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KR102007277B1 - 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀 및 이를 포함하는 3차원 이미지 센서 - Google Patents

3차원 이미지 센서의 거리 픽셀 및 이를 포함하는 3차원 이미지 센서 Download PDF

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KR102007277B1
KR102007277B1 KR1020130025702A KR20130025702A KR102007277B1 KR 102007277 B1 KR102007277 B1 KR 102007277B1 KR 1020130025702 A KR1020130025702 A KR 1020130025702A KR 20130025702 A KR20130025702 A KR 20130025702A KR 102007277 B1 KR102007277 B1 KR 102007277B1
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KR
South Korea
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photo
gate
region
charges
photo gate
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KR1020130025702A
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English (en)
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오민석
공해경
김태찬
안정착
임무섭
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삼성전자주식회사
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  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 광 검출 영역, 제1 및 제2 포토 게이트들, 및 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들을 포함한다. 광 검출 영역은 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 수집된 전하들을 제1 방향 및 제2 방향으로 이동시키기 위한 내부 전기장이 형성된다. 제1 포토 게이트는 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 제1 플로팅 확산 영역은 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적한다. 제2 포토 게이트는 광 검출 영역의 상부에 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 제2 플로팅 확산 영역은 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 제2 방향으로 이동하는 제2 전하들을 축적한다.

Description

3차원 이미지 센서의 거리 픽셀 및 이를 포함하는 3차원 이미지 센서{DEPTH PIXEL INCLUDED IN THREE-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR AND THREE-DIMENSIONAL IMAGE SENSOR INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 이미지 센서에 포함되는 거리 픽셀 및 상기 거리 픽셀을 포함하는 3차원 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부에서 입사하는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 반도체 소자로서, 상기 광 신호에 상응하는 영상 정보를 제공하고 있다. 최근에는 상기 광 신호에 기초하여 영상 정보뿐만 아니라 거리 정보까지 제공할 수 있는 3차원 이미지 센서(3D image sensor)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로, 3차원 이미지 센서는 광학 펄스(laser pulse)를 피사체에 조사한 후, 상기 광학 펄스가 피사체로부터 반사되어 돌아오기까지의 시간인 비행시간(Time Of Flight; TOF)을 측정하는 방식으로, 거리 픽셀 별로 피사체까지의 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 포토 게이트의 크기가 감소되더라도 향상된 수광 효율(sensitivity)을 가질 수 있는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 포토 게이트의 크기가 감소되더라도 향상된 수광 효율을 가질 수 있는 3차원 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 광 검출 영역, 제1 포토 게이트, 제1 플로팅 확산 영역, 제2 포토 게이트 및 제2 플로팅 확산 영역을 포함한다. 상기 광 검출 영역은 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성된다. 상기 제1 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적한다. 상기 제2 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제2 방향으로 이동하는 제2 전하들을 축적한다.
일 실시예에서, 상기 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성되며, 상기 제1 및 제2 포토 게이트들로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 상기 광 검출 영역의 가장자리부에 형성되며, 상기 광 검출 영역의 가장자리부는 상기 광 검출 영역의 중앙부보다 높은 농도로 도핑될 수 있다.
상기 제1 방향은 상기 광 검출 영역의 중앙부로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향이며, 상기 제2 방향은 상기 광 검출 영역의 중앙부로부터 상기 제2 포토 게이트로 향하는 방향일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 거리 픽셀은 제1 게이트를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 및 제2 포토 게이트들의 사이에 형성되고, 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압이 인가될 수 있다.
상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 상기 광 검출 영역의 가장자리부에 형성되고, 상기 제1 게이트는 상기 광 검출 영역의 중앙부에 형성될 수 있다.
상기 제1 방향은 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향이며, 상기 제2 방향은 상기 제1 게이트로부터 상기 제2 포토 게이트로 향하는 방향일 수 있다.
상기 광 검출 영역이 전자-정공 쌍 중 전자를 수집하는 경우에 상기 제1 전압은 음의 전압이고, 상기 광 검출 영역이 전자-정공 쌍 중 정공을 수집하는 경우에 상기 제1 전압은 양의 전압일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 포토 게이트들의 크기는 상기 광 검출 영역의 크기보다 작을 수 있다.
상기 거리 픽셀은 제1 출력부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 출력부는 상기 제1 전하들 및 상기 제2 전하들의 합에 상응하는 제1 출력 전압을 발생할 수 있다.
상기 제1 출력부는 제1 리셋 트랜지스터, 제1 드라이브 트랜지스터 및 제1 선택 트랜지스터를 포함할 수 있다. 상기 제1 리셋 트랜지스터는 제1 리셋 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들을 초기화시킬 수 있다. 상기 제1 드라이브 트랜지스터는 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들의 전압을 증폭할 수 있다. 상기 제1 선택 트랜지스터는 상기 제1 드라이브 트랜지스터에 의해 증폭된 전압을 상기 제1 출력 전압으로 출력할 수 있다.
상기 거리 픽셀은 제3 포토 게이트, 제3 플로팅 확산 영역, 제4 포토 게이트 및 제4 플로팅 확산 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제3 플로팅 확산 영역은 상기 제3 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동되는 제3 전하들을 축적할 수 있다. 상기 제4 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제3 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제4 플로팅 확산 영역은 상기 제4 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제2 방향으로 이동하는 제4 전하들을 축적할 수 있다.
상기 거리 픽셀은 제1 임시 저장 영역, 제2 임시 저장 영역 및 제1 및 제2 전송 게이트들을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 임시 저장 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 제1 전하들을 저장할 수 있다. 상기 제2 임시 저장 영역은 상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 제2 전하들을 저장할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전송 게이트들은 제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전송 게이트들이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 임시 저장 영역들에 저장된 상기 제1 및 제2 전하들이 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들에 각각 전송될 수 있다.
상기 제1 및 제2 임시 저장 영역들은 상기 광 검출 영역에 인접하여 형성되거나 상기 광 검출 영역과 이격되어 형성될 수 있다.
상기 거리 픽셀은 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들, 제1 및 제2 저장 영역들, 제1 및 제2 저장 게이트들 및 제1 및 제2 전송 게이트들을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들은 상기 광 검출 영역에 인접하여 형성되고, 상기 제1 및 제2 포토 게이트들이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 전하들을 각각 저장할 수 있다. 상기 제1 및 제2 저장 영역들은 상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 저장 게이트들은 제1 저장 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전송 게이트들은 제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제1 및 제2 저장 게이트들이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들에 저장된 상기 제1 및 제2 전하들이 상기 제1 및 제2 저장 영역들에 각각 전송되고, 상기 제1 및 제2 전송 게이트들이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 저장 영역들에 저장된 상기 제1 및 제2 전하들이 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들에 각각 전송될 수 있다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은 광 검출 영역, 제1 포토 게이트 및 제1 플로팅 확산 영역을 포함한다. 상기 광 검출 영역은 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성된다. 상기 제1 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적한다. 상기 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성되며, 상기 제1 포토 게이트로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성된다.
일 실시예에서, 상기 거리 픽셀은 제1 게이트를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압이 인가될 수 있다.
상기 제1 포토 게이트 및 상기 제1 게이트는 상기 광 검출 영역의 가장자리부에 각각 형성될 수 있다.
상기 제1 방향은 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향일 수 있다.
상기 거리 픽셀은 제2 포토 게이트 및 제2 플로팅 확산 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제2 전하들을 축적할 수 있다.
상기 거리 픽셀은 제1 임시 저장 영역 및 제1 전송 게이트를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 임시 저장 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 제1 전하들을 저장할 수 있다. 상기 제1 전송 게이트는 제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제1 전송 게이트가 턴온되는 경우에 상기 제1 임시 저장 영역에 저장된 상기 제1 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역에 전송될 수 있다.
상기 거리 픽셀은 제1 브릿지 확산 영역, 제1 저장 영역, 제1 저장 게이트 및 제1 전송 게이트를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 브릿지 확산 영역은 상기 광 검출 영역에 인접하여 형성되고, 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 제1 전하들을 저장할 수 있다. 상기 제1 저장 영역은 상기 제1 브릿지 확산 영역과 이격되어 형성될 수 있다. 상기 제1 저장 게이트는 제1 저장 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제1 전송 게이트는 제1 전송 제어 신호에 응답하여 온-오프될 수 있다. 상기 제1 저장 게이트가 턴온되는 경우에 상기 제1 브릿지 확산 영역에 저장된 상기 제1 전하들이 상기 제1 저장 영역에 전송되고, 상기 제1 전송 게이트가 턴온되는 경우에 상기 제1 저장 영역에 저장된 상기 제1 전하들이 상기 제1 플로팅 확산 영역에 전송될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서는 광원부 및 픽셀 어레이를 포함한다. 상기 광원부는 피사체에 변조된 송신 광을 조사한다. 상기 픽셀 어레이는 복수의 거리 픽셀들을 포함하며, 상기 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생한다. 상기 복수의 거리 픽셀들 중 제1 거리 픽셀은 광 검출 영역, 제1 포토 게이트, 제1 플로팅 확산 영역, 제2 포토 게이트 및 제2 플로팅 확산 영역을 포함한다. 상기 광 검출 영역은 상기 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성된다. 상기 제1 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적한다. 상기 제2 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제2 플로팅 확산 영역은 상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제2 방향으로 이동하는 제2 전하들을 축적한다.
