JP6709632B2 - イメージセンサ、及びイメージセンサを含む撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、イメージセンサ、及びイメージセンサを含む撮像装置に係り、さらに詳細には、多層光電変換構造を有するイメージセンサ、及びイメージセンサを含む撮像装置に関する。
スマートフォン、デジタルカメラなどの撮像装置が生活全般で使用されている。それにより、撮像装置、または撮像装置に含まれるイメージセンサの性能に対する要求が高まっている。例えば、撮像装置が映像撮影を短時間に正確に行うために、イメージセンサがオートフォーカシング機能を遂行することが要求される。また、撮像装置の解像度が高くなるにつれ、光信号に対するイメージセンサのセンシング感度を高めながらも、イメージセンサの構造を簡単に具現することが要求される。
米国特許第８０３５７０８号公報
本発明が解決しようとする課題は、センシング感度が高く、正確で早い動作を遂行することができるイメージセンサ、及びイメージセンサを含む撮像装置を提供することである。
本発明の実施形態による複数のセンシングピクセルを含む、多層センサ構造のイメージセンサにおいて、前記複数のセンシングピクセルそれぞれは、光を集光するマイクロレンズと、第１波長帯域の光を電気的信号に変換する第１光電変換部と、基板上に形成され、前記第１波長帯域外部の少なくとも１つの広帯域の光を電気的信号に変換する第２光電変換部と、を含み、前記第２光電変換部の中心軸は、前記マイクロレンズの光軸と離隔され、前記第２光電変換部は、前記基板上において、前記第２光電変換部と離隔配置され、前記第１光電変換部から出力される電気信号を保存するストレージノードをさらに含み、複数のセンシングピクセルは、前記マイクロレンズの光軸に垂直の第１軸上において隣接して配置された第１センシングピクセル及び第２センシングピクセルを含み、前記第１センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸は、前記第１軸上において、前記光軸と第１方向に離隔され、前記第２センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸は前記第１軸上において、前記光軸と第２方向に離隔され、前記第２方向は前記第１方向の反対方向であり、前記第１センシングピクセルの前記ストレージノードは、前記第１軸上において前記光軸と前記第２方向に離隔され、前記第２センシングピクセルの前記ストレージノードは前記第１軸上において前記光軸と前記第１方向に離隔されることを特徴とする。
一実施形態において、前記第１光電変換部は、有機フォトダイオードからなり、前記第２光電変換部は、シリコンフォトダイオードまたは化合物半導体フォトダイオードからなる。
一実施形態において、入射される光を、波長によって選択的に透過させるカラーフィルタをさらに含んでもよい。
一実施形態において、前記第１センシングピクセルは、前記第１波長帯域の光に対応する第１電気信号、及び第２波長帯域の光に対応する第２電気信号を出力し、前記第２センシングピクセルは、前記第１波長帯域の光に対応する前記第１電気信号、及び第３波長帯域の光に対応する第３電気信号を出力することができる。
一実施形態において、第１センシングピクセル及び第２センシングピクセルから出力される両眼視差映像信号の位相差を基に焦点検出を行う焦点検出部をさらに含んでもよい。
一実施形態において、前記複数のセンシングピクセルは、前記マイクロレンズの光軸及び前記第１軸にそれぞれ垂直の第２軸上において隣接して配置された第３センシングピクセル及び第４センシングピクセルをさらに含み、前記第３センシングピクセルないし第４センシングピクセルは、それぞれ前記第２光電変換部を具備し、前記第１センシングピクセルないし第４センシングピクセルそれぞれの前記第２光電変換部の中心軸は、該当する前記マイクロレンズの光軸と異なる方向に離隔され、前記それぞれの第２光電変換部は、前記第１センシングピクセル乃至第４センシングピクセル集合に内接する四角形の２つの対角線それぞれの両側方向に配置され、前記第１センシングピクセルないし第４センシングピクセルそれぞれの前記ストレージノードは、前記第２光電変換部の配置方向とは反対の前記対角線が交差する位置に近接して配置される。
一実施形態において、前記異なる方向は、互いに直交する。
一実施形態において、前記第１センシングピクセル及び前記第３センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸が前記光軸から前記対角線端方向に離隔され、前記第２センシングピクセル及び前記第４センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸が前記光軸から前記対角線反対端方向に離隔される。
一実施形態において、前記複数のセンシングピクセルに連結される配線層をさらに含み、前記第１光電変換部、前記第２光電変換部及び前記配線層は、前記マイクロレンズの下方に順に配置されてもよい。
一実施形態において、第３波長帯域の光を電気的信号に変換する第３光電変換部をさらに含んでもよい。
一実施形態において、前記イメージセンサは、半導体チップに具備される。
本発明の実施形態による撮像装置は、被写体から反射する光を集めるレンズと、複数のピクセルを含むピクセルアレイを具備する、多層センサ構造のイメージセンサと、を含み、複数のピクセルのうち少なくとも一つは、焦点ピクセルであり、前記焦点ピクセルは、本発明のイメージセンサのセンシングピクセルであることを特徴とする。
本発明によるイメージセンサ、及びイメージセンサを含む撮像装置によれば、互いに積層された複数の光電変換層を有するイメージセンサにおいて、前記複数の光電変換層のうち少なくとも１つの光電変換層の中心軸が、マイクロレンズの光軸に対して互いに異なる方向に離隔されて配置された１対のピクセルを利用して、両眼視差映像信号を獲得することにより、センシング感度を高めながらも、正確な自動焦点機能を遂行することができる。
また、本発明によるイメージセンサ、及びイメージセンサを含む撮像装置によれば、複数の光電変換層のうち少なくとも１つの光電変換層がマイクロレンズの光軸に対して互いに離隔配置される少なくとも２つの光電変換素子を含み、前記少なくとも２つの光電変換素子から出力される信号を基に位相差を検出することにより、センシング感度を高めながらも、正確な自動焦点機能を遂行することができる。
本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 位相差オートフォーカシングを行う方法について説明するための図。 位相差オートフォーカシングを行う方法について説明するための図。 位相差オートフォーカシングを行う方法について説明するための図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の実施形態によるピクセル回路の具現例を示す図。 本発明の実施形態によるピクセル回路の具現例を示す図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 図３、図５Ａのイメージセンサにおいて、第２光電変換部によって出力される映像信号を示す図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図。 ピクセルアレイ内に焦点ピクセルが配置される例示的実施形態を示す図。 ピクセルアレイ内に焦点ピクセルが配置される例示的実施形態を示す図。 複数の焦点ピクセルが配置される例を示す図。 複数の焦点ピクセルが配置される例を示す図。 複数の焦点ピクセルが配置される例を示す図。 複数の焦点ピクセルが配置される例を示す図。 複数の焦点ピクセルが配置される例を示す図。 本発明の一実施形態によるデジタル撮像装置の例示的な構造を示した図。 本発明の一実施形態によるＣＰＵ／ＤＳＰの構造と、デジタル撮像装置の一部構成要素とを図示した図。 本発明の一実施形態によるイメージセンサの構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態によるイメージセンサを含むシステムを示すブロック図。 本発明の一実施形態によるイメージセンサを含む電子システム及びインターフェースを示す図。 本発明の実施形態による撮像装置の縦断面図。
以下、本発明の多様な一実施形態について、添付された図面と関連させて記載する。本発明の多様な一実施形態は、多様な変更を加えることができ、さまざまな実施形態を有するが、特定実施形態を図面に例示し、関連する詳細な説明を記載する。しかし、それらは、本発明の多様な一実施形態を、特定の実施形態について限定するものではなく、本発明の多様な一実施形態の思想、及び技術範囲に含まれる全ての変更、及び／または均等物ないし代替物を含むものであると理解しなければならない。図面の説明と係わり、類似した構成要素については、類似する参照符号を付す。
本発明の多様な一実施形態において使用される「含む」または「含んでもよい」というような表現は、開示された当該機能、当該動作または当該構成要素などの存在を示し、追加的な１以上の機能、動作または構成要素などを制限するものではない。また、本発明の多様な一実施形態において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらを組み合わせたものが存在するということを指定するものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはそれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を事前に排除するものではないということを理解しなければならない。
本発明の多様な一実施形態において、「または」のような表現は、共に羅列された単語のいかなるもの、そして全ての組み合わせを含む。例えば、「ＡまたはＢ」は、Ａを含んでもよく、Ｂを含んでもよく、またはＡ及びＢのいずれも含んでもよい。
本発明の多様な一実施形態で使用された「第１」、「第２」、「最初」または「２番目」というような表現は、多様な一実施形態の多様な構成要素を修飾することができるが、当該構成要素を限定するものではない。例えば、前記表現は、当該構成要素の順序及び／または重要度などを限定するものではない。前記表現は、一構成要素を他の構成要素と区分するために使用される。例えば、第１ユーザ機器と第２ユーザ機器は、いずれもユーザ機器であり、互いに異なるユーザ機器を示す。例えば、本発明の多様な一実施形態の権利範囲を外れずに、第１構成要素は、第２構成要素と命名され、同様に、第２構成要素も第１構成要素と命名される。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」されていたり、「接続されて」いたりすると言及されたときには、ある構成要素が、他の構成要素に直接的に連結されていたり、あるいは接続されていたりもするが、ある構成要素と他の構成要素との間に、新たな他の構成要素が存在することもあるということを理解しなければならない。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いたり、「直接接続されて」いたりすると言及されたときには、ある構成要素と他の構成要素との間に、新たな他の構成要素が存在しないということを理解しなければならないであろう。
本発明の多様な一実施形態で使用した用語は、ただ特定の一実施形態について説明するために使用されたものであり、本発明の多様な一実施形態を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。
異なって定義されない限り、技術的であったり科学的であったりする用語を含み、ここで使用される全ての用語は、本発明の多様な一実施形態が属する技術分野で当業者によって一般的に理解されるところと同一の意味を有している。一般的に使用される既定義のような用語は、関連技術の文脈上で有する意味と一致する意味を有すると解釈しなければならず、本発明の多様な一実施形態で明白に定義されない限り、理想的であったり、過度に形式的であったりする意味に解釈されるものではない。
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、ピクセルＰＸは、マイクロレンズＭＬＳ、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬを含んでもよい。また、ピクセルＰＸは、平坦化層ＰＬ、絶縁層ＩＬ及びカラーフィルタＣＦをさらに含んでもよい。
図示されているように、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬは、マイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される。このように、複数の光電変換部が積層されたピクセルＰＸ構造を含むイメージセンサを、マルチレイヤ（multi-layer）センサと指称する。マルチレイヤセンサは、ピクセルＰＸそれぞれが、波長帯域が異なる少なくとも２以上の光に対応する電気的信号を検出することができ、入射される光に対するセンシング感度が上昇する。
一方、図１Ａ及び図１Ｂでは、第１光電変換部１１０が第２光電変換部１２０の上方に積層されているように図示されているが、本発明の技術的思想は、それに制限されるものではない。他の実施形態において、第２光電変換部１２０が第１光電変換部１１０の上方に積層されたりもする。
また、第２光電変換部１２０が半導体基板ＳＵＢに形成され、第１光電変換部１１０は、半導体基板ＳＵＢの上部に積層されるように図示されているが、それは、例示的実施例であり、それに制限されるものではない。第１光電変換部１１０が半導体基板ＳＵＢに形成され、第２光電変換部１２０が半導体基板ＳＵＢの上部に積層されてもよい。または、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０は、いずれも半導体基板ＳＵＢの上部に積層されてもよい。一方、本発明の実施形態によるピクセルＰＸを含むイメージセンサは、半導体チップに具現される。
マイクロレンズＭＬＳを介して光が入射されれば、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０は、入射される光を電気的信号に変換することができる。第１光電変換部１１０は、第１波長帯域の光を電気的信号に変換し、第２光電変換部１２０は、第２波長帯域の光を電気的信号に変換することができる。第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０で変換された電気的信号は、配線層ＭＬに具備される回路領域（図示せず）を介して、電気的信号として出力される。
一方、カラーフィルタＣＦは、光を、波長によって選択的に透過させることができる。本実施形態においてカラーフィルタＣＦは、補色フィルタであり、第２波長帯域の光と補色関係にある光の波長帯域を反射させるものであり、第２光電変換部１２０において、第２波長帯域の光が吸収される。
