KR20180105648A - 집적 시간 조정을 갖는 전하 이동을 갖는 다중 선형 이미지 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여러 라인들의 동일한 행의 화소들에서 라인 지속기간 (T_L) 동안 이미지 포인트에 의해 생성된 전하들의 합산으로 화소들의 수개의 라인들에 의해 연속적으로 단일의 이미지 라인을 관찰하기 위해 전하 이동을 갖는 TDI 이미지 센서들에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 화소들은 이동의 방향으로, 적어도 2 개의 인접한 부분들 (SUBa_ij, SUBb_ij) 로 서브 분할되고, 각각의 부분은 제 1 부분으로부터 제 2 부분으로 전하의 이동을 허용하면서 다른 부분의 저장 영역들로부터 분리된 적어도 하나의 전하 저장 영역을 포함하며, 상기 부분들 중 하나의 부분 (SUBa_ij) 은 광에 대해 마스킹되고 다른 부분 (SUBb_ij) 은 마스킹되지 않는다. 비마스킹된 부분은 이미지 라인을 관찰하기 위한 주기의 시작과 독립적인 집적의 실제의 시작을 정의하는 가변 순간에서 작동되는 전하-배출 구조를 포함한다. 따라서, 노출 시간이 (이동의 속도에 링크된) 라인 주기 T_L 와 동일한 전하 이동을 갖는 표준 TDI 센서들과 달리, 센서 및 이미지의 이동의 상대 속도에 의존하지 않는 광-노출 시간 T_INT 를 정의하는 것이 가능하다.

Description

집적 시간 조정을 갖는 전하 이동을 갖는 다중 선형 이미지 센서

본 발명은 관찰된 장면의 포인트들의 스트립의 이미지가 그 장면이 센서 앞을 지나 이동함에 따라 그 장면의 하나의 동일한 스트립을 연속해서 관찰함으로써 감광 화소들의 다수의 행들에 의해 수집된 신호들을 가산함으로써 재구성되는 시간 지연 집적 선형 이미지 센서들 (또는 TDI 이미지 센서들) 에 관한 것이다.

이들 센서들은 예를 들어 스캐너들에서 사용된다. 그들은 감광 화소들의 다수의 병렬 행들의 선형 어레이를 포함하며; 여러 행들을 제어 (노출 시간의 제어 그 후 광생성된 전하의 독출) 하기 위한 제어 회로들의 시퀀싱 (sequencing) 은 장면의 및 센서의 상대적인 이동과 동기화되어, 센서의 화소들의 행들의 모두가 관찰된 장면의 하나의 동일한 스트립을 연속하여 보도록 한다. 각 행에 의해 생성된 신호들은 관찰된 스트립의 각 포인트에 대해 포인트별로 후속적으로 가산된다.

일정한 노출 시간에 대해, 센서의 감도는 행들의 수 N 에 비례하여 향상되고, 그렇지 않으면, 일정한 감도에 대해, 노출 시간은 N 에 의해 나누어질 수도 있다. 이러한 수 N 은 예를 들어 산업 제어 애플리케이션들에 대해 16 또는 32 일 수도 있다. 신호-대-잡음비는 센서의 행들의 수 N 의 제곱근에 비례하여 향상된다.

화소들이 포토다이오드 및 다수의 트랜지스터들을 포함하는 능동 화소들이고, 그 화소들로부터 발생하는 신호들이 디지털적으로 가산되며, 즉 각 화소로부터 발생하는 아날로그 신호가 디지털화되며, 동일한 이미지 포인트를 본 화소들로부터 발생하는 디지털 값들이 후속적으로 가산되는 TDI 이미지 센서들이 존재한다.

화소들이 (단지 전하 생성 및 전하 저장 영역들만을 포함하여) 수동인 전하-커플링 TDI 이미지 센서들이 또한 존재하며, 여기서 신호들의 포인트별 가산은 동일한 이미지 포인트를 본 여러 화소들에 의해 수집된 전하의 가산이다. 이러한 가산은 장면 및 센서의 상대적인 이동과 동기하여, 화소들의 하나의 행에서 생성 및 축적된 전하를 화소들의 다음의 행으로 비움으로써 간단히 달성된다. 관찰된 이미지 스트립에 의해 생성된 전하의 N 배를 축적한 화소들의 마지막 행은 독출될 수도 있고 그 후 디지털화될 수도 있다.

그러한 센서들은 주로 CCD 기술을 사용하여 생성되며, 점점 CMOS 기술을 사용하여 생성될 것이다. 각각의 화소는 광에 의해 생성된 전하를 저장하는 게이트들을 포함한다. 그 전하들은 게이트들에 의해 커버되는 반도체에서, 또는 때때로 2 개의 연속적인 게이트들 사이에 삽입되는 포토다이오드들에서 생성된다. 센서는 TDI 센서에 N 개의 행들이 존재하는 경우 N 개의 연속적인 단계들에서, 모든 화소들에 대해 동시적으로 하나의 게이트로부터 다른 게이트로 전하를 이동시키 위해 게이트들에 인가되는 전위들을 제어하는 제어 수단을 포함한다.

예시적인 전하-커플링 TDI 센서는 특허 EP 2 482 317 에 제공된다. 이러한 예에서, 화소는 게이트들 아래의 반도체의 균일한 도핑으로, 교대로, 게이트들 및 포토다이오드들, 예를 들어 4 개의 게이트들 및 4 개의 포토다이오드들의 연속을 포함하며; 게이트들의 제어는 4 개의 페이즈들을 포함하고; 화소는 또한 교대로 3 개의 게이트들 및 3 개의 포토다이오드들 및 3-페이즈 제어를 포함할 수도 있다. 다른 예는 특허 US 6 465 820 에서 제공된다. 이러한 다른 예에서, 화소는 단지 하나의 게이트 및 하나의 포토다이오드를 포함하고 게이트들의 제어는 포토다이오드에서 및 게이트 아래에서, 반도체에서의 특정의 도핑들에 기인하여 단지 2 개의 페이즈들만을 포함한다.

