KR0183761B1 - 고체촬상소자 및 그 제조방법 - Google Patents

고체촬상소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

고체촬상소자 및 그 제조방법에 대해 기재되어 있다. 이는, 제1광다이오드와 제1광다이오드 보다 전위 우물이 깊고 광감도가 낮은 제2광다이오드로 구성되는 수광부 및 제1광다이오드에 축적되는 전하를 전송소자가 전달하는 제1전달게이트와 제2광다이오드에 축척되는 전하를 전송소자로 전달하는 제2전달게이트로 구성되는 전달부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 넓은 다이나믹 범위를 가질 수 있다.

Description

고체촬상소자 및 그 제조방법
제1도는 종래의 고체촬상소자의 수광부 및 전달부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
제2도는 종래의 고체촬상소자의 조도에 따른 출력을 나타내는 그래프이다.
제3도는 본 발명에 의한 고체촬상소자의 수광부 및 전달부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
제4도는 본 발명의 고체촬상소자를 구성하는 수광부와 전달부의 전위분포도이다.
제5도는 본 발명에 의한 고체촬상소자의 조도에 따른 출력을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 수광부를 두 개의 광다이오드로 구성하는 고체촬상소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전하결합소자(Charge Coupled Device)형 고체촬상소자는, 크게, 수광부, 전달부 및 출력부로 구성된다.
제1도는 종래의 고체촬상소자의 수광부 및 전달부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
수광부는 광다이오드(12)로 구성되고, 전달부는 전달게이트(18), 채널층(10) 및 제1 및 제2게이트전극(14 및 16)으로 구성된다.
광다이오드(12)는 외부 광원으로부터 광을 수광하여 이를 전하로 바꾸는 역할을 하고, 전달게이트(18)은 광다이오드(12)에 축적된 전하를 채널층(10)으로 전달하는 역할을 하며, 채널층(10)에 전달된 전하는 제1 및 제2게이트전극(14 및 16)에 인가되는 클럭펄스에 의해 일정방향으로 전송된다.
이때, 광다이오드(12)로 포화조도 이상의 광이 수광되면, 포화조도 이상으로 발생하는 전자는 오버플로우 드레인(OverFlow Drain : 이하 OFD라 칭함) 동작에 의해 기판으로 넘쳐서 채널층(10)으로 전달되는 출력은 항상 일정한 수준(포화 신호량)이 된다. 따라서, 포화 조도 이상의 광에 대해 동일한 출력을 내어, 포화 조도 이상의 정보를 채널층에 주지 않으므로 다이나믹 범위(dynamic range)가 제한을 받게 된다.
제2도는 종래의 고체촬상소자의 조도에 따른 출력을 나타내는 그래프이다.
상기 제2도의 그래프에 의하면, 광이 포화조도 이상으로 수광되더라도 포화신호량 이상의 신호는 채널층으로 전달되지 않는다는 것을 알 수 있다.
광다이오드의 용량을 높여 포화조도를 더 높이게 되면 전달게이트의 취급 능력에 제한을 받게 된다.
본 발명의 목적은 저조도에서는 급한 기울기를 갖는 출력으로 고감도를 나타내고, 고조도에서는 완만한 기울기를 갖는 출력으로 다이나믹 범위를 넓힐 수 있는 고체촬상소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고체촬상소자를 제조하는 일 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 의한 고체촬상소자는, 제1광다이오드와 상기 제1광다이오드보다 전위 우물이 깊고 광감도가 낮은 제2광다이오드로 구성되는 수광부; 및 상기 제1광다이오드에 축적되는 전하를 전송소자로 전달하는 제1전달게이트와 상기 제2광다이오드에 축척되는 전하를 전송소자로 전달하는 제2전달게이트로 구성되는 전달부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고체촬상소자에 있어서, 상기 제2광다이오드에 도핑되어 있는 불순물이온의 농도는 상기 제1광다이오드에 도핑되어 있는 불순물이온의 농도보다 높은 것이 바람직하다.
본 발명의 고체촬상소자에 있어서, 상기 제2광다이오드는 상기 제1광다이오드 보다 작은 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 의한 고체촬상소자의 제조방법은, 제1광다이오드와 상기 제1광다이오드 보다 전위 우물이 깊고 광감도가 낮은 제2광다이오드로 구성되는 수광부와 상기 제1광다이오드에 축적되는 전하는 전송소자로 전달하는 제1전달게이트와 상기 제2광다이오드에 축척되는 전하는 전송소자로 전달하는 제2전달게이트로 구성되는 전달부를 갖는 고체촬상소자에 있어서, 그 촛점이 상기 제1광다이오드에 맞춰지도록 마이크로 렌즈를 형성하는 특징으로 한다.
본 발명에 의한 고체촬상소자의 제조방법에 있어서, 상기 제2광다이오드는 상기 제1광다이오드에 도핑되어 있는 불순물이온의 농도보다 더 높은 농도를 갖는 불순물이온을 도핑하는 것에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체촬상소자의 제조방법에 있어서, 상기 제2광다이오드는 상기 제1광다이오드 보다 작도록 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에 의한 고체촬상소자 및 그 제조방법에 의하면, 포화조도 이상에서도 저감된 감도로 빛의 세기에 따라 증가하는 출력을 냄으로써 다이나믹 범위를 넓힐 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 자세하게 설명하고자 한다.