상기 제1 포토 게이트 및 상기 제1 플로팅 확산 영역은, 상기 제1 거리 픽셀 및 상기 제1 거리 픽셀과 인접하는 제2 거리 픽셀에 의해 공유될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서는 광원부 및 픽셀 어레이를 포함한다. 상기 광원부는 피사체에 변조된 송신 광을 조사한다. 상기 픽셀 어레이는 복수의 거리 픽셀들을 포함하며, 상기 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생한다. 상기 복수의 거리 픽셀들 중 제1 거리 픽셀은 광 검출 영역, 제1 포토 게이트 및 제1 플로팅 확산 영역을 포함한다. 상기 광 검출 영역은 상기 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성된다. 상기 제1 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프된다. 상기 제1 플로팅 확산 영역은 상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적한다. 상기 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성되며, 상기 제1 포토 게이트로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀은, 수신 광에 기초하여 수집된 전하들을 양방향 또는 단방향으로 이동시키기 위한 내부 전기장이 광 검출 영역 내에 형성될 수 있으며, 포토 게이트의 크기가 작아지더라도 상기 수집된 전하들을 효율적으로 저장/전송할 수 있다. 따라서 거리 픽셀들의 전력 소모가 감소되고, 거리 픽셀들이 상대적으로 높은 변조 주파수로 구동되더라도 복조 콘트라스트가 낮아지지 않으며, 표면 결함에 의해 발생되는 암전류 및 노이즈가 감소됨으로써, 거리 픽셀들을 포함하는 3차원 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 2 및 3은 도 1의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 도 1의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 6 및 7은 도 5의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 9는 도 8의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 8의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 13a 및 13b는 도 12의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다.
도 14는 도 12의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 16a 및 16b는 도 15의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 18a 및 18b는 도 17의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다.
도 19는 도 17의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 21 및 22는 도 20의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 24 및 25는 도 23의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다.
도 26, 27, 28, 29 및 30은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도들이다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 32는 도 31의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 33a 및 33b는 도 32의 픽셀 어레이에 포함되는 거리 픽셀의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 35a 및 35b는 도 34의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 38은 도 37의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 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, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 2 및 3은 도 1의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다. 도 2는 도 1의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 3은 도 1의 거리 픽셀에 포함되는 광 검출 영역의 도핑 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 1, 2 및 3을 참조하면, 3차원 이미지 센서에 포함되는 거리 픽셀(100a)은 광 검출 영역(120), 제1 포토 게이트(131), 제1 플로팅 확산 영역(141), 제2 포토 게이트(133) 및 제2 플로팅 확산 영역(143)을 포함한다. 거리 픽셀(100a)은 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다.
거리 픽셀(100a)은 반도체 기판(110)을 이용한 CMOS 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 검출 영역(120) 및 플로팅 확산 영역들(141, 143)은 반도체 기판(110)의 상부 표면으로의 이온 주입 공정 등을 통하여 반도체 기판(110) 내에 형성될 수 있고, 포토 게이트들(131, 133)은 증착 공정, 식각 공정 등을 통하여 반도체 기판(110)과 이격되도록 반도체 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 도시하지는 않았으나, 반도체 기판(110)의 상부 표면과 게이트들(131, 133) 사이에는 산화막과 같은 절연층이 개재될 수 있다.
광 검출 영역(120)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 피사체로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 전하들(CC)을 수집한다. 광 검출 영역(120) 내에는 수집된 전하들(CC)을 제1 방향(D1) 및 제1 방향(D1)과 다른 제2 방향(D2)으로(즉, 양방향으로) 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성된다.
제1 포토 게이트(131)는 반도체 기판(110)의 상부(over), 즉 광 검출 영역(120)의 상부에 형성된다. 제2 포토 게이트(133)는 반도체 기판(110)의 상부, 즉 광 검출 영역(120)의 상부에 제1 포토 게이트(131)와 이격되어 형성된다. 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)은 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 온-오프된다.
게이트들(131, 133)은 폴리실리콘(polysilicon)을 포함하거나, 투명 전도 산화물(transparent conducting oxide, TCO)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트들(131, 133)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(zinc oxide, ZnO), 티타늄 산화물(titanium dioxide, TiO2), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
거리 픽셀(100a)에 입사되는 수신 광(RX)은 도 2에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)의 상부 표면으로부터 입사될 수 있고, 이 경우 포토 게이트들(131, 133)은 투명 전도 산화물을 포함하여 형성될 수 있다. 한편, 거리 픽셀(100a)에 입사되는 수신 광(RX)은 도 2에 도시된 바와 다르게 반도체 기판(110)의 하부 표면으로부터 입사될 수 있고, 이 경우 포토 게이트들(131, 133)은 불투명 전도 산화물을 포함할 수 있다.
제1 플로팅 확산 영역(141)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 제1 포토 게이트(131)가 턴온되는 경우에 수집된 전하들(CC) 중 제1 방향(D1)으로 이동하는 제1 전하들을 축적한다. 제2 플로팅 확산 영역(143)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 제2 포토 게이트(133)가 턴온되는 경우에 수집된 전하들(CC) 중 제2 방향(D2)으로 이동하는 제2 전하들을 축적한다. 다시 말하면, 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 광 검출 영역(120)과 플로팅 확산 영역들(141, 143)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 전기적인 연결은 두 개의 영역들 사이의 반도체 기판(110)의 상부 영역에 형성되는 채널일 수 있다.
광 검출 영역(120) 및 플로팅 확산 영역들(141, 143)은 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있으며, 광 검출 영역(120)은 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)은 광 검출 영역(120)의 가장자리부(EA)에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고, 광 검출 영역(120) 및 플로팅 확산 영역들(141, 143)은 n형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전하들은 전자-정공 쌍(electron-hole pair) 중 전자일 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 것처럼 광 검출 영역(120)의 가장자리부(EA)는 광 검출 영역(120)의 중앙부(CA)보다 높은 농도로 n형 불순불이 도핑(예를 들어, 가장자리부(EA)는 (n+) 영역, 중앙부(CA)는 n 또는 (n-) 영역)될 수 있으며, 이에 따라 전기장(E-FIELD)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전하들(즉, 전자들)은 전기장(E-FIELD)에 따라 제1 및 제2 방향들(D1, D2)로 각각 이동할 수 있다. 제1 방향(D1)은 광 검출 영역(120)의 중앙부(CA)로부터 제1 포토 게이트(131)로 향하는 방향이며, 제2 방향(D2)은 광 검출 영역(120)의 중앙부(CA)로부터 제2 포토 게이트(133)로 향하는 방향일 수 있다.
다른 실시예에서, 반도체 기판(110)은 n형 반도체 기판이고, 광 검출 영역(120) 및 플로팅 확산 영역들(141, 143)은 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 전하들은 전자-정공 쌍 중 정공일 수 있다. 광 검출 영역(120)의 가장자리부(EA)는 광 검출 영역(120)의 중앙부(CA)보다 높은 농도로 p형 불순불이 도핑(예를 들어, 가장자리부(EA)는 (p+) 영역, 중앙부(CA)는 p 또는 (p-) 영역)될 수 있으며, 이에 따라 도 3에 도시된 것과 반대 방향의 전기장이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전하들(즉, 정공들)은 상기 반대 방향의 전기장에 따라 제1 및 제2 방향들(D1, D2)로 각각 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)의 크기는 광 검출 영역(120)의 크기보다 작을 수 있다. 광 검출 영역(120)에서 수집된 전하들(CC)이 상기 내부 전기장을 따라 이동하기 때문에, 포토 게이트들(131, 133)의 크기가 작아지더라도 수집된 전하들(CC)을 효율적으로 저장/전송할 수 있다. 포토 게이트들(131, 133)의 크기가 감소되는 경우에, 포토 게이트들(131, 133)에 대한 커패시턴스가 감소하고 제조 공정 상 발생되는 표면 결함(surface defect)이 감소할 수 있다. 따라서 거리 픽셀(100a)의 전력 소모가 감소되고, 거리 픽셀(100a)이 상대적으로 높은 변조 주파수(modulation frequency)로 구동되더라도 복조 콘트라스트(demodulation contrast)가 낮아지지 않으며, 표면 결함에 의해 발생하는 암전류(dark current) 및 상기 암전류에 의해 발생하는 노이즈가 감소됨으로써, 거리 픽셀(100a)을 포함하는 3차원 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다. 한편, 광 검출 영역(120) 및 포토 게이트들(131, 133)은 다양한 임의의 형상을 가지도록 구현될 수도 있다.
제1 출력부(180)는 제1 리셋 신호(RST1)에 응답하여 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)을 초기화시키며, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압을 전기적인 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 다시 말하면, 제1 출력부(180)는 상기 제1 및 제2 전하들의 합에 상응하는 제1 출력 전압(VOUT1)을 발생할 수 있다.
