216)의 깊이가 증가함에 따라 절연층(216)의 질화물(nitriding)을 감소시키는 것에 의해 달성될 수도 있다. 예를 들면, 절연층(216)에서의 전기장의 크기는 상부에서보다 수직 트렌치(218)의 바닥에서 더 낮을 수도 있다.
반도체 기판의 점진적인 도핑, 절연층(216)의 두께를 변하게 하는 것 및 절연층의 불균일한 화학량론 중 적어도 하나의 구현으로 인해, 반전 구역(22)의 연장은 연속적으로 및/또는 점진적으로 조정가능하고 광검출기의 스펙트럼 감지도는 상이한 전압을 인가하는 것에 의해 연속적으로 및/또는 점진적으로 조정가능하게 될 수도 있다. 위에서 열거된 조치에 의해, 예를 들면, 점진적으로 도핑된 기판 및/또는 콘 형상의 및/또는 게이트 유전체의 공간적으로 수정된 화학량론에 의해, 트렌치 게이트 TOF 디바이스는 컬러 감지 디바이스로서 병행하여 사용될 수도 있다. 또한, 컬러 정보는 재빨리 획득될 수도 있는데, 예를 들면, 게이트 전압 스윕에 1ms 미만이 걸릴 수도 있다.
1ms 미만에서(또는 100ns 미만에서, 또는 10ns 미만에서) 상이한 컬러 정보를 획득하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트에 3개 이상의(예를 들면, 4개의, 5개의, 6개의 또는 7개 이상의) 상이한 전압이 인가될 수도 있다.
추가 상세 및 양태가 (예를 들면, 반도체 기판, 제 1 수직 트렌치 게이트, 제 2 수직 트렌치 게이트, 게이트 제어 회로 및 이미지 프로세싱 회로에 관해) 상기 또는 하기에 설명되는 실시형태와 연계하여 언급된다. 도 4의 A 내지 D에 도시된 실시형태는 상기(예를 들면 도 1 내지 도 3) 또는 하기(예를 들면, 도 5 내지 도 7, 도 8a 및 도 8b)에서 설명되는 하나 이상의 실시형태 또는 제안된 개념과 연계하여 언급되는 하나 이상의 양태에 대응하는 하나 이상의 옵션사항인 추가 피쳐를 포함할 수도 있다.
도 5는 제 2 동작 모드의 동작 상태에서의 도 1 내지 도 3 및 도 4의 A 내지 D와 관련하여 상세히 설명된 촬상 회로(1 또는 2)를 예시적으로 도시한다. 도 5는 반전 구역과 반도체 기판 사이의 계면에서의 공간 전하 영역의 생성을 도시한다. 공간 전하 영역은 반전 구역보다 반도체 기판 안으로 더 많이 연장될 수도 있다. 예를 들면, p 도핑 반도체 기판(10)에서의 n 채널 반전 구역(22)의 생성으로 인해, 제 2 공간 전하 영역(24)은 n 채널 반전 구역(22)과 p 도핑 반도체 기판(10) 사이의 계면에서 생성될 수도 있다. 공간 전하 영역(24)은, 예를 들면, 반전 구역(22)보다 반도체 기판(10) 안으로 더 많이 연장될 수도 있다.
도 5는 도 1 내지 도 3 및 도 4의 A 내지 D의 실시형태와 관련하여 위에서 설명된 벌크 콘택(36)을 도시한다. 벌크 콘택(36)은 p 도핑 주입 영역 위에 증착된 전기적 도전성 전극 재료일 수도 있다. 벌크 콘택(36)은 반도체 기판(10) 내에 그리고 반도체 기판(10)에 직접 접촉하여 형성될 수도 있다. 예를 들면, 벌크 콘택(36) 및 p 도핑 주입 영역은 반도체 기판(10)의 상면(101)에 형성될 수도 있다. 벌크 콘택(36)은, 예를 들면, 중성 영역(108) 내에 위치될 수도 있다. 예를 들면, 벌크 콘택(36)은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)와 제 2 수직 트렌치 게이트(13)의 거의 중간에 위치될 수도 있다.
화살표(23)는, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 가변 전압 바이어스가 인가될 때, 예를 들면, 수직 트렌치의 높이에 따른, 반전 구역의 깊이 즉 반도체 기판(10)에서의 공간 전하 영역의 깊이의 변동의 방향(예를 들면, 수직 방향)을 도시한다.