本発明の実施形態によるピクセルＰＸにおいて、第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、マイクロレンズＭＬＳの光軸ＭＬＸ（以下、光軸とする）と離隔される。このとき、第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、第２光電変換部１２０の重心、または第２光電変換部１２０の水平断面、例えば、ｘｙ平面上の断面の内心を経て、光軸ＭＬＸと平行する軸を意味する。言い換えれば、第２光電変換部１２０は、ピクセルＰＸの中心からピクセルの端方向、例えば、ｘ１方向またはｘ２方向に偏向されるように配置されてもよい。
図１Ａに図示されているように、第２光電変換部１２０は、１つの光電変換素子を含んでもよい。または、図１Ｂに図示されているように、第２光電変換部１２０は、それぞれの中心軸ＣＸが、光軸ＭＬＸと離隔される第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２を含んでもよい。第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、光軸ＭＬＸを中心に、互いに離隔配置されてもよい。図１Ｂの実施形態において、第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸが、光軸ＭＬＸと離隔されるという意味は、第２光電変換部１２０に含まれる第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２それぞれの中心軸ＣＸが、光軸ＭＬＸと離隔されるということを意味する。
このように、第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸが、光軸ＭＬＸと離隔されるので、第２光電変換部１２０は、マイクロレンズＭＬＳを介して入射される光のうち、光軸ＭＬＸを中心に、右側または左側（例えば、ｘ１方向またはｘ２方向）のうち一つに入射される光成分を主に感知することができる。それにより、本発明の実施形態によるピクセルＰＸを含むイメージセンサは、第２光電変換部１２０から出力される電気的信号を基に、両眼視差映像信号（または、両眼視差映像）を獲得し、それを基に、両眼視差映像信号の位相差を検出し、自動焦点機能を遂行することができる。本発明の実施形態によるピクセルＰＸを含むイメージセンサは、マルチレイヤセンサに具現されることにより、光に対するセンシング感度を高めながら、正確で早い位相差自動焦点機能（以下、位相差ＡＦという）を遂行することができる。
以下、本発明の実施形態によるマルチレイヤセンサ構造のイメージセンサ、及びこのイメージセンサを含む撮像装置について、さらに詳細に説明する。
図２Ａないし図２Ｃは、位相差ＡＦを遂行する方法について説明するための図である。図２Ａは、合焦状態、図２Ｂは、フロントフォーカス状態、図２Ｃはバックフォーカス状態を示す。図２Ａないし図２Ｃにおいて、ピクセル位置は、行方向及び列方向に配置されるピクセルを含むピクセルアレイＰＸＡにおいて、行方向または列方向によるピクセルの位置を示す。
図２Ａを参照すれば、合焦状態では、レンズＬＳを介して、撮像素子、例えば、ピクセルアレイＰＸＡを含むイメージセンサに入射される光信号が、ピクセルアレイＰＸＡの受光面の中心部で焦点が合わされる。かような合焦状態では、前述の本発明の実施形態による少なくとも１つのピクセルＰＸにおいて、第１光信号ＩＳ１及び第２光信号ＩＳ２が等しく検出される。それによって、少なくとも１つのピクセルＰＸで生成される両眼視差映像信号のうち、第１位相差検出信号と第２位相差検出信号との強度Ｐが同一に検出され、両眼視差映像の位相が同一である。従って、イメージセンサ、またはイメージセンサを含む撮像装置は、第１位相差検出信号と第２位相差検出信号との強度Ｐが、所定の臨界値以上に検出されれば、合焦状態と判断することができる。
図２Ｂに図示されているように、フロントフォーカス状態では、レンズＬＳを介してピクセルアレイＰＸＡに入射される光信号が、ピクセルアレイＰＸＡの受光面の中心部で焦点が合わされず、受光面より前で焦点が合わされる。
かようなフロントフォーカス状態では、ピクセルアレイＰＸＡにおいて、光軸から第１方向の領域ＡＬでは、第２光信号ＩＳ２が主に検出され、第２位相差検出用信号の強度Ｐが大きい一方、第１位相差検出用信号の強度Ｐが小さい。光軸から第２方向の領域ＡＲでは、第１光信号ＩＳ１が主に検出され、第１位相差検出用信号の強度Ｐが大きい一方、第２位相差検出用信号の強度Ｐは、小さく示される。従って、イメージセンサ、またはイメージセンサを含む撮像装置は、光軸から第１方向のピクセルアレイＰＸＡの領域ＡＬでは、第２位相差検出用信号の強度Ｐが所定の臨界値以上に検出され、第１位相差検出用信号の強度Ｐは、所定の臨界値未満に検出され、光軸から第２方向のピクセルアレイＰＸＡの領域ＡＲでは、第１位相差検出用信号の強度Ｐが所定の臨界値以上に検出され、第２位相差検出用信号の強度Ｐが所定の臨界値未満に検出されれば、フロントフォーカス状態と判断される。
図２Ｃに図示されているように、バックフォーカス状態では、ピクセルアレイＰＸＡにおいて、光軸から第１方向の領域ＡＬでは、第１光信号ＩＳ１が主に検出され、第１位相差検出用信号の強度Ｐが大きい一方、第２位相差検出用信号の強度Ｐが小さい。光軸から第２方向の領域ＡＲでは、第２光信号ＩＳ２が主に検出され、第２位相差検出用信号の強度Ｐが大きい一方、第１位相差検出用信号の強度Ｐは、小さく示される。従って、イメージセンサ、またはイメージセンサを含む撮像装置は、光軸から第１方向のピクセルアレイＰＸＡの領域ＡＬでは、第１位相差検出用信号の強度Ｐが所定の臨界値以上に検出され、第２位相差検出用信号の強度Ｐは、所定の臨界値未満に検出され、光軸から第２方向のピクセルアレイＰＸＡの領域ＡＲでは、第２位相差検出用信号の強度Ｐが所定の臨界値以上に検出され、第１位相差検出用信号の強度Ｐが所定の臨界値未満に検出されれば、バックフォーカス状態と判断される。
図３は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図３を参照すれば、イメージセンサ１００は、複数のピクセルＰＸを含み、前記複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、貫通配線１１４、ストレージノード１１５、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬを含んでもよい。複数のピクセルＰＸそれぞれは、また平坦化層ＰＬ及び絶縁層ＩＬをさらに具備することができる。
マイクロレンズＭＬＳ、平坦化層ＰＬ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬは、マイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される。しかし、それに制限されるものではなく、第１光電変換部１１０と第２光電変換部１２０との位置は、変更されてもよい。第１光電変換部１１０が第２光電変換部１２０の下方に配置されもする。
カラーフィルタＣＦは、マイクロレンズＭＬＳを介して入射される光を、波長によって選択的に透過させることができる。カラーフィルタＣＦは、例えば、補色フィルタであり、第２光電変換部１２０で吸収される波長の光と補色関係にある光の波長帯域を反射することができる。
第１光電変換部１１０は、第１波長帯域の光を電気的信号に変換することができる。一実施形態において、第１波長帯域の光は、緑色光でもある。しかし、それに制限されるものではなく、多様に変形可能である。第１光電変換部１１０は、第１波長帯域の光を吸収し、吸収された光信号を電気的信号に変換することができる。一実施形態において、第１光電変換部１１０は、有機フォトダイオードからなる。
第１光電変換部１１０は、上部電極１１１、カラー選択層１１２及び下部電極１１３を具備することができる。カラー選択層１１２は、第１波長帯域の光を吸収することができる。吸収された第１波長帯域の光は、前記カラー選択層１１２内で、上部電極１１１及び下部電極１１３を介して流れる電流によって電気的信号に変換され、変換された電気的信号は、下部電極１１３を介して出力される。下部電極１１３を介して出力された電気的信号は、貫通配線１１４を介してストレージノード１１５に提供され、前記ストレージノード１１５に仮保存される。
ストレージノード１１５は、基板ＳＵＢ内で第２光電変換部１２０と離隔配置され、貫通配線１１４を介して、前記第１下部電極１１３から出力される電気信号を臨時に保存することができる。ストレージノード１１５も、中心軸が光軸ＭＬＸに対して離隔される。
第２光電変換部１２０は、受信される光を電気的信号に変換する。図１に図示されているように、第２光電変換部１２０の上部に、カラーフィルタＣＦ及び第１光電変換部１１０が積層された構造である場合、第２光電変換部１２０は、カラーフィルタＣＦを透過した光成分のうち、第１波長帯域の光成分を除いた残りの光を電気的信号に変換することができる。
例えば、第２光電変換部１２０は、第２波長帯域の光、または第３波長帯域の光を電気的信号に変換することができる。例えば、前述のように、第１波長帯域の光が緑色光である場合、第２波長帯域の光は、赤色光または青色光でもある。第３波長帯域の光は、青色光または赤色光でもある。または、第２波長帯域または第３波長帯域の光は、シアン（cyan）光または黄色光でもある。または、第１波長帯域ないし第３波長帯域の光は、シアン、マゼンタ（magenta）または黄色光でもある。しかし、それらは、例示的実施形態であり、それらに制限されるものではない。
図１を参照して説明したように、第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸが、光軸ＭＬＸに対して離隔される。第２光電変換部１２０は、無機物フォトダイオードでもあり、例えば、第２光電変換部１２０は、シリコンフォトダイオードまたは化合物半導体フォトダイオードからなる。しかし、それらに制限されるものではなく、例えば、第２光電変換部１２０は、有機物フォトダイオードでもある。
第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０で光電変換された電気的信号は、配線層ＭＬに具備されるピクセル回路（pixel circuit）（図示せず）で増幅され、映像信号として出力される。
一方、イメージセンサ１００は、隣接するように配置される第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２を含んでもよい。このとき、第１ピクセルＰＸ１に含まれる第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸと、第２ピクセルＰＸ２に含まれる第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、互いに異なる方向に光軸ＭＬＸと離隔される。例えば、第１ピクセルＰＸ１に含まれる第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、ｘ１方向に、第２ピクセルＰＸ２に含まれる第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、ｘ１方向と相反するｘ２方向に光軸ＭＬＸと離隔される。それにより、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２に含まれる第２光電変換部１２０は、互いに異なる方向に入射される光を感知する。例えば、第１ピクセルＰＸ１の第２光電変換部１２０は、光軸ＭＬＸの左側に入射される入射光に係わる第２波長帯域の光信号を、第２ピクセルＰＸ２の第２光電変換部１２０は、光軸ＭＬＸの右側に入射される入射光に係わる第２波長帯域の光信号を感知することができる。それにより、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２から出力される電気信号は、両眼視差映像信号または両眼視差映像を獲得するための信号として出力される。
一方、第１ピクセルＰＸ１の第１カラーフィルタＣＦ１、及び第２ピクセルＰＸ２の第２カラーフィルタＣＦ２は、互いに異なる色を選択的に透過または反射させることができる。例えば、カラーフィルタＣＦが補色カラーフィルタである場合、第１カラーフィルタＣＦ１は、赤色に対する補色成分を遮断するレッドフィルタであり、第２カラーフィルタＣＦ２は、青色に対する補色成分を遮断する青色フィルタである。しかし、それは、例示的な実施形態であり、それに制限されるものではない。カラーフィルタＣＦの構成は、多様に変更可能である。
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施形態によるピクセル回路の具現例を示す図である。
図３を参照して説明したように、ピクセルＰＸは、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０を具備し、波長帯域が異なる少なくとも２つの光を電気的信号に変換して出力する。第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０から電気信号を受信されて出力信号を発生する少なくとも１以上のピクセル回路が配線層ＭＬ（図３）に含まれる。
前述のように、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０は、シリコンフォトダイオードまたは化合物半導体フォトダイオードのような無機フォトダイオードＰＤまたは有機フォトダイオードＯＰＤからなる。無機フォトダイオードＰＤ（以下、フォトダイオードと指称する）及び有機フォトダイオードＯＰＤに係わるピクセル回路は、それぞれ図４Ａ及び図４Ｂのように図示される。
図４Ａを参照すれば、ＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサのピクセルアレイが含むそれぞれのピクセル回路は、フォトダイオードＰＤが変換した電気的信号を増幅する構成要素を具備することができるが、かようなピクセル回路をＡＰＳ（active pixel sensor）という。例えば、ピクセルは、フォトダイオードＰＤ、伝達トランジスタＴＧ、リセットトランジスタＲＳ、ソース・フォロワトランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＸを具備することができる。フォトダイオードＰＤは、逆方向バイアス状態で、入力光の強度によって、光電流（photocurrent）が線形的に増大するという特徴を有する光感知素子の一種であり、フォトダイオードＰＤが光に露出され、電気的に外部と遮断される（floating）場合、電子が蓄積される。電子が蓄積されることにより、フォトダイオードＰＤのカソード（cathode）電圧が低下し、低下した電圧を測定することにより、フォトダイオードＰＤが吸収した光の強度を感知することができる。かような電子の蓄積は、生成された光電流による充電されたキャパシタの放電過程でも説明される。
