KR20220103202A - 소형 픽셀 높은 동적범위 픽셀 센서 - Google Patents
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Abstract
이미징 어레이 및 픽셀 센서가 개시된다. 이미징 어레이 내의 픽셀 센서 중 하나는 전자 저장 노드에 연결된 캐소드 및 정공 저장 노드에 연결된 애노드를 가지는 포토다이오드를 포함한다. 오버플로우 경로는, 전자 저장 노드가 누설 포텐셜보다 작은 포텐셜을 가지면, 전자가 전자 저장 노드로부터 오버플로우 경로 내로 누설되게 하는 오버플로우 게이트를 통하여 전자 저장 노드를 연결한다. 플로팅 확산 노드는 전송 게이트에 의하여 전자 저장 노드에 그리고 오버플로우 경로 게이트에 의하여 오버플로우 경로에 연결된다. 정공 저장 노드 리셋 게이트는 정공 저장 노드를 접지에 연결한다. 정공 저장 커패시터는 정공 저장 노드 및 접지 사이에 연결되고, 오버플로우 경로 커플링 커패시터는 정공 저장 노드를 오버플로우 경로에 연결한다.
Description
디지털 카메라는 녹화되고 있는 장면 내의 대응하는 포인트에서의 광 세기를 측정하는 픽셀 센서들로 구성된 이미징 어레이에 의존하고 있다. 픽셀 센서의 동적 범위는 픽셀 센서가 측정할 수 있는 가장 큰 세기를 픽셀 센서가 주어진 노출(exposure)에 대해서 측정할 수 있는 최소 세기를 나눈 비율로 정의된다. 노이즈 레벨이 개선됨으로써 현재는 가장 작은 신호가 샷 노이즈(shot noise)에 의해 결정되는 신호로 감소되었다. 검출될 수 있는 가장 작은 신호가 더 개선되더라도 픽셀 센서의 동적 범위가 크게 변경될 것으로 기대되지는 않는다. 그러므로, 동적 범위를 개선시키는 것은 센서가 포화되거나 비선형이 되지 않으면서 픽셀 센서에 의해서 측정될 수 있는 가장 큰 세기의 크기를 증가시키는 것에 직결된다.
하나의 클래스의 선행 기술 픽셀 센서는 포토다이오드로부터 커패시터로 오버플로우되는 전하를 캡쳐함으로써 단일 포토다이오드의 동적 범위를 확장한다. 노출의 종료 시에, 포토다이오드에 남아 있는 전하 그리고 커패시터에 저장된 전하가 판독되고 관심 대상인 픽셀 센서에 대한 최종 진폭을 제공하기 위하여 사용된다. 이러한 클래스의 해결책은 각각의 픽셀 센서에 대해서 하나의 커패시터를 요구한다. 더 작은 카메라에 대한 필요성에 응답하여 픽셀 센서의 크기가 감소되기 때문에, 커패시터를 위해서 이용가능한 공간은 감소되고 있고, 따라서 저장될 수 있는 오버플로우 전하의 최대량이 감소된다.
본 발명은 이미징 어레이 및 해당 이미징 어레이에서 사용되기 위한 픽셀 센서를 기술한다. 이미징 어레이는 비트 라인에 연결된 복수 개의 픽셀 센서를 포함한다. 적어도 하나의 픽셀 센서는 전자 저장 노드에 연결된 캐소드 및 정공 저장 노드에 연결된 애노드를 가지는 포토다이오드를 포함한다. 오버플로우 경로는, 전자 저장 노드가 누설 포텐셜보다 작은 포텐셜을 가지면, 전자가 전자 저장 노드로부터 오버플로우 경로 내로 누설되게 하는 오버플로우 게이트를 통하여 전자 저장 노드를 연결한다. 플로팅 확산 노드는 전송 게이트에 의하여 전자 저장 노드에 연결된다. 오버플로우 경로 게이트는 오버플로우 경로를 플로팅 확산 노드에 연결한다. 정공 저장 노드 리셋 게이트는 정공 저장 노드를 접지에 연결한다. 픽셀 센서는, 정공 저장 노드에 연결된 단자 및 접지에 연결된 다른 단자를 가지는 정공 저장 커패시터, 및 정공 저장 노드를 오버플로우 경로에 연결하는 오버플로우 경로 커플링 커패시터를 더 포함한다.
일 양태에서, 적어도 하나의 픽셀 센서는 상기 플로팅 확산 노드를 리셋 버스에 연결하는 리셋 게이트, 상기 플로팅 확산 노드 상의 포텐셜을 표시하는 포텐셜을 출력 포텐셜에 생성하는 버퍼 증폭기, 및 행 선택 신호에 응답하여 출력 포텐셜을 비트 라인에 커플링하는 선택 게이트를 포함한다.
다른 양태에서, 픽셀 센서 중 적어도 하나의 내의 포토다이오드는 기판 내에 제작되고, 정공 저장 커패시터는 기판 내의 포토다이오드를 둘러싸는 트렌치를 포함하며, 트렌치에는 절연체가 덧대어지고 도체로 충전되며, 도체는 접지에 연결되고, 트렌치는 포토다이오드를 이웃하는 픽셀 센서로부터 격리시킨다.