제1 출력부(180)는 제1 리셋 트랜지스터(181), 제1 드라이브 트랜지스터(183) 및 제1 선택 트랜지스터(185)를 포함할 수 있다. 제1 리셋 트랜지스터(181)는 제1 리셋 신호(RST1)에 응답하여 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)을 전원 전압(VDD)의 레벨로 초기화시킬 수 있다. 제1 드라이브 트랜지스터(183)는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압을 증폭할 수 있다. 제1 선택 트랜지스터(185)는 제1 선택 신호(SEL1)에 응답하여 제1 드라이브 트랜지스터(183)에 의해 증폭된 전압을 제1 출력 전압(VOUT1)으로서 제1 출력 라인(187)에 제공할 수 있다.
도 4는 도 1의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 1, 2 및 4를 참조하면, 거리 픽셀(100a)은 집광 시간(TINT) 이전에 제1 리셋 신호(RST1)를 활성화하여 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)을 초기화시킨다.
거리 픽셀(100a)을 포함하는 3차원 이미지 센서는 집광 시간(TINT) 동안에 피사체에 변조된 송신 광(TX)을 조사(illumination)한다. 도 31 및 34를 참조하여 후술하는 바와 같이, 상기 3차원 이미지 센서는 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 송신 광(TX)을 피사체에 조사하기 위한 광원 또는 발광 장치를 포함할 수 있다. 송신 광(TX)은 상기 피사체에 의해 반사되어 수신 광(RX)으로서 상기 3차원 이미지 센서에 도달한다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(Time Of Flight; TOF)만큼 지연된다.
집광 시간(TINT) 동안에 수신 광(RX)에 의해 거리 픽셀(100a)의 광 검출 영역(120)에서 전하들(CC)이 수집된다. 수집된 전하들(CC)은 상기 내부 전기장에 기초하여 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 이동한다. 집광 시간(TINT) 동안에 주기적으로 변동하는 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여, 제1 방향(D1)으로 이동한 상기 제1 전하들은 제1 플로팅 확산 영역(141)에 축적되고, 제2 방향(D2)으로 이동한 상기 제2 전하들은 제2 플로팅 확산 영역(143)에 축적된다. 상기 제1 및 제2 전하들의 합은 제1 포토 제어 신호(PGC1)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q)의 양과 실질적으로 동일할 수 있다.
이와 같이 제1 포토 제어 신호(PGC1)의 위상에 상응하는 광 전하들(Q)의 양을 구하면 TOF를 구할 수 있다. 상기 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리를 D, 빛의 속도를 c라 하면, 수학식 "D = TOF*c/2"를 이용하여 D가 계산될 수 있다. 도 4에는 송신 광(TX)과 동일한 위상을 갖는 하나의 포토 제어 신호(PGC1)만이 도시되어 있으나, 실시예에 따라서 TOF를 더욱 정밀하게 산출하기 위하여 송신 광(TX)과 서로 다른 위상 차를 갖는 복수의 포토 제어 신호들이 이용될 수도 있다.
독출 시간(TRD)이 시작되면 샘플링 제어 신호(SMPD)가 활성화되고, 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압이 복조 전압(VD)으로서 검출된다. 복조 전압(VD)은 상기 제1 및 제2 전하들의 합(즉, 광 전하들(Q))에 상응하며, 유효한 신호 성분(즉, 유효 전압)에 상응할 수 있다.
도 4에는 제1 리셋 신호(RST1)가 집광 시간(TINT) 동안에 비활성화되는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 제1 리셋 신호(RST1)는 집광 시간(TINT) 이전에 활성화되어 전체 집광 시간(TINT) 동안에 활성화 상태를 계속 유지할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 6 및 7은 도 5의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다. 도 6은 도 5의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 7은 도 5의 거리 픽셀에 포함되는 광 검출 영역의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 5, 6 및 7을 참조하면, 거리 픽셀(100b)은 광 검출 영역(120), 제1 포토 게이트(131), 제1 플로팅 확산 영역(141), 제2 포토 게이트(133) 및 제2 플로팅 확산 영역(143)을 포함한다. 거리 픽셀(100b)은 제1 출력부(180) 및 제1 게이트(122)를 더 포함할 수 있다.
도 1의 거리 픽셀(100a)과 비교하였을 때, 도 5의 거리 픽셀(100b)은 제1 게이트(122)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(100b)은 도 4를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있으며, 포토 게이트들(131, 133), 플로팅 확산 영역들(141, 143) 및 제1 출력부(180)의 구성은 도 1을 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 게이트(122)는 광 검출 영역(120)의 상부에 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)의 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)은 광 검출 영역(120)의 가장자리부(EA)에 형성되고, 제1 게이트(122)는 광 검출 영역(120)의 중앙부(CA)에 형성될 수 있다. 제1 게이트(122)는 포토 게이트들(131, 133)과 실질적으로 동일한 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
제1 게이트(122)에 제1 전압(V1)이 인가됨으로써, 광 검출 영역(120) 내에 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다. 제1 전압(V1)은 음의 전압 또는 양의 전압일 수 있다.
일 실시예에서, 반도체 기판(110)은 p형 반도체 기판이고 광 검출 영역(120)은 n형 불순물로 도핑된 경우에, 즉 광 검출 영역(120)이 전자-정공 쌍 중 전자를 수집하는 경우에, 제1 전압(V1)은 음의 전압일 수 있다. 이 경우, 도 7에 도시된 것처럼 광 검출 영역(120) 내의 전위 레벨은 가장자리부(EA)에서 중앙부(CA)로 갈수록, 즉 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮아질 수 있으며, 이에 따라 전기장(E-FIELD)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전하들(즉, 전자들)은 전기장(E-FIELD)에 따라 제1 및 제2 방향들(D1, D2)로 각각 이동할 수 있다. 제1 방향(D1)은 제1 게이트(122)로부터 제1 포토 게이트(131)로 향하는 방향이며, 제2 방향(D2)은 제1 게이트(122)로부터 제2 포토 게이트(133)로 향하는 방향일 수 있다.
다른 실시예에서, 반도체 기판(110)은 n형 반도체 기판이고 광 검출 영역(120)은 p형 불순물로 도핑된 경우에, 즉 광 검출 영역(120)이 전자-정공 쌍 중 정공을 수집하는 경우에, 제1 전압(V1)은 양의 전압일 수 있다. 이 경우, 도 7에 도시된 것과 다르게 광 검출 영역(120) 내의 전위 레벨은 가장자리부(EA)에서 중앙부(CA)로 갈수록, 즉 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)로부터 멀어질수록 점차적으로 높아질 수 있으며, 이에 따라 도 7에 도시된 것과 반대 방향의 전기장이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전하들(즉, 정공들)은 상기 반대 방향의 전기장에 따라 제1 및 제2 방향들(D1, D2)로 각각 이동할 수 있다.
한편, 실시예에 따라서, 광 검출 영역(120)은 불순물이 균일한 농도로 도핑되어 형성될 수도 있고, 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성될 수도 있다. 다시 말하면, 도 1 내지 3을 참조하여 상술한 실시예와 도 5 내지 7을 참조하여 상술한 실시예가 조합될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 방향들(D1, D2)로 더욱 효과적으로 이동할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 9는 도 8의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면이다. 도 9는 도 8의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이다.
도 8 및 9를 참조하면, 거리 픽셀(100c)은 광 검출 영역(120), 제1 포토 게이트(131), 제1 플로팅 확산 영역(141), 제2 포토 게이트(133) 및 제2 플로팅 확산 영역(143)을 포함하며, 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(100c)은 제3 포토 게이트(135), 제3 플로팅 확산 영역(145), 제4 포토 게이트(137), 제4 플로팅 확산 영역(147) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.
도 1의 거리 픽셀(100a)과 비교하였을 때, 도 8의 거리 픽셀(100c)은 제3 및 제4 포토 게이트들(135, 137), 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다. 제3 및 제4 포토 게이트들(135, 137), 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147) 및 제2 출력부(190)는 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143) 및 제1 출력부(180)와 각각 대칭적으로 형성될 수 있다.
제3 포토 게이트(135)는 반도체 기판(110)의 상부, 즉 광 검출 영역(120)의 상부에 제1 포토 게이트(131)와 이격되어 형성될 수 있다. 제4 포토 게이트(137)는 반도체 기판(110)의 상부, 즉 광 검출 영역(120)의 상부에 제2 포토 게이트(133) 및 제3 포토 게이트(133)와 이격되어 형성될 수 있다. 제3 및 제4 포토 게이트들(135, 137)은 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 온-오프될 수 있다.
제3 플로팅 확산 영역(145)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 제3 포토 게이트(135)가 턴온되는 경우에 수집된 전하들(CC) 중 제1 방향(D1)으로 이동하는 제3 전하들을 축적할 수 있다. 제4 플로팅 확산 영역(147)은 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 제4 포토 게이트(137)가 턴온되는 경우에 수집된 전하들(CC) 중 제2 방향(D2)으로 이동하는 제4 전하들을 축적할 수 있다.
