KR20160100569A - 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치 - Google Patents

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KR20160100569A
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Abstract

이미지 센서 및 촬상 장치가 개시된다. 본 개시의 실시예에 따른 복수의 센싱 픽셀을 포함하는, 다층 센서 구조의 이미지 센서에 있어서, 상기 복수의 센싱 픽셀 각각이 광을 집광하는 마이크로 렌즈; 제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광전 변환부; 및 기판상에 형성되고, 입사되는 광을 전기적 신호로 변환하는, 제2 광전 변환부를 포함하고, 상기 제2 광전 변환부의 중심축은 상기 마이크로 렌즈의 광축과 이격된다.

Description

이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치{Image sensor and imaging device including image sensor}
본 개시는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 다층 광전변환 구조를 갖는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 관한 것이다.
스마트 폰, 디지털 카메라 등, 촬상 장치가 생활 전반에서 사용되고 있다. 이에 따라, 촬상 장치 또는 촬상 장치에 포함되는 이미지 센서의 성능에 대한 요구가 높아지고 있다. 예를 들어, 촬상 장치가 영상 촬영을 빠른 시간에 정확하게 수행할 수 있도록, 이미지 센서가 오토 포커싱 기능을 수행할 것이 요구된다. 또한 촬상 장치의 해상도가 높아짐에 따라 광 신호에 대한 이미지 센서의 센싱 감도를 높이면서도 이미지 센서의 구조를 간단하게 구현할 것이 요구된다.
본 개시는 센싱 감도가 높고, 정확하고 빠른 동작을 수행할 수 있는 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치를 제공한다.
본 개시의 실시예에 따른 복수의 센싱 픽셀을 포함하는, 다층 센서 구조의 이미지 센서에 있어서, 상기 복수의 센싱 픽셀 각각은, 광을 집광하는 마이크로 렌즈; 제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광전 변환부; 및 기판상에 형성되고, 입사되는 광을 전기적 신호로 변환하는, 제2 광전 변환부를 포함하고, 상기 제2 광전 변환부의 중심축은 상기 마이크로 렌즈의 광축과 이격될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환부는, 유기 포토 다이오드로 이루어지고, 상기 제2 광전 변환부는, 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토다이오드로 이루어질 수 있다.
실시예들에 있어서, 입사되는 광을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 이미지 센서는, 인접하게 배치된 제1 센싱 픽셀 및 제2 센싱 픽셀을 포함하고, 상기 제1 센싱 픽셀의 상기 제2 광전 변환부의 중심축은 상기 광축과 제1 방향으로 이격되고, 상기 제2 센싱 픽셀의 상기 제2 광전 변환부의 중심축은 상기 광축과 제2 방향으로 이격될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 반대 방향일 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 센싱 픽셀은 상기 제1 파장대역의 광에 대응하는 제1 전기 신호 및 제2 파장 대역의 광에 대응하는 제2 전기 신호를 출력하고, 상기 제2 센싱 픽셀은, 상기 제1 전기 신호 및 제3 파장대역의 광에 대응하는 제3 전기 신호를 출력할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 센싱 픽셀 및 상기 제2 센싱 픽셀로부터 제공되는 양안 시차 영상 신호의 위상차를 기초로 초점검출을 수행하는 초점 검출부를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 기판상에서 상기 제2 광전 변환부와 이격 배치되어, 상기 제1 광전 변화부로부터 제공되는 전기 신호를 저장하는 스토리지 노드를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 스토리지 노드의 중심축은 상기 제2 광전 변환부가 상기 광축과 이격되는 방향의 반대방향으로 상기 광축과 이격될 수 있다.
실시예들에 있어서, 매트릭스 형태로 배열된 제1 센싱 픽셀, 제2 센싱 픽셀, 제3 센싱 픽셀 및 제4 센싱 픽셀을 포함하고, 상기 제1 내지 제4 센싱 픽셀 각각에 구비되는 상기 제2 광전 변환부의 중심축들은 서로 다른 방향으로 상기 광축과 이격될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 내지 제4 센싱 픽셀 각각에 구비되는 상기 제2 광전 변환부의 중심축들이 상기 광축과 이격되는 방향은 서로 직교할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 복수의 센싱 픽셀에 연결되는 배선층을 더 포함하고, 상기 제1 광전 변환부, 상기 제2 광전 변환부 및 상기 배선층은 상기 마이크로 렌즈의 하방으로 차례로 배치될 수 있다.
실시예들에 있어서, 제3 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제3 광전 변환부를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 이미지 센서는 반도체 칩으로 구비될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 복수의 센싱 픽셀을 포함하는, 다층 센서 구조의 이미지 센서에 있어서, 상기 복수의 센싱 픽셀 각각은, 광을 집광하는 마이크로 렌즈; 제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광전 변환부; 및 제2 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제2 광전 변환부를 포함하고, 상기 제2 광전 변환부는, 상기 마이크로 렌즈의 광축을 중심으로 서로 이격 배치되는 제1 광전 변환 소자 및 제2 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자 및 상기 제2 광전 변환 소자의 수평 단면의 넓이는 실질적으로 동일할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자는 상기 광축에 대하여 제1 방향으로 이격 배치되고, 상기 제2 광전 변환 소자는 상기 광축에 대하여 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이격 배치될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제2 광전 변환부는, 제3 광전 변환 소자 및 제4 광전 변환 소자를 더 포함하고, 상기 제1 내지 제4 광전 변환소자는 상기 광축을 중심으로 서로 이격 배치될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환부 및 상기 제2 광전 변환부 중 하나는 유기물 실리콘 포토 다이오드로 이루어지고, 다른 하나는 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토다이오드로 이루어질 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자 및 상기 제2 광전 변환 소자는 기판내에 형성되는 무기 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 제2 파장대역의 광과 보색관계에 해당하는 광의 파장대역을 반사시키는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환부는, 상기 제1 파장대역의 광에 대해 광전 변환 성질을 갖는 제1 컬러선택층, 상기 제1 컬러 선택층의 상면에 배치되는 상부전극; 및 상기 제1 컬러 선택층의 하면에 서로 이격배치되는 제1 하부전극 및 제2 하부전극을 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 하부전극 및 상기 제2 하부전극의 면적은 실질적으로 동일할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자 및 상기 제2 광전 변환 소자는 가판상에 적층될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자 및 상기 제2 광전 변환 소자 각각은, 제2 파장대역의 광에 대해 광전 변환 성질을 갖는 제2 컬러선택층; 및 변환된 전기 신호를 출력하는 전극을 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 제3 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제3 광전 변환부를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 촬상 장치는, 피사체로부터 반사되는 광을 모으는 렌즈; 및 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 구비하고, 상기 렌즈를 통해 입사되는 광을 전기 신호로 출력하는 이미지 센서를 포함하고, 복수의 픽셀들 중 적어도 하나의 초점 픽셀은, 마이크로 렌즈; 제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광전 변환부; 및 중심축이 상기 마이크로 렌즈의 광축과 이격되는 제1 광전 변환 소자를 포함하고, 제2 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제2 광전 변환부를 포함하는 다층 센서 구조일수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환부는 유기 포토 다이오드로 이루어지고, 상기 제2 광전 변환부는 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토다이오드로 이루어질 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 적어도 하나의 초점픽셀은, 서로 인접하여 위치하는 제1 픽셀 및 제2 픽셀을 포함하고, 상기 제1 픽셀 및 상기 제2 픽셀에 각각 구비되는 제1 광전 변환 소자들의 중심축이 상기 광축과 이격되는 방향은, 서로 반대일 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제2 광전 변환부는, 상기 광축을 중심으로 상기 제1 광전 변환 소자와 이격 배치되는 제2 광전 변환 소자를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제1 광전 변환부는, 상기 제1 파장대역의 광을 광전 변환하는 제1 컬러선택층; 및 각각이 상기 광축에 이격 배치되고, 변환된 전기 신호를 출력하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 제3 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제3 광전 변환부를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 제2 광전 변환부로부터 출력되는 전기 신호를 기초로 광의 위상 차를 검출하여 초점 검출을 수행하는 자동 초점 처리부; 및 상기 검출된 초점에 기초하여 상기 대물 렌즈의 위치를 조정하는 자동 초점 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 의하면, 서로 적층된 복수의 광전변환층을 가지는 이미지 센서에 있어서, 상기 복수의 광전변환층중 적어도 하나의 광전변환층의 중심축이, 마이크로 렌즈의 광축에 대하여 서로 다른 방향으로 이격되게 배치된 한 쌍의 픽셀을 이용하여 양안 시차 영상 신호를 획득함으로써, 센싱 감도를 높이면서도, 정확한 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.
또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 의하면, 복수의 광전변환층중 적어도 하나의 광전변환층이 마이크로 렌즈의 광축에 대하여 서로 이격 배치되는 적어도 두개의 광전변환 소자를 포함하고, 상기 적어도 두 개의 광전변환 소자로부터 출력되는 신호를 기초로 위상차를 검출함으로써, 센싱 감도를 높이면서도, 정확한 자동 초점 기능을 수행할 수 있다.
본 개시의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 위상차 오토 포커싱을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 픽셀 회로의 구현예를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다.
도 6은 도 3, 도 5a의 이미지 센서에서 제2 광전 변환부에 의해 출력되는 영상 신호를 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 10은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 11a 내지 11g는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다.
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 13a 내지 도 13e는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 15a 내지 도 15b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다.
도 16은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 17은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 18은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 19a 및 도 19b는 픽셀 어레이 내에 초점 픽셀이 배치되는 예시적 실시예를 나타내는 도면이다.
도 20a 내지 도 20e는 복수의 초점 픽셀이 배치되는 예를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따른 디지털 촬상 장치(1000)의 예시적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 22는 본 개시의 일 실시예에 따른 CPU/DSP(1170a)의 구조와, 디지털 촬상 장치(1000)의 일부 구성요소들을 도시한 도면이다.
도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도 이다.
도 24는 본 개시의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 25는 본 개시의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
도 26은 본 개시의 실시예에 따른 촬상 장치의 종단면도이다.
이하, 본 발명의 다양일 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양일 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명의 다양일 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양일 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명의 다양일 실시예에서 사용될 수 있는“포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양일 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양일 실시예에서 “또는” 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, “A 또는 B”는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양일 실시예에서 사용된 “제 1,”“제 2,”“첫째,”또는“둘째,”등의 표현들은 다양일 실시예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는 모두 사용자 기기이며, 서로 다른 사용자 기기를 나타낸다. 예를 들어, 본 발명의 다양일 실시예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 발명의 다양일 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양일 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 다양일 실시예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 1a 및 1b를 참조하면, 픽셀(PX)은 마이크로 렌즈(MLS), 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 픽셀(PX)은 또한 평탄화층(PL), 절연층(IL) 및 컬러 필터(CF)를 더 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)은 마이크로 렌즈(MLS)의 하방에 차례로 적층될 수 있다. 이와 같이 복수의 광전 변환부가 적층된 픽셀(PX) 구조를 포함하는 이미지 센서를 멀티 레이어(Multi-layer) 센서라고 지칭할 수 있다. 멀티 레이어 센서는 픽셀(PX) 각각이, 파장대역이 다른 적어도 두 개 이상의 광에 대응하는 전기적 신호를 검출할 수 있는바, 입사되는 광에 대한 센싱 감도가 증가될 수 있다.
한편, 도 1a 및 도 1b에서는 제1 광전 변환부(110)가 제2 광전 변환부(120)의 상방에 적층된 것으로 도시되었으나, 본 개시의 기술적 사상은 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 실시예에 있어서, 제2 광전 변환부(120)가 제1 광전 변환부(110)의 상방으로 적층될 수도 있다.
또한, 제2 광전 변환부(120)가 반도체 기판(SUB)에 형성되고, 제1 광전 변환부(110)는 반도체 기판(SUB)의 상부에 적층되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적 실시 예일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다. 제 1 광전 변환부(110)가 반도체 기판(SUB)에 형성되고, 제2 광전 변환부(120)가 반도체 기판(SUB)의 상부에 적층될 수 있다. 또는 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)는 모두 반도체 기판(SUB)의 상부에 적층될 수 있다. 한편, 본 개시의 실시예에 따른 픽셀(PX)을 포함하는 이미지 센서는 반도체 칩으로 구현될 수 있다.