추가 상세 및 양태가 (예를 들면, 반도체 기판, 제 1 수직 트렌치 게이트, 제 2 수직 트렌치 게이트, 게이트 제어 회로 및 이미지 프로세싱 회로에 관해) 상기 또는 하기에 설명되는 실시형태와 연계하여 언급된다. 도 5에 도시된 실시형태는 상기(예를 들면 도 1 내지 도 3 또는 도 4의 A 내지 D) 또는 하기(예를 들면, 도 6과 도 7, 또는 도 8a 및 도 8b)에서 설명되는 하나 이상의 실시형태 또는 제안된 개념과 연계하여 언급되는 하나 이상의 양태에 대응하는 하나 이상의 옵션사항인 추가 피쳐를 포함할 수도 있다.
도 6은 한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 단면을 도시한다.
촬상 회로(3)는 반도체 기판(10) 및 반도체 기판(10) 안으로 연장하는 복수의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14)를 포함한다. 각각의 수직 트렌치 게이트는 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 수집하기 위해 대응하는 수집 콘택(32, 33, 34)을 자신의 근처에 구비한다.
촬상 회로(3)는, 수집 시간 인터벌인 tc 동안 복수의 수직 트렌치 게이트의 각각에 상이한 전압을 제공하도록 구성된 게이트 제어 회로(239)를 포함한다. 각각의 수직 트렌치 게이트는, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 자신의 각 수집 콘택으로 가속시키기 위한 각각의 공간 전하 영역을 생성한다.
촬상 회로(3)는 오브젝트의 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보를 결정하도록 구성된 이미지 프로세싱 회로(235)를 더 포함한다. 각각의 컬러 정보 타입의 컬러 정보는, 각각의 대응하는 수집 콘택(32)에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초할 수도 있다.
상기 구현으로 인해, 수직 트렌치 게이트의 각각은, 각각의 수직 트렌치 게이트가 동일한 수집 시간 인터벌인 tc 동안 다른 것들과는 상이한 스펙트럼 감지도를 갖도록 튜닝될 수도 있다. 이것은 촬상 회로(3)가 오브젝트에 관한 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보를 재빨리 획득하고 생성하는 것을 허용한다.
예를 들면, 한 실시형태에서, 게이트 제어 회로(239)는 전압(V3)을 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에, 전압(V4)을 이웃하는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 및/또는 전압(V5)을 다른 이웃하는 제3 수직 트렌치 게이트(14)에 동시에, 즉, 동일한 수집 시간 인터벌인 tc 내에 제공하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 제 1 수직 트렌치 게이트(12), 제 2 수직 트렌치 게이트(13), 및 제3 수직 트렌치 게이트(13) 각각은 서로 상이한 공간적 감지도를 가질 수도 있다. 예를 들면, 전압(V3, V4 및 V5)이 증가하는 전압 바이어스라고 가정하면, 전압 바이어스(V3)가 인가되는 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 전압 바이어스(V4)가 인가되는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)보다 더 짧은 파장에 대해 스펙트럼 감지도를 가질 수도 있다. 마찬가지로, 전압 바이어스(V4)가 인가되는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 전압 바이어스(V5)가 인가되는 제3 수직 트렌치 게이트(14)보다 더 짧은 파장에 대해 스펙트럼 감지도를 가질 수도 있다. 예를 들면, 동일한 수집 시간 인터벌인 tc 동안, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 청색광에 대해 스펙트럼 감지도를 가질 수도 있고, 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 녹색광에 대해 스펙트럼 감지도를 가질 수도 있고, 제3 수직 트렌치 게이트(14)는 적색광에 대해 스펙트럼 감지도를 가질 수도 있다.
복수의 수직 트렌치 게이트는, 오브젝트에 관한 컬러 정보를 검출하기 위해 각각 사용될 수도 있는 하나보다 많은 임의의 정수 개의 수직 트렌치 게이트를 지칭할 수도 있음이 이해될 수 있다. 예를 들면, 도 6에서 참조되는 복수의 수직 트렌치 게이트는 촬상 회로(3)의 수직 트렌치 게이트의 총 수의 서브셋일 수도 있고, 촬상 회로(3)는 복수의 이러한 서브셋을 포함할 수도 있다.
예를 들면, 촬상 회로(3)는 수직 트렌치 게이트의 그룹(또는 서브셋)으로 편제된(organized) 수직 트렌치 게이트의 어레이를 포함할 수도 있다. 수직 트렌치 게이트의 각각의 그룹은 상이한 전압을 제공받는 복수의 수직 트렌치 게이트, 예를 들면, 12, 13, 14를 포함할 수도 있다.
