KR20120015257A - 광감지 장치의 단위 픽셀, 광감지 장치 및 이를 이용한 거리 측정 방법 - Google Patents

Abstract

광감지 장치의 단위 픽셀은, 반도체 기판에 형성되는 플로팅 확산 영역, 상기 플로팅 확산 영역을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 콜렉트 게이트, 상기 콜렉트 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 드레인 게이트, 및 상기 드레인 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역을 포함한다. 이러한 환형 구조를 통하여 광감도를 향상시키고 신호-대-노이즈 비(SNR)를 향상시킬 수 있다.

Description

광감지 장치의 단위 픽셀, 광감지 장치 및 이를 이용한 거리 측정 방법{UNIT PIXEL, PHOTO-DETECTION DEVICE AND METHOD OF MEASURING A DISTANCE USING THE SAME}

본 발명은 광감지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 환형 구조의 단위 픽셀, 적어도 하나의 상기 단위 픽셀을 포함하는 광감지 장치 및 상기 단위 픽셀을 이용한 거리 측정 방법에 관한 것이다.

이미지 센서는 피사체에 대한 영상(Image) 정보 또는 거리(Distance, Depth) 정보를 포함하는 광 신호를 전기적인 신호로 변환하는 광감지 장치이다. 피사체의 고품질 영상 정보를 제공하기 위하여 전하 결합 소자(CCD: Charge) 이미지 센서, 씨모스 이미지 센서(CIS: CMOS Image Sensor)와 같은 다양한 이미지 센서에 대한 연구가 진행 중이며, 특히 2차원적인 이미지 정보뿐만 아니라 거리 정보를 함께 제공하는 3차원 이미지 센서(3D Image Sensor)에 대한 연구 및 개발이 진행되고 있다.

3차원 이미지 센서는 광원으로서 적외선 또는 근적외선을 이용하여 피사체에 대한 거리 정보를 획득할 수 있다. 통상의 이미지 정보를 위한 2차원 이미지 센서와 비교하여 3차원 이미지 센서는 거리 정보를 획득하는 과정에서 감도가 약하고 신호-대-노이즈 비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)의 확보가 곤란하여 정확한 거리 정보를 획득하는 것이 어려운 문제가 있다.

본 발명의 일 목적은 높은 감도 및 향상된 신호-대-노이즈 비를 구현할 수 있는 구조를 갖는 광감지 장치의 단위 픽셀을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적은 적어도 하나의 상기 단위 픽셀을 포함하는 광감지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적은 상기 광감지 장치를 이용하여 피사체의 거리를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀은, 반도체 기판에 형성되는 플로팅 확산 영역, 상기 플로팅 확산 영역을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 콜렉트 게이트, 상기 콜렉트 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 드레인 게이트, 및 상기 드레인 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역을 포함한다.

상기 환형의 콜렉트 게이트 및 상기 환형의 드레인 게이트는 원형 또는 정다각형일 수 있다.

상기 콜렉트 게이트 및 상기 드레인 게이트에는 상보적으로 활성화되는 콜렉트 게이트 신호 및 드레인 게이트 신호가 각각 인가되어 상기 콜렉트 게이트 신호가 활성화되는 동안에 상기 반도체 기판에 생성되는 광전하가 상기 플로팅 확산 영역으로 수집되고 상기 드레인 게이트 신호가 활성화되는 동안에 상기 반도체 기판에 생성되는 광전하가 상기 드레인 영역으로 방출될 수 있다.

상기 단위 픽셀은 상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 상기 플로팅 확산 영역과 상기 드레인 영역 사이의 상기 반도체 기판에 환형으로 형성되는 광전하 저장 영역을 더 포함할 수 있다.

상기 콜렉트 게이트는 상기 광전하 저장 영역의 안쪽 부분을 덮도록 환형으로 형성되고, 상기 드레인 게이트는 상기 광전하 저장 영역의 바깥쪽 부분을 덮도록 환형으로 형성될 수 있다.

상기 콜렉트 게이트는 상기 광전하 저장 영역과 상기 플로팅 확산 영역 사이에 환형으로 형성되고, 상기 드레인 게이트는 상기 광전하 저장 영역과 상기 드레인 영역 사이에 환형으로 형성될 수 있다.

상기 단위 픽셀은 상기 광전하 저장 영역과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 상기 광전하 저장 영역을 덮도록 상기 반도체 기판에 환형으로 형성되는 피닝 레이어를 더 포함할 수 있다.

상기 단위 픽셀은 상기 콜렉트 게이트와 상기 드레인 게이트 사이에 위치하고 상기 광전하 저장 영역을 덮도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 포토 게이트를 더 포함할 수 있다.

상기 반도체 기판은 동일한 도전형의 불순물이 서로 다른 농도로 도핑되어 구별되는 복수의 광전하 생성 영역들을 포함할 수 있다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 광감지 장치는, 수신광을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 단위 픽셀을 포함하는 센싱부, 및 상기 센싱부를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 단위 픽셀은, 반도체 기판에 형성되는 플로팅 확산 영역, 상기 플로팅 확산 영역을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 콜렉트 게이트, 상기 콜렉트 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 드레인 게이트, 및 상기 드레인 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역을 포함한다.

상기 센싱부는 상기 복수의 단위 픽셀들이 사각형 격자 구조 또는 삼각형 격자 구조로 배열된 픽셀 어레이를 포함할 수 있다.

서로 인접하는 상기 단위 픽셀들의 상기 드레인 영역들은 상기 반도체 기판에서 공간적으로 서로 연결되어 상기 복수의 단위 픽셀들의 드레인 영역들이 일체적으로 형성될 수 있다.

두 개 이상의 상기 단위 픽셀들의 플로팅 확산 영역들이 서로 전기적으로 연결되어 픽셀 그룹을 형성할 수 있다.

상기 격자 구조의 격자점들 중에서 상기 단위 픽셀들이 규칙적으로 생략되고, 상기 광감지 장치는 상기 단위 픽셀들의 출력값을 제공하기 위하여 상기 단위 픽셀들이 생략된 영역에 형성되는 독출 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 단위 픽셀들은 컬러 픽셀들 및 거리 픽셀들을 포함하고, 상기 광감지 장치는 3차원 이미지 센서일 수 있다.

상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 방법은, 피사체에 송신광을 조사하는 단계, 상기 송신광과의 위상차에 따라 증가하는 사이클 회수를 갖는 복수의 빈 신호들을 이용하여 상기 피사체에 의해 반사되어 입사되는 수신광을 전기적 신호로 변환하는 단계, 및 상기 전기적 신호에 기초하여 상기 피사체까지의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.

상기 복수의 빈 신호들은 상기 송신광과의 위상차에 따라 듀티비가 증가할 수 있다.

상기 수신광을 전기적 신호로 변환하는 단계는, 상기 빈 신호들이 활성화되는 동안 상기 수신광에 의해 생성된 광전하를 플로팅 확산 영역에 수집하는 단계, 및 상기 빈 신호들이 비활성화되는 동안 상기 수신광에 의해 생성된 광전하를 드레인 영역으로 방출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 수신광을 전기적 신호로 변환하는 단계는, 상기 플로팅 확산 영역이 중앙에 위치하고 상기 드레인 영역이 최외각에 위치하는 환형 구조의 싱글-탭 픽셀을 이용하는 단계일 수 있다.

상기 거리 측정 방법은, 상기 계산된 거리에 상응하는 위상에 집중되도록 상기 복수의 빈 신호들의 위상 및 듀티비를 조정하는 단계, 및 상기 위상 및 듀티비가 조정된 복수의 빈 신호들을 이용하여 상기 피사체까지의 거리를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀은 피사체까지의 거리를 정밀하게 측정하기 위하여 광전하의 수집과 방출을 효과적으로 수행할 수 있는 환형의 싱글-탭 구조를 갖는다.

또한 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이 및 광감지 장치는 단위 픽셀의 최외각 부분에 해당하는 드레인 영역들이 일체적으로 형성되어 별도의 안티블루밍 구조가 요구되지 않고 전체적인 설계 마진이 향상될 수 있다.

또한 본 발명의 실시예들에 따른 광감지 장치 및 거리 측정 방법은 피사체까지의 거리에 따라 가변적인 빈 신호들을 이용하여 거리 정보를 획득함에 있어서 높은 신호-대-노이즈 비를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 단위 픽셀의 수직적 구조의 예들을 나타내는 단면도들이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀에서 광전하의 수평적 이동을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 단위 픽셀의 수직적 구조의 예들을 나타내는 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 11 및 도 12는 도 10의 단위 픽셀의 수직적 구조의 예들을 나타내는 단면도들이다.
도 13 내지 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이들을 나타내는 도면들이다.
도 18은 단위 픽셀의 출력값을 제공하기 위한 독출 회로의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 광감지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 21은 수신광을 전기적 신호로 변환하기 위한 신호들을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 22 및 도 23은 도 20의 거리 측정 방법에 사용되는 가변적인 빈 신호들을 설명하기 위한 타이밍도들이다.
도 24는 가변적인 빈 신호들의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 25는 도 24의 빈 신호들의 위상, 활성화 구간의 길이 및 사이클 회수의 예를 나타내는 도면이다.
도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 27은 가변적인 빈 신호들의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 28은 도 27의 빈 신호들의 위상, 활성화 구간의 길이 및 사이클 회수의 예를 나타내는 도면이다.
도 29는 보정된 빈 신호들의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 센싱부를 나타내는 블록도이다.
도 31은 도 30의 센싱부에 포함된 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 34는 도 33의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일하거나 유사한 참조 부호를 사용한다.

