KR20170007736A - 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
가시광을 감지하는 화소와 자외선 또는 적외선을 감지하는 화소들이 함께 배열된 화소 구조를 갖는 이미지 센서가 개시된다. 예를 들어, 이미지 센서는 크기가 서로 다른 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소를 포함하는 화소 어레이이를 포함하며, 각각의 제 1 화소의 가로 및 세로 방향의 폭은 각각의 제 2 화소의 가로 및 세로 방향의 폭의 정수배일 수 있다. 개시된 실시예에 따른 이미지 센서는, 가시광을 감지하는 화소들과는 크기가 다른 자외선 또는 적외선을 감지하는 화소들을 동일한 기판 위에 함께 효율적으로 배열하는 것을 가능하게 할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가시광을 감지하는 화소와 자외선 또는 적외선을 감지하는 화소들이 함께 배열된 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 컬러 영상을 생성하기 위하여, 통상적으로, 적색, 녹색 및 청색을 감지하는 다수의 화소들의 어레이를 포함한다. 또한, 컬러 이미지 센서는 적색, 녹색 및 청색을 감지하는 화소 대신에 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타를 감지하는 화소들의 어레이를 포함할 수도 있다. 이러한 화소들은 모두 가시광을 감지하기 위한 구조로 동일하게 구성되며, 단지 컬러 필터만으로 각각의 색을 분리하여 감지한다. 따라서, 다수의 화소들은 동일한 재료와 구조를 갖는 동일한 광센싱 영역과 동일한 구동 회로를 각각 포함할 수 있으며, 적색, 녹색 및 청색의 화소들은 단지 컬러 필터에 의해서만 구별될 수 있다.
최근에는, 예를 들어 야간 투시, 열상 촬영, 3차원 촬영과 같은 다양한 기능을 추가적으로 갖는 이미지 센서가 요구되면서, 적외선이나 자외선을 감지하기 위한 화소를 이미지 센서 내에 통합하려는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 가시광선을 감지하는 기존의 화소 구조로는 컬러 필터의 교체만으로 적외선이나 자외선을 감지하기 어렵기 때문에, 적외선이나 자외선을 감지하기 위해서는 기존의 화소 구조와 다른 구조의 화소가 추가적으로 배치된다.
가시광을 감지하는 화소와 자외선 또는 적외선을 감지하는 화소들이 함께 배열된 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서를 제공한다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는 크기가 서로 다른 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소를 포함하는 화소 어레이를 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 제 2 화소의 가로 방향의 폭은 각각의 제 1 화소의 가로 방향의 폭의 제 1 정수배이며, 각각의 제 2 화소의 세로 방향의 폭은 각각의 제 1 화소의 세로 방향의 폭의 제 2 정수배이고, 상기 제 1 정수배와 제 2 정수배 중에서 적어도 하나는 1보다 크며, 각각의 제 2 화소 주위에 다수의 제 1 화소들이 배열될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 화소는 가시광을 감지하도록 구성되며, 상기 제 2 화소는 자외선 또는 적외선을 감지하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 화소는 적색광을 감지하는 적색 화소, 녹색광을 감지하는 녹색 화소, 및 청색광을 감지하는 청색 화소를 포함할 수 있다.
상기 제 1 화소의 상기 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소들이 상기 제 2 화소의 주위에 반복적으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 화소 어레이는 서로 인접하여 배치된 제 1 화소 어레이와 제 2 화소 어레이를 포함하며, 상기 제 1 화소 어레이의 제 2 화소의 주위에 배열된 제 1 화소의 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소들의 배치 순서와 상기 제 2 화소 어레이의 제 2 화소의 주위에 배열된 제 1 화소의 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소들의 배치 순서가 서로 다를 수 있다.
상기 제 1 화소 어레이의 제 1 화소들과 그에 직접 접하는 상기 제 2 화소 어레이의 제 1 화소들은 서로 다른 색을 감지하도록 배치될 수 있다.
