KR100718879B1 - 2-트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토다이오드와 2-트랜지스터만으로 화소를 구성하는 이미지 센서의 단위 화소에 관한 것이다. 상기 2-T 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소는 2-T 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소는 포토다이오드, 리셋트랜지스터 및 리드아웃 기능의 트랜지스터를 구비한다. 상기 포토다이오드는 일 단자가 접지전압에 연결된다. 상기 리셋트랜지스터는 일 단자가 상기 포토다이오드의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자가 선택신호에 연결되며 게이트에 인가되는 리셋신호에 응답하여 상기 포토다이오드의 다른 일 단자를 초기화시킨다. 상기 리드아웃 기능의 트랜지스터는 일 단자가 상기 선택신호에 연결되며, 게이트에 인가되는 상기 포토다이오드의 다른 일 단자에 축적된 전하에 대응되는 변환전압을 생성하여 다른 일 단자를 통해 출력한다. 본 발명에 의하면, 개구면이 상승하고, 픽셀 사이즈가 감소하여 감도가 개선되며, 트랜지스터의 감소로 인하여 포토다이오드의 용적율을 크게 함으로써 감도를 개선할 수 있으며 비용절감의 효과가 있다.

Description

2-트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소{Unit pixel of image sensor having 2-transistor structure}

도 1a 내지 도 1c는 이미지 센서에 대표적으로 사용되는 트랜지스터의 개수에 따른 화소의 구조를 도시한 것이다.

도 2a는 본 발명에 의한 2-트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소 의 일실시예를 도시한 것이다.

도 2b는 본 발명에 의한 2-트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소 의 다른 일실시예를 도시한 것이다.

도 3a는 본 발명에 의한 2T로 구성된 화소배열영역을 구비하는 이미지센서의 복수의 단위 화소가 연결된 일실시예를 도시한 것이다.

도 3b는 도 3a의 동작을 타이밍도로 도시한 것이다.

도 4a는 본 발명에 의한 2-트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소 의 물리적 구조의 일실시예를 도시한 것이다.

도 4b는 본 발명에 의한 2-트랜지스터 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소 의 물리적 구조의 다른 일실시예를 도시한 것이다.

본 발명은 이미지센서의 단위 화소에 관한 것으로, 특히 포토다이오드와 화소배열영역을 분리한 이미지센서의 단위 화소에 관한 것이다.

종래의 이미지 센서에 사용되어온 화소는 그 내부에 포함된 트랜지스터의 개수에 따라 3-트랜지스터 화소, 4-트랜지스터 화소 및 5-트랜지스터로 크게 대별되어 진다.

도 1a 내지 도 1c는 이미지 센서에 대표적으로 사용되는 트랜지스터의 개수에 따른 화소의 구조를 도시한 것이다.

도 1a는 3-트랜지스터 구조를 나타내고, 도 1b와 도 1c는 4-트랜지스터 구조를 나타낸다.

도 1a 내지 도 1c에서처럼 화소내부에 회로로 사용되어지는 트랜지스터들이 존재하게 됨에 따라 화소의 크기에 대한 포토다이오드가 차지하는 면적인 다이오드 용적률(fill factor)이 자연스럽게 줄어들게 된다. 일반적인 다이오드 용적률은 각각의 반도체 공정의 제작능력을 고려할 때, 약 20-45%에 해당하는 용적률을 갖게 된다. 이에 따라 나머지 면적인 55-75%의 화소잔여면적으로 입사하는 빛들은 손실되어지게 되는 것이다.

이렇게 손실되는 광 데이터를 최대한 줄이기 위하여 이미지 센서 제작공정에서는 화소단위로 포토다이오드로 집광할 수 있도록 단위화소마다 초소형 렌즈를 사용하고 있다. 마이크로렌즈를 사용하지 않는 상태에서의 이미지센서의 감도를 기준으로 마이크로렌즈를 사용한 센서의 감도 증가 분을 마이크로렌즈 이득(Micro lens gain)이라고 부른다.

통상 다이오드 용적률이 30%대인 것을 고려하면, 마이크로렌즈이득은 약 2.5-2.8배에 해당한다. 하지만 화소의 크기가 4㎛×4㎛의 크기를 지나 3㎛×3㎛대에 이르고 이보다 더 작은 2.8㎛×2.8㎛이나 2.5㎛×2.5㎛대의 작은 화소들이 만들어지기 시작하면서 3.4㎛×3.4㎛의 화소를 기점으로 마이크로렌즈 이득이 2.8배에서 1.2배 수준으로 뚜렷이 저하되었다. 이는 마이크로렌즈의 회절현상에서 비롯되는 것으로서 화소의 크기와 마이크로렌즈의 위치가 함수가 되어 회절현상의 정도를 결정하게 된다.