이미지 프로세싱 회로(235)는 수직 트렌치 게이트의 각각의 그룹에 대해 오브젝트의 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보를 결정할 수도 있다.
도 6과 관련하여 설명된 동작 모드는 위에서 이미 설명된 제 1 동작 모드 및/또는 제 2 동작 모드 외에 또는 이들 동작 모드에 대안적으로 게이트 제어 회로(239)에 의해 더 제공될 수도 있다.
추가 상세 및 양태가 (예를 들면, 반도체 기판, 제 1 수직 트렌치 게이트, 제 2 수직 트렌치 게이트, 게이트 제어 회로 및 이미지 프로세싱 회로에 관해) 상기 또는 하기에 설명되는 실시형태와 연계하여 언급된다. 도 6에 도시된 실시형태는 상기(예를 들면 도 1 내지 도 3, 또는 도 4의 A 내지 D, 또는 도 5) 또는 하기(예를 들면, 도 7, 또는 도 8a 및 도 8b)에서 설명되는 하나 이상의 실시형태 또는 제안된 개념과 연계하여 언급되는 하나 이상의 양태에 대응하는 하나 이상의 옵션사항인 추가 피쳐를 포함할 수도 있다.
도 7은 촬상 회로를 동작시키기 위한 방법(700)의 흐름도를 도시한다. 그 방법(700)은, 제 1 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트에 인접한 제 1 수집 콘택으로 가속시키는 제 1 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트에 제 1 전압을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트에 제 2 전압을 제공하는 것(710)을 포함한다.
그 방법(700)은, 제 2 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트에 인접한 제 1 수집 콘택으로 가속시키는 제 2 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 제 1 수직 트렌치 게이트에 제3 전압을 제공하는 것(720)을 더 포함한다.
그 방법(700)은, 제 1 동작 모드에서 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 결정하는 것(730)을 더 포함한다.
그 방법(700)은, 제 2 동작 모드에서 제 1 수집 콘택에 수집된 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 컬러 정보를 결정하는 것(740)을 더 포함한다.
제 1 동작 모드에서 제 1 전압을 제 1 수직 트렌치 게이트에 그리고 제 2 전압을 제 2 수직 트렌치 게이트에 제공하는, 그리고 제 2 동작 모드에서 제3 전압을 제 1 수직 트렌치 게이트에 제공하는 구현으로 인해, 오브젝트의 거리 정보 및 컬러 정보 둘 다는 동일한 촬상 회로에 의해 결정될 수도 있다. 또한, 오브젝트의 거리 정보 및 컬러 정보 둘 다를 갖는 이미지는 촬상 회로에 의해 생성될 수도 있다.
추가 상세 및 양태가 (예를 들면, 반도체 기판, 제 1 수직 트렌치 게이트, 제 2 수직 트렌치 게이트, 게이트 제어 회로 및 이미지 프로세싱 회로에 관해) 상기 또는 하기에 설명되는 실시형태와 연계하여 언급된다. 도 7에 도시된 실시형태는 상기(예를 들면 도 1 내지 도 3, 또는 도 4의 A 내지 D, 또는 도 6) 또는 하기(예를 들면, 도 8a 및 도 8b)에서 설명되는 하나 이상의 실시형태 또는 제안된 개념과 연계하여 언급되는 하나 이상의 양태에 대응하는 하나 이상의 옵션사항인 추가 피쳐를 포함할 수도 있다.
도 8a 및 도 8b는 다양한 실시형태에 따른 촬상 회로의 개략적인 상면도를 각각 도시한다. 촬상 회로는 다양한 트렌치 및 콘택 배치(arrangement)에서 사용될 수도 있는 포토셀을 포함할 수도 있다. 캐리어 수집을 위한 선형 필드 외에, 위상 검출을 위해 2개보다 많은 전극을 사용하기 위한 옵션이 존재할 수도 있다. 이것은 신규의 판독 버전으로 이어질 수도 있다.
도 8a는, 한 실시형태에 따른, 포토셀, 예를 들면, 촬상 회로(4)에 대한 적절한 배치를 도시한다. 예를 들면, 벌크 콘택(36)은 제 1 수직 트렌치 게이트(12)와 제 2 수직 트렌치 게이트(13) 사이의 거의 중간에 위치될 수도 있고, 최대 횡방향 연장(largest lateral extension)과 관련하여 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 수직하게 정렬될 수도 있다. 다른 예에서, 벌크 콘택(36)은 반도체 기판(10)의 다른 곳에, 예를 들면, 트렌치로부터 횡 방향에서 수 마이크로미터 내지 수 백 마이크로미터 사이만큼 떨어져 위치될 수도 있다.