상기 각각의 제 1 화소는, 입사광에 응답하여 광전류를 발생시키는 제 1 광센싱부, 상기 광전류를 저장하고 출력시키는 제 1 구동 회로부, 및 상기 제 1 광센싱 영역에 빛을 집광하는 제 1 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 각각의 제 2 화소는, 입사광에 응답하여 광전류를 발생시키는 제 2 광센싱부, 상기 광전류를 저장하고 출력시키는 제 2 구동 회로부, 및 상기 제 2 광센싱 영역에 빛을 집광하는 제 2 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 제 2 광센싱부의 크기는 상기 제 1 광센싱부의 크기보다 클 수 있다.
또한, 상기 제 2 마이크로 렌즈의 크기는 상기 각각의 제 2 화소를 덮도록 상기 제 1 마이크로 렌즈의 크기보다 클 수 있다.
상기 각각의 제 2 화소 내에서 상기 제 2 광센싱부는 다수의 서브 영역으로 분할될 수 있다.
이 경우, 상기 제 2 광센싱부의 분할된 다수의 서브 영역의 개수는 제 1 정수배와 제 2 정수배의 곱과 같을 수 있다.
상기 제 2 광센싱부의 상기 분할된 각각의 서브 영역의 크기는 상기 제 1 광센싱부의 크기와 같을 수 있다.
또한, 상기 제 2 마이크로 렌즈의 크기는 상기 제 1 마이크로 렌즈의 크기와 동일하며, 상기 분할된 다수의 서브 영역의 개수와 동일한 개수의 제 2 마이크로 렌즈가 상기 각각의 제 2 화소 내에 배열될 수 있다.
상기 제 2 구동 회로부는 상기 분할된 다수의 서브 영역이 하나의 광센싱부로서 작용하도록 각각의 서브 영역에서 발생한 광전류를 종합하여 출력하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 구동 회로부는 상기 분할된 다수의 서브 영역이 각각 독립적인 광센싱부로서 작용하도록 각각의 서브 영역에서 발생한 광전류를 각각 개별적으로 출력하도록 구성될 수도 있다.
상기 제 2 구동 회로부는, 광전류를 저장하기 위한 하나의 캐패시터, 각각의 서브 영역에서 발생한 광전류를 상기 캐패시터에 전달하도록 스위칭되는 다수의 박막 트랜지스터, 및 상기 캐패시터에 저장된 광전류를 출력하기 위한 출력 회로를 포함할 수 있으며, 상기 다수의 박막 트랜지스터는 그에 대응하는 서브 영역에 각각 개별적으로 연결될 수 있다.
상기 다수의 박막 트랜지스터는 그에 각각 대응하는 다수의 서브 영역들과 상기 캐패시터 사이에 연결될 수 있다.