伝達トランジスタＴＧは、ゲート電圧によって、フォトダイオードＰＤをフローティングディフュージョン（ＦＤ：floating diffusion）と連結させたり遮断させたりすることができる。フォトダイオードＰＤが光に応答して電子を蓄積する間、伝達トランジスタのゲートには、伝達トランジスタをターンオフ（turn-off）させることができる電圧が印加され、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンとを電気的に遮断させることができる。フォトダイオードＰＤが光の吸収を終了すれば、フォトダイオードＰＤに蓄積された電子による電圧変化を出力するために、伝達トランジスタは、ターンオン（turn-on）され、それによって、フォトダイオードＰＤのカソードで変化された電圧は、フローティングディフュージョンＦＤに伝達することができる。
フローティングディフュージョンＦＤに、フォトダイオードＰＤの電圧が伝達される前に、フローティングディフュージョンＦＤは、ターンオンされたリセットトランジスタＲＳによってリセットされる。フローティングディフュージョンＦＤのリセット電圧は、ソース・フォロワトランジスタＳＦを経て増幅され、選択トランジスタＳＸがターンオンされれば、増幅されたリセット電圧は、アナログ電圧として外部に出力される。リード回路は、外部に出力されたフローティングディフュージョンＦＤのリセット電圧に対応するアナログ電圧を受信される。
フローティングディフュージョンＦＤのリセット電圧に対する出力が完了すれば、リセットトランジスタＲＳは、ターンオフされ、伝達トランジスタＴＧがターンオンされつつ、フォトダイオードＰＤが蓄積した電子による電圧がフローティングディフュージョンＦＤに伝達される。フローティングディフュージョンＦＤのリセット電圧と同様に、フローティングディフュージョンＦＤの変化された電圧は、ソース・フォロワトランジスタＳＦ及び選択トランジスタＳＸを経て、アナログ電圧ＶＯＵＴとして外部に出力される。出力されたフローティングディフュージョンＦＤの電圧変化に対応するアナログ電圧ＶＯＵＴは、外部のリード回路（図示せず）に伝送される。
リード回路は、フローティングディフュージョンＦＤのリセット電圧と、フォトダイオードＰＤによる電圧とを受信し、両電圧の差を介して、フォトダイオードＰＤが感知した光の量を計算することができる。かような動作をＣＤＳ（correlated double sampling）といい、前記でのリセット電圧と、フォトダイオードＰＤによる電圧とを受信する順序は、変更されてもよい。図４Ａにおいてピクセル回路は、ＮＭＯＳトランジスタを含むように図示されているが、それは例示的なものであり、ピクセル回路は、ＰＭＯＳトランジスタを含んでもよい。
図４Ｂを参照すれば、ピクセル回路は、有機フォトダイオードＯＰＤを含んでもよい。図４Ａのピクセル回路のフォトダイオードＰＤを代替することができる有機フォトダイオードＯＰＤは、特定波長の光成分を電気的信号に変換することができる。有機フォトダイオードＯＰＤから出力される電気的信号は、ストレージノードに仮保存される。その後、ピクセル回路は、ストレージノードの電圧を測定することにより、有機フォトダイオードＯＰＤが吸収した光の強度を感知することができる。残りの動作は、前述のフォトダイオードＰＤが含まれたピクセル回路と同一であり、以下省略する。
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図である。図５Ａ及び図５Ｂは、図３に図示されたピクセルの水平断面図を例示的に示し、説明の便宜のために、第２光電変換部１２０、ストレージノード１１５及びマイクロレンズＭＬＳを除いた他の構成は省略する。
図５Ａ及び図５Ｂに図示されているように、第２光電変換部１２０は、ピクセルＰＸ内において一方向に偏向されるように配置されてもよい。イメージセンサ１００ａは、複数のピクセルＰＸを含んでもよく、行方向、例えば、ｘ１−ｘ２方向に隣接するように配置される第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２の第２光電変換部１２０は、互いに反対になる方向に偏向されるように配置されてもよい。
図５Ａを参照すれば、第１ピクセルＰＸ１の第２光電変換部１２０は、右側（ｘ１方向）に偏向されるように配置され、第２ピクセルＰＸ２の第２光電変換部１２０は、左側（ｘ２方向）に偏向されるように配置されてもよい。
図３を参照して説明したように、ストレージノード１１５は、同一平面上（例えば、基板ＳＵＢ内））において、第２光電変換部１２０と離隔配置され、ピクセルＰＸのフィルファクタ（fill factor）を考慮し、第２光電変換部１２０が配置された後、余分の空間に配置されてもよい。従って、第１ピクセルＰＸ１のストレージノード１１５は、左側に偏向されるように配置され、第２ピクセルＰＸ２のストレージノード１１５は、右側に偏向されるように配置されてもよい。
このように、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２の第２光電変換部１２０が左右に相反する方向に偏向されるように配置されることにより、左右視差を有する映像信号の獲得が可能である。
図５Ｂを参照すれば、第１ピクセルＰＸ１の第２光電変換部１２０は、上側（ｙ１方向）に偏向されるように配置され、第２ピクセルＰＸ２の第２光電変換部１２０は、下側（ｙ２方向）に偏向されるように配置されてもよい。
第１ピクセルＰＸ１のストレージノード１１５は、下側（ｙ２方向）に偏向されるように配置され、第２ピクセルＰＸ２のストレージノード１１５は、上側（ｙ１方向）に偏向されるように配置されてもよい。
このように、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２の第２光電変換部１２０が上下に相反する方向に偏向されるように配置されることにより、上下視差を有する映像信号の獲得が可能である。
図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明したように、少なくとも１対のピクセルＰＸ１，ＰＸ２から出力される信号を基に、左右視差及び／または上下視差を有する映像信号が獲得される。
図６は、図３、図５Ａのイメージセンサにおいて、第２光電変換部によって出力される映像信号を示す図である。例示的な実施形態として、チェスモザイク（chess mosaic）状に構成されるカラーフィルタの構成による映像信号を示す。ピクセルＰＸが、赤色信号または青色信号を出力する。ピクセルＰＸ対を基準で、右側に位置したピクセルＰＸは、右目赤色信号Ｒｒまたは右目青色信号Ｂｒを出力し、左側に位置したピクセルＰＸは、左目赤色信号Ｒｌまたは左目青色信号Ｂｌを出力することができる。
それにより、赤色及び青色それぞれに対して、左右視差を有する映像を獲得することができる。しかし、それに制限されるものではない。例えば、右目赤色信号Ｒｒ及び右目青色信号Ｂｒが組み合わされ、左目赤色信号Ｒｌ及び左目青色信号Ｂｌが組み合わされ、左右視差を有する映像が獲得されもする。
なお、図６では、ピクセルＰＸが赤色信号または青色信号を出力するように図示されているが、それに制限されるものではない。カラーフィルタの構成は、多様に変形可能である。また、図６、及び前述の説明を基に、上下視差を有する映像を獲得する変形が可能であろう。
図７Ａないし図７Ｃは、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図である。図７Ａないし図７Ｃは、図３に図示されたピクセルの水平断面図を例示的に示し、説明の便宜のために、第２光電変換部１２０、ストレージノード１１５及びマイクロレンズＭＬＳを除いた他の構成は省略する。
図７Ａを参照すれば、イメージセンサ１００ｃは、第２光電変換部１２０が偏向されるように配置された４個のピクセルＰＸ１，ＰＸ２，ＰＸ３，ＰＸ４の組み合わせを含んでもよい。第１ピクセルＰＸ１、第２ピクセルＰＸ２、第３ピクセルＰＸ３及び第４ピクセルＰＸ４の第２光電変換部１２０は、互いに異なる方向に偏向されるように配置されてもよい。例えば、図示されているように、第２光電変換部１２０は、対角線に反対になる方向に配置されてもよい。第１ピクセルＰＸ１ないし第４ピクセルＰＸ４に具備される第２光電変換部１２０は、それぞれ、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向に偏向配置されてもよい。一実施形態において、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向は、互いに直交する。かような第２光電変換部１２０の配置により、上下左右の視差による映像信号を獲得することができる。
図７Ａに図示されているように、ストレージノード１１５は、第２光電変換部１２０の反対になる方向に偏向されるように配置されてもよい。しかし、それは一例であり、それに制限されるものではない。ストレージノード１１５は、第２光電変換部１２０と重畳しない限り、さまざまな方向に偏向されるように配置されてもよい。例えば、第１ピクセルＰＸ１のストレージノード１１５は、ｘ１ｙ１方向を除いた、ｘ１ｙ２方向、ｙ２方向、ｘ２ｙ２方向、ｘ２方向及びｘ２ｙ１方向に偏向されるように配置されてもよい。
図７Ｂ及び図７Ｃのイメージセンサ１００ｄ，１００ｆのピクセルＰＸの構成は、図７Ａのイメージセンサ１００ｃのピクセルＰＸの構成と類似している。ただし、第２光電変換部１２０ａ及び１２０ｂ、並びにストレージノード１１５ｄ及び１１５の形態において違いがある。図７Ｂを参照すれば、第２光電変換部１２０ａ及びストレージノード１１５ｄは、三角形でもある。また、図７Ｃを参照すれば、第２光電変換部１２０ｂは、多角形でもある。そのように、第２光電変換部１２０ａ及び１２０ｂ、並びにストレージノード１１５ｄ及び１１５の形態を多様化することにより、ピクセルＰＸのフィルファクタを高めることができる。
図８は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図８を参照すれば、イメージセンサ２００は、複数のピクセルＰＸを含み、これら複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、貫通配線１１４、ストレージノード１１５、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬを含んでもよい。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層１７０をさらに具備することができる。
第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、光軸ＭＬＸと一方向に離隔される。
図８のイメージセンサ２００のピクセルＰＸは、図３のイメージセンサ１００のピクセルＰＸと類似している。ただし、図８のピクセルＰＸにおいて、平坦化層ＰＬ、第１光電変換部１１０、カラーフィルタＣＦ、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬがマイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される。
それにより、マイクロレンズＭＬＳを介して入射される光のうち第１波長帯域の光が、第１光電変換部１１０で光電変換され、第１波長帯域の光を除いた残りの波長帯域の光のうち一部波長帯域の光が、カラーフィルタＣＦを透過することができる。カラーフィルタＣＦを透過した光成分は、第２光電変換部１２０で光電変換される。
カラーフィルタＣＦは、例えば、補色フィルタであり、第２光電変換部１２０で吸収される波長の光と補色関係にある光の波長帯域を反射することができる。例えば、カラーフィルタＣＦは、第２波長帯域の光または第３波長帯域の光と補色関係にある光の波長帯域が、第２光電変換部１２０に入射されることを遮断することができる。それにより、第２光電変換部１２０は、第３波長帯域の光または第２波長帯域の光を光電変換することができる。一実施形態として、第１波長帯域ないし第３波長帯域の光は、緑色、赤色、青色の光でもある。他の例として、第１波長帯域ないし第３波長帯域の光は、緑色、シアン、マゼンタの光でもある。しかし、それらに制限されるものではなく、多様な変形が可能である。
図９は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図９を参照すれば、イメージセンサ３００は、複数のピクセルＰＸを含み、これら複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、第１光電変換部１１０、第１貫通配線１１４、第１ストレージノード１１５、第２光電変換部１２０、第３光電変換部１３０、第３貫通配線１３４、第３ストレージノード１３５及び配線層ＭＬを含んでもよい。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層ＩＬをさらに具備することができる。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、カラーフィルタ（図示せず）をさらに具備することもできる。
第１光電変換部１１０は、第１波長帯域の光を吸収し、電気的信号に変換し、第３光電変換部１３０は、第３波長帯域の光を吸収して電気的信号に変換することができる。第２光電変換部１２０は、残りの光を吸収して電気的信号に変換することができる。
図示されているように、第３光電変換部１３０、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０がマイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される場合、第２光電変換部１２０は、マイクロレンズＭＬＳを介して入射される光のうち第１波長帯域及び第３波長帯域の光を除いた残りの光を吸収することができる。例えば、第２光電変換部１２０は、第２波長帯域の光を電気的信号に変換することができる。一実施形態において、第２波長帯域の光を選択的に吸収するために、マイクロレンズＭＬＳと第２光電変換部１２０との間にカラーフィルタ（図示せず）が介在されてもよい。
一実施形態において、第１光電変換部１１０及び第３光電変換部１３０は、有機フォトダイオードを含んでもよい。第１光電変換部１１０及び第３光電変換部１３０は、それぞれ上部電極１１１，１３１、カラー選択層１１２，１３２及び下部電極１１３，１３３を含んでもよい。第３光電変換部１３０に変換された電気的信号は、第３貫通配線１３４を介して、第３ストレージノード１３５に保存される。第１光電変換部１１０に変換された電気的信号は、第１貫通配線１１４を介して、第１ストレージノード１１５に保存される。
図９において、第１ストレージノード１１５及び第３ストレージノード１３５は、基板ＳＵＢ内において上下に、例えば、ｚ１−ｚ２方向に積層されるように図示されているが、それは、図示の便宜のためのものであり、それに制限されるものではない。第１ストレージノード１１５及び第３ストレージノード１３５は、同一水平面上において、離隔配置されてもよい。第１ストレージノード１１５及び第３ストレージノード１３５は、ｙ方向またはｘ１−ｘ２方向に離隔配置されてもよい。