다른 양태에서, 이미징 어레이는 상기 전자 저장 노드, 상기 오버플로우 경로, 및 상기 플로팅 확산 노드를 리셋 포텐셜에서 리셋 버스에 연결하고 상기 정공 저장 노드를 접지에 연결함으로써 상기 픽셀 센서를 초기화한 후, 상기 오버플로우 경로가 상기 플로팅 확산 노드에 연결된 동안에 상기 전자 저장 노드 및 상기 플로팅 확산 노드를 상기 리셋 버스로부터 격리시키는 콘트롤러를 더 포함한다.
다른 양태에서, 콘트롤러는 픽셀 센서 중 적어도 하나 내의 포토다이오드의 종래의 노출 동안에 전자 저장 노드로부터 누설된 오버플로우 전하를 측정한다.
다른 양태에서, 콘트롤러는 이전의 노출로부터의 오버플로우 전하를 두 개의 단계로 측정하고, 제 1 단계는 노출 이후의 플로팅 확산 노드 상의 전압을 측정하는 것을 포함한다.
다른 양태에서, 제 2 단계는 플로팅 확산 노드를 픽셀 센서 중 적어도 하나 내의 리셋 포텐셜로 리셋하는 것, 리셋 포텐셜을 측정하는 것, 정공 노드를 접지로 리셋하는 것, 및 그 후 플로팅 확산 노드의 포텐셜을 측정하는 것을 포함한다.
다른 양태에서, 콘트롤러는 오버플로우 전하를 측정한 이후에 이전의 노출로부터의 픽셀 센서 중 적어도 하나 내의 포토다이오드 상에 저장된 포토다이오드 전하를 측정한다.
다른 양태에서, 픽셀 센서 중 적어도 하나 내의 포토다이오드 전하는 상관된 이중 샘플링을 사용하여 측정된다.
도 1은 CMOS 이미징 어레이의 일 실시형태의 개략도이다.
도 2는 각각의 픽셀 센서 내의 단일 포토다이오드 및 오버플로우 커패시터를 활용하여 픽셀 센서의 동적 범위를 확장하는 선행 기술의 픽셀 센서를 예시한다.
도 3은 종래의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 4는 종래의 픽셀 센서에 대한 등가회로이다.
도 5는 본 발명에 따른 픽셀 센서의 일 실시형태를 도시한다.
도 6은 광 노출을 측정하기 위하여 픽셀 센서가 사용되는 경우에 발생하는 다양한 동작의 타이밍을 예시한다.
도 2는 각각의 픽셀 센서 내의 단일 포토다이오드 및 오버플로우 커패시터를 활용하여 픽셀 센서의 동적 범위를 확장하는 선행 기술의 픽셀 센서를 예시한다.
도 3은 종래의 픽셀 센서의 단면도이다.
도 4는 종래의 픽셀 센서에 대한 등가회로이다.
도 5는 본 발명에 따른 픽셀 센서의 일 실시형태를 도시한다.
도 6은 광 노출을 측정하기 위하여 픽셀 센서가 사용되는 경우에 발생하는 다양한 동작의 타이밍을 예시한다.
이제 CMOS 이미징 어레이의 일 실시형태의 개략도인 도 1을 참조한다. 이미징 어레이(40)는 이러한 예에서는 직사각형인 픽셀 센서(41)의 어레이들로 구성된다. 각각의 픽셀 센서는 포토다이오드(46) 및 인터페이스 회로(47)를 포함한다. 인터페이스 회로의 세부사항은 특정한 픽셀 디자인에 따라 달라진다. 그러나, 모든 픽셀 센서는 해당 픽셀 센서를 비트 라인(43)에 연결하기 위하여 사용되는 행 라인(42)에 연결된 게이트를 포함한다. 언제든지 이네이블되는 특정한 행은 행 디코더(45)에 입력되는 행 주소에 의해서 결정된다. 행 선택 라인은 그 안에 포토다이오드 및 인터페이스 회로부가 구성된 기판 상의 금속층 내에서 수평으로 진행하는 도체의 병렬 어레이이다.
비트 라인들 각각은, 센스 증폭기 및 열 디코더를 통상적으로 포함하는 열 처리 회로(44) 내에서 종단된다. 비트 라인은 그 안에 포토다이오드 및 인터페이스 회로부가 구성된 기판 상의 금속층 내에서 수직으로 진행하는 도체의 병렬 어레이이다. 각각의 센스 증폭기는 센스 증폭기에 의해서 처리되는 비트 라인에 현재 연결된 픽셀 센서에 의해 생성된 신호를 판독한다. 센스 증폭기는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 활용함으로써 디지털 출력 신호를 생성할 수 있다. 임의의 주어진 시각에, 단일 픽셀 센서가 이미징 어레이로부터 판독된다. 해당 열로부터의 센스 증폭기/ADC 출력을 이미징 어레이 밖에 있는 회로부에 연결하기 위해, 판독되는 특정 열은 열 디코더에 의해서 활용되는 열 주소에 의해 결정된다. 제어 신호 및 다른 기능의 시퀀싱이 콘트롤러(30)에 의하여 수행된다. 도면을 간략화하기 위하여, 콘트롤러(30) 및 다양한 제어 라인 사이의 연결은 도면에서 생략되었다.
