KR20210120536A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents

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KR20210120536A
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윤형준
장재형
최훈무
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에스케이하이닉스 주식회사
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Abstract

본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 복수의 유닛 픽셀들이 어레이 형태로 배열되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있으며, 각 유닛 픽셀은 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며 상기 제 1 면으로 입사되는 광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에서 상기 광전변환소자와 일정 거리 이격되게 위치하며 상기 광전하를 임시 저장하는 복수의 플로팅 디퓨전 영역들, 상기 제 2 면 상부에서 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하며 서큘레이션 제어신호들에 근거하여 상기 광전변환소자의 서로 다른 영역들에 부분적으로 전기장을 발생시켜 상기 광전하의 이동을 유도하는 복수의 서큘레이션 게이트들, 및 상기 제 2 면 상부에서 상기 서큘레이션 게이트들 사이에 각각 위치하며 상기 광전변환소자에서 생성된 광전하를 트랜스퍼 제어신호에 근거하여 상기 복수의 플로팅 디퓨전 영역들 중 대응되는 플로팅 디퓨전 영역으로 전송하는 복수의 트랜스퍼 게이트들을 포함을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센싱 장치{IMAGE SENSING DEVICE}
본 발명은 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 장치이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라, 디지털 카메라, 캠코더, PCS(personal communication system), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 또는 로봇 등의 다양한 분야에서 이미지 센서의 수요가 증가하고 있다.
이미지 센서를 이용해 3차원 영상을 얻기 위해서는, 색상(color)에 관한 정보뿐만 아니라 대상 물체(target object)와 이미지 센서 사이의 거리(또는 깊이)에 관한 정보가 필요하다.
대상 물체와 이미지 센서 사이의 상기 거리에 관한 정보를 얻는 방법은 크게 패시브(passive) 방식과 액티브(active) 방식으로 나눌 수 있다.
패시브 방식은 대상 물체로 빛을 조사하지 않고, 대상 물체의 영상 정보만을 이용하여 대상 물체와 이미지 센서 사이의 거리를 계산하는 방식이다. 이러한, 패시브 방식은 스테레오 카메라(stereo camera)에 적용될 수 있다.
액티브 방식으로는 삼각 측량(triangulation) 방식과 TOF(time-of-flight) 방식 등이 있다. 삼각 측량(triangulation) 방식은 이미지 센서로부터 일정 거리에 있는 광원, 예컨대 레이져(laser)에 의해 조사되고 대상 물체로부터 반사된 빛을 감지하고, 감지 결과를 이용하여 대상 물체와 이미지 센서 간의 거리를 계산하는 방식이다. TOF 방식은 대상 물체로 빛을 조사한 후 빛이 대상 물체로부터 반사되어 돌아올 때까지의 시간을 측정하여 대상 물체와 이미지 센서 사이의 거리를 계산하는 방식이다.
본 발명의 실시예는 동작 특성을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 이미지 센싱 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 기술의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 복수의 유닛 픽셀들이 어레이 형태로 배열되는 픽셀 어레이를 포함할 수 있으며, 각 유닛 픽셀은 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며 상기 제 1 면으로 입사되는 광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 내에서 상기 광전변환소자와 일정 거리 이격되게 위치하며 상기 광전하를 임시 저장하는 복수의 플로팅 디퓨전 영역들, 상기 제 2 면 상부에서 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하며 서큘레이션 제어신호들에 근거하여 상기 광전변환소자의 서로 다른 영역들에 부분적으로 전기장을 발생시켜 상기 광전하의 이동을 유도하는 복수의 서큘레이션 게이트들, 및 상기 제 2 면 상부에서 상기 서큘레이션 게이트들 사이에 각각 위치하며 상기 광전변환소자에서 생성된 광전하를 트랜스퍼 제어신호에 근거하여 상기 복수의 플로팅 디퓨전 영역들 중 대응되는 플로팅 디퓨전 영역으로 전송하는 복수의 트랜스퍼 게이트들을 포함할 수 있다.
본 기술의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 입사광을 광전변환하여 상기 입사광에 대응되는 전기 신호를 출력하는 복수의 유닛 픽셀들이 어레이 형태로 배열되는 픽셀 어레이를 포함하며, 각 유닛 픽셀은 상기 입사광이 입사되는 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며 상기 입사광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환소자를 포함하는 반도체 기판, 상기 제 2 면 상부에서 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하는 복수의 서큘레이션 게이트들, 상기 제 2 면 상부에서 상기 서큘레이션 게이트들과 교번되게 상기 복수의 서큘레이션 게이트들 사이에 각각 위치하는 복수의 트랜스퍼 게이트들 및 상기 광전변환소자와 반대측으로 상기 복수의 트랜스퍼 게이트들 각각의 일측에 위치하는 복수의 플로팅 디퓨전 영역들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는 동작 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀의 구조를 예시적으로 보여주는 평면도.
도 3a는 도 2에서 A-A'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 3b는 도 2에서 B-B'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 3c는 도 2에서 C-C'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 3d는 도 2에서 D-D'의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도.
도 4a는 도 2의 유닛 픽셀에서 서큘레이션 게이트들에 의해 전자들이 이동되는 원리를 예시적으로 보여주는 도면.
도 4b는 도 2의 유닛 픽셀에서 트랜스퍼 게이트들에 의해 전자들이 플로팅 디퓨전 영역으로 전송되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면.
도 5는 도 2의 유닛 픽셀의 동작을 설명하기 위한 예시적인 타이밍도.
도 6a 내지 도 6h는 도 5의 각 동작 단계들에서의 유닛 픽셀의 동작 모습을 예시적으로 보여주는 도면들.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센싱 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치는 TOF(time of flight) 원리를 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 이러한 이미지 센싱 장치는 광원(100), 렌즈 모듈(200), 픽셀 어레이(300) 및 제어회로(400)를 포함할 수 있다.
광원(100)은 제어회로(400)로부터의 클락 신호(MLS)에 응답하여 대상 물체(1)에 광을 조사한다. 광원(100)은 적외선 또는 가시광을 발광하는 레이저 다이오드(LD; Laser Diode)나 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode), 근적외선 레이저(NIR; Near Infrared Laser), 포인트 광원, 백색 램프 및 모노크로메이터(monochromator)가 조합된 단색(monochromatic) 조명원, 또는 다른 레이저 광원의 조합일 수 있다. 예를 들어, 광원(100)은 800㎚ 내지 1000㎚의 파장을 가지는 적외선을 발광할 수 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 하나의 광원(100)만을 도시하였으나, 복수의 광원들이 렌즈 모듈(200)의 주변에 배열될 수도 있다.