제2 출력부(190)는 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)의 전압을 전기적인 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 제2 출력부(190)는 제1 출력부(180)와 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 출력부(190)는 제2 리셋 트랜지스터(191), 제2 드라이브 트랜지스터(193) 및 제2 선택 트랜지스터(195)를 포함할 수 있다. 제2 리셋 트랜지스터(191)는 제2 리셋 신호(RST2)에 응답하여 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)에 축적된 전하들을 방전함으로써, 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)을 전원 전압(VDD)의 레벨로 초기화시킬 수 있다. 제2 드라이브 트랜지스터(193)는 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)의 전압을 증폭할 수 있다. 제2 선택 트랜지스터(195)는 제2 선택 신호(SEL2)에 응답하여 제2 드라이브 트랜지스터(193)에 의해 증폭된 전압을 제2 출력 전압(VOUT2)으로서 제2 출력 라인(197)에 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(120)은 제1 내지 제4 포토 게이트들(131, 133, 135, 137)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 거리 픽셀(100c)은 채널 중지 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 채널 중지 영역은 제1 포토 게이트(131)와 제3 포토 게이트(135) 사이의 반도체 기판(110) 내에 형성되며, 반도체 기판(110)과 동일한 도전형의 불순물이 반도체 기판(110)보다 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 상기 채널 중지 영역은 제2 포토 게이트(133)와 제4 포토 게이트(137) 사이의 반도체 기판(110) 내에도 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 거리 픽셀(100c)은, 두 개의 하프 픽셀들로 구분될 수 있다. 이 경우, 제1 하프 픽셀은 광 검출 영역(120), 제1 및 제2 포토 게이트들(131, 133), 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143) 및 제1 출력부(180)를 포함하고, 제2 하프 픽셀은 광 검출 영역(120), 제3 및 제4 포토 게이트들(135, 137), 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147) 및 제2 출력부(190)를 포함할 수 있다.
도 10은 도 8의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 8, 9 및 10을 참조하면, 거리 픽셀(100c)은 집광 시간(TINT) 이전에 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)을 초기화시킨다.
집광 시간(TINT) 동안에 피사체에 조사된 송신 광(TX)이 상기 피사체에 의해 반사되어 수신 광(RX)으로서 거리 픽셀(100c)에 도달한다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(TOF)만큼 지연된다.
집광 시간(TINT) 동안에 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 제1 및 제2 포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)은 송신 광(TX)과 일정한 위상 차를 갖는다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 포토 제어 신호(PGC1)는 송신 광(TX)과 동일한 위상을 갖고, 제2 포토 제어 신호(PGC2)는 송신 광(TX)과 반대 위상(즉, 180도의 위상 차)을 가질 수 있다. 즉, 제1 및 제2 포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)은 집광 시간(TINT) 동안에 제1 논리 레벨(예를 들어, 논리 로우 레벨)과 제2 논리 레벨(예를 들어, 논리 하이 레벨) 사이를 주기적으로 토글링하고, 독출 시간(TRD) 동안에 상기 제1 논리 레벨을 가질 수 있다.
제1 포토 제어 신호(PGC1)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q1)이 광 검출 영역(120)에서 수집된다. 수집된 광 전하들(Q1)은 상기 내부 전기장에 기초하여 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 이동하며, 제1 방향(D1)으로 이동한 상기 제1 전하들은 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(141)에 축적되고, 제2 방향(D2)으로 이동한 상기 제2 전하들은 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 제2 플로팅 확산 영역(143)에 축적된다. 또한, 제2 포토 제어 신호(PGC2)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q2)이 광 검출 영역(120)에서 수집된다. 수집된 광 전하들(Q2)은 상기 내부 전기장에 기초하여 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 이동하며, 제1 방향(D1)으로 이동한 상기 제3 전하들은 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 제3 플로팅 확산 영역(145)에 축적되고, 제2 방향(D2)으로 이동한 상기 제4 전하들은 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 제4 플로팅 확산 영역(147)에 축적된다.
독출 시간(TRD)이 시작되면 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합(즉, 광 전하들(Q1))에 상응하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압이 제1 복조 전압(VD1)으로서 검출되고, 상기 제3 및 제4 전하들의 합(즉, 광 전하들(Q2))에 상응하는 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)의 전압이 제2 복조 전압(VD2)으로서 검출된다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다.
도 11을 참조하면, 거리 픽셀(100d)은 광 검출 영역(120), 제1 포토 게이트(131), 제1 플로팅 확산 영역(141), 제2 포토 게이트(133) 및 제2 플로팅 확산 영역(143)을 포함하며, 제1 게이트(122) 및 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(100d)은 제3 포토 게이트(135), 제3 플로팅 확산 영역(145), 제4 포토 게이트(137), 제4 플로팅 확산 영역(147) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.
도 8의 거리 픽셀(100c)과 비교하였을 때, 도 11의 거리 픽셀(100d)은 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압(V1)이 인가되는 제1 게이트(122)를 더 포함할 수 있다. 제1 전압(V1)은 광 검출 영역(120)에서 수집되는 전하의 종류에 따라서 음의 전압 또는 양의 전압일 수 있다. 거리 픽셀(100d)은 도 10을 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있으며, 제1 게이트(122)는 도 5 및 6을 참조하여 상술한 제1 게이트(122)와 실질적으로 동일할 수 있다.
실시예에 따라서, 광 검출 영역(120)은 불순물이 균일한 농도로 도핑되어 형성될 수도 있고, 제1 내지 제4 포토 게이트들(131, 133, 135, 137)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 13a 및 13b는 도 12의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다. 도 13a는 도 12의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 13b는 도 12의 II-II' 라인에 의해 절단된 단면도이다.
도 12, 13a 및 13b를 참조하면, 거리 픽셀(100e)은 광 검출 영역(120), 제1 포토 게이트(131), 제1 플로팅 확산 영역(141), 제2 포토 게이트(133) 및 제2 플로팅 확산 영역(143)을 포함하며, 제1 브릿지 확산 영역(151), 제1 전송 게이트(161), 제2 브릿지 확산 영역(153), 제2 전송 게이트(163) 및 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(100e)은 제3 포토 게이트(135), 제3 브릿지 확산 영역(155), 제3 전송 게이트(165), 제3 플로팅 확산 영역(145), 제4 포토 게이트(137), 제4 브릿지 확산 영역(157), 제4 전송 게이트(167), 제4 플로팅 확산 영역(147) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.
도 8의 거리 픽셀(100c)과 비교하였을 때, 도 12의 거리 픽셀(100e)은 임시 저장 영역으로서 제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)을 더 포함하며, 제1 내지 제4 전송 게이트들(161, 163, 165, 167)을 더 포함할 수 있다. 즉, 거리 픽셀(100e)은 상기 제1 내지 제4 전하들을 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)에 곧바로 저장하는 대신에, 상기 제1 내지 제4 전하들을 먼저 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)에 임시 저장하고 그 후에 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)에 저장할 수 있다.
제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)은 반도체 기판(110) 내에 광 검출 영역(120)에 각각 인접하여 형성될 수 있다. 제1 브릿지 확산 영역(151)은 제1 포토 게이트(131)가 턴온되는 경우에 상기 제1 전하들을 저장하고, 제2 브릿지 확산 영역(153)은 제2 포토 게이트(133)가 턴온되는 경우에 상기 제2 전하들을 저장할 수 있다. 즉, 광 검출 영역(120)에서 수집되고 제1 및 제2 방향들(D1, D2)로 이동한 상기 제1 및 제2 전하들은, 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(151, 153)에 각각 임시 저장될 수 있다. 제3 브릿지 확산 영역(155)은 제3 포토 게이트(135)가 턴온되는 경우에 상기 제3 전하들을 저장하고, 제4 브릿지 확산 영역(157)은 제4 포토 게이트(137)가 턴온되는 경우에 상기 제4 전하들을 저장할 수 있다. 즉, 광 검출 영역(120)에서 수집되고 제1 및 제2 방향들(D1, D2)로 이동한 상기 제3 및 제4 전하들은, 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 제3 및 제4 브릿지 확산 영역들(155, 157)에 각각 임시 저장될 수 있다.
브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)은 광 검출 영역(120) 및 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)과 마찬가지로 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다.
제1 및 제2 전송 게이트들(161, 163)은 반도체 기판(110)의 상부에 형성되며, 제1 전송 제어 신호(TGC1)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제1 전송 게이트(161)는 제1 브릿지 확산 영역(151)과 제1 플로팅 확산 영역(141) 사이에 배치되며, 제2 전송 게이트(163)는 제2 브릿지 확산 영역(153)과 제2 플로팅 확산 영역(143) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 전송 게이트들(161, 163)이 턴온되는 경우에 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(151, 153)과 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)이 각각 전기적으로 연결되며, 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(151, 153)에 저장된 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)에 각각 전송될 수 있다. 제3 및 제4 전송 게이트들(165, 167)은 반도체 기판(110)의 상부에 형성되며, 제2 전송 제어 신호(TGC2)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제3 전송 게이트(165)는 제3 브릿지 확산 영역(155)과 제3 플로팅 확산 영역(145) 사이에 배치되며, 제4 전송 게이트(167)는 제4 브릿지 확산 영역(157)과 제4 플로팅 확산 영역(147) 사이에 배치될 수 있다. 제3 및 제4 전송 게이트들(165, 167)이 턴온되는 경우에 제3 및 제4 브릿지 확산 영역들(155, 157)과 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)이 각각 전기적으로 연결되며, 제3 및 제4 브릿지 확산 영역들(155, 157)에 저장된 상기 제3 및 제4 전하들이 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)에 각각 전송될 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(120)은 제1 내지 제4 포토 게이트들(131, 133, 135, 137)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
도 14는 도 12의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 12, 13a, 13b 및 14를 참조하면, 거리 픽셀(100e)은 집광 시간(TINT) 이전에 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)을 초기화시킨다.