수직 트렌치 게이트(12, 13) 각각은 0.1㎛ 내지 100㎛ 사이의, 또는 10㎛ 내지 80㎛ 사이의, 또는 20㎛ 내지 50㎛ 사이의, 예를 들면, 30㎛의 길이인 l(최대 횡방향 연장)을 가질 수도 있다.
도 8b는, 한 실시형태에 따른, 예를 들면, 촬상 회로(5)의 일부인 포토셀의 다른 적절한 배치를 도시한다. 한 실시형태에서, 위상 검출을 위해 2개보다 많은 전극이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 위상 검출을 위해 4개의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14, 15)가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 이웃하는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 평행할 수 있다. 제3 수직 트렌치 게이트(14) 및 제4 수직 트렌치 게이트(15)는 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 수직일 수 있다. 4개의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14, 15)는 링, 또는 사각형을 형성하도록 정렬될 수 있다. 4개의 셀 트렌치는 원형의 바이어스 전압을 허용한다.
벌크 콘택(36)은 반도체 기판의 다른 곳에 위치될 수도 있다. 예를 들면, 벌크 콘택(36)은 평행한 수직 트렌치 게이트 사이에서 평행하게 위치될 수도 있다. 예를 들면, 벌크 콘택(36)은 4개의 수직 트렌치 게이트의 링 또는 사각형 외부에 위치될 수도 있다.
공간 전하 영역의 3차원 형성은 몇몇 디바이스 외형(geometry)에 대해 누화(crosstalk)를 생성할 수도 있고 디바이스의 축소 가능성(shrinking potential)을 제한할 수도 있다. 수직 트렌치 게이트는 수직 트렌치 게이트 사이의 누화를 최소화하도록 연장될 수도 있다. 또한, 벌크 콘택이 수직 트렌치 게이트에서 더 멀리 위치될 수도 있기 때문에, 누화는 더 최소화될 수도 있다.
추가 상세 및 양태는 상기 및 하기에서 설명되는 실시형태(예를 들면, 제 1 수직 트렌치 게이트, 제 2 수직 트렌치 게이트, 수집 콘택 및 벌크 콘택)와 연계하여 언급된다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 실시형태는 상기(예를 들면 도 1 내지 도 3, 도 4의 A 내지 D, 도 5 내지 도 7)에서 설명되는 하나 이상의 실시형태 또는 제안된 개념과 연계하여 언급되는 하나 이상의 양태에 대응하는 하나 이상의 옵션사항인 추가 피쳐를 포함할 수도 있다.
도 9는 (제 1 동작 모드에서의) 깊은 공핍에서의 공간 전하 영역 폭(910) 대 게이트 전압 바이어스(920)를 나타내는 도면이다. 도핑 농도가 감소함에 따라, 깊은 공핍에서의 공간 전하 영역의 폭은 증가한다. 예를 들면, 공간 전하 영역의 폭은 더 높은 게이트 전압(10V 보다 더 높고 더 낮은 도핑 농도, 예를 들면, 1×1013cm-3)에서 35㎛ 이상일 수도 있다.
도 10은 세기(1010) 대 실리콘으로의 광의 투과 깊이(920)를 나타내는 도면을 도시한다. 3개의 파장인 600㎚, 800㎚ 및 1000㎚의 파장이 도시된다. 600㎚ 파장의 광의 세기가 20㎛ 미만의 실리콘으로의 투과에서 제로로 떨어지는 동안, 적외선 광은 적어도 부분적으로 적절한 기판 도핑 레벨의 공간 전하 영역 외부에서 전자 정공 쌍을 생성한다.
도 9 및 도 10은, 깊은 공핍에서의 공간 전하 영역의 깊이 대 광자 흡수 깊이의 관계에 관한 정보를 제공한다.
도 11은 측정된 광전류(photocurrent; 1110)를 트렌치 게이트 전압(1120)의 함수로서 나타내는 도면을 도시한다. 광전류(㎂)는 850㎚ 광에서 생성되고 증가하는 게이트 전압에 응답하여 측정된다. -1V로부터 16V까지의 게이트 전압의 변동은 도 4의 A 내지 D에 예시된 다양한 축적 및 반전 스테이지, 예를 들면, 트렌치 근처에서의 축적 내지 전체 트렌치 표면의 반전을 생성할 수도 있다. 게이트 전압이 약 12V일 때 포토셀에 의해 최대 광전류가 측정되는데, 이 경우 트렌치 표면의 전체 반전이 발생했다.