이들 여러 예들에서, 반도체는 게이트들 아래에서 그리고 포토다이오드들에서 양자에서, 감광성이며, 즉 화소를 조명하는 광이 게이트들 아래에서 그리고 포토다이오드들 아래에서 이러한 조명을 나타내는 전하를 생성한다. 전하 이동 동안 문제의 페이즈에 의존하여, 광생성된 전하는 게이트들 아래에 또는 포토다이오드들 아래에 저장되거나, 그렇지 않으면 동시에 양자 아래에 저장된다. 페이즈들의 연속은 점진적으로 전하를 하나의 저장 영역으로부터 제 1 의 저장 영역의 하류에 위치된 다른 저장 영역으로 이동시킨다.

본 발명은 디지털 합산 센서들이라기 보다 전하-커플링 TDI 센서들에 관한 것이다.

센서의 및 이미지의 이동의 상대 속도가 변동하는 경우 이들 전하-커플링 센서들은 단점을 가질 수도 있다는 것이 관찰되었다. 구체적으로는, 화소들의 순환 동작 주기는 진정한 TDI 동작을 제공하기 위해 이동의 속도에 따라 정밀하게 조정된다. 이동이 예를 들어 컨베이어 벨트상에 위치된 물체들의 관찰의 경우에 센서의 외부의 메커니즘에 의해 시행될 때, 센서의 페이즈들의 동작은 일반적으로 컨베이어 벨트의 이동의 속도에 종속되고, "행 (row) 타임" 으로서 지칭될 수도 있는, 화소들의 하나의 행으로부터 다음 행까지의 전하의 이동의 주기 T_L 은 이동의 속도에 종속된다. 이동의 속도에서의 변동들이 발생할 수도 있고 보상된다: TDI 동작은 화소들의 연속적인 행들이 항상 시행되는 슬레이빙 (slaving) 덕분에 장면상의 동일한 물리적 스트립 높이를 보기 때문에 방해받지 않는다. 행 타임 T_L 과 동일한 광 집적 시간은 화소들상으로 투영된 이미지의 이동의 상대 속도가 V 이고 화소들의 행들의 간격이 D 인 경우 D/V 와 동일하다.

이동의 속도 V 가 변하면, 노출 시간은 속도에 반비레하여 이에 따라 변할 것이다. 화소들의 행들의 노출의 지속기간은 따라서 이동의 변동들에 따라 변하여, 센서에 의해 생성된 이미지의 충실도에서의 간섭을 야기한다.

예를 들어 컨베이어 벨트상에서 이동하여 지나가는 물체들을 관찰하기 위한 디바이스에서, 노출 시간에서의 변동들의 회피가 원해지는 상황들이 존재한다. 컨베이어 벨트를 시작할 때, 및 심지어 동작 동안에, 속도는 매우 실질적으로 변동하고 수집된 이미지에서의 간섭을 야기할 수도 있다.

따라서 소정의 경우들에서 광 집적 시간 T_INT 및 행 타임 T_L 을 무상관화 (decorrelate) 하는 것이 바람직할 수도 있을 것이라는 것이 관찰되었다. 종래 기술의 전하-커플링 TDI 센서들의 화소들에서, 전하 집적 지속기간 T_INT 을 행 지속기간 T_L 보다 짧게 만드는 것은 가능하지 않다.

본 발명은 따라서 화소들의 하나의 행에서 다음의 행으로 전하의 이동의 주기성의 지속기간 T_L 보다 짧거나 그와 동일한 가변 광 집적 지속기간 T_INT 이 설정되는 것을 허용하도록 그 화소들이 구성되는 전하-커플링 TDI 이미지 센서를 제안한다.

이러한 목적을 위해, 화소는 행에서 행으로 전하의 이동의 방향에서 적어도 2 개의 부분들로 분할되며, 각 부분은 전하를 저장할 수 있고, 그 부분들 중 하나의 부분은 광으로부터 마스킹되고 다른 부분은 언마스킹된다. 언마스킹된 부분은 이러한 부분에 저장된 전하를 제거하거나 없애기 위해 제어될 수도 있는 전하 제거 구조가 구비된다. 언마스킹된 부분에 저장된 전하의 제거는 마스킹된 부분으로부터 전하의 제거를 야기하지 않으며; 마스킹된 부분은 선행의 주기에서 집적된 전하를 보유하며; 언마스킹된 부분 내의 전하의 실제의 집적은 전하 제거 커맨드의 종단 이후에만 시작되며, 이는 이러한 언마스킹된 부분에 잠재적으로 집적되는 임의의 전하가 이러한 커맨드의 실행 동안 제거되기 때문이다. 따라서, 전하 집적 시간은 행 주기보다 짧은 지속기간에 제한될 수도 있으며, 이것은 선행하는 행들의 화소들로부터 발생하는 전하의 제거를 야기하지 않으며, 이러한 전하는 언마스킹된 부분에 임시로 저장되어 유지되고 언마스킹된 부분으로부터의 전하의 제거에 의해 영향을 받지 않는다.

