JP5441438B2 - ２進光信号を利用したイメージセンサー及び駆動方法 - Google Patents
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Description
本発明は、２進光信号を利用したイメージセンサー及び製造方法に関する。
カラーイメージセンサーは、光を感知して電気的な信号に変換する光電変換素子である。一般的なイメージセンサーは、半導体基板上に行列として配列される複数の単位ピクセルを備える。それぞれの単位ピクセルは、フォトダイオード及びトランジスタを備える。前記フォトダイオードは、外部から光を感知して光電荷を生成して保存する。前記トランジスタは、生成された光電荷の電荷量による電気的な信号を出力する。
相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサーは、光信号を受信して保存できるフォトダイオードを含み、また、光信号を制御または処理できる制御素子を使用してイメージを具現しうる。制御素子は、ＣＭＯＳの製造技術を利用して製造しうるので、ＣＭＯＳイメージセンサーは、その製造工程が単純であるという長所を有し、さらに、色々な信号処理素子と共に一つのチップに製造しうるという長所を有している。
一般的なＣＭＯＳイメージセンサーは、受光量を電圧に出力し、前記出力電圧は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータによってデジタルデータとして読み取られる。また、光によって生成された電荷を測定するために、３個または４個のトランジスタを必要とする。
従来のＡ／Ｄコンバータと信号処理のための複数のトランジスタとの代りに、簡単な構造を有する新たなイメージセンサーが必要である。
本発明が解決しようとする課題は、一つのセル領域で光の強度を２進信号として出力するイメージセンサーを提供することである。
前記課題を解決するために、本発明の一実施形態による２進光信号を利用したイメージセンサーは、アレイ状に配置された複数の単位ピクセルを備え、前記単位ピクセルは、複数のサブピクセルを備え、前記サブピクセルは、同じ波長の光を照射される複数のフローティングボディートランジスタを備え、前記フローティングボディートランジスタは、ソース領域と、ドレイン領域と、前記ソース領域とドレイン領域との間のフローティングボディー領域と、前記フローティングボディー領域上に形成されたゲート電極と、を備え、前記フローティングボディー領域は、光を受光して電子−正孔対を形成し、前記電子は、前記ソース領域または前記ドレイン領域に移動して排出され、前記正孔は、前記フローティングボディー領域に集められて第１電流状態である情報“１”を表し、前記ソース領域及び／または前記ドレイン領域に電圧を印加して前記正孔を前記ソース領域または前記ドレイン領域に排出して、前記フローティングボディー領域を第２電流状態である情報“０”を表すことを特徴とする。
本発明のイメージセンサーは、前記ゲート電極を連結する複数のゲートラインと、前記ドレイン領域を連結する複数のロウラインと、前記ソース領域を連結する複数のカラムラインと、をさらに備え、前記カラムラインは、前記ゲートライン及び前記ロウラインに対して直交して形成され、前記カラムラインから測定された電流で、前記第１電流状態または前記第２電流状態を測定する。
前記第１電流状態の電流が前記第２電流状態の電流より大きい。
前記フローティングボディートランジスタは、絶縁層上に形成され、前記フローティングボディートランジスタは、半導体からなる。
前記フローティングボディートランジスタは、その幅が５０ｎｍ〜５００ｎｍでありうる。
前記ゲートは、ポリシリコンまたは透明電極で形成される。
本発明の他の実施形態による２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法において、前記ゲートに負電圧を印加して、前記フローティングボディー領域に電荷保存空間を形成するステップと、前記イメージセンサー上に光を照射して前記フローティングボディートランジスタに情報を記録するステップと、前記フローティングボディートランジスタに記録された情報を読み取るステップと、前記フローティングボディーに蓄積された電荷を除去するステップと、を含む。
本発明の一局面によれば、前記電荷蓄積空間を形成するステップは、前記ドレイン領域に正電圧を印加するステップをさらに含む。
本発明の他の局面によれば、前記光照射ステップは、前記ドレイン領域に正電圧を印加するステップをさらに含みうる。
前記記録ステップは、前記フローティングボディー領域に正孔を蓄積して前記第１電流状態として、前記情報“１”を記録する。