第２光電変換部１２０は、無機フォトダイオードであり、基板ＳＵＢ内に配置されてもよい。第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、光軸ＭＬＸと離隔される。隣接するように配置された第１ピクセルＰＸ１と、第２ピクセルＰＸ２との第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、互いに異なる方向に光軸ＭＬＸと離隔される。それにより、第１ピクセルＰＸ１は、光軸ＭＬＸの左側から入射される左側入射光に係わる第２波長帯域の光信号に対応する電気的信号を出力し、第２ピクセルＰＸ２は、光軸ＭＬＸの右側から入射される右側入射光に係わる第２波長帯域の光信号に対応する電気的信号を出力することができる。前記それぞれの電気的信号は、配線層ＭＬに具備されるピクセル回路（図示せず）で増幅され、位相差ＡＦ遂行に利用される。
図９に図示されたピクセルＰＸは、互いに異なる波長帯域の光を光電変換する第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び第３光電変換部１３０を具備することにより、１つのピクセルＰＸにおいて、少なくとも３つの波長帯域の光信号に対応する電気的信号を出力することができる。また、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２の第２光電変換部１２０が互いに異なる方向に偏向されるように配置されることにより、少なくとも１対のピクセルＰＸ１，ＰＸ２から出力される電気的信号が、視差映像信号または視差映像として出力される。
図１０は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図１０を参照すれば、イメージセンサ４００は、複数のピクセルＰＸを含み、これら複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、貫通配線１１４、ストレージノード１１５、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬを含んでもよい。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層ＩＬをさらに具備することができる。
マイクロレンズＭＬＳ、平坦化層ＰＬ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬは、マイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される。しかし、それに制限されるものではなく、第１光電変換部１１０と第２光電変換部１２０との位置は、変更されてもよい。第１光電変換部１１０が第２光電変換部１２０の下方に配置されもする。
図１０のピクセルＰＸは、図３のピクセルＰＸの構成及び動作と類似している。ただし、ピクセルＰＸに具備される第２光電変換部１２０において、図３のピクセルＰＸと違いがある。従って、重複する説明は省略し、第２光電変換部１２０について説明する。
図１０を参照すれば、第２光電変換部１２０は、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２を含んでもよい。第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、シリコンフォトダイオードまたは化合物半導体フォトダイオードのような無機フォトダイオードでもある。第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、基板ＳＵＢ内に形成される。
第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、光軸ＭＬＸを中心に離隔配置されてもよい。それによって、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、互いに異なる方向から入射される光を主に感知することができる。例えば、第１光電変換素子１２１は、ｘ２方向、例えば、光軸ＭＬＸの左側方向から入射される光を主に感知し、第２光電変換素子１２２は、ｘ１方向、例えば、光軸ＭＬＸの右側方向から入射される光を主に感知することができる。
それにより、第２光電変換部１２０は、第２波長帯域の光に係わる、少なくとも２つの電気的信号を出力することができ、それに基づいて視差映像信号が獲得される。
一方、イメージセンサ４００は、複数のピクセルＰＸ１，ＰＸ２を含んでもよい。隣接する第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２は、異種光または同種光に対するカラーフィルタＣＦを具備することができる。しかし、それに制限されるものではない。一実施形態において、複数のピクセルＰＸは、カラーフィルタＣＦを具備しないこともある。
第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２にそれぞれ具備される第１光電変換素子１２１を介して出力される第２波長帯域の光に対応する電気的信号が、第１映像信号（例えば、左目映像信号）を構成し、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２にそれぞれ具備される第２光電変換素子１２２を介して出力される電気的信号が、第２映像信号（例えば、右目映像信号）を構成することができる。
図１１Ａないし図１１Ｇは、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図である。図１１Ａないし図１１Ｇは、図１０に図示されたピクセルの水平断面図を例示的に示し、説明の便宜のために、第２光電変換部１２０の第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２、ストレージノード１１５及びマイクロレンズＭＬＳを除いた他の構成は省略する。
図１１Ａを参照すれば、イメージセンサ４００ａのピクセルＰＸ内に、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２が配置される。第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、左右方向、例えば、ｘ１−ｘ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。それにより、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、左右両眼視差映像信号を出力することができる。
ストレージノード１１５は、余裕空間に配置され、ｙ１方向またはｙ２方向に偏向されるように配置されてもよい。図１１Ａにおいて、第１ピクセルＰＸ１のストレージノード１１５は、ｙ２方向に偏向配置され、第２ピクセルＰＸ２のストレージノード１１５は、ｙ１方向に偏向配置されるように図示されている。しかし、それは一例であり、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２のストレージノード１１５は、同じ方向、例えば、いずれもｙ１方向にまたはｙ２方向に偏向配置されてもよい。
図１１Ｂを参照すれば、イメージセンサ４００ｂのピクセルＰＸ内に具備される第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、上下方向、例えば、ｙ１−ｙ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。それにより、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、上下両眼視差映像信号を出力することができる。
ストレージノード１１５は、余裕空間に配置され、ｘ１方向またはｘ２方向に偏向されるように配置されてもよい。図１１Ｂにおいて、第１ピクセルＰＸ１のストレージノード１１５は、ｘ２方向に偏向配置され、第２ピクセルＰＸ２のストレージノード１１５は、ｘ１方向に偏向配置されるように図示されている。しかし、それは一例であり、第１ピクセルＰＸ１及び第２ピクセルＰＸ２のストレージノード１１５は、同じ方向、例えば、いずれもｘ１方向にまたはｘ２方向に偏向配置されてもよい。
図１１Ｃのイメージセンサ４００ｃのピクセルＰＸの構造は、図１１Ａのイメージセンサ４００ａのピクセルＰＸの構造と類似している。ただし、ストレージノード１１５の配置において違いがある。
図１１Ｃを参照すれば、ストレージノード１１５ピクセルＰＸの対角線方向、例えば、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向に偏向配置されてもよい。図１１Ｃに図示されているように、隣接する４つのピクセルＰＸ１ないしＰＸ４のストレージノード１１５は、４つのピクセルＰＸ１ないしＰＸ４の中心に向けて偏向されるように配置されてもよい。しかし、それは一例であるのみ、ピクセルＰＸのストレージノード１１５は、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向のうち少なくとも１つの方向に配置される。また、ピクセルＰＸのストレージノード１１５は、いずれも同一方向に偏向配置されてもよい。
図１１Ｄないし図１１Ｇを参照すれば、イメージセンサ４００ｄのピクセルＰＸに具備される第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、三角形でもある。また、図１１Ｇに図示されているように、三角形のエッジ部分が緩くパターニングされもする。図１１Ｄないし図１１Ｇには、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２が左右方向、例えば、ｘ１−ｘ２方向に偏向配置されるように図示されているが、それに制限されるものではない。第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、上下方向、例えば、ｙ１−ｙ２方向に偏向配置され、また一部ピクセルＰＸの第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、上下方向に偏向配置され、他の一部ピクセルＰＸの第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、左右方向に偏向配置されもする。
一方、ストレージノード１１５は、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向のうち少なくとも１つの方向に偏向配置され、図１１Ｅ及び図１１Ｆに図示されているように、ストレージノード１１５の形態も三角形である。
図１１Ｄ及び図１１Ｆに図示されているように、複数のピクセルＰＸに具備されるそれぞれのストレージノード１１５は、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向のうち１つの方向に、いずれも同一方向に偏向されるように配置されてもよい。
一実施形態において、図１１Ｅに図示されているように、第１ピクセルＰＸ１ないし第４ピクセルＰＸ４に具備されるストレージノード１１５は、互いに異なる方向に偏向されるように配置されてもよい。他の実施形態において、図１１Ｆに図示されているように、第１ピクセルＰＸ１及び第３ピクセルＰＸ３に含まれるストレージノード１１５は、下方向に偏向されるように配置され、第２ピクセルＰＸ２及び第４ピクセルＰＸ４に含まれるストレージノード１１５は、上方向に偏向されるように配置されてもよい。
一方、図１１Ｄないし図１１Ｇにおいて、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、三角形であるものを例に挙げて説明したが、それに制限されるものではない。第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２の形態は、ピクセルＰＸのフィルファクタを高めることができる多様な形態に変形される。また、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２の形態及び配置方向により、ストレージノード１１５の形態及び配置方向を多様に変形することが可能である。
図１２は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図１２を参照すれば、前記複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂ、第２光電変換部１２０、並びに配線層ＭＬを含んでもよい。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層ＩＬをさらに具備することができる。
マイクロレンズＭＬＳ、平坦化層ＰＬ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬは、マイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される。しかし、それに制限されるものではなく、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０の位置は変更されてもよい。第１光電変換部１１０が第２光電変換部１２０の下方に配置されもする。
図１２のピクセルＰＸは、図１０のピクセルＰＸの構成及び動作と類似している。ただし、ピクセルＰＸに具備される第１光電変換部１１０において、図１０のピクセルＰＸと違いがある。従って、重複説明は省略し、第１光電変換部１１０について説明する。
図１２を参照すれば、第１光電変換部１１０は、上部電極１１１、カラー選択層１１２、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含んでもよい。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に離隔配置されてもよい。そのように、第１光電変換部１１０が離隔配置される第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含むことにより、第１光電変換部１１０は、互いに異なる電気的信号を出力する２つの光電変換素子を含むと見ることができる。
それぞれのピクセルＰＸは、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂに対応する第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂを具備することができる。第１下部電極１１３ａから出力される電気的信号は、第１ストレージノード１１５ａに保存される。第２下部電極１１３ｂから出力される電気的信号は、第２ストレージノード１１５ｂに保存される。
第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、互いに異なる方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。例えば、第１下部電極は１１３ａは、ｘ２方向、例えば、光軸ＭＬＸの左側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力し、第２下部電極１１３ｂは、ｘ１方向、例えば、光軸ＭＬＸの右側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂから出力される２つの電気的信号に基づいて視差映像信号が獲得される。