따라서, 본 발명은 시간 지연 및 전하 집적으로 동작하는 전하-커플링 이미지 센서를 제안하며, 그 센서는 여러 행들의 동일한 랭크의 화소들에서, 주기적 행 지속기간 동안, 이미지 포인트에 의해 생성된 전하의 합산과 연속하여 화소들의 다수의 행들에 의해 하나의 동일한 이미지 스트립의 관찰을 위해 P 개의 화소들의 N 개의 인접한 행들을 포함하며, 그 화소들 각각은 적어도 일부가 감광성인 전하 저장 영역들의, 이동의 방향에서의, 연속을 포함하며, 그 센서는 이들 영역들에 전위들을 인가하여 하나의 화소에서 다음의 화소로 전하의 방향성 이동이 후속되는 저장을 허용하는 제어 수단을 포함하고, 화소는 이동의 방향으로, 적어도 2 개의 인접한 부분들로 서브 분할되고, 각각의 부분은 제 1 부분으로부터 제 2 부분으로 전하의 이동을 허용하면서 다른 부분의 저장 영역들과 독립된 적어도 하나의 전하 저장 영역을 포함하며, 그 부분들 중 하나의 부분은 광에 대해 마스킹되고 다른 부분은 광에 대해 마스킹되지 않고, 그 다른 부분은 적어도 하나의 감광 저장 영역 및 이러한 다른 부분에 저장된 전하가 제거되는 것을 허용하는 전하 제거 구조를 포함하고, 그 전하 제거 구조는 마스킹된 영역으로부터 언마스킹된 영역으로 전하를 이동시키는 단계에 선행하는 실제의 집적의 시작의 시간에서의 조정가능한 순간 전에, 행 지속기간의 프랙션 (fraction) 동안 활성화되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 화소 내의 저장 영역들의 수에 관계없이 (이동을 허용하기 위해 적어도 2 개의 영역들) 및 행 주기 T_L 에서 하나의 화소로부터 다른 화소로 전하의 이동을 허용하는 동작 페이즈들의 수에 관계없이, 모든 전하-커플링 TDI 센서 구조들에 적용가능하다. 그것은 또한 저장 영역들이 반도체 기판의 부분 위에 놓인 절연된 도전성 게이트들인 경우 및 저장 영역들이 포토다이오드들, 특히 "핀드 (pinned)" 포토다이오드들, 즉, 고정된 표면 전위를 갖는 포토다이오드들인 경우의 양자의 경우에 적용가능하다. 하나의 이로운 실시형태에서, 본 발명에 따른 센서의 화소는 이동의 방향에서 다른 것 뒤에 하나가 오는 3 개의 인접한 게이트들을 포함할 수도 있고, 제 1 게이트는 광으로부터 마스킹되고 화소의 제 1 부분을 형성하고 다른 2 개의 게이트들은 조명되고 화소의 제 2 부분을 형성하며, 전하 제거 구조는 상기 다른 2 개의 게이트들에 인접하다. 다른 이로운 실시형태에서, 화소의 제 1 부분은 연속하여, 이동의 방향으로, 2 개의 게이트들 및 포토다이오드를 포함할 것이고, 제 2 부분은 또한 2 개의 게이트들 및 포토다이오드를 포함할 것이고, 전하 제거 구조는 제 2 부분의 포토다이오드에 인접하다.

본 발명은 또한 시간 지연 및 전하 집적으로 동작하는 전하-커플링 TDI 이미지 센서를 위한 동작 방법에 속하며, 그것의 화소들은 마스킹된 부분 및 언마스킹된 부분으로 분할된다. 본 발명에 따른 방법에서, 센서는 여러 행들의 동일한 랭크의 화소들에서, 행 지속기간 T_L 동안, 이미지 포인트에 의해 생성된 전하의 합산과 연속하여 화소들의 다수의 행들에 의해 하나의 동일한 이미지 스트립의 관찰을 위해 P 개의 화소들의 N 개의 인접한 행들을 포함하며, 그 화소들 각각은 적어도 일부가 감광성인 전하 저장 영역들의, 이동의 방향에서의, 연속을 포함하며, 그 센서는 이들 영역들에 전위들을 인가하여 업스트림 화소에서 다운스트림 화소로 전하의 방향성 이동이 후속되는 저장을 허용하는 제어 수단을 포함하고, 각각의 화소의 저장 영역들의 부분은 광으로부터 마스킹되고 다른 부분은 마스킹되지 않고 감광성이며, 전하의 이동 및 집적은, 하나의 행 지속기간 T_L 과 동일한 주기성으로 순환적으로,

- 업스트림 화소로부터 다운스트림 화소의 마스킹된 부분의 저장 영역으로 발생하는 전하의 이동;

- 제거 드레인 (drain) 을 통해, 다운스트림 화소에서의 실제의 전하 집적의 시작시의 순간을 정의하는, 이러한 커맨드의 중단이 후속되는, 다운스트림 화소의 언마스킹된 부분에 포함된 전하를 비우기 위한 커맨드;

- 동시적으로 또는 개별적으로, 다운스트림 화소의 언마스킹된 부분에서의 광생성된 전하의 집적 및 다운스트림 화소의 언마스킹된 부분으로의 다운스트림 화소의 마스킹된 부분에 저장된 전하의 이동

을 포함한다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 제공된, 후속하는 상세한 설명을 읽을 때 분명해질 것이다.
- 도 1 은 그들 중 하나가 광으로부터 마스킹되는, 화소 당 3 개의 저장 게이트들을 갖는, 본 발명에 따른 예시적인 TDI 센서 화소 구조를 제공한다.
- 도 2 는 도 1 의 화소에 대한 동작 타이밍도를 도시한다.
- 도 3 은 각각 2 개의 저장 게이트들 및 하나의 포토다이오드를 포함하는 2 개의 서브분할들을 갖는, 본 발명에 따른 센서 화소 구조를 보여준다.
- 도 4 는 도 3 의 화소에 대한 동작 타이밍도를 보여준다.

본 발명은 먼저 모든 전하 저장 영역들이 절연된 도전성 게이트들을 사용하여 형성되는 특히 간단한 경우에 대해 기술될 것이고, 전하는 (일반적으로 폴리실리콘으로 제조되는) 절연된 게이트들을 통과하는 광에 의해 아래에 있는 반도체 기판에서 생성된다. 그러나, 본 발명은 또한, 알 수 있듯이, 저장 영역들의 일부가 포토다이오드들인 경우에 적용가능하다.