이제 픽셀 센서의 동적 범위를 확장하기 위해, 각각의 픽셀 센서 내의 단일 포토다이오드 및 오버플로우 커패시터를 활용하는 선행 기술의 픽셀 센서를 예시하는 도 2를 참조한다.
후속하는 설명을 단순화하기 위하여, 70으로 도시된 픽셀 센서(60)의 부분은 용량성 오버플로우 픽셀 센서로 불릴 것이다. 용량성 오버플로우 픽셀 센서는 포토다이오드(11)를 포함하고, 해당 오버플로우 커패시터(61)는 제 1 및 제 2 커패시터 단자에 의해서 특징지어진다. 포토다이오드(11)는 포토다이오드 전송 게이트(12)에 의해 플로팅 확산 노드(13)에 연결된다. 포토다이오드(11)는 오버플로우 게이트(15)에 의해 오버플로우 커패시터(61)의 제 1 용량성 단자에도 연결된다. 오버플로우 커패시터(61)의 제 1 용량성 단자도 오버플로우 커패시터 게이트(62)에 의해 플로팅 확산 노드(13)에 연결된다. 플로팅 확산 노드(13)는 14로 표시된 기생 커패시턴스에 의해서 특징지어진다. 플로팅 확산 노드(13)상의 전압은 게이트(16)를 도전성 상태가 되게 함으로써 전압 Vr로 설정될 수 있다.
다시 픽셀 센서(60)를 참조하면, 플로팅 확산 노드(13)는 플로팅 확산 노드(13) 상의 포텐셜을 표시하는 출력 전압을 생성하는 소스 폴로워(17)에 연결된다. 소스 폴로워(17)의 출력은 게이트(18)에 의해 비트 라인(19)에 커플링될 수 있다. 오버플로우 커패시터(61)의 제 2 용량성 단자는 픽셀 센서(60) 내에서 접지에 연결된다.
비트 라인(19)은 열 처리 회로(55)에서 종단된다. 열 처리 회로(55)는 비트-라인 증폭기(50) 및 그 기능이 좀 더 상세하게 후술될 두 개의 샘플 및 홀딩 회로를 포함한다. 제 1 샘플 및 홀딩 회로는 게이트(22) 및 커패시터(23)를 포함하고, 및 제 2 샘플 및 홀딩 회로는 게이트(24) 및 커패시터(25)를 포함한다. 이러한 샘플 및 홀딩 회로의 출력들은 ADC(51)에 의해 처리되어 비트 라인(19)에 현재 연결된 픽셀 센서에 대한 출력 값을 제공한다. 샘플 및 홀딩 회로가 사용되는 방식은 좀 더 상세하게 후술될 것이다.
오버플로우 커패시터(61)는, 노출 도중에 노드(67)에서의 포텐셜이 노드(67) 상의 전압 및 TX2의 전압에 의해 결정되는 포텐셜에 도달한 이후에 포토다이오드(11)에 의해 생성된 광전하를 수집한다. 노출의 시작 시에, 포토다이오드(11) 및 오버플로우 커패시터(61)는 Vr로 결정된 리셋 전압으로 설정된다. 광전하가 포토다이오드(11) 상에 축적(accumulate)됨에 따라서, 포토다이오드(11) 상의 전압은 감소한다. 오버플로우 게이트(15) 상의 게이트 전압에 의해 결정되는 전압에서, 과잉 전하는 오버플로우 게이트(15)로부터 오버플로우 커패시터(61), 커패시터(14), 및 노출 과정 전체에서 도통 상태를 유지하는 오버플로우 커패시터 게이트(62)의 기생 커패시턴스의 조합으로 흘러 간다.
노드(67) 또는 오버플로우 커패시터(61) 상에 축적되는 전하는 노출의 종료 시에 판독된다. 일 실시형태에서, 오버플로우 커패시터(61)가 첫번째로 판독된다. 노출되는 동안에 TX3는 하이 상태이고, 그러므로, 오버플로우 커패시터(61)는 플로팅 확산 노드(13)에 연결된다. 플로팅 확산 노드(13) 상의 포텐셜은 플로팅 확산 노드(13)에 인가되었던 리셋 포텐셜 및 다음 노출의 시작 직전의 오버플로우 커패시터(61) 사이의 차이이다. 플로팅 확산 노드(13) 상의 포텐셜이 커패시터(23)에 저장된다. 그 후, 플로팅 확산 노드(13) 및 노드(66)가 리셋되고, 리셋 포텐셜이 커패시터(25) 상에 저장된다. 그 후, 커패시터들(23 및 25) 상의 포텐셜들의 차이가 ADC(51)에 의하여 디지털화된다.
그 후에 포토다이오드(11) 상의 포텐셜이 판독된다. 첫번째로, 오버플로우 커패시터 게이트(62)를 비-도통 상태가 되게 함으로써 오버플로우 커패시터(61)가 격리되고, 플로팅 확산 노드(13)가 다시 Vr로 리셋된다. 그 후, 플로팅 확산 노드(13) 상의 실제 포텐셜이 커패시터(23)에 저장된다. 그 후에 게이트(12)가 도통 상태가 되어, 그러면 포토다이오드(11) 상의 전하가 플로팅 확산 노드(13)로 전달된다. 플로팅 확산 노드(13) 상의 포텐셜이 커패시터(25) 상에 저장된다. 그 후, 커패시터들(23 및 25) 상의 포텐셜들의 차이가 ADC(51)에 의하여 디지털화된다.