또한, 기 다수의 서브 영역들은 상기 캐패시터와 출력 회로를 서로 공유할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 광센싱부는, 예를 들어, Si, Ge, GaAs, InGaAs, GaN, InSb, InP, 및 HgCdTe 중에서 적어도 하나의 감광성 재료를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서는, 크기가 서로 다른 이종의 화소들을 효율적으로 배열함으로써, 예를 들어 가시광을 감지하는 화소들과 자외선 또는 적외선을 감지하는 화소들을 동일한 기판 위에 함께 배열하는 것을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 개시된 실시예에 따른 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서는 공정이 비교적 용이하고 전체적인 면적을 효율적으로 사용할 수 있다. 이러한 이미지 센서는 예를 들어 컬러 영상의 촬영과 함께 야간 투시, 열상 촬영, 3차원 촬영과 같은 다양한 기능을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 2a는 도 1의 단위 화소 어레이를 A-A' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 2b는 도 1의 단위 화소 어레이를 B-B' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 4는 도 3의 단위 화소 어레이를 B-B' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 6은 도 5에 도시된 이미지 센서에서 제 2 화소의 구동 회로부의 회로 구조를 예시적으로 보이는 회로도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 8은 도 7에 도시된 다수의 화소 어레이들의 배열을 예시적으로 도시한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 2a는 도 1의 단위 화소 어레이를 A-A' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 2b는 도 1의 단위 화소 어레이를 B-B' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 4는 도 3의 단위 화소 어레이를 B-B' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 6은 도 5에 도시된 이미지 센서에서 제 2 화소의 구동 회로부의 회로 구조를 예시적으로 보이는 회로도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 8은 도 7에 도시된 다수의 화소 어레이들의 배열을 예시적으로 도시한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이(100)이다. 본 실시예에 따른 이미지 센서는 크기가 서로 다른 다수의 제 1 화소(10, 20, 30)와 다수의 제 2 화소(40)를 포함하는 화소 어레이를 포함할 수 있다. 도 1에는 예시적으로 다수의 제 1 화소(10, 20, 30)와 하나의 제 2 화소(40)를 포함하는 단위 화소 어레이(100)가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 크기가 큰 제 2 화소(40)가 단위 화소 어레이(100)의 중심에 배치되어 있으며, 제 2 화소(40)의 둘레를 따라 다수의 제 1 화소(10, 20, 30)들이 배열되어 있다. 여기서, 다수의 제 1 화소(10, 20, 30)들이 제 2 화소(40)의 주위에 빈틈 없이 정확하게 배열될 수 있도록, 제 2 화소(40)의 크기는 각각의 제 1 화소(10, 20, 30)의 크기의 정수배일 수 있다. 즉, 제 2 화소(40)의 가로 방향의 폭은 각각의 제 1 화소(10, 20, 30)의 가로 방향의 폭의 정수배일 수 있으며, 제 2 화소(40)의 세로 방향의 폭도 각각의 제 1 화소(10, 20, 30)의 세로 방향의 폭의 정수배일 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 화소(40)는 제 1 화소(10, 20, 30)보다 2×2배 클 수 있다. 그러면, 제 2 화소(40)의 주위에 12개의 제 1 화소(10, 20, 30)들이 배열될 수 있다.
여기서, 제 1 화소(10, 20, 30)는 가시광을 감지하는 통상적인 화소 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 화소(10, 20, 30)는 적색광을 감지하는 적색 화소(10), 녹색광을 감지하는 녹색 화소(20), 및 청색광을 감지하는 청색 화소(30)를 포함할 수 있다. 이러한 적색 화소(10), 녹색 화소(20) 및 청색 화소(30)들은 제 2 화소(40)의 주위에 교호하여 반복적으로 배열될 수 있다. 또한, 각각의 제 1 화소(10, 20, 30)는 가시광에 응답하여 광전류를 발생시키는 제 1 광센싱부(11, 21, 31)와 상기 광전류를 저장하고 출력시키는 제 1 구동 회로부(12, 22, 32)를 포함할 수 있다. 제 1 광센싱부(11, 21, 31)는 가시광 영역의 빛을 감지하기 위하여, 예를 들어, Si, Ge, InGaAs, GaN, InSb, InP 등과 같은 감광성 재료를 포함할 수 있다.
한편, 제 2 화소(40)는 가시광 이외의 영역의 빛, 예를 들어 자외선이나 적외선을 감지하도록 구성될 수 있다. 이러한 제 2 화소(40)는 자외선 또는 적외선광에 응답하여 광전류를 발생시키는 제 2 광센싱부(41)와 상기 광전류를 저장하고 출력시키는 제 2 구동 회로부(42)를 포함할 수 있다. 제 2 광센싱부(42)는 적외선이나 자외선 영역의 빛을 감지하기 위하여, 예를 들어, Si, Ge, GaAs, InGaAs, GaN, InSb, InP, HgCdTe 등과 같은 감광성 재료를 포함할 수 있다.
