KR20230110903A - Photo detector pixel and time-of-flight sensor - Google Patents

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Abstract

A light receiving element pixel according to the present embodiment includes: a potential slope structure including a first pattern doped with a first conductivity type and a second pattern doped with the first conductivity type and located around the first pattern to form a potential slope; a first storage node and a second storage node storing charged particles; and a first gate and a second gate providing the first storage node and the second storage node located in the potential slope structure to the first storage node and the second storage node, respectively, according to a control signal.

Description

수광 소자 픽셀 및 비행 시간 검출 센서{PHOTO DETECTOR PIXEL AND TIME-OF-FLIGHT SENSOR}Light-receiving element pixel and time-of-flight detection sensor {PHOTO DETECTOR PIXEL AND TIME-OF-FLIGHT SENSOR}

본 기술은 수광 소자 픽셀 및 비행 시간 검출 센서와 관련된다. The present technology relates to a light receiving element pixel and a time-of-flight detection sensor.

빛이 조사된 시점에서 물체에서 반사되어 수광된 시점까지의 비행 시간(Time-of-Flight, TOF)을 측정하여 센서로부터 물체까지의 거리 정보를 획득할 수 있는 센서가 각광을 받고 있다. 이러한 센서들은 한 점까지의 거리만을 측정하는 것이 아니라 센서 내부의 픽셀 어레이로부터 일정한 범위의 거리를 동시에 측정하여 3D 거리 영상을 제공할 수 있다. 3D 거리 영상은 움직임, 몸짓(gesture) 등을 통한 기계/컴퓨터 제어, 자율주행차량 등에서 사용되고 있으며, 모바일 장치에서도 TOF 센서에 대한 수요가 증가하고 있다. A sensor capable of acquiring distance information from a sensor to an object by measuring a time-of-flight (TOF) from a time when light is irradiated to a time when light is reflected from an object and received light is in the limelight. These sensors may provide a 3D distance image by simultaneously measuring a distance within a certain range from a pixel array inside the sensor instead of measuring only a distance to a single point. 3D distance images are used in machine/computer control and autonomous vehicles through movement and gestures, and demand for TOF sensors is increasing in mobile devices as well.

종래의 비행 시간 측정 기술로는 높은 감도를 가지는 애벌런치 포토 다이오드(avalance photo diode)를 필수 구성요소로 하여 조사광과 반사광의 시간 차이를 직접 측정하는 방식이 있다. As a conventional time-of-flight measurement technique, there is a method of directly measuring a time difference between irradiated light and reflected light by using an avalanche photo diode having high sensitivity as an essential component.

또 다른 비행 시간 측정 기술은 빛을 특정 주파수로 변조하여 조사한 후, 수광시 같은 주파수로 복조함으로써 변조 파형의 위상차를 측정하는 간접 TOF 검출 방식이 있다. 간접 TOF 검출 방식은 일반적인 포토 다이오드를 사용하여 픽셀을 제작할 수 있다는 장점이 있다. Another time-of-flight measurement technique is an indirect TOF detection method in which the phase difference of the modulated waveform is measured by modulating light at a specific frequency and then demodulating the light at the same frequency when light is received. The indirect TOF detection method has the advantage of being able to fabricate a pixel using a general photodiode.

그러나, 간접 TOF 검출 방식에 사용되는 픽셀은 포토 다이오드가 광을 수광하여 형성한 하전 입자를 저장하는 스토리지 노드 및 스토리지 노드로 하전 입자를 제공하는 스위치의 공정 오차에 그 특성이 좌우된다. 나아가, 수광 소자가 형성한 전자, 정공 등의 하전 입자를 신속하게 스토리지 노드에 제공하여야 한다.However, the characteristics of pixels used in the indirect TOF detection method depend on process errors of a storage node that stores charged particles formed by receiving light from a photodiode and a switch that supplies charged particles to the storage node. Furthermore, charged particles such as electrons and holes formed by the light receiving element must be quickly provided to the storage node.

상술한 공정 오차와 하전 입자의 이동 시간은 전자 생성 효율과 함께 거리 측정 성능을 결정하는 주요 요인인 복조 대비도(demodulation contrast)를 낮추는 주요한 요인이 된다. The process error and the moving time of the charged particles described above become major factors in lowering demodulation contrast, which is a major factor in determining distance measurement performance, along with electron generation efficiency.

본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 상기한 종래 기술의 난점을 해소하기 위한 것이다. 즉, 공정 오차에 강하고, 하전 입자의 이동 시간의 증가를 막아 복조 대비도를 향상시키는 것이 본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하나이다. One of the problems to be solved by this embodiment is to solve the above-mentioned difficulties of the prior art. That is, one of the problems to be solved by the present embodiment is to be resistant to process errors and to improve demodulation contrast by preventing an increase in the movement time of charged particles.

본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀은: 제1 도전형으로 도핑된 제1 패턴과 상기 제1 도전형으로 도핑되고, 상기 제1 패턴 주변에 위치하는 제2 패턴을 포함하여 포텐셜 슬로프(potential slope)를 형성하는 포텐셜 슬로프 구조(potential slope structure); 하전 입자를 저장하는 제1 스토리지 노드 및 제2 스토리지 노드 및 제어 신호에 따라 상기 포텐셜 슬로프 구조에 위치하는 상기 하전 입자를 각각 상기 제1 스토리지 노드 및 상기 제2 스토리지 노드로 제공하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함한다. A light receiving element pixel according to this embodiment includes: a potential slope structure including a first pattern doped with a first conductivity type and a second pattern doped with the first conductivity type and positioned around the first pattern to form a potential slope; A first storage node and a second storage node for storing charged particles, and a first gate and a second gate for providing the charged particles located on the potential slope structure to the first storage node and the second storage node, respectively, according to a control signal.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 수광 소자 픽셀은, 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴의 상부에 위치하며, 상기 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형으로 도핑된 피닝 패턴(pinning pattern)을 더 포함한다. According to one aspect of the present embodiment, the light-receiving element pixel is located above the first pattern and the second pattern, and is doped with a second conductivity type opposite to the first conductivity type. A pinning pattern (pinning pattern).