마이크로 렌즈(MLS)를 통해 광이 입사되면, 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)는 입사되는 광을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 제1 광전 변환부(110)는 제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하고, 제2 광전 변환부(120)는 제2 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)에서 변환된 전기적 신호는 배선층(ML)에 구비되는 회로 영역(미도시)을 통해 전기적 신호로서 출력될 수 있다.
한편, 칼라 필터(CF)는 광을 파장에 따라 선택적으로 투과시킬 수 있다. 본 실시예에서 컬러 필터(CF)는 보색 필터로서, 제2 파장대역의 광과 보색관계에 있는 광의 파장대역을 반사시킴으로써, 제2 광전 변환부(120)에서 제2 파장대역의 광이 흡수되도록 할 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 픽셀(PX)에서, 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 마이크로 렌즈(MLS)의 광축(MLX, 이하 광축이라고 지칭함)과 이격될 수 있다. 이때, 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 제2 광전 변환부(120)의 무게 중심 또는 제 광전 변환부(120)의 수평 단면, 예컨대 xy평편 상의 단면의 내심을 지나고 광축(MLX)과 평행하는 축을 의미할 수 있다. 다시 말해, 제2 광전 변환부(120)는 픽셀(PX)의 중심으로부터 픽셀의 가장자리 방향, 예컨대 x1 방향 또는 x2 방향으로 편향되게 배치될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 제2 광전 변환부(120)는 하나의 광전 변환소자를 포함할 수 있다. 또는 도 1b에 도시된 바와 같이, 제2 광전 변환부(120)는 각각의 중심축(CX)이 광축(MLX)과 이격되는 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)를 포함할 수 있다. 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 광축(MLX)을 중심으로 서로 이격 배치될 수 있다. 도 1b의 실시예에 있어서, 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)이 광축(MLX)과 이격된다는 의미는 제2 광전 변환부(120)에 포함되는 제1 및 제2 광전 변환소자(121, 122) 각각의 중심축(CX)이 광축(MLX)과 이격된다는 것을 의미할 수 있다.
이와 같이, 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)이 광축(MLX)과 이격되므로, 제2 광전 변환부(120)는 상기 마이크로 렌즈(MLS)를 통해 입사되는 광 중 광축(MLX)을 중심으로 우측 또는 좌측(예컨대 x1 방향 또는 x2 방향) 중 하나로 입사되는 광 성분을 주로 감지할 수 있다. 이에 따라, 상기 본 개시의 실시예에 따른 픽셀(PX)을 포함하는 이미지 센서는 상기 제2 광전 변환부(120)로부터 출력되는 전기적 신호를 기초로, 양안 시차 영상 신호(또는 양안 시차 영상)를 획득하고, 이를 기초로 양안 시차 영상 신호의 위상차를 검출하여 자동 초점 기능을 수행할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 픽셀(PX)을 포함하는 이미지 센서는, 멀티 레이어 센서로 구현됨으로써, 광에 대한 센싱 감도를 높이면서, 정확하고 빠른 위상차 자동 초점 기능(이하 위상차 AF라고 함)을 수행할 수 있다.
이하, 본 개시의 실시예에 따른 멀티 레이어 센서 구조의 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 위상차 AF를 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a는 합초 상태, 도 2b는 전핀 상태, 도 2c는 후핀 상태를 나타낸다. 도 2a 내지 도 2c에서 픽셀 위치는, 행 및 열 방향으로 배치되는 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이(PXA)에 있어서, 행 방향 또는 열 방향에 따른 픽셀의 위치를 나타낸다.
합초 상태에서는 도 2a와 같이 렌즈(LS)를 통해 촬상 소자, 예컨대 픽셀 어레이(PXA)를 포함하는 이미지 센서로 입사되는 광 신호가 픽셀 어레이(PXA)의 수광면의 중심부에서 초점이 맞는다. 이러한 합초 상태에서는 전술한 본 개시의 실시예에 따른 적어도 하나의 픽셀(PX)에서 제1 광 신호(IS1) 및 제2 광 신호(IS2)가 고르게 검출될 수 있다. 이에 따라 적어도 하나의 픽셀(PX)에서 생성되는 양안 시차 영상 신호 중 제1 위상차 검출 신호와 제2 위상차 검출 신호의 세기(P)가 동일하게 검출되며, 양안 시차 영상의 위상이 동일할 수 있다. 따라서, 이미지 센서 또는 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치는 제1 위상차 검출 신호 와 제2 위상차 검출 신호의 세기(P)가 소정의 임계치 이상으로 검출되면 합초 상태로 판단할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 전핀 상태에서는 렌즈(LS)를 통해 픽셀 어레이(PXA)로 입사되는 광 신호가 픽셀 어레이(PXA)의 수광면의 중심부에서 초점이 맞지 않고, 수광면보다 앞에서 초점이 맞을 수 있다.
이러한 전핀 상태에서는, 픽셀 어레이(PXA)에서 광축으로부터 제1 방향의 영역(AL)에서는 제2 광 신호(IS2)가 주로 검출되어, 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 큰 반면, 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)는 작을 수 있다. 광축으로부터 제2 방향의 영역(AR)에서는 제1 광 신호(IS1)가 주로 검출되어, 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 큰 반면, 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)는 작게 나타난다. 따라서, 이미지 센서 또는 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치는, 광축으로부터 제1 방향의 픽셀 어레이(PXA)의 영역(AL)에서는 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 소정의 임계치 이상으로 검출되고 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)는 소정의 임계치 미만으로 검출되며, 광축으로부터 제2 방향의 픽셀 어레이(PXA)의 영역(AR)에서는 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 소정의 임계치 이상으로 검출되고 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 소정의 임계치 미만으로 검출되면 전핀 상태로 판단할 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 후핀 상태에서는 픽셀 어레이(PXA)에서 광축으로부터 제1 방향의 영역(AL)에서는 제1 광 신호(IS1)가 주로 검출되어, 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 큰 반면, 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)는 작을 수 있다, 광축으로부터 제2 방향의 영역(AR)에서는 제2 광 신호(IS2)가 주로 검출되어, 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 큰 반면, 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)는 작게 나타난다. 따라서, 이미지 센서 또는 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치는, 광축으로부터 제1 방향의 픽셀 어레이(PXA)의 영역(AL)에서는 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 소정의 임계치 이상으로 검출되고 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)는 소정의 임계치 미만으로 검출되며, 광축으로부터 제2 방향의 픽셀 어레이(PXA)의 영역(AR)에서는 제2 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 소정의 임계치 이상으로 검출되고 제1 위상차 검출용 신호의 세기(P)가 소정의 임계치 미만으로 검출되면 후핀 상태로 판단할 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 3을 참조하면, 이미지 센서(100)는 복수의 픽셀(PX)을 포함하고, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 관통배선(114), 스토리지 노드(115), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층(IL)을 더 구비할 수 있다.
마이크로 렌즈(MLS), 평탄화층(PL), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)은 마이크로 렌즈(MLS)의 하방으로 차례로 적층될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 광전 변환부(110)와 제2 광전 변환부(120)의 위치는 변경될 수 있다. 제1 광전 변환부(110)가 제2 광전 변환부(120)의 하방에 배치될수도 있다.
칼라 필터(CF)는 마이크로 렌즈(MLS)를 통해 입사되는 광을 파장에 따라 선택적으로 투과시킬 수 있다. 칼라 필터(CF)는 예컨대 보색 필터로서, 제2 광전 변환부(120)에서 흡수되는 파장의 광과 보색관계에 있는 광의 파장대역을 반사할 수 있다.
제1 광전 변환부(110)는 제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 예컨대, 제1 파장대역의 광은 녹색광일 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고 다양하게 변형 가능하다. 제1 광전 변환부(110)는 제1 파장대역의 광을 흡수하고, 흡수된 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 예컨대 제1 광전 변환부(110)는 유기 포토 다이오드로 이루어질 수 있다.
제1 광전 변환부(110)는 상부 전극(111), 컬러 선택층(112) 및 하부 전극(113)을 구비할 수 있다. 컬러 선택층(112)은 제1 파장 대역의 광을 흡수할 수 있다. 흡수된 제1 파장대역의 광은 상기 컬러 선택층(112) 내에서 상부 전극(111) 및 하부 전극(113)을 통해 흐르는 전류에 의하여 전기적 신호로 변환될 수 있으며, 변환된 전기적 신호는 하부 전극(113)을 통해 출력될 수 있다. 하부 전극(113)을 통해 출력된 전기적 신호는 관통배선(114)을 통해 스토리지 노드(115)에 제공되고, 상기 스토리지 노드(115)에 임시로 저장될 수 있다.
스토리지 노드(115)는 기판(SUB)내에서 제2 광전 변환부(120)와 이격 배치되며, 관통배선(114)을 통해 상기 제1 하부 전극(113)으로부터 출력되는 전기 신호를 임시로 저장할 수 있다. 스토리지 노드(115) 또한, 중심축이 광축(MLX)에 대하여 이격될 수 있다.
제2 광전 변환부(120)는 수신되는 광을 전기적 신호로 변환한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 광전 변환부(120)의 상부에 칼라 필터(CF) 및 제1 광전 변환부(110)가 적층된 구조일 경우, 제2 광전 변환부(120)는 칼라 필터(CF)를 투과한 광 성분 중 제1 파장대역의 광 성분을 제외한 나머지 광을 전기적 신호로 변환할 수 있다.
예컨대 제2 광전 변환부(120)는 제2 파장대역의 광 또는 제3 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 제1 파장대역의 광이 녹색광일 경우, 제2 파장대역의 광은 적색광 또는 청색광 일 수 있다. 제3 파장대역의 광은 청색광 또는 녹색광일 수 있다. 또는 제2 또는 제3 파장대역의 광은 시안(cyan)광 또는 황색광일 수 있다. 또는 제1 내지 제3 파장대역의 광은 시안, 마젠타(magenta) 또는 황색광일 수 있다. 그러나, 이는 예시적 실시예들이며 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)이 광축(MLX)에 이격될 수 있다. 제2 광전 변환부(120)는 무기물 포토 다이오드일 수 있으며, 예컨대 제2 광전 변환부(120)는 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토다이오드로 이루어질 수 있다.
제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)에서 광전 변환된 전기적 신호는, 배선층(ML)에 구비되는 픽셀 회로(Pixel circuit)(미도시)에서 증폭되어 영상 신호로서 출력될 수 있다.
한편, 이미지 센서(100)는 인접하게 배치되는 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 픽셀(PX1)에 포함되는 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)과 제2 픽셀(PX2)에 포함되는 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 서로 다른 방향으로 광축(MLX)과 이격될 수 있다. 예컨대, 제1 픽셀(PX1)에 포함되는 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 x1 방향으로, 제2 픽셀(PX2)에 포함되는 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 x1 방향과 상반되는 x2 방향으로 광축(MLX)과 이격될 수 있다. 이에 따라, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)에 포함되는 제2 광전 변환부(120)들은 서로 다른 방향으로 입사되는 광을 감지한다. 예컨대 제1 픽셀(PX1)의 제2 광전 변환부(120)는 좌측 광에 대한 제2 파장대역의 광 신호를, 제2 픽셀(PX2)의 제2 광전 변환부(120)는 우측 광에 대한 제2 파장대역의 광 신호를 감지할 수 있다. 이에 따라, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)에서 출력되는 전기 신호는, 양안 시차 영상 신호 또는 양안 시차 영상 을 획득하기 위한 신호로서 출력될 수 있다.