다양한 실시형태는 조인트 3D 및 컬러 이미징을 위한 포토셀에 관련된다.
다양한 실시형태는 위상 감지 판독을 허용하도록 전하 결합 소자(charge-coupled device; CCD) 원리 및 2개의 수집용 다이오드 또는 그 이상을 사용하여 광 믹서 디바이스로서 구현되는 포토셀에 관련된다. 광생성된 전하 캐리어의 빠른 수집은 과도 스위칭 모드(transient switching mode)를 사용하여 관리된다. 빠른 바이어스 스윕 상태에서, MIS 전극 아래의 반도체 영역은 깊은 공핍 상태로 펄스화된다. 이 동작 모드 하에서, 공핍 폭은 평형상태 하의 최대 공핍 폭보다 더 크다. 이 효과는 캐리어 캡쳐를 위해 표면 전극을 갖는 디바이스, 즉 전하 결합 소자 또는 광 믹스 디바이스에서 사용될 수도 있으며, 수직 트렌치 게이트 전극을 사용하는 다양한 실시형태에서 또한 사용될 수도 있다.
다양한 실시형태는, 광생성된 전하 캐리어의 아주 빠른 캡쳐를 허용하는 트렌치 기반 포토셀에 관련된다. 트렌치 기반 포토셀은 깊게 공핍된 영역의 생성을 위해 트렌치를 사용하는 것에 의해 캐리어의 시간 소모적인 확산을 방지한다. 실시형태는 동작 모드를 컬러 감지 루틴과 결합하는데, 여기서는 토글식 게이트 전압이 게이트 전압 스윕에 의해 대체된다. 이것은, 컬러 인식을 할 수 없는, TOF 측정을 위해 적외선을 사용하는 측정 원리와는 대조적으로, 단일의 포토셀 배치에 의해 3D 및 컬러 이미징의 조인트 검출을 허용한다.
다양한 실시형태는, 광의 빠른 속도로 인해 판독 회로부가 시간이 중요한 도메인(time-critical domain)에서 작용하는 이미징 회로를 제공한다. 다양한 실시형태에 따르면, 촬상 회로의 셀 설계 및 판독 기술은 광생성된 전하 캐리어의 빠른 캡쳐 및 평가를 제공할 수도 있다. 또한, 시간 소모적인 캐리어 확산을 야기하는 공간 전하 영역 외부에서의 캐리어로부터의 백그라운드 전류는 방지될 수도 있다.
예시적인 실시형태는, 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 또는 프로세서 상에서 실행될 때, 상기 방법 중 하나를 수행하기 위한 프로그램 코드를 구비하는 컴퓨터 프로그램을 추가로 제공할 수도 있다. 기술분야에서 숙련된 자는, 다양한 상기 설명된 방법의 행위(act)가 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 수행될 수도 있음을 쉽게 인식할 것이다. 본원에서, 몇몇 예시적인 실시형태는 프로그램 저장 디바이스, 예를 들면, 머신 또는 컴퓨터 판독가능한 그리고 명령의 머신 실행가능 또는 컴퓨터 실행가능 프로그램을 인코딩하는 디지털 데이터 저장 매체를 포괄하도록 또한 의도되는데, 명령은 상기 설명된 방법의 행위의 몇몇 또는 전체를 수행한다. 프로그램 저장 디바이스는, 예를 들면, 디지털 메모리, 자기 저장 매체, 예컨대 자기 디스크와 자기 테이프, 하드 드라이브, 또는 광학적으로 판독가능한 디지털 데이터 저장 매체일 수도 있다. 추가의 예시적인 실시형태는, 상기 설명된 방법의 행위를 수행하도록 프로그래밍된 컴퓨터 또는 상기 설명된 방법의 행위를 수행하도록 프로그래밍된, (필드) 프로그래머블 로직 어레이((field) programmable logic array; (F)PLA) 또는 (필드) 프로그래머블 게이트 어레이((field) programmable gate array; (F)PGA)를 포괄하도록 또한 의도된다.