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 수광 소자 픽셀은, 상기 제1 패턴의 도핑 농도는 상기 제2 패턴의 도핑 농도에 비하여 높다.According to one aspect of this embodiment, in the light receiving element pixel, the doping concentration of the first pattern is higher than that of the second pattern.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 패턴은, 상기 제2 패턴과 인접하여 상기 제2 패턴으로 돌출된 복수의 돌기들을 포함한다. According to one aspect of this embodiment, the first pattern includes a plurality of protrusions protruding into the second pattern adjacent to the second pattern.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 및 제2 스토리지 노드는, 서로 이격된 두 도전체로 형성된 커패시터 및 다이오드의 접합에서 형성된 접합 커패시터 중 어느 하나 이상이다. According to one aspect of the present embodiment, the first and second storage nodes are at least one of a capacitor formed of two conductors spaced apart from each other and a junction capacitor formed at a junction of a diode.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 스토리지 노드는, 상기 제1 게이트를 통하여 상기 제1 패턴과 전기적으로 연결되며, 상기 제2 스토리지 노드는, 상기 제2 게이트를 통하여 상기 제1 패턴과 전기적으로 연결된다. According to one aspect of the present embodiment, the first storage node is electrically connected to the first pattern through the first gate, and the second storage node is electrically connected to the first pattern through the second gate.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제2 패턴은, 상기 제1 패턴과 연결되되, 상기 제1 패턴을 중심으로 서로 이격되어 배치된다. According to one aspect of this embodiment, the second pattern, doedoe connected to the first pattern, is disposed spaced apart from each other around the first pattern.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 및 제2 스토리지 노드들은, 상기 제2 패턴이 상기 제1 패턴을 중심으로 서로 이격되어 배치되는 방향과 서로 다른 방향에 위치한다. According to one aspect of the present embodiment, the first and second storage nodes are located in a direction different from a direction in which the second pattern is spaced apart from each other with respect to the first pattern.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 도전형은 n 타입이고, 상기 제2 도전형은 p 타입이다. According to one aspect of the present embodiment, the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 수광 소자 픽셀은, 비행 시간(Time of Flight) 검출 센서에 포함된다. According to one aspect of this embodiment, the light receiving element pixel is included in a Time of Flight detection sensor.

본 실시예에 의한 비행 시간 검출 센서(Time of Flight detection sensor)서는: 어레이로 배치된 복수의 수광 소자 픽셀들을 포함하고, 상기 수광 소자 픽셀은: 수광한 광에 상응하는 하전 입자가 형성되는 포텐셜 슬로프 구조(potential slope structure); 하전 입자를 저장하는 제1 스토리지 노드 및 제2 스토리지 노드 및 제어 신호에 따라 상기 포텐셜 슬로프 구조에 위치하는 상기 하전 입자를 상기 제1 스토리지 노드로 제공하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하고, 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자와, 상기 수광 소자 픽셀과 동일한 행에서 서로 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자는 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것이다. The Time of Flight detection sensor according to this embodiment includes: a plurality of light-receiving element pixels arranged in an array, and the light-receiving element pixels include: a potential slope structure in which charged particles corresponding to received light are formed; A first storage node and a second storage node for storing charged particles and a first gate and a second gate for providing the charged particles located in the potential slope structure to the first storage node according to a control signal, wherein the charged particles stored in the first storage node included in the light-receiving element pixels and the charged particles stored in the first storage node included in the light-receiving element pixels adjacent to each other in the same row as the light-receiving element pixels are generated from light having a phase difference of 180 degrees from each other. .

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 비행 시간 검출 센서는 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보와, 상기 수광 소자 픽셀과 동일한 행에서 서로 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보를 보간하여 상기 비행 시간을 검출한다.According to one aspect of this embodiment, the time-of-flight detection sensor detects the time-of-flight by interpolating information generated from charged particles stored in the first storage node included in the light-receiving element pixels and information generated from charged particles stored in the first storage node included in the light-receiving element pixels adjacent to each other in the same row as the light-receiving element pixels.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 비행 시간 검출 센서는 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보와, 상기 수광 소자 픽셀과 동일한 행에서 서로 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보를 보간하여 상기 비행 시간을 검출한다.According to one aspect of the present embodiment, the time-of-flight detection sensor detects the time-of-flight by interpolating information generated from charged particles stored in the second storage node included in the light-receiving element pixels and information generated from charged particles stored in the second storage node included in the light-receiving element pixels adjacent to each other in the same row as the light-receiving element pixels.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드 및 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자와, 상기 수광 소자 픽셀과 서로 다른 행에서 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드 및 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자는 서로 90도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것이다. According to one aspect of the present embodiment, the charged particles stored in the first storage node and the second storage node included in the light-receiving element pixel, and the charged particles included in the light-receiving element pixels adjacent to the light-receiving element pixel and stored in the first storage node and the second storage node in a row different from each other are generated from light having a phase difference of 90 degrees from each other.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 비행 시간 검출 센서는, 네 개의 프레임을 하나의 주기로 동작하며, 서로 인접한 두 개의 프레임마다 상기 수광 소자 픽셀에는 서로 90도의 위상차를 가지는 광이 제공된다. According to one aspect of this embodiment, the time-of-flight detection sensor operates in a cycle of four frames, and light having a phase difference of 90 degrees is provided to the light-receiving element pixels for every two frames adjacent to each other.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 비행 시간 검출 센서는, 상기 한 주기 동안 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보들을 보간하고, 상기 한 주기 동안 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보들을 보간하여 상기 비행 시간을 검출한다.According to one aspect of the present embodiment, the time-of-flight detection sensor detects the time-of-flight by interpolating information generated from charged particles stored in the first storage node included in the pixel of the light-receiving element during the one period, and interpolating information generated from charged particles stored in the second storage node included in the pixel of the light-receiving element during the one-period.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 포텐셜 슬로프 구조는, 상기 픽셀 중앙에 위치하여 제1 도전형으로 도핑된 제1 패턴과 상기 제1 도전형으로 도핑되고, 상기 제1 패턴 주변에 위치하는 제2 패턴을 포함하여 포텐셜 슬로프(potential slope)를 형성하는 것이다.According to one aspect of the present embodiment, the potential slope structure includes a first pattern located at the center of the pixel and doped with the first conductivity type and a second pattern doped with the first conductivity type and located around the first pattern to form a potential slope.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트에 제공되는 상기 제어 신호는, 서로 180도 위상 차이를 가지는 것으로, 상기 제1 스토리지 노드와 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자는 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것이다. According to one aspect of the present embodiment, the control signals provided to the first gate and the second gate have a phase difference of 180 degrees from each other, and the charged particles stored in the first storage node and the second storage node are generated from light having a phase difference of 180 degrees from each other.

본 실시예에 의하면 높은 복조 대비도를 얻을 수 있으며, 제조 공정에서 발생하는 스토리지 노드의 부정합(mismatch)의 영향을 최소화할 수 있다는 장점이 제공된다. According to the present embodiment, a high demodulation contrast can be obtained and an effect of a mismatch of storage nodes occurring in a manufacturing process can be minimized.