한편, 제1 픽셀(PX1)의 제1 칼라 필터(CF1) 및 제2 픽셀(PX2)의 제2 칼라 필터(CF2)는 서로 다른 색을 선택적으로 투과 또는 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 칼라 필터(CF)가 보색 칼라 필터일 경우, 제1 칼라 필터(CF1)는 적색에 대한 보색 성분을 차단하는 레드 필터이고, 제2 칼라 필터(CF2)는 청색에 대한 보색 성분을 차단하는 청색 필터일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 실시예이며 이에 제한되는 것은 아니다. 칼라 필터(CF)의 구성은 다양하게 변경 가능하다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시의 실시예에 따른 픽셀 회로의 구현예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 픽셀(PX)은 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)를 구비하고, 파장대역이 다른 적어도 두 개의 광을 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)로부터 전기 신호를 수신받아 출력 신호를 발생하는 적어도 하나 이상의 픽셀 회로(pixel circuit)가 배선층(도 3의 ML)에 포함될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)는 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토 다이오드와 같은 무기 포토다이오드(PD) 또는 유기 포토다이오드(OPD)로 이루어질 수 있다. 무기 포토다이오드(PD, 이하 포토다이오드라고 지칭하기로 한다) 및 유기 포토다이오드(OPD)에 대한 픽셀 회로는 각각 도 4a 및 도 4b와 같이 도시될 수 있다.
도 4a를 참조하면, CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서의 픽셀 어레이가 포함하는 각각의 픽셀 회로(pixel circuit)는 포토다이오드(PD)가 변환한 전기적 신호를 증폭하는 구성요소를 구비할 수 있는데, 이러한 픽셀 회로를 APS(active pixel sensor)라고 한다. 예컨대, 픽셀은 포토다이오드(PD), 전달 트랜지스터(TG), 리셋 트랜지스터(RS), 소스-팔로워 트랜지스터(SF) 및 선택 트랜지스터(SEL)를 구비할 수 있다. 포토다이오드(PD)는 역방향 바이어스상태에서 입력 광의 세기에 따라서 광전류(photocurrent)가 선형적으로 증가하는 특징을 가지는 광 감지소자의 일종으로서, 포토다이오드(PD)가 광에 노출되고 전기적으로 외부와 차단되는(floating) 경우 전자가 축적될 수 있다. 전자가 축적됨에 따라 포토다이오드(PD)의 캐쏘드(cathode) 전압이 감소할 수 있으며, 감소된 전압을 측정함으로써 포토다이오드(PD)가 흡수한 광의 세기를 감지할 수 있다. 이와 같은 전자의 축적은 생성된 광전류에 의한 충전된 캐패시터의 방전과정으로도 설명될 수 있다.
전달 트랜지스터(TG)는 게이트 전압에 따라 포토다이오드(PD)를 플로팅 디퓨전(floating diffusion, FD)과 연결시키거나 차단시킬 수 있다. 포토다이오드(PD)가 광에 응답하여 전자를 축적하는 동안 전달 트랜지스터의 게이트에는 전달 트랜지스터를 턴-오프(turn-off)시킬 수 있는 전압이 인가되어 포토다이오드(PD)와 플로팅 디퓨전을 전기적으로 차단시킬 수 있다. 포토다이오드(PD)가 광의 흡수를 종료하면, 포토다이오드(PD)에 축적된 전자에 의한 전압변화를 출력하기 위하여 전달 트랜지스터는 턴-온(turn-on)될 수 있고, 이에 따라 포토다이오드(PD)의 캐쏘드에서 변화된 전압은 플로팅 디퓨전(FD)으로 전달될 수 있다.
플로팅 디퓨전(FD)에 포토다이오드(PD)의 전압이 전달되기 전에, 플로팅 디퓨전(FD)은 턴-온된 리셋 트랜지스터(RS)로 인해서 리셋될 수 있다. 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압은 소스-팔로워 트랜지스터(SF)를 거쳐 증폭되고, 선택 트랜지스터(SEL)가 턴-온되면 외부로 출력될 수 있다. 리드 회로는 외부로 출력된 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압에 대응되는 아날로그 전압을 수신될 수 있다.
플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압에 대한 출력이 완료되면, 리셋 트랜지스터(RS)는 턴-오프되고, 전달 트랜지스터(TG)가 턴-온되면서 포토다이오드(PD)가 축적한 전자에 따른 전압이 플로팅 디퓨전(FD)로 전달될 수 있다. 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압과 마찬가지로, 플로팅 디퓨전(FD)의 변화된 전압은 소스-팔로워 트랜지스터(SF) 및 선택 트랜지스터(SEL)를 거쳐서 외부로 출력(VOUT)될 수 있다. 출력된 플로팅 디퓨전(FD)의 전압 변화에 대응되는 아날로그 전압(VOUT)은 외부의 리드 회로(미도시)로 전송될 수 있다.
리드 회로는 플로팅 디퓨전(FD)의 리셋 전압과 포토다이오드(PD)로 인한 전압을 수신하여 양 전압의 차이를 통해서 포토다이오드(PD)가 감지한 광의 양을 계산할 수 있다. 이와 같은 동작을 CDS(correlated double sampling)라고 하며, 상기에서 리셋 전압과 포토다이오드(PD)로 인한 전압을 수신하는 순서는 변경될 수 있다. 도 4a에서 픽셀 회로는 NMOS 트랜지스터를 포함하는 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것으로서, 픽셀 회로는 PMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
도4b를 참조하면, 도4의 픽셀 회로의 일실시예로서, 유기포토다이오드(OPD)를 포함하는 픽셀 회로로서, 포토다이오드(PD)를 대체할 수 있는 유기포토다이오드(OPD)는 특정 파장의 광 성분을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 유기 포토다이오드(OPD)에서 출력되는 전기적 신호는 스토리지 노드(SN)에 임시로 저장될 수 있다. 이후, 픽셀 회로는 스토리지 노드(SN)의 전압을 측정함으로써 유기 포토다이오드(OPD)가 흡수한 광의 세기를 감지할 수 있다. 나머지의 동작은 전술하였던 포토다이오드(PD)가 포함된 픽셀 회로(pixel circuit)와 동일한바 이하 생략하기로 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다. 도 5a 및 도 5b는 도 3에 도시된 픽셀의 수평 단면도를 예시적으로 나타내며, 설명의 편의를 위하여, 제2 광전 변환부(120), 스토리지 노드(115), 및 마이크로 렌즈(MLS)를 제외한 다른 구성들은 생략하기로 한다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2 광전 변환부(120)는 픽셀(PX) 내에서 일 방향으로 편향되게 배치될 수 있다. 이미지 센서(100a)는 복수의 픽셀(PX)을 포함할 수 있으며, 행 방향, 예컨대 x1-x2 방향으로 인접하게 배치되는 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 제2 광전 변환부(120)는 서로 반대되는 방향으로 편향되게 배치될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 제1 픽셀(PX1)의 제2 광전 변환부(120)는 우측(x1 방향)으로 편향되게 배치되고, 제2 픽셀(PX2)의 제2 광전 변환부(120)는 좌측(x2 방향)으로 편향되게 배치될 수 있다.
도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 스토리지 노드(115)는 동일 평면상(예컨대 기판(SUB) 내에))에서 제2 광전 변환부(120)와 이격 배치될 수 있으며, 픽셀(PX)의 필펙터(fill factor)를 고려하여, 제2 광전 변환부(120)가 배치된 이후, 여분의 공간에 배치될 수 있다. 따라서, 제1 픽셀(PX1)의 스토리지 노드(115)는 좌측으로 편향되게 배치되고, 제2 픽셀(PX2)의 스토리지 노드(115)는 우측으로 편향되게 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 제2 광전 변환부(120)가 좌우로 상반되는 방향으로 편향되게 배치됨으로써, 좌우 시차를 갖는 영상 신호의 획득이 가능하다.
도 5b를 참조하면, 제1 픽셀(PX1)의 제2 광전 변환부(120)는 상측(y1 방향)으로 편향되게 배치되고, 제2 픽셀(PX2)의 제2 광전 변환부(120)는 하측(y2 방향)으로 편향되게 배치될 수 있다.
제1 픽셀(PX1)의 스토리지 노드(115)는 하측(y2 방향)으로 편향되게 배치되고, 제2 픽셀(PX2)의 스토리지 노드(115)는 상측(y1 방향)으로 편향되게 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 제2 광전 변환부(120)가 상하로 상반되는 방향으로 편향되게 배치됨으로써, 상하 시차를 갖는 영상 신호의 획득이 가능하다.
도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한 바와 같이, 적어도 한 쌍의 픽셀(PX1, PX2)에서 출력되는 신호를 기초로 좌우 시차를 갖는 영상 신호가 획득될 수 있다.
도 6은 도 3, 도 5a의 이미지 센서에서 제2 광전 변환부에 의해 출력되는 영상 신호를 나타내는 도면이다. 예시적인 실시예로서, chess mosaic 형태로 구성되는 컬러 필터의 구성에 따른 영상 신호를 나타낸다. 픽셀(PX)들이 적색 신호 또는 청색 신호를 출력한다. 픽셀(PX) 쌍을 기준으로, 우측에 위치한 픽셀(PX)들은 우안 적색 신호(Rr) 또는 우안 청색 신호(Br)를 출력하고, 좌측에 위치한 픽셀(PX)들은 좌안 적색 신호(Rl) 또는 좌안 청색 신호(Bl)를 출력할 수 있다.
이에 따라, 적색 및 청색 각각에 대하여 좌우 시차를 갖는 영상을 획득할 수 있다. 또는 우안 적색 신호(Rr) 및 우안 청색 신호(Br)를 조합하고, 좌안 적색 신호(Rl) 및 좌안 청색 신호(Bl)를 조합하여, 좌우 시차를 갖는 영상을 획득할 수 있다.
한편, 도 6에서는 픽셀(PX)들이 적색 신호 또는 청색 신호를 출력하는 것을 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다 컬러 필터의 구성은 다양하게 변형 가능하다. 또한, 도 6 및 전술한 설명을 기초로 상하 시차를 갖는 영상을 획득하는 변형이 가능할 것이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다. 도 7a 내지 도 7c는 도 3에 도시된 픽셀의 수평 단면도를 예시적으로 나타내며, 설명의 편의를 위하여, 제2 광전 변환부(120), 스토리지 노드(115), 및 마이크로 렌즈(MLS)를 제외한 다른 구성들은 생략하기로 한다.
도 7a를 참조하면, 이미지 센서(100c)는 제2 광전 변환부(120)가 편향되게 배치된 4개의 픽셀(PX1, PX2, PX3, PX4) 조합을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 픽셀(PX1, PX2, PX3, PX4)들의 제2 광전 변환부(120)들은 서로 다른 방향으로 편향되게 배치될 수 있다. 예컨대 도시된 바와 같이 제2 광전 변환부(120)들은 대각선으로 반대되는 방향으로 배치될 수 있다. 제1 픽셀(PX1) 내지 제4 픽셀(PX4)에 구비되는 제2 광전 변환부(120)들은 각각, x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향으로 편향 배치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향은 서로 직교할 수 있다. 이러한 제2 광전 변환부(120)들의 배치에 따라, 상하 좌우의 시차에 따른 영상 신호를 획득할 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 스토리지 노드(115)는 제2 광전 변환부(120)의 반대되는 방향으로 편향되게 배치될 수 있다. 그러나 이는 일 예일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다. 스토리지 노드(115)는 제2 광전 변환부(120)와 중첩되지 않는한 여러 방향으로 편향되게 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 픽셀(PX1)의 스토리지 노드(SN)는 x1y1 방향을 제외한, x1y2 방향, y2 방향, x2y2방향, x2 방향 및 x2y1 방향으로 편향되게 배치될 수 있다.
도 7b 및 도 7c의 이미지 센서(100d, 100c)의 픽셀(PX)의 구성은 도 7c의 이미지 센서(100c)의 픽셀(PX)의 구성과 유사하다. 다만, 제2 광전 변환부(120) 및 스토리지 노드(115)의 형태에 있어서 차이가 있을 수 있다. 도 7b를 참조하면, 제2 광전 변환부(120) 및 스토리지 노드(115)는 삼각 형태일 수 있다. 또한, 도 7c를 참조하면, 제2 광전 변환부(120)는 다각 형태일 수 있다. 이와 같이, 제2 광전 변환부(120) 및 스토리지 노드(115)의 형태를 다양화 함으로써, 픽셀(PX)의 필 펙터(fill factor)를 높일 수 있다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 8을 참조하면, 이미지 센서(200)는 복수의 픽셀(PX)을 포함하고, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 관통배선(114), 스토리지 노드(115), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층(IL)을 더 구비할 수 있다.