本発明の一局面によれば、前記読み取りステップは、前記ロウラインに第１電圧を印加するステップと、前記カラムラインをスキャニングして前記カラムラインと前記ロウラインとが交差するセルから検出された第３電流を基準電流と比較して、前記第３電流が前記基準電流より大きければ、前記第１電流状態と判断し、前記第３電流が前記基準電流以下であれば、前記第２電流状態と判断するステップと、を含む。
本発明の他の局面によれば、前記読み取りステップは、前記ゲートラインに前記フローティングボディートランジスタのしきい電圧より大きい両電圧を印加するステップと、前記カラムラインをスキャニングして前記カラムラインと前記ゲートラインとが交差するセルから検出された第４電流を基準電流と比較して、前記第４電流が前記基準電流より大きければ、前記第１電流状態と判断し、前記第４電流が前記基準電流以下であれば、前記第２電流状態と判断するステップと、を含む。
前記除去ステップは、前記フローティングボディー領域のポテンシャルを前記ソース領域のポテンシャル及び前記ドレイン領域のポテンシャルの間に位置させて前記フローティングボディー領域に蓄積された正孔を放出するステップでありうる。
また、前記除去ステップは、前記ソース領域または前記ドレイン領域に負電圧を印加して、前記フローティングボディー領域に蓄積された正孔を前記負電圧の印加された前記ソース領域または前記ドレイン領域に放出するステップでありうる。
前記除去ステップは、前記フローティングボディートランジスタを第２電流状態にする。
本発明によれば、前記カラーフィルタ領域での光の検出強度は、前記カラーフィルタ領域に属するフローティングボディートランジスタのうち、前記第１電流状態で読み取られた前記フローティングボディートランジスタの割合で計算されうる。
前記電荷蓄積空間形成ステップと、前記情報記録ステップと、前記情報読み取りステップは、前記ゲート、前記ソース及びドレインに同期的に電圧を印加することが望ましい。
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態による２進光信号を利用したイメージセンサー及び駆動方法を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による２進光信号を利用したイメージセンサーの単位ピクセルの平面図である。
イメージセンサーは、複数の単位ピクセルがアレイ状に配列される。前記単位ピクセルは、複数のサブピクセルを備える。前記サブピクセルは、相異なる波長の可視光を検出する。前記サブピクセルは、レッドピクセル（Ｒ）、グリーンピクセル（Ｇ）、ブルーピクセル（Ｂ）でありうる。前記サブピクセル上には、それぞれ検出しようとする光を選択的に透過させるカラーフィルタが形成され、また、カラーフィルタ上には、集光レンズであるマイクロレンズがさらに設置されうる。図１では、便宜上集光レンズ及びカラーフィルタの構成を省略した。
各サブピクセルＲ、Ｇ、Ｂには、複数のフローティングボディートランジスタ１０と前記フローティングボディートランジスタ１０をアレイ状に連結する配線（図示せず）とが形成されている。前記フローティングボディートランジスタ１０は、５０ｎｍ〜５００ｎｍに形成されうる。前記フローティングボディートランジスタ１０は、その上に照射された光の有無を２進情報として提供する。
図２は、図１の２進光信号を利用したイメージセンサーのフローティングボディートランジスタ１０の構造を示す断面図である。
図２を参照すれば、絶縁層１１上に半導体層１２が形成されている。前記半導体層１２は、ｐ型シリコン層でありうる。シリコン層１２には、ｎ型不純物でドーピングされたソース領域１３及びドレイン領域１４が相互離隔されて形成されている。シリコン層１２でソース領域１３とドレイン領域１４との間の空間は、フローティングボディー領域１５となる。シリコン層１２上には、ゲート絶縁層１６及びゲート電極１７が積層されている。ゲート絶縁層１６は、シリコン酸化物でありうる。
ゲート電極１７は、透明な金属、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）電極であるか、またはポリシリコンでありうる。ポリシリコンなど光に不透明な物質でゲート電極１７が形成される場合、光がフローティングボディー領域１５に照射されるように、ソース領域１３とドレイン領域１４との間の一部表面がゲート電極１７でカバーされないようにゲート電極１７を形成する。前記ゲート電極１７がポリシリコンで形成される場合、その厚さは、１００ｎｍ以下に形成されて、吸光量を最小化することが重要である。したがって、フローティングボディー領域１５は、光を受光する構造で形成されねばならない。