도 1은 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀의 개요를 도시한 개요도이다.
도 2(a)는 도 1의 A-A'선을 따른 단면도이고, 도 2(b)는 도 1의 B-B'선을 따른 단면도이다.
도 3은 도 2(a)의 단면을 따른 포텐셜 분포를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2(b)로 예시된 단면을 따른 포텐셜 분포를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 5는 어느 한 프레임에서 본 실시예에 의한 비행 시간 검출 센서의 동작을 예시한 개요도이다.
도 6은 비행 시간 검출 센서에서 방사된 광과 반사된 광및 게이트 들에 제공되는 제어 신호들(TX0, TX1, TX2, TX3)의 개형을 개요적으로 도시한 타이밍도이다.
도 7(a) 내지 도 7(d)는 비행 시간 검출 센서가 순서대로 네 개의 프레임을 촬영하는 것을 예시한 도면이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀의 A-A' 및 B-B'를 따른 포텐셜 변화를 도시한 도면이다. 도 8(c)는 노란 파선으로 도시된 영역에서 발생하는 전자의 거동을 수광 소자 픽셀의 A-A'선을 따라 도시한 도면이다.
도 9는 종래 기술에 의한 수광 소자 픽셀과 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀 사이의 복조 대비도를 대비한 그래프이다.
도 10은 종래 기술에 의한 수광 소자 픽셀과 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀의 민감도(sensitivity)를 비교한 도면이다. 1 is a schematic diagram showing the outline of a light receiving element pixel according to this embodiment.
FIG. 2(a) is a cross-sectional view taken along the line A-A' of FIG. 1, and FIG. 2(b) is a cross-sectional view taken along the line BB' of FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a potential distribution along the cross section of FIG. 2(a).
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a potential distribution along the cross section illustrated in FIG. 2(b).
5 is a schematic diagram illustrating the operation of the time-of-flight detection sensor according to the present embodiment in one frame.
6 is a timing diagram schematically illustrating the outline of control signals TX0, TX1, TX2, and TX3 provided to gates and emitted light and reflected light from a time-of-flight detection sensor.
7(a) to 7(d) are diagrams illustrating that the time-of-flight sensor sequentially captures four frames.
8(a) and 8(b) are diagrams showing potential changes along AA' and BB' of the light-receiving element pixel according to the present embodiment. FIG. 8(c) is a diagram showing the behavior of electrons generated in a region indicated by a yellow broken line along the line A-A' of a pixel of a light receiving element.
9 is a graph comparing demodulation contrast between a conventional light receiving element pixel and a light receiving element pixel according to the present embodiment.
FIG. 10 is a diagram comparing sensitivities of a conventional light-receiving element pixel and a light-receiving element pixel according to the present embodiment.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀(10)의 개요를 도시한 개요도이고, 도 2(a)는 도 1의 A-A'선을 따른 단면도이고, 도 2(b)는 도 1의 B-B'선을 따른 단면도이다. 도 1 내지 도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀(10)은 제1 도전형으로 도핑된 제1 패턴(110)과 상기 제1 도전형으로 도핑되고, 상기 제1 패턴(110) 주변에 위치하는 제2 패턴(120)을 포함하여 포텐셜 슬로프(potential slope)를 형성하는 포텐셜 슬로프 구조(potential slope structure, 100)와, 하전 입자를 저장하는 제1 스토리지 노드(300A) 및 제2 스토리지 노드(300B) 및 제어 신호에 따라 상기 포텐셜 슬로프 구조(100)에 위치하는 상기 하전 입자를 각각 상기 제1 스토리지 노드(300A) 및 상기 제2 스토리지 노드(300B)로 제공하는 제1 게이트(200A) 및 제2 게이트(200B)를 포함한다. Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. 1 is a schematic diagram showing the outline of a light receiving element pixel 10 according to this embodiment, FIG. 2(a) is a cross-sectional view taken along the line A-A' in FIG. 1, and FIG. 2(b) is a cross-sectional view taken along the line BB' in FIG. Referring to FIGS. 1 to 2(a) and 2(b) , the light receiving element pixel 10 according to the present embodiment includes a first pattern 110 doped with a first conductivity type and a second pattern 120 doped with the first conductivity type and positioned around the first pattern 110 to form a potential slope, a potential slope structure 100, and a charge A first storage node 300A and a second storage node 300B for storing particles, and a first gate 200A and a second gate 200B for providing the charged particles located on the potential slope structure 100 to the first storage node 300A and the second storage node 300B, respectively, according to a control signal.

도 1 및 도 2로 예시된 실시예에서, 발광부(미도시)가 제공한 광은 오브젝트(미도시)에서 반사되어 픽셀(10)로 입사된다. 일 예로, 오브젝트(미도시)에서 반사된 광은 렌즈(미도시) 및 거울(미도시) 중 어느 하나 이상을 포함하는 광학계를 통하여 집광, 분산, 산란 및 시준 중 어느 하나 이상의 광학적 처리가 수행되어 제1 패턴(110)으로 제공된다. In the embodiment illustrated in FIGS. 1 and 2 , light provided by a light emitting unit (not shown) is reflected from an object (not shown) and is incident to the pixel 10 . As an example, the light reflected from an object (not shown) is subjected to optical processing of at least one of condensing, dispersing, scattering, and collimation through an optical system including at least one of a lens (not shown) and a mirror (not shown). Provided as the first pattern 110.

제1 패턴(110)에 두 방향으로 인접하여 제2 패턴(120)들이 위치한다. 제1 패턴(110) 및 제2 패턴(120)은 제1 도전형으로 도핑된다. 또한 제1 패턴(110)의 도핑 농도는 제2 패턴의 도핑 농도에 비하여 높다. 따라서, 제1 패턴(110)과 제2 패턴(120)은 포텐셜의 차이에 의한 포텐셜 슬로프를 형성한다. Second patterns 120 are positioned adjacent to the first pattern 110 in two directions. The first pattern 110 and the second pattern 120 are doped with the first conductivity type. Also, the doping concentration of the first pattern 110 is higher than that of the second pattern. Accordingly, the first pattern 110 and the second pattern 120 form a potential slope due to a potential difference.

도 2(a) 및 도 2(b)로 예시된 것과 같이 제1 패턴(110)과 제2 패턴(120)의 상부에는 피닝 패턴(pinning pattern, 130)이 위치한다. 피닝 패턴(130)은 제1 도전형과 반대의 도전형인 제2 도전형으로 도핑된 패턴일 수 있다. 일 실시예로, 제1 패턴(110) 및 제2 패턴(120)은 n 타입 불순물로 도핑될 수 있으며, 피닝 패턴(130)은 p 타입 불순물로 도핑될 수 있다. 제1 패턴(110)의 도핑 농도는 제2 패턴(120)의 도핑 농도에 비하여 높을 수 있다. 또한, 피닝 패턴(130)은 높은 도핑 농도(p+)로 도핑될 수 있다. As illustrated in FIGS. 2(a) and 2(b) , a pinning pattern 130 is positioned above the first pattern 110 and the second pattern 120 . The pinning pattern 130 may be a pattern doped with a second conductivity type that is opposite to the first conductivity type. In one embodiment, the first pattern 110 and the second pattern 120 may be doped with n-type impurities, and the pinning pattern 130 may be doped with p-type impurities. The doping concentration of the first pattern 110 may be higher than that of the second pattern 120 . Also, the pinned pattern 130 may be doped with a high doping concentration (p+).

따라서, 피닝 패턴(130)과 제1 패턴(110) 및 제2 패턴(120)은 pn 접합되어 광을 검출하고, 광에 상응하는 하전 입자를 형성하는 포토 다이오드로 기능할 수 있다. Accordingly, the pinning pattern 130, the first pattern 110, and the second pattern 120 may be pn-junctioned to function as a photodiode that detects light and forms charged particles corresponding to the light.

도 3은 도 2(a)의 단면을 따른 포텐셜 분포를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제2 패턴(120)에 비하여 높은 도핑 농도를 가지는 제1 패턴(110)이 인접하여 형성됨에 따라 포텐셜 슬로프(potential slope)가 형성된다. FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a potential distribution along the cross section of FIG. 2(a). Referring to FIGS. 1 to 3 , a potential slope is formed as the first pattern 110 having a higher doping concentration than the second pattern 120 is formed adjacently.