일반적으로, 이미지 센서의 감광 화소들은 그 상부 부분이 저농도 도핑된 에패택셜 반도체층인 반도체 기판에 형성된다. 그 기판은 예를 들어 과도핑된 p-타입이고, 에픽택셜층은 또한 p-타입이지만, 덜 과도핑되고, 전하를 유지할 수 있는 전위 웰들 (wells) 을 형성하기 위해 게이트들에 인가되는 전위들은 포지티브 전위들인 반면, 전위 장벽들을 형성하기 위해 게이트들에 인가되는 전위들은 일반적으로 제로 또는 네거티브 전위들이며, 제로 기준 전위는 에피택셜층의 전위이다.

도 1 은 화소들의 행들의 방향에 수직인, 화소들의 열들의 방향인, 전하 이동의 방향에서, 즉 센서상에 투영되어 관찰될 이미지에 대해 센서의 이동의 상대적인 방향에서 다른 것 뒤에 하나가 오는 3 개의 인접한 게이트들에 의해 그 화소들 각각이 형성되는 이미지 센서의 경우를 보여준다.

랭크 j 의 하나의 동일한 열에 속하는 3 개의 연속적인 화소들이 평면도로 개략적으로 도시된다. 그들은 그들이 각각 랭크 i-1, i, 및 i+1 의 3 개의 연속적인 행들에 속한다는 것을 나타내기 위해 P_{i- 1,j}; P_i,j; 및 P_{i+ 1,j} 로 표시된다. 다른 열들의 화소들은 도시되지 않으며; 상이한 열들의 화소들 사이에 전하의 이동은 존재하지 않는다.

각각의 화소는 화소들의 하나의 행에서 다른 행으로 흐르는 전하에 대해, 각각의 게이트 아래의 반도체에서, 전하 이동의 방향으로 그리고 3 개의 가능한 저장 영역들에 대응하여 다른 것 뒤에 하나가 오는 3 개의 인접한 게이트들 G1, G2, G3 을 포함한다. 게이트들은 각각의 신호들, 게이트 G1 에 대해 φ1, 게이트 G2 에 대해 φ2 및 게이트 G3 에 대해 φ3 에 의해 제어되고, 이들 신호들은 모든 화소들에 대해 동일하다. 업스트림 화소의 마직막 게이트 G3 는 전하가 하나의 화소로부터 다음 화소로 이동되는 것을 허용하기 위해 다운스트림 화소의 첫번째 게이트 G1 에 인접한다. 그것에 인접한 게이트들에 인가된 다른 신호들에 의존하여, 게이트 G1, G2, G3 에 인가된 제어 신호들 Φ1, Φ2, Φ3 는 전하가 이러한 게이트 아래에 저장되는 허용하거나 전하가 (동일한 화소의 또는 인접한 화소의) 다른 게이트로 이동되는 것을 허용한다.

본 발명에 따르면, 화소들은 2 개의 부분들로 서브 분할된다. 전하는 그 2 개의 부분들 각각에서 독립적으로 저장될 수도 있다. 그 부분들 중 하나는 예를 들어 불투명한 금속화층에 의해 광으로부터 마스킹되며; 다른 것은 광에 노출된다. 도시된 예에서, 제 1 부분은 본질적으로 제 1 저장 영역 (게이트 G1) 에 대응하며; 게이트들 G1 은 그 게이트가 불투명한 재료로 제조되거나, 바람직하게는 불투명한 층에 의해 광으로부터 마스킹되는 것을 여기서 보여주기 위해 해칭되며; 실제로 그 게이트는 폴리실리콘으로 제조되고, 그것은 알루미늄 또는 도전성 재료의 불투명한 금속화층에 의해 커버된다. 광학 마스크는 수동이고 그라운드에 연결되거나, 능동이고 제어 신호들을 전달하기 위해 사용된다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 제 2 및 제 3 저장 영역들에, 즉 언마스킹된 부분의 게이트들 G2 및 G3 아래에 포함된 전하를 제거하기 위한 구조에 대한 제공이 행해진다. 이러한 구조는 종래에,

- 제 2 및 제 3 저장 영역들에 대해 일측에서 인접한 리셋 게이트 AB;

- 타측에서 리셋 게이트에 인접한 제거 드레인 DR (통상적으로, 광생성된 전하가 전자들로 이루어지는 경우, 포지티브 공급 전위로 되는 n+ 도핑된 확산 영역)

에 의해 형성될 수도 있다.

센서는 리셋 게이트 AB 를 활성화하여 그것을 언마스킹된 부분으로부터 이러한 전하가 제거되는 드레인으로의 전하의 제거가 주기적으로 트리거되는 것을 허용하는 높은 전위가 되게 하는 수단을 포함한다.

전하의 제거는 여기서 저장 영역들 밖으로의 제거인 것으로 이해되며; 제거된 전하는 이들 영역들로부터 제거되고, 그것은 손실되며 저장되지 않는고, 그것은 더 이상 전하 축적 및 이동 프로세스에 참여하지 않는다.

따라서, 전하-커플링 TDI 이미지 센서의 아키텍쳐는 도 1 의 경우에 3 개의 게이트들에 의해 정의되는, 화소 당 다수의 저장 영역들을 갖는 화소들을 포함하고, 그들은 각각의 화소에서 마스킹된 부분, 언마스킹된 부분 및 대응하는 제어 수단을 갖는, 전체 언마스킹된 부분으로부터 전하를 제거하는 구조를 갖는다. 마스킹된 부분은 화소의 광수집 영역이 그것이 달리 존재할 수 있는 것보다 작기 때문에 광전 변환의 효율을 감소시키지만, 그 이점은 행 주기 T_L 동안 스트립의 관찰을 위한 집적 지속기간 T_INT 이 시간에서의 순간 및 리셋 게이트의 활성화의 지속기간을 선택함으로써 자유롭게 조정가능하다는 것이다.