제3도는 본 발명에 의한 고체촬상소자의 수광부 및 전달부를 개략적으로 도시한 평면도이다.
본 발명에 의한 고체촬상소자는, 종래와 같이, 크게, 수광부, 전달부 및 출력부로 구성된다. 상기 제3도에서는 출력부는 도시되지 않았다.
[수광부]
제1광다이오드(22) 및 상기 제1광다이오드(22) 보다 전위 우물이 깊고 단위 면적당 수광량이 적은 구조로 된 제2광다이오드(24)로 구성된다.
상기 제2광다이오드(24)는 상기 제1광다이오드(22)에 비해 면적이 작고, 그 내부에 도핑되어 있는 불순물의 농도는 상기 제1광다이오드(22)의 농도 보다 크다.
온-칩(on-chip)형 마이크로 렌즈의 촛점은 상기 제1광다이오드(22)에 맞춰서 제2광다이오드(24)에 입사되는 광량이 상기 제1광다이오드(22)에 입사되는 광량 보다 작도록 한다.
[전달부]
상기 제1광다이오드(22)에 축적된 전하를 채널층(20)으로 전달하는 제1전달게이트(30a), 상기 제2광다이오드(24)에 축적된 전하를 채널층(20)으로 전달하는 제2전달게이트(30b), 상기 두 개의 전달게이트로부터 전달된 전하는 전송하는 채널층(20) 및 상기 전하의 전송을 위해 클럭펄스가 가해지는 제1 및 제2게이트전극(26 및 28)로 구성된다.
이하, 본 발명에 의한 고체촬상소자의 동작원리를 설명하고자 한다.
경우 1. 포화조도로 보다 적은 조도의 광이 입사될 때
제4도는 본 발명의 고체촬상소자를 구성하는 수광부와 전달부의 전위분포도로서, 포화조도 보다 적은 고도의 광이 입사될 때의 전위분포를 보여준다.
상기 제4도에 있어서, a는 제1광다이오드(제3도의 도면부호 22)에서의 전위우물을, b는 제2광다이오드(제3도의 도면부호 24)에서의 전위우물을, 그리고 c 제1 및 제2전달게이트(30a 및 30b)에서의 전위우물을 나타낸다.
제2광다이오드(24)에서 전하가 발생해도 상기 제2광다이오드의 전위우물(b)의 깊이가 제2전달게이트(30b)의 온(ON) 상태의 전위(Vs)보다 낮아 전하는 제2전달게이트를 통과하지 못한다. 즉, 필드 쉬프트(field shift)를 해도 제2광다이오드(24)에서는 전혀 신호가 나오지 않게 되는 이른바 이미지 랙(image lag) 현상이 되어 출력신호에 기여하지 못한다.
제2광다이오드(24)에 축적된 전하는 OFD의 전자 셔터(shutter) 동작에 의해 매 필드마다 제거된다. 따라서 출력은 제1광다이오드(22) 발생한 전하만이 기여하게 된다(제5도의 f 참조).
경우 2. 포화조도 보다 많은 조도의 광이 입사될 때
제1광다이오드(22)는 포화되어 포화신호량을 출력한다 (제5도의 b 참조). 즉, 제1광다이오드(22)에서는 포화신호량 이상의 정보가 출력되지 않는다. 그러나, 제2광다이오드(24)에서는 전하가 계속 발생하여 제2광다이오드(24)의 전위우물의 깊이가 제2전달게이트(30b)의 온 상태의 전위보다 얕게 되도록 한다.
필드-쉬프트를 할 때에는, 전달게이트의 온 상태의 전위 보다 깊은 곳의 전위우물에 축적된 전하는 그대로 제2광다이오드(24)에 남아서 나중에 OFD로 배출되고, 그 초과분만 전달게이트를 통해 채널층(20)에 전달된다. 이러한 초과분의 전하는 포화조도 이상에서의 조도에 대한 정보를 나타내게 된다.
따라서, 채널층(20)에 전달되는 전체 신호량은 제1광다이오드(22)에서 발생한 포화 신호량과 제2광다이오드(24)에서 전달된 포화조도 초과분이 더해지게 된다 (제5도의 a 참조).
제5도는 본 발명에 의한 고체촬상소자의 조도에 따른 출력을 나타내는 그래프이다.
a는 채널층(20)에 실제로 전달되는 전하를, b는 제1광다이오드(22)에서 포화된 전하를, c는 제2광다이오드(24)에서 발생한 전하를, d는 제2광다이오드(24)에서 전달된 전하를, e는 제2광다이오드(24)에서 남겨지는 전하를 그리고 f는 제1광다이오드(22)에서 발생하여 채널층(20)으로 전달되는 전하를 나타낸다.
따라서, 본 발명에 의한 고체촬상소자 및 그 제조방법에 의하면, 제2광다이오드의 수광량이 적기 때문에 포화조도 이상에서는 조도에 따른 출력의 기울기가 줄어들어서 전달단의 용량을 초과하지 않고도 높은 조도에 대한 정보를 나타낼 수 있으므로 넓은 다이나믹 범위를 가질 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 실시 가능함은 명백하다.

Claims (4)

  1. 제1광다이오드와, 상기 제1광다이오드와 분리되어 있고 상기 제1광다이오드 보다 전위 우물이 깊고 광감도가 낮은 제2광다이오드로 구성되어 있는 수광부 ; 및 상기 제1광다이오드에 축적되는 전하를 전송소자로 전달하는 제1전달게이트와, 상기 제2광다이오드에 축적되는 전하를 전송소자로 전달하는 제2전달게이트로 구성되는 전달부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2광다이오드에 도핑되어 있는 불순물이온의 농도는 상기 제1광다이오드에 도핑되어 있는 불순물이온의 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2광다이오드는 상기 제1광다이오드 보다 작은 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
  4. 제1항에 있어서, 그 촛점이 상기 제1광다이오드에 맞춰지도록 형성된 마이크로 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고체촬상소자.
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