렌즈 모듈(200)은 대상 물체(1)로부터 반사된 광을 수집하여 픽셀 어레이(300)의 픽셀들(PX)에 집중 시킨다. 렌즈 모듈(200)은 유리 또는 플라스틱 표면의 집중 렌즈 또는 다른 원통형 광학 원소를 포함할 수 있다. 렌즈 모듈(200)은 볼록한 구조를 가지는 집중 렌즈를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(300)는 2차원 구조로 연속적으로 배열된{예를 들어, 컬럼(column) 방향 및 로우(row) 방향으로 연속적으로 배열된} 복수의 유닛 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 유닛 픽셀들(PX)은 렌즈 모듈(200)을 통해 수신된 입사광을 광전변환시켜 그 입사광에 대응하는 전기 신호인 픽셀 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 이때, 픽셀 신호는 대상 물체(1)에 대한 색상을 나타내는 신호가 아닌 대상 물체(1)와의 거리에 따른 시간 지연을 나타내는 신호일 수 있다. 각 유닛 픽셀(PX)은 반사광에 의해 광전변환소자 내에서 생성된 광전하(전자)들을 일정 방향(시계 방향 또는 반시계 방향)으로 이동시키는 과정과 그러한 이동을 통해 모아진 전자들을 복수개의 플로팅 디퓨전 영역들로 전송하는 과정을 분리해서 수행할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 각 유닛 픽셀(PX)은 광전변환소자를 둘러싸는 복수개의 서큘레이션 게이트들과 트랜스퍼 게이트들을 포함할 수 있으며, 서큘레이션 게이트들과 트랜스퍼 게이트들의 포텐셜(전위)은 일정 방향으로 순환(circulation)하면서 변화될 수 있다. 광전변환소자에서 생성된 전자들은 이러한 서큘레이션 게이트들과 트랜스퍼 게이트들의 순환 방식의 포텐셜 변화에 의해 일정 방향으로 이동 및 전송될 수 있다. 이처럼 전자들의 이동 및 전송이 분리되어 수행됨으로써 보다 효과적으로 물체(1)와의 거리에 따른 시간 지연을 분석할 수 있다. 이러한 유닛 픽셀(PX)의 구조 및 동작에 대한 설명은 상세하게 후술된다.
제어 회로(400)는 광원(100)을 제어하여 대상 물체(1)에 광을 조사하고, 픽셀 어레이(300)의 유닛 픽셀들(PX)을 구동시켜 대상 물체(1)로부터 반사된 광에 대응되는 픽셀 신호들을 처리하여 대상 물체(1)의 표면에 대한 거리에 따른 시간 지연을 측정한다.
이러한 제어 회로(400)는 로우 디코더(row decoder)(410), 광원 드라이버(light source driver)(420), 타이밍 컨트롤러(timing controller)(430), 모듈레이션 드라이버(modulation driver)(440) 및 로직 회로(logic circuit)(450)를 포함할 수 있다.
로우 디코더(410)는 타이밍 컨트롤러(430)로부터 출력된 타이밍 신호에 응답하여 픽셀 어레이(300)의 유닛 픽셀들(PX)을 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 로우 디코더(410)는 복수의 로우 라인들(row lines) 중에서 적어도 어느 하나의 로우 라인(row line)을 선택할 수 있는 제어 신호들을 생성할 수 있다. 이러한, 제어 신호들은 유닛 픽셀(PX)을 초기화하기 위한 리셋 신호 및 유닛 픽셀(PX)의 플로팅 디퓨전 영역들에서 출력되는 탭 신호들을 로직 회로(450)로 전송하기 위한 신호들을 포함할 수 있다.
광원 드라이버(420)는 타이밍 컨트롤러(430)의 제어에 따라 광원(100)을 구동시킬 수 있는 클락 신호(MLS)를 생성할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(430)는 로우 디코더(410), 광원 드라이버(420), 모듈레이션 드라이버(440) 및 로직 회로(450)의 동작을 제어하기 위한 타이밍 신호를 생성할 수 있다.
모듈레이션 드라이버(440)는 타이밍 컨트롤러(430)의 제어에 따라 유닛 픽셀들(PX)의 모듈레이션 동작을 제어하기 위한 제어신호들을 생성하여 픽셀 어레이(300)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 모듈레이션 드라이버(440)는 유닛 픽셀(PX)의 광전변환소자 내에서의 전자들의 이동을 제어하기 위한 서큘레이션 제어신호들 및 이동된 전자들을 플로팅 디퓨전 영역들로 순차적으로 전송하기 위한 트랜스퍼 제어신호들을 생성하여 픽셀 어레이(300)에 제공할 수 있다.
로직 회로(450)는 타이밍 컨트롤러(430)의 제어에 따라 픽셀 어레이(300)로부터의 픽셀 신호들을 처리하여 대상 물체(1)에 대한 거리에 따른 시간 지연을 계산할 수 있다. 로직 회로(450)는 픽셀 어레이(300)로부터 출력된 픽셀 신호들에 대해 상관 이중 샘플링(correlated double sampling)을 수행하기 위한 상관 이중 샘플러(CDS: correlated double sampler)를 포함할 수 있다. 또한, 로직 회로(450)는 상관 이중 샘플러로부터의 출력 신호들을 디지털 신호들로 변환하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 픽셀 어레이에서 어느 한 유닛 픽셀(PX)의 구조를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
도 2를 참조하면, 각 유닛 픽셀(PX)은 광전변환소자(PD), 복수의 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4), 복수의 드레인 노드들(D1 ~ D4), 복수의 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4) 및 복수의 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)을 포함할 수 있다.
광전변환소자(PD)는 반도체 기판 내에 형성되며, 대상 물체(1)에서 반사된 후 반도체 기판에 입사되는 반사광을 광전변환시켜 광전하를 생성할 수 있다. 예를 들어, 광전변환소자(PD)는 반사광에 응답하여 전자와 정공 쌍을 생성할 수 있다. 광전변환소자(PD)는 서로 다른 타입의 불순물 영역들이 수직 방향으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광전변환소자(PD)는 N형 불순물 영역과 P형 불순물 영역이 수직 방향으로 적층된 포토다이오드(PD: Photo Diode) 또는 핀드 포토 다이오드(PPD: Pinned Photo Diode)를 포함할 수 있다.
복수의 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4)은 대응되는 트랜스퍼 게이트(TG1 ~ TG4)의 일측에 위치하며, 트랜스퍼 게이트(TG1 ~ TG4)에 의해 전송된 전자들을 저장할 수 있다. 각 플로팅 디퓨전 영역(FD1 ~ FD4)에 저장된 전자들의 전하량에 대응되는 신호는 탭신호(TAP1 ~ TAP4)로서 출력될 수 있다. 탭신호들(TAP1 ~ TAP4)은 도전 라인을 통해 대응되는 소스 팔로워 트랜지스터(미도시)의 게이트에 인가될 수 있다. 예를 들어, 플로팅 디퓨젼 영역들(FD1 ~ FD4)은 도전 라인을 통해 대응되는 소스 팔로워 트랜지스터(미도시)의 게이트와 연결될 수 있다. 또한, 탭신호들(TAP1 ~ TAP4)은 도전 라인을 통해 대응되는 리셋 트랜지스터(미도시)의 일측 단자에 입력될 수 있다. 예를 들어, 플로팅 디퓨젼 영역(FD1 ~ FD4)은 도전 라인을 통해 대응되는 리셋 트랜지스터(미도시)의 일측 단자와 연결될 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4)은 반도체 기판에 n형 불순물이 일정 깊이만큼 주입된 불순물 영역을 포함할 수 있다.