오버플로우 커패시터(61) 내에 저장될 수 있는 최대 광전하는 픽셀 센서(60)가 노출에 앞서서 리셋된 이후에 노드(66) 상의 전압에 의하여 결정된다. 픽셀 센서(60)는 게이트(16, 12, 및 62)를 도통 상태가 되게 하고, 그 후에 게이트(16 및 12)를 비-도통 상태가 되게 함으로써 포토다이오드(11) 및 오버플로우 커패시터(61)를 격리함으로써 리셋된다. 그러면 노드(66, 67 및 13)가 Vr의 포텐셜이 된다. 노출이 진행함에 따라서, 포토다이오드(11) 내에 생성된 전자는 노드(67) 상의 포텐셜을 감소시킨다. 노드(67) 상의 포텐셜이 오버플로우 게이트(15) 상의 전압에 의하여 결정된 값으로 떨어지면, 광전자는 오버플로우 커패시터(61) 상으로 오버플로우된다. 오버플로우 커패시터(61)에 저장된 각각의 광전자가 노드(66)에서의 포텐셜을 떨어뜨린다. 노드(66 또는 13) 상의 포텐셜이 판독 페이즈 도중에 비트 라인(19)이 포화되는 포텐셜에 도달하면, 최대 전체-우물(full-well) 용량 또는 최대 광전하에 도달된다. 비트 라인은 그 전압이 플로팅 확산 노드(13) 상의 전압을 선형으로 추종하지 않는 경우에 포화된다.
픽셀 센서(60)의 동적 범위는 픽셀 센서 내에 저장될 수 있는 최대 광전하와 판독 회로부에 의해 검출될 수 있는 최소 광전하의 비율이다. 최대 광전하는 판독시에 오버플로우 커패시터(61)에 저장된 전하 및 포토다이오드(11)에 저장된 전하의 합이다. 그러므로, 도 2에 도시되는 픽셀에서의 동적 범위를 증가시키기 위해서, 오버플로우 커패시터(61)의 커패시턴스가 증가될 필요가 있을 것이다. 그러나, 위에서 언급된 바와 같이, 픽셀 센서별로 하나의 이러한 커패시터가 존재해야 하기 때문에, 오버플로우 커패시터의 크기에는 제한이 없다. 통상적으로, 오버플로우 커패시터는 포토다이오드가 그 안에 구성된 기판 위의 금속층 내에 구성된다.
이제 증가된 저장 커패시턴스를 제공하는 다른 선행 기술의 오버플로우 커패시터 픽셀 디자인을 예시하는 도 3 및 도 4를 참조한다. 도 3은 픽셀 센서(71)의 단면도이고, 도 4는 픽셀 센서(71)에 대한 등가회로이다. 픽셀 센서(71)는 후면 센서이다. 즉, 빛이 게이트 및 포토다이오드가 구성된 웨이퍼의 표면과 반대인 표면으로부터 픽셀 센서(71)에 진입한다. 입사광은 마이크로렌즈(77)에 의하여 픽셀 센서 상으로 이미징되고, 색상 필터(76)에 의하여 필터링되어 소망되는 색상 대역 내의 신호를 제공한다. 플로팅 확산 노드(93) 상의 전압을 게이트(89) 상의 행 판독 신호에 응답하여 전압을 비트 라인(91)에 연결하는 소스 폴로워(88)에 의하여 판독된다.
또한, 픽셀 센서(71)는 포토다이오드가 구성된 p-기판이 깊은 트렌치에 의하여 이웃하는 광센서로부터 격리된다는 점에서 위에서 논의된 다른 선행 기술의 픽셀 센서와 다르다. 이러한 트렌치는 기판을 완전히 관통하고 절연 산화물(75)로 덧대어진다. 트렌치의 보디는 폴리실리콘과 같은 도체(73)로 채워진다. 폴리실리콘은 커패시터(81)의 하나의 플레이트를 형성한다. p-기판이 커패시터(81)의 다른 플레이트를 형성한다. 커패시터(81)는 선행 기술의 용량성 오버플로우 센서에서 사용되는 커패시터보다 훨씬 더 큰 커패시턴스를 가지고, 따라서 이러한 디자인은 픽셀 센서의 동적 범위를 증가시킬 수 있는 가능성을 가진다.
또한, 광자를 전자로 변환함으로써 생성되는 정공이 오버플로우 전자 대신에 저장된다는 점에서, 픽셀 센서(71)는 전술된 오버플로우 픽셀 센서와 다르다. 정공은 커패시터(78)의 도움을 받아 판독된다. 정공 및 전자 양자 모두에 대한 판독 회로부가 구역(74) 내에 구성된다.