설명 및 도면은 단지 본 개시의 원리를 예시할 뿐이다. 따라서, 기술분야에서 숙련된 자는, 본원에서 명시적으로 설명되거나 도시되진 않았지만, 본 개시의 원리를 구체화하고 본 개시의 취지와 범위 내에 포함되는 다양한 배치예를 고안할 수 있을 것이라는 것이 인식될 것이다. 또한, 본원에서 언급된 모든 예는, 원칙적으로는, 종래 기술을 진전시키기 위해 본 발명가(들)에 의해 제공된 개념과 본 개시의 원리를 이해함에 있어서 독자(reader)를 보조하기 위한 교육적 목적만을 위한 것이 되도록 명백히 의도된 것이며, 이렇게 구체적으로 언급된 예와 조건들에 제한되지 않는 것으로 간주되어야 한다. 또한, 본 개시의 원리, 양태, 및 실시형태뿐만 아니라 그 특정 예를 언급하는 본원에서의 모든 진술(statement)은 그 등가물을 포괄하도록 의도된다.
(소정의 기능을 수행하는) "~하기 위한 수단"으로 나타내어진 기능적 블록은, 소정의 기능을 수행하도록 구성되는 회로부를 포함하는 기능적 블록으로서 각각 이해되어야 한다. 그러므로, "무엇무엇을 하기 위한 수단"은 "무엇무엇을 하도록 또는 무엇무엇에 대해 적합된 수단"으로도 또한 이해될 수도 있다. 그러므로, 소정의 기능을 수행하도록 구성된 수단은, 이러한 수단이 그 기능을 (주어진 순간에) 반드시 수행하는 것을 의미하는 것은 아니다.
"수단", "센서 신호를 제공하기 위한 수단", "송신 신호를 생성하기 위한 수단" 등등으로서 라벨링된 임의의 기능적 블록을 포함하는, 도면에서 도시된 다양한 엘리먼트의 기능은, "신호 공급기", "신호 프로세싱 유닛", "프로세서", "컨트롤러" 등등과 같은 전용 하드웨어뿐만 아니라, 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어의 사용을 통해 제공될 수도 있다. 또한, 본원에서 "수단"으로서 설명되는 임의의 엔티티는 "하나 이상의 모듈", "하나 이상의 디바이스", "하나 이상의 유닛" 등등에 대응하거나 또는 "하나 이상의 모듈", "하나 이상의 디바이스", "하나 이상의 유닛" 등등으로서 구현될 수도 있다. 프로세서에 의해 제공되는 경우, 그 기능은 단일의 전용 프로세서에 의해, 단일의 공유 프로세서에 의해, 또는 그 일부가 공유될 수도 있는 복수의 개개의 프로세서에 의해 제공될 수도 있다. 또한, 용어 "프로세서" 또는 "컨트롤러"의 명시적인 사용은 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어를 배타적으로 가리키는 것으로 간주되어선 안되며, 암시적으로, 제한 없이, 디지털 신호 프로세서(digital signal processor; DSP) 하드웨어, 네트워크 프로세서, 주문형 반도체(application specific integrated circuit; ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 소프트웨어를 저장하기 위한 리드 온리 메모리(read only memory; ROM), 랜덤 액세스 메모리(random access memory; RAM), 및 불휘발성 저장소를 포함할 수도 있다. 종래의 및/또는 커스텀의 다른 하드웨어가 또한 포함될 수도 있다.
기술분야에서 숙련된 자는, 본원에서의 임의의 블록도가 본 개시의 원리를 구체화하는 예시적인 회로부의 개념적인 뷰를 나타낸다는 것을 인식해야 한다. 마찬가지로, 임의의 흐름도, 순서도, 상태 전이도, 의사코드 등등은, 실질적으로 컴퓨터 판독가능 매체에서 표현될 수도 있고 따라서, 컴퓨터 또는 프로세서가 명시적으로 도시되든 또는 도시되지 않든, 이러한 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행될 수도 있는 다양한 프로세스를 나타낸다는 것이 인식될 것이다.
또한, 하기의 특허청구범위는 이로써 상세한 설명에 통합되고, 각각의 청구항은 별개의 실시형태로서 독립적으로 존재할 수도 있다. 각각의 청구항이 별개의 실시형태로서 단독으로 존재할 수도 있지만, - 특허청구범위에서 종속 청구항이 하나 이상의 다른 청구항과의 특정 조합을 참조할 수도 있긴 하지만 - 다른 실시형태는, 서로 종속적인 또는 독립적인 청구항의 주제와의 종속 청구항의 조합을 또한 포함할 수도 있다는 것을 유의해야 한다. 이러한 조합은, 특정 조합이 의도되지 않는다고 주장되지 않는 한, 본원에서 제안된다. 또한, 한 청구항이 임의의 다른 독립 청구항에 직접적으로 종속하도록 되지 않은 경우에도 이 청구항의 피쳐를 그 독립 청구항에 또한 포함시키는 것이 의도된다.