집광 시간(TINT) 동안에 피사체에 조사된 송신 광(TX)이 상기 피사체에 의해 반사되어 수신 광(RX)으로서 거리 픽셀(100e)에 도달한다. 수신 광(RX)은 송신 광(TX)에 대하여 광의 비행 시간(TOF)만큼 지연된다.
집광 시간(TINT) 동안에 주기적으로 변동하는 세기를 가지는 제1 및 제2 포토 제어 신호들(PGC1, PGC2)은 송신 광(TX)과 일정한 위상 차를 갖는다. 제1 포토 제어 신호(PGC1)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q1)이 광 검출 영역(120)에서 수집되며, 수집된 광 전하들(Q1) 중 제1 방향(D1)으로 이동한 상기 제1 전하들 및 제2 방향(D2)으로 이동한 상기 제2 전하들은 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(151, 153)에 각각 임시 저장된다. 또한, 제2 포토 제어 신호(PGC2)의 활성화 구간에 상응하는 광 전하들(Q2)이 광 검출 영역(120)에서 수집되며, 수집된 광 전하들(Q2) 중 제1 방향(D1)으로 이동한 상기 제3 전하들 및 제2 방향(D2)으로 이동한 상기 제4 전하들은 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 제3 및 제4 브릿지 확산 영역들(155, 157)에 각각 임시 저장된다.
독출 시간(TRD)이 시작되면, 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)을 초기화시킨다. 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)이 초기화된 후에 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압이 제1 노이즈 전압(VB1)으로서 검출되고, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)의 전압이 제2 노이즈 전압(VB2)으로서 검출된다. 노이즈 전압들(VB1, VB2)이 검출된 후에, 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여, 상기 제1 내지 제4 전하들을 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)에 각각 전송한다. 상기 제1 내지 제4 전하들이 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)에 축적된 후에 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합(즉, 광 전하들(Q1))에 상응하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압이 제1 복조 전압(VD1)으로서 검출되고, 상기 제3 및 제4 전하들의 합(즉, 광 전하들(Q2))에 상응하는 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)의 전압이 제2 복조 전압(VD2)으로서 검출된다.
검출된 노이즈 전압들(VB1, VB2) 및 복조 전압들(VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다. 즉, 제1 노이즈 전압(VB1)과 제1 복조 전압(VD1)의 차이로부터 제1 포토 제어 신호(PGC1)의 위상에 상응하는 제1 유효 전압(V1=|VB1-VD1|)을 결정하고 제2 노이즈 전압(VB2)과 제2 복조 전압(VD2)의 차이로부터 제2 포토 제어 신호(PGC2)의 위상에 상응하는 제2 유효 전압(V2=|VB2-VD2|)을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 제어 신호(PGC1)와 송신 광(TX) 사이의 위상 차를 P1이라 하고 제2 포토 제어 신호(PGC2)와 송신 광(TX) 사이의 위상 차를 P2라 하면, (P1V1+P2V2)/(V1+V2)와 같은 가중치 평균으로부터 수신 광(RX)의 위상이 계산될 수 있고, 결과적으로 피사체까지의 거리를 구할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 16a 및 16b는 도 15의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다. 도 16a는 도 15의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 16b는 도 15의 II-II' 라인에 의해 절단된 단면도이다.
도 15, 16a 및 16b를 참조하면, 거리 픽셀(100f)은 광 검출 영역(120), 제1 포토 게이트(131), 제1 플로팅 확산 영역(141), 제2 포토 게이트(133) 및 제2 플로팅 확산 영역(143)을 포함하며, 제1 저장 영역(152), 제1 전송 게이트(161), 제2 저장 영역(154), 제2 전송 게이트(163) 및 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(100f)은 제3 포토 게이트(135), 제3 저장 영역(156), 제3 전송 게이트(165), 제3 플로팅 확산 영역(145), 제4 포토 게이트(137), 제4 저장 영역(158), 제4 전송 게이트(167), 제4 플로팅 확산 영역(147) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.
도 8의 거리 픽셀(100c)과 비교하였을 때, 도 15의 거리 픽셀(100f)은 임시 저장 영역으로서 제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158)을 더 포함하며, 제1 내지 제4 전송 게이트들(161, 163, 165, 167)을 더 포함할 수 있다. 즉, 거리 픽셀(100f)은 상기 제1 내지 제4 전하들을 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)에 곧바로 저장하는 대신에, 상기 제1 내지 제4 전하들을 먼저 저장 영역들(152, 154, 156, 158)에 임시 저장하고 그 후에 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)에 저장할 수 있다. 거리 픽셀(100f)은 도 14를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있다.
제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158)은 반도체 기판(110) 내에 광 검출 영역(120)과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 제1 저장 영역(152)은 제1 포토 게이트(131)가 턴온되는 경우에 상기 제1 전하들을 저장하고, 제2 저장 영역(154)은 제2 포토 게이트(133)가 턴온되는 경우에 상기 제2 전하들을 저장하고, 제3 저장 영역(156)은 제3 포토 게이트(135)가 턴온되는 경우에 상기 제3 전하들을 저장하며, 제4 저장 영역(158)은 제4 포토 게이트(137)가 턴온되는 경우에 상기 제4 전하들을 저장할 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 전하들은 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 제1 및 제2 저장 영역들(152, 154)에 각각 임시 저장되며, 상기 제3 및 제4 전하들은 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 제3 및 제4 저장 영역들(156, 158)에 각각 임시 저장될 수 있다.
저장 영역들(152, 154, 156, 158)은 광 검출 영역(120) 및 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)과 마찬가지로 반도체 기판(110)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있다.
제1 및 제2 전송 게이트들(161, 163)에 인가되는 제1 전송 제어 신호(TGC1)에 응답하여 제1 및 제2 저장 영역들(152, 154)과 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 저장 영역들(152, 154)로부터 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)로 각각 전송될 수 있다. 제3 및 제4 전송 게이트들(165, 167)에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TGC2)에 응답하여 제3 및 제4 저장 영역들(156, 158)과 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제3 및 제4 전하들이 제3 및 제4 저장 영역들(156, 158)로부터 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)로 각각 전송될 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(120)은 제1 내지 제4 포토 게이트들(131, 133, 135, 137)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 18a 및 18b는 도 17의 거리 픽셀의 수직적 구조를 나타내는 도면들이다. 도 18a는 도 17의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 18b는 도 17의 II-II' 라인에 의해 절단된 단면도이다.
도 17, 18a 및 18b를 참조하면, 거리 픽셀(100g)은 광 검출 영역(120), 제1 포토 게이트(131), 제1 플로팅 확산 영역(141), 제2 포토 게이트(133) 및 제2 플로팅 확산 영역(143)을 포함하며, 제1 브릿지 확산 영역(151), 제1 저장 게이트(171), 제1 저장 영역(152), 제1 전송 게이트(161), 제2 브릿지 확산 영역(153), 제2 저장 게이트(173), 제2 저장 영역(154), 제2 전송 게이트(163) 및 제1 출력부(180)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(100g)은 제3 포토 게이트(135), 제3 브릿지 확산 영역(155), 제3 저장 게이트(175), 제3 저장 영역(156), 제3 전송 게이트(165), 제3 플로팅 확산 영역(145), 제4 포토 게이트(137), 제4 브릿지 확산 영역(157), 제4 저장 게이트(177), 제4 저장 영역(158), 제4 전송 게이트(167), 제4 플로팅 확산 영역(147) 및 제2 출력부(190)를 더 포함할 수 있다.
도 8의 거리 픽셀(100c)과 비교하였을 때, 도 17의 거리 픽셀(100g)은 임시 저장 영역으로서 제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157) 및 제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158)을 더 포함하며, 제1 내지 제4 전송 게이트들(161, 163, 165, 167) 및 제1 내지 제4 저장 게이트들(171, 173, 175, 177)을 더 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)은 광 검출 영역(120)에 각각 인접하여 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158)은 제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)은 제1 내지 제4 포토 게이트들(131, 133, 135, 137)이 턴온되는 경우에 상기 제1 내지 제4 전하들을 각각 저장할 수 있다.