포토다이오드(83)가 포화 상태에 도달하면, 광자를 정공-전자 쌍으로 변환함으로써 생성된 정공이 정공 저장 서브유닛(92)의 일부인 커패시터(81)에 저장된다. 처음에는, 노드(72)가 게이트(82)에 의해서 접지로 리셋된다. 그 후, 노드(72)는 격리되고 플로팅 상태가 된다. 노드(84)는 처음에는 VRT로 리셋된다. 광전자가 노드(84)에 축적됨에 따라서, 노드(84)에서의 포텐셜이 감소한다. 노드(84)가 충분히 낮은 포텐셜에 도달하는 경우, 과잉 전자는 게이트(85)를 통해서 흘러나간다(bled off). 이러한 과잉 전자에 대응하는 정공이 커패시터(81) 상에 축적된다. 누산 기간(integration period)이 끝날 때에, 노드(84)에 저장된 전자 및 커패시터(81)에 저장된 정공이 게이트(86 및 87)의 도움을 받아서 판독된다. 작은 광 신호의 경우, 전자가 노출 측정치를 제공한다. 더 큰 광 신호의 경우, 노출 측정치를 제공하기 위하여 정공 신호가 사용된다.
정공이 커패시터(81)로 이동함에 따라서 노드(72)에서의 전압이 상승한다. 전압이 노드(84)에서의 전압에 의해 결정된 임계에 도달하는 경우, 정공 전류가 포토다이오드(83)를 통해서 밖으로 흐를 것이다. 이러한 지점에서, 픽셀 센서는 포화되고, 이러한 임계가 초과되게 한 것보다 높은 광 레벨에서 광 노출을 측정할 수 없다. 이러한 디바이스에서 더 높은 동적 범위를 제공하기 위하여, 커패시터(81)의 커패시턴스가 증가될 필요가 있을 것이다.
이미징 어레이의 가격은 픽셀 센서의 크기에 직접적으로 관련된다. 그러므로, 이미징 어레이의 가격을 낮추기 위해서는, 픽셀 센서의 크기가 감소되어야 한다. 불행하게도, 이렇게 크기를 줄이면 커패시터(81)의 커패시턴스가 줄어드는 결과가 초래된다. 커패시터(81)의 커패시턴스는 기판(72)을 통과하는 트렌치의 표면적에 비례한다.
본 발명에 따른 픽셀 센서는, 정공의 축적과 연관된 기판 전압 상승의 일부를 오프셋하기 위해서 오버플로우 전자를 사용함으로써 동적 범위의 개선을 달성한다. 또한, 본 발명에 따른 픽셀 센서는 양의 전하의 측정치가 오버플로우 전하에 도달할 것을 요구하지 않는다.
이제 본 발명에 따른 픽셀 센서(100)의 일 실시형태를 예시하는 도 5를 참조한다. 이러한 예에서, 픽셀 센서는 픽셀 센서들의 행 및 열의 직사각형 어레이로 조직화되는데, 여기에서 주어진 열 내의 각각의 픽셀 센서는 공통 비트 라인, 예컨대 비트 라인(19)에 연결된다. 비트 라인(19)에 연결된 특정한 픽셀 센서는 픽셀 센서 내의 게이트(18)에 의하여 결정된다. 도면을 단순화하기 위하여, 하나의 열에는 오직 하나의 픽셀 센서만이 도시된다. 비트 라인(19) 상의 신호는 픽셀 센서(100)에 의해 측정된 노출이 판독되는 동안에 열 처리 회로(120)에 의해서 처리된다.
픽셀 센서(100)는 전자를 수집하기 위하여 사용되는 N-타입 포토다이오드(11) 및 정공을 수집하기 위한 커패시터(C118)가 있는 전기적으로 격리된 기판을 포함한다. 전기적으로 격리된 기판은 기판 주위에 절연 트렌치를 에칭함으로써 전술된 것과 유사한 방식으로 생성된다. 트렌치는 커패시터(118)의 하나의 플레이트를 형성하는 폴리실리콘으로 채워진다. 신호 Rps에 의해 제어되는 게이트(112)가 Hnode(127)를 접지로 리셋하기 위하여 사용된다. TX1에 의해 제어되는 전송 게이트(12)는 포토다이오드(11)를 플로팅 확산 노드(13)에 연결한다. 플로팅 확산 노드(13)가 충분히 높은 포텐셜에서 경우, Enode(117) 상의 임의의 전자는 포토다이오드(11) 밖으로 전송되고, 소스 폴로워(17)가 게이트(18)에 의해 비트 라인(19)에 연결될 경우 소스 폴로워(17)를 통한 플로팅 확산 노드(13) 상의 전압의 변화에 주목함으로써 측정될 수 있다.
오버플로우 게이트(15)는 오버플로우 전자가 포토다이오드(11)를 벗어나서, 포토다이오드(11)로부터 오버플로우 전자를 수집하기 위하여 사용되는 커패시터(111)로 전송될 수 있게 한다. 신호 VCT에 의해 제어되는 게이트(119)는 노드(116)를 플로팅 확산 노드(13)에 연결하거나 그로부터 단절시킨다. 신호 Rp에 의해 제어되는 게이트(16)는 플로팅 확산 노드(13)를 전압 Vr로 리셋하기 위하여 사용된다.