일반적으로, 적외선이나 자외선을 감지하는 경우에는, 가시광을 감지하는 경우에 비하여 노이즈의 크기가 매우 크다. 따라서, 노이즈를 충분히 제거하기 위하여 제 2 화소(40)의 제 2 구동 회로부(42)는 가시광선을 감지하는 제 1 화소(10, 20, 30)의 제 1 구동 회로부(12, 22, 32)에 비하여 회로 구조가 복잡해지고 크기도 더 커지게 된다. 이러한 이유로 제 2 화소(40)의 크기가 제 1 화소(10, 20, 30)의 크기보다 커지게 되는데, 상술한 본 실시예에서와 같이 제 2 화소(40)의 크기를 제 1 화소(10, 20, 30)의 크기의 정수배로 선택함으로써 크기가 서로 다른 이종의 화소(10, 20, 30, 40)들을 효율적으로 배열하는 것이 가능하다. 따라서, 가시광을 감지하는 제 1 화소(10, 20, 30)들과 자외선 또는 적외선을 감지하는 제 2 화소(40)들을 동일한 기판 위에 함께 배열하는 것을 가능하게 할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 이러한 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서는 공정이 비교적 용이하고 전체적인 면적을 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서는, 예를 들어, 컬러 영상의 촬영과 함께 야간 투시, 열상 촬영, 3차원 촬영과 같은 다양한 기능을 제공할 수 있다.
도 2a는 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 A-A' 라인을 따라 절개한 개략적인 단면도이다. 도 2a를 참조하면, 적색 화소(10), 녹색 화소(20), 청색 화소(30) 및 적색 화소(10)의 순서로 예시적으로 배열되어 있으며, 각각의 화소(10, 20, 30)에는 그에 대응하는 색의 가시광만을 투과시키는 컬러 필터(13, 23, 33)가 배열될 수 있다. 또한, 컬러 필터(13, 23, 33) 위에는 각각의 제 1 광센싱 영역(11, 21, 31)에 빛을 집광하기 위한 다수의 제 1 마이크로 렌즈(50)들이 배열될 수 있다. 이러한 다수의 제 1 마이크로 렌즈(50)는 각각의 화소(10, 20, 30)마다 하나씩 배치될 수 있다.
또한, 도 2b는 도 1의 단위 화소 어레이(100)를 B-B' 라인을 따라 절개한 단면도이다. 도 2b를 참조하면, 제 2 화소(40)의 양측면에 예시적으로 녹색 화소(20)와 청색 화소(30)가 배치될 수 있다. 녹색 화소(20)와 청색 화소(30) 위에는 그에 대응하는 녹색 및 청색의 가시광만을 투과시키는 컬러 필터(23, 33)가 배열될 수 있으며, 제 2 화소(40) 위에도 소망하는 파장 대역의 자외선 또는 적외선만을 투과시키는 대역 통과 필터(43)가 배치될 수 있다. 그리고, 컬러 필터(23, 33) 위에는 제 1 마이크로 렌즈(50)들이 배치될 수 있으며, 대역 통과 필터(43) 위에도 제 2 광센싱 영역(41)에 빛을 집광하는 제 2 마이크로 렌즈(60)가 배치될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 2 마이크로 렌즈(60)의 크기는 제 2 화소(40)를 덮도록 제 1 마이크로 렌즈(50)의 크기보다 클 수 있다. 예컨대, 제 2 마이크로 렌즈(60)와 제 1 마이크로 렌즈(50)의 크기의 비율은 제 2 화소(40)와 제 1 화소(10, 20, 30)의 크기의 비율과 같을 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이(110)이다. 도 1에 도시된 실시예의 경우, 제 2 화소(40)의 제 2 광센싱부(41)의 크기는 제 1 화소(10, 20, 30)의 제 1 광센싱부(11, 21, 31)의 크기보다 크며, 이에 따라 제 2 마이크로 렌즈(60)의 크기도 제 1 마이크로 렌즈(50)의 크기보다 크다. 이 경우, 크기가 상이한 다수의 마이크로 렌즈(50, 60)들이 필요하기 때문에, 마이크로 렌즈 어레이를 제작하기 어려울 수도 있다.