제1 내지 제4 저장 게이트들(171, 173, 175, 177)은 제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)과 제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158) 사이의 반도체 기판(110)의 상부에 각각 형성될 수 있다. 제1 및 제2 저장 게이트들(171, 173)에 인가되는 제1 저장 제어 신호(SGC1)에 응답하여 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(151, 153)과 제1 및 제2 저장 영역들(152, 154)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(135, 137)로부터 제1 및 제2 저장 영역들(145, 147)로 각각 전송될 수 있다. 제3 및 제4 저장 게이트들(175, 177)에 인가되는 제2 저장 제어 신호(SGC2)에 응답하여 제3 및 제4 브릿지 확산 영역들(155, 157)과 제3 및 제4 저장 영역들(156, 158)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제3 및 제4 전하들이 제3 및 제4 브릿지 확산 영역들(155, 157)로부터 제3 및 제4 저장 영역들(156, 158)로 각각 전송될 수 있다.
제1 내지 제4 전송 게이트들(161, 163, 165, 167)은 제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158)과 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147) 사이의 반도체 기판(110)의 상부에 각각 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전송 게이트들(161, 163)에 인가되는 제1 전송 제어 신호(TGC1)에 응답하여 제1 및 제2 저장 영역들(152, 154)과 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 저장 영역들(152, 154)로부터 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)로 각각 전송될 수 있다. 제3 및 제4 전송 게이트들(165, 167)에 인가되는 제2 전송 제어 신호(TGC2)에 응답하여 제3 및 제4 저장 영역들(156, 158)과 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)이 각각 전기적으로 연결되며, 상기 제3 및 제4 전하들이 제3 및 제4 저장 영역들(156, 158)로부터 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)로 각각 전송될 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(120)은 제1 내지 제4 포토 게이트들(131, 133, 135, 137)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
도 19는 도 17의 거리 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 17, 18a, 18b 및 19를 참조하면, 집광 시간(TINT) 이전 및 집광 시간(TINT) 동안의 거리 픽셀(100g)의 동작은 도 14의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다.
독출 시간(TRD)이 시작되면, 제1 및 제2 리셋 신호들(RST1, RST2)을 활성화하여 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)을 초기화시킨다. 제1 및 제2 저장 제어 신호들(SGC1, SGC2)을 활성화하여 제1 내지 제4 브릿지 확산 영역들(151, 153, 155, 157)에 저장된 상기 제1 내지 제4 전하들을 제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158)에 각각 전송한다. 제1 샘플링 제어 신호(SMPB)를 활성화하여, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압이 제1 노이즈 전압(VB1)으로서 검출되고, 전원 전압(VDD)으로 초기화된 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)의 전압이 제2 노이즈 전압(VB2)으로서 검출된다. 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)을 활성화하여 제1 내지 제4 저장 영역들(152, 154, 156, 158)에 저장된 상기 제1 내지 제4 전하들을 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들(141, 143, 145, 147)에 각각 전송한다. 제2 샘플링 제어 신호(SMPD)를 활성화하여, 상기 제1 및 제2 전하들의 합에 상응하는 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(141, 143)의 전압이 제1 복조 전압(VD1)으로서 검출되고, 상기 제3 및 제4 전하들의 합에 상응하는 제3 및 제4 플로팅 확산 영역들(145, 147)의 전압이 제2 복조 전압(VD2)으로서 검출된다. 검출된 전압들(VB1, VB2, VD1, VD2)에 기초하여 유효 전압들을 결정할 수 있다.
한편, 실시예에 따라서, 도 12, 15 및 17에 도시된 거리 픽셀들(100e, 100f, 100g)은 제1 게이트를 더 포함할 수 있다. 도 5 및 11을 참조하여 상술한 것처럼, 상기 제1 게이트는 광 검출 영역(120)의 중앙부에 형성되며, 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압이 상기 제1 게이트에 인가될 수 있다. 거리 픽셀들(100e, 100f, 100g)이 상기 제1 게이트를 더 포함하는 경우에, 광 검출 영역(120)은 불순물이 균일한 농도로 도핑되어 형성될 수도 있고, 제1 내지 제4 포토 게이트들(131, 133, 135, 137)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성될 수도 있다.
또한, 실시예에 따라서, 도 12, 15 및 17에 도시된 거리 픽셀들(100e, 100f, 100g)은 두 개의 하프 픽셀들 중 하나만을 포함하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 거리 픽셀(100e)에서 포토 게이트들(135, 137), 브릿지 확산 영역들(155, 157), 전송 게이트들(165, 167), 플로팅 확산 영역들(145, 147) 및 출력부(190)가 생략될 수 있고, 거리 픽셀(100f)에서 포토 게이트들(135, 137), 저장 영역들(156, 158), 전송 게이트들(165, 167), 플로팅 확산 영역들(145, 147) 및 출력부(190)가 생략될 수 있으며, 거리 픽셀(100g)에서 포토 게이트들(135, 137), 브릿지 확산 영역들(155, 157), 저장 게이트들(175, 177), 저장 영역들(156, 158), 전송 게이트들(165, 167), 플로팅 확산 영역들(145, 147) 및 출력부(190)가 생략될 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 21 및 22는 도 20의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다. 도 21은 도 20의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 22는 도 20의 거리 픽셀에 포함되는 광 검출 영역의 도핑 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 20, 21 및 22를 참조하면, 3차원 이미지 센서에 포함되는 거리 픽셀(200a)은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)을 포함하며, 제1 출력부(280)를 더 포함할 수 있다.
광 검출 영역(220)은 반도체 기판(210) 내에 형성되며, 피사체로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 전하들(CC)을 수집한다. 광 검출 영역(220) 내에는 수집된 전하들(CC)을 제1 방향(D1)으로(즉, 단방향으로) 이동시키기 위한 내부 전기장이 형성된다.
제1 포토 게이트(231)는 반도체 기판(210)의 상부, 즉 광 검출 영역(220)의 상부에 형성되며, 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 온-오프된다. 제1 플로팅 확산 영역(241)은 반도체 기판(210) 내에 형성되며, 제1 포토 게이트(231)가 턴온되는 경우에 수집된 전하들(CC) 중 제1 방향(D1)으로 이동하는 제1 전하들을 축적한다. 다시 말하면, 제1 포토 제어 신호(PGC1)에 응답하여 광 검출 영역(220)과 제1 플로팅 확산 영역(241)이 전기적으로 연결될 수 있다.
광 검출 영역(220) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)은 반도체 기판(210)과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성될 수 있으며, 광 검출 영역(220)은 제1 포토 게이트(231)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 게이트(231)는 광 검출 영역(220)의 제1 가장자리부(EA1)에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 반도체 기판(210)은 p형 반도체 기판이고, 광 검출 영역(220) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)은 n형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전하들은 전자-정공 쌍 중 전자일 수 있다. 또한, 도 22에 도시된 것처럼 광 검출 영역(220)의 제1 가장자리부(EA1)는 광 검출 영역(220)의 중앙부(CA) 및 제2 가장자리부(EA2)보다 높은 농도로 n형 불순물이 도핑(예를 들어, 제1 가장자리부(EA1)는 (n+) 영역, 중앙부(CA)는 n 영역, 제2 가장자리부(EA2)는 (n-) 영역)될 수 있으며, 이에 따라 전기장(E-FIELD)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전하들(즉, 전자들)은 전기장(E-FIELD)에 따라 제1 방향(D1)으로 이동할 수 있다. 제1 방향(D1)은 광 검출 영역(220)의 제2 가장자리부(EA2)로부터 제1 가장자리부(EA1), 즉 제1 포토 게이트(131)로 향하는 방향일 수 있다.
다른 실시예에서, 반도체 기판(210)은 n형 반도체 기판이고, 광 검출 영역(220) 및 제1 플로팅 확산 영역들(241)은 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전하들은 전자-정공 쌍 중 정공일 수 있다. 광 검출 영역(220)의 제1 가장자리부(EA1)는 광 검출 영역(220)의 중앙부(CA) 및 제2 가장자리부(EA2)보다 높은 농도로 p형 불순불이 도핑(예를 들어, 제1 가장자리부(EA1)는 (p+) 영역, 중앙부(CA)는 p 영역, 제2 가장자리부(EA2)는 (p-) 영역)될 수 있으며, 이에 따라 도 22에 도시된 것과 반대 방향의 전기장이 형성될 수 있다. 상기 제1 전하들(즉, 정공들)은 상기 반대 방향의 전기장에 따라 제1 방향(D1)으로 이동할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 포토 게이트(231)의 크기는 광 검출 영역(220)의 크기보다 작을 수 있다. 광 검출 영역(220)에서 수집된 전하들(CC)이 상기 내부 전기장을 따라 이동하기 때문에, 제1 포토 게이트(231)의 크기가 작아지더라도 수집된 전하들(CC)을 효율적으로 저장/전송할 수 있다. 이에 따라 거리 픽셀(200a)의 전력 소모가 감소되고, 거리 픽셀(200a)이 상대적으로 높은 변조 주파수로 구동되더라도 복조 콘트라스트가 낮아지지 않으며, 표면 결함에 의해 발생되는 암전류 및 노이즈가 감소됨으로써, 거리 픽셀(200a)을 포함하는 3차원 이미지 센서의 성능이 향상될 수 있다.