명세서에서 또는 특허청구범위에서 개시되는 방법은 이들 방법의 각 행위의 각각을 수행하기 위한 수단을 갖는 디바이스에 의해 구현될 수도 있음을 또한 유의해야 한다.
또한, 명세서 또는 특허청구범위에서 개시되는 다수의 행위 또는 기능의 개시는 특정 순서 내에 있는 것으로 간주되지 않을 수도 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 다수의 행위 또는 기능의 개시는, 이러한 행위 또는 기능이 기술적 이유로 인해 상호교환할 수 없다고 하지 않는 한, 이들을 특정 순서로 제한하지 않을 것이다. 또한, 몇몇 실시형태에서, 단일의 행위는 다수의 하위 행위를 포함할 수도 있거나 또는 다수의 하위 행위로 나누어질 수도 있다. 이러한 하위 행위는, 명시적으로 배제되지 않는 한, 포함될 수도 있거나 이 단일의 행위의 개시의 일부일 수도 있다.
Claims (20)
- 촬상 회로(1, 2, 3, 4, 5)로서,
반도체 기판(10)과,
상기 반도체 기판(10) 안으로 연장되는 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 이웃하는 제 2 수직 트렌치 게이트(13)와,
제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시키는 제 1 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제 1 전압을 그리고 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 제 2 전압을 제공하도록 제 1 동작 모드에서 동작하고, 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 상기 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시키는 제 2 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제3 전압을 제공하도록 제 2 동작 모드에서 동작하도록 구성된 게이트 제어 회로(239)와,
상기 제 1 동작 모드에서 상기 제 1 수집 콘택(32)에 수집된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 결정하도록 그리고 상기 제 2 동작 모드에서 상기 제 1 수집 콘택(32)에 수집된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 상기 오브젝트의 컬러 정보를 결정하도록 구성된 이미지 프로세싱 회로(235)를 포함하는
촬상 회로. - 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 제어 회로(239)는, 제 1 시간 인터벌 동안 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 상기 제 1 전압을 그리고 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 상기 제 2 전압을 제공하도록, 그리고 제 2 시간 인터벌 동안 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 상기 제 2 전압을 그리고 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 상기 제 1 전압을 제공하도록 상기 제 1 동작 모드에서 동작하도록 구성되는
촬상 회로.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 상기 제 2 전압을 그리고 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 상기 제 1 전압을 제공하는 것은, 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인접한 제 2 수집 콘택(33)으로 가속시키는 제3 공간 전하 영역을 생성하는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이미지 프로세싱 회로(235)는 또한, 상기 제 1 동작 모드에서 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인접한 제 2 수집 콘택(33)에 수집된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 상기 오브젝트의 상기 거리 정보를 결정하도록 추가적으로 구성되는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 동작 모드에서, 상기 제 2 공간 전하 영역은 제 2 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 상기 반도체 기판(10)에 연결된 벌크 콘택(36)으로 가속시키는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 동작 모드 동안 가속된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 상기 광생성된 전하 캐리어의 적어도 일부는 제 1 관심 대상 파장(a first wavelength of interest)을 갖는 전자기파에 의해 생성되고, 상기 제 2 동작 모드 동안 가속된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 상기 광생성된 전하 캐리어의 적어도 일부는 제 2 관심 대상 파장을 갖는 전자기파에 의해 생성되고, 상기 제 1 관심 대상 파장과 상기 제 2 관심 대상 파장은 상이한
촬상 회로.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 관심 대상 파장을 갖는 상기 전자기파는 적외선 스펙트럼 내의 전자기파인
촬상 회로.
- 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 게이트 제어 회로(239)는, 상기 제 2 공간 전하 영역이 적어도 상기 반도체 기판(10)의 깊이 안으로 연장하도록, 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 상기 제3 전압을 제공하도록 구성되고, 상기 제 2 관심 대상 파장을 갖는 상기 전자기파에 의해 생성된 광생성된 전하 캐리어의 미리 결정된 비율 또는 대다수(majority)는 상기 제 2 공간 전하 영역 내에서 생성되는
촬상 회로.