더욱이, 활성화 주기들 밖에서의 게이트에 인가되는 저전위는 넌-제로, 예를 들어 저장 영역들을 포화시키고 이웃하는 화소들을 파괴할 우려가 있는 전하가 이러한 상황이 발생하기 전에 드레인을 통해 제거되는 것을 허용하는 약간 포지티브 값으로 설정될 수도 있다는 의미에서, 리셋 게이트 및 제거 드레인은 게이트가 활성화되지 않을 때 안티-블루밍 (anti-blooming) 시스템으로서 사용될 수도 있다. 간단성을 위해, 시간에서의 활성화 순간들 밖에서의 리셋 게이트에 인가되는 저전위는 이하에 제로 전위인 것으로 고려될 것이다.

이러한 센서의 동작은, 모든 전하-커플링 구조들에서 처럼, 전하를 저장하기 위한 전위 웰들 및 저장된 전하를 격납하기 위한 웰들 주위의 전위 장벽들의 생성에 기초한다. 평상시와 같이, 생성된 전하는 전자들로 이루어지고, 전위 웰들은 따라서 게이트에 포지티브 전위들을 인가함으로써 생성되며, 전위 장벽들은 제로 전위들 (또는 임의의 경우에 가장 깊은 웰들을 생성하는 전위들보다 덜 포지티브인 전위들) 을 인가함으로써 생성된다.

단지 (언마스킹된) 게이트들 G3 만이 포지티브 전위를 수신하고 이들 게이트들 아래에 전하-보유 전위 웰을 생성하는 상황이 먼저 고려되며; 이러한 전하는 그 순간에 선행하는 관찰 주기들에서 동일한 이미지 포인트를 이전에 본 그리고 전하 이동의 방향에서 업스트림에 위치된 화소들로부터 발생하는 전하의 축적이며; (저전위에 있는) 게이트들 G2 및 G1 아래의 영역들은 게이트들 G3 아래에 전하를 격납하는 전위 장벽들을 형성한다. 화소들의 게이트들은 그 후 다음의 연속하는 단계들을 갖도록 제어된다:

a) 포지티브 전위는 전위 웰을 생성하기 위해 (전하를 비우기 위해) 게이트들 G1 에 인가되며, 그 후 게이트들 G3 의 전위는 저하된다: 각각의 화소의 게이트 G3 아래에 존재하는 전하는 그 순간에 다음의 화소 (하류의 화소) 의 게이트 G1 아래로 이동된다;

b) 제거 구조를 활성화하기 위한 포지티브 전위인 리셋 신호 RST 가 게이트들 AB 에 인가되고, 이러한 전위는 이동의 속도에 대응하는 행 주기 T_L (T_L = D/V) 동안 화소들 내의 전하의 집적의 원하는 지속기간 T_INT 의 함수로서 선택된 지속기간 동안 게이트들 G2 및 G3 아래의 전하의 임의의 축적을 방지하기 위해 유지된다; 게이트들 G2 및 G3 아래에 저장 또는 생성된 전하는 제거되고 손실된다; 게이트들 G1 아래에 저장되는 것은 보유된다;

c) 집적 지속기간 T_INT 의 시작을 정의하는 리셋 신호 RST 가 정지된다;

d) 광생성된 전하의 집적이 투명 게이트들 G2 및 G3 아래에서 발생한다;

e) 이러한 전하가 게이트들 G2 아래에 저장되도록 게이트들 G2 의 전위가 다시 상승된다;

f) 게이트들 G1 의 전위는, 게이트들 G1 아래에 저장된 전하가 인접한 게이트들 G2 아래로 이동하고 거기에 보유되도록, 실질적으로 저하된다; 게이트들 G2 아래의 전위 웰은 그 후 게이트들 G1 아래에 이전에 저장된 전하 (단계 a) 및 화소의 조명에 의해 현재 생성된 전하 (단계 e 이후 계속) 를 포함한다;

g) 게이트들 G3 의 전위가 상승된다; 전하는 게이트들 G2 및 G3 사이에 분포된다; 언마스킹된 게이트들 G2 및 G3 의 현재의 조명으로부터 야기되는 전하의 축적은 이들 게이트들 아래에서 계속된다;

h) 게이트들 G2 의 전위는 다시 저하되고, 전하는 게이트들 G3 아래에서 그룹핑되고, 축적된 전하 외에, 현재의 관찰 주기에서 (언마스킹된) 게이트들 G2 및 G3 아래에서 광생성된 전하를 포함한다;

i) 현재의 관찰 주기의 종료, 이리하여 집적 지속기간 T_INT 의 종료는 게이트들 G1 의 전위가 새로운 관찰 주기 T_L 의 단계 a) 로 이동하기 위해 다시 상승될 때 발생한다. 그 후 각각의 화소의 게이트 G1 으로 이동될 전하는 업스트림에 위치된 화소들로부터의 이전의 축적들 뿐아니라 막 경과한 지속기간 T_INT 을 통해 문제의 화소에 집적된 전하를 포함한다.

전하 집적 주기의 종료가 게이트들 G1 의 전위가 다시 상승되는 시간에서의 순간으로서 정의되는 경우, 집적의 시작이 종래 기술에서의 경우이었을 단계 a) 라기 보다, 자유롭게 정의될 수도 있는, 단계 c) 에 대응하는 시간에서의 순간에서 정의되었다는 것을 알 수도 있다. 이것은 영역 G1 의 마스킹 (그것이 전하를 계속 직접 축적하는 것을 방지하는 것) 덕분에 및 게이트들 G1 아래의 전하를 비우지 않고 비워지는 것이 허용된 게이트들 G2 및 G3 아래의 전하 덕분에 가능하다.