그런데 화소의 크기가 점점 감소함에 따라 마이크로렌즈의 회절현상도 점점 심해져 마이크로렌즈이득이 1.2배 이하로 조성이 되어 마치 집광을 전혀 하지 못하는 것과 같은 현상이 나타나게 된다. 이는 또한 감도저하의 새로운 원인으로 부각되고 있다.

일반적으로 이미지 센서의 화소크기가 작아짐에 따라 포토다이오드의 면적 또한 동시에 감소하게 된다. 포토다이오드의 면적을 대체적으로 포토다이오드의 가용전하량과 밀접한 관련을 갖기 때문에 포토다이오드의 크기가 감소하면 가용전하량도 감소하게 된다. 포토다이오드의 가용전하량은 이미지 센서의 표현범위(dynamic range)를 결정하는 기본적인 특성요소로서 가용전하량이 감소는 곧바로 센서의 화질에 영향을 미친다. 화소의 크기가 3.2㎛×3.2㎛ 이하의 화소 크기를 제작함에 있어 감도 저하와 더불어 광에 대한 센서의 표현범위가 감소되어 좋은 화질을 얻는데 근본적이 제약을 받게 된다.

이미지 센서로 카메라 모듈을 제작할 때 외부렌즈가 사용되는데 화소배열의 가운데로 입사하는 빛들의 입사각은 수직입사인 반면 화소배열의 가장자리 부분으로 갈수록 입사하는 각의 크기가 점점 수직에서 벗어나게 되고 직각으로부터 일정량 이상의 각부터는 집광되기로 기 배정된 포토다이오드의 영역을 벗어나 마이크로렌즈의 집광이 이루어져 이미지가 어둡게 나오거나 심한 경우 인접 화소의 포토다이오드로 집광되기도 하여 색도가 바뀌는 현상까지 발생하게 된다.

최근의 이미지 센서는 30만 화소와 130만 화소를 지나 200만, 300만 화소 개수로 발전하면서 작은 카메라 모듈 내부에 자동 초점 뿐만 아니라 역학적 확대 축소 기능을 삽입할 계획을 가지고 있다.

이 기능들의 특징은 각각의 기능을 수행하면서 가장자리의 광 입사각이 크게 변화한다는 것이다. 물론 이러한 각의 변화에 대해 센서의 색도가 변한다거나 밝기가 변해서는 안 된다. 하지만 화소의 크기는 점점 감소하고 있고 이 때문에 입사각의 변화에 대한 센서의 대응여유가 없어져 현재 자동초점까지는 각 대응이 가능하지만 역학 확대/축소 기능인 줌 기능까지는 센서가 대응하지 못하고 있어 줌 기능이 탑재된 소형카메라 모듈개발의 걸림돌이 되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 소형화소를 제작하면서 기존의 감도 감소보다는 훨씬 적은 감도저하를 이뤄야 하며 포토다이오드에 입사하는 빛의 다양한 입사각에 대한 대응능력을 제공하는 2-T 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 화소 를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 2-T 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소는 포토다이오드, 리셋트랜지스터 및 리드아웃 기능의 트랜지스터를 구비한다. 상기 포토다이오드는 일 단자가 접지전압에 연결된다. 상기 리셋트랜지스터는 일 단자가 상기 포토다이오드의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자가 선택신호에 연결되며 게이트에 인가되는 리셋신호에 응답하여 상기 포토다이오드의 다른 일 단자를 초기화시킨다. 상기 리드아웃 기능의 트랜지스터는 일 단자가 상기 선택신호에 연결되며, 게이트에 인가되는 상기 포토다이오드의 다른 일 단자에 축적된 전하에 대응되는 변환전압을 생성하여 다른 일 단자를 통해 출력한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2a는 본 발명에 의한 2T로 구성된 화소배열영역을 구비하는 이미지센서의 단위 화소의 일실시예를 도시한 것으로, 포토다이오드(PD), 리셋트랜지스터(Rx) 및 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)로 이루어진다.

포토다이오드(PD)의 캐소드 단자에 리셋트랜지스터(Rx)의 소오스 단자와 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)의 게이트 단자가 연결된다.

상기 리셋트랜지스터(Rx)는 상기 포토다이오드(PD)를 초기화시키기는 역할을 하며, 상기 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)는 주어진 화소의 정보제공과 동시에 외부리드아웃회로에 연결유무를 제어해주는 역할을 한다.