복수의 드레인 노드들(D1 ~ D4)은 대응되는 서큘레이션 게이트(CG1 ~ CG4)의 일측에 위치하며, 도전 라인을 통해 드레인 전압(Vd) 입력단과 연결될 수 있다. 드레인 전압(Vd)은 광전변환소자(PD)에서 생성된 광전하를 수집하여 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4)로 전송하는 모듈레이션 구간 동안(modulation period)에는 저전압(예를 들어, 접지 전압) 레벨이 되고, 모듈레이션 구간이 종료된 리딩 아웃 구간(reading out period) 구간 동안에는 고전압(예를 들어, 전원 전압) 레벨이 될 수 있다. 드레인 노드들(D1 ~ D4)은 반도체 기판에 n형 불순물이 일정 깊이만큼 주입된 불순물 영역을 포함할 수 있다.
복수의 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4)은 트랜스퍼 제어신호들(TFv1 ~ TFv4)에 근거하여 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4)에게 광전변환소자(PD)에서 생성된 전자들을 전송할 수 있다. 트랜스퍼 제어신호들(TFv1 ~ TFv4)은 모듈레이션 드라이버(440)로부터 제공받을 수 있다.
복수의 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 모듈레이션 구간 동안에는 서큘레이션 제어신호들(Vcir1 ~ Vcir4)에 근거하여 동작함으로써 광전변환소자(PD) 내에서 생성된 광전하(전자)들이 일정 방향(예를 들어, 시계 반대 방향)으로 이동하도록 할 수 있다. 그리고, 복수의 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 리딩 아웃 구간 동안에서는 드레이닝 제어신호(Vdrain)에 근거하여 광전변환소자(PD)를 드레인 전압(Vd)으로 고정시킬 수 있다. 서큘레이션 제어신호들(Vcir1 ~ Vcir4) 및 드레이닝 제어신호(Vdrain)는 모듈레이션 드라이버(440)로부터 제공받을 수 있다.
예를 들어, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 평면상으로 볼 때 광전변환소자(PD)를 둘러싸는 사각형의 링 형태에서 네 변들에 해당하는 영역들에 각각 위치할 수 있다. 이러한 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은, 모듈레이션 구간에서, 시계 반대 방향을 따라 순차적으로 그리고 연속적으로 서큘레이션 제어신호(Vcir1 ~ Vcir4)를 인가받음으로써 광전변환소자(PD)의 에지(edge) 영역에 부분적으로 전기장(Electric field)을 발생시키면서 그러한 전기장을 해당 방향을 따라 일정 주기로 변화시킬 수 있다. 광전변환소자(PD)의 전자들은 그러한 전기장의 발생 및 변화 방향에 따라 이동될 수 있다.
이때, 서큘레이션 제어신호(Vcir1 ~ Vcir4)는 드레인 노드들(D1 ~ D4)과 광전변환소자(PD) 사이를 전기적으로 연결시키지는 못하는 정도의 전위를 가질 수 있다. 즉, 모듈레이션 구간에서, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 광전변환소자(PD)의 전자들을 이동시키는 역할만을 수행할 수 있다.
리딩 아웃 구간에서는, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 드레이닝 제어신호(Vdrain)에 근거하여 광전변환소자(PD)를 드레인 전압(Vd)으로 고정시킴으로써, 광전변환소자(PD)에 노이즈가 유입되어 신호 왜곡이 발생되는 것을 억제할 수 있다. 예를 들어, 드레이닝 제어신호(Vdrain)는 하이레벨로 활성화되었을 때 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)이 드레인 노드들(D1 ~ D4)과 광전변환소자(PD) 사이를 전기적으로 연결시킬 수 있는 정도로 높은 전위를 가질 수 있다. 즉, 활성화된 드레이닝 제어신호(Vdrain)는 활성화된 서큘레이션 제어신호(Vcir1 ~ Vcir4) 보다 높은 전위를 가질 수 있다.
따라서, 리딩 아웃 구간 동안에는 드레이닝 제어신호(Vdrain)가 하이레벨로 활성화될 수 있으며, 그러한 경우, 드레인 노드들(D1 ~ D4)과 광전변환소자(PD)가 전기적으로 연결됨으로써 광전변환소자(PD)는 고전압의 드레인 전압(Vd)으로 고정될 수 있다. 드레이닝 제어신호(Vdrain)는 모듈레이션 구간 동안에는 로우레벨로 비활성화될 수 있다.
서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4) 각각은 대응되는 스위칭 소자(S1 ~ S4)의 스위칭 동작에 근거하여 모듈레이션 구간에서는 서큘레이션 제어신호들(Vcir1 ~ Vcir4)을 인가받고 리딩 아웃 구간에서는 드레이닝 제어신호(Vdrain)를 인가받을 수 있다.
서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 넓은 면적에서 빠른 속도로 전기장이 발생되고 변화되도록 하기 위해 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)에서 광전변환소자(PD)와 중첩되는 영역의 길이(폭)(W1)를 가능한 길게 형성할 수 있다. 예를 들어, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)의 폭(W1)은 트랜스퍼 게이트(TG1 ~ TG4)에서 광전변환소자(PD)와 중첩되는 영역의 길이(폭)(W2) 보다 길게 형성될 수 있다. 이러한, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 평면상으로 볼 때 직사각 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 서큘레이션 게이트들(CG1, CG3)은 제 2 방향(Y 방향)의 길이가 제 1 방향(X 방향)의 길이가 보다 긴 직사각 형상을 가질 수 있으며, 서큘레이션 게이트들(CG2, CG4)은 제 1 방향(X 방향)의 길이가 제 2 방향(Y 방향)의 길이가 보다 긴 직사각 형상을 가질 수 있다.
상술한 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4)과 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 반도체 기판의 상부에서 서로 교번되면서 일정 간격씩 이격되게 배치되며, 평면상으로 볼 때 광전변환소자(PD)를 둘러싸는 링(ring) 형태로 배치될 수 있다.
서큘레이션 게이트들(CG1, CG3)은 반도체 기판의 상부에서 제 1 방향으로 광전변환소자(PD)의 양측에 위치할 수 있으며, 서큘레이션 게이트들(CG2, CG4)은 제 1 방향과 수직하게 교차되는 제 2 방향으로 광전변환소자(PD)의 양측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)은 광전변환소자(PD)를 둘러싸는 사각형의 링(ring) 형태에서 네 변들에 해당하는 영역들에 위치할 수 있으며 광전변환소자(PD)와 일부분이 중첩되도록 위치할 수 있다.
그리고, 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4) 각각은 이웃한 두 개의 서큘레이션 게이트들과 일정 간격 이격되면서 해당 서큘레이션 게이트들 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4) 각각은 사각형의 링(ring) 형태에서 꼭지점에 해당하는 영역들에 위치할 수 있으며 광전변환소자(PD)와 일부분이 중첩되도록 위치할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d 각각은 도 2에서 A-A', B-B', C-C' 및 D-D’의 절취선을 따라 절단된 단면의 모습을 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(10)은 반사광이 입사되는 제 1 면 및 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 포함할 수 있다.