도 3에 도시된 실시예의 경우, 제 2 화소(40) 내에서 제 2 광센싱부(41)는 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)들로 분할될 수 있다. 예를 들어, 도 3에는 제 2 광센싱부(41)가 4개의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)들로 분할된 것으로 도시되어 있다. 이러한 분할된 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)의 개수는 제 2 화소(40)와 제 1 화소(10, 20, 30)의 가로 방향의 폭의 비와 제 2 화소(40)와 제 1 화소(10, 20, 30)의 세로 방향의 폭의 비의 곱과 같을 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 화소(40)가 제 1 화소(10, 20, 30)보다 2×2배 큰 경우, 제 2 광센싱부(41)는 4개의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)들로 분할될 수 있다. 이 경우에, 제 2 광센싱부(41)의 분할된 각각의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)의 크기는 제 1 광센싱부(11, 21, 31)의 크기와 같을 수 있다.
도 4는 도 3의 단위 화소 어레이(110)를 B-B' 라인을 따라 절개한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 분할된 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)들을 각각 덮도록 다수의 제 2 마이크로 렌즈(60')가 배치될 수 있다. 즉, 제 2 화소(40) 내에서 제 2 마이크로 렌즈(60')의 개수는 분할된 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)의 개수와 같을 수 있다. 이 경우, 제 2 마이크로 렌즈(60')의 크기는 제 1 마이크로 렌즈(50)의 크기와 동일할 수 있다. 따라서, 마이크로 렌즈 어레이를 제작하기가 용이할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 실시예의 경우, 비록 제 2 광센싱부(41)가 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)들로 분할되어 있지만, 제 2 화소(40) 자체가 분할된 것은 아니다. 즉, 제 2 화소(40)의 제 2 구동 회로부(42)는 분할되어 있지 않다. 이 경우, 분할된 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)이 하나의 광센싱부로서 작용할 수 있도록, 제 2 구동 회로부(42)는 각각의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에서 발생한 광전류를 종합하여 출력하도록 구성될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이(120)이다. 도 1 및 도 3에 도시된 실시예의 경우에는 크기가 큰 제 2 화소(40)의 개수가 제 1 화소(10, 20, 30)의 개수에 비하여 매우 작기 때문에, 적외선 영상 또는 자외선 영상의 해상도가 가시광 영상의 해상도에 비하여 크게 낮을 수 있다. 도 5에 도시된 실시예의 경우에는, 적외선 영상 또는 자외선 영상의 해상도를 향상시키기 위하여 제 2 화소(40)가 다수의 서브 화소(40a, 40b, 40c, 40d)로 나누어질 수 있다. 즉, 분할된 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)들은 각각 독립적인 광센싱부로서 작용할 수 있다. 상기 분할된 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)들이 각각 독립적인 광센싱부로서 작용하도록 하기 위하여, 제 2 화소(40)의 제 2 구동 회로부(42)는 분할된 각각의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에서 발생한 광전류를 각각 개별적으로 출력하도록 구성될 수 있다.
도 6은 이를 위한 제 2 구동 회로부(42)의 회로 구조를 예시적으로 보이는 회로도이다. 도 6을 참조하면, 제 2 구동 회로부(42)는 광전류를 저장하기 위한 하나의 캐패시터(C), 각각의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에서 발생한 광전류를 캐패시터(C)에 전달하도록 스위칭되는 다수의 박막 트랜지스터(T1, T2, T3, T4), 및 캐패시터(C)에 저장된 광전류를 증폭하여 출력하기 위한 출력 회로(T5~T10)를 포함할 수 있다. 다수의 박막 트랜지스터(T1, T2, T3, T4)는 그에 각각 대응하는 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)과 캐패시터(C) 사이에 연결되어 있다. 그리고, 각각의 박막 트랜지스터(T1, T2, T3, T4)의 게이트에는 각각 선택 라인(S1, S2, S3, S4)이 연결되어 있다.