상기 리셋트랜지스터(Rx)와 상기 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)는 서로 다른 전압을 인가 받을 수도 있다.

도 2b는 본 발명에 의한 2T로 구성된 화소배열영역을 구비하는 이미지센서의 단위 화소의 다른 일실시예를 도시한 것으로, 포토다이오드(PD), 리셋트랜지스터(Rx) 및 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)로 이루어진다.

포토다이오드(PD)의 캐소드 단자에 리셋트랜지스터(Rx)의 소오스 단자와 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)의 게이트 단자가 연결된다.

또한, 상기 리셋트랜지스터(Rx)의 드레인 단자와 상기 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)의 드레인 단자는 서로 연결되어 동일한 전압을 인가 받는다.

상기 리셋트랜지스터(Rx)는 상기 포토다이오드(PD)를 초기화시키기는 역할을 하며, 상기 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)는 주어진 화소의 정보를 외부리드아웃회로에 연결유무를 제어해주는 역할을 한다.

도 3a는 본 발명에 의한 2T로 구성된 화소배열영역을 구비하는 이미지센서의 복수의 단위 화소가 연결된 일실시예를 도시한 것으로, 복수의 단위화소의 픽셀출력(pixel output)이 연결된 상태를 나타낸다.

도 3b는 도 3a의 동작을 타이밍도로 도시한 것이다.

자신의 라인(line)을 읽을 때에만 공급전원전압(VDD) 내지 임의의 전압이 라인(line)에 인가되고 읽어내기 위한 전류공급도 라인선택신호에서 담당한다.

도 4a는 본 발명에 의한 2T로 구성된 화소배열영역을 구비하는 이미지센서의 단위 화소의 물리적 구조의 일실시예를 도시한 것이다.

P형 반도체 기판 내부에 PN 접합층을 형성하여 포토다이오드(PD)를 형성하고, 포토다이오드를 리셋시키는 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트 전극을 형성한다. 그리고, 어드레싱을 위한 신호를 자신의 드레인 전극으로 인가받기 위한 VDD 전압또는 임의의 전압이 리셋트랜지스터(Rx)의 드레인 전극으로 인가되고, 포토다이오드(PD)의 정보를 자신의 게이트 전극으로 인가받는 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)를 형성한다.

도 4b는 본 발명에 의한 2T로 구성된 화소배열영역을 구비하는 이미지센서의 단위 화소의 물리적 구조의 다른 일실시예를 도시한 것이다.

P형 반도체 기판 내부에 PN 접합층을 형성하여 포토다이오드(PD)를 형성하고, 포토다이오드를 리셋시키는 리셋트랜지스터(Rx)의 게이트 전극을 형성한다. 그리고, 어드레싱을 위한 신호를 자신의 드레인 전극으로 인가받고 포토다이오드(PD)의 정보를 자신의 게이트 전극으로 인가받는 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)를 형성한다.

상기 리셋트랜지스터(Rx)와 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터(Sx)는 공통접합층을 갖는다.

이상으로, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 개구면이 상승하고, 픽셀 사이즈가 감소하여 감도가 개선되며, 트랜지스터의 감소로 인하여 포토다이오드의 용적율을 크게 함으로써 감도를 개선 할 수 있으며 비용절감의 효과도 있다.

Claims (3)

1. 일 단자가 접지전압에 연결된 포토다이오드;

   일 단자가 상기 포토다이오드의 다른 일 단자에 연결되고 다른 일 단자가 선택신호에 연결되며 게이트에 인가되는 리셋신호에 응답하여 상기 포토다이오드의 다른 일 단자를 초기화시키는 리셋트랜지스터; 및

   일 단자가 상기 선택신호에 연결되며, 게이트에 인가되는 상기 포토다이오드의 다른 일 단자에 축적된 전하에 대응되는 변환전압을 생성하여 다른 일 단자를 통해 출력하는 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 2-T 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소.
2. 제1항에 있어서,

   상기 선택신호의 전압준위는 공급전원전압과 접지전압 사이인 것을 특징으로 하는 2-T 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소.
3. 제1항에 있어서,

   상기 선택신호가 인가되는 상기 리셋트랜지스터의 다른 일 단자 및 상기 선택을 겸한 리드아웃 기능의 트랜지스터의 일 단자는 하나의 공통 확산영역을 공유하는 것을 특징으로 하는 2-T 구조를 갖는 이미지 센서의 단위화소.

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