제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 광축(MLX)과 일 방향으로 이격될 수 있다.
도 8의 이미지 센서(200)의 픽셀(PX)은 도 3의 이미지 센서(100)의 픽셀(PX)과 유사하다. 다만, 도 8의 픽셀(PX)에서, 평탄화층(PL), 제1 광전 변환부(110), 칼라 필터(CF), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)이 마이크로 렌즈(MLS)의 하방으로 차례로 적층될 수 있다.
이에 따라, 마이크로 렌즈(MLS)를 통해 입사되는 광 중 제1 파장대역의 광이 제1 광전 변환부(110)에서 광전변환되고, 제1 파장대역의 광을 제외한 나머지 파장대역의 광 중 일부 파장대역의 광이 컬러 필터(CF)를 투과할 수 있다. 컬러 필터(CF)를 투과한 광 성분은 제2 광전 변환부(120)에서 광전 변환될 수 있다.
칼라 필터(CF)는 예컨대 보색 필터로서, 제2 광전 변환부(120)에서 흡수되는 파장의 광과 보색관계에 있는 광의 파장대역을 반사할 수 있다. 예컨대, 칼라 필터(CF)는 제2 파장대역의 광 또는 제3 파장대역의 광과 보색관계에 있는 광의 파장대역이 제2 광전 변환부(120)에 입사되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 제2 광전 변환부(120)는 제3 파장대역의 광 또는 제2 파장대역의 광을 광전변환할 수 있다. 일 실시예로서, 제1 내지 제3 파장대역의 광은 녹색, 적색, 청색 광일 수 있다. 다른 예로서, 제1 내지 제3 파장대역의 광은 녹색, 시안, 마젠타 광일 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니고 다양한 변형이 가능하다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 9를 참조하면, 이미지 센서(300)는 복수의 픽셀(PX)을 포함하고, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 제1 광전 변환부(110), 제1 관통배선(114), 제1 스토리지 노드(115), 제2 광전 변환부(120), 제3 광전 변환부(130), 제2 관통배선(134), 제3 스토리지 노드(135) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층(IL)을 더 구비할 수 있다. 또한, 복수의 픽셀(PX) 각각은 칼라 필터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
제1 광전 변환부(110)는 제1 파장대역의 광을 흡수하여, 전기적 신호로 변환하고, 제3 광전 변환부(130)는 제3 파장대역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 제2 광전 변환부(120)는 입사되는 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제3 광전 변환부(130), 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)가 마이크로 렌즈(MLS)의 하방으로 차례로 적층될 경우, 제2 광전 변환부(120)는 마이크로 렌즈(MLS)를 통해 입사되는 광 중 제1 파장대역 및 제2 파장대역의 광을 제외한 나머지 광을 흡수할 수 있다. 예컨대 제2 광전 변환부(120)는 제2 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 이때, 제2 파장대역의 광을 선택적으로 흡수하기 위하여, 마이크로 렌즈(MLS)와 제2 광전 변환부(120) 사이에 칼라 필터(미도시)가 게재될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 광전 변환부(110) 및 제3 광전 변환부(130)는 유기 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제1 광전 변환부(110) 및 제3 광전 변환부(130)는 각각 상부 전극(111, 131), 컬러 선택층(112, 132) 및 하부 전극(113, 133)을 포함할 수 있다. 제3 광전 변환부(130)에서 변환된 전기적 신호는 제3 관통배선(134)을 통해 제3 스토리지 노드(135)에 저장될 수 있다. 제1 광전 변환부(110)에서 변환된 전기적 신호는 제1 관통배선(114)을 통해 제1 스토리지 노드(115)에 저장될 수 있다.
도 9에서 제1 및 제3 스토리지 노드(115, 135)는 기판(SUB) 내에서 상하로, 예컨대 z1-z2 방향으로 적층되는 것으로 도시되었으나, 이는 도시의 편의를 위한 것이며 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 및 제3 스토리지 노드(115, 135)는 동일한 수평면 상에서 이격 배치될 수 있다. 제1 및 제3 스토리지 노드(115, 135)는 y방향 또는 x1-x2 방향으로 이격 배치될 수 있다.
제2 광전 변환부(120)는 무기 포토다이오드이며, 기판(SUB) 내에 배치될 수 있다. 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 광축(MLX)과 이격될 수 있다. 인접하게 배치된 제1 픽셀(PX1) 과 제2 픽셀(PX2)의 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 서로 다른 방향으로 광축(MLX)과 이격될 수 있다. 이에 따라, 제1 픽셀(PX1)은 좌측 광에 대한 제2 파장대역의 광 신호에 대응하는 전기적 신호를, 제2 픽셀(PX2)은 우측 광에 대한 제2 파장대역의 광 신호에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 상기 각각의 전기적 신호들은 배선층(ML)에 구비되는 픽셀 회로(미도시)에서 증폭되어 위상차 AF 수행에 이용될 수 있다.
도 9에 도시된 픽셀(PX)은 서로 다른 파장대역의 광을 광전변환하는 제1 내지 제3 광전 변환부(110, 120, 130)를 구비함으로써, 하나의 픽셀(PX)에서 적어도 세개의 파장대역의 광 신호에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한 제2 광전 변환부(120)와 편향되게 배치됨으로써, 적어도 한 쌍의 픽셀(PX1, PX2)에서 출력되는 전기적 신호가 시차 영상 신호 또는 시차 영상으로서 출력될 수 있다.
도 10은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서(400)는 복수의 픽셀(PX)을 포함하고, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 관통배선(114), 스토리지 노드(115), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층(IL)을 더 구비할 수 있다.
마이크로 렌즈(MLS), 평탄화층(PL), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)은 마이크로 렌즈(MLS)의 하방으로 차례로 적층될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 광전 변환부(110)가 제2 광전 변환부(120)의 위치는 변경될 수 있다. 제1 광전 변환부(110)가 제2 광전 변환부(120)의 하방에 배치될수도 있다.
도 10의 픽셀(PX)은 도 3의 픽셀(PX)의 구성 및 동작과 유사하다. 다만, 픽셀(PX)에 구비되는 제2 광전 변환부(120)에 있어서 도 3의 픽셀(PX)과 차이가 있다. 따라서, 중복되는 설명은 생략하고, 제2 광전 변환부(120)에 대하여 설명하기로 한다.
도 10을 참조하면, 제2 광전 변환부(120)는 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)를 포함할 수 있다. 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토 다이오드와 같은 무기 포토다이오드일 수 있다. 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 기판(SUB) 내에 형성될 수 있다.
제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 광축을 중심으로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 서로 다른 방향에서 입사되는 광을 주로 감지할 수 있다. 예컨대, 제1 광전 변환소자(121)는 x2 방향, 예컨대 좌측 방향에서 입사되는 광을 주로 감지하고, 제2 광전 변환소자(122)는 x1 방향, 예컨대 우측 방향에서 입사되는 광을 주로 감지할 수 있다.
이에 따라, 제2 광전 변환부(120)는 제2 파장대역의 광에 대한 적어도 두개의 전기적 신호를 출력할 수 있으며, 이에 기초하여 시차 영상 신호가 획득될 수 있다.
한편 이미지 센서(400)는 복수의 픽셀(PX1, PX2)을 포함할 수 있다. 인접하는 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)은 이종 광 또는 동종 광에 대한 칼라 필터(CF)를 구비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 복수의 픽셀(PX)은 칼라 필터(CF)를 구비하지 않을 수도 있다.
제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)에 각각 구비되는 제1 광전 변환소자(121)들을 통해 출력되는 제2 파장대역의 광에 대응하는 전기적 신호들이 제1 영상 신호(예컨대 좌안 영상 신호)를 구성하고, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)에 각각 구비되는 제2 광전 변환소자(122)들을 통해 출력되는 전기적 신호들이 제2 영상 신호(예컨대, 우안 영상 신호)를 구성할 수 있다.
도 11a 내지 11g는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다. 도 11a 내지 도 11g는 도 10에 도시된 픽셀의 수평 단면도를 예시적으로 나타내며, 설명의 편의를 위하여, 제2 광전 변환부(120)의 제1 및 제2 광전 변환소자(121, 122), 스토리지 노드(115), 및 마이크로 렌즈(MLS)를 제외한 다른 구성들은 생략하기로 한다.
도 11a를 참조하면, 이미지 센서(400a)의 픽셀(PX) 내에 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)가 배치된다. 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 좌우 방향, 예컨대 x1-x2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 좌우 양안시차 영상 신호를 출력할 수 있다.
스토리지 노드(115)는 여유 공간에 배치될 수 있으며, y1 방향 또는 y2 방향으로 편향되게 배치될 수 있다. 도 11a에서 제1 픽셀(PX1)의 스토리지 노드(115)는 y1 방향으로 편향 배치되며, 제2 픽셀(PX2)의 스토리지 노드(115)는 y2 방향으로 편향 배치되는 것으로 도시되었다. 그러나 이는 일 예일뿐이며, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 스토리지 노드(115)는 같은 방향, 예컨대 모두 y1 방향으로 또는 y2 방향으로 편향 배치될 수 있다.
도 11b를 참조하면, 이미지 센서(400b)의 픽셀(PX)내에 구비되는 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 상하 방향, 예컨대 y1-y2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 상하 양안시차 영상 신호를 출력할 수 있다.
스토리지 노드(115)는 여유 공간에 배치될 수 있으며, x1 방향 또는 x2 방향으로 편향되게 배치될 수 있다. 도 11b에서 제1 픽셀(PX1)의 스토리지 노드(115)는 x1 방향으로 편향 배치되며, 제2 픽셀(PX2)의 스토리지 노드(115)는 x2 방향으로 편향 배치되는 것으로 도시되었다. 그러나 이는 일 예일뿐이며, 제1 픽셀(PX1) 및 제2 픽셀(PX2)의 스토리지 노드(115)는 같은 방향, 예컨대 모두 x1 방향으로 또는 x2 방향으로 편향 배치될 수 있다.
도 11c의 이미지 센서(400c)의 픽셀(PX)의 구조는 도 11a의 이미지 센서(400a)의 픽셀(PX)의 구조와 유사하다. 다만, 스토리지 노드(115)의 배치에 있어서 차이가 있다.
도 11c를 참조하면, 스토리지 노드(115) 픽셀(PX)의 대각선 방향, 예컨대 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향으로 편향 배치될 수 있다. 도 11c에 도시된 바와 같이, 인접하는 네 개의 픽셀(PX1~PX4)의 스토리지 노드(115)는 네 픽셀들의(PX1~PX4)의 중심을 향하여 편향되게 배치될 수 있다. 그러나 이는 일 실시예일뿐이며, 픽셀(PX)들의 스토리지 노드(115)는 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 배치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 픽셀(PX)들의 스토리지 노드(115)는 모두 동일한 방향으로 편향 배치될 수 있다.
도 11d 내지 도 11g를 참조하면, 이미지 센서(400d)의 픽셀(PX)에 구비되는 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 삼각 형태일 수 있다. 또한 도 11g에 도시된 바와 같이, 삼각 형태의 에지부분이 완만하게 패터닝될 수도 있다. 도 11d 내지 도 11g에는 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)가 좌우방향, 예컨대 x1-x2 방향으로 편향 배치되는 것으로 도시되었으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 상하방향, 예컨대 y1-y2 방향으로 편향 배치될 수 있으며, 또한 일부 픽셀(PX)의 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 상하 방향으로, 편향 배치되고, 다른 일부 픽셀(PX)의 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 상하 방향으로 편향 배치될 수도 있다.
한편, 스토리지 노드(115)는 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 편향 배치될 수 있으며, 도 11e 및 도 11f에 도시된 바와 같이, 스토리지 노드(115)의 형태 또한 삼각형태일 수 있다.
도 11d 및 도 11f에 도시된 바와 같이, 복수의 픽셀(PX)에 구비되는 각각의 스토리지 노드(115)는 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향 중 하나의 방향으로 모두 동일한 방향으로 편향되게 배치될 수 있다.