광전변환소자(PD)는 반도체 기판(10) 내에서 유닛 픽셀(PX)의 중앙부에 위치할 수 있으며, n형 불순물 영역(n)과 p형 불순물 영역(p+)이 수직방향으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 이러한 광전변환소자(PD)는 반도체 기판(10)의 제 1 면을 통해 입사되는 광(반사광)을 광전변환시켜 광전하를 생성할 수 있다.
드레인 노드(D1, D3)는 반도체 기판(10) 내에서 제 1 방향으로 광전변환소자(PD)와 일정 거리 이격되게 광전변환소자(PD)의 양측에 위치할 수 있다. 드레인 노드(D1, D3)는 반도체 기판(10)에 고농도의 n형 불순물들(n+)이 주입된 불순물 영역을 포함할 수 있다. 드레인 노드(D1, D3)는 도전 라인을 통해 드레인 전압(Vd) 입력단과 연결될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면 상부에서 광전변환소자(PD)와 드레인 노드(D1, D3) 사이에는 각각 서큘레이션 게이트(CG1, CG3)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 드레인 노드(D1)와 광전변환소자(PD)는 서큘레이션 게이트(CG1)와 접하도록 서큘레이션 게이트(CG1)의 양측에 위치함으로써, 서큘레이션 게이트(CG1)의 소스/드레인 영역이 될 수 있다. 또한, 드레인 노드(D3)와 광전변환소자(PD)는 서큘레이션 게이트(CG3)와 접하도록 서큘레이션 게이트(CG3)의 양측에 위치함으로써, 서큘레이션 게이트(CG3)의 소스/드레인 영역이 될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면에서 광전변환소자(PD)의 상부에는 절연막(20)이 형성될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 광전변환소자(PD)는 유닛 픽셀(PX)의 중앙부에 위치하며, 반도체 기판(10) 내에서 n형 불순물 영역(n)과 p형 불순물 영역(p+)이 수직방향으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
드레인 노드(D2, D4)는 반도체 기판(10) 내에서 제 1 방향과 수직하게 교차되는 제 2 방향으로 광전변환소자(PD)와 일정 거리 이격되게 광전변환소자(PD)의 양측에 위치할 수 있다. 드레인 노드(D2, D4)는 반도체 기판(10)에 고농도의 n형 불순물들(n+)이 주입된 불순물 영역을 포함할 수 있다. 드레인 노드(D2, D4)는 도전 라인을 통해 드레인 전압(Vd) 입력단과 연결될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면에서 광전변환소자(PD)와 드레인 노드(D2, D4) 사이에는 각각 서큘레이션 게이트(CG2, CG4)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 드레인 노드(D2)와 광전변환소자(PD)는 서큘레이션 게이트(CG2)와 접도록 서큘레이션 게이트(CG2)의 양측에 위치함으로써, 서큘레이션 게이트(CG2)의 소스/드레인 영역이 될 수 있다. 또한, 드레인 노드(D4)와 광전변환소자(PD)는 서큘레이션 게이트(CG4)와 접하도록 서큘레이션 게이트(CG4)의 양측에 위치함으로써, 서큘레이션 게이트(CG4)의 소스/드레인 영역이 될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면에서 광전변환소자(PD)의 상부에는 절연막(20)이 형성될 수 있다.
즉, 유닛 픽셀(PX)에서 제 1 방향으로의 단면 구조와 제 2 방향으로의 단면 구조는 동일하게 형성될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 광전변환소자(PD)는 유닛 픽셀(PX)의 중앙부에 위치하며, 반도체 기판(10) 내에서 n형 불순물 영역(n)과 p형 불순물 영역(p+)이 수직방향으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
플로팅 디퓨젼 영역(FD1, FD3)은 반도체 기판(10) 내에서 제 3 방향으로 광전변환소자(PD)와 일정 거리 이격되게 광전변환소자(PD)의 양측에 위치할 수 있다. 이때, 제 3 방향은 상술한 제 1 방향과 제 2 방향의 사이를 지나는 방향일 수 있다.
플로팅 디퓨젼 영역(FD1, FD3)은 반도체 기판(10)에 고농도의 n형 불순물들(n+)이 주입된 불순물 영역을 포함할 수 있다. 플로팅 디퓨젼 영역(FD1, FD3)은 각각 도전 라인을 통해 탭신호(TAP1, TAP3)를 출력할 수 있다. 탭신호(TAP1, TAP3)는 트랜스퍼 게이트(TG1, TG3)에 의해 플로팅 디퓨전 영역(FD1, FD3)에 전송된 전자들의 전하량에 대응되는 신호를 의미할 수 있다.
이러한 탭신호(TAP1, TAP3)는 도전 라인을 통해 대응되는 소스 팔로워 트랜지스터(미도시)의 게이트에 인가될 수 있다. 또한, 탭신호(TAP1, TAP3)는 도전 라인을 통해 대응되는 리셋 트랜지스터(미도시)의 일측 단자에 입력될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면에서 광전변환소자(PD)와 플로팅 디퓨젼 영역들(FD1, FD3) 사이에는 각각 트랜스퍼 게이트(TG1, TG3)가 형성될 수 있다. 즉, 트랜스퍼 게이트(TG1, TG3)는 광전변환소자(PD)와 플로팅 디퓨젼 영역(FD1, FD3)을 소스/드레인 영역으로 하는 트랜지스터의 게이트가 될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면에서 광전변환소자(PD)의 상부에는 절연막(20)이 형성될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 광전변환소자(PD)는 유닛 픽셀(PX)의 중앙부에 위치하며, 반도체 기판(10) 내에서 n형 불순물 영역(n)과 p형 불순물 영역(p+)이 수직방향으로 적층된 구조를 포함할 수 있다.
플로팅 디퓨젼 영역(FD2, FD4)은 반도체 기판(10) 내에서 제 3 방향과 수직하게 교차되는 제 4 방향으로 광전변환소자(PD)와 일정 거리 이격되게 광전변환소자(PD)의 양측에 위치할 수 있다.
플로팅 디퓨젼 영역(FD2, FD4)은 반도체 기판(10)에 고농도의 n형 불순물들(n+)이 주입된 불순물 영역을 포함할 수 있다. 플로팅 디퓨젼 영역(FD2, FD4)은 각각 도전 라인을 통해 탭신호(TAP2, TAP4)를 출력할 수 있다. 탭신호(TAP2, TAP4)는 트랜스퍼 게이트(TG2, TG4)에 의해 플로팅 디퓨전 영역(FD2, FD4)에 전송된 전자들의 전하량에 대응되는 신호를 의미할 수 있다.