도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀의 레이아웃을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 단위 픽셀(unit pixel)은 제1 영역(REG1), 제2 영역(REG2) 및 제3 영역(REG3)을 포함할 수 있다. 제1 영역(REG1)은 단위 픽셀의 중앙부에 위치하며, 제2 영역(REG2)은 제1 영역(REG1)을 둘러싸고 제3 영역(REG3)은 제2 영역(REG2)을 둘러싸는 방식으로, 단위 픽셀은 전체적으로 환형의 구조를 갖는다. 도 1에는 원형의 단위 픽셀을 도시하였으나 단위 픽셀의 환형 구조는 원형에만 한정되지 않고 임의의 다각형, 특히 임의의 정다각형일 수 있다.

도 2 내지 도 12를 참조하여 후술하는 바와 같이, 제1 영역(REG1)은 광전하를 수집하기 위한 플로팅 확산 영역에 해당하고 제3 영역(REG3)은 광전하를 방출하기 위한 드레인 영역에 해당한다. 제1 영역(REG1)과 제3 영역(REG3) 사이에 해당하는 제2 영역(REG2)은 적어도 하나의 게이트가 형성되는 게이트 영역에 해당한다.

일 실시예에서, 단위 픽셀은 반도체 기판을 이용한 씨모스(CMOS) 공정을 통하여 형성될 수 있다. 일반적인 씨모스 공정에서와 같이, 제1 영역(REG1)인 플로팅 확산 영역 및 제3 영역(REG3)인 드레인 영역은 이온 주입 공정 등을 통하여 반도체 기판에 형성될 수 있고, 제2 영역(REG2)인 게이트 영역에 형성되는 게이트들은 상기 반도체 기판 위에 증착 공정, 식각 공정 등을 통하여 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이다.

도 2를 참조하면, 단위 픽셀(100)은 플로팅 확산 영역(110), 콜렉트 게이트(120), 드레인 게이트(130) 및 드레인 영역(140)을 포함한다. 단위 픽셀(100)을 위에서 바라볼 때 콜렉트 게이트(120)는 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅 확산 영역(110)을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 환형으로 형성되고 드레인 게이트(130)는 콜렉트 게이트(120)를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 환형으로 형성된다. 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역(140)은 드레인 게이트(130)를 둘러싸도록 형성된다.

도 3 및 도 4를 참조하여 후술하는 바와 같이 단위 픽셀(100)은 반도체 기판을 이용한 CMOS 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이 경우 플로팅 확산 영역(110)과 드레인 영역(140)은 상기 반도체 기판에 형성되고 콜렉트 게이트(120) 및 드레인 게이트(130)는 반도체 기판 위에 형성된다.

환형의 콜렉트 게이트(120) 및 환형의 드레인 게이트(130)는 원형인 것으로 도 2에 도시되어 있으나, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이 환형의 콜렉트 게이트(120) 및 환형의 드레인 게이트(130)는 정다각형일 수 있다.

드레인 영역(140)의 안쪽 경계는 콜렉트 게이트(120) 및 드레인 게이트(130)와 동일한 형상을 가질 수 있으나, 드레인 영역(140)의 바깥쪽 경계는 다른 형상을 가질 수도 있다. 특히 도 13 등에 도시된 바와 같이 복수의 단위 픽셀들이 어레이 형태로 배열되는 경우에는, 서로 인접하는 단위 픽셀들의 드레인 영역들은 반도체 기판에서 공간적으로 서로 연결되어 복수의 단위 픽셀들의 드레인 영역들이 일체적으로 형성될 수 있다. 이 경우 드레인 영역들이 일체적으로 형성되기 때문에 각 단위 픽셀에 전속하는 드레인 영역의 바깥쪽 경계는 정의되지 않음을 알 수 있다.

도 3 및 도 4는 도 2의 단위 픽셀의 수직적 구조의 예들을 나타내는 단면도들이다. 도 3 및 도 4는 도 2의 I1-I2 선을 따라 절단한 수직 단면도들이다. 도 2의 단위 픽셀(100)이 실질적으로 원대칭을 이루는 환형 구조이므로 I1-I2 선은 단위 픽셀(100)의 중심을 지나는 임의의 절단선일 수 있다.

도 3을 참조하면, 단위 픽셀(100a)은 반도체 기판(10)에 형성된 플로팅 확산 영역(110)과 드레인 영역(140) 및 반도체 기판(10) 위에 형성된 콜렉트 게이트(120)와 드레인 게이트(130)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 플로팅 확산 영역(110), 드레인 영역(140), 콜렉트 게이트(120) 및 드레인 게이트(130)는 수직 중심축(VC)을 기준으로 하여 실질적으로 원대칭의 환형 구조를 갖는다.

플로팅 확산 영역(110) 및 드레인 영역(140)은 반도체 기판(10)의 상부 표면으로의 이온 주입 공정 등을 통하여 반도체 기판(10)에 형성될 수 있고, 콜렉트 게이트(120) 및 드레인 게이트(130)는 증착 공정, 식각 공정 등을 통하여 반도체 기판(10)과 이격되도록 형성될 수 있다. 도면에 도시하지는 않았으나 반도체 기판(10)의 상부 표면과 게이트들(120, 130) 사이에는 산화막과 같은 절연층이 개재될 수 있다.

콜렉트 게이트(120) 및 드레인 게이트(130)는 폴리실리콘(polysilicon)을 포함하거나, 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide, TCO)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 콜렉트 게이트(120) 및 드레인 게이트(130)는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(zinc oxide, ZnO), 티타늄 산화물(titanium dioxide, TiO2), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

단위 픽셀(100a)에 입사되는 빛은 반도체 기판(10)의 상부 표면으로부터 입사될 수 있고 이 경우 콜렉트 게이트(120)와 드레인 게이트(130)는 투명 전도 산화물을 포함하여 형성될 수 있다. 한편 단위 픽셀(100a)에 입사되는 빛은 반도체 기판(10)의 하부 표면으로부터 입사될 수 있고 이 경우 콜렉트 게이트(120)와 드레인 게이트(130)는 불투명 전도 산화물을 포함할 수 있다.

단위 픽셀(100a)은 반도체 기판(10)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 플로팅 확산 영역(110)과 드레인 영역(140) 사이의 반도체 기판(10)에 환형으로 형성되는 광전하 저장 영역(150)을 더 포함할 수 있다. 즉 광전하 저장 영역(150)은 플로팅 확산 영역(110) 및 드레인 영역(140)과 이격되도록 환형의 게이트들(120, 130) 하부에 형성될 수 있다. 일 실시예에서 반도체 기판(10)은 P형 기판이고 광전하 저장 영역(150)은 N형 불순물로 도핑될 수 있다. 다른 실시예에서, 반도체 기판(10)은 N형 반도체 기판이거나 P형 기판에 형성된 N형-웰(N-type well)이고 광전하 저장 영역(150)은 P형 불순물로 도핑될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 콜렉트 게이트(120)는 광전하 저장 영역(150)의 안쪽 부분을 덮도록 환형으로 형성되고, 드레인 게이트(130)는 광전하 저장 영역(150)의 바깥쪽 부분을 덮도록 환형으로 형성될 수 있다. 이 경우 광전하 저장 영역(150)이 먼저 환형으로 형성되고, 광전하 저장 영역(150)을 따라 게이트들(120, 130)이 나중에 환형으로 형성될 수 있다.

콜렉트 게이트(120) 및 드레인 게이트(130)에는 콜렉트 게이트 신호(CG) 및 드레인 게이트 신호(DRG)가 각각 인가된다. 일 실시예에서, 콜렉트 게이트 신호(CG) 및 드레인 게이트 신호(DRG)는 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 상보적으로 활성화되는 신호일 수 있다. 콜렉트 게이트 신호(CG)가 활성화되면 콜렉트 게이트(120)의 하부, 즉 광전하 저장 영역(150)과 플로팅 확산 영역(110) 사이의 반도체 기판(10)에만 채널이 형성되고, 반대로 드레인 게이트 신호(DRG)가 활성화되면 드레인 게이트(130)의 하부, 즉 광전하 저장 영역(150)과 드레인 영역(140) 사이의 반도체 기판(10)에만 채널이 형성된다.

결과적으로 콜렉트 게이트 신호(CG)가 활성화되는 동안에 반도체 기판(10)에 생성되는 광전하는 플로팅 확산 영역(110)으로 수집되고 드레인 게이트 신호(DRG)가 활성화되는 동안에 반도체 기판(10)에 생성되는 광전하는 드레인 영역(140)으로 방출된다. 반도체 기판(10)의 도전형 및 드레인 게이트 신호(DRG)의 전압 레벨에 따라서 드레인 영역(140)에 인가되는 드레인 전압(DR)은 적절한 전압 레벨을 가질 수 있다.