이러한 구조에서, 제 1 선택 라인(S1)을 통해 제 1 박막 트랜지스터(T1)가 턴온되면, 제 1 서브 영역(41a)에서 발생한 광전류가 캐패시터(C)에 저장될 수 있다. 그런 후, 스캔 라인(SCAN)을 통해 출력 트랜지스터(T5)가 턴온되면, 상기 캐패시터(C)에 저장된 광전류가 데이터 라인(DATA)을 통해 출력될 수 있다. 그런 다음에는, 리셋 라인을 통해 리셋 트랜지스터(T8)를 턴온시켜 캐패시터(C)를 초기화하고, 제 2 선택 라인(S2)을 통해 제 2 박막 트랜지스터(T2)를 턴온시켜 제 2 서브 영역(41b)에서 발생한 광전류를 캐패시터(C)에 저장할 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)에서 발생한 광전류를 각각 독립적으로 출력할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 분할된 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)은 그에 각각 연결된 박막 트랜지스터(T1, T2, T3, T4)를 제외하고, 그외 나머지 회로 구조, 즉 캐패시터(C)와 출력 회로(T5~T10)를 서로 공유할 수 있다. 따라서, 각각의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d)마다 별개의 구동 회로를 배치하는 경우에 비하여, 제 2 구동 회로부(42)의 면적을 절약할 수 있다. 이에 따라, 제 2 화소(40)의 전체적인 면적을 그대로 유지하면서도 적외선 영상 또는 자외선 영상의 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이(130)이다. 도 1에 도시된 단위 화소 어레이(100)와 비교할 때, 도 7에 도시된 단위 화소 어레이(130)는 제 2 화소(40)의 크기가 제 1 화소(10, 20, 30)의 크기보다 2×3배 더 크다는 점에서 차이가 있다. 이 경우, 제 2 화소(40)의 주위에는 14개의 제 1 화소(10, 20, 30)들이 배열될 수 있다. 도 1 및 도 7에는 제 2 화소(40)가 제 1 화소(10, 20, 30)에 비하여 각각 2×2배 및 2×3배 더 큰 경우가 도시되어 있지만, 이는 단지 하나의 예일 뿐이다. 예를 들어, 제 2 화소(40)의 가로 방향의 폭이 제 1 화소(10, 20, 30)의 가로 방향의 폭보다 제 1 정수배만큼 크고, 제 2 화소(40)의 세로 방향의 폭이 제 1 화소(10, 20, 30)의 세로 방향의 폭보다 제 2 정수배만큼 클 때, 제 2 화소(40)의 크기는 제 1 정수배와 제 2 정수배 중에서 적어도 하나가 1보다 크도록 선택될 수 있다.
도 7에 도시된 실시예에서, 제 2 화소(40)의 주위에 배열되는 제 1 화소(10, 20, 30)들의 개수가 14개이기 때문에, 적색, 녹색 및 청색 화소(10, 20, 30)들의 개수가 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 이미지 센서 내의 적색, 녹색 및 청색 화소(10, 20, 30)들의 개수를 전체적으로 일치시키기 위하여, 제 1 화소(10, 20, 30)들의 배치 순서가 서로 다른 다수의 단위 화소 어레이(130)를 사용할 수도 있다.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 이미지 센서는 서로 인접하여 배치된 제 1 화소 어레이(130a)와 제 2 화소 어레이(130b)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 화소 어레이(130a)의 제 2 화소(40)의 주위에 배열된 제 1 화소(10, 20, 30)의 적색, 녹색 및 청색 화소(10, 20, 30)들의 배치 순서와 제 2 화소 어레이(130b)의 제 2 화소(40)의 주위에 배열된 제 1 화소(10, 20, 30)의 적색, 녹색 및 청색 화소(10, 20, 30)들의 배치 순서가 서로 다를 수 있다. 이러한 방식으로 적색, 녹색 및 청색 화소(10, 20, 30)들의 배치 순서가 상이한 다수의 단위 화소 어레이(130a, 130b)들을 사용함으로써 이미지 센서 내의 적색, 녹색 및 청색 화소(10, 20, 30)들의 개수를 일치시키는 것이 가능하다.