이러한 예시적인 실시형태들에서, 비트 라인(19) 상의 전압은 열 판독 회로(120)에 의해 처리되는데, 이것은 열 비트 라인 증폭기(123) 및 상관된 이중 샘플링(correlated double sampling; CDS)을 위한 아날로그 메모리로서 사용되는 두 개의 샘플링 커패시터(23 및 25)를 포함한다. 본 발명의 목적을 위하여, CDS는 판독될 전하가 비트 라인(19) 상의 두 전압들의 차이를 취함으로써 결정되는 임의의 애플리케이션을 포함한다. 커패시터(23 및 25) 상의 전압은 제어 신호들(S1 및 S2) 각각에 응답하여, 게이트(22 및 24)에 의해 각각 제어된다. ADC(121)는 커패시터(23 및 25)에 저장된 전압들의 차이를 디지털화한다. 전류원(124)은 판독 프로세스 도중에 비트 라인(19)을 바이어스하기 위하여 사용된다.
이제 픽셀 센서, 예컨대 픽셀 센서(100)가 광 노출을 측정하기 위하여 사용될 때 발생하는 다양한 동작의 타이밍을 예시하는 도 6을 참조한다. 픽셀 센서(100)의 동작은 세 가지 페이즈로 분할될 수 있다. 제 1 페이즈에서, 픽셀 센서(100)는 리셋되고 전하가 노출 기간 동안에 누산(integrate)된다. 제 2 페이즈에서는 포토다이오드(11)에서 오버플로우된 전하가 판독되고, 제 3 스테이지에서는 포토다이오드 자체에 저장된 전하가 판독된다. 후속하는 설명을 단순화하기 위하여, 게이트(16, 12, 119, 및 112)는 이상적인 스위치라고 가정될 것이다. 즉, 이러한 게이트가 도통 상태인 경우, 게이트 양단에는 실질적인 전압 강하가 없다. 실무상, 작은 전압 강하가 있다면, 리셋 포텐셜 Vr이 이러한 강하를 고려하도록 약간 증가될 수 있다.
픽셀 센서(100)는 게이트(12, 16, 119, 및 112)를 도통 상태가 되게 함으로써 리셋된다. 리셋의 종료 시에, 노드(117)는 실질적으로 Vr의 포텐셜에 있고, 플로팅 확산 노드(13) 및 노드(116)도 Vr의 포텐셜에 있다. Hnode(127)는 접지로 리셋된다. 누산 기간 동안에, 게이트(119)는 도통 상태를 유지하고, 게이트(12, 및 112)는 비-도통 상태로 설정된다. 그러므로, 노드(116)는 누산 기간 동안에 전압 플로팅 확산 노드(13)를 추적한다. 신호 TX2는, 노드(117)에서의 포텐셜이 미리 결정된 임계 값 미만으로 떨어지는 경우에 광전자가 오버플로우 게이트(15)를 통하여 노드(117)로부터 누설되도록 설정된다.
픽셀 센서(100)가 그 장점을 나타내는 방식은, 측정된 최대 광 레벨이 포토다이오드(11)에 의해서 수용될 수 있는 레벨보다 큰 노출 케이스를 고려함으로써 더 쉽게 이해될 수 있다. 노출 초기에, Enode(117)에서의 포텐셜은 전자가 Enode(117)에서 누설되는 임계값보다 크다. 이러한 부분 노출 도중에 생성된 광전자는 Enode(117)에서 축적되고, 이러한 광전자에 대응하는 정공이 그들의 맞상대인 전자와 평형을 이루도록 핀형 정션(pinned junction)에 저장된다. Enode(117)에서의 전압이 위에서 논의된 임계 값 아래로 감소됨에 따라서, 전자가 Enode(117)로부터 누설되고, 노드(116)에서의 전압은 자신의 리셋 값인 Vr로부터 감소하기 시작한다. 게이트(119)가 도통 상태이기 때문에, 플로팅 확산 노드(13) 상의 전압도 역시 감소한다. 이와 동시에, 누설되는 광전자에 대응하는 정공이 Hnode(127)로 이동하고, 커패시터(118)에 저장된다. 그러므로, 기판이 게이트(112)에 의하여 접지로부터 격리되기 때문에 Hnode(127)에서의 전압이 증가할 것이다. 그러나, 커패시터(111) 양단의 전압의 변화는 전자가 커패시터(111)로부터 Hnode(127)로 이동하게 하고, 이것이 이러한 증가분의 일부를 상쇄한다. 따라서, Hnode(127)에 축적될 수 있는 정공의 개수는 위에서 논의된 종래 기술의 기법에 비해 증가된다.
다음 축적 페이즈가 시작되기 이전에, 마지막 누산 페이즈 동안에 축적되었던 정공이 판독된다. 이러한 오버플로우 전하는 두 가지 전하 배분(allocates of charge)으로 이루어지는 것으로 여겨질 수 있다. 첫 번째는 플로팅 확산 노드(13)와 연관된 커패시터(14)에 저장되는 오버플로우 전하이다. 이것은 포토다이오드로부터 누설된 전하이고, 전하 누산 기간 도중에 플로팅 확산 노드(13) 상의 포텐셜을 감소시켰다. 이러한 전하는 리셋 전압으로부터의 플로팅 확산 노드(13) 상의 전압 강하를 관측함으로써 측정될 수 있다.