도 2 는 대응하는 동작 타이밍 다이어그램을 보여준다. 그의 화소들이 또한 3 개의 게이트들을 포함할 더 종래의 TDI 구조의 동작에 대한 그의 특수성은 집적 지속기간의 시작 전에 활성화되는 및 따라서 전하의 집적을 방지하는, 게이트 AB 를 제어하는 RST 커맨드의 존재인 반면, 종래의 구조는 전체의 스트립 관찰 지속기간 T_L (행 주기) 동안의 집적을 포함한다.

이러한 타이밍도의 신호들은 다음과 같다:

- 게이트들 G1 을 제어하는 신호 Φ1

- 게이트들 G2 을 제어하는 신호 Φ2

- 게이트들 G3 을 제어하는 신호 Φ3

- 제거 게이트 AB 를 제어하는 신호 RST

이들 신호들은 상술된 단계들 a) 내지 f) 에 대응하여, 다음의 순서로 주기적으로 (주기 T_L) 활성화된다:

단계 a)

신호 Φ1 의 상승 에지는 행 주기의 시작을 정의하고 게이트들 G1 아래에 전위 웰을 생성한다.

신호 Φ1 의 상승 에지 직후에 오는 신호 Φ3 의 하강 에지는 전하가 게이트들 G3 로부터 다음 화소의 게이트들 G1 로 이동되는 것을 허용한다. 이러한 전하는 선행하는 주기들을 통한 동일한 이미지 스트립을 본 화소들의 조명으로부터 야기된 전하이다.

단계 b)

신호 Φ3 의 하강 에지 직후에 오는 신호 RST 의 상승 에지는 조명된 게이트들 G2 및 G3 아래의 광에 의해 생성된 전하가 드레인을 통해 실질적으로 제거되는 것을 허용한다.

단계 c)

신호 RST 의 하강 에지는 화소의 게이트들 G2 및 G3 아래에 생성된 새로운 전하가 보유되는 것을 허용하는 것을 가능하게 한다. 광생성된 전하의 집적의 시작을 정의하는 것은 바로 이러한 하강 에지이다 (단계 d).

단계 e)

신호 RST 의 하강 에지 직후에 오는 신호 Φ2 의 상승 에지는 게이트들 G2 및 G3 아래에 광생성된 전하가 게이트 G2 아래에 후속적으로 축적되는 것을 허용하는 전위 웰을 생성한다.

단계 f)

신호 Φ2 의 상승 에지 후에 오는 신호 Φ1 의 하강 에지는 게이트 G1 아래에 저장된 선행하는 주기들의 축적들로부터 야기되는 전하가 게이트들 G2 아래의 전위 웰로 이동되는 것을 허용한다.

단계 g)

신호 Φ2 의 상승 에지 후에 오는 신호 Φ3 의 상승 에지는 게이트 G2 아래의 전하가 게이트들 G2 및 G3 아래에 분포되는 것을 허용한다.

단계 h)

신호 Φ2 의 하강 에지는 모든 전하가 게이트 G3 아래로 이동하는 것을 허용한다.

단계 i)

새로운 행 주기의 시작을 정의하는 신호 Φ1 의 상승 에지는, 한편으로는 이전의 축적들로부터 그리고 다른 한편으로는 막 경과한 주기를 통해 현재의 화소에서의 광에 의한 전하의 생성으로부터 야기되는 게이트 G3 아래에 존재하는 전하가 후속적으로 이동될 전위 웰을 생성한다.

화소의 마스킹된 부분으로부터 언마스킹된 부분으로의 전하의 이동은 전하 제거 구조를 활성화하는 신호 RST 의 종료 전이 아닌 그것의 종료 이후의 시간에서의 임의의 순간에 수행될 수도 있다.

이러한 동작은 저장 영역들의 특성이 변경되는 경우, 즉 특히 그것의 일부가 선행하는 예에서와 같이 게이트들에 의해서가 아니라 포토다이오드들, 특히 고정된 표면 전위를 갖는 포토다이오드들 ("핀드 포토다이오드들") 에 의해 정의되는 경우 쉽게 전치될 수 있다. 마찬가지로, 이러한 동작은 본 발명의 원리, 즉 광으로부터 마스킹되는 서브분할의 화소에서의 존재 및 조명된 채 유지되는 다른 서브분할에서 생성된 전하를 제거하기 위한 커맨드의 존재가 보유된다면, 화소들이 3 개 이외의 다수의 저장 영역들을 포함하는 경우 쉽게 전치가능하게 유지된다. 마지막으로, 본 발명의 원리는 일정한 도핑 프로파일을 갖는 게이트들 아래의 저장 영역들의 경우에 그리고 이들 특정의 도핑 프로파일들에 기인하여 이동의 방향성을 도입함으로써 게이트 제어 페이즈들의 수를 감소시키기 위해 종종 행해지는 것과 같은 업스트림측으로부터 다운스트림측으로 상이한 도핑 프로파일들을 갖는 저장 영역들의 경우에 적용가능하다.

그들 중 하나는 마스킹되고 다른 것은 조명되는 2 개의 서브분할들로 분할된, 4 개의 게이트들 및 2 개의 포토다이오드들을 포함하는 화소를 갖는, 본 발명의 동작의 예가 이하에 제공될 것이다.

도 3 은 각각 랭크 i-1 및 i 의 2 개의 연속적인 화소들 P_{i- 1,j} 및 P_i,j 을 갖는 화소들의 열 위에 본 도면을 도시한다. 화소들 각각은 각각 인덱스들 a 및 b 에 의해 표시된 2 개의 서브분할들, 즉 한편으로 SUBa_{i - 1,j} 및 SUBb_{i - 1,j} 및 다른 한편으로 SUBa_i,j 및 SUBb_i,j 를 포함한다. 각 화소의 제 1 서브분할은 마스크, 즉 화소들 P_{i- 1,j} 에 대해 M_{i -1} 및 화소 P_i,j 에 대해 M_i 에 의해 마스킹된다. 마스크들은 화소의 이러한 서브분할을 구성하는 게이트들 및 포토다이오드들이 보여지는 것을 허용하는 격자형 영역들에 의해 표현된다.