또한, 제 1 화소 어레이(130a)의 제 2 화소(40)와 제 2 화소 어레이(130b)의 제 2 화소(40) 사이에서 서로 직접 접하도록 배치된 제 1 화소 어레이(130a)의 제 1 화소(10, 20, 30)들과 제 2 화소 어레이(130b)의 제 1 화소(10, 20, 30)들은 서로 다른 색을 감지하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 화소 어레이(130a)의 녹색, 청색, 녹색, 청색, 및 적색 화소(10, 30, 10, 30, 20)들은 제 2 화소 어레이(130b)의 청색, 적색, 녹색, 적색, 및 청색 화소(30, 10, 20, 10, 30)들과 각각 서로 접할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이(140)이다. 도 9에 도시된 단위 화소 어레이(140)의 경우, 도 3에 도시된 단위 화소 어레이(110)와 마찬가지로, 제 2 화소(40) 내의 제 2 광센싱부(41)가 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)들로 분할될 수 있다. 제 2 화소(40)의 크기가 제 1 화소(10, 20, 30)의 크기보다 2×3배 더 크기 때문에, 단위 화소 어레이(140)의 제 2 광센싱부(41)는 6개의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)들로 분할될 수 있다. 또한, 도 3의 실시예와 마찬가지로, 제 2 구동 회로부(42)는, 분할된 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)들이 하나의 광센싱부로서 작용할 수 있도록, 각각의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)에서 발생한 광전류를 종합하여 출력하도록 구성될 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 이종 화소 구조를 개략적으로 보이는 단위 화소 어레이(150)이다. 도 10에 도시된 단위 화소 어레이(150)의 경우, 도 5에 도시된 단위 화소 어레이(120)와 마찬가지로, 상기 분할된 다수의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)들이 각각 독립적인 광센싱부로서 작용할 수 있다. 이를 위하여, 제 2 화소(40)의 제 2 구동 회로부(42)는 분할된 각각의 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)에서 발생한 광전류를 각각 개별적으로 출력하도록 구성될 수 있다. 제 2 구동 회로부(42)는 도 6에 도시된 회로 구조와 거의 동일한 회로 구조를 가질 수 있으며, 단지 서브 영역(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)들과 캐패시터 사이에 배치된 박막 트랜지스터의 개수와 선택 라인의 개수가 6개로 증가할 뿐이다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 이종 화소 구조를 갖는 이미지 센서에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
Claims (19)
- 크기가 서로 다른 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소를 포함하는 화소 어레이를 포함하며,
각각의 제 2 화소의 가로 방향의 폭은 각각의 제 1 화소의 가로 방향의 폭의 제 1 정수배이며,
각각의 제 2 화소의 세로 방향의 폭은 각각의 제 1 화소의 세로 방향의 폭의 제 2 정수배이고,
상기 제 1 정수배와 제 2 정수배 중에서 적어도 하나는 1보다 크며,
각각의 제 2 화소 주위에 다수의 제 1 화소들이 배열되어 있는, 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 화소는 가시광을 감지하도록 구성되며, 상기 제 2 화소는 자외선 또는 적외선을 감지하도록 구성되는 이미지 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 화소는 적색광을 감지하는 적색 화소, 녹색광을 감지하는 녹색 화소, 및 청색광을 감지하는 청색 화소를 포함하는 이미지 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 화소의 상기 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소들이 상기 제 2 화소의 주위에 반복적으로 배열되어 있는 이미지 센서. - 제 4 항에 있어서,