フローティングボディートランジスタに情報を記録する過程を、図面を参照して説明する。
フローティングボディートランジスタ１０のゲート電極１７に所定の負電圧、例えば、−１Ｖ〜−２Ｖ電圧を印加すれば、フローティングボディー領域１５に電荷保存空間が形成される。そして、ドレイン領域１４に正電圧、例えば、０．５Ｖ電圧を印加して電子の移動通路を形成する。ソース電極１３には、所定の電圧、例えば、グラウンド電圧が印加されうる。次いで、イメージセンサー上に光を照射すれば、マイクロレンズ及びカラーフィルタを通過した特定の波長を有する光がフローティングボディー領域１５に照射されて電子−正孔対を形成する。電子は、ドレイン領域１４に移動しつつ、ゲート電圧によって形成された強い電界によるアバランチ現象によってフローティングボディー領域１５に複数の電子−正孔対が形成される。
電子は、ドレイン領域１４を通じて放出されるが、正孔は、フローティングボディー領域１５に蓄積される。前記蓄積された正孔は、エネルギーバリヤを低め、これにより、フローティングボディートランジスタ１０は、電流がよく流れる状態になる。この時の状態を“１”状態とし、光を照射する前の状態を“０”状態と定義すれば、光の照射如何によって、フローティングボディートランジスタ１０は、２進情報を提供できる。
ドレイン領域１４に正電圧を印加するのは、電子をポテンシャルの低いドレイン領域１４に放出するためである。また、ソース領域１３のポテンシャル及びドレイン領域１４のポテンシャルを同等レベルの状態にして光を照射した場合、電子は、ソース領域１３及びドレイン領域１４を通じて放出される。
前記電荷保存空間の形成、光照射、情報記録及び読み取りステップで、ゲート電極１７、ソース電極１３、ドレイン電極１４には、同期的にパルス電圧が印加されることが望ましい。すなわち、パルス電圧の開始時間、立ち上がり時間、継続時間、立ち下がり時間を一致させる。これは、光以外の電気的ノイズが電荷の量に関連することを最小化するためである。
本発明によるフローティングボディートランジスタ１０は、少ない光の照射時にも光電子がアバランチ現象で多量の正孔をフローティングボディー領域１５に保存するので、非常に敏感な光センサーとなりうる。したがって、狭い領域、例えば、２μｍの領域で非常に小さいサイズ、例えば、１００ｎｍのフローティングボディートランジスタ１０が４００個形成されれば、一つのサブピクセルに４００個の光センサーが形成され、したがって、一つのサブ領域に０〜４００範囲の光強度が検出されるので、光検出感度が向上しうる。
また、従来の一つのサブピクセル領域で入射された光の強度を一つのアナログ情報として送るために必要な複数のトランジスタ及び一つのカラムラインに一つのＡ／Ｄコンバータのための領域が縮小するので、さらに小さいＣＭＯＳイメージセンサーの製造が可能になる。
図３は、本発明のイメージセンサーのサブピクセルのアレイを示す図面である。
図３を参照すれば、各セルのフローティングボディートランジスタ１０がアレイ状に配列されている。ロウラインは、一つのローに属するフローティングボディートランジスタ１０のドレイン領域１４と連結され、ソース領域１３は、カラムラインと連結されている。そして、ゲートラインは、ロウラインと平行にゲート電極１７に連結されている。したがって、カラムラインは、ロウラインと交差するセルをアドレスでき、また、カラムラインは、ゲートラインとも一つのセルをアドレスしうる。
次いで、本発明のイメージセンサーで各セルのイメージ情報を読み取る方法を説明する。
まず、一つのロウラインを選択して所定の電圧、例えば、０．１Ｖ電圧を印加する。そして、カラムラインをスキャニングして電流が流れるカラムラインを検出する。前記カラムラインで電流が流れれば、前記ロウラインと前記カラムラインとが交差するセルは、状態“１”と読み取られ、電流が流れないセルは、状態“０”と読み取られる。
前記過程を反復すれば、前記サブピクセルに属する全てのセルについての情報を読み取れる。
一方、前記カラムラインと連結された制御部２０は、入力された情報である“１”を加えた数を算出し、この加えた数を全体セルの数で割って、該当サブピクセル領域での光の強度を算出しうる。
したがって、本発明によるイメージセンサーは、別途のＡ／Ｄコンバータなしに光の強度をサブピクセルからデジタル情報として得るので、トランジスタ及びＡ／Ｄコンバータで発生するノイズがなく、また、光の強度を正確に測定しうるので、イメージセンサーの感度を向上させうる。
図４は、他の実施例であって本発明のフローティングボディートランジスタ１０に記録された情報を読み取る方法を説明するグラフである。