오버플로우 전하의 두 번째 배분은 정공이 커패시터(118)로 이동함으로써 초래되는 Hnode(127) 상의 양의 포텐셜을 상쇄하도록 커패시터(111)에 저장되는 전하이다. 이러한 전하는 플로팅 확산 노드를 Vr로 리셋한 후에, Hnode(127)가 게이트(112)를 사용하여 접지로 리셋될 때의 플로팅 확산 노드(13)에서의 전압의 강하를 측정함으로써 측정될 수 있다. 총 오버플로우 전하는 플로팅 확산 노드(13) 상의 전압을 측정하기 이전에 Hnode(127)를 접지에 연결함으로써 측정될 수 없다는 것에 주의해야 한다. 노출 수준이 더 높으면, 이러한 두 가지 전`하들의 합이 플로팅 확산 노드(13)를 Vr로 리셋한 후에 전자를 플로팅 확산 노드(13)로 전송함으로써 측정될 수 있는 총 전하를 초과할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 오버플로우 전하 판독 도중에, 비트 라인(19)은 열 비트 라인 증폭기(123)의 양의 단자에 연결된다. 포토다이오드 전하 판독 도중에, 비트 라인(19)은 열 비트 라인 증폭기(123)의 음의 단자에 연결된다. 이는, 커패시터(25) 상의 전압이 커패시터(23) 상의 전압 이상이 되도록 보장한다. 도면을 단순화하기 위하여, 단자-스위칭 회로는 도면에서 생략된다. 이러한 구조는 ADC(121)가 후술되는 판독들 각각에서의 두 전압들 사이의 차이를 디지털화할 수 있게 한다.
도 6에서의 타이밍 설명을 사용하면, 판독 기법은 오버플로우 전하 및 포토다이오드 전하 판독 양자 모두에 대하여 상관된 이중 샘플링(CDS)을 언제나 사용하여 소스 폴로워(17)의 우세 플리커 노이즈(dominant flicker noise)를 감소시킨다. 그러나, 오버플로우 전하 판독의 경우, CDS는 리셋 노이즈를 제거할 수 없다. 그러나, 오버플로우 전하의 경우에는 리셋 노이즈가 샷 노이즈보다 훨씬 작고, 이것은 높은 광 노출에 대응하며, 따라서 리셋 노이즈에 대한 정정은 오버플로우 전하의 측정을 크게 개선시키지 않는다. 포토다이오드 전하 판독의 경우, CDS는 리셋 노이즈를 제거한다.
그러므로, 이러한 실시형태에서, CDS는 오버플로우 전하 및 포토다이오드 전하 판독 양자 모두를 위하여 사용된다. 또한, ADC(121)는 오버플로우 전하 및 포토다이오드 전하 판독 양자 모두를 위하여 커패시터(23 및 25)에 저장된 두 개의 전압들 사이의 차이를 언제나 동시에 디지털화한다.
본 발명의 픽셀 센서가, 동일한 크기의 정공 저장 커패시터에 대하여 도 4에 도시되는 종래 기술의 픽셀 센서보다 실질적으로 더 큰 전체 우물 용량을 가진다는 것에 주의해야 한다. 정공 저장 커패시터(81)에 의해 수용될 수 있는 최대 정공 저장 전하는 커패시터(81)의 커패시턴스에 노드(72)에서의 최대 전압 상승을 곱한 것이다. 노드(72)는 접지에서 시작하고, 리셋 전압의 최대값까지 상승할 수 있다. 이제, 도 5에 도시된 커패시터(118)를 고려한다. 처음에는, 노드(127)가 접지 상태이고 노드(116)는 Vr에 있다. 그러므로, 커패시터(111) 양단의 전압의 차이에 의해 대응하는 커패시터에 저장된 과잉 전자가 존재한다. 정공이 노드(127)에 축적됨에 따라서 대응하는 전자가 노드(116)로 흘러서 노드(116)에서의 포텐셜이 감소되는 결과를 초래한다. 포텐셜이 이렇게 감소되면, 커패시터(111) 상에 홀딩된 전자가 방출되어 노드(127) 상의 전하 중 일부를 상쇄한다. 그러므로, 본 발명에 따른 픽셀 센서 내에서 노드(127)에서의 전압이 그 최대값에 도달하기 이전에 더 많은 정공이 노드(127)에서 축적될 수 있다.
전술된 실시형태는 개선된 픽셀 센서의 다양한 양태를 예시를 위하여 제공되었다. 그러나, 그 외의 특정한 실시형태에서 도시된 본 발명에서 제공된 그 외의 양태들이 다른 실시형태를 제공하도록 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 픽셀 센서에 대한 다양한 수정이 전술된 설명 및 첨부 도면으로부터 명백하게 드러날 것이다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 픽셀 센서는 후속하는 청구항의 범위에 의해서만 한정되어야 한다.