상기 화소 어레이는 서로 인접하여 배치된 제 1 화소 어레이와 제 2 화소 어레이를 포함하며,
상기 제 1 화소 어레이의 제 2 화소의 주위에 배열된 제 1 화소의 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소들의 배치 순서와 상기 제 2 화소 어레이의 제 2 화소의 주위에 배열된 제 1 화소의 적색 화소, 녹색 화소 및 청색 화소들의 배치 순서가 서로 다른 이미지 센서. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 화소 어레이의 제 1 화소들과 그에 직접 접하는 상기 제 2 화소 어레이의 제 1 화소들은 서로 다른 색을 감지하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 각각의 제 1 화소는, 입사광에 응답하여 광전류를 발생시키는 제 1 광센싱부, 상기 광전류를 저장하고 출력시키는 제 1 구동 회로부, 및 상기 제 1 광센싱 영역에 빛을 집광하는 제 1 마이크로 렌즈를 포함하며,
상기 각각의 제 2 화소는, 입사광에 응답하여 광전류를 발생시키는 제 2 광센싱부, 상기 광전류를 저장하고 출력시키는 제 2 구동 회로부, 및 상기 제 2 광센싱 영역에 빛을 집광하는 제 2 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 광센싱부의 크기는 상기 제 1 광센싱부의 크기보다 큰 이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 마이크로 렌즈의 크기는 상기 각각의 제 2 화소를 덮도록 상기 제 1 마이크로 렌즈의 크기보다 큰 이미지 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 각각의 제 2 화소 내에서 상기 제 2 광센싱부는 다수의 서브 영역으로 분할되어 있는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 광센싱부의 분할된 다수의 서브 영역의 개수는 제 1 정수배와 제 2 정수배의 곱과 같은 이미지 센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 광센싱부의 상기 분할된 각각의 서브 영역의 크기는 상기 제 1 광센싱부의 크기와 같은 이미지 센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 마이크로 렌즈의 크기는 상기 제 1 마이크로 렌즈의 크기와 동일하며, 상기 분할된 다수의 서브 영역의 개수와 동일한 개수의 제 2 마이크로 렌즈가 상기 각각의 제 2 화소 내에 배열되어 있는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 구동 회로부는 상기 분할된 다수의 서브 영역이 하나의 광센싱부로서 작용하도록 각각의 서브 영역에서 발생한 광전류를 종합하여 출력하도록 구성되는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 구동 회로부는 상기 분할된 다수의 서브 영역이 각각 독립적인 광센싱부로서 작용하도록 각각의 서브 영역에서 발생한 광전류를 각각 개별적으로 출력하도록 구성되는 이미지 센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 2 구동 회로부는, 광전류를 저장하기 위한 하나의 캐패시터, 각각의 서브 영역에서 발생한 광전류를 상기 캐패시터에 전달하도록 스위칭되는 다수의 박막 트랜지스터, 및 상기 캐패시터에 저장된 광전류를 출력하기 위한 출력 회로를 포함하며, 상기 다수의 박막 트랜지스터는 그에 대응하는 서브 영역에 각각 개별적으로 연결되어 있는 이미지 센서. - 제 16 항에 있어서,
상기 다수의 박막 트랜지스터는 그에 각각 대응하는 다수의 서브 영역들과 상기 캐패시터 사이에 연결되어 있는 이미지 센서. - 제 16 항에 있어서,
상기 다수의 서브 영역들은 상기 캐패시터와 출력 회로를 서로 공유하는 이미지 센서. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 광센싱부는 Si, Ge, GaAs, InGaAs, GaN, InSb, InP, 및 HgCdTe 중에서 적어도 하나의 감광성 재료를 포함하는 이미지 센서.
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