また、第２光電変換部１２０が互いに偏向配置される第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２を含むが、第１下部電極１１３ａ及び第１光電変換素子１２１から出力される２つの電気的信号が組み合わされ、第１映像信号（例えば、左目映像信号）を構成し、第２下部電極１１３ｂ及び第２光電変換素子１２２から出力される２つの電気的信号が組み合わされ、第２映像信号（例えば、右目映像信号）を構成することができる。
図１３Ａないし図１３Ｅは、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図である。図１３Ａないし図１３Ｅは、図１２に図示されたピクセルの水平断面図を例示的に示し、説明の便宜のために、第２光電変換部１２０の第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２、第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂ、並びにマイクロレンズＭＬＳを除いた他の構成は、省略する。第１光電変換部１１０の第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、ｚ方向に、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２の上部に積層される。
図１３Ａを参照すれば、イメージセンサ５００ａのピクセルＰＸ内に、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２が配置される。第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、左右方向、例えば、ｘ１−ｘ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。
第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂは、ピクセルＰＸ内の余裕空間に配置されてもよい。第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂも、ｘ１−ｘ２方向に互いに偏向されるように離隔配置されてもよい。
図１３Ｂを参照すれば、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、上下方向、例えば、ｙ１−ｙ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。
第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂは、ピクセルＰＸ内の余裕空間に配置されてもよい。第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂも、ｙ１−ｙ２方向に互いに偏向されるように離隔配置されてもよい。
図１３Ｃを参照すれば、第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、三角形でもある。また、第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂも三角形である。
第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２は、左右方向、例えば、ｘ１−ｘ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。
第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂは、ピクセルＰＸ内の余裕空間に配置され、ｘ１−ｘ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。
一実施形態において、三角形の第１光電変換素子１２１及び第２光電変換素子１２２、並びに第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂが、上下方向、例えば、ｙ１−ｙ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されることも可能である。
図１３Ｄを参照すれば、イメージセンサ５００ｄのピクセルＰＸは、第１光電変換素子１２１ないし第４光電変換素子１２４、及び第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄを含んでもよい。言い換えれば、図１２のイメージセンサ５００において、ピクセルＰＸは、ｘ１−ｘ２方向及びｙ方向（すなわち、ｙ１−ｙ２方向）に偏向配置される第１光電変換素子１２１ないし第４光電変換素子１２４、及び第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄを含んでもよい。そして、ピクセルＰＸは、第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄに対応する第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄを含んでもよい。複数のピクセルＰＸそれぞれは、第１波長帯域の光に対して４個の電気的信号を出力し、第２波長帯域の光に対しても、４個の電気的信号を出力することができる。それぞれの波長帯域の４個の電気的信号に基づいて、左右上下の視差映像信号が生成される。
第１光電変換素子１２１ないし第４光電変換素子１２４は、ピクセルＰＸの対角線方向、例えば、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向に偏向配置されてもよい。ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向は、互いに直交する方向でもある。
第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄは、ピクセルＰＸ内の余裕空間に配置され、ピクセルＰＸの対角線方向、例えば、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向に偏向配置されてもよい。
図１３Ｅを参照すれば、イメージセンサ５００ｅのピクセルＰＸそれぞれは、第１光電変換素子１２１ないし第４光電変換素子１２４、及び第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄを含んでもよい。図１３Ｄと同様に、第１光電変換素子１２１ないし第４光電変換素子１２４、及び第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄは、ピクセルＰＸの対角線方向、例えば、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向に偏向されるように配置されてもよい。なお、図示されているように、第１光電変換素子１２１ないし第４光電変換素子１２４、及び第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄは、三角形でもある。しかし、それは一例であり、第１光電変換素子１２１ないし第４光電変換素子１２４、及び第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄの形態は、多様に変形可能である。
図１４は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図１４を参照すれば、イメージセンサ６００に含まれる複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂ、第２光電変換部１２０、並びに配線層ＭＬを含んでもよい。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層をさらに具備することができる。
マイクロレンズＭＬＳ、平坦化層ＰＬ、カラーフィルタＣＦ、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び配線層ＭＬは、マイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される。しかし、それに制限されるものではなく、第１光電変換部１１０と第２光電変換部１２０との位置は、変更されてもよい。第１光電変換部１１０が第２光電変換部１２０の下方に配置されもする。
図１４を参照すれば、第２光電変換部１２０の中心軸ＣＸは、光軸ＭＬＸと一致することができる。第２光電変換部１２０は、第２波長帯域の光信号を電気的信号に変換して出力することができる。
一方、第１光電変換部１１０は、上部電極１１１、カラー選択層１１２、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含んでもよい。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に離隔配置されてもよい。そのように、第１光電変換部１１０が離隔配置される第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含むことにより、第１光電変換部１１０は、互いに異なる電気的信号を出力する２つの光電変換素子を含むと見ることができる。
それぞれのピクセルＰＸは、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂに対応する貫通配線、並びに第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂを具備することができる。第１下部電極１１３ａから出力される電気的信号は、第１ストレージノード１１５ａに保存される。第２下部電極１１３ｂから出力される電気的信号は、第２ストレージノード１１５ｂに保存される。
第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に互いに異なる方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。例えば、第１下部電極は１１３ａは、ｘ２方向、例えば、光軸ＭＬＸの左側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力し、第２下部電極１１３ｂは、ｘ１方向、例えば、光軸ＭＬＸの右側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。
第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂから出力される２つの電気的信号に基づいて視差映像信号が獲得される。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの水平断面図である。図１５Ａ及び図１５Ｂは、図１４に図示されたピクセルの水平断面図を例示的に示し、説明の便宜のために、第１光電変換部１１０の第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂ、それに対応する第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂ、並びにマイクロレンズＭＬＳを図示し、他の構成は省略する。
図１５Ａを参照すれば、イメージセンサ６００ａのピクセルＰＸ内に、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂが配置される。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、図示されているように、左右方向、例えば、ｘ１−ｘ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。他の実施形態において、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、上下方向、例えば、ｙ１−ｙ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されてもよい。第２光電変換部１２０（図１４）は、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂの下方に配置されてもよい。第２光電変換部１２０の水平断面の広さは、前記第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂの水平断面の広さの和より大きい。
第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂは、ピクセルＰＸ内の余裕空間に配置されてもよい。第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂも、ｘ１−ｘ２方向に互いに偏向されるように離隔配置されてもよい。または、第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂは、ｙ１−ｙ２方向に偏向されるように互いに離隔配置されもする。
図１５Ａでは、第１下部電極１１３ａ及び下部電極１１３ｂ、並びに第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂが四角形であるように図示されているが、それに制限されるものではない。第１下部電極１１３ａ及び下部電極１１３ｂ、または第１ストレージノード１１５ａ及び第２ストレージノード１１５ｂの形態は、多様に変形可能である。
図１５Ｂを参照すれば、イメージセンサ６００ｂのピクセルＰＸは、第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄ、及び第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄを含んでもよい。言い換えれば、図１４のイメージセンサ６００において、ピクセルＰＸは、ｘ１−ｘ２方向及びｙ方向（すなわち、ｙ１−ｙ２方向）に偏向配置される第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄを含んでもよい。そして、ピクセルＰＸは、第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄに対応する第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄを含んでもよい。複数のピクセルＰＸそれぞれは、第１波長帯域の光に対して４個の電気的信号を出力し、第２波長帯域の光に対しても、４個の電気的信号を出力することができる。それぞれの波長帯域の４個の電気的信号に基づいて、左右上下の視差映像信号が生成される。
また、図１５Ｂを参照すれば、第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄは、ピクセルＰＸの対角線方向、例えば、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向に偏向配置されてもよい。ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向は、互いに直交する方向でもある。