이러한 탭신호(TAP2, TAP4)는 도전 라인을 통해 대응되는 소스 팔로워 트랜지스터(미도시)의 게이트에 인가될 수 있다. 또한, 탭신호(TAP2, TAP4)는 도전 라인을 통해 대응되는 리셋 트랜지스터(미도시)의 일측 단자에 입력될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면에서 광전변환소자(PD)와 플로팅 디퓨젼 영역들(FD2, FD4) 사이에는 각각 트랜스퍼 게이트(TG2, TG4)가 형성될 수 있다. 즉, 트랜스퍼 게이트(TG2, TG4)는 광전변환소자(PD)와 플로팅 디퓨젼 영역(FD2, FD4)을 소스/드레인 영역으로 하는 트랜지스터의 게이트가 될 수 있다.
반도체 기판(10)의 제 2 면에서 광전변환소자(PD)의 상부에는 절연막(20)이 형성될 수 있다.
도 4a는 도 2의 유닛 픽셀에서 서큘레이션 게이트들에 의해 전자들이 이동되는 원리를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)에 서큘레이션 제어신호들(Vcir1 ~ Vcir4)이 인가되면, 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4) 주변에 전기장이 발생하게 되며, 이로 인해 광전변환소자(PD)에 있는 전자들은 광전변환소자(PD)의 에지 영역에서 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)과 인접한 영역으로 모이게 된다. 이때, 서큘레이션 제어신호들(Vcir1 ~ Vcir4)의 크기(전위)가 드레인 노드들(D1 ~ D4)과 광전변환소자(PD) 사이를 전기적으로 연결시켜줄 수 있는 채널이 형성되는 크기보다 작은 경우, 전자들은 드레인 노드들(D1 ~ D4)로 전송되지 않고 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)의 주변 영역에 모여 있게 된다.
그런데, 도 2에서와 같이 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)이 광전변환소자(PD)의 상부를 둘러싸도록 배치되는 구조에서, 서큘레이션 제어신호들(Vcir1 ~ Vcir4)이 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)에 동시에 인가되지 않고 일정 방향(예를 들어, 시계 반대 방향)을 따라 순차적으로 그리고 연속적으로 인가되면, 전자들은 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)의 동작 순서에 따라 광전변환소자의 에지 영역에서 이동할 수 있게 된다. 즉, 전자들은 광전변환소자의 에지 영역에서 일정 방향으로 이동할 수 있게 된다.
예를 들어, 서큘레이션 게이트(CG1)에 서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 인가되면, 서큘레이션 게이트(CG1) 주변에 형성되는 전기장에 의해 광전변환소자(PD)에 있는 전자들이 서큘레이션 게이트(CG1) 주변 영역으로 모여질 수 있다.
기 설정된 일정 시간 후에, 서큘레이션 게이트(CG1)와 인접한 서큘레이션 게이트(CG2)에 서큘레이션 제어신호(Vcir2)가 인가되고 이어서 서큘레이션 게이트(CG1)에 인가되었던 서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 차단되면, 서큘레이션 게이트(CG1) 주변에 모여 있던 전자들은 서큘레이션 게이트(CG2) 쪽으로 이동할 수 있다. 즉, 서큘레이션 게이트(CG1) 쪽에서 서큘레이션 게이트(CG2) 쪽으로 전자들이 이동할 수 있다.
다음에, 서큘레이션 게이트(CG2)와 인접한 서큘레이션 게이트(CG3)에 서큘레이션 제어신호(Vcir3)가 인가되고 이어서 서큘레이션 게이트(CG2)에 인가되었던 서큘레이션 제어신호(Vcir2)가 차단되면, 서큘레이션 게이트(CG2) 주변에 모여 있던 전자들은 서큘레이션 게이트(CG3) 쪽으로 이동할 수 있다. 즉, 서큘레이션 게이트(CG2) 쪽에서 서큘레이션 게이트(CG3) 쪽으로 전자들이 이동할 수 있다.
다음에, 서큘레이션 게이트(CG3)와 인접한 서큘레이션 게이트(CG4)에 서큘레이션 제어신호(Vcir4)가 인가되고 이어서 서큘레이션 게이트(CG3)에 인가되었던 서큘레이션 제어신호(Vcir3)가 차단되면, 서큘레이션 게이트(CG3) 주변에 모여 있던 전자들은 서큘레이션 게이트(CG4) 쪽으로 이동할 수 있다. 즉, 서큘레이션 게이트(CG3) 쪽에서 서큘레이션 게이트(CG4) 쪽으로 전자들이 이동할 수 있다.
다음에, 서큘레이션 게이트(CG4)와 인접한 서큘레이션 게이트(CG1)에 서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 인가되고 이어서 서큘레이션 게이트(CG4)에 인가되었던 서큘레이션 제어신호(Vcir4)가 차단되면, 서큘레이션 게이트(CG4) 주변에 모여 있던 전자들은 서큘레이션 게이트(CG1) 쪽으로 이동할 수 있다. 즉, 서큘레이션 게이트(CG4) 쪽에서 서큘레이션 게이트(CG1) 쪽으로 전자들이 이동할 수 있다.
이러한 동작들이 연속적으로 반복해서 이루어지면, 전자들은 광전변환소자(PD)의 에지 영역에서 순환될 수 있다.
도 4b는 도 2의 유닛 픽셀에서 트랜스퍼 게이트들에 의해 전자들이 플로팅 디퓨전 영역으로 전송되는 모습을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4b를 참조하면, 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4)에 트랜스퍼 제어신호들(TFv1 ~ TFv4)이 인가되면, 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4) 하부의 반도체 기판(10)에 광전변환소자(PD)와 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4) 사이를 전기적으로 연결시켜주는 채널이 형성되어 광전변환소자(PD)의 전자들이 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4)로 전송될 수 있다.
본 실시예에서는 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4)에 동시에 트랜스퍼 제어신호들(TFv1 ~ TFv4)이 인가되지 않고, 일정 방향(예를 들어, 시계 반대 방향)을 따라 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4)에 순차적으로 트랜스퍼 제어신호들(TFv1 ~ TFv4)이 인가되도록 할 수 있다. 트랜스퍼 제어신호들(TFv1 ~ TFv4)은 상술한 도 4a에서의 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)의 동작 순서에 따라 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4)에 순차적으로 인가될 수 있다.
예를 들어, 서큘레이션 게이트(CG1)의 동작에 의해 서큘레이션 게이트(CG1) 주변에 모아진 전자들이 서큘레이션 게이트(CG2) 쪽으로 이동하는 경우에는, 서큘레이션 게이트들(CG1, CG2) 사이에 위치하는 트랜스퍼 게이트(TG1)에만 트랜스퍼 제어신호(TFv1)가 인가되도록 할 수 있다. 이때, 트랜스퍼 제어신호(TFv1)는 서큘레이션 제어신호들(Vcir1, Vcir2) 보다 높은 전위를 가질 수 있다.