제 1 서브분할은 2 개의 게이트들 G1 및 G2 및 포토다이오드 (PH1) 을 연속하여 포함한다. 게이트들 및 포토다이오드는 전하 저장 영역들을 정의한다. 제 2 서브분할은 2 개의 게이트들 G3 및 G4 및 포토다이오드 (PH2) 을 연속하여 포함한다. 전하 이동은 2 개의 연속적인 게이트들 사이 또는 게이트와 다음의 포토다이오드 사이, 또는 포토다이오드와 다음의 게이트 사이에서 가능하다.

게이트들 G1, G2, G3, G4 는 각각 논리 신호들 Φ1, Φ2, Φ3, Φ4 에 의해 제어된다. 포토다이오드들은 제어되지 않고, 그들은 바람직하게는 "핀드" 포토다이오드들이며, 그들의 표면 전위는 설계에 의해 제로이고 그들은 전하를 수집할 수 있는 고유한 전위 웰을 셋업한다. 물론, 제어된 표면 전위를 갖는 포토다이오드들을 갖는 구조가 또한 생각될 수도 있다.

도 1 의 화소에서의 언마스킹된 서브분할과 연관된 전하 제거 드레인 및 리셋 게이트에 대한 제공이 행해진다; 이러한 게이트 및 이러한 드레인은 포토다이오드 PH2 와 연관된다; 활성화 신호 RST 에 의헤 제어되는 리셋 게이트는 따라서 포토다이오드에 인접한다. 이러한 게이트의 활성화의 시간에서의 순간이 게이트들 G3 및 G4 아래에 저장되었을 모든 전하가 포토다이오드 PH2 로 이미 이동되었을 시간에서의 순간에서 발생할 것이기 때문에, 리셋 게이트가 언마스킹된 서브분할의 게이트들 G3 및 G4 에 직접 인접하도록 하는 제공을 행하는 것이 필요하지 않다.

동작은 다음과 같이 여기서 다시 하나의 행 시간 T_L = D/V 의 주기성을, 그러나 T_L 보다 더 짧을 수도 있고 제거를 활성화하는 신호 RST 의 시간에서의 종료 순간에 의해 정의되는 집적 지속기간 T_INT 을 갖는 여러 신호들 Φ1, Φ2, Φ3, Φ4 및 RST 를 보여주는 도 4 의 타이밍도를 참조하여 기술된다.

행 주기의 시작은 모든 다른 게이트들이 낮은 레벨에 있는 시간의 순간에서 신호 Φ1 의 상승 에지인 것으로서 정의될 수도 있다; 선행하는 화소의 포토다이오드 PH2 에 축적된 전하는 게이트 G1 아래로 이동된다. 이러한 전하는 동일한 이미지 스트립을 본 선행하는 화소들에서의 축적들로부터 야기되는 것이다.

신호 Φ2 의 상승 에지는 그 후 게이트들 G1 및 G2 사이에서 이러한 전하를 분할한다.

신호 Φ1 의 하강 에지는 게이트 G2 아래에서 이러한 전하를 집중시킨다.

신호 Φ2 의 하강 에지는 이러한 전하를 포토다이오드 PH1 로 이동시킨다.

신호 RST 의 상승 에지는 언마스킹된 포토다이오드 PH2 에 축적되었을 수도 있는 전하를 비우고 RST 의 활성화의 지속기간 동안 그것의 제거를 유지한다. 이러한 신호는 마스킹된 포토다이오드에 영향을 주지 않고 따라서 그것이 포함하는 전하의 양을 변경하지 않는다.

신호 RST 의 하강 에지는, 그것이 이러한 포토다이오드의 조명으로부터 그리고 게이트들 G3 및 G4 의 조명으로부터 야기되는 전하가 포토다이오드 PH2 내에 축적되는 것을 허용하기 때문에, 실제의 집적 시간 T_INT 의 시작을 정의한다. 후자는 낮은 전위에 있고 그들이 생성하는 전하는 즉시 포토다이오드 PH2 로 이동된다. 포토다이오드 PH2 로의 그들의 전하의 이동을 용이하게 하기 위해, 게이트 G3 아래의 반도체 도핑이 게이트들 G4 아래의 도핑과 약간 상이하게 하는 제공이 행해지는 것이 가능하다.

화소의 현재의 조명으로부터의 전하의 축적은 그 후 포토다이오드 PH2 에서 계속된다.

행 주기의 종료 전에, 신호들은 다음과 같다:

- Φ3 의 상승 에지는, 게이트 G3 아래에서, 포토다이오드 PH1 의 전하 (그 전하는 선행하는 화소들의 조명으로부터 야기된다) 가 이동되는 전위 웰을 생성하며; 현재의 조명으로부터 야기되는 전하는 또한 게이트 G3 아래로 지향될 것이다;

- Φ4 의 상승 에지는 게이트 G4 아래에 다른 전위 웰을 정의하고 전하는 게이트들 G3 및 G4 아래에 분포된다;

- Φ3 의 하강 에지는 게이트 G4 아래에 이러한 전하를 집중시킨다.

- 마지막으로, Φ4 의 하강 에지는 포토다이오드 PH2 로 이러한 전하를 이동시키며, 그것은 그 후 선행하는 화소들의 조명으로부터의 및 화소의 현재의 조명으로부터의 전하의 합을 포함한다.

도 1 의 실시형태에서, 마스킹된 게이트 G1 은 언마스킹된 게이트들과 동일한 사이즈인 것으로 고려된다. 그것이 (화소의 감광 영역에서의 과도하게 실질적인 감소를 회피하기 위해) 더 작은 사이즈인 것을 생각하는 것이 가능하지만, 이러한 게이트 아래의 전하 저장 용량이 하나의 동일한 이미지 포인트를 본 N 개의 화소들로부터의 모든 전하를 수집하기에 충분한 것을 보장하는 것이 물론 필요하다.