또한 도 1로 예시된 바와 같이 제1 패턴(110)은 제2 패턴(120)과 인접하여 제2 패턴(120)으로 돌출되고, 제2 패턴(120)이 제1 패턴(110)으로 돌출된 복수의 돌기 구조(220)를 포함한다. 제1 패턴(110)에서 제2 패턴(120)으로 돌출되고 제2 패턴(120)에서 제1 패턴(110)으로 돌출된 복수의 돌기 구조에 의하여 포텐셜 슬로프를 더욱 급하게 형성할 수 있다. In addition, as illustrated in FIG. 1, the first pattern 110 protrudes into the second pattern 120 adjacent to the second pattern 120, and the second pattern 120 protrudes into the first pattern 110. It includes a plurality of protrusion structures 220. A potential slope may be more rapidly formed by a plurality of protrusion structures protruding from the first pattern 110 to the second pattern 120 and from the second pattern 120 to the first pattern 110 .

이로부터 수광한 광에 상응하는 하전 입자가 제2 패턴(120)에 잔류하는 것을 최소화할 수 있으며, 수광한 광에 상응하는 하전 입자를 제1 패턴(110)으로 수집(gather)하는 효율을 향상시킬 수 있다. 이로부터 어느 한 위상의 광이 제공된 후, 해당 광에 의하여 형성된 하전 입자가 제2 패턴에 잔류하여 스토리지 노드에 제공되지 못하고, 다음 위상의 광에 의하여 형성되는 하전 입자와 혼입되어 복조 대비도(demodulation contrast)를 감소시키는 것을 막을 수 있다. Accordingly, it is possible to minimize the remaining of the charged particles corresponding to the received light in the second pattern 120, and to improve the efficiency of collecting the charged particles corresponding to the received light in the first pattern 110. From this, after the light of one phase is provided, the charged particles formed by the corresponding light remain in the second pattern and are not provided to the storage node, and are mixed with the charged particles formed by the light of the next phase, thereby reducing the demodulation contrast.

제1 게이트(200A) 및 제2 게이트(200B)는 제어 신호를 제공받고, 광전 효과에 의하여 형성된 하전 입자를 제어 신호에 상응하는 제1 스토리지 노드(300A) 또는 제2 스토리지 노드(300B)에 제공한다. 일 실시예로, 제1 게이트(200A) 및 제2 게이트(200B)는 폴리 실리콘으로 형성할 수 있다. The first gate 200A and the second gate 200B receive a control signal and provide charged particles formed by the photoelectric effect to the first storage node 300A or the second storage node 300B corresponding to the control signal. In one embodiment, the first gate 200A and the second gate 200B may be formed of polysilicon.

제1 스토리지 노드(300A) 및 제2 스토리지 노드(300B)는 하전 입자가 저장되며, 일 예로, 서로 이격된 두 금속 등의 전도체에 의하여 형성된 커패시터(capacitor), pn 접합에 의하여 형성되는 접합 커패시터 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The first storage node 300A and the second storage node 300B store charged particles, and may include, for example, at least one of a capacitor formed by conductors such as two metals spaced apart from each other and a junction capacitor formed by a pn junction.

도 4는 도 2(b)로 예시된 단면을 따른 포텐셜 분포를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 제1 게이트(200A)에 양 전압(positive voltage)의 제어 신호가 제공됨에 따라 포텐셜 배리어(potential barrier)가 낮아지며 제1 패턴(110)에 형성된 하전 입자는 낮아진 포텐셜 배리어에 의하여 제1 게이트(110)를 거쳐 제1 스토리지 노드(300A)로 제공된다. FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a potential distribution along the cross section illustrated in FIG. 2(b). 1, 2, and 4, as a control signal of a positive voltage is provided to the first gate 200A, the potential barrier is lowered, and the charged particles formed on the first pattern 110 are provided to the first storage node 300A via the first gate 110 by the lowered potential barrier.

예시된 실시예에 의하면, 포텐셜 슬로프 구조(100)에 형성된 포텐셜 슬로프에 의하여 제2 패턴(120)에 잔류하는 하전 입자를 최소화하여 복조 대비도를 향상시킬 수 있다는 장점 뿐만 아니라 잔류 전하를 최소화하여 측정 오차(depth error)를 최소화할 수 있다는 장점이 제공된다. 나아가 픽셀 구조가 대칭적이므로 집광 렌즈와의 오정렬(misalignment)에서 발생하는 오류를 감소시켜 높은 집광 효율 및 높은 민감도(sensitivity)을 얻을 수 있다는 장점도 제공된다. According to the illustrated embodiment, the advantage of being able to improve the demodulation contrast by minimizing the charged particles remaining in the second pattern 120 by the potential slope formed in the potential slope structure 100, as well as minimizing the residual charge, thereby minimizing the measurement error (depth error) is provided. Furthermore, since the pixel structure is symmetrical, errors generated from misalignment with the condensing lens are reduced, thereby providing an advantage of obtaining high light condensing efficiency and high sensitivity.

이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 실시예에 의한 비행 시간 검출 센서(Time of Flight Sensor)를 설명한다. 도 5는 어느 한 프레임에서 본 실시예에 의한 비행 시간 검출 센서(1)의 동작을 예시한 개요도이다. 도 5를 참조하면, 비행 시간 검출 센서(Time of Flight detection sensor, 1)는: 어레이로 배치된 복수의 수광 소자 픽셀들(10a, 10b)을 포함하고, 상기 수광 소자 픽셀은: 수광한 광에 상응하는 하전 입자가 형성되는 포텐셜 슬로프 구조(potential slope structure, 110); 하전 입자를 저장하는 제1 스토리지 노드(300A) 및 제2 스토리지 노드(300B) 및 제어 신호에 따라 상기 포텐셜 슬로프 구조(110)에 위치하는 상기 하전 입자를 상기 제1 스토리지 노드(300A) 및 제2 스토리지 노드(300B)로 제공하는 제1 게이트(200A) 및 제2 게이트(200B)를 포함한다. Hereinafter, a time of flight sensor according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 7 . 5 is a schematic diagram illustrating the operation of the time-of-flight detection sensor 1 according to this embodiment in a certain frame. Referring to FIG. 5 , a Time of Flight detection sensor 1 includes a plurality of light-receiving element pixels 10a and 10b arranged in an array, and the light-receiving element pixels include: a potential slope structure 110 in which charged particles corresponding to received light are formed; A first storage node 300A and a second storage node 300B that store charged particles, and a first gate 200A and a second gate 200B that provide the charged particles located on the potential slope structure 110 to the first storage node 300A and the second storage node 300B according to a control signal.

도 6은 비행 시간 검출 센서에서 방사된 광(emitted light)과 반사된 광(reflected light) 및 게이트 들에 제공되는 제어 신호들(TX0, TX1, TX2, TX3)의 개형을 개요적으로 도시한 타이밍도이다. 6 is a timing diagram schematically illustrating an outline of control signals TX0, TX1, TX2, and TX3 provided to gates and emitted light and reflected light from a time-of-flight detection sensor.