TOF(Time-Of-Flight) 광감지 장치에서는 피사체까지의 거리를 산출하기 위하여 피사체에 의해 반사되어 입사하는 빛을 측정한다. 이를 위하여 일반적으로 두 개의 빈(2-bins) 또는 네 개의 빈(4-bins)을 이용한 락-인 타입 검출 방식이 많이 이용된다.

일반적으로 락-인 타입 검출에서 이러한 빈들은 피사체에 조사되는 송신광과 180도(2-bins의 경우) 또는 90도(4-bins의 경우)의 위상차를 가지며, 정현파(sinusoidally modulated wave) 또는 듀티비 50%의 펄스 트레인 신호가 이용된다. 그리고 락-인 타입 검출을 위해서는 광전하 저장 영역 및/또는 광전하 생성 영역이 복수의 플로팅 확산 영역들에 의해 공유되는 멀티-탭 구조의 단위 픽셀들이 이용된다.

이와는 다르게, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀(100)은 플로팅 확산 영역(110)을 중심으로 한 환형의 구조를 가지며, 단위 픽셀마다 하나의 플로팅 확산 영역(110)을 통해서만 출력이 제공된다. 최외각의 드레인 영역(140)은 원하지 않는 시간동안 생성된 광전하를 방출하기 위해 포함된다.

플로팅 확산 영역(110)에 수집된 광전하는 플로팅 확산 전압(FD)으로서 후술하는 독출회로 등을 통하여 독출되고 수집된 광전하의 양에 상응하는 전기적 신호로 변환된다. 이와 같이, 단위 픽셀(100)은 플로팅 확산 영역(110)을 통해서만 출력이 제공되는 싱글-탭 검출기로서 이용될 수 있다.

도 4를 참조하면, 단위 픽셀(100b)은 도 3의 단위 픽셀(100a)과 마찬가지로 반도체 기판(10)에 형성된 플로팅 확산 영역(110)과 드레인 영역(140) 및 반도체 기판(10) 위에 형성된 콜렉트 게이트(120)와 드레인 게이트(130)를 포함한다. 또한 전술한 광전하 저장 영역(150)을 더 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에서 동일 또는 유사한 참조 부호로 표시된 구성 요소들에 대하여 중복되는 설명은 생략한다.

도 3의 단위 픽셀(100a)과 비교하여 도 4의 단위 픽셀(100b)의 반도체 기판(10)은 동일한 도전형의 불순물이 서로 다른 농도로 도핑되어 구별되는 복수의 영역들(11, 13, 15)을 포함한다. 예를 들어, 반도체 기판(10)이 P 타입의 도전형인 경우, 반도체 기판(10)은 위에서부터 순차적으로 P 영역(11), P- 영역(13) 및 P+ 영역(15)을 포함할 수 있다. P- 영역(13)은 P 영역(11)보다 불순물 농도가 낮은 것을 나타내고, P+ 영역(15)은 P 영역(11)보다 불순물 농도가 높은 것을 나타낸다.

700 nm 내지 850 nm 의 파장을 갖는 근적외선(NIR: Near Infrared Radiation)이 TOF 광감지 장치의 송신광으로 이용되는 경우, N형 반도체 기판 보다는 P형 반도체 기판이 이용될 수 있다. P- 영역(13)의 투께는 약 2 um 내지 20 um일 수 있고, 특히 3 um 내지 5 um일 수 있다.

단위 픽셀(100b)에 입사된 광자들(photons)은 P- 영역(13)으로 침투하여 전자-정공 쌍(electron-hole pair)들을 생성한다. 즉 P- 영역(13)은 주된 광전하 생성 영역에 해당한다. 생성된 소수 캐리어로서의 광전자들은 광전하 저장 영역(150)과 P- 영역(13)의 경계에 해당하는 N-P 접합(N-P conjunction)의 공핍 영역(depletion region)으로 이동하여 광전하 저장 영역(150) 내로 확산되어 수집된다. 광전하 저장 영역(150)은 실질적으로 완전히 공핍된(fully depleted) 상태가 되며 전하 결합 소자(CCD:Charge-Coupled Device)의 매립 채널(buried channel)과 유사하다. 이 때, P- 영역(13)의 하부에 불순물의 농도가 더 큰 P+ 영역(15)이 위치함으로써 P- 영역(13)과 P+ 영역(15)의 경계 부근에 생성된 광전자들은 N-P 접합 영역(N-P conjunction portion)으로 이동하려는 경향이 커진다.

이와 같이 불순물이 서로 다른 농도로 도핑되어 구별되는 복수의 광전하 생성 영역들(11, 13, 15)을 반도체 기판(10)에 형성함으로써, 단위 픽셀(100b)의 감도를 더욱 더 향상시킬 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀에서 광전하의 수평적 이동을 설명하기 위한 도면들이다.

도 5는 도 4의 단위 픽셀(100b)에서의 수집 모드(collection mode)를 나타내고, 도 6은 도 4의 단위 픽셀(100b)에서의 방출 모드(rejection mode)를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 수집 모드에서는 콜렉트 게이트(120)에 인가되는 콜렉트 게이트 신호(CG)가 활성화되고 드레인 게이트(130)에 인가되는 드레인 게이트 신호(DRG)가 비활성화된다. 예를 들어, 콜렉트 게이트 신호(CG)는 3.3V와 같은 상대적으로 높은 전압으로 활성화될 수 있고 드레인 게이트 신호(DRG)는 0.0V와 같은 상대적으로 낮은 전압으로 비활성화될 수 있다.

이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 드레인 영역(140)과 광전하 저장 영역(150) 사이에는 전위 장벽(electric potential wall)이 형성되어 광전자의 이동이 제한되고, 광전하 저장 영역(150)으로 확산된 광전자들은 광전하 저장 영역(150)과 플로팅 확산 영역(110) 사이의 반도체 기판(10)의 표면 근방에 형성되는 채널을 통하여 플로팅 확산 영역(110)으로 수집된다. 이때 단위 픽셀의 환형 구조에 의해 광전자들은 구심 방향의 수평적 이동을 통해 플로팅 확산 영역(110)에 수집된다.

도 6을 참조하면, 방출 모드에서는 콜렉트 게이트(120)에 인가되는 콜렉트 게이트 신호(CG)가 비활성화되고 드레인 게이트(130)에 인가되는 드레인 게이트 신호(DRG)가 활성화된다. 예를 들어, 콜렉트 게이트 신호(CG)는 0.0V와 같은 상대적으로 낮은 전압으로 비활성화될 수 있고 드레인 게이트 신호(DRG)는 3.3V와 같은 상대적으로 높은 전압으로 활성화될 수 있다.

이 경우, 도 6에 도시된 바와 플로팅 확산 영역(110)과 광전하 저장 영역(150) 사이에는 전위 장벽이 형성되어 광전자의 이동이 제한되고, 광전하 저장 영역(150)으로 확산된 광전자들은 광전하 저장 영역(150)과 드레인 영역(140) 사이의 반도체 기판(10)의 표면 근방에 형성되는 채널을 통하여 드레인 영역(140)으로 방출된다. 이때 단위 픽셀의 환형 구조에 의해 광전자들은 원심 방향의 수평적 이동을 통해 드레인 영역(140)으로 방출된다.

드레인 전압(DR)은 도 5 및 도 6의 전위 분포가 형성될 수 있는 적절한 레벨의 바이어스 전압으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 드레인 전압(DR)은 단위 픽셀을 포함하는 광감지 장치의 전원 전압일 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 환형 구조의 단위 픽셀은 게이트 신호들(CG, DRG)에 따라서 구심 방향의 수평 이동을 통한 광전하의 수집 또는 원심 방향의 수평 이동을 통한 광전하의 방출을 유도함으로써 향상된 감도 및 높은 신호-대-노이즈 비를 구현할 수 있다. 즉 원하는 전하 캐리어를 플로팅 확산 영역(110)으로 이동시키는 수집 모드와 원하지 않는 전하 캐리어를 드레인 영역(140)으로 방출하는 방출 모드를 반복함으로써 정확한 거리 정보를 획득할 수 있다.

도 5 및 도 6에는 수집 모드와 방출 모드의 경우를 각각 도시하고 있으나, 단위 픽셀은 전압 인가 방식에 따라 다른 모드로 동작할 수도 있다. 예를 들어, 콜렉트 게이트(120)와 드레인 게이트(130)에 중간 레벨의 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 이 경우 광전하 생성 영역인 P- 영역(13)에 발생한 캐리어들은 광전하 저장 영역(150)에 축적된다. 이때 외각의 드레인 영역(140)은 안티-블루밍 드레인(anti-blooming drain)으로서 기능할 수 있다. 이후 콜렉트 게이트 신호(CG)가 활성화되면 광전하 저장 영역(150)에 축적된 캐리어들은 플로팅 확산 영역(110)으로 전송된다. 단위 픽셀(100)에 이러한 모드를 적용함으로써 상관 이중 샘플링(CDS: Correlated Double Sampling)을 수행할 수도 있고, 거리 정보가 아닌 영상 정보를 제공할 수도 있다.