이처럼, 서큘레이션 게이트들(CG1, CG2)과 트랜스퍼 게이트(TG1)가 “L”자 형태로 배치되는 구조에서, 꼭지점 위치에 트랜스퍼 게이트(TG1)가 위치하도록 하면서 트랜스퍼 게이트(TG1)에 인가되는 신호(TFv1)의 전위를 서큘레이션 게이트들(CG1, CG2)에 인가되는 신호들(Vcir1, Vcir2)의 전위 보다 높게 하면, 서큘레이션 게이트들(CG1, CG2) 및 트랜스퍼 게이트(TG1)에 의해 모아진 전자들의 대부분은 트랜스퍼 게이트(TG1)와 가까운 영역에 집중적으로 모아질 수 있다. 즉, 모아진 전자들의 대부분은 좁은 영역에 집중될 수 있다. 따라서, 상대적으로 작은 면적의 트랜스퍼 게이트(TG1)를 이용해서도 전자들을 신속하게 플로팅 디퓨전 영역(FD1)으로 전송시킬 수 있게 된다.
같은 원리로서, 서큘레이션 게이트(CG2) 주변에 모아진 전자들이 서큘레이션 게이트(CG3) 쪽으로 이동하는 경우에는, 서큘레이션 게이트들(CG2, CG3) 사이에 위치하는 트랜스퍼 게이트(TG2)에만 트랜스퍼 제어신호(TFv2)가 인가되도록 할 수 있다. 또한, 서큘레이션 게이트(CG3) 주변에 모아진 전자들이 서큘레이션 게이트(CG4) 쪽으로 이동하는 경우에는, 서큘레이션 게이트들(CG3, CG4) 사이에 위치하는 트랜스퍼 게이트(TG3)에만 트랜스퍼 제어신호(TFv3)가 인가되도록 할 수 있다. 마찬가지로, 서큘레이션 게이트(CG4) 주변에 모아진 전자들이 서큘레이션 게이트(CG1) 쪽으로 이동하는 경우에는, 서큘레이션 게이트들(CG4, CG1) 사이에 위치하는 트랜스퍼 게이트(TG4)에만 트랜스퍼 제어신호(TFv3)가 인가되도록 할 수 있다.
도 5는 도 2의 유닛 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이며, 도 6a 내지 도 6h는 도 5의 각 동작 단계들에서의 유닛 픽셀의 동작 모습을 예시적으로 보여주는 도면들이다. 도 5의 t1 ~ t7에서 인접한 타임들 사이의 간격은 모두 동일할 수 있다. 도 6a 내지 도 6h에서, 가장 바깥쪽에 도시된 라인은 서큘레이션 게이트들 또는 트랜스퍼 게이트들의 동작에 따라 발생되는 전자들의 이동 또는 전송에 의해 전자들이 집중되는 모습 및 방향을 모식적으로 보여주는 라인이다.
도 5 및 도 6a를 참조하면, 인에이블 신호(VEN)가 t1 시점에서 하이 레벨로 활성화되면, 전자들의 이동 및 전송을 위한 모듈레이션 구간이 시작될 수 있다. 모듈레이션 구간이 종료된 구간은 모듈레이션 구간 동안에 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4)에 전송된 전자들의 전하량에 대응되는 탭신호(TAP1 ~ TAP4)를 리드 아웃하기 위한 리딩 아웃 구간이 될 수 있다.
드레인 노드들(D1 ~ D4)에 인가되는 드레인 전압(Vd)은 모듈레이션 구간에서는 저전압(예를 들어, 접지 전압) 레벨이 될 수 있으며 리딩 아웃 구간에서는 고전압(예를 들어, 전원 전압) 레벨이 될 수 있다. 예를 들어, 모듈레이션 구간에서도 드레인 전압(Vd)이 고전압 상태가 되면, 드레인 전압이 서큘레이션 게이트에 의해 수집된 전자들이 트랜스퍼 게이트 쪽으로 이동하는 것을 방해할 수 있으므로 모듈레이션 구간에서는 드레인 전압(Vd)이 저전압 상태가 되도록 할 수 있다.
광전변환소자(PD)를 드레인 전압(Vd)으로 고정시키기 위한 드레이닝 제어신호(Vdrain)도 모듈레이션 구간에서는 저전압(VL) 레벨이 되고 리딩 아웃 구간에서는 고전압(VH) 레벨이 될 수 있다.
모듈레이션 구간이 시작된 후 일정 시간이 경과한 t2 시점에서 서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 활성화될 수 있다. 즉, t2 시점에서 서큘레이션 게이트(CG1)에 서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 인가될 수 있다. 이때, 서큘레이션 제어신호(Vcir1)는 드레인 노드(D1)와 광전변환소자(PD) 사이를 전기적으로 연결시키지는 못하는 레벨의 전위(VM)를 가질 수 있다. 서큘레이션 제어신호(Vcir1)는 일정 시간 동안(t2 ~ t4) 활성화될 수 있다.
서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 서큘레이션 게이트(CG1)에 인가됨으로써 광전변환소자(PD)의 에지 영역에서 서큘레이션 게이트(CG1)와 인접한 영역에 전기장이 형성될 수 있으며, 광전변환소자(PD)에서 반사광이 광전변환되어 생성된 전자들은 이러한 전기장에 의해 서큘레이션 게이트(CG1) 쪽으로 이동하여 모이게 된다.
도 5 및 도 6b를 참조하면, t2 후 일정 시간이 경과한 t3 시점에서, 트랜스퍼 제어신호(TFv1)와 서큘레이션 제어신호(Vcir2)가 활성화될 수 있다. 예를 들어, 서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 여전히 활성화되어 있는 상태에서 서큘레이션 게이트(CG2)에 서큘레이션 제어신호(Vcir2)가 인가되면서 트랜스퍼 게이트(TG1)에도 트랜스퍼 제어신호(TFv1)가 인가됨으로써, 서큘레이션 게이트들(CG1, CG2) 및 트랜스퍼 게이트(TG1)가 모두 동작할 수 있다. 이때, 트랜스퍼 제어신호(TFv1)는 서큘레이션 제어신호들(Vcir1, Vcir2) 보다 높은 전위(VH)를 가질 수 있다(VM ＜ VH). 트랜스퍼 제어신호(TFv1)는 t3 ~ t4 동안 활성화될 수 있으며, 서큘레이션 제어신호(Vcir2)는 t3 ~ t5 동안 활성화될 수 있다.
이에 따라, t2 ~ t3 동안에 서큘레이션 게이트(CG1) 주변에 이미 모아진 전자들은 트랜스퍼 게이트(TG1) 쪽으로 이동하게 된다. 더불어, t3 ~ t4 동안에 서큘레이션 게이트들(CG1, CG2) 및 트랜스퍼 게이트(TG1)에 의해 추가적으로 모아지는 전자들도 트랜스퍼 게이트(TG1) 쪽으로 이동할 수 있다.
즉, 서큘레이션 게이트들(CG1, CG2)과 트랜스퍼 게이트(TG1)를 “L”자 형태로 배치시키되, 꼭지점 위치에 트랜스퍼 게이트(TG1)를 배치시키고 트랜스퍼 게이트(TG1)에 상대적으로 높은 전위를 인가함으로써, 전자들이 트랜스퍼 게이트(TG1)와 가까운 영역(꼭지점 영역)에 집중적으로 모아지도록 할 수 있다.