도 5에서 0/180으로 예시된 값은 제1 게이트(200A)가 반사광의 0도 위상으로부터 형성된 하전 입자를 통과시키도록 제어신호가 제공되고, 제2 게이트(200B)가 반사광의 180도 위상으로부터 형성된 하전 입자를 통과시키도록 제어신호가 제공되는 것을 의미한다. 마찬가지로, 270/90으로 예시된 값들은 제1 게이트(200A)가 반사광의 270도 위상으로부터 형성된 하전 입자를 통과시키도록 제어신호가 제공되고, 제2 게이트(200B)가 반사광의 90도 위상으로부터 형성된 하전 입자를 통과시키도록 제어신호가 제공되는 것을 의미한다.The value illustrated as 0/180 in FIG. 5 means that a control signal is provided so that the first gate 200A passes charged particles formed from the 0 degree phase of the reflected light, and a control signal is provided so that the second gate 200B passes charged particles formed from the 180 degree phase of the reflected light. Likewise, the values exemplified as 270/90 mean that a control signal is provided so that the first gate 200A passes charged particles formed from the 270 degree phase of the reflected light, and a control signal is provided so that the second gate 200B passes charged particles formed from the 90 degree phase of the reflected light.

도 5 및 도 6을 참조하면, 어레이로 배치된 수광 소자 픽셀들(10a, 10b)에 포함된 제1 게이트(200A)와 제2 게이트(200B)에는 서로 180도의 위상 차이를 가지는 제어 신호가 제공된다. 따라서, 수광 소자 픽셀(10)에 포함된 제1 스토리지 노드(300A)와 제2 스토리지 노드(300B)에는 서로 180도 위상차가 있는 반사광에 의하여 형성된 하전 입자가 저장된다. 5 and 6, control signals having a phase difference of 180 degrees are provided to the first gate 200A and the second gate 200B included in the light receiving element pixels 10a and 10b arranged in an array. Accordingly, charged particles formed by reflected light having a phase difference of 180 degrees from each other are stored in the first storage node 300A and the second storage node 300B included in the light receiving element pixel 10 .

도 5로 예시된 것과 같이 수광 소자 픽셀(10a)의 제1 게이트(200A)와 제2 게이트(200B)에 제공되는 제어 신호는 각각 0도 및 180도의 위상을 가진다. 수광 소자 픽셀(10a)과 동일한 행에 포함되며 서로 인접한 수광 소자 픽셀(10b)의 제1 게이트(200A)에 제공되는 제어 신호는 각각 180도의 위상을 가지며, 제2 게이트(200B)에 제공되는 제어 신호는 각각 0도의 위상을 가진다. As illustrated in FIG. 5 , the control signals provided to the first gate 200A and the second gate 200B of the light receiving element pixel 10a have phases of 0 degrees and 180 degrees, respectively. The control signals provided to the first gates 200A of the light-receiving element pixels 10b included in the same row as the light-receiving element pixels 10b adjacent to each other each have a phase of 180 degrees, and the control signals provided to the second gates 200B each have a phase of 0 degrees.

수광 소자 픽셀들(10a)의 제1 스토리지 노드(300A)와 수광 소자 픽셀(10b)의 제1 스토리지 노드(300A)에 저장되는 하전 입자는 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것이고, 수광 소자 픽셀들(10a)의 제2 스토리지 노드(300B)와 수광 소자 픽셀(10b)의 제2 스토리지 노드(300B)에 저장되는 하전 입자도 마찬가지로 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것이다. The charged particles stored in the first storage node 300A of the light-receiving element pixels 10a and the first storage node 300A of the light-receiving element pixel 10b are generated from light having a phase difference of 180 degrees from each other, and the charged particles stored in the second storage node 300B of the light-receiving element pixels 10a and the second storage node 300B of the light-receiving element pixels 10b are also 180 degrees out of phase with each other. It is generated from light having a difference.

또한, 수광 소자 픽셀(10a)과 서로 다른 행에서 서로 인접한 수광 소자 픽셀(10c)의 제1 게이트(200A)와 제2 게이트(200B)에 제공되는 제어 신호는 각각 90도 및 270도의 위상을 가진다. 수광 소자 픽셀(10c)과 동일한 행에 포함되며 서로 인접한 수광 소자 픽셀(10d)의 제1 게이트(200A)에 제공되는 제어 신호는 270도의 위상을 가지며, 제2 게이트(200B)에 제공되는 제어 신호는 90도의 위상을 가진다.In addition, the control signals provided to the first gate 200A and the second gate 200B of the light-receiving element pixel 10a and the adjacent light-receiving element pixel 10c in different rows have phases of 90 degrees and 270 degrees, respectively. The control signal provided to the first gate 200A of the light-receiving element pixel 10d included in the same row as the light-receiving element pixel 10d adjacent to each other has a phase of 270 degrees, and the control signal provided to the second gate 200B has a phase of 90 degrees.

마찬가지로, 광 소자 픽셀들(10c)의 제1 스토리지 노드(300A)와 수광 소자 픽셀(10d)의 제1 스토리지 노드(300A)에 저장되는 하전 입자는 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것이고, 수광 소자 픽셀들(10c)의 제2 스토리지 노드(300B)와 수광 소자 픽셀(10d)의 제2 스토리지 노드(300B)에 저장되는 하전 입자도 마찬가지로 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것이다. Similarly, the charged particles stored in the first storage node 300A of the light element pixels 10c and the first storage node 300A of the light receiving element pixel 10d are generated from light having a phase difference of 180 degrees from each other, and the charged particles stored in the second storage node 300B of the light receiving element pixels 10c and the second storage node 300B of the light receiving element pixel 10d are also 180 degrees apart from each other. It is generated from light having a phase difference.

이로부터 각 수광 소자 픽셀에 포함된 스토리지 노드의 부정합(mismatch)를 보정할 수 있다는 장점이 제공된다. 일 예로, 제조 공정에 의하여 제1 스토리지 노드의 커패시턴스가 제2 스토리지 노드의 커패시턴스에 비하여 허용 오차를 넘는 정도로 크다면 동일한 양의 하전 입자가 제1 스토리지 노드와 제2 스토리지 노드에 저장되었다고 하더라도 제2 스토리지 노드에 형성된 전압이 제1 스토리지 노드에 형성된 전압에 비하여 허용 오차를 넘을 정도로 크다. From this, an advantage is provided that a mismatch of storage nodes included in each light-receiving element pixel can be corrected. For example, if the capacitance of the first storage node is larger than the capacitance of the second storage node due to a manufacturing process to the extent of exceeding an allowable error, even if the same amount of charged particles are stored in the first storage node and the second storage node, the voltage formed at the second storage node is greater than the voltage formed at the first storage node.

따라서, 동일한 장면(scene)에 대하여 어느 한 위상을 가지는 반사광에 상응하는 하전 입자를 제1 스토리지 노드 및 제2 스토리지 노드 중 어느 하나에만 저장하면 제1 스토리지 노드와 제2 스토리지 노드 사이의 부정합(mismatch)에 의한 영향에 의하여 측정 오차가 발생한다. Therefore, if charged particles corresponding to reflected light having a certain phase are stored in only one of the first storage node and the second storage node for the same scene, a measurement error occurs due to the mismatch between the first storage node and the second storage node.