도 5 및 도 6에 도시한 것과 같은 전위 분포를 구현하기 위한 단위 픽셀의 구체적인 구조 및 단위 픽셀(100)을 구동하기 위한 게이트 신호들(CG, DRG)과 드레인 전압(DR)의 구체적인 전압 레벨 등은 프로세스 시뮬레이션(process simulation), 모델링(modeling)에 의해 결정될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 단위 픽셀의 수직적 구조의 예들을 나타내는 단면도들이다

도 7을 참조하면, 단위 픽셀(200)은 플로팅 확산 영역(210), 콜렉트 게이트(220), 드레인 게이트(230) 및 드레인 영역(240)을 포함한다. 도 2의 단위 픽셀(100)과 마찬가지로 단위 픽셀(200)을 위에서 바라볼 때 콜렉트 게이트(220)는 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅 확산 영역(210)을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 환형으로 형성되고 드레인 게이트(230)는 콜렉트 게이트(220)를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 환형으로 형성된다. 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역(240)은 드레인 게이트(230)를 둘러싸도록 형성된다.

도 8에 도시된 바와 같이 단위 픽셀(200a)은 반도체 기판(10)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 플로팅 확산 영역(210)과 드레인 영역(240) 사이의 반도체 기판(10)에 환형으로 형성되는 광전하 저장 영역(250)을 더 포함할 수 있다.

도 2의 단위 픽셀(100)에서는 콜렉트 게이트(120)와 드레인 게이트(130)가 광전하 저장 영역(150)의 일부분을 덮도록 환형으로 형성되었으나, 도 8의 단위 픽셀(200a)에서는 콜렉트 게이트(220)는 광전하 저장 영역(250)과 플로팅 확산 영역(210) 사이에 환형으로 형성되고, 드레인 게이트(230)는 광전하 저장 영역(250)과 드레인 영역(240) 사이에 환형으로 형성될 수 있다.

도 8을 참조하면, 단위 픽셀(200a)은 광전하 저장 영역(250)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 광전하 저장 영역(250)을 덮도록 반도체 기판(10)에 환형으로 형성되는 피닝 레이어(pinning layer)(270)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전하 저장 영역(250)이 N형 불순물로 도핑된 경우에는 피닝 레이어(270)는 P형 불순물로 도핑될 수 있다. 피닝 레이어(270)는 암전류(dark current)를 감소시키는 기능을 함과 동시에 반도체 기판(10)의 표면에 존재할 수 있는 결함(defect)에 의한 영향을 감소시켜 광전하 저장 영역(250)에 걸친 전위를 더욱 편평하게 하는 역할을 할 수 있다. 이 때 광전하 저장 영역(250)의 도핑 농도를 좀더 낮추게 되면, 드레인 게이트(230) 및 콜렉트 게이트(220)의 전위를 좀더 급격하게 형성할 수 있고, 결과적으로 광전하의 수평적 이동을 촉진할 수 있다.

도 8의 단위 픽셀(200a)과 비교하여 도 9의 단위 픽셀(200b)의 반도체 기판(10)은 동일한 도전형의 불순물이 서로 다른 농도로 도핑되어 구별되는 복수의 광전하 생성 영역들(11, 13, 15)을 포함한다.

예를 들어, 반도체 기판(10)이 P 타입의 도전형인 경우, 반도체 기판(10)은 위에서부터 순차적으로 P 영역(11), P- 영역(13) 및 P+ 영역(15)을 포함할 수 있다. P- 영역(13)은 P 영역(11)보다 불순물 농도가 낮은 것을 나타내고, P+ 영역(15)은 P 영역(11)보다 불순물 농도가 높은 것을 나타낸다. 이 경우 피닝 레이어(270)는 P+ 영역(15)과 유사하게 높은 농도의 P형 불순물로 도핑될 수 있다.

전술한 바와 같이, P- 영역(13)의 하부에 불순물의 농도가 더 큰 P+ 영역(15)이 위치함으로써 P- 영역(13)과 P+ 영역(15)의 경계 부근에 생성된 광전자들은 N-P 접합 영역(N-P conjunction portion)으로 이동하려는 경향이 커진다. 이와 같이 불순물이 서로 다른 농도로 도핑되어 구별되는 복수의 광전하 생성 영역들(11, 13, 15)을 반도체 기판(10)에 형성함으로써, 단위 픽셀(200b)의 감도를 더욱 더 향상시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광감지 장치의 단위 픽셀을 나타내는 평면도이고, 도 11 및 도 12는 도 10의 단위 픽셀의 수직적 구조의 예들을 나타내는 단면도들이다.

도 10을 참조하면, 단위 픽셀(300)은 플로팅 확산 영역(310), 콜렉트 게이트(320), 드레인 게이트(330) 및 드레인 영역(340)을 포함한다. 도 2의 단위 픽셀(100) 및 도 7의 단위 픽셀(200)과 마찬가지로 단위 픽셀(300)을 위에서 바라볼 때 콜렉트 게이트(320)는 상기 반도체 기판에 형성된 플로팅 확산 영역(310)을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 환형으로 형성되고 드레인 게이트(330)는 콜렉트 게이트(320)를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 환형으로 형성된다. 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역(340)은 드레인 게이트(330)를 둘러싸도록 형성된다.

도 11에 도시된 바와 같이 단위 픽셀(300a)은 반도체 기판(10)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 플로팅 확산 영역(310)과 드레인 영역(340) 사이의 반도체 기판(10)에 환형으로 형성되는 광전하 저장 영역(350)을 더 포함할 수 있다.

도 2의 단위 픽셀(100)에서는 콜렉트 게이트(120)와 드레인 게이트(130)가 광전하 저장 영역(150)의 일부분을 각각 덮도록 환형으로 형성되었으나, 도 11의 단위 픽셀(300a)에서는 콜렉트 게이트(320)는 광전하 저장 영역(350)과 플로팅 확산 영역(310) 사이에 환형으로 형성되고, 드레인 게이트(330)는 광전하 저장 영역(350)과 드레인 영역(340) 사이에 환형으로 형성될 수 있다.

도 11을 참조하면, 단위 픽셀(300a)은 콜렉트 게이트(320)와 드레인 게이트(330) 사이에 위치하고 광전하 저장 영역(350)을 덮도록 반도체 기판(10) 위에 형성되는 환형의 포토 게이트(370)를 더 포함할 수 있다. 이때 도 8의 피닝 레이어(270)를 대체하고 유사한 전위 분포를 유도할 수 있도록 포토 게이트(370)에는 일정한 바이어스 전압(VB)이 인가될 수 있다. 바이어스 전압(VB)이 인가된 포토 게이트(370)는 암전류(dark current)를 감소시키는 기능을 함과 동시에 반도체 기판(10)의 표면에 존재할 수 있는 결함에 의한 영향을 감소시켜 광전하 저장 영역(350)에 걸친 전위를 더욱 편평하게 하는 역할을 할 수 있다. 이 때 광전하 저장 영역(350)의 도핑 농도를 좀더 낮추게 되면, 드레인 게이트(330) 및 콜렉트 게이트(320)의 전위를 좀더 급격하게 형성할 수 있고, 결과적으로 광전하의 수평적 이동을 촉진할 수 있다.

도 11의 단위 픽셀(300a)과 비교하여 도 12의 단위 픽셀(300b)의 반도체 기판(10)은 동일한 도전형의 불순물이 서로 다른 농도로 도핑되어 구별되는 복수의 광전하 생성 영역들(11, 13, 15)을 포함한다.

예를 들어, 반도체 기판(10)이 P 타입의 도전형인 경우, 반도체 기판(10)은 위에서부터 순차적으로 P 영역(11), P- 영역(13) 및 P+ 영역(15)을 포함할 수 있다. P- 영역(13)은 P 영역(11)보다 불순물 농도가 낮은 것을 나타내고, P+ 영역(15)은 P 영역(11)보다 불순물 농도가 높은 것을 나타낸다.

전술한 바와 같이, P- 영역(13)의 하부에 불순물의 농도가 더 큰 P+ 영역(15)이 위치함으로써 P- 영역(13)과 P+ 영역(15)의 경계 부근에 생성된 광전자들은 N-P 접합 영역(N-P conjunction portion)으로 이동하려는 경향이 커진다. 이와 같이 불순물이 서로 다른 농도로 도핑되어 구별되는 복수의 광전하 생성 영역들(11, 13, 15)을 반도체 기판(10)에 형성함으로써, 단위 픽셀(300b)의 감도를 더욱 더 향상시킬 수 있다.

도 13 내지 도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 픽셀 어레이들을 나타내는 도면들이다.

도 13을 참조하면, 픽셀 어레이(410)는 사각형 격자 구조로 배열된 복수의 단위 픽셀(412)들을 포함한다. 단위 픽셀(412)은 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 환형 구조를 갖는다. 여기서 사각형 격자 구조는 가장 인접한 네 개의 단위 픽셀들이 사각형(415)을 이루는 것을 나타내고 각 격자점마다 하나의 단위 픽셀이 배치될 수 있다.