제1 출력부(280)는 제1 리셋 신호(RST1)에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(241)을 초기화시키며, 제1 플로팅 확산 영역(241)의 전압을 전기적인 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 제1 출력부(280)는 제1 리셋 트랜지스터(281), 제1 드라이브 트랜지스터(283) 및 제1 선택 트랜지스터(285)를 포함하며, 도 1 및 2의 제1 출력부(180)와 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.
한편, 거리 픽셀(200a)은 도 4를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도이다. 도 24 및 25는 도 23의 거리 픽셀의 구조를 설명하기 위한 도면들이다. 도 24는 도 23의 I-I' 라인에 의해 절단된 단면도이며, 도 25는 도 23의 거리 픽셀에 포함되는 광 검출 영역의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 23, 24 및 25를 참조하면, 거리 픽셀(200b)은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)을 포함하며, 제1 출력부(280) 및 제1 게이트(222)를 더 포함할 수 있다.
도 20의 거리 픽셀(200a)과 비교하였을 때, 도 23의 거리 픽셀(200b)은 제1 게이트(222)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(200b)은 도 4를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있으며, 제1 포토 게이트(231), 제1 플로팅 확산 영역(241) 및 제1 출력부(180)의 구성은 도 20을 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 게이트(222)는 광 검출 영역(220)의 상부에 제1 포토 게이트(231)와 이격되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 포토 게이트(231) 및 제1 게이트(222)는 광 검출 영역(220)의 가장자리부에 각각 형성될 수 있으며, 특히 제1 포토 게이트(231)는 광 검출 영역(220)의 제1 가장자리부(EA1)에 형성되고 제1 게이트(222)는 광 검출 영역(220)의 제2 가장자리부(EA2)에 형성될 수 있다. 제1 게이트(222)는 제1 포토 게이트(231)와 실질적으로 동일한 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
제1 게이트(222)에 제1 전압(V1)이 인가됨으로써, 광 검출 영역(220) 내에 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다. 제1 전압(V1)은 음의 전압 또는 양의 전압일 수 있다.
일 실시예에서, 반도체 기판(210)은 p형 반도체 기판이고 광 검출 영역(220)은 n형 불순물로 도핑된 경우에, 즉 광 검출 영역(220)이 전자-정공 쌍 중 전자를 수집하는 경우에, 제1 전압(V1)은 음의 전압일 수 있다. 이 경우, 도 25에 도시된 것처럼 광 검출 영역(220) 내의 전위 레벨은 제1 가장자리부(EA1)에서 제2 가장자리부(EA2)로 갈수록, 즉 제1 포토 게이트(231)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮아질 수 있으며, 이에 따라 전기장(E-FIELD)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전하들(즉, 전자들)은 전기장(E-FIELD)에 따라 제1 방향(D1)으로 이동할 수 있다. 제1 방향(D1)은 제1 게이트(222)로부터 제1 포토 게이트(231)로 향하는 방향일 수 있다.
다른 실시예에서, 반도체 기판(210)은 n형 반도체 기판이고 광 검출 영역(220)은 p형 불순물로 도핑된 경우에, 즉 광 검출 영역(220)이 전자-정공 쌍 중 정공을 수집하는 경우에, 제1 전압(V1)은 양의 전압일 수 있다. 이 경우, 도 25에 도시된 것과 다르게 광 검출 영역(220) 내의 전위 레벨은 제1 가장자리부(EA1)에서 제2 가장자리부(EA2)로 갈수록, 즉 제1 포토 게이트(231)로부터 멀어질수록 점차적으로 높아질 수 있으며, 도 25에 도시된 것과 반대 방향의 전기장이 형성될 수 있다. 상기 제1 전하들(즉, 정공들)은 상기 반대 방향의 전기장에 따라 제1 방향(D1)으로 이동할 수 있다.
한편, 실시예에 따라서, 광 검출 영역(220)은 불순물이 균일한 농도로 도핑되어 형성될 수도 있고, 제1 포토 게이트(231)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성될 수도 있다. 다시 말하면, 도 20 내지 22를 참조하여 상술한 실시예와 도 23 내지 25를 참조하여 상술한 실시예가 조합될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 전하들이 제1 방향(D1)으로 더욱 효과적으로 이동할 수 있다.
도 26, 27, 28, 29 및 30은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀을 나타내는 평면도들이다.
도 26을 참조하면, 거리 픽셀(200c)은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)을 포함하며, 제1 출력부(280)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(200c)은 제2 포토 게이트(235), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)를 더 포함할 수 있다.
도 20의 거리 픽셀(200a)과 비교하였을 때, 도 26의 거리 픽셀(200c)은 제2 포토 게이트(235), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)를 더 포함할 수 있다. 제2 포토 게이트(235), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)는 제1 포토 게이트(231), 제1 플로팅 확산 영역(241) 및 제1 출력부(280)와 각각 대칭적으로 형성될 수 있다.
제2 포토 게이트(235), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)는 도 8의 제3 포토 게이트(135), 제3 플로팅 확산 영역(145) 및 제2 출력부(190)와 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제2 포토 게이트(235)는 반도체 기판(210)의 상부, 즉 광 검출 영역(220)의 상부에 제1 포토 게이트(231)와 이격되어 형성되고, 제2 포토 제어 신호(PGC2)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제2 플로팅 확산 영역(245)은 반도체 기판(210) 내에 형성되며, 제2 포토 게이트(235)가 턴온되는 경우에 수집된 전하들(CC) 중 제1 방향(D1)으로 이동하는 제2 전하들을 축적할 수 있다. 제2 출력부(290)는 제2 플로팅 확산 영역(245)의 전압을 전기적인 신호로 변환하여 출력하며, 제2 리셋 트랜지스터(291), 제2 드라이브 트랜지스터(293) 및 제2 선택 트랜지스터(295)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(220)은 제1 및 제2 포토 게이트들(231, 235)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 거리 픽셀(200c)은, 두 개의 하프 픽셀들로 구분될 수 있다. 이 경우, 제1 하프 픽셀은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231), 제1 플로팅 확산 영역(241) 및 제1 출력부(280)를 포함하고, 제2 하프 픽셀은 광 검출 영역(220), 제2 포토 게이트(235), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)를 포함할 수 있다.
도 27을 참조하면, 거리 픽셀(200d)은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)을 포함하며, 제1 출력부(280) 및 제1 게이트(222)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(200d)은 제2 포토 게이트(235), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)를 더 포함할 수 있다.
도 26의 거리 픽셀(200c)과 비교하였을 때, 도 27의 거리 픽셀(200d)은 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압(V1)이 인가되는 제1 게이트(222)를 더 포함할 수 있다. 제1 전압(V1)은 광 검출 영역(220)에서 수집되는 전하의 종류에 따라서 음의 전압 또는 양의 전압일 수 있다. 제1 게이트(222)는 도 23 및 24를 참조하여 상술한 제1 게이트(222)와 실질적으로 동일할 수 있다.
한편, 거리 픽셀들(200c, 200d)은 도 10을 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있다.
도 28을 참조하면, 거리 픽셀(200e)은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)을 포함하며, 제1 브릿지 확산 영역(251), 제1 전송 게이트(261) 및 제1 출력부(280)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(200e)은 제2 포토 게이트(235), 제2 브릿지 확산 영역(255), 제2 전송 게이트(265), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)를 더 포함할 수 있다.
도 26의 거리 픽셀(200c)과 비교하였을 때, 도 28의 거리 픽셀(200e)은 임시 저장 영역으로서 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(251, 255)을 더 포함하며, 제1 및 제2 전송 게이트들(261, 265)을 더 포함할 수 있다.
브릿지 확산 영역들(251, 255) 및 전송 게이트들(261, 265)은 도 12의 브릿지 확산 영역들(151, 155) 및 전송 게이트들(161, 165)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(251, 255)은 반도체 기판(210) 내에 광 검출 영역(220)에 각각 인접하여 형성될 수 있다. 제1 브릿지 확산 영역(251)은 제1 포토 게이트(231)가 턴온되는 경우에 상기 제1 전하들을 저장하고, 제2 브릿지 확산 영역(255)은 제2 포토 게이트(235)가 턴온되는 경우에 상기 제2 전하들을 저장할 수 있다. 제1 및 제2 전송 게이트들(261, 265)은 각각 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)에 응답하여 온-오프될 수 있다. 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)에 응답하여 제1 및 제2 전송 게이트들(261, 265)이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(251, 255)로부터 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(241, 245)로 각각 전송될 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(220)은 제1 및 제2 포토 게이트들(231, 235)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
도 29를 참조하면, 거리 픽셀(200f)은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)을 포함하며, 제1 저장 영역(252), 제1 전송 게이트(261) 및 제1 출력부(280)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(200f)은 제2 포토 게이트(235), 제2 저장 영역(256), 제2 전송 게이트(265), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)를 더 포함할 수 있다.
도 26의 거리 픽셀(200c)과 비교하였을 때, 도 29의 거리 픽셀(200f)은 임시 저장 영역으로서 제1 및 제2 저장 영역들(252, 256)을 더 포함하며, 제1 및 제2 전송 게이트들(261, 265)을 더 포함할 수 있다.