또는 도 11e 및 도 11f에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 픽셀(PX1~PX)에 구비되는 스토리지 노드(115)들은 서로 다른 방향으로 편향되게 배치될 수 있다.
한편, 도 11d 내지 도 11g에서 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 삼각 형태인 것을 예를 들어 설명하였으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)의 형태는 픽셀(PX)의 필 펙터(fill factor)를 높일 수 있는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 또한, 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)의 형태 및 배치 방향에 따라, 스토리지 노드(115)의 형태 및 배치 방향을 다양하게 변형 가능하다.
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 12를 참조하면, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층을 더 구비할 수 있다.
마이크로 렌즈(MLS), 평탄화층(PL), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)은 마이크로 렌즈(MLS)의 하방으로 차례로 적층될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 광전 변환부(110)가 제2 광전 변환부(120)의 위치는 변경될 수 있다. 제1 광전 변환부(110)가 제2 광전 변환부(120)의 하방에 배치될수도 있다.
도 12의 픽셀(PX)은 도 10의 픽셀(PX)의 구성 및 동작과 유사하다. 다만, 픽셀(PX)에 구비되는 제1 광전 변환부(110)에 있어서 도 10의 픽셀(PX)과 차이가 있다. 따라서, 중복되는 설명은 생략하고, 제1 광전 변환부(110)에 대하여 설명하기로 한다.
도 12를 참조하면, 제1 광전 변환부(110)는 상부 전극(111), 컬러 선택층(112), 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)을 포함할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 이격 배치될 수 있다. 이처럼, 제1 광전 변환부(110)가 이격 배치되는 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)을 포함함으로써, 제1 광전 변환부(110)는 서로 다른 전기적 신호를 출력하는 두 개의 광전 변환 소자를 포함한다고 볼 수 있다.
각각의 픽셀(PX)은 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에 대응하는 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)를 구비할 수 있다. 제1 하부 전극(113a)에서 출력되는 전기적 신호는 제1 스토리지 노드(115a)에 저장될 수 있다. 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 전기적 신호는 제2 스토리지 노드(115b)에 저장될 수 있다.
제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 서로 다른 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호들을 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 하부 전극은(113a)은 x2 방향, 예컨대 좌측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력하고, 제2 하부 전극(113b)은 x1 방향, 예컨대 우측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 두 전기적 신호에 기초하여 시차 영상 신호가 획득될 수 있다.
또한, 제2 광전 변환부(120)가 서로 편향 배치되는 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)를 포함하는바, 제1 하부 전극(113a) 및 제1 광전 변환소자(121)에서 출력되는 두 전기적 신호가 조합되어 제1 영상 신호(예컨대 좌안 영상 신호)를 구성하고, 제2 하부 전극(113b) 및 제2 광전 변환소자(122)에서 출력되는 두 전기적 신호가 조합되어 제2 영상 신호(예컨대 우안 영상 신호)를 구성할 수 있다.
도 13a 내지 도 13e는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다. 도 13a 내지 도 13e는 도 12에 도시된 픽셀의 수평 단면도를 예시적으로 나타내며, 설명의 편의를 위하여, 제2 광전 변환부(120)의 제1 및 제2 광전 변환소자(121, 122), 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b), 및 마이크로 렌즈(MLS)를 제외한 다른 구성들은 생략하기로 한다. 제1 광전 변환부(110)의 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은, z 방향으로 제1 및 제2 광전 변환소자(121, 122) 상부에 적층될 수 있다.
도 13a를 참조하면, 이미지 센서(500a)의 픽셀(PX) 내에 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)가 배치된다. 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 좌우 방향, 예컨대 x1-x2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다.
제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)는 픽셀(PX) 내의 여유 공간에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b) 또한, x1-x2 방향으로 서로 편향되게 이격 배치될 수 있다.
도 13b를 참조하면, 제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 상하 방향, 예컨대 y1-y2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다.
제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)는 픽셀(PX) 내의 여유 공간에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b) 또한 y1-y2 방향으로 서로 편향되게 이격 배치될 수 있다.
도 13c를 참조하면, 제1 및 제2 광전 변환소자(121, 122)는 삼각 형태일 수 있다. 또한 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)도 삼각 형태일 수 있다.
제1 광전 변환소자(121) 및 제2 광전 변환소자(122)는 좌우 방향, 예컨대 x1-x2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다.
제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)는 픽셀(PX) 내의 여유 공간에 배치될 수 있으며, x1-x2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다.
도 13b에 도시된 바를 참조하면, 삼각 형태의 제1 및 제2 광전 변환소자(121, 122) 및 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)가 상하 방향, 예컨대 y1- y2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치되는 것도 가능하다.
도 13d를 참조하면, 이미지 센서(500d)의 픽셀(PX)은 제1 내지 제4 광전 변환소자(121~124) 및 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 도 12의 이미지 센서(500)에서, 픽셀(PX)은 x1-x2 방향 및 y방향(즉y1-y2 방향)으로 편향 배치되는 제1 내지 제4 광전 변환소자(121~124) 및 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d)을 포함할 수 있다. 그리고, 픽셀(PX)은 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d)에 대응하는 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 제1 파장대역의 광에 대하여 4개의 전기적 신호를 출력하고, 제2 파장대역의 광에 대하여 또한 4개의 전기적 신호를 출력할 수 있다. 각각의 파장대역의 4개의 전기적 신호에 기초하여 좌우상하의 시차 영상 신호가 생성될 수 있다.
다시 도 13d를 참조하면, 제1 내지 제4 광전 변환소자(121~124)는 픽셀(PX)의 대각선 방향, 예컨대 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향으로 편향 배치될 수 있다. x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향은 서로 직교하는 방향일 수 있다.
제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)는 픽셀(PX) 내의 여유 공간에 배치될 수 있으며, 픽셀(PX)의 대각선 방향, 예컨대 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향으로 편향 배치될 수 있다.
도 13e를 참조하면, 이미지 센서(500e)의 픽셀(PX) 각각은, 제1 내지 제4 광전 변환소자(121~124) 및 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)를 포함할 수 있다. 도 13d와 유사하게 제1 내지 제4 광전 변환소자(121~124) 및 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)는 픽셀(PX)의 대각선 방향으로 편향되게 배치될 수 있다. 한편, 도시된 바와 같이, 제1 내지 제4 광전 변환소자(121~124) 및 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)는 삼각 형태일 수 있다. 그러나, 이는 일 예일 뿐이며, 제1 내지 제4 광전 변환소자(121~124) 및 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)의 형태는 다양하게 변형 가능하다.
도 14는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 14를 참조하면, 이미지 센서(600)에 포함되는 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층을 더 구비할 수 있다.
마이크로 렌즈(MLS), 평탄화층(PL), 칼라 필터(CF), 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120) 및 배선층(ML)은 마이크로 렌즈(MLS)의 하방으로 차례로 적층될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 광전 변환부(110)와 제2 광전 변환부(120)의 위치는 변경될 수 있다. 제1 광전 변환부(110)가 제2 광전 변환부(120)의 하방에 배치될수도 있다.
도 14를 참조하면, 제2 광전 변환부(120)의 중심축(CX)은 광축(MLX)과 일치할 수 있다. 제2 광전 변환부(120)는 제2 파장대역의 광 신호를 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
한편, 제1 광전 변환부(110)는 상부 전극(111), 컬러 선택층(112), 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)을 포함할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 이격 배치될 수 있다. 이처럼, 제1 광전 변환부(110)가 이격 배치되는 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)을 포함함으로써, 제1 광전 변환부(110)는 서로 다른 전기적 신호를 출력하는 두 개의 광전 변환 소자를 포함한다고 볼 수 있다.
각각의 픽셀(PX)은 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에 대응하는 관통배선 및 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)를 구비할 수 있다. 제1 하부 전극(113a)에서 출력되는 전기적 신호는 제1 스토리지 노드(115a)에 저장될 수 있다. 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 전기적 신호는 제2 스토리지 노드(115b)에 저장될 수 있다.
제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 서로 다른 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호들을 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 하부 전극은(113a)은 x2 방향, 예컨대 좌측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력하고, 제2 하부 전극(113b)은 x1 방향, 예컨대 우측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다.
제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 두 전기적 신호에 기초하여 시차 영상 신호가 획득될 수 있다.
도 15a 내지 도 15b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수평 단면도이다. 도 15a 내지 도 15b는 도 14에 도시된 픽셀의 수평 단면도를 예시적으로 나타내며, 설명의 편의를 위하여, 제1 광전 변환부(110)의 제1 및 제2 하부 전극(113a, 113b) 과 이에 대응하는 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b), 및 마이크로 렌즈(MLS)를 도시하고, 다른 구성들은 생략하기로 한다.
도 15a를 참조하면, 이미지 센서(600a)의 픽셀(PX) 내에 제1 하부전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)이 배치된다. 제1 하부전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 도시된 바와 같이, 좌우 방향, 예컨대 x1-x2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 하부전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 상하 방향, 예컨대 y1-y2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수 있다. 제2 광전 변환부(도 14의 120)는 제1 하부전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)의 하방에 배치될 수 있다. 제2 광전 변환부(120)의 수평 단면의 넓이는 상기 제1 하부전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)의 수평 단면의 넓이의 합보다 클 수 있다.
제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)는 픽셀(PX) 내의 여유 공간에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b) 또한, x1-x2 방향으로 서로 편향되게 이격 배치될 수 있다. 또는 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)는 y1-y2 방향으로 편향되게 서로 이격 배치될 수도 있다.
도 15a에서는 제1 및 하부 전극(113a, 113b) 및 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)가 사각 형태인 것을 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 및 하부 전극(113a, 113b) 또는 제1 및 제2 스토리지 노드(115a, 115b)의 형태는 다양하게 변형 가능하다.
도 15b를 참조하면, 이미지 센서(600b)의 픽셀(PX)은 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d) 및 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 도 14의 이미지 센서(600)에서, 픽셀(PX)은 x1-x2 방향 및 y방향(즉y1-y2 방향)으로 편향 배치되는 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d)을 포함할 수 있다. 그리고, 픽셀(PX)은 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d)에 대응하는 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 제1 파장대역의 광에 대하여 4개의 전기적 신호를 출력하고, 제2 파장대역의 광에 대하여 또한 4개의 전기적 신호를 출력할 수 있다. 각각의 파장대역의 4개의 전기적 신호에 기초하여 좌우상하의 시차 영상 신호가 생성될 수 있다.
다시 도 15b를 참조하면, 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d)은 픽셀(PX)의 대각선 방향, 예컨대 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향으로 편향 배치될 수 있다. x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향은 서로 직교하는 방향일 수 있다.
제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)는 픽셀(PX) 내의 여유 공간에 배치될 수 있으며, 픽셀(PX)의 대각선 방향, 예컨대 x1y1 방향, x1y2 방향, x2y1 방향 및 x2y2 방향으로 편향 배치될 수 있다.
도 15b에서는 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d) 및 제1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)가 사각 형태인 것을 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 내지 제4 하부 전극(113a~113d) 또는 1 내지 제4 스토리지 노드(115a~115d)의 형태는 다양하게 변형 가능하다.
도 16은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 16을 참조하면, 이미지 센서(700)는 복수의 픽셀(PX)을 포함하고, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 제1 광전 변환부(110), 관통배선(114), 제1 내지 제3 스토리지 노드(115a, 115b, 135), 제2 광전 변환부(120), 제3 광전 변환부(130) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 픽셀(PX) 각각은 칼라 필터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
제1 광전 변환부(110)는 제1 파장대역의 광을 흡수하여, 전기적 신호로 변환하고, 제3 광전 변환부(130)는 제3 파장대역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 제2 광전 변환부(120)는 입사되는 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제3 광전 변환부(130), 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(120)가 마이크로 렌즈(MLS)의 하방으로 차례로 적층될 경우, 제2 광전 변환부(120)는 마이크로 렌즈(MLS)를 통해 입사되는 광 중 제1 파장대역 및 제3 파장대역의 광을 제외한 나머지 광을 흡수할 수 있다. 예컨대 제2 광전 변환부(120)는 제2 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 이때, 제2 파장대역의 광을 선택적으로 흡수하기 위하여, 마이크로 렌즈(MLS)와 제2 광전 변환부(120) 사이에 칼라 필터(미도시)가 게재될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 광전 변환부(110) 및 제3 광전 변환부(130)는 유기 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제1 광전 변환부(110)는 및 제3 광전 변환부(130)는 각각 상부 전극(111, 131), 컬러 선택층(112, 132) 및 하부 전극(113a, 113b 133)을 포함할 수 있다. 제1 광전 변환부(110) 및 제3 광전 변환부(130)의 하부 전극(113a, 113b 133)에서 출력되는 전기적 신호는 대응하는 관통배선(114)을 통해 대응하는 스토리지 노드(115a, 115b, 135)에 저장될 수 있다.