그러나, 본 실시예에 의하면, 어느 한 수광 소자 픽셀의 제1 스토리지 노드와 동일한 행에 위치하여 서로 인접한 수광 소자 픽셀의 제1 스토리지 노드에는 서로 180도 위상차를 가지는 광에 의한 하전 입자가 각각 저장된다. 마찬가지로, 어느 한 수광 소자 픽셀의 제2 스토리지 노드와 동일한 행에 위치하여 서로 인접한 수광 소자 픽셀의 제2 스토리지 노드에는 서로 180도 위상차를 가지는 광에 의한 하전 입자가 각각 저장된다. However, according to the present embodiment, charged particles caused by light having a phase difference of 180 degrees from each other are stored in the first storage nodes of adjacent light-receiving element pixels located on the same row as the first storage node of any one light-receiving element pixel. Similarly, charged particles caused by light having a phase difference of 180 degrees from each other are stored in the second storage nodes of light-receiving element pixels located adjacent to each other in the same row as the second storage node of any one light-receiving element pixel.

검출부(미도시)는 수광 소자 픽셀(10a)의 제2 스토리지 노드(300B)에 저장된 하전 입자로부터 형성된 전압과, 수광 소자 픽셀(10a)와 동일한 행에서 서로 인접한 수광 소자 픽셀(10b)의 제2 스토리지 노드(300B)에 저장된 하전 입자로부터 형성된 전압을 측정한다. A detector (not shown) measures a voltage formed from charged particles stored in the second storage node 300B of the light-receiving element pixel 10a and a voltage formed from charged particles stored in the second storage node 300B of the light-receiving element pixel 10b adjacent to each other in the same row as the light-receiving element pixel 10a.

이와 같이 형성된 정보를 보간(intepolate)하여 스토리지 노드에 형성된 부정합(mistmatch)에 의한 영향을 보정할 수 있으며, 이로부터 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다는 장점이 제공된다. 나아가, 한 프레임 단위로 정보를 보간하여 거리 측정을 수행할 수 있어 높은 초당 프레임 수(FPS, frame per second)를 얻을 수 있다. Information formed in this way can be interpolated to compensate for the influence of mismatch formed in the storage node, thereby providing an advantage in that measurement accuracy can be improved. Furthermore, since distance measurement can be performed by interpolating information in units of one frame, a high number of frames per second (FPS) can be obtained.

도 7(a) 내지 도 7(d)는 비행 시간 검출 센서(1)가 순서대로 네 개의 프레임을 촬영하는 것을 예시한 도면이다. 도 7(a) 내지 도 7(d)를 참조하면, 비행 시간 검출 센서(1)는 반사광(reflected light, 도 6 참조)의 0도, 90도, 180도 및 270도의 위상에 상응하는 제어 신호들(TX0, TX1, TX2, TX3)을 형성하고, 이들을 수광 소자 픽셀의 제1 및 제2 게이트(200A, 200B)에 제공한다. 따라서, 제1 스토리지 노드들(300A) 및 제2 스토리지 노드들(300B)에는 서로 180도 위상차이를 가지는 반사광에 의하여 형성된 하전 입자가 저장된다. 7(a) to 7(d) are diagrams illustrating that the time-of-flight detection sensor 1 sequentially photographs four frames. 7(a) to 7(d), the time-of-flight detection sensor 1 forms control signals TX0, TX1, TX2, and TX3 corresponding to phases of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees of reflected light (see FIG. 6) and provides them to the first and second gates 200A and 200B of the light-receiving element pixels. Accordingly, charged particles formed by reflected light having a phase difference of 180 degrees from each other are stored in the first storage nodes 300A and the second storage nodes 300B.

이어지는 프레임들에서는 반사광(reflected light, 도 6 참조)의 순차적으로 반사광의 90도, 180도 및 270도 위상에 상응하는 제어 신호들(TX0, TX1, TX2, TX3)을 형성하고, 이들을 수광 소자 픽셀의 제1 및 제2 게이트(200A, 200B)에 제공하여 거리를 검출한다. In subsequent frames, control signals TX0, TX1, TX2, and TX3 corresponding to phases of 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees of the reflected light (see FIG. 6) are sequentially formed, and the control signals TX0, TX1, TX2, and TX3 are provided to the first and second gates 200A and 200B of the light receiving element pixels to detect distances.

도 7(a) 내지 도 7(d)로 예시된 실시예와 같이 어느 한 픽셀은 네 개의 프레임을 하나의 주기로 동작할 수 있으며, 각 프레임 별 스토리지 노드에 형성된 정보를 보간하는 등의 방식으로 스토리지 노드의 부정합을 최소화할 수 있다. As in the embodiments illustrated in FIGS. 7A to 7D , any one pixel may operate four frames as one cycle, and information formed in the storage node for each frame may be interpolated. Mismatch of the storage node may be minimized.

실험예Experimental example

도 8(a) 및 도 8(b)는 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀의 A-A' 및 B-B'(도 1 참조)를 따른 포텐셜 변화를 도시한 도면이다. 도 8(a)를 참조하면, 수광 소자 픽셀의 양단부에서 중앙의 제1 패턴까지 급한 포텐셜 슬로프가 형성된 것을 파악할 수 있다. 이로부터 반사광을 수광하여 제2 패턴(120)에 형성되는 하전 입자들이 높은 효율로 제1 패턴(110)으로 수집되는 것을 알 수 있다. 따라서, 이로부터 높은 복조 대비도(demodulation contrast)를 얻을 수 있다. 8(a) and 8(b) are diagrams showing potential changes along A-A' and B-B' (see FIG. 1) of the light-receiving element pixel according to the present embodiment. Referring to FIG. 8( a ) , it can be seen that a steep potential slope is formed from both ends of the light receiving element pixel to the central first pattern. From this, it can be seen that the charged particles formed in the second pattern 120 by receiving reflected light are collected into the first pattern 110 with high efficiency. Accordingly, high demodulation contrast can be obtained therefrom.

도 8(b)를 참조하면, 어느 한 측의 게이트에 전압이 인가되어 포텐셜 배리어가 낮아진 것을 확인할 수 있다. 이로부터 수광한 반사광에 상응하는 하전 입자가 게이트 전극으로 제공된 제어 신호에 따라 스토리지 노드에 저장됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8( b ) , it can be confirmed that the potential barrier is lowered by applying a voltage to the gate on either side. From this, it can be confirmed that the charged particles corresponding to the received reflected light are stored in the storage node according to the control signal provided to the gate electrode.