第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄは、ピクセルＰＸ内の余裕空間に配置され、ピクセルＰＸの対角線方向、例えば、ｘ１ｙ１方向、ｘ１ｙ２方向、ｘ２ｙ１方向及びｘ２ｙ２方向に偏向配置されてもよい。
図１５Ｂでは、第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄ、及び第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄが四角形であるように図示されているが、それに制限されるものではない。第１下部電極１１３ａないし第４下部電極１１３ｄ、または第１ストレージノード１１５ａないし第４ストレージノード１１５ｄの形態は、多様に変形可能である。
図１６は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図１６を参照すれば、イメージセンサ７００は、複数のピクセルＰＸを含み、これら複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、第１光電変換部１１０、貫通配線１１４、第１ストレージノード１１５ａ、第２ストレージノード１１５ｂ及び第３ストレージノード１３５、第２光電変換部１２０、第３光電変換部１３０、並びに配線層ＭＬを含んでもよい。複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層ＩＬをさらに具備することができる。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、カラーフィルタ（図示せず）をさらに具備することもできる。
第１光電変換部１１０は、第１波長帯域の光を吸収し、電気的信号に変換し、第３光電変換部１３０は、第３波長帯域の光を吸収して電気的信号に変換することができる。第２光電変換部１２０は、入射光の残りの光成分を吸収し、電気的信号に変換することができる。
図示されているように、第３光電変換部１３０、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１２０がマイクロレンズＭＬＳの下方に順に積層される場合、第２光電変換部１２０は、マイクロレンズＭＬＳを介して入射される光のうち、第１波長帯域及び第３波長帯域の光を除いた残りの光を吸収することができる。例えば、第２光電変換部１２０は、第２波長帯域の光を電気的信号に変換することができる。このとき、第２波長帯域の光を選択的に吸収するために、マイクロレンズＭＬＳと第２光電変換部１２０との間に、カラーフィルタ（図示せず）が介在されてもよい。
一実施形態において、第１光電変換部１１０及び第３光電変換部１３０は、有機フォトダイオードを含んでもよい。第１光電変換部１１０及び第３光電変換部１３０は、それぞれ上部電極１１１，１３１、カラー選択層１１２，１３２及び下部電極１１３ａ，１１３ｂ，１３３を含んでもよい。第１光電変換部１１０及び第３光電変換部１３０の下部電極１１３ａ，１１３ｂ，１３３から出力される電気的信号は、対応する貫通配線１１４を介して、対応するストレージノード１１５ａ，１１５ｂ，１３５に保存される。
一方、第１光電変換部１１０は、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含んでもよい。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に離隔配置される。そのように、第１光電変換部１１０が、離隔配置される第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含むことにより、第１光電変換部１１０は、互いに異なる電気的信号を出力する２つの光電変換素子を含むと見ることができる。
第１下部電極１１３ａから出力される電気的信号は、第１ストレージノード１１５ａに保存される。第２下部電極１１３ｂから出力される電気的信号は、第２ストレージノード１１５ｂに保存される。
第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に互いに異なる方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。例えば、第１下部電極１１３ａは、ｘ２方向、例えば、左側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力し、第２下部電極１１３ｂは、ｘ１方向、例えば、右側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。
第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂから出力される２つの電気的信号に基づいて、視差映像信号が獲得される。
図１６に図示されたピクセルＰＸは、互いに異なる波長帯域の光を光電変換する第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０及び第３光電変換部１３０を具備することにより、１つのピクセルＰＸから、少なくとも３つの波長帯域の光信号に対応する電気的信号を出力することができる。また、第１光電変換部１１０が偏向されるように配置される２つの下部電極１１３ａ，１１３ｂを含み、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂから２つの電気的信号が出力されるが、前記２つの電気的信号に基づいて、視差映像信号が生成される。
図１７は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図１７を参照すれば、イメージセンサ７００ａは、複数のピクセルＰＸを含み、前記複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０、第３光電変換部１３０、貫通配線１１４、ストレージノード１１５ａ，１１５ｂ，１３５ａ，１３５ｂ及び配線層ＭＬを含んでもよい。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層ＩＬ１，ＩＬ２をさらに具備することができる。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、カラーフィルタ（図示せず）をさらに具備することもできる。
図１７のピクセルＰＸは、図１６のピクセルＰＸと構造及び動作が類似している。ただし、図１７のピクセルＰＸにおいて、第３光電変換部１３０の構成が図１６のピクセルＰＸの第３光電変換部１３０と異なる。
図１７を参照すれば、第３光電変換部１３０は、上部電極１３１、カラー選択層１３２及び下部電極１３３ａ，１３３ｂを含んでもよい。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に離隔配置されてもよい。そのように、第３光電変換部１３０が離隔配置される第１下部電極１３３ａ及び第２下部電極１３３ｂを含むことにより、第３光電変換部１３０は、互いに異なる電気的信号を出力する２つの光電変換素子を含むと見ることができる。
第３光電変換部１３０の第１下部電極１３３ａ及び第２下部電極１３３ｂから出力される電気的信号は、対応するストレージノード１３５ａ，１３５ａに保存される。
第１下部電極１３３ａ及び第２下部電極１３３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に互いに異なる方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。例えば、第１下部電極は１１３ａは、ｘ２方向、例えば、左側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力し、第２下部電極１１３ｂは、ｘ１方向、例えば、右側方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂから出力される２つの電気的信号に基づいて視差映像信号が獲得される。
また、第１光電変換部１１０が互いに偏向配置される第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含むが、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１３０にそれぞれ具備される第１下部電極１１３ａ，１３３ａから出力される２つの電気的信号が組み合わされ、第１映像信号（例えば、左目映像信号）を構成し、第１光電変換部１１０及び第２光電変換部１３０にそれぞれ具備される第２下部電極１１３ｂ，１３３ｂから出力される２つの電気的信号が組み合わされ、第２映像信号（例えば、右目映像信号）を構成することができる。
図１８は、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサが含むピクセルの垂直断面図である。
図１８を参照すれば、イメージセンサ７００ｂは、複数のピクセルＰＸを含み、これら複数のピクセルＰＸそれぞれは、マイクロレンズＭＬＳ、第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０ａ、第３光電変換部１３０、貫通配線１１４、ストレージノード１１５ａ，１１５ｂ，１２５ａ，１３５及び配線層ＭＬを含んでもよい。また、複数のピクセルＰＸそれぞれは、平坦化層ＰＬ及び絶縁層ＩＬ１，ＩＬ２をさらに具備することができる。
第１光電変換部１１０は、第１波長帯域の光を吸収し、電気的信号に変換し、第２光電変換部１２０ａは、第２波長帯域の光を吸収して電気的信号に変換し、第３光電変換部１３０は、第３波長帯域の光を吸収して電気的信号に変換することができる。
第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０ａ及び第３光電変換部１３０は、有機フォトダイオードを含んでもよい。第１光電変換部１１０ないし第３光電変換部１３０は、それぞれ上部電極１１１，１２１ａ，１３１、カラー選択層１１２，１２２ａ，１３２及び下部電極１１３ａ，１１３ｂ，１２３ａ，１３３を含んでもよい。第１光電変換部１１０及び第３光電変換部１３０の下部電極１１３ａ，１１３ｂ，１３３から出力される電気的信号は、対応する貫通配線１１４を介して、対応するストレージノード１１５ａ，１１５ｂ，１２５ａ，１３５に保存される。ストレージノード１１５ａ，１１５ｂ，１２５ａ，１３５は、基板ＳＵＢ内に配置されてもよい。
一方、第１光電変換部１１０は、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂを含んでもよい。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に離隔配置されてもよい。
第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂは、光軸ＭＬＸを中心に互いに異なる方向から入射される光に対応する電気的信号を出力することができる。第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂから出力される２つの電気的信号に基づいて、視差映像信号が獲得される。
図１８に図示されたピクセルＰＸは、互いに異なる波長帯域の光を光電変換する第１光電変換部１１０、第２光電変換部１２０ａ及び第３光電変換部１３０を具備することにより、１つのピクセルＰＸから、少なくとも３つの波長帯域の光信号に対応する電気的信号を出力することができる。また、第１光電変換部１１０が偏向されるように配置される２つの下部電極１１３ａ，１１３ｂを含み、第１下部電極１１３ａ及び第２下部電極１１３ｂから２つの電気的信号が出力されるが、前記２つの電気的信号に基づいて、視差映像信号が生成される。
以上、図３ないし図１８を参照し、本発明の例示的実施形態によるイメージセンサ、及び前記イメージセンサに含まれるピクセルの具現例について説明した。しかし、本発明の技術的思想は、前述の例に限定されるものではなく、前述の例を基にする多様な変形例が可能であろう。
図１９Ａ及び図１９Ｂは、ピクセルアレイ内に焦点ピクセルが配置される例示的実施形態を示す図である。
図１ないし図１８を参照して説明した実施形態によるピクセル、言い換えれば、位相差映像信号を出力するピクセルを焦点ピクセルと指称する。前述の実施形態において、焦点ピクセルは、ピクセルアレイに全体的に配置されるように図示されている。しかし、本発明の技術的思想は、それに制限されるものではない。
図１９Ａ及び図１９Ｂに図示されているように、焦点ピクセルＦＰＸは、ピクセルアレイＰＸＡａ内の少なくとも一地点以上に配置される。
図１９Ａを参照すれば、少なくとも１つの焦点ピクセルＦＰＸは、ピクセルアレイＰＸＡａの中央部、または周辺部に配置される。焦点ピクセルＦＰＸが配置される地点以外には、一般ピクセルが配置される。例えば、一般ピクセルは、マルチレイヤ構造でもある。ただし、一般ピクセルＧＰＸは、ピクセル内に含まれる光電変換部の中心軸が光軸と一致する。
図１９Ｂを参照すれば、少なくとも１つの焦点ピクセルＦＰＸは、ピクセルアレイＰＸＡｂの行方向、例えば、ｘ１−ｘ２方向、または列方向、例えば、ｙ１−ｙ２方向に配置される。
図２０Ａないし図２０Ｅは、複数の焦点ピクセルが配置される例を示す図である。
ＦＰＸは、焦点ピクセルを示し、ＧＰＸは、一般ピクセルを示す。図２０Ａ及び図２０Ｂに図示されているように、焦点ピクセルＦＰＸは、対角線方向に配置されてもよい。また、図２０Ｃ及び図２０Ｄに図示されているように、焦点ピクセルＦＰＸは、行方向または列方向に配置されてもよい。また、図２０Ｅに図示されているように、複数個の焦点ピクセルＦＰＸがマトリックス状に配置されてもよい。
かような、焦点ピクセルＦＰＸの配列は、図１９Ａ及び図１９Ｂに図示されているように、ピクセルアレイＰＸＡａ，ＰＸＡｂ内の少なくとも一地点以上に配置されてもよい。
図２１は、本発明の一実施形態によるデジタル撮像装置１０００の例示的な構造を示した図面である。
本発明の一実施形態によるデジタル撮像装置１０００は、撮像部１１１０、イメージセンサ１１２０、メモリ１１３０、保存／判読制御部１１４０、データ保存部１１４２、プログラム保存部１１５０、表示駆動部１１６２、表示部１１６４、ＣＰＵ（central processing unit）／ＤＳＰ（digital signal processor）１１７０及び操作部１１８０を含んでもよい。
デジタル撮像装置１０００の全体動作は、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０によって統括される。ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０は、レンズ駆動部１１１２、絞り駆動部１１１５、制御部１１２２などに、各構成要素の動作のための制御信号を提供する。
ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０、信号処理部１１２３、制御部１１２２及び保存／判読制御部１１４０は、プロセッサ及びメモリ（図示せず）を含んでもよい。