이렇게 모아지는 전자들은 트랜스퍼 게이트(TG1)에 의해 플로팅 디퓨전 영역(FD1)으로 전송될 수 있다. 즉, 전자들이 좁은 꼭지점 영역에 집중되도록 함으로써 작은 면적의 트랜스퍼 게이트(TG1)를 이용해서도 전자들이 신속하게 플로팅 디퓨전 영역(FD1)으로 전송되도록 할 수 있다.
도 5, 도 6c 및 도 6d를 참조하면, t4 시점에서, 서큘레이션 제어신호(Vcir1)와 트랜스퍼 제어신호(TFv1)는 비활성화되고, 트랜스퍼 제어신호(TFv2)와 서큘레이션 제어신호(Vcir3)가 활성화되도록 한다. 즉, 서큘레이션 게이트(CG2)의 일측에 있는 트랜스퍼 게이트(TG1)와 서큘레이션 게이트(CG1)의 동작은 중단시키고 서큘레이션 게이트(CG2)의 다른 일측에 있는 트랜스퍼 게이트(TG2)와 서큘레이션 게이트(CG3)를 동작시킨다. 이때, 트랜스퍼 제어신호(TFv2)는 서큘레이션 제어신호(Vcir3) 보다 높은 전위(VH)를 가질 수 있다.
그런데, 트랜스퍼 제어신호(TFv2)와 서큘레이션 제어신호(Vcir3)를 활성화시키더라도, 제어신호들(TFv2, Vcir3)의 전위 레벨이 게이트들(TG2, CG3)을 실제로 동작시킬 수 있는 수준에 도달할 때까지는 일정 시간(라이징 타임)이 소요될 수 있다. 즉, 트랜스퍼 게이트(TG1)의 동작은 멈췄는데 아직 트랜스퍼 게이트(TG2)가 동작되지 못하는 구간이 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 서큘레이션 제어신호(Vcir2)를 t5 시점까지 계속 활성시킴으로써, 트랜스퍼 게이트(TG2)가 아직 동작하지 못하고 있는 동안에도, 전자들이 흩어지지 않고 서큘레이션 게이트(CG2) 쪽으로 이동하도록 할 수 있다. 예를 들어, 트랜스퍼 게이트(TG1)에 의해 전송되지 못한 전자들 및 새로이 생성된 전자들이 도 6c와 같이 서큘레이션 게이트(CG2) 쪽으로 이동하도록 할 수 있다.
제어신호들(TFv2, Vcir3)의 라이징 타임이 경과하면, 도 6d와 같이, 트랜스퍼 제어신호(TFv2)와 서큘레이션 제어신호(Vcir3)에 의해 트랜스퍼 게이트(TG2)와 서큘레이션 게이트(CG3)가 동작하게 된다. 즉, 서큘레이션 게이트들(CG2, CG3) 및 트랜스퍼 게이트(TG2)가 모두 동작하게 된다. 이때, 트랜스퍼 제어신호(TFv2)의 전위(VH)가 서큘레이션 제어신호들(Vcir2, Vcir3)의 전위(VM) 보다 높기 때문에, 상술한 도 6b의 경우와 같이, 전자들은 트랜스퍼 게이트(TG2) 쪽으로 이동하게 되고 트랜스퍼 게이트(TG2)에 의해 플로팅 디퓨전(FD2)으로 전송될 수 있다.
도 5, 도 6e 및 도 6f를 참조하면, t5 시점에서, 서큘레이션 제어신호(Vcir2)와 트랜스퍼 제어신호(TFv2)는 비활성화되고, 트랜스퍼 제어신호(TFv3)와 서큘레이션 제어신호(Vcir4)가 활성화될 수 있다. 즉, 상술한 도 6c 및 도 6d의 경우와 같이, 서큘레이션 게이트(CG3)의 일측에 있는 트랜스퍼 게이트(TG2)와 서큘레이션 게이트(CG2)의 동작은 중단시키고 서큘레이션 게이트(CG3)의 다른 일측에 있는 트랜스퍼 게이트(TG3)와 서큘레이션 게이트(CG4)를 동작시킨다. 이때, 트랜스퍼 제어신호(TFv3)는 서큘레이션 제어신호(Vcir4) 보다 높은 전위(VH)를 가질 수 있다.
이러한 경우에도, 서큘레이션 제어신호(Vcir3)를 t6 시점까지 계속 활성화시킴으로써, 트랜스퍼 게이트(TG3)가 아직 동작하지 못하고 있는 동안에도, 전자들이 흩어지지 않고, 도 6e와 같이, 서큘레이션 게이트(CG3) 쪽으로 이동하도록 할 수 있다.
제어신호들(TFv3, Vcir4)의 라이징 타임이 경과하면, 도 6f와 같이, 제어신호들(TFv3, Vcir4)에 의해 트랜스퍼 게이트(TG3)와 서큘레이션 게이트(CG4)가 동작하게 된다. 즉, 서큘레이션 게이트들(CG3, CG4) 및 트랜스퍼 게이트(TG3)가 모두 동작하게 된다. 이때, 트랜스퍼 제어신호(TFv3)의 전위(VH)가 서큘레이션 제어신호들(Vcir3, Vcir4)의 전위(VM) 보다 높기 때문에, 전자들은 트랜스퍼 게이트(TG3) 쪽으로 이동하게 되고 트랜스퍼 게이트(TG2)에 의해 플로팅 디퓨전(FD3)으로 전송될 수 있다.
도 5, 도 6g 및 도 6h를 참조하면, t6 시점에서, 서큘레이션 제어신호(Vcir3)와 트랜스퍼 제어신호(TFv3)는 비활성화되고, 트랜스퍼 제어신호(TFv4)와 서큘레이션 제어신호(Vcir1)가 활성화될 수 있다. 이때, 트랜스퍼 제어신호(TFv4)는 서큘레이션 제어신호(Vcir1) 보다 높은 전위(VH)를 가질 수 있으며, 서큘레이션 제어신호(Vcir4)는 t7 시점까지 활성화된 상태를 유지하게 된다.
따라서, 도 6g와 같이, 전자들은 서큘레이션 게이트(CG4) 쪽으로 이동하게 되며, 이후 제어신호들(TFv4, Vcir1)의 라이징 타임이 경과하면, 도 6h와 같이, 트랜스퍼 게이트(TG4)에 의해 플로팅 디퓨전(FD4)으로 전송될 수 있다.
t7 이후 모듈레이션 구간이 종료될 때까지, 상술한 t3 ~ t7 동안에서와 같은 전자들의 이동 및 이동된 전자들의 플로팅 디퓨전 영역들(FD1 ~ FD4)로의 순차적인 전송이 반복적으로 수행될 수 있다. 즉, 모듈레이션 구간 동안, 각 유닛 픽셀(PX)의 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4) 및 트랜스퍼 게이트들(TG1 ~ TG4)에 인가되는 서큘레이션 제어신호들 및 트랜스퍼 제어신호들은 반시계 방향으로 반복적으로 순환하면서 변화될 수 있다. 모듈레이션 구간이 종료되면, 인에이블 신호(VEN)가 비활성화되어 리딩 아웃 구간이 시작될 수 있다. 이때, 드레인 전압(Vd)은 고전압 레벨이 되고, 드레이닝 제어신호(Vdrain)도 고전압(VH) 레벨로 활성화될 수 있다.