이와 같이, 복수의 단위 픽셀(412)들이 어레이 형태로 배열된 경우에는, 서로 인접하는 단위 픽셀들의 드레인 영역들은 반도체 기판에서 공간적으로 서로 연결되어 복수의 단위 픽셀들의 드레인 영역들(417)이 일체적으로 형성될 수 있다. 이 경우 각 단위 픽셀에 전속하는 드레인 영역의 바깥쪽 경계는 정의되지 않음을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 이용한 픽셀 어레이에서는 일체적인 드레인 영역들(417)이 그 자체로서 안티블루밍(antiblooming) 기능을 수행하기 때문에 별도의 안티블루밍 구조가 요구되지 않음을 알 수 있다.

또한 모든 드레인 영역들이 실질적으로 서로 연결되고 각 단위 픽셀들은 하나의 출력만을 제공하는 싱글-탭 검출기로서 동작하기 때문에 전체적인 레이아웃 마진이 향상될 수 있다.

도 14를 참조하면, 픽셀 어레이(420)는 삼각형 격자 구조로 배열된 복수의 단위 픽셀(412)들을 포함한다. 단위 픽셀(412)은 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 환형 구조를 갖는다. 여기서 삼각형 격자 구조는 가장 인접한 세 개의 단위 픽셀들이 삼각형(425)을 이루는 것을 나타내고 각 격자점마다 하나의 단위 픽셀이 배치될 수 있다.

도 15를 참조하면, 픽셀 어레이(430)는 사각형 격자 구조로 배열된 복수의 단위 픽셀(432)들을 포함한다. 단위 픽셀(432)은 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 환형 구조를 갖는다. 특히 도 15에 도시된 바와 같이, 각 단위 픽셀(432)은 팔각형의 환형 구조를 가질 수 있다.

도 16을 참조하면, 픽셀 어레이(440)는 삼각형 격자 구조로 배열된 복수의 단위 픽셀(442)들을 포함한다. 단위 픽셀(442)은 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 환형 구조를 갖는다. 특히 도 16에 도시된 바와 같이, 각 단위 픽셀(442)은 육각형의 환형 구조를 가질 수 있다.

도 13 내지 도 16에서 예시한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀은 원형 또는 임의의 다각형의 환형 구조를 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 도면에 도시하지는 않았으나, 예를 들어 단위 픽셀은 사각형의 환형 구조를 가질 수도 있다. 또한, 임의의 환형 구조를 갖는 단위 픽셀들이 사각형 격자 구조로 배열되어 픽셀 어레이를 형성할 수 있고, 삼각형 격자 구조로 배열되어 픽셀 어레이를 형성할 수도 있다.

도 17을 참조하면, 픽셀 어레이(450)는 삼각형 격자 구조로 배열된 복수의 단위 픽셀(452)들을 포함한다. 일 실시예에서, 픽셀 어레이에 포함된 두 개 이상의 단위 픽셀들의 플로팅 확산 영역들이 서로 전기적으로 연결되어 픽셀 그룹을 형성할 수 있다.

예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이, 7개의 단위 픽셀(452)들의 플로팅 확산 영역들이 서로 전기적으로 연결되어 하나의 픽셀 그룹(451)을 형성할 수 있다. 도 17에는 이러한 픽셀 그룹(451)들이 규칙적으로 배열된 구조를 도시하고 있다. 플로팅 확산 영역들의 전기적인 연결(453)은 플로팅 확산 영역들과 상부의 금속층을 전기적으로 연결하는 비아(Via)와 같은 층간 연결체 및 상기 금속층에 패턴화된 배선 등을 포함할 수 있다. 이와 같이 복수의 단위 픽셀들을 그룹화함으로써 TOF 광감지 장치에서 요구되는 고감도를 구현할 수 있다.

일 실시예에서, 격자 구조의 격자점들 중에서 단위 픽셀들이 규칙적으로 생략될 수 있다. 단위 픽셀들이 생략된 영역(RDC)들에는 단위 픽셀(452) 또는 픽셀 그룹(451)들의 출력값을 제공하기 위한 독출 회로를 포함할 수 있다. 상기 독출 회로는 도 18에서 후술하는 트랜지스터들을 포함할 수 있다. 이와 같이 복수의 단위 픽셀들을 그룹화하고 독출 회로를 위한 영역을 효율적으로 제공함으로써 픽셀 어레이(450)의 전체적인 설계 마진이 향상될 수 있다.

도 18은 단위 픽셀의 출력값을 제공하기 위한 독출 회로의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 18을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀(100)의 출력은 독출 회로(30)를 통하여 전기적 신호로 변환되어 외부로 제공될 수 있다. 단위 픽셀(100)은 전술한 바와 같이 환형 구조를 가지며 싱글-탭 검출기로서 동작한다. 플로팅 확산 영역(110), 콜렉트 게이트(120), 드레인 게이트(130), 드레인 영역(140), 게이트 전압들(CG, DRG) 및 드레인 전압(DR)은 전술한 바와 같다.

독출 회로(30)는 소스 팔로워 트랜지스터(T1), 선택 트랜지스터(T2), 및 리셋 트랜지스터(T3)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(T3)는 리셋 신호(RST)에 응답하여 플로팅 확산 영역(110)의 전압(FD)을 리셋 전압(VRST)으로 초기화하는 기능을 수행한다. 플로팅 확산 영역(110)은 소스 팔로워 트랜지스터(T1)의 게이트에 연결된다. 광전하의 수집이 종료된 후 선택 트랜지스터(T2)가 선택 신호(SEL)에 응답하여 턴온되면 플로팅 확산 영역(110)의 전압(FD)에 상응하는 신호가 출력선(LO)을 통하여 외부로 제공된다.

이와 같이, 단위 픽셀(100)의 출력값에 상응하는 플로팅 확산 영역(110)의 전압(FD)은 도 18에 예시한 독출 회로(30)를 이용하여 외부로 제공될 수 있으며, 이러한 독출 회로(30)가 도 17의 단위 픽셀이 생략된 영역(RDC)에 배치될 수 있다. 한편 이러한 독출 회로(30)는 픽셀 어레이의 외곽에 배치될 수도 있다.

도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 광감지 장치를 나타내는 블록도이다.

도 19를 참조하면, 광감지 장치(600)는 센싱부(610) 및 이를 제어하는 제어부(630)를 포함한다. 센싱부(610)는 수신광(RX)을 전기적 신호(DATA)로 변환하는 적어도 하나의 단위 픽셀을 포함한다. 상기 단위 픽셀은 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 환형 구조의 싱글-탭 픽셀을 포함한다. 즉, 전술한 바와 같이, 상기 단위 픽셀은, 반도체 기판(10)에 형성되는 플로팅 확산 영역(110), 플로팅 확산 영역(110)을 둘러싸도록 반도체 기판(10) 위에 형성되는 환형의 콜렉트 게이트(120), 콜렉트 게이트(120)를 둘러싸도록 반도체 기판(10) 위에 형성되는 환형의 드레인 게이트(130), 및 드레인 게이트(130)를 둘러싸도록 반도체 기판(10)에 형성되는 드레인 영역(140)을 포함한다.

제어부(630)는 피사체(60)에 조사하기 위한 송신광(TX)을 발생하는 광원(LS), 콜렉트 게이트 신호(CG) 및 드레인 게이트 신호(DRG)를 발생하는 빈 신호 발생기(BN) 및 광감지 장치(600)의 전체적인 동작을 제어하는 콘트롤러(CTRL)를 포함할 수 있다.

광원(LS)은 소정의 파장을 가진 광(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 출력할 수 있다. 광원(LS)에서 발생된 송신광(TX)은 렌즈(51)를 통하여 피사체(60)에 포커싱될 수 있다. 광원(LS)은 콘트롤러(CTRL)에 의해 제어되어 세기가 주기적으로 변하는 송신광(TX)을 출력할 수 있다. 예를 들어, 송신광(TX)은 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 트레인 신호일 수 있다. 광원(LS)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있다.

빈 신호 발생기(BN)는 센싱부(610)에 포함된 환형의 단위 픽셀을 구동하기 위한 콜렉트 게이트 신호(CG) 및 드레인 게이트 신호(DRG)를 발생한다. 콜렉트 게이트 신호(CG) 및 드레인 게이트 신호(DRG)는 상보적으로 활성화되는 신호일 수 있다. 전술한 바와 같이, 콜렉트 게이트 신호(CG)가 활성화되면 콜렉트 게이트(120) 하부, 즉 광전하 저장 영역(150)과 플로팅 확산 영역(110) 사이의 반도체 기판(10)에만 채널이 형성되고, 반대로 드레인 게이트 신호(DRG)가 활성화되면 드레인 게이트(130)의 하부, 즉 광전하 저장 영역(150)과 드레인 영역(140) 사이의 반도체 기판(10)에만 채널이 형성된다.

결과적으로 콜렉트 게이트 신호(CG)가 활성화되는 동안에 반도체 기판(10)에 생성되는 광전하는 플로팅 확산 영역(110)으로 수집되고 드레인 게이트 신호(DRG)가 활성화되는 동안에 반도체 기판(10)에 생성되는 광전하는 드레인 영역(140)으로 방출된다.

후술하는 바와 같이, 콜렉트 게이트 신호(CG)는 송신광(TX)과의 위상차에 따라 증가하는 사이클 회수를 갖는 복수의 빈 신호들(CGi)을 포함할 수 있고, 광감지 장치(600)는 이러한 복수의 빈 신호들(CGi)을 이용하여 피사체(60)에 의해 반사되어 렌즈(53)를 통하여 입사되는 수신광(RX)을 전기적 신호로 변환하여 거리 정보를 획득할 수 있다.