마찬가지로, 도 2 의 실시형태에서, 화소의 2 개의 서브분할들은 동일한 사이즈인 것으로 고려되지만, 게이트들의 그리고 포토다이오드들의 전하 저장 용량이 (행들의 수에 따른 및 상정된 조명의 범위에 따른) 요건들에 대해 충분한 것을 여전히 보장하면서, 언마스킹된 영역보다 더 작은 사이즈인 마스킹된 영역을 상정하는 것이 가능하다.

Claims (4)

1. 시간 지연 및 전하 집적으로 동작하는 전하-커플링 이미지 센서로서,
   상기 이미지 센서는 여러 행들의 동일한 랭크의 화소들에서, 주기적 행 지속기간 (T_L) 동안 , 이미지 포인트에 의해 생성된 전하의 합산과 연속하여 화소들의 다수의 행들에 의해 하나의 동일한 이미지 스트립의 관찰을 위해 P 개의 화소들의 N 개의 인접한 행들을 포함하며,
   상기 화소들 각각은 그 일부가 감광성인 전하 저장 영역들의, 이동의 방향에서의, 연속을 포함하며,
   상기 이미지 센서는 이들 영역들에 전위들을 인가하여 하나의 화소에서 다음의 화소로 전하의 방향성 이동이 후속되는 저장을 허용하는 제어 수단을 포함하고,
   화소는 이동의 방향으로, 적어도 2 개의 인접한 부분들 (SUBa_i,j, SUBb_i,j) 로 서브 분할되고, 각각의 부분은 제 1 부분으로부터 제 2 부분으로 전하의 이동을 허용하면서 다른 부분의 저장 영역들과 독립된 적어도 하나의 전하 저장 영역을 포함하며, 상기 부분들 중 하나의 부분 (SUBa_i,j) 은 광에 대해 마스킹되고 다른 부분 (SUBb_i,j) 은 광에 대해 마스킹되지 않고,
   상기 다른 부분은 적어도 하나의 감광 저장 영역 (G3, G4, PH2) 및 이러한 다른 부분에 저장된 전하가 제거되는 것을 허용하는 전하 제거 구조 (AB, DR) 를 포함하고,
   상기 이미지 센서는 마스킹된 영역으로부터 언마스킹된 영역으로 전하를 이동시키는 단계에 선행하는 실제의 집적의 시작의 시간에서의 조정가능한 순간 전에, 행 지속기간 (T_L) 의 프랙션 동안 제거 구조를 활성화하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 지연 및 전하 집적으로 동작하는 전하-커플링 이미지 센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 화소는 이동의 방향에서 다른 것 뒤에 하나가 오는 3 개의 인접한 게이트들을 포함하고,
   제 1 게이트 (G1) 는 광으로부터 마스킹되고 상기 화소의 제 1 부분을 형성하고 다른 2 개의 게이트들 (G2, G3) 은 조명되고 상기 화소의 제 2 부분을 형성하며,
   상기 전하 제거 구조는 상기 다른 2 개의 게이트들 (G2, G3) 에 인접한 것을 특징으로 하는 시간 지연 및 전하 집적으로 동작하는 전하-커플링 이미지 센서.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 화소의 제 1 부분은 연속하여, 상기 이동의 방향으로, 2 개의 게이트들 (G1, G2) 및 포토다이오드 (PH1) 를 포함하고,
   상기 제 2 부분은 또한 2 개의 게이트들 (G3, G4) 및 포토다이오드 (PH2) 를 포함하고,
   상기 전하 제거 구조는 상기 제 2 부분의 상기 포토다이오드 (PH2) 에 인접G한 것을 특징으로 하는 시간 지연 및 전하 집적으로 동작하는 전하-커플링 이미지 센서.
4. 시간 지연 및 전하 집적으로 동작하는 전하-커플링 이미지 센서를 위한 동작 방법으로서,
   상기 이미지 센서는 여러 행들의 동일한 랭크의 화소들에서, 행 지속기간 (T_L) 동안, 이미지 포인트에 의해 생성된 전하의 합산과 연속하여 화소들의 다수의 행들에 의해 하나의 동일한 이미지 스트립의 관찰을 위해 P 개의 화소들의 N 개의 인접한 행들을 포함하며,
   상기 화소들 각각은 그 일부가 감광성인 전하 저장 영역들의, 이동의 방향에서의, 연속을 포함하며,
   상기 이미지 센서는 이들 영역들에 전위들을 인가하여 업스트림 화소에서 다운스트림 화소로 전하의 방향성 이동이 후속되는 저장을 허용하는 제어 수단을 포함하고,
   각각의 화소의 저장 영역들의 부분은 광으로부터 마스킹되고 다른 부분은 마스킹되지 않고 감광성이며,
   전하의 이동 및 집적은, 하나의 행 지속기간 (T_L) 과 동일한 주기성으로 순환적으로,
   - 업스트림 화소로부터 다운스트림 화소의 마스킹된 부분의 저장 영역으로 발생하는 전하의 이동;
   - 제거 드레인 (drain) 을 통해, 상기 다운스트림 화소에서의 실제의 전하 집적의 시작시의 순간을 정의하는, 이러한 커맨드의 중단이 후속되는, 상기 다운스트림 화소의 언마스킹된 부분에 포함된 전하를 비우기 위한 커맨드;
   - 동시적으로 또는 개별적으로, 상기 다운스트림 화소의 언마스킹된 부분에서의 광생성된 전하의 집적 및 상기 언마스킹된 부분으로의 상기 다운스트림 화소의 마스킹된 부분에 저장된 전하의 이동
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 전하-커플링 이미지 센서를 위한 동작 방법.

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