Claims (12)
- 비트 라인에 연결된 복수 개의 픽셀 센서를 포함하는 장치로서,
적어도 하나의 상기 픽셀 센서는,
전자 저장 노드에 연결된 캐소드 및 정공 저장 노드에 연결된 애노드를 가지는 포토다이오드;
상기 전자 저장 노드가 누설 포텐셜(leakage potential)보다 작은 포텐셜을 가지면, 전자가 상기 전자 저장 노드로부터 오버플로우 경로 내로 누설되게(leak off) 하는 오버플로우 게이트에 의하여 상기 전자 저장 노드에 연결된, 상기 오버플로우 경로;
전송 게이트에 의하여 상기 전자 저장 노드에 연결된 플로팅 확산 노드;
상기 오버플로우 경로를 상기 플로팅 확산 노드에 연결하는 오버플로우 경로 게이트;
상기 정공 저장 노드를 접지에 연결하는 정공 저장 노드 리셋 게이트;
상기 정공 저장 노드에 연결된 단자 및 접지에 연결된 다른 단자를 가지는 정공 저장 커패시터; 및
상기 정공 저장 노드를 상기 오버플로우 경로에 연결하는 오버플로우 경로 커플링 커패시터를 포함하는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 픽셀 센서 중 상기 적어도 하나는,
상기 플로팅 확산 노드를 리셋 버스에 연결하는 리셋 게이트;
상기 플로팅 확산 노드 상의 포텐셜을 표시하는 출력 포텐셜을 생성하는 버퍼 증폭기; 및
행 선택 신호에 응답하여 상기 출력 포텐셜을 상기 비트 라인에 커플링하는 선택 게이트를 포함하는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 포토다이오드는 기판 내에 제작되고,
상기 정공 저장 커패시터는 상기 기판 내의 상기 포토다이오드를 둘러싸는 트렌치를 포함하며,
상기 트렌치에는 절연체가 덧대어지고 도체가 상기 트렌치 내에 채워지며,
상기 도체는 접지에 연결되고,
상기 트렌치는 상기 포토다이오드를 상기 복수 개의 픽셀 센서 중 다른 픽셀 센서들로부터 격리시키는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 장치는,
상기 전자 저장 노드, 상기 오버플로우 경로, 및 상기 플로팅 확산 노드를 리셋 포텐셜에서 리셋 버스에 연결하고 상기 정공 저장 노드를 접지에 연결함으로써 상기 픽셀 센서 중 상기 적어도 하나를 초기화한 후, 상기 오버플로우 경로를 상기 플로팅 확산 노드에 연결된 상태로 둔 동안에 상기 전자 저장 노드 및 상기 플로팅 확산 노드를 상기 리셋 버스로부터 격리시키는 콘트롤러를 더 포함하는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 콘트롤러는 상기 포토다이오드의 이전의 노출 도중에 상기 전자 저장 노드로부터 누설된 오버플로우 전하를 측정하는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 콘트롤러는 노출(exposure) 이후에 상기 오버플로우 전하를 두 개의 단계로 측정하고,
제 1 단계는 상기 노출 이후에 상기 플로팅 확산 노드 상의 전압을 측정하는 것을 포함하는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 6 항에 있어서,
제 2 단계는,
상기 플로팅 확산 노드를 상기 리셋 포텐셜로 리셋하고, 상기 리셋 포텐셜을 측정하며, 상기 정공 저장 노드를 접지로 리셋한 후, 상기 플로팅 확산 노드의 상기 포텐셜을 측정하는 것을 포함하는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 콘트롤러는 상기 오버플로우 전하를 측정한 이후에, 이전의 노출로부터 상기 포토다이오드에 저장된 포토다이오드 전하를 측정하는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 포토다이오드 전하는 상관된 이중 샘플링을 사용하여 측정되는, 픽셀 센서를 포함하는 장치. - 픽셀 센서로서,
전자 저장 노드에 연결된 캐소드 및 정공 저장 노드에 연결된 애노드를 가지는 포토다이오드;
상기 전자 저장 노드가 누설 포텐셜보다 작은 포텐셜을 가지면, 전자가 상기 전자 저장 노드로부터 오버플로우 경로 내로 누설되게 하는 오버플로우 게이트에 의하여 상기 전자 저장 노드에 연결된, 상기 오버플로우 경로;
전송 게이트에 의하여 상기 전자 저장 노드에 연결된 플로팅 확산 노드;
상기 오버플로우 경로를 상기 플로팅 확산 노드에 연결하는 오버플로우 경로 게이트;
상기 정공 저장 노드를 접지에 연결하는 정공 저장 노드 리셋 게이트;
상기 정공 저장 노드에 연결된 단자 및 접지에 연결된 다른 단자를 가지는 정공 저장 커패시터; 및
상기 정공 저장 노드를 상기 오버플로우 경로에 연결하는 오버플로우 경로 커플링 커패시터를 포함하는, 픽셀 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 픽셀 센서는,
상기 플로팅 확산 노드를 리셋 버스에 연결하는 리셋 게이트;
상기 플로팅 확산 노드 상의 포텐셜을 표시하는 출력 포텐셜을 생성하는 버퍼 증폭기; 및
행 선택 신호에 응답하여 포텐셜을 비트 라인에 커플링하는 선택 게이트를 더 포함하는, 픽셀 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 포토다이오드는 기판 내에 제작되고,
상기 정공 저장 커패시터는 상기 기판 내의 상기 포토다이오드를 둘러싸는 트렌치를 포함하며,
상기 트렌치에는 절연체가 덧대어지고 도체가 상기 트렌치 내에 채워지며,
상기 도체는 접지에 연결되고,
상기 트렌치는 상기 포토다이오드를 상기 기판 내에 구성된 다른 회로들로부터 격리시키는, 픽셀 센서.
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