일 실시예에서, 센싱부(610)는 전술한 하나의 단위 픽셀(또는 하나의 픽셀 그룹)을 포함할 수 있으며, 단위 픽셀의 출력을 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환부(ADC)를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 센싱부(610)는 복수의 단위 픽셀들(또는 복수의 픽셀 그룹들)이 배열된 픽셀 어레이(PX)를 포함할 수 있다. 이 경우 센싱부(610)는 아날로그-디지털 변환부(ADC) 및 픽셀 어레이(PX) 내의 특정한 단위 픽셀을 선택하기 위한 선택 회로(ROW, COL)를 포함할 수 있다.

실시예에 따라서, 아날로그-디지털 변환부(ADC)는 각 컬럼 라인마다 연결된 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 아날로그 신호들을 병렬로 변환하는 컬럼 아날로그-디지털 변환을 수행하거나, 단일한 아날로그-디지털 변환기를 이용하여 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 변환하는 단일 아날로그-디지털 변환을 수행할 수 있다.

실시예에 따라서, 아날로그-디지털 변환부(ADC)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 CDS부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 신호 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 데이터 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 신호 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.

도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.

도 19 및 도 20을 참조하면, 먼저 광원(LS)을 이용하여 피사체(60)에 송신광(TX)을 조사한다(단계 S110). 송신광(TX)과의 위상차에 따라 증가하는 사이클 회수를 갖는 복수의 빈 신호들을 이용하여 센싱부(610)는 피사체(60)에 의해 반사되어 입사되는 수신광(RX)을 전기적 신호(DATA)로 변환한다(단계 S120). 상기 복수의 빈 신호들은 빈 신호 발생기(BN)에서 발생되는 게이트 신호들(CG, DRG)에 포함될 수 있다. 상기 가변적인 복수의 빈 신호들을 포함하는 콜렉트 게이트 신호(CG) 및 이와 상보적인 드레인 게이트 신호(DRG)에 대해서는 도 21 내지 도 25를 참조하여 후술한다. 컨트롤러(CTRL)는 센싱부(610)로부터 제공된 전기적 신호(DATA)에 기초하여 피사체(60)까지의 거리를 계산한다(단계 S130).

도 21은 수신광을 전기적 신호로 변환하기 위한 신호들을 설명하기 위한 타이밍도이다.

도 21을 참조하면, 광감지 장치(600)의 광원(LS)으로부터 발생되는 송신광(TX)은 일정한 주기(To)마다 펄스를 포함하는 펄스 트레인 신호일 수 있다. 송신광(TX)은 일정한 거리(Z)에 위치한 피사체(60)에 의해 반사되어 수신광(RX)으로서 다시 광감지 장치(600)에 입사된다. 빛의 속도를 C라 하고, 송신광(TX)과 수신광(RX) 사이의 위상차를 Tf라 할 때, 광감지 장치(600)로부터 피사체(60)까지의 거리(Z)는 수학식 Tf=2Z/C 으로부터 구할 수 있다.

송신광(TX)과 수신광(RX) 사이의 위상차인 Tf를 구하기 위하여 복수의 빈 신호들이 이용될 수 있으며, 도 21에는 예시적으로 송신광(TX)과의 위상차가 Ti이고 주기(To) 마다의 활성화 시간이 Wi인 하나의 빈 신호(CGi)가 도시되어 있다. 복수의 빈 신호들의 관계는 도 22 및 도 23을 참조하여 후술한다. 예를 들어, 빈 신호(CGi)와 이를 반전한 반전 빈 신호(DRGi)는 도2 내지 도 6을 참조하여 설명한 단위 픽셀(100)의 게이트 신호로서 이용될 수 있다.

빈 신호(CGi)는 콜렉트 게이트 신호(CG)로서 콜렉트 게이트(120)에 인가되고 반전 빈 신호(DRGi)는 드레인 게이트 신호(DRG)로서 드레인 게이트(130)에 인가될 수 있다. 이 경우 수신광(RX)에 의해 반도체 기판(10) 내에서 광전하가 생성되는 시간 중에서 제1 시간(Tr) 동안에는 생성된 광전하가 드레인 영역(140)으로 방출되고 제2 시간(Tc) 동안에는 생성된 광전하가 플로팅 확산 영역(110)으로 수집된다.

이러한 광전하의 방출과 수집은 센싱 시간(TS) 동안 빈 신호(CGi)의 사이클 횟수만큼 반복되고, 센싱 시간(TS) 후의 독출 시간(TR) 동안 플로팅 확산 영역(110)에 수집되어 축적된 광전하의 양은 도 18에 예시한 독출 회로(30)를 통하여 독출된다.

도 22 및 도 23은 도 20의 거리 측정 방법에 사용되는 복수의 빈 신호들을 설명하기 위한 타이밍도들이다.

도 22를 참조하면, 가변적인 복수의 빈 신호들(CGi, i=1,2,...k)은 송신광(TX)과의 위상차(Ti)에 따라 증가하는 사이클 회수(ni)를 갖는다. 송신광과의 위상차가 0인 제1 빈 신호(CG1)의 사이클 횟수(n1)가 가장 작고, 송신광과의 위상차가 증가할수록 사이클 횟수가 점차적으로 증가하여 송신광과의 위상차가 가장 큰 Tk인 제k 빈 신호(CGk)의 사이클 횟수(nk)가 가장 크다. 다시 말해, 제1 빈 신호(CG1)를 이용한 제1 센싱 시간(TS1=To*n1)이 가장 짧고 제k 빈 신호(CGk)를 이용한 제k 센싱 시간(TSk=To*nk)이 가장 길다.

광감지 장치(600)와 피사체(60) 사이의 거리(Z)가 증가할수록, 즉 송신광(TX)과 수신광(RX)의 위상차(Tf)가 증가할수록 거리(Z)의 제곱에 반비례하여 수신광(RX)의 세기가 감소한다. 따라서, 상기 설명한 바와 같이 송신광(TX)과의 위상차(Ti)에 따라 증가하는 사이클 회수(ni)를 갖는 복수의 빈 신호들(CGi)을 이용함으로써 피사체(60)까지의 거리(Z)가 증가할수록 센싱 시간(TSi)을 증가시켜 신호-대-노이즈 비(SNR)를 향상시킬 수 있다. 또한 이러한 거리(Z)에 의존하는 이득(gain)을 적용함으로써 광감지 장치의 동적 범위(dynamic range)를 증가시킬 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 빈 신호들(CGi)은 송신광(TX)과의 위상차(Ti)에 따라 듀티비(Wi/T0)가 증가하도록 가변될 수 있다. 즉 송신광(TX)과의 위상차(Ti)에 따라 복수의 빈 신호들(CGi)의 주기(To) 마다의 활성화 시간(Wi)이 증가될 수 있다.

일반적으로 피사체(60)까지의 거리(Z)가 증가할수록 거리(Z)의 정확성에 대한 필요성은 낮아질 수 있다. 이 경우 거리(Z)가 증가함에 따라 빈 신호들(CGi)의 활성화 시간(Wi)을 증가시킴으로써 이득을 증가하여 신호-대-노이즈 비를 향상시킬 수 있다.

도 22에 도시된 복수의 빈 신호들(CGi)은 서로 다른 단위 픽셀에 인가되는 신호들일 수 있다. 예를 들어, 복수의 단위 픽셀들이 행과 열의 매트릭스 형태로 배열된 픽셀 어레이의 경우, 동일한 행에 속하는 단위 픽셀들에는 같은 빈 신호가 인가되고, 서로 다른 행에 속하는 단위 픽셀들에는 다른 빈 신호가 인가될 수 있다. 이 경우 각각의 센싱 시간(TS1) 후에 바로 독출 동작을 위한 독출 시간(TR)이 부여될 수 있으며, 이미지 센서에서 효율적인 롤링 프레임 동작(rolling frame operation)을 구현할 수 있다.

도 23에는 하나의 단위 픽셀에 복수의 빈 신호들(CGi)이 인가되는 경우의 타이밍도가 도시되어 있다. 도 23에는 편의상 두개의 빈 신호들(CG2, CGk)의 파형만 확대하여 도시하였으나, 나머지 빈 신호들의 파형은 도 22를 참조하여 설명한 것과 동일하다. 즉, 가변적인 복수의 빈 신호들(CGi, i=1,2,...k)은 송신광(TX)과의 위상차(Ti)에 따라 증가하는 사이클 회수(ni)를 가지며, 결과적으로 송신광(TX)과의 위상차(T1)가 가장 작은 제1 빈 신호(CG1)를 이용한 제1 센싱 시간(TS1=To*n1)이 가장 짧고 송신광(TX)과의 위상차(Tk)가 가장 큰 제k 빈 신호(CGk)를 이용한 제k 센싱 시간(TSk=To*nk)이 가장 길다. 또한 전술한 바와 같이 복수의 빈 신호들(CGi)은 송신광(TX)과의 위상차(Ti)에 따라 듀티비(Wi/T0)가 증가하도록 가변될 수 있다. 하나의 단위 픽셀에 복수의 빈 신호들(CGi)이 순차적으로 인가되는 경우에는 각각의 센싱 시간(TSi) 후에 각각의 독출 시간(TR)이 부여된다.