도 8(c)는 노란 파선으로 도시된 영역에서 발생하는 전자의 거동을 수광 소자 픽셀의 A-A'선을 따라 도시한 도면이다. 도 8(c)를 참조하면, 수광 소자 픽셀의 단부쪽 제2 패턴에서 생성된 전자는 포테셜 슬로프 구조에 형성된 포텐셜 슬로프에 의하여 제1 패턴측으로 움직이는 것을 확인할 수 있으며, 높은 복조 대비도를 기대할 수 있다. FIG. 8(c) is a diagram showing the behavior of electrons generated in a region indicated by a yellow broken line along the line A-A' of a pixel of a light receiving element. Referring to FIG. 8(c), it can be confirmed that the electrons generated in the second pattern toward the end of the pixel of the light receiving element move toward the first pattern by the potential slope formed in the potential slope structure, and high demodulation contrast can be expected.

아래의 표는 종래 기술에 의한 수광 소자 픽셀과 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀을 대비한 표이다. The table below is a table comparing light-receiving element pixels according to the prior art and light-receiving element pixels according to the present embodiment.

표 1을 참조하면, 본 실시예에서는 수광 소자 픽셀을 대칭적으로 형성하여 수광 면적을 기존의 5.0μm2 에서 4% 향상된 5.4μm2로 증가시킬 수 있었다. 이로부터 민감도(sensitivity)가 향상된다. 나아가, 전자의 이동 시간을 67.5 ps에서 45.9 ps으로 감소시켜 이동 속도를 종래 기술 대비 32% 증가시킬 수 있다. 따라서, 제2 패턴에 잔류하는 하전 입자들을 모두 제1 패턴을 수집할 수 있어 복조 대비도를 향상시킬 수 있다. Referring to Table 1, in this embodiment, the light-receiving element pixels were symmetrically formed to increase the light-receiving area from the conventional 5.0μm 2 to 5.4μm 2 , an improvement of 4%. From this, sensitivity is improved. Furthermore, by reducing the electron movement time from 67.5 ps to 45.9 ps, the movement speed can be increased by 32% compared to the prior art. Accordingly, all the charged particles remaining in the second pattern can be collected in the first pattern, and demodulation contrast can be improved.

도 9는 종래 기술에 의한 수광 소자 픽셀과 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀 사이의 복조 대비도(DC, demodulation contrast)를 대비한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 10MHz ~ 50MHz 의 변조 주파수 범위에서 본 실시예는 종래 기술 대비 27% 이상의 복조 대비도 향상이 있음을 확인할 수 있다. 9 is a graph comparing demodulation contrast (DC) between a conventional light receiving element pixel and a light receiving element pixel according to the present embodiment. Referring to FIG. 9, it can be seen that in the modulation frequency range of 10 MHz to 50 MHz, the present embodiment has a demodulation contrast improvement of 27% or more compared to the prior art.

도 10은 종래 기술에 의한 수광 소자 픽셀과 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀의 민감도(sensitivity)를 비교한 도면이다. 도 10을 참조하면, 본 실시예에 의한 수광 소자 픽셀은 종래 기술에 의한 수광 소자 픽셀에 비하여 밝은 이미지를 제공하여 종래 기술에 비하여 높은 민감도(sensitivity)를 가지는 것을 확인할 수 있다. 본 실시예의 민감도 특성은 종래 기술 대비 33% 증가하였다. 이러한 특징은 수광 소자 픽셀이 대칭적인 구조로 형성된 것으로부터 기인하는 것으로 파악된다. FIG. 10 is a diagram comparing the sensitivity of a conventional light-receiving element pixel and a light-receiving element pixel according to the present embodiment. Referring to FIG. 10 , it can be confirmed that the light-receiving element pixel according to the present embodiment provides a brighter image than the prior art light-receiving element pixel and has higher sensitivity than the prior art. The sensitivity characteristics of this embodiment increased by 33% compared to the prior art. It is understood that this feature results from the fact that the light-receiving element pixels are formed in a symmetrical structure.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although it has been described with reference to the embodiments shown in the drawings to aid understanding of the present invention, this is an embodiment for implementation and is merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical scope of protection of the present invention will be defined by the appended claims.

1: 비행 시간 검출 센서
10: 수광 소자 픽셀 100: 포테셜 슬로프 구조
110: 제1 패턴 120: 제2 패턴
200A, 200B: 제1, 제2 게이트 300A, 300B: 제1, 제2 스토리지 노드1: Time-of-flight detection sensor
10: light receiving element pixel 100: potential slope structure
110: first pattern 120: second pattern
200A, 200B: first and second gates 300A, 300B: first and second storage nodes

Claims (18)