한편, 제1 광전 변환부(110)는 제1 및 제2 하부 전극(113a, 113b)을 포함할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 이격 배치될 수 있다. 이처럼, 제1 광전 변환부(110)가 이격 배치되는 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)을 포함함으로써, 제1 광전 변환부(110)는 서로 다른 전기적 신호를 출력하는 두 개의 광전 변환 소자를 포함한다고 볼 수 있다.
제1 하부 전극(113a)에서 출력되는 전기적 신호는 제1 스토리지 노드(115a)에 저장될 수 있다. 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 전기적 신호는 제2 스토리지 노드(115b)에 저장될 수 있다.
제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 서로 다른 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호들을 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 하부 전극은(113a)은 x2 방향, 예컨대 좌측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력하고, 제2 하부 전극(113b)은 x1 방향, 예컨대 우측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다.
제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 두 전기적 신호에 기초하여 시차 영상 신호가 획득될 수 있다.
도 16에 도시된 픽셀(PX)은 서로 다른 파장대역의 광을 광전변환하는 제1 내지 제3 광전 변환부(110, 120, 130)를 구비함으로써, 하나의 픽셀(PX)에서 적어도 세개의 파장대역의 광 신호에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한 제1 광전 변환부(110)가 편향되게 배치되는 두 개의 하부 전극(113a, 113b)을 포함하고, 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에서 두 전기적 신호가 출력되는바, 상기 두 전기적 신호에 기초하여 시차 영상 신호가 생성될 수 있다.
도 17은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 17을 참조하면, 이미지 센서(700a)는 복수의 픽셀(PX)을 포함하고, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120), 제3 광전 변환부(130), 관통배선들(114), 스토리지 노드들(115a, 115b, 135a, 135b) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층(IL1, IL2)을 더 구비할 수 있다. 또한, 복수의 픽셀(PX) 각각은 칼라 필터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
도 17의 픽셀(PX)은 도 16의 픽셀(PX)과 구조 및 동작이 유사하다. 다만, 도 17의 픽셀(PX)에서 제3 광전 변환부(130)의 구성이 도 16의 픽셀(PX)의 제3 광전 변환부(130)와 다를 수 있다.
도 17을 참조하면, 제3 광전 변환부(130)는 상부 전극(131), 컬러 선택층(132) 및 하부 전극들(133a, 133b)을 포함할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 이격 배치될 수 있다. 이처럼, 제3 광전 변환부(130)가 이격 배치되는 제1 하부 전극(133a) 및 제2 하부 전극(133b)을 포함함으로써, 제3 광전 변환부(130)는 서로 다른 전기적 신호를 출력하는 두 개의 광전 변환 소자를 포함한다고 볼 수 있다.
제3 광전 변환부(130)의 제1 하부 전극(133a) 및 제2 하부 전극(133b)에서 출력되는 전기적 신호는 대응하는 스토리지 노드(135a, 135a)에 저장될 수 있다.
제1 하부 전극(133a) 및 제2 하부 전극(133b)은 광축(MLX)을 중심으로 서로 다른 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호들을 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 하부 전극은(113a)은 x2 방향, 예컨대 좌측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력하고, 제2 하부 전극(113b)은 x1 방향, 예컨대 우측 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 두 전기적 신호에 기초하여 시차 영상 신호가 획득될 수 있다.
또한, 제1 광전 변환부(110)가 서로 편향 배치되는 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)을 포함하는바, 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(130)에 각각 구비되는 제1 하부 전극들(113a, 133a)에서 출력되는 두 전기적 신호가 조합되어 제1 영상 신호(예컨대 좌안 영상 신호)를 구성하고, 제1 광전 변환부(110) 및 제2 광전 변환부(130)에 각각 구비되는 제2 하부 전극들(113b, 133b)에서 출력되는 두 전기적 신호가 조합되어 제2 영상 신호(예컨대 우안 영상 신호)를 구성할 수 있다.
도 18은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서가 포함하는 픽셀의 수직 단면도이다.
도 18을 참조하면, 이미지 센서(700b)는 복수의 픽셀(PX)을 포함하고, 상기 복수의 픽셀(PX) 각각은, 마이크로 렌즈(MLS), 제1 광전 변환부(110), 제2 광전 변환부(120a), 제3 광전 변환부(130), 관통배선들(114), 스토리지 노드들(115a, 115b, 125a, 135) 및 배선층(ML)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX) 각각은 또한 평탄화층(PL) 및 절연층(IL1, IL2)을 더 구비할 수 있다.
제1 광전 변환부(110)는 제1 파장대역의 광을 흡수하여, 전기적 신호로 변환하고, 제2 광전 변환부(120a)는 제2 파장대역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환하고, 제3 광전 변환부(130)는 제3 파장대역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환할 수 있다.
제1 내지 제3 광전 변환부(110, 120a, 130)는 유기 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제1 광전 변환부(110)내지 제3 광전 변환부(130)는 각각 상부 전극(111, 121a, 131), 컬러 선택층(112,122a, 132) 및 하부 전극(113a, 113b, 123a, 133)을 포함할 수 있다. 제1 광전 변환부(110) 및 제3 광전 변환부(130)의 하부 전극(113a, 113b 133)에서 출력되는 전기적 신호는 대응하는 관통배선(114)을 통해 대응하는 스토리지 노드(115a, 115b, 125a, 135)에 저장될 수 있다. 스토리지 노드(115a, 115b, 125a, 135)는 기판(SUB) 내에 배치될 수 있다.
한편, 제1 광전 변환부(110)는 제1 및 제2 하부 전극(113a, 113b)을 포함할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 이격 배치될 수 있다.
제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)은 광축(MLX)을 중심으로 서로 다른 방향에서 입사되는 광에 대응하는 전기적 신호들을 출력할 수 있다. 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에서 출력되는 두 전기적 신호에 기초하여 시차 영상 신호가 획득될 수 있다.
도 18에 도시된 픽셀(PX)은 서로 다른 파장대역의 광을 광전변환하는 제1 내지 제3 광전 변환부(110, 120a, 130)를 구비함으로써, 하나의 픽셀(PX)에서 적어도 세개의 파장대역의 광 신호에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있다. 또한 제1 광전 변환부(110)가 편향되게 배치되는 두 개의 하부 전극(113a, 113b)을 포함하고, 제1 하부 전극(113a) 및 제2 하부 전극(113b)에서 두 전기적 신호가 출력되는바, 상기 두 전기적 신호에 기초하여 시차 영상 신호가 생성될 수 있다.
이상 도 3 내지 도 18을 참조하여, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 이미지 센서 및, 상기 이미지 센서에 포함하는 픽셀의 구현예를 설명하였다. 그러나, 본 개시의 기술적 사상은 전술한 예들에 한정되는 것은 아니며 전술한 예들을 기초로 하는 다양한 변형예가 가능할 것이다.
도 19a 및 도 19b는 픽셀 어레이 내에 초점 픽셀이 배치되는 예시적 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 18을 참조하여 전술한 실시예들에 따른 픽셀들, 다시 말해 위상차 영상 신호를 출력하는 픽셀을 초점 픽셀이라고 지칭할 수 있다. 전술한 실시예들에서 초점 픽셀은 픽셀 어레이에 전체적으로 배치되는 것으로 도시되었다. 그러나, 본 개시의 기술적 사상은 이에 제한되는 것은 아니다.
도 19a 및 도 19b에 도시된 바와 같이, 초점 픽셀(FPX)들은 픽셀 어레이(PXAa) 내의 적어도 한 지점 이상에 배치될 수 있다.
도 19a를 참조하면, 적어도 하나의 초점 픽셀(FPX)은 픽셀 어레이(PXAa)의 중앙부, 또는 주변부에 배치될 수 있다. 초점 픽셀(FPX)이 배치되는 지점 이외에는 일반 픽셀이 배치될 수 있다. 예컨대, 일반 픽셀은 멀티 레이어 구조일 수 있다. 다만, 일반 픽셀(GPX)은 픽셀 내에 포함되는 광전 변환부의 중심축이 광축과 일치할 수 있다.
도 19b를 참조하면, 적어도 하나의 초점 픽셀(FPX)은 픽셀 어레이(PXAb)의 행 방향, 예컨대 x1-x2 방향, 또는 열 방향, 예컨대 y1-y2 방향으로 배치될 수 있다.
도 20a 내지 도 20e는 복수의 초점 픽셀이 배치되는 예를 나타내는 도면이다.
FPX는 초점 픽셀을 나타내고, GPX는 일반 픽셀을 나타낸다. 도 20a 및 도 20b에 도시된 바와 같이, 초점 픽셀(FPX)은 대각선 방향으로 배치될 수 있다. 또한 도 20c 및 도 20d에 도시된 바와 같이, 초점 픽셀(FPX)은 행방향 또는 열방향으로 배치될 수 있다. 또한 도 20e에 도시된 바와 같이, 복수개의 초점 픽셀(FPX)이 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
이러한, 초점 픽셀(FPX)의 배열은 도 19a 및 도 19b에 도시된 바와 같이 픽셀 어레이(PXAa, PXAb) 내의 적어도 한 지점 이상에 배치될 수 있다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따른 디지털 촬상 장치(1000)의 예시적인 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 촬상 장치(1000)는 촬상부(1110), 이미지 센서(1120), 메모리(1130), 저장/판독 제어부(1140), 데이터 저장부(1142), 프로그램 저장부(1150), 표시 구동부(1162), 표시부(1164), CPU/DSP(1170), 및 조작부(1180)를 포함할 수 있다.
디지털 촬상 장치(1000)의 전체 동작은 CPU/DSP(1170)에 의해 통괄된다. CPU/DSP(1170)는 렌즈 구동부(1112), 조리개 구동부(1115), 제어부(1122) 등에 각 구성 요소의 동작을 위한 제어 신호를 제공한다.
촬상부(1110)는 광을 수신하는 구성요소로서, 렌즈(1111), 렌즈 구동부(1112), 조리개(1113), 조리개 구동부(1115)를 포함할 수 있다.
렌즈(1111)는 복수의 렌즈들을 구비할 수 있다. 렌즈(1111)는 렌즈 구동부(1112)에 의해 그 위치가 조절된다. 렌즈 구동부(1112)는 CPU/DSP(1170)에서 제공된 제어 신호에 따라 렌즈(1111)의 위치를 조절한다.
조리개(1113)는 조리개 구동부(1115)에 의해 그 개폐 정도가 조절되며, 촬상 소자(1118)로 입사되는 광량을 조절한다.
이미지 센서(1120)는 입사되는 광을 영상 신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서(1120)는 픽셀 어레이(1121), 제어부(1122) 및 신호 처리부(1123)를 포함할 수 있다.
렌즈(1111) 및 조리개(1113)를 투과한 광학 신호는 픽셀 어레이(1118)의 수광면에 이르러 피사체의 상을 결상한다. 상기 픽셀 어레이(1118)는 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 CIS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)일 수 있다. 이와 같은 픽셀 어레이(1118)는 제어부(1119)에 의해 감도 등이 조절될 수 있다. 제어부(1119)는 실시간으로 입력되는 영상 신호에 의해 자동으로 생성되는 제어 신호 또는 사용자의 조작에 의해 수동으로 입력되는 제어 신호에 따라 픽셀 어레이(1118)를 제어할 수 있다.
픽셀 어레이(1118)의 노광 시간은 셔터(미도시)로 조절된다. 셔터(미도시)는 가리개를 이동시켜 광의 입사를 조절하는 기계식 셔터와, 픽셀 어레이(1118)에 전기 신호를 공급하여 노광을 제어하는 전자식 셔터가 있다.