도 24는 가변적인 빈 신호들의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 25는 도 24의 빈 신호들의 위상, 활성화 구간의 길이 및 사이클 회수의 예를 나타내는 도면이다.

도 24를 참조하면, 송신광(TX)과 수신광(RX)의 위상차(Tf)를 측정하기 위한 가변적인 복수의 빈 신호들(CGi, i=1, 2, ..., 10)이 예시되어 있다.

예를 들어, 동영상 정보와 함께 거리 정보를 제공하는 3차원 이미지 센서가 30 fps 로 동작하는 경우에 송신광(TX)이 듀티비 20%로 초당 삼천만개의 광펄스를 포함하는 펄스 트레인 신호가 이용될 수 있다. 이 경우, 독출 시간을 무시할 때, 하나의 프레임에 해당하는 송신광(TX)의 사이클 횟수는 백만 개이다. 도 24에 도시된 각 빈 신호(CGi)의 폭이 활성화 시간(Wi)을 나타낸다. 도 24에 도시된 바와 같이 인접하는 빈 신호의 활성화 시간은 서로 중첩될 수 있다.

예를 들어, 제2 빈 신호(CG2)의 활성화 시간(W2)의 뒷부분 50%가 제3 빈 신호(CG3)의 활성화 시간(W3)과 중첩되고, 제3 빈 신호(CG3)의 활성화 시간(W3)은 제2 빈 신호(CG2)의 활성화 시간(W2)보다 10% 증가할 수 있다. 이와 같이 결정된 각 빈 신호(CGi)의 송신광(TX)과의 위상차(Ti), 활성화 시간(Wi) 및 사이클 횟수(ni)가 도 25에 정리되어 있다. 도 25에서 M은 모든 사이클 회수(ni)의 합을 나타낸다.

이와 같이 가변적인 빈 신호들(CGi)을 이용하여 광전하를 수집하고 수집된 광전하의 양과 빈 신호들(CGi)의 위상을 조합하여 피사체까지의 거리(Z)를 계산할 수 있다.

도 26은 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 방법을 나타내는 순서도이다.

도 19 및 도 26을 참조하면, 먼저 광원(LS)을 이용하여 피사체(60)에 송신광(TX)을 조사한다(단계 S210). 가변적인 빈 신호들을 이용하여 센싱부(610)는 피사체(60)에 의해 반사되어 입사되는 수신광(RX)을 전기적 신호(DATA)로 변환한다(단계 S220). 전술한 바와 같이 상기 가변적인 빈 신호들은 송신광(TX)과의 위상차에 따라 증가하는 사이클 회수를 가질 수 있다. 또한 상기 가변적인 빈 신호들은 송신광(TX)과의 위상차에 따라 듀티비가 증가할 수 있다. 컨트롤러(CTRL)는 센싱부(610)로부터 제공된 전기적 신호(DATA)에 기초하여 피사체(60)까지의 거리를 계산한다(단계 S230). 콘트롤러(CTRL)는 빈 신호 발생기(BN)를 제어하여 상기 계산된 거리에 상응하는 위상에 집중되도록 빈 신호들의 위상 및 듀티비를 조정한다(단계 S240). 위상 및 듀티비가 조정된 복수의 빈 신호들을 이용하여 상기 피사체까지의 거리를 보정한다(단계 S250).

도 27은 가변적인 빈 신호들의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 28은 도 27의 빈 신호들의 위상, 활성화 구간의 길이 및 사이클 회수의 예를 나타내는 도면이고, 도 29는 보정된 빈 신호들의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 27을 참조하면, 송신광(TX)과 수신광(RX)의 위상차(Tf)를 측정하기 위한 가변적인 4개의 빈 신호들(CGi, i=1, 2, 3, 4)이 예시되어 있다. 도 27에는 듀티비 50%의 송신광(TX)을 이용한 경우에 피사체에 의해 반사되어 입사되는 수신광(RX)의 예가 점선으로 표시되어 있다. 도 28에는 4개의 빈 신호들(CGi)의 송신광(TX)과의 위상차(Ti), 활성화 시간(Wi) 및 사이클 횟수(ni)가 정리되어 있다. 도 27 및 도 28에 나타낸 바와 같이, 4개의 빈 신호들(CGi)은 동일한 활성화 시간(Wi)을 가지지만 송신광(TX)과의 위상차(Ti)에 따라 증가하는 사이클 회수(ni)를 가질 수 있다.

컨트롤러(CTRL)는 이러한 빈 신호들(CGi)을 이용하여 센싱부(610)로부터 제공된 전기적 신호(DATA)에 기초하여 피사체(60)까지의 거리를 계산하고, 빈 신호 발생기(BN)를 제어하여 상기 계산된 거리에 상응하는 위상에 집중되도록 빈 신호들(CGi)의 위상 및 듀티비를 조정한다. 이렇게 보정된 빈 신호들(CGi')의 예가 도 29에 도시되어 있다.

도 29에 도시된 바와 같이, 수신광(RX)의 펄스에 집중되도록 조정된 빈 신호들(CGi')를 이용하여 더욱 정확한 데이터를 얻을 수 있고 피사체까지의 거리(Z)를 정밀하게 보정할 수 있다. 예를 들어, 얼굴 인식 보안 시스템의 경우에 도 27 및 28에 도시된 바와 같은 빈 신호들(CGi)을 이용하여 얼굴까지의 평균 거리를 측정하고, 그 결과에 기초하여 보정된 도 29의 빈 신호들(CGi')을 이용하여 평균 거리를 중심으로 다시 스캔하여 더욱 정밀한 거리를 얻을 수 있다.

도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 센싱부를 나타내는 블록도이다. 도 30에는, 도 19의 광감지 장치(600)가 3차원 이미지 센서인 경우의 센싱부(610a)의 일 예가 도시되어 있다.

도 30을 참조하면, 센싱부(610a)는 복수의 컬러 픽셀들과 복수의 거리 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이(C/Z PX), 컬러 픽셀 선택 회로(CROW, CCOL), 거리 픽셀 선택 회로(ZROW, ZCOL), 컬러 픽셀 컨버터(CADC) 및 거리 픽셀 컨버터(ZADC)를 포함할 수 있다. 컬러 픽셀 선택 회로(CROW, CCOL)와 컬러 픽셀 컨버터(CADC)는 픽셀 어레이(C/Z PX) 내의 컬러 픽셀을 제어하여 영상 정보(CDATA)를 제공하고, 거리 픽셀 선택 회로(ZROW, ZCOL)와 거리 픽셀 컨버터(ZADC)는 픽셀 어레이(C/Z PX) 내의 거리 픽셀을 제어하여 거리 정보(ZDATA)를 제공한다.

이와 같이 3차원 이미지 센서에서는 영상의 컬러 데이터(CDATA) 및 거리 데이터(ZDATA)를 제공하기 위하여 컬러 픽셀들을 제어하는 구성 요소들과 거리 픽셀들을 제어하는 구성 요소들이 별도로 구비되어 서로 독립적으로 동작할 수 있다.

도 31은 도 30의 센싱부에 포함된 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 31을 참조하면, 픽셀 어레이(C/Z PX)는 삼각형 격자 구조로 배열된 복수의 단위 픽셀들(R, G, B, Z)을 포함한다. 단위 픽셀들(R, G, B, Z)은 도 2 내지 도 12를 참조하여 설명한 환형 구조를 가진다. 단위 픽셀들(R, G, B, Z)은 컬러 픽셀들(R, G, B)과 복수의 거리 픽셀들(Z)을 포함한다. 컬러 픽셀들은 그린 픽셀(G), 레드 픽셀(R) 및 블루 픽셀(B)을 포함할 수 있다. 도 31에 도시된 바와 같이, 컬러 픽셀들(R, G, B)은 해상도를 증가하기 위하여 하나의 단위 픽셀마다 독립된 광감지 기능을 수행하고, 거리 픽셀들(Z)은 감도를 증가시키기 위하여 복수 개의 단위 픽셀들이 일체로 동작하는 픽셀 그룹(80)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 하나의 픽셀 그룹(80)에 속하는 4개의 거리 픽셀들(Z)의 플로팅 확산 영역이 전기적으로 서로 연결될 수 있다.

도 30의 컬러 픽셀 선택 회로(CROW, CCOL), 컬러 픽셀 컨버터(CADC)는 컬러 픽셀들(R, G, B)의 센싱 동작 및 독출 동작을 담당하고, 거리 픽셀 선택 회로(ZROW, ZCOL)와 거리 픽셀 컨버터(ZADC)는 거리 픽셀들(Z)의 센싱 동작 및 독출 동작을 담당할 수 있다. 전술한 가변적인 복수의 빈 신호들(CGi)은 거리 픽셀(Z)의 게이트에 인가되어 거리 정보를 나타내는 데이터(ZDATA)를 얻을 수 있다. 컬러 픽셀들(R, G, B)은 거리 픽셀(Z)과 다른 주파수로 동작할 수도 있고 전술한 빈 신호들(CGi)과는 다른 게이트 신호에 응답하여 동작할 수 있다.