- 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 관심 대상 파장을 갖는 상기 전자기파는 가시 스펙트럼(visible spectrum) 내의 전자기파인
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 게이트 제어 회로(239)는 상기 제 2 동작 모드에서 제3 시간 인터벌 동안 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 상기 제3 전압을 제공하도록 그리고 제4 시간 인터벌 동안 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제4 전압을 제공하도록 구성되고, 상기 제3 전압 및 상기 제4 전압은 상이한
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 인접한 제 2 수집 콘택(33)으로 가속시키는 추가 공간 전하 영역을 추가로 생성하기 위해, 상기 게이트 제어 회로(239)는 상기 제 2 동작 모드에서, 제3 시간 인터벌 동안 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 상기 제3 전압을 제공하도록 구성되는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이미지 프로세싱 회로(235)는, 상기 제 2 동작 모드에서, 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로의 상기 제3 전압의 제공 동안 생성된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 상기 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 상기 오브젝트의 제 1 컬러 정보 타입의 컬러 정보를 결정하도록 그리고 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)로의 제4 전압의 제공 동안 생성된 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 상기 오브젝트의 제 2 컬러 정보 타입의 컬러 정보를 결정하도록 구성되는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이미지 프로세싱 회로(235)는 상기 거리 정보 및 상기 컬러 정보에 기초하여 상기 오브젝트의 3차원 컬러 이미지의 이미지 데이터를 생성하도록 구성되는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 기판(10)은 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)를 따라 점진적으로 증가하는 도핑을 갖는
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 제 1 수직 트렌치(218) 내에 위치되고 상기 제 1 수직 트렌치 내부의 절연층(216)에 의해 상기 반도체 기판(10)으로부터 절연되고, 상기 절연층(216)은 불균일한 화학량론(stoichiometry)을 갖는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)는 제 1 수직 트렌치(218) 내에 위치되고 상기 제 1 수직 트렌치 내부의 절연층(216)에 의해 상기 반도체 기판(10)으로부터 절연되고, 상기 절연층(216)의 두께는 상기 반도체 기판(10) 안으로 증가하는
촬상 회로.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12) 및 상기 제 2 수직 트렌치 게이트(13)는 상기 반도체 기판(10) 안으로 5㎛ 이상 연장되는
촬상 회로.
- 촬상 회로(3)로서,
반도체 기판(10)과,
상기 반도체 기판(10) 안으로 연장되는 복수의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14) - 각각의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14)는 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 수집하기 위해 상기 각각의 수직 트렌치(12, 13, 14)의 근처에 대응하는 수집 콘택(32, 33, 34)을 구비함 - 와,
수집 시간 인터벌 동안 상기 복수의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14)의 각각 - 각각의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14)는 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 각각의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14)의 각각의 수집 콘택(32, 33, 34)으로 가속시키기 위한 각각의 공간 전하 영역을 생성함 - 에게 상이한 전압을 제공하도록 구성된 게이트 제어 회로(239)와,
오브젝트의 복수의 컬러 정보 타입의 컬러 정보 - 각각의 컬러 정보 타입의 상기 컬러 정보는 각각의 대응하는 수집 콘택(32, 33, 34)에 수집된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초함 - 를 결정하도록 구성된 이미지 프로세싱 회로(235)를 포함하는
촬상 회로.
- 제 18 항에 있어서,
수직 트렌치 게이트의 그룹으로 편제된(organized) 수직 트렌치 게이트의 어레이를 포함하고, 수직 트렌치 게이트의 각각의 그룹은 상기 상이한 전압을 제공받는 복수의 수직 트렌치 게이트(12, 13, 14)를 포함하고, 상기 이미지 프로세싱 회로(235)는 수직 트렌치 게이트의 각각의 그룹에 대해 상기 오브젝트의 상기 복수의 컬러 정보 타입의 상기 컬러 정보를 결정하도록 구성되는
촬상 회로.
- 촬상 회로를 동작시키기 위한 방법으로서,
제 1 동작 모드에서, 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시키는 제 1 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제 1 전압을 그리고 제 2 수직 트렌치 게이트(13)에 제 2 전압을 제공하는 단계와;
제 2 동작 모드에서, 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어를 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 인접한 상기 제 1 수집 콘택(32)으로 가속시키는 제 2 공간 전하 영역을 생성하기 위해, 상기 제 1 수직 트렌치 게이트(12)에 제3 전압을 제공하는 단계와;
상기 제 1 동작 모드에서 상기 제 1 수집 콘택(32)에 수집된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 오브젝트의 거리 정보를 결정하는 단계와;
상기 제 2 동작 모드에서 상기 제 1 수집 콘택(32)에 수집된 상기 제 1 전하 캐리어 타입의 광생성된 전하 캐리어에 기초하여 상기 오브젝트의 컬러 정보를 결정하는 단계를 포함하는
촬상 회로.
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