이에 따라, 광전변환소자(PD)는 서큘레이션 게이트들(CG1 ~ CG4)에 의해 드레인 노드들(D1 ~ D4)과 전기적으로 연결됨으로써 리딩 아웃 구간 동안에 드레인 전압(Vd)으로 고정될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광원
200: 렌즈 모듈
300: 픽셀 어레이
400: 제어회로
410: 로우 디코더
420: 광원 드라이버
430: 타이밍 컨트롤러
440: 모듈레이션 드라이버
450: 로직 회로
CG1 ~ CG4: 서큘레이션 게이트
TG1 ~ TG4: 트랜스퍼 게이트
D1 ~ D4: 드레인 노드
FD1 ~ FD4: 플로팅 디퓨전 영역

Claims (20)

  1. 복수의 유닛 픽셀들이 어레이 형태로 배열되는 픽셀 어레이를 포함하며,
    상기 복수의 유닛 픽셀들 각각은
    제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면으로 입사되는 광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환소자를 포함하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 내에서 상기 광전변환소자와 일정 거리 이격되게 위치하며, 상기 광전하를 임시 저장하는 복수의 플로팅 디퓨전 영역들;
    상기 제 2 면 상부에서 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하며, 서큘레이션 제어신호들에 근거하여 상기 광전변환소자의 서로 다른 영역들에 부분적으로 전기장을 발생시켜 상기 광전하의 이동을 유도하는 복수의 서큘레이션 게이트들; 및
    상기 제 2 면 상부에서 상기 서큘레이션 게이트들 사이에 각각 위치하며, 상기 광전변환소자에서 생성된 광전하를 트랜스퍼 제어신호에 근거하여 상기 복수의 플로팅 디퓨전 영역들 중 대응되는 플로팅 디퓨전 영역으로 전송하는 복수의 트랜스퍼 게이트들을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 서큘레이션 게이트들 중
    상기 제 1 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하는 서큘레이션 게이트들은 상기 제 2 방향의 길이가 상기 제 1 방향의 길이보다 긴 직사각 형상을 포함하며,
    상기 제 2 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하는 서큘레이션 게이트들은 상기 제 1 방향의 길이가 상기 제 2 방향의 길이보다 긴 직사각 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 트랜스퍼 게이트들 각각은
    상기 제 1 방향의 길이가 긴 서큘레이션 게이트와 상기 제 2 방향의 길이가 긴 서큘레이션 게이트 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 트랜스퍼 게이트들 및 상기 복수의 서큘레이션 게이트들은
    상기 광전변환소자의 일부 영역과 중첩되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 서큘레이션 게이트와 상기 광전변환소자가 중첩되는 영역의 최장축의 길이는 상기 트랜스퍼 게이트와 상기 광전변환소자가 중첩되는 영역의 최장축의 길이 보다 긴 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 서큘레이션 게이트들은
    드레이닝 제어신호에 근거하여 상기 광전변환소자를 기 설정된 드레인 전압으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 서큘레이션 제어신호와 상기 드레이닝 제어신호 중 어느 하나를 상기 복수의 서큘레이션 게이트들에 선택적으로 제공하는 복수의 스위칭 소자들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 광전변환소자와 반대측으로 상기 복수의 서큘레이션 게이트들 각각의 일측에 위치하며, 상기 드레인 전압을 인가받는 복수의 드레인 노드들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 복수의 드레인 노드들은
    상기 반도체 기판 내에서 상기 광전변환소자와 일정 거리 이격되며 제 1 타입의 불순물들이 주입된 불순물 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 서큘레이션 게이트들 각각은
    상기 광전변환소자를 둘러싸는 사각형의 링 형태에서 네 변들에 해당하는 영역들에 위치하며,
    상기 복수의 트랜스퍼 게이트들 각각은
    상기 사각형의 링 형태에서 꼭지점에 해당하는 영역들에 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 서큘레이션 게이트들은
    일정 방향을 따라 순차적으로 상기 서큘레이션 제어신호들을 인가받는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 복수의 트랜스퍼 게이트들은
    상기 일정 방향을 따라 순차적으로 상기 트랜스퍼 제어신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 복수의 트랜스퍼 게이트들 각각은
    양측에 있는 서큘레이션 게이트들이 모두 상기 서큘레이션 제어신호들을 인가받을 때 상기 트랜스퍼 제어신호를 인가받는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  14. 입사광을 광전변환하여 상기 입사광에 대응되는 전기 신호를 출력하는 복수의 유닛 픽셀들이 어레이 형태로 배열되는 픽셀 어레이를 포함하며,
    상기 복수의 유닛 픽셀들 각각은
    상기 입사광이 입사되는 제 1 면 및 상기 제 1 면과 대향되는 제 2 면을 가지며, 상기 입사광을 광전변환하여 광전하를 생성하는 광전변환소자를 포함하는 반도체 기판;
    상기 제 2 면 상부에서 제 1 방향 및 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하는 복수의 서큘레이션 게이트들;
    상기 제 2 면 상부에서 상기 서큘레이션 게이트들과 교번되게 상기 복수의 서큘레이션 게이트들 사이에 각각 위치하는 복수의 트랜스퍼 게이트들; 및
    상기 복수의 트랜스퍼 게이트들 각각을 기준으로 상기 광전변환소자의 반대측으로 상기 복수의 트랜스퍼 게이트들 각각의 일측에 위치하는 복수의 플로팅 디퓨전 영역들을 포함하는 이미지 센싱 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 서큘레이션 게이트들 각각을 기준으로 상기 광전변환소자의 반대측으로 상기 복수의 서큘레이션 게이트들 각각의 일측에 위치하며, 드레인 전압 입력단과 연결되는 복수의 드레인 노드들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 서큘레이션 게이트들 각각에 서큘레이션 제어신호와 드레이닝 제어신호 중 어느 하나를 선택적으로 제공하는 복수의 스위칭 소자들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 서큘레이션 게이트들 및 상기 복수의 트랜스퍼 게이트들은
    상기 광전변환소자의 일부 영역과 중첩되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 서큘레이션 게이트와 상기 광전변환소자가 중첩되는 영역의 최장축의 길이는 상기 트랜스퍼 게이트와 상기 광전변환소자가 중첩되는 영역의 최장축의 길이 보다 긴 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  19. 청구항 14에 있어서, 상기 복수의 서큘레이션 게이트들 중
    상기 제 1 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하는 서큘레이션 게이트들은 상기 제 2 방향의 길이가 상기 제 1 방향의 길이보다 길게 형성되며,
    상기 제 2 방향으로 상기 광전변환소자의 양측에 위치하는 서큘레이션 게이트들은 상기 제 1 방향의 길이가 상기 제 2 방향의 길이보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 복수의 서큘레이션 게이트들 및 상기 복수의 트랜스퍼 게이트들은
    서로 일정 간격 이격되면서 링 형태로 상기 광전변환소자를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 센싱 장치.
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