도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.

도 32를 참조하면, 카메라(800)는 수광 렌즈(810), 3차원 이미지 센서(900) 및 엔진부(840)를 포함할 수 있다. 3차원 이미지 센서(900)는 3차원 이미지 센서 칩(820) 및 광원 모듈(830)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 3차원 이미지 센서 칩(820) 및 광원 모듈(830)은 각각 별도의 장치로 구현되거나, 광원 모듈(830) 중 적어도 일부의 구성이 3차원 이미지 센서 칩(820)에 포함되도록 구현될 수 있다. 또한 수광 렌즈(810)는 3차원 이미지 센서(900)의 일부 구성 요소로서 포함될 수도 있다.

수광 렌즈(810)는 3차원 이미지 센서 칩(820)의 수광 영역(예를 들어, 도 1의 픽셀 어레이(110)에 포함된 거리 픽셀들 및/또는 컬러 픽셀들)으로 입사광을 집광시킬 수 있다. 3차원 이미지 센서 칩(820)은 수광 렌즈(810)를 통하여 입사된 광에 기초하여 거리 정보 및/또는 컬러 영상 정보를 포함하는 데이터(DATA1)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 3차원 이미지 센서 칩(820)에서 생성되는 데이터(DATA1)는 광원 모듈(830)에서 방출된 적외선 또는 근적외선을 이용하여 생성된 거리 데이터 및 외부 가시광선을 이용하여 생성된 베이어 패턴의 RGB 데이터를 포함할 수 있다. 3차원 이미지 센서 칩(820)은 클록 신호(CLK)에 기초하여 데이터(DATA1)를 엔진부(840)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라, 3차원 이미지 센서 칩(820)은 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(840)와 인터페이싱할 수 있다.

엔진부(840)는 3차원 이미지 센서(900)를 제어한다. 또한, 엔진부(840)는 3차원 이미지 센서 칩(820)으로부터 수신된 데이터(DATA1)를 처리할 수 있다. 예를 들어, 엔진부(840)는 3차원 이미지 센서 칩(820)으로부터 수신된 데이터(DATA1)에 기초하여 입체 컬러 데이터를 생성할 수 있다. 다른 예에서, 엔진부(840)는 데이터(DATA1)에 포함된 상기 RGB 데이터에 기초하여 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다. 엔진부(840)는 호스트/어플리케이션(850)에 연결될 수 있으며, 엔진부(840)는 마스터 클록(MCLK)에 기초하여 데이터(DATA2)를 호스트/어플리케이션(850)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(840)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(850)과 인터페이싱할 수 있다.

도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.

도 33을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 입출력 장치(1040), 파워 서플라이(1050) 및 3차원 이미지 센서(900)를 포함할 수 있다. 한편, 도 33에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(1000)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.

프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030) 및 입출력 장치(1040)와 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(1020)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 디램(DRAM), 모바일 디램, 에스램(SRAM), 피램(PRAM), 에프램(FRAM), 알램(RRAM) 및/또는 엠램(MRAM)으로 구현될 수 있다. 저장 장치(1030)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1040)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1050)는 전자 기기(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

3차원 이미지 센서(900)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(1010)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 3차원 이미지 센서(900)는 싱글-탭 검출기로 이용되는 환형 구조의 단위 픽셀을 포함할 수 있다. 또한 3차원 이미지 센서(900)는 피사체까지의 거리를 측정하기 위하여 전술한 바와 같이 가변적인 복수의 빈 신호들을 이용할 수 있다. 이로써 광감도를 향상시키고 신호-대-노이즈 비를 향상시킬 수 있다. 3차원 이미지 센서(900)는 프로세서(1010)와 함께 하나의 칩에 집적될 수도 있고, 서로 다른 칩에 각각 집적될 수도 있다.

3차원 이미지 센서(900)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 3차원 이미지 센서(900)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 3차원 이미지 센서를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(1000)은 디지털 카메라, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등을 포함할 수 있다.

도 34는 도 33의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.

도 34를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1100)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 3차원 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 3차원 이미지 센서(1140)의 CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다.

일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다. 나아가, 컴퓨팅 시스템(1100)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1100)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있다.

한편, 컴퓨팅 시스템(1100)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1100)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선 랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1100)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.

본 발명의 실시예들에 따른 환형 구조의 단위 픽셀 및 거리 측정 방법은 거리 정보를 제공하기 위한 임의의 광감지 장치에 이용될 수 있으며, 특히 피사체의 영상 정보 및 거리 정보를 함께 제공하는 3차원 이미지 센서에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 얼굴 인식 보안 시스템, 컴퓨터, 디지털 카메라, 3차원 카메라, 휴대폰, PDA, 스캐너, 차량용 네비게이션, 비디오 폰, 감시 시스템, 자동 포커스 시스템, 추적 시스템, 동작 감지 시스템, 이미지 안정화 시스템 등에 유용하게 이용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

100, 200, 300: 단위 픽셀
110, 210, 310: 플로팅 확산 영역
120, 220, 320: 콜렉트 게이트
130, 230, 330: 드레인 게이트
140, 240, 340: 드레인 영역
150, 250, 350: 광전하 저장 영역
270: 피닝 레이어
370: 포토 게이트

Claims (13)

1. 반도체 기판에 형성되는 플로팅 확산 영역;
   상기 플로팅 확산 영역을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 콜렉트 게이트;
   상기 콜렉트 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 드레인 게이트; 및
   상기 드레인 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역을 포함하는 광감지 장치의 단위 픽셀.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 콜렉트 게이트 및 상기 드레인 게이트에는 상보적으로 활성화되는 콜렉트 게이트 신호 및 드레인 게이트 신호가 각각 인가되어 상기 콜렉트 게이트 신호가 활성화되는 동안에 상기 반도체 기판에 생성되는 광전하가 상기 플로팅 확산 영역으로 수집되고 상기 드레인 게이트 신호가 활성화되는 동안에 상기 반도체 기판에 생성되는 광전하가 상기 드레인 영역으로 방출되는 것을 특징으로 하는 광감지 장치의 단위 픽셀.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 상기 플로팅 확산 영역과 상기 드레인 영역 사이의 상기 반도체 기판에 환형으로 형성되는 광전하 저장 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광감지 장치의 단위 픽셀.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 콜렉트 게이트는 상기 광전하 저장 영역의 안쪽 부분을 덮도록 환형으로 형성되고,
   상기 드레인 게이트는 상기 광전하 저장 영역의 바깥쪽 부분을 덮도록 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광감지 장치의 단위 픽셀.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 콜렉트 게이트는 상기 광전하 저장 영역과 상기 플로팅 확산 영역 사이에 환형으로 형성되고,
   상기 드레인 게이트는 상기 광전하 저장 영역과 상기 드레인 영역 사이에 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광감지 장치의 단위 픽셀.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 광전하 저장 영역과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 상기 광전하 저장 영역을 덮도록 상기 반도체 기판에 환형으로 형성되는 피닝 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광감지 장치의 단위 픽셀.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 콜렉트 게이트와 상기 드레인 게이트 사이에 위치하고 상기 광전하 저장 영역을 덮도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 포토 게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광감지 장치의 단위 픽셀.
8. 수신광을 전기적 신호로 변환하는 적어도 하나의 단위 픽셀을 포함하는 센싱부; 및
   상기 센싱부를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 단위 픽셀은,
   반도체 기판에 형성되는 플로팅 확산 영역;
   상기 플로팅 확산 영역을 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 콜렉트 게이트;
   상기 콜렉트 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판 위에 형성되는 환형의 드레인 게이트; 및
   상기 드레인 게이트를 둘러싸도록 상기 반도체 기판에 형성되는 드레인 영역을 포함하는 광감지 장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 센싱부는 상기 복수의 단위 픽셀들이 사각형 격자 구조 또는 삼각형 격자 구조로 배열된 픽셀 어레이를 포함하고,
   서로 인접하는 상기 단위 픽셀들의 상기 드레인 영역들은 상기 반도체 기판에서 공간적으로 서로 연결되어 상기 복수의 단위 픽셀들의 드레인 영역들이 일체적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광감지 장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 격자 구조의 격자점들 중에서 상기 단위 픽셀들이 규칙적으로 생략되고,
    상기 단위 픽셀들의 출력값을 제공하기 위하여 상기 단위 픽셀들이 생략된 영역에 형성되는 독출 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광감지 장치.
11. 피사체에 송신광을 조사하는 단계;
    상기 송신광과의 위상차에 따라 증가하는 사이클 회수를 갖는 복수의 빈 신호들을 이용하여 상기 피사체에 의해 반사되어 입사되는 수신광을 전기적 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 전기적 신호에 기초하여 상기 피사체까지의 거리를 계산하는 단계를 포함하는 거리 측정 방법.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 복수의 빈 신호들은 상기 송신광과의 위상차에 따라 듀티비가 증가하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
13. 제11 항에 있어서,
    상기 계산된 거리에 상응하는 위상에 집중되도록 상기 복수의 빈 신호들의 위상 및 듀티비를 조정하는 단계; 및
    상기 위상 및 듀티비가 조정된 복수의 빈 신호들을 이용하여 상기 피사체까지의 거리를 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.

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