수광 소자 픽셀로, 상기 픽셀은:
제1 도전형으로 도핑된 제1 패턴과 상기 제1 도전형으로 도핑되고, 상기 제1 패턴 주변에 위치하는 제2 패턴을 포함하여 포텐셜 슬로프(potential slope)를 형성하는 포텐셜 슬로프 구조(potential slope structure);
하전 입자를 저장하는 제1 스토리지 노드 및 제2 스토리지 노드 및
제어 신호에 따라 상기 포텐셜 슬로프 구조에 위치하는 상기 하전 입자를 각각 상기 제1 스토리지 노드 및 상기 제2 스토리지 노드로 제공하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하는 수광 소자 픽셀. As a light receiving element pixel, the pixel is:
a potential slope structure including a first pattern doped with a first conductivity type and a second pattern doped with the first conductivity type and positioned around the first pattern to form a potential slope;
A first storage node and a second storage node for storing charged particles, and
A light receiving element pixel comprising a first gate and a second gate providing the charged particles located on the potential slope structure to the first storage node and the second storage node, respectively, according to a control signal. 제1항에 있어서,
상기 수광 소자 픽셀은,
상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴의 상부에 위치하며,
상기 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형으로 도핑된 피닝 패턴(pinning pattern)을 더 포함하는 수광 소자 픽셀. According to claim 1,
The light receiving element pixel,
Located above the first pattern and the second pattern,
The light-receiving element pixel further comprising a pinning pattern doped with a second conductivity type opposite to the first conductivity type. 제1항에 있어서,
상기 수광 소자 픽셀에서,
상기 제1 패턴의 도핑 농도는 상기 제2 패턴의 도핑 농도에 비하여 높은 수광 소자 픽셀.According to claim 1,
In the light receiving element pixel,
The doping concentration of the first pattern is higher than that of the second pattern. 제1항에 있어서,
상기 제1 패턴은,
상기 제2 패턴과 인접하여 상기 제2 패턴으로 돌출된 복수의 돌기들을 포함하는 수광 소자 픽셀. According to claim 1,
The first pattern,
A light receiving element pixel including a plurality of protrusions adjacent to the second pattern and protruding into the second pattern. 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 스토리지 노드는,
서로 이격된 두 도전체로 형성된 커패시터 및
다이오드의 접합에서 형성된 접합 커패시터 중 어느 하나 이상인 수광 소자 픽셀. According to claim 1,
The first and second storage nodes,
A capacitor formed of two conductors spaced apart from each other, and
A light-receiving element pixel that is any one or more of junction capacitors formed at junctions of diodes. 제1항에 있어서,
상기 제1 스토리지 노드는,
상기 제1 게이트를 통하여 상기 제1 패턴과 전기적으로 연결되며,
상기 제2 스토리지 노드는,
상기 제2 게이트를 통하여 상기 제1 패턴과 전기적으로 연결되는 수광 소자 픽셀. According to claim 1,
The first storage node,
electrically connected to the first pattern through the first gate;
The second storage node,
A light receiving element pixel electrically connected to the first pattern through the second gate. 제1항에 있어서,
상기 제2 패턴은,
상기 제1 패턴과 연결되되, 상기 제1 패턴을 중심으로 서로 이격되어 배치되는 수광 소자 픽셀. According to claim 1,
The second pattern,
Light-receiving element pixels connected to the first pattern and spaced apart from each other around the first pattern. 제7항에 있어서,
상기 제1 및 제2 스토리지 노드들은,
상기 제2 패턴이 상기 제1 패턴을 중심으로 서로 이격되어 배치되는 방향과 서로 다른 방향에 위치하는 수광 소자 픽셀. According to claim 7,
The first and second storage nodes,
A light-receiving element pixel positioned in a direction different from a direction in which the second patterns are spaced apart from each other with respect to the first pattern. 제1항에 있어서,
상기 제1 도전형은 n 타입이고,
상기 제2 도전형은 p 타입인 수광 소자 픽셀. According to claim 1,
The first conductivity type is n type,
The second conductivity type is a p-type light receiving element pixel. 제1항에 있어서,
상기 수광 소자 픽셀은,
비행 시간(Time of Flight) 검출 센서에 포함되는 수광 소자 픽셀. According to claim 1,
The light receiving element pixel,
A light-receiving element pixel included in a time-of-flight detection sensor. 비행 시간 검출 센서(Time of Flight detection sensor)로, 상기 비행 시간 검출 센서는:
어레이로 배치된 복수의 수광 소자 픽셀들을 포함하고, 상기 수광 소자 픽셀은:
수광한 광에 상응하는 하전 입자가 형성되는 포텐셜 슬로프 구조(potential slope structure);
상기 하전 입자를 저장하는 제1 스토리지 노드 및 제2 스토리지 노드 및
제어 신호에 따라 상기 포텐셜 슬로프 구조에 위치하는 상기 하전 입자를 각각 상기 제1 스토리지 노드 및 상기 제2 스토리지 노드로 제공하는 제1 게이트 및 제2 게이트를 포함하고,
상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자와, 상기 수광 소자 픽셀과 동일한 행에서 서로 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자는 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것인 비행 시간 검출 센서. With a Time of Flight detection sensor, the Time of Flight detection sensor:
It includes a plurality of light-receiving element pixels arranged in an array, wherein the light-receiving element pixels:
a potential slope structure in which charged particles corresponding to the received light are formed;
A first storage node and a second storage node storing the charged particles; and
A first gate and a second gate providing the charged particles located on the potential slope structure to the first storage node and the second storage node, respectively, according to a control signal;
The charged particle stored in the first storage node included in the light-receiving element pixel and the charged particle stored in the first storage node included in the light-receiving element pixel adjacent to each other in the same row as the light-receiving element pixel are generated from light having a phase difference of 180 degrees from each other. The time-of-flight detection sensor. 제11항에 있어서,
상기 비행 시간 검출 센서는
상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보와,
상기 수광 소자 픽셀과 동일한 행에서 서로 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보를 보간하여 상기 비행 시간을 검출하는 비행 시간 검출 센서.According to claim 11,
The time-of-flight detection sensor
information generated from charged particles stored in the first storage node included in the pixel of the light receiving element;
The time-of-flight detection sensor detects the time-of-flight by interpolating information generated from charged particles stored in the first storage node included in the light-receiving element pixels adjacent to each other in the same row as the light-receiving element pixel. 제12항에 있어서,
상기 비행 시간 검출 센서는
상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보와,
상기 수광 소자 픽셀과 동일한 행에서 서로 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보를 보간하여 상기 비행 시간을 검출하는 비행 시간 검출 센서.According to claim 12,
The time-of-flight detection sensor
information generated from charged particles stored in the second storage node included in the light receiving element pixel;
The time-of-flight detection sensor detects the time-of-flight by interpolating information generated from charged particles stored in the second storage node included in the light-receiving element pixels adjacent to each other in the same row as the light-receiving element pixel. 제11항에 있어서,
상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드 및 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자와,
상기 수광 소자 픽셀과 서로 다른 행에서 인접한 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드 및 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자는 서로 90도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것인 비행 시간 검출 센서. According to claim 11,
Charged particles stored in the first storage node and the second storage node included in the light receiving element pixel;
The time-of-flight detection sensor, wherein the charged particles stored in the first storage node and the second storage node included in the light-receiving element pixels adjacent to the light-receiving element pixels in different rows are generated from light having a phase difference of 90 degrees from each other. 제11항에 있어서,
상기 비행 시간 검출 센서는,
네 개의 프레임을 하나의 주기로 동작하며,
서로 인접한 두 개의 프레임마다 상기 수광 소자 픽셀에는 서로 90도의 위상차를 가지는 광이 제공되는 비행 시간 검출 센서. According to claim 11,
The time-of-flight detection sensor,
Four frames are operated as one cycle,
The time-of-flight detection sensor is provided with light having a phase difference of 90 degrees from each other to the light-receiving element pixels in every two frames adjacent to each other. 제15항에 있어서,
상기 비행 시간 검출 센서는,
상기 한 주기 동안 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제1 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보들을 보간하고,
상기 한 주기 동안 상기 수광 소자 픽셀에 포함된 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자로부터 생성된 정보들을 보간하여 상기 비행 시간을 검출하는 비행 시간 검출 센서.According to claim 15,
The time-of-flight detection sensor,
interpolating information generated from charged particles stored in the first storage node included in the pixel of the light-receiving element during the one period;
The time-of-flight detection sensor detects the time-of-flight by interpolating information generated from charged particles stored in the second storage node included in the pixel of the light-receiving element during the one period. 제11항에 있어서,
상기 포텐셜 슬로프 구조는,
상기 픽셀 중앙에 위치하여 제1 도전형으로 도핑된 제1 패턴과 상기 제1 도전형으로 도핑되고, 상기 제1 패턴 주변에 위치하는 제2 패턴을 포함하여 포텐셜 슬로프(potential slope)를 형성하는 것인 비행 시간 검출 센서.According to claim 11,
The potential slope structure,
A time-of-flight detection sensor comprising a first pattern located at the center of the pixel and doped with a first conductivity type and a second pattern doped with the first conductivity type and located around the first pattern to form a potential slope. 제11항에 있어서,
상기 제1 게이트 및 상기 제2 게이트에 제공되는 상기 제어 신호는,
서로 180도 위상 차이를 가지는 것으로,
상기 제1 스토리지 노드와 상기 제2 스토리지 노드에 저장되는 하전 입자는 서로 180도 위상차를 가지는 광으로부터 생성된 것인 비행 시간 검출 센서. According to claim 11,
The control signal provided to the first gate and the second gate,
By having a phase difference of 180 degrees from each other,
The first storage node and the charged particles stored in the second storage node are generated from light having a phase difference of 180 degrees from each other.
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WO2015118884A1 (en) * 2014-02-07 2015-08-13 国立大学法人静岡大学 Charge modulation element and solid-state imaging device
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