メモリは、不揮発性メモリ、例えば、ＲＯＭ（read only memory）、ＰＲＯＭ（programmable read only memory）、ＥＰＲＯＭ（electrically programmable read only memory）、ＥＥＰＲＯＭ（electrically erasable and programmable read only memory）、flash memory device、ＰＲＡＭ（phase-change random access memory）、ＭＲＡＭ（magnetoresistive random access memory）、ＲＲＡＭ（登録商標）（resistive random access memory）、ＦＲＡＭ（登録商標）（ferroelectric random access memory）などを含んでもよい。
メモリは、コンピュータで判読可能なコード、言い換えれば、プロセッサによって実行され、プロセッサを、特定目的のコンピュータとして設定するコードを含んでもよい。例えば、コードは、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０を、レンズ駆動部１１１２、絞り駆動部１１１５及び制御部１１２２を制御する目的のコンピュータとして設定することができる。
メモリ１１３０、データ保存部１１４２及びプログラム保存部１１５０は、揮発性メモリ、例えば、ＳＲＡＭ（static random access memory）、ＤＲＡＭ（dynamic random access memory）などを含んでもよい。
撮像部１１１０は、光を受信する構成要素であり、レンズ１１１１、レンズ駆動部１１１２、絞り１１１３、絞り駆動部１１１５を含んでもよい。
レンズ１１１１は、複数のレンズを具備することができる。レンズ１１１１は、レンズ駆動部１１１２によってその位置が調節される。レンズ駆動部１１１２は、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０から提供された制御信号によって、レンズ１１１１の位置を調節する。
絞り１１１３は、絞り駆動部１１１５によって、その開閉程度が調節され、ピクセル１１１８に入射される光量を調節する。
イメージセンサ１１２０は、入射される光を映像信号に変換することができる。イメージセンサ１１２０は、ピクセルアレイ１１２１、制御部１１２２及び信号処理部１１２３を含んでもよい。
レンズ１１１１及び絞り１１１３を透過した光学信号は、ピクセルアレイ１１２１の受光面に至り、被写体の像を結像する。ピクセルアレイ１１２１は、光学信号を電気信号に変換するＣＩＳ（complementary metal oxide semiconductor image sensor）でもある。かようなピクセルアレイ１１２１は、制御部１１２２によって感度などが調節される。制御部１１２２は、リアルタイムに入力される映像信号によって自動的に生成される制御信号、またはユーザの操作によって手動で入力される制御信号によって、ピクセルアレイ１１２１を制御することができる。
ピクセルアレイ１１２１の露光時間は、シャッタ（図示せず）によって調節される。シャッタ（図示せず）は、覆いを移動させて光の入射を調節する機械式シャッタと、ピクセルアレイ１１２１に電気信号を供給して露光を制御する電子式シャッタとがある。
信号処理部１１２３は、ピクセルアレイ１１２１から供給されたアナログ信号に対して、ノイズ低減処理、ゲイン調整、波形整形化、アナログ−デジタル変換処理などを行うことができる。また、信号処理部１１２３は、位相差ＡＦのための信号処理を行うことができる。
信号処理部１１２３によって処理された信号は、メモリ１１３０を経て、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０に入力され、メモリ１１３０を経ずに、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０に入力されもする。ここで、メモリ１１３０は、デジタル撮像装置１０００のメインメモリとして動作し、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０が動作中に必要な情報を臨時に保存する。プログラム保存部１１５０は、デジタル撮像装置１０００を駆動する運用システム、応用システムなどのプログラムを保存する。
併せて、デジタル撮像装置１０００は、その作状態、またはデジタル撮像装置１０００で撮影した映像情報を表示するように、表示部１１６４を含む。表示部１１６４は、視覚的な情報、及び／または聴覚的な情報をユーザに提供することができる。視覚的な情報を提供するために、表示部１１６４は、例えば、液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤ）、有機発光ディスプレイパネル（ＯＬＥＤ）などからなる。また、表示部１１６４は、タッチ入力を認識することができるタッチスクリーンでもある。
表示駆動部１１６２は、表示部１１６４に駆動信号を提供する。
ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０は、入力される撮像信号を処理し、それによって、または外部入力信号によって、各構成部を制御する。ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０は、入力された撮像信号に対してノイズを低減させ、ガンマ補正（gamma correction）、色フィルタ配列補間（color filter array interpolation）、色マトリックス（color matrix）、色補正（color correction）、色向上（color enhancement）などの画質改善のための映像信号処理を行うことができる。また、画質改善のための映像信号処理を行って生成した映像データを圧縮処理し、映像ファイルを生成することができ、または映像ファイルから映像データを復元することができる。映像の圧縮形式は、可逆形式または非可逆形式による。適切な形式の例として、静止映像の場合、ＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）形式やＪＰＥＧ ２０００形式などに変換も可能である。また、動画を記録する場合、ＭＰＥＧ（Moving Picture Experts Group）標準によって、複数のフレームを圧縮して動画ファイルを生成することができる。映像ファイルは、例えば、Ｅｘｉｆ（exchangeable image file format）標準によって生成される。
ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０から出力されたイメージデータは、メモリ１１３０を介して、または直接保存／判読制御部１１４０に入力されるが、保存／判読制御部１１４０は、ユーザからの信号によって、または自動的に映像データをデータ保存部１１４２に保存する。また、保存／判読制御部１１４０は、データ保存部１１４２に保存された映像ファイルから映像に関するデータを判読し、それをメモリ１１３０を介して、または他の経路を介して表示駆動部に入力し、表示部１１６４にイメージが表示されるようにすることもできる。データ保存部１１４２は、脱着可能なものでもよく、デジタル撮像装置１０００に永久装着されたものでもよい。
また、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０においては、不鮮明処理、色彩処理、ボケ（blurring）処理、エッジ強調処理、映像解釈処理、映像認識処理、映像エフェクト処理なども行うことができる。映像認識処理において、顔認識、場面認識処理などを行うことができる。併せて、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０においては、表示部１１６４にディスプレイするための表示映像信号処理を行うことができる。例えば、輝度レベル調整、色補正、コントラスト調整、輪郭強調調整、画面分割処理、キャラクタ映像などの生成、及び映像の合成処理などを行うことができる。前記ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０は、外部モニタと連結され、外部モニタにディスプレイされるように設定（または、所定の映像信号処理の遂行）される。ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０は、外部モニタに映像データを伝送し、外部モニタで当該映像がディスプレイされるようにする。
また、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０は、プログラム保存部１１５０に保存されたプログラムを実行したり、別途のモジュールを具備したりし、オートフォーカシング、ズーム変更、焦点変更、自動露出補正などを制御するための制御信号を生成し、絞り駆動部１１１５、レンズ駆動部１１１２及び制御部１１２２に提供し、シャッタ、フラッシュなどデジタル撮像装置１０００に具備された構成要素の動作を総括的に制御することができる。
操作部１１８０は、ユーザが制御信号を入力することができるところである。操作部１１８０は、設定された（または、事前に定められる）時間の間、ピクセルアレイ１１２１を光に露出させて写真を撮影するようにするシャッタリリース信号を入力するシャッタリリースボタン、電源のオンオフを制御するための制御信号を入力する電源ボタン、入力によって画角を広くしたり、あるいは画角を狭くしたりするズームボタン、モード選択ボタン、その他撮影設定値調節ボタンなど多様な機能ボタンを含んでもよい。操作部１１８０は、ボタン、キーボード、タッチパッド、タッチスクリーン、遠隔制御器のようにユーザが制御信号を入力することができるいかなる形態によって具現されてもよい。
図２２は、本発明の一実施形態によるＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０ａの構造と、デジタル撮像装置１０００の一部構成要素とを図示した図である。
本発明の一実施形態によるＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０ａは、ＡＦ信号抽出部７１、撮像信号処理部７２、位相差ＡＦ処理部７３、ＡＦマイコン７５及びコーデック７６を含んでもよい。また、ＣＰＵ／ＤＳＰ １１７０ａは、コントラストＡＦ処理部７４をさらに含んでもよい。ピクセルアレイ１１２１は、図１ないし図２０Ｅを参照して説明したピクセル構造及びピクセル配置を有することができる。
撮像信号処理部７２、位相差ＡＦ処理部７３、コーデック７６及びコントラストＡＦ処理部７４のうち１以上の構成は、メモリ及びプロセッサを含んでもよい。
メモリは、コンピュータで判読可能なコード、言い換えれば、プロセッサによって実行され、プロセッサを、特定の目的のコンピュータとして設定するコードを含んでもよい。例えば、コードは、撮像信号処理部７２を、ピクセルアレイ１１２１から出力されるイメージ信号に対するイメージ処理を行うように設定することができる。
撮像信号処理部７２は、ピクセルアレイ１１２１から撮像信号を抽出し、撮像信号に対する信号処理を行う。撮像信号処理部７２は、ピクセルアレイ１１２１から出力され、信号処理部１１２３において、ノイズ除去、信号振幅調整、アナログ−デジタル変換などの処理が行われた撮像信号を入力され、補間処理、ホワイトバランス処理、ガンマ処理、エッジ強調処理、ノイズ除去処理などを行うことができる。一実施形態において、イメージ処理は、信号処理部１１２３でも行われる。また、撮像信号処理部７２は、ピクセルアレイ１１２１から出力されたＲＧＢ形式の信号に対して、色座標変換処理を行うが、例えば、ＲＧＢ信号をＹＣＣ信号に変換することができる。
位相差ＡＦ処理部７４は、第１位相差検出用信号及び第２位相差検出用信号を利用して位相差ＡＦを遂行する。位相差ＡＦ処理部７４は、図２Ａないし図２Ｃを参照して説明した方法によって、位相差ＡＦを遂行することができる。
一実施形態において、位相差ＡＦ処理部７３は、合焦いかんを判断するために、第１位相差検出信号と前記第２位相差検出信号との相関（correlation）値を算出することができる。例えば、ピクセル位置による第１位相差検出信号と第２位相差検出信号との相関値を算出し、ピクセルアレイの中心部において、相関値の大きさが臨界値以上に算出されれば、中心部が合焦状態であると判断し、そうではない場合、オートフォーカシング不能状態と判断することができる。
コントラストＡＦ処理部７４は、撮像信号処理部７２で処理された撮像信号を利用して、コントラスト値に基づいたＡＦを遂行することができる。コントラストＡＦ処理部７４は、撮像信号のコントラスト成分に該当する高周波成分を、バンドパスフィルタを利用して抽出することができる。また、コントラストＡＦ処理部７４は、抽出されたコントラスト成分に、積分処理などの所定の処理を行ったり設定したりすることができる。例えば、コントラスト成分は、時間によって積分される。コントラストＡＦ処理部７４は、コントラスト成分が最大になるように、レンズ１１１１を駆動することができる。
一例として、コントラストＡＦ処理部７４は、ＹＣＣ信号に変換された撮像信号からＹ成分、すなわち、輝度成分を利用してコントラストＡＦを遂行することができる。
ＡＦマイコン７５は、位相差ＡＦ処理部７３で算出された位相差ＡＦ結果値と、コントラストＡＦ処理部７４で算出されたコントラストＡＦ結果値とを利用して、レンズ駆動制御信号を生成し、それをレンズ駆動部１１１２に出力する。
一方、図２２においては、位相差ＡＦとコントラストＡＦとを共に遂行する実施形態を図示したが、本発明は、それに限定されるものではなく、位相差ＡＦ処理部７３で遂行された位相差ＡＦ結果のみを利用して、ＡＦを遂行することもできる。
図２３は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの構成を示すブロック図である。
図２３に図示されているように、イメージセンサ２１００は、ピクセルアレイ２１１０、コントローラ２１３０、ロウドライバ２１２０、ピクセル信号読取り部２１４０及び信号処理部２１５０を含んでもよい。ピクセルアレイ２１１０は、以上で説明された本発明の例示的実施形態によるピクセルを含んでもよい。ピクセルは、有機光電変換部または無機光電変換部を含むマルチレイヤ構造を含み、さらに有機光電変換部だけで積層されたマルチレイヤ構造のピクセルでもある。それを介して、イメージを出力するための単位ピクセルの大きさを小さくすることができ、さらに鮮かなイメージを出力することができるようになる。また、ピクセルは、位相差ＡＦのための視差映像信号が出力可能となる。
ピクセルアレイ２１１０は、二次元的に配列された複数のピクセルを含み、各ピクセルは、光感知素子、例えば、有機光電変換部または無機光電変換部を含んでもよい。光感知素子は、光を吸収して電荷を生成し、生成された電荷による電気的信号（出力電圧）は、ピクセル信号読取り部２１４０に提供される。ピクセルアレイ２１１０が含むピクセルは、ロウ（row）単位で、一回に一つずつ出力電圧を提供することができ、それによって、ピクセルアレイ２１１０の１つのロウに属するピクセルは、ロウドライバ２１２０が出力する選択信号によって同時に活性化される。選択されたロウに属するピクセルは、吸収した光による出力電圧を、対応するカラムの出力ラインに提供することができる。