신호 처리부(1123)는 픽셀 어레이(1118)로부터 공급된 아날로그 신호에 대하여, 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화, 아날로그-디지털 변환 처리 등을 수행할 수 있다. 신호 처리부(1123)는 또한 위상차 AF를 위한 신호 처리를 수행할 수 있다.
신호 처리부(1123)에 의해 처리된 신호는 메모리(1130)를 거쳐 CPU/DSP(1170)에 입력될 수도 있고, 메모리(1130)를 거치지 않고 CPU/DSP(1170)에 입력될 수도 있다. 여기서 메모리(1130)는 디지털 촬상 장치(1000)의 메인 메모리로서 동작하고, CPU/DSP(1170)가 동작 중에 필요한 정보를 임시로 저장한다. 프로그램 저장부(1130)는 디지털 촬상 장치(1000)를 구동하는 운영 시스템, 응용 시스템 등의 프로그램을 저장한다.
아울러, 디지털 촬상 장치(1000)는 이의 동작 상태 또는 디지털 촬상 장치(1000)에서 촬영한 영상 정보를 표시하도록 표시부(1164)를 포함한다. 표시부(1164)는 시각적인 정보 및/또는 청각적인 정보를 사용자에게 제공할 수 있다. 시각적인 정보를 제공하기 위해 표시부(1164)는 예를 들면, 액정 디스플레이 패널(LCD), 유기 발광 디스플레이 패널(OLED) 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 표시부(1164)는 터치 입력을 인식할 수 있는 터치스크린일 수 있다.
표시 구동부(1162)는 표시부(1164)에 구동 신호를 제공한다.
CPU/DSP(1170)는 입력되는 촬상 신호를 처리하고, 이에 따라 또는 외부 입력 신호에 따라 각 구성부들을 제어한다. CPU/DSP(1170)는 입력된 촬상 신호에 대해 노이즈를 저감하고, 감마 보정(Gamma Correction), 색필터 배열보간(color filter array interpolation), 색 매트릭스(color matrix), 색보정(color correction), 색 향상(color enhancement) 등의 화질 개선을 위한 영상 신호 처리를 수행할 수 있다. 또한, 화질 개선을 위한 영상 신호 처리를 하여 생성한 영상 데이터를 압축 처리하여 영상 파일을 생성할 수 있으며, 또는 상기 영상 파일로부터 영상 데이터를 복원할 수 있다. 영상의 압축형식은 가역 형식 또는 비가역 형식이어도 된다. 적절한 형식의 예로서, 정지 영상에 경우, JPEG(Joint Photographic Experts Group)형식이나JPEG 2000 형식 등으로 변환도 가능하다. 또한, 동영상을 기록하는 경우, MPEG(Moving Picture Experts Group) 표준에 따라 복수의 프레임들을 압축하여 동영상 파일을 생성할 수 있다. 영상 파일은 예를 들면 Exif(Exchangeable image file format) 표준에 따라 생성될 수 있다.
CPU/DSP(1170)로부터 출력된 이미지 데이터는 메모리(1130)를 통하여 또는 직접 저장/판독 제어부(1140)에 입력되는데, 저장/판독 제어부(1140)는 사용자로부터의 신호에 따라 또는 자동으로 영상 데이터를 데이터 저장부(1142)에 저장한다. 또한 저장/판독 제어부(1140)는 데이터 저장부(1142)에 저장된 영상 파일로부터 영상에 관한 데이터를 판독하고, 이를 메모리(1130)를 통해 또는 다른 경로를 통해 표시 구동부에 입력하여 표시부(1164)에 이미지가 표시되도록 할 수도 있다. 데이터 저장부(1142)는 탈착 가능한 것일 수도 있고 디지털 촬상 장치(1000)에 영구장착된 것일 수 있다.
또한, CPU/DSP(1170)에서는 불선명 처리, 색체 처리, 블러 처리, 엣지 강조 처리, 영상 해석 처리, 영상 인식 처리, 영상 이펙트 처리 등도 행할 수 있다. 영상 인식 처리로 얼굴 인식, 장면 인식 처리 등을 행할 수 있다. 아울러, CPU/DSP(1170)에서는 표시부(1164)에 디스플레이하기 위한 표시 영상 신호 처리를 행할 수 있다. 예를 들어, 휘도 레벨 조정, 색 보정, 콘트라스트 조정, 윤곽 강조 조정, 화면 분할 처리, 캐릭터 영상 등 생성 및 영상의 합성 처리 등을 행할 수 있다. 상기 CPU/DSP(1170)는 외부 모니터와 연결되어, 외부 모니터에 디스플레이 되도록 소정의 영상 신호 처리를 행할 수 있으며, 이렇게 처리된 영상 데이터를 전송하여 상기 외부 모니터에서 해당 영상이 디스플레이 되도록 할 수 있다.
또한 CPU/DSP(1170)는 프로그램 저장부(1130)에 저장된 프로그램을 실행하거나, 별도의 모듈을 구비하여, 오토 포커싱, 줌 변경, 초점 변경, 자동 노출 보정 등을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여, 조리개 구동부(1115), 렌즈 구동부(1112), 및 촬상 소자 제어부(1119)에 제공하고, 셔터, 플래시 등 디지털 촬상 장치(1000)에 구비된 구성 요소들의 동작을 총괄적으로 제어할 수 있다.
조작부(1180)는 사용자가 제어 신호를 입력할 수 있는 곳이다. 조작부(1180)는 정해진 시간 동안 촬상 소자(1118)를 광에 노출하여 사진을 촬영하도록 하는 셔터-릴리즈 신호를 입력하는 셔터-릴리즈 버튼, 전원의 온-오프를 제어하기 위한 제어 신호를 입력하는 전원 버튼, 입력에 따라 화각을 넓어지게 하거나 화각을 좁아지게 줌 버튼, 모드 선택 버튼, 기타 촬영 설정값 조절 버튼 등 다양한 기능 버튼들을 포함할 수 있다. 조작부(1180)는 버튼, 키보드, 터치 패드, 터치스크린, 원격 제어기 등과 같이 사용자가 제어 신호를 입력할 수 있는 어떠한 형태로 구현되어도 무방하다.
도 22는 본 개시의 일 실시예에 따른 CPU/DSP(1170a)의 구조와, 디지털 촬상 장치(1000)의 일부 구성요소들을 도시한 도면이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 CPU/DSP(1170a)는 AF 신호 추출부(71), 촬상 신호 처리부(72), 위상차 AF 처리부(73), AF 마이콤(75), 및 코덱(76)을 포함할 수 있다. CPU/DSP(1170a)는 또한 콘트라스트 AF 처리부(74)를 더 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(11121)는 도 1 내지 도 20e을 참조하여 전술한 픽셀 구조 및 픽셀 배치를 가질 수 있다.
AF 신호 추출부(71)는 픽셀 어레이(1121)에 배치된 픽셀들, 예컨대 초점 픽셀들로부터 위상차 검출용 신호를 추출할 수 있다. AF 신호 추출부(71)는 적어도 하나의 픽셀로부터 제1 위상차 검출용 신호 및 제2 위상차 검출용 신호를 추출한다. 특히 상기 제1 위상차 검출용 신호와 상기 제2 위상차 검출용 신호는 행 방향 또는 열 방향의 픽셀 위치에 따라 그 세기가 검출될 수 있다. 일 실시예로서, 제1 위상차 검출용 신호 또는 제2 위상차 검출용 신호의 신호 대 잡음비가 낮은 경우, 같은 열에 속한 수 개 행의 픽셀의 제1 위상차 검출용 신호가 적분되어, 행 방향의 픽셀 위치에 따라 획득될 수 있고, 같은 열에 속한 수 개 행의 픽셀의 제2 위상차 검출용 신호가 적분되어, 행 방향의 픽셀 위치에 따라 획득될 수 있다.
촬상 신호 처리부(72)는 픽셀 어레이(1121)로부터 촬상 신호를 추출하고, 촬상 신호에 대한 신호 처리를 수행한다. 촬상 신호 처리부(72)는 픽셀 어레이(1121)로부터 출력되고 신호 처리부(1123)에서 노이즈 제거, 신호 진폭 조정, 아날로그-디지털 변환 등의 처리가 수행된 촬상 신호를 입력받아, 보간처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 노이즈 제거 처리 등을 수행할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 이미지 처리는 신호 처리부(1123)에서 수행될 수도 있다. 또한 촬상 신호 처리부(72)는 픽셀 어레이(1121)로부터 출력된 RGB 형식의 신호에 대해 색좌표 변환 처리를 수행하는데, 예를 들면 RGB 신호를 YCC 신호로 변환할 수 있다.
위상차 AF 처리부(74)는 상기 제1 및 제2 위상차 검출용 신호를 이용하여 위상차 AF를 수행한다. 위상차 AF 처리부(74)는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 전술한 방법에 따라 위상차 AF를 수행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 위상차 AF 처리부(630)는 합초 여부를 판단하기 위해, 상기 제1 위상차 검출 신호와 상기 제2 위상차 검출 신호의 상관(correlation) 값을 산출할 수 있다. 예를 들면, 픽셀 위치에 따른 상기 제1 위상차 검출 신호와 상기 제2 위상차 검출 신호의 상관 값을 산출하여, 픽셀 어레이의 중심부에서 상관 값의 크기가 임계치 이상으로 산출되면 중심부가 합초 상태인 것으로 판단하고, 그렇지 않은 경우 오토 포커싱 불능 상태로 판단할 수 있다.
콘트라스트 AF 처리부(74)는 촬상 신호 처리부(72)에서 처리된 촬상 신호를 이용하여, 콘트라스트 값에 기초한 AF를 수행할 수 있다. 콘트라스트 AF 처리부(74)는 상기 촬상 신호의 콘트라스트 성분에 해당하는 고주파 성분을 밴드 패스 필터를 이용하여 추출할 수 있다. 또한 추출된 콘트라스트 성분에 적분 처리 등의 소정의 처리가 수행된다. 예를 들면 콘트라스트 성분은 시간에 따라 적분될 수 있다. 콘트라스트 AF 처리부(74)는 콘트라스트 성분이 최대가 되도록 렌즈(1111)를 구동할 수 있다.
일예로서, 콘트라스트 AF 처리부(74)는 YCC 신호로 변환된 촬상 신호로부터 Y 성분, 즉 휘도 성분을 이용하여 콘트라스트 AF를 수행할 수 있다.
AF 마이콤(75)은 위상차 AF 처리부(73)에서 산출된 위상차 AF 결과 값과 콘트라스트 AF 처리부(74)에서 산출된 콘트라스트 AF 결과 값을 이용하여 렌즈 구동 제어 신호를 생성하고, 이를 렌즈 구동부(1112)로 출력한다.
한편, 도 22에서는 위상차 AF와 콘트라스트 AF를 함께 수행하는 실시예를 도시하였지만 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 위상차 AF 처리부(73)에서 수행된 위상차 AF 결과만을 이용하여 AF를 수행할 수도 있다.
도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 구성을 나타내는 블록도 이다.
도 23에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(2100)는 픽셀 어레이(2110), 컨트롤러(2130), 로우 드라이버(2120), 픽셀 신호 독출부(2140) 및 신호 처리부(2150)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(2110)는 이상에서 설명된 본 발명의 예시적 실시예들에 따른 픽셀을 포함할 수 있다. 픽셀은 유기광전변환부 또는 무기 광전변환부를 포함하는 멀티 레이어 구조를 포함할 수 있으며, 더 나아가 유기광전변환부만으로 적층된 멀티 레이어 구조의 픽셀일 수 있다. 이를 통하여 이미지를 출력하기 위한 단위 픽셀의 크기를 작게 할 수 있으며, 더욱 선명한 이미지를 출력할 수 있게 된다. 또한, 픽셀은 위상차 AF를 위한 시차 영상 신호를 출력할 수 있다.