図４を参照すれば、フローティングボディー領域１５に集まった正孔は、トランジスタ１０のしきい電圧を低める。このようなしきい電圧の変化は、電流の変化によって現れる。図４は、フローティングボディートランジスタ１０のしきい電圧変化によるＩｄ−Ｖｇグラフである。
ゲートラインにフローティングボディートランジスタのしきい電圧Ｖｔｈより高い所定の電圧、例えば、１Ｖ電圧を印加し、カラムラインから測定された電流が所定基準電流より大きければ、状態“１”と読み、前記基準電流より小さければ、状態“０”と読む。したがって、ゲートラインとカラムラインとが交差するセルでの情報が読み取られる。
一方、前記カラムラインと連結された制御部２０は、一つのサブピクセルのフローティングボディートランジスタ１０から入力された情報である“１”を加えた数を算出し、この加えた数をサブピクセルのフローティングボディートランジスタ１０の数で割って、該当サブピクセル領域での光の強度を算出しうる。
図５は、本発明のフローティングボディートランジスタに記録された情報を除去する方法を説明するバンドダイヤグラムである。
図５を参照すれば、フローティングボディー領域１５に正孔が集まった状態で、ドレイン領域１４に所定の負電圧を印加して、ドレイン領域１４の電位がフローティングボディー領域１５の電位より高くなれば、フローティングボディー領域１５に保存された正孔がドレイン領域１４を通じて排出される。次いで、ドレイン領域１４に正電圧を印加すれば、本来の状態、すなわち、状態“０”に戻せる。
記録された情報の消去のために、ドレイン領域１４の代りに、ソース領域１３に負電圧を印加してもよい。
また、ゲート電極１７にも所定の正電圧を共に印加して、フローティングボディー領域１５の電位をソース領域１３及びドレイン領域１４の電位の間に位置させることもできる。
本発明のイメージセンサーは、一つのフローティングボディートランジスタが光を受けて一つのデジタル信号を出力することによって、従来のＡ／Ｄコンバータと信号処理のための複数のトランジスタとを必要としない。
以上、本発明の望ましい実施形態を参照して説明したが、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させうるということが分かるであろう。
本発明は、例えば、ビデオカメラ、デジタルカメラ関連の技術分野に適用可能である。
１０ フローティングボディートランジスタ
１１ 絶縁層
１２ 半導体層
１３ ソース領域
１４ ドレイン領域
１５ フローティングボディー領域
１６ ゲート絶縁層
１７ ゲート電極
１１ 絶縁層
１２ 半導体層
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１７ ゲート電極
Claims (16)
- アレイ状に配置された複数の単位ピクセルを備え、前記単位ピクセルは、複数のサブピクセルを備え、前記サブピクセルは、同じ波長の光を照射される複数のフローティングボディートランジスタを備え、
前記フローティングボディートランジスタは、
ソース領域と、
ドレイン領域と、
前記ソース領域とドレイン領域との間のフローティングボディー領域と、
前記フローティングボディー領域上に形成されたゲート電極と、を備え、
前記フローティングボディートランジスタは、絶縁層上に形成され、前記フローティングボディートランジスタは、半導体からなり、
前記フローティングボディー領域は、光を受光して電子−正孔対を形成し、前記電子は、前記ソース領域または前記ドレイン領域に移動して排出され、前記正孔は、前記フローティングボディー領域に集められて第１電流状態である情報“１”を表し、前記ソース領域及び／または前記ドレイン領域に電圧を印加して前記正孔を前記ソース領域または前記ドレイン領域に排出して、前記フローティングボディー領域を第２電流状態である情報“０”を表す
ことを特徴とする２進光信号を利用したイメージセンサー。 - 前記ゲート電極を連結する複数のゲートラインと、
前記ドレイン領域を連結する複数のロウラインと、
前記ソース領域を連結する複数のカラムラインと、をさらに備え、
前記カラムラインは、前記ゲートライン及び前記ロウラインに対して直交して形成され、 前記カラムラインから測定された電流で、前記第１電流状態または前記第２電流状態を測定する
ことを特徴とする請求項１に記載の２進光信号を利用したイメージセンサー。 - 前記第１電流状態の前記測定された電流は、前記第２電流状態の前記測定された電流より大きい
ことを特徴とする請求項２に記載の２進光信号を利用したイメージセンサー。 - 前記フローティングボディートランジスタの幅は、５０ｎｍ〜５００ｎｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の２進光信号を利用したイメージセンサー。 - 前記ゲートは、ポリシリコンまたは透明電極で形成された