コントローラ２１３０、信号処理部２１５０、ランプ信号生成器２１４８、相関二重サンプラ（ＣＤＳ）２１４２及びアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）２１４４のうち少なくとも一つは、プロセッサ及びメモリ（図示せず）を含んでもよい。
メモリは、コンピュータで判読可能なコード、言い換えれば、プロセッサによって実行され、プロセッサを、特定の目的のコンピュータとして設定するコードを含んでもよい。例えば、コードは、信号処理部２１５０を、バッファ２１４６から出力されるピクセルデータに対するイメージ処理を行う特定の目的のコンピュータとして設定することができる。
バッファ２１４６は、揮発性メモリ装置、例えば、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭなどでもある。
コントローラ２１３０は、ピクセルアレイ２１１０が光を吸収して電荷を蓄積するようにしたり、蓄積された電荷を臨時に保存したりするようにし、保存された電荷による電気的信号をピクセルアレイ２１１０の外部に出力させるように、ロウドライバ２１２０を制御することができる。また、コントローラ２１３０は、ピクセルアレイ２１１０が提供する出力電圧を測定するように、ピクセル信号読取り部２１４０を制御することができる。
ピクセル信号読取り部２１４０は、相関二重サンプラ（ＣＤＳ）２１４２、アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）２１４４及びバッファ２１４６を含んでもよい。相関二重サンプラ２１４２は、ピクセルアレイ２１１０で提供した出力電圧を、サンプリング及びホールドすることができる。相関二重サンプラ２１４２は、特定のノイズレベルと、生成された出力電圧によるレベルとを二重にサンプリングし、その差に該当するレベルを出力することができる。また、相関二重サンプラ２１４２は、ランプ信号生成器２１４８が生成したランプ信号を入力され、前記ランプ信号を、ピクセルアレイ２１１０から提供される出力電圧と比較し、比較結果を出力することができる。
アナログ−デジタルコンバータ２１４４は、相関二重サンプラ２１４２から受信するレベルに対応するアナログ信号を、デジタル信号に変換することができる。バッファ２１４６は、デジタル信号をラッチ（latch）することができ、ラッチされた信号は、順次に信号処理部２１５０またはイメージセンサ２１００の外部に出力される。
信号処理部２１５０は、受信されるピクセルデータに対して信号処理を行うことができる。信号処理部２１５０は、ノイズ低減処理、ゲイン調整、波形整形化処理、補間処理、ホワイトバランス処理、ガンマ処理、エッジ強調処理などを行うことができる。また、信号処理部２１５０は、位相差ＡＦのための信号処理を行うことができる。信号処理部２１５０は、イメージセンサ２１００に含まれる。しかし、それに制限されるものではない。一実施形態において、信号処理部２１５０は、イメージセンサ２１００外部のプロセッサに具備されもする。
図２４は、本発明の一実施形態によるシステムを示すブロック図である。システム２２００は、イメージデータを必要とするコンピュータシステム、カメラシステム、スキャナ、車両ナビゲーション、ビデオフォン、警備システムまたは動き検出システムのうちいずれか一つでもある。
図２４を参照すれば、システム２２００は、中央処理装置（ＣＰＵ）（または、プロセッサ）２２１０、不揮発性メモリ２２２０、イメージセンサ２２３０、入出力装置（Ｉ／Ｏ）２２４０及びＲＡＭ ２２５０を含んでもよい。中央処理装置２２１０は、バス２２６０を介して、不揮発性メモリ２２２０、イメージセンサ２２３０、入出力装置２２４０及びＲＡＭ ２２５０と通信することができる。イメージセンサ２２３０は、独立した半導体チップによって具現されもし、中央処理装置２２１０と結合し、１つの半導体チップによって具現されもする。図２４に図示されたシステムに含まれたイメージセンサ２２３０は、本発明の例示的実施形態によって以上で説明されたピクセルを含んでもよい。
図２５は、本発明の一実施形態によるイメージセンサを含む電子システム及びインターフェースを示している。
図２５を参照すれば、電子システム３０００は、ＭＩＰＩ（mobile industry processor interface）を使用または支援することができるデータ処理装置、例えば、移動電話機、ＰＤＡ（personal digital assistant）、ＰＭＰ（portable multimedia player）またはスマートフォンに具現される。電子システム３０００は、アプリケーション・プロセッサ３０１０、イメージセンサ３０４０及びディスプレイ３０５０を含んでもよい。
アプリケーション・プロセッサ３０１０に具現されたＣＳＩ（camera serial interface）ホスト３０１２は、カメラシリアル・インターフェース（ＣＳＩ）を介して、イメージセンサ３０４０のＣＳＩ装置３０４１とシリアル通信を行うことができる。このとき、例えば、前記ＣＳＩホスト３０１２には、光デシリアライザが具現され、ＣＳＩ装置３０４１には、光シリアライザが具現される。
アプリケーション・プロセッサ３０１０に具現されたＤＳＩ（display serial interface）ホスト３０１１は、ディスプレイシリアル・インターフェース（ＤＳＩ）を介して、ディスプレイ３０５０のＤＳＩ装置３０５１とシリアル通信することができる。このとき、例えば、ＤＳＩホスト３０１１には、光シリアライザが具現され、ＤＳＩ装置３０５１には、光デシリアライザが具現される。
電子システム３０００は、アプリケーション・プロセッサ３０１０と通信することができるＲＦ（radio frequency）チップ３０６０をさらに含んでもよい。電子システム３０００のＰＨＹ（physical layer）３０１３と、ＲＦチップ３０６０のＰＨＹ ３０６１は、ＭＩＰＩ ＤｉｇＲＦによってデータをやり取りすることができる。
電子システム３０００は、ＧＰＳ（global position system）３０２０、ストレージ３０７０、マイク３０８０、ＤＲＡＭ ３０８５及びスピーカ３０９０をさらに含んでもよく、電子システム３０００は、Ｗｉｍａｘ ３０３０、ＷＬＡＮ（wireless local area network）３１００及びＵＷＢ（ultra wideband）３１１０などを利用して通信することができる。
図２６は、本発明の実施形態による撮像装置の縦断面図である。
図２６を参照すれば、カメラ４０００は、ボディ４１００、イメージセンサ４２００、レンズ部４３００、ディスプレイ４４００及びビューファインダ４５００を含んでもよい。
レンズ部４３００は、被写体からの光を集め、光を、ボディ４１００内に配置されるイメージセンサ４３００に導くための撮像光学系として機能する。レンズ部４３００は、複数のレンズからなるレンズ群３１を含む。レンズ群３１には、焦点調節のためのフォーカスレンズ、及び変倍を行うためのズームレンズを含んでもよい。それぞれ光軸方向に駆動され、変倍や焦点調節を行う。
イメージセンサ４２００は、光軸に対して垂直方向に配置される。イメージセンサ４２００として、複数のピクセルがマトリックス上に、二次元配置されたＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサが利用される。イメージセンサ４２００は、レンズ部４３００を介して受光された被写体の光に対して設定された、あるいは事前に設定された波長成分、例えば、赤色成分、青色成分、緑色成分の波長帯域成分に対して電気信号を生成し、それを映像信号として出力することができる。イメージセンサ４２００は、前述の本発明の実施形態による複数のピクセルを含んでもよい。イメージセンサ４２００は、位相差ＡＦを遂行するための視差信号を生成することができる。生成された視差信号に基づいて、レンズ部４３００のレンズが光軸方向に駆動されることにより、自動焦点調節が行われる。
ビューファインダ４５００及びディスプレイ４４００は、被写体が撮像される映像を表示することができる。ビューファインダ４５００は、接眼レンズ（図示せず）を具備することができる。また、ビューファインダ４５００は、画像表示が可能なディスプレイパネルを含んでもよい。ユーザは、ビューファインダ４５００またはディスプレイ４４００を介して撮影される被写体を視認することができる。
以上、図面と明細書とによって最適実施例を開示した。ここで、特定の用語が使用されたが、それらは、単に本発明について説明するための目的で使用されたものであり、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使用されたものではない。従って、本技術分野の当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解するであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって定められるものである。
本発明のイメージセンサ、及びイメージセンサを含む撮像装置は、例えば、撮像関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００ イメージセンサ
１１０ 第１光電変換部
１２０，１２０ａ 第２光電変換部
１３０ 第３光電変換部
ＣＦ カラーフィルタ
ＭＬ 配線層
ＭＬＳ マイクロレンズ
ＰＸ ピクセル
ＰＸＡ，ＰＸＡａ，ＰＸＡｂ ピクセルアレイ

Claims (13)

  1. 複数のセンシングピクセルを含む、多層センサ構造のイメージセンサにおいて、
    前記複数のセンシングピクセルそれぞれは、
    光を集光するマイクロレンズと、
    第１波長帯域の光を電気的信号に変換する第１光電変換部と、
    基板上に形成され、前記第１波長帯域外部の少なくとも１つの広帯域の光を電気的信号に変換する第２光電変換部と、を含み、
    前記第２光電変換部の中心軸は、前記マイクロレンズの光軸と離隔され、
    前記第２光電変換部は、前記基板上において、前記第２光電変換部と離隔配置され、前記第１光電変換部から出力される電気信号を保存するストレージノードをさらに含み、
    複数のセンシングピクセルは、前記マイクロレンズの光軸に垂直の第１軸上において隣接して配置された第１センシングピクセル及び第２センシングピクセルを含み、
    前記第１センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸は、前記第１軸上において、前記光軸と第１方向に離隔され、前記第２センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸は前記第１軸上において、前記光軸と第２方向に離隔され、前記第２方向は前記第１方向の反対方向であり、
    前記第１センシングピクセルの前記ストレージノードは、前記第１軸上において前記光軸と前記第２方向に離隔され、前記第２センシングピクセルの前記ストレージノードは前記第１軸上において前記光軸と前記第１方向に離隔されることを特徴とするイメージセンサ。
  2. 前記第１光電変換部は、有機フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  3. 前記第２光電変換部は、シリコンフォトダイオードまたは化合物半導体フォトダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  4. 前記光を、波長を基に選択的に透過させるカラーフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  5. 前記第１センシングピクセルは、前記第１波長帯域の光に対応する第１電気信号、及び第２波長帯域の光に対応する第２電気信号を出力し、
    前記第２センシングピクセルは、前記第１波長帯域の光に対応する前記第１電気信号、及び第３波長帯域の光に対応する第３電気信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  6. 前記第１センシングピクセル及び第２センシングピクセルから出力される両眼視差映像信号の位相差を基に焦点検出を行う焦点検出部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  7. 前記複数のセンシングピクセルは、前記マイクロレンズの光軸及び前記第１軸にそれぞれ垂直の第２軸上において隣接して配置された第３センシングピクセル及び第４センシングピクセルをさらに含み、
    前記第３センシングピクセルないし第４センシングピクセルは、それぞれ前記第２光電変換部を具備し、前記第１センシングピクセルないし第４センシングピクセルそれぞれの前記第２光電変換部の中心軸は、該当する前記マイクロレンズの光軸と異なる方向に離隔され、
    前記それぞれの第２光電変換部は、前記第１センシングピクセル乃至第４センシングピクセル集合に内接する四角形の２つの対角線それぞれの両側方向に配置され、
    前記第１センシングピクセルないし第４センシングピクセルそれぞれの前記ストレージノードは、前記第２光電変換部の配置方向とは反対の前記対角線が交差する位置に近接して配置されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  8. 前記異なる方向は、互いに直交することを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
  9. 前記第１センシングピクセル及び前記第３センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸が前記光軸から前記対角線端方向に離隔され、前記第２センシングピクセル及び前記第４センシングピクセルの前記第２光電変換部の前記中心軸が前記光軸から前記対角線反対端方向に離隔されることを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサ。
  10. 前記複数のセンシングピクセルに連結される配線層をさらに含み、
    前記第１光電変換部、前記第２光電変換部及び前記配線層は、前記マイクロレンズの下方に順に配置されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  11. 第３波長帯域の光を、前記電気的信号に変換する第３光電変換部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  12. 前記イメージセンサは、半導体チップによって具現されることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  13. 被写体から反射する光を集めるレンズと、
    複数のピクセルを含むピクセルアレイを具備する、多層センサ構造のイメージセンサと、を含み、
    複数のピクセルのうち少なくとも一つは、焦点ピクセルであり、
    前記焦点ピクセルは、請求項１に記載のセンシングピクセルであることを特徴とする撮像装置。
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