픽셀 어레이(2110)는 2차원적으로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있고, 각 픽셀은 광 감지 소자, 예컨대 유기 광전 변환부 또는 무기 광전 변환부를 포함할 수 있다. 광 감지 소자는 광을 흡수하여 전하를 생성하고, 생성된 전하에 따른 전기적 신호(출력 전압)는 픽셀 신호 독출부(2140)로 제공될 수 있다. 픽셀 어레이(2110)가 포함하는 픽셀들은 로우(row) 단위로 한번에 하나씩 출력 전압을 제공할 수 있고, 이에 따라 픽셀 어레이(2110)의 하나의 로우에 속하는 픽셀들은 로우 드라이버(2120)가 출력하는 선택 신호에 의해 동시에 활성화될 수 있다. 선택된 로우에 속하는 픽셀은 흡수한 광에 따른 출력 전압을 대응하는 컬럼의 출력 라인에 제공할 수 있다.
컨트롤러(2130)는 픽셀 어레이(2110)가 광을 흡수하여 전하를 축적하게 하거나, 축적된 전하를 임시로 저장하게 하고, 저장된 전하에 따른 전기적 신호를 픽셀 어레이(2110)의 외부로 출력하게 하도록, 로우 드라이버(2120)를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(2130)는 픽셀 어레이(2110)가 제공하는 출력 전압을 측정하도록, 픽셀 신호 독출부(2140)를 제어할 수 있다.
픽셀 신호 독출부(2140)는 상관 이중 샘플러(CDS)(2142), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(2144) 및 버퍼(2146)를 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 픽셀 어레이(2110)에서 제공한 출력 전압을 샘플링 및 홀드할 수 있다. 상관 이중 샘플러(2142)는 특정한 잡음 레벨과 생성된 출력 전압에 따른 레벨을 이중으로 샘플링하여, 그 차이에 해당하는 레벨을 출력할 수 있다. 또한, 상관 이중 샘플러(2142)는 램프 신호 생성기(2148)가 생성한 램프 신호를 입력받아 서로 비교하여 비교 결과를 출력할 수 있다.
아날로그-디지털 컨버터(2144)는 상관 이중 샘플러(2142)로부터 수신하는 레벨에 대응하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 버퍼(2146)는 디지털 신호를 래치(latch)할 수 있고, 래치된 신호는 순차적으로 신호 처리부(2150) 또는 이미지 센서(2100)의 외부로 출력될 수 있다.
신호 처리부(2150)는 수신되는 픽셀 데이터에 대하여 신호 처리를 수행할 수 있다. 신호 처리부(2150)는 노이즈 저감 처리, 게인 조정, 파형 정형화 처리, 보간처리, 화이트밸런스 처리, 감마 처리, 에지 강조 처리, 등을 수행할 수 있다. 신호 처리부(2150)는 또한 위상차 AF를 위한 신호 처리를 수행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 신호 처리부(2150)는 이미지 센서(2100) 외부의 프로세서에 구비될 수도 있다.
도 24는 본 개시의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 시스템을 나타내는 블록도이다. 시스템(2200)은 이미지 데이터를 필요로 하는 컴퓨팅 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 차량 네비게이션, 비디오 폰, 경비 시스템 또는 움직임 검출 시스템 중 어느 하나 일 수 있다.
도 24에 도시된 바와 같이, 시스템(2200)은 중앙처리장치(또는 프로세서)(2210), 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)을 포함할 수 있다. 중앙처리장치(2210)는 버스(2260)를 통해서 비휘발성 메모리(2220), 이미지 센서(2230), 입출력 장치(2240) 및 RAM(2250)과 통신할 수 있다. 이미지 센서(2240)는 독립된 반도체 칩으로 구현될 수도 있고, 중앙처리장치(2210)와 결합하여 하나의 반도체 칩으로 구현될 수도 있다. 도 14에 도시된 시스템에 포함된 이미지 센서(2230)는 본 발명의 예시적 실시예들에 따라 이상에서 설명된 픽셀을 포함할 수 있다.
도 25는 본 개시의 일실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
도 25를 참조하면, 전자시스템(3000)은 mipi 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다. 전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010), 이미지 센서(3040) 및 디스플레이(3050)를 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 CSI 호스트(3012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(3040)의 CSI 장치(3041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(3012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(3041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다.
어플리케이션 프로세서(3010)에 구현된 DSI 호스트(3011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface; DSI)를 통하여 디스플레이(3050)의 DSI 장치(3051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(3011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(3051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.
전자 시스템(3000)은 어플리케이션 프로세서(3010)와 통신할 수 있는 RF 칩(3060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(3000)의 PHY(3013)와 RF 칩(3060)의 PHY(3061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.
전자 시스템(3000)은 GPS(3020), 스토리지(3070), 마이크(3080), DRAM(3085) 및 스피커(3090)를 더 포함할 수 있으며, 전자 시스템(3000)은 Wimax(3030), WLAN(3100) 및 UWB(3110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.
도 26은 본 개시의 실시예에 따른 촬상 장치의 종단면도이다.
도 26을 참조하면, 카메라(4000)는 바디(4100), 이미지 센서(4200), 렌즈부(4300), 디스플레이(4400) 및 뷰 파인더(4500)를 포함할 수 있다.
렌즈부(4300)는 피사체로부터의 광을 모으고, 광을 바디(4100) 내에 배치되는 이미시 센서(4300)로 이끌기 위한 촬상 광학계로서 기능한다. 렌즈부(4300)는 복수의 렌즈로 이루어진 렌즈군(31)을 포함할 수 있다. 렌즈군 (31)에는 초점 조절을 위한 포커스 렌즈 및 변배를 행하기 위한 쥼렌즈를 포함할 수 있다. 각각 광축 방향으로 구동 되어, 변배나 초점 조절을 할 수 있다.
이미지 센서(4200)는 광축에 대해 수직 방향으로 배치될 수 있다. 이미지 센서(4200)로서, 복수의 픽셀들이 매트릭스상에 2차원 배치된 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서가 이용될 수 있다. 이미지 센서(4200)는 렌즈부(4300)를 통해 수광된 피사체의 광에 대해 소정의 파장 성분, 예컨대 적색, 청색, 녹색 성분의 파장대역 성분에 대해 전기 신호를 생성하고, 이를 영상 신호로서 출력할 수 있다. 이미지 센서(4200)는 전술한 본 개시의 실시예들에 따른 복수의 픽셀을 포함할 수 있다. 이미지 센서(4200)는 위상차 AF를 수행하기 위한 시차 신호를 생성할 수 있다. 생성된 시차 신호에 기초하여 렌즈부(4300)의 렌즈가 광축 방향으로 구동됨에 따라 자동 초점 조절이 수행될 수 있다.
뷰 파인더(4500) 및 디스플레이(4400)는 피사체가 촬상되는 영상을 표시할 수 있다. 뷰 파인더(4500)는 접안 렌즈(미도시)를 구비할 수 있다. 또한 뷰 파인더(4500)는 화상 표시가 가능한 디스플레이 패널을 포함할 수 있다. 사용자는 뷰파인더(4500) 또는 디스플레이(4400)를 통해 촬영 되는 피사체를 시인 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700: 이미지 센서 PX: 픽셀
PXA, PXAa, PXAb: 픽셀 어레이 110: 제1 광전 변환부
120, 120a: 제2 광전 변환부 130: 제3 광전 변환부
MLS: 마이크로 렌즈 CF: 컬러 필터 ML: 배선층

Claims (20)

  1. 복수의 센싱 픽셀을 포함하는, 다층 센서 구조의 이미지 센서에 있어서,
    상기 복수의 센싱 픽셀 각각은,
    광을 집광하는 마이크로 렌즈;
    제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광전 변환부; 및
    기판상에 형성되고, 입사되는 광을 전기적 신호로 변환하는, 제2 광전 변환부를 포함하고,
    상기 제2 광전 변환부의 중심축은 상기 마이크로 렌즈의 광축과 이격되는 것을 특징으로하는, 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환부는, 유기 포토 다이오드로 이루어지고,
    상기 제2 광전 변환부는, 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토다이오드로 이루어진 이미지 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 입사되는 광을 파장에 따라 선택적으로 투과시키는 컬러 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 센서는, 인접하게 배치된 제1 센싱 픽셀 및 제2 센싱 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 센싱 픽셀의 상기 제2 광전 변환부의 중심축은 제1 방향으로 상기 광축과 이격되고, 상기 제2 센싱 픽셀의 상기 제2 광전 변환부의 중심축은 상기 제1 방향의 반대 방향인 제2 방향으로 상기 광축과 이격되는, 이미지 센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 센싱 픽셀은 상기 제1 파장대역의 광에 대응하는 제1 전기 신호 및 제2 파장 대역의 광에 대응하는 제2 전기 신호를 출력하고,
    상기 제2 센싱 픽셀은, 상기 제1 전기 신호 및 제3 파장대역의 광에 대응하는 제3 전기 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 센싱 픽셀 및 상기 제2 센싱 픽셀로부터 제공되는 양안 시차 영상 신호의 위상차를 기초로 초점검출을 수행하는 초점 검출부를 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 기판상에서 상기 제2 광전 변환부와 이격 배치되어, 상기 제1 광전 변화부로부터 제공되는 전기 신호를 저장하는 스토리지 노드를 더 포함하는 이미지 센서.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 스토리지 노드의 중심축은 상기 제2 광전 변환부가 상기 광축과 이격되는 방향의 반대방향으로 상기 광축과 이격되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는, 매트릭스 형태로 배열된 제1 센싱 픽셀, 제2 센싱 픽셀, 제3 센싱 픽셀 및 제4 센싱 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 센싱 픽셀 각각에 구비되는 상기 제2 광전 변환부의 중심축들은 서로 직교하는 방향으로 상기 광축과 이격되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 센싱 픽셀에 연결되는 배선층을 더 포함하고,
    상기 제1 광전 변환부, 상기 제2 광전 변환부 및 상기 배선층은 상기 마이크로 렌즈의 하방으로 차례로 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 복수의 센싱 픽셀을 포함하는, 다층 센서 구조의 이미지 센서에 있어서,
    상기 복수의 센싱 픽셀 각각은,
    광을 집광하는 마이크로 렌즈;
    제1 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 광전 변환부; 및
    제2 파장대역의 광을 전기적 신호로 변환하는 제2 광전 변환부를 포함하고,
    상기 제2 광전 변환부는, 상기 마이크로 렌즈의 광축을 중심으로 서로 이격 배치되는 제1 광전 변환 소자 및 제2 광전 변환 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자 및 상기 제2 광전 변환 소자의 수평 단면의 넓이는 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환 소자는 상기 광축에 대하여 제1 방향으로 이격 배치되고,
    상기 제2 광전 변환 소자는 상기 광축에 대하여 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  14. 제11 항에 있어서, 상기 제2 광전 변환부는,
    제3 광전 변환 소자 및 제4 광전 변환 소자를 더 포함하고,
    상기 제1 내지 제4 광전 변환소자는 상기 광축을 중심으로 서로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  15. 제11 항에 있어서, 상기 제1 광전 변환부 및 상기 제2 광전 변환부 중 하나는 유기물 실리콘 포토 다이오드로 이루어지고, 다른 하나는 실리콘 포토 다이오드 또는 화합물 반도체 포토다이오드로 이루어진 이미지 센서.
  16. 제11 항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자 및 상기 제2 광전 변환 소자는 기판내에 형성되는 무기 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  17. 제11 항에 있어서, 제2 파장대역의 광과 보색관계에 해당하는 광의 파장대역을 반사시키는 컬러 필터를 더 포함하는 이미지 센서.
  18. 제11 항에 있어서, 상기 제1 광전 변환부는,
    상기 제1 파장대역의 광에 대해 광전 변환 성질을 갖는 제1 컬러선택층,
    상기 제1 컬러 선택층의 상면에 배치되는 상부전극; 및
    상기 제1 컬러 선택층의 하면에 서로 이격배치되는 제1 하부전극 및 제2 하부전극을 포함하는 이미지 센서.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 제1 하부전극 및 상기 제2 하부전극의 면적은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 제11 항에 있어서, 상기 제1 광전 변환 소자 및 상기 제2 광전 변환 소자는 가판상에 적층되는 유기 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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