ことを特徴とする請求項１に記載の２進光信号を利用したイメージセンサー。 - 請求項２に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法において、
前記ゲートに負電圧を印加して、前記フローティングボディー領域に電荷保存空間を形成するステップと、
前記イメージセンサー上に光を照射して、前記フローティングボディートランジスタに情報を記録するステップと、
前記フローティングボディートランジスタに記録された情報を読み取るステップと、
前記フローティングボディーに蓄積された電荷を除去するステップと、を含む
ことを特徴とする２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記電荷保存空間を形成するステップは、前記ドレイン領域に正電圧を印加するステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項６に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記光照射ステップは、前記ドレイン領域に正電圧を印加するステップをさらに含む
ことを特徴とする請求項６に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記記録ステップは、前記フローティングボディー領域に正孔を蓄積して前記第１電流状態とし、前記情報“１”を記録する
ことを特徴とする請求項７または８に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記読み取りステップは、前記ロウラインに第１電圧を印加するステップと、
前記カラムラインをスキャニングして、前記カラムラインと前記ロウラインとが交差するセルから第３電流を検出するステップと、
基準電流と比較して、前記第３電流が前記基準電流より大きければ、前記第１電流状態と判断し、前記第３電流が前記基準電流以下であれば、前記第２電流状態と判断するステップと、を含む
ことを特徴とする請求項９に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記読み取りステップは、前記ゲートラインに前記フローティングボディートランジスタのしきい電圧より大きい正電圧を印加するステップと、
前記カラムラインをスキャニングして、前記カラムラインと前記ゲートラインとが交差するセルから第４電流を検出するステップと、
基準電流と比較して、前記第４電流が前記基準電流より大きければ、前記第１電流状態と判断し、前記第４電流が前記基準電流以下であれば、前記第２電流状態と判断するステップと、を含む
ことを特徴とする請求項９に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記除去ステップは、前記フローティングボディー領域のポテンシャルを前記ソース領域のポテンシャルと前記ドレイン領域のポテンシャルとの間に位置させて、前記フローティングボディー領域に蓄積された正孔を放出するステップである
ことを特徴とする請求項６に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記除去ステップは、前記ソース領域または前記ドレイン領域に負電圧を印加して、前記フローティングボディー領域に蓄積された正孔を前記負電圧の印加された前記ソース領域または前記ドレイン領域に放出するステップである
ことを特徴とする請求項１２に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記除去ステップは、前記フローティングボディートランジスタを第２電流状態にする
ことを特徴とする請求項１２に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記サブピクセルでの光の検出強度は、前記サブピクセルに属するフローティングボディートランジスタのうち、前記第１電流状態で読み取られた前記フローティングボディートランジスタの割合で計算される
ことを特徴とする請求項６に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。 - 前記電荷保存空間の形成ステップと、前記情報記録ステップと、前記情報読み取りステップとは、それぞれ前記ゲート、前記ソース及びドレインに同期的に電圧を印加する
ことを特徴とする請求項６に記載の２進光信号を利用したイメージセンサーの駆動方法。
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