저장 영역들(252, 256) 및 전송 게이트들(261, 265)은 도 15의 저장 영역들(152, 156) 및 전송 게이트들(161, 165)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 저장 영역들(252, 256)은 반도체 기판(210) 내에 광 검출 영역(220)과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 제1 저장 영역(252)은 제1 포토 게이트(231)가 턴온되는 경우에 상기 제1 전하들을 저장하고, 제2 저장 영역(256)은 제2 포토 게이트(235)가 턴온되는 경우에 상기 제2 전하들을 저장할 수 있다. 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)에 응답하여 제1 및 제2 전송 게이트들(261, 265)이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 저장 영역들(252, 256)로부터 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(241, 245)로 각각 전송될 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(220)은 제1 및 제2 포토 게이트들(231, 235)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
한편, 거리 픽셀들(200e, 200f)은 도 14를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있다.
도 30을 참조하면, 거리 픽셀(200g)은 광 검출 영역(220), 제1 포토 게이트(231) 및 제1 플로팅 확산 영역(241)을 포함하며, 제1 브릿지 확산 영역(251), 제1 저장 게이트(271), 제1 저장 영역(252), 제1 전송 게이트(261) 및 제1 출력부(280)를 더 포함할 수 있다. 거리 픽셀(200f)은 제2 포토 게이트(235), 제2 브릿지 확산 영역(255), 제2 저장 게이트(275), 제2 저장 영역(256), 제2 전송 게이트(265), 제2 플로팅 확산 영역(245) 및 제2 출력부(290)를 더 포함할 수 있다.
도 26의 거리 픽셀(200c)과 비교하였을 때, 도 30의 거리 픽셀(200g)은 임시 저장 영역으로서 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(251, 255) 및 제1 및 제2 저장 영역들(252, 256)을 더 포함하며, 제1 및 제2 전송 게이트들(261, 265) 및 제1 및 제2 저장 게이트들(271, 275)을 더 포함할 수 있다.
브릿지 확산 영역들(251, 255), 저장 게이트들(271, 275), 저장 영역들(252, 256) 및 전송 게이트들(261, 265)은 도 17의 브릿지 확산 영역들(151, 155), 저장 게이트들(171, 175), 저장 영역들(152, 156) 및 전송 게이트들(161, 165)과 각각 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(251, 255)은 광 검출 영역(120)에 각각 인접하여 형성되며, 제1 및 제2 포토 게이트들(231, 235)이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 전하들을 각각 저장할 수 있다. 제1 및 제2 저장 영역들(252, 256)은 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(251, 255)과 각각 이격되어 형성될 수 있다. 제1 및 제2 저장 제어 신호들(SGC1, SGC2)에 응답하여 제1 및 제2 저장 게이트들(271, 275)이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 브릿지 확산 영역들(251, 255)로부터 제1 및 제2 저장 영역들(252, 256)로 각각 전송될 수 있다. 제1 및 제2 전송 제어 신호들(TGC1, TGC2)에 응답하여 제1 및 제2 전송 게이트들(261, 265)이 턴온되는 경우에 상기 제1 및 제2 전하들이 제1 및 제2 저장 영역들(252, 256)로부터 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들(241, 245)로 각각 전송될 수 있다.
일 실시예에서, 광 검출 영역(220)은 제1 및 제2 포토 게이트들(231, 235)로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 불순물이 도핑되어 형성됨으로써, 상기 내부 전기장이 유도될 수 있다.
한편, 거리 픽셀(200g)은 도 19를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일하게 동작할 수 있다.
실시예에 따라서, 도 28, 29 및 30에 도시된 거리 픽셀들(200e, 200f, 200g)은 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압이 인가되는 제1 게이트를 더 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 도 28, 29 및 30에 도시된 거리 픽셀들(200e, 200f, 200g)은 두 개의 하프 픽셀들 중 하나만을 포함하여 구현될 수도 있다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 도 32는 도 31의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 31 및 32를 참조하면, 3차원 이미지 센서(500)는 픽셀 어레이(510), 로우 구동부(520), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion; ADC)부(530), 광원부(540), 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing; DSP)부(550) 및 제어부(560)를 포함한다.
광원부(540)는 피사체(580)에 변조된 송신 광(TX)을 조사한다. 광원부(540)는 광원(541) 및 렌즈(543)를 포함할 수 있다. 광원(541)은 소정의 파장을 가진 광(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 발생할 수 있다. 광원(541)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있으며, 세기가 주기적으로 변하도록 변조된 광을 출력할 수 있다. 예를 들어, 광원(541)에서 방출되는 광의 세기는 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 파, 사인 파, 코사인 파 등과 같은 형태를 가지도록 변조될 수 있다. 렌즈(543)는 광원(541)에서 방출되는 광을 송신 광(TX)으로서 피사체(580)에 집중시킬 수 있다.
픽셀 어레이(510)는 복수의 거리 픽셀들(511)을 포함한다. 픽셀 어레이(510)는 피사체(580)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 3차원 이미지 센서(500)로부터 피사체(580)까지의 거리 정보를 발생한다. 즉, 복수의 거리 픽셀들(511)은 3차원 이미지 센서(500)로부터 피사체(580)까지의 거리에 대한 정보를 각각 제공할 수 있다. 수신 광(RX)은 광원부(540)에서 방출되고 피사체(580)에서 반사되어 되돌아온 반사 광 성분을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 3차원 이미지 센서(500)는 반사 광 성분에 포함되는 적외선 또는 근적외선을 이용할 수 있으며, 이 경우 적외선 필터 또는 근적외선 필터가 복수의 거리 픽셀들(511) 상에 각각 형성될 수 있다.
복수의 거리 픽셀들(511) 각각은 도 1, 5, 8, 11, 12, 15, 17, 20, 23, 26, 27, 28, 29 및 30을 참조하여 상술한 바와 같이 구현될 수 있다. 즉, 복수의 거리 픽셀들(511) 각각은 광 검출 영역 및 포토 게이트를 포함한다. 상기 광 검출 영역의 불순물 도핑 농도를 조절하거나 상기 광 검출 영역 상에 제1 전압이 인가되는 제1 게이트를 추가적으로 형성함으로써, 수신 광(RX)에 기초하여 수집된 전하들을 양방향 또는 단방향으로 이동시키기 위한 내부 전기장이 상기 광 검출 영역 내에 형성될 수 있으며, 상기 포토 게이트의 크기가 작아지더라도 상기 수집된 전하들을 효율적으로 저장/전송할 수 있다. 따라서 거리 픽셀들(511)의 전력 소모가 감소되고, 거리 픽셀들(511)이 상대적으로 높은 변조 주파수로 구동되더라도 복조 콘트라스트가 낮아지지 않으며, 표면 결함에 의해 발생되는 암전류 및 노이즈가 감소됨으로써, 거리 픽셀들(511)을 포함하는 3차원 이미지 센서(500)의 성능이 향상될 수 있다.
로우 구동부(520)는 픽셀 어레이(510)의 각 로우에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 로우 구동부(520)는 픽셀 어레이(510)에 포함되는 복수의 거리 픽셀들(511)을 로우 단위로 구동할 수 있다.
ADC부(530)는 픽셀 어레이(510)의 각 컬럼에 연결되고, 픽셀 어레이(510)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, ADC부(530)는 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하며, 각 컬럼 라인마다 출력되는 아날로그 신호들을 병렬로(즉, 동시에) 디지털 신호들로 변환하는 컬럼 ADC를 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, ADC부(530)는 단일의 아날로그-디지털 변환기를 포함하며, 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 디지털 신호들로 변환하는 단일 ADC를 수행할 수 있다.
실시예에 따라서, ADC부(530)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 CDS부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 신호 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 데이터 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 신호 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.
DSP부(550)는 ADC부(530)로부터 출력된 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP부(550)는 이미지 보간(Image Interpolation), 색 보정(Color Correction), 화이트 밸런스(White Balance), 감마 보정(Gamma Correction), 색 변환(Color Conversion) 등을 수행할 수 있다.
제어부(560)는 로우 구동부(520), ADC부(530), 광원부(540) 및 DSP부(550)를 제어할 수 있다. 제어부(560)는 로우 구동부(520), ADC부(530), 광원부(540) 및 DSP부(550)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 제어 신호들을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(560)는 로직 제어 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다.
도 33a 및 33b는 도 32의 픽셀 어레이에 포함되는 거리 픽셀의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 32, 33a 및 33b를 참조하면, 픽셀 어레이(510)에 포함되고 인접하는 거리 픽셀들(511a, 511b, 511c, 511d)은 일부 구성요소들을 공유할 수 있다.
예를 들어, 도 33a에 도시된 바와 같이, 제1 거리 픽셀(511a)은 제1 광 검출 영역(PD1), 제1 포토 게이트(PG1'), 제1 플로팅 확산 영역(FD1'), 제2 포토 게이트(PG2), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 제1 출력부(OPU1')를 포함하여 구현될 수 있고, 제2 거리 픽셀(511b)은 제2 광 검출 영역(PD2), 제1 포토 게이트(PG1'), 제1 플로팅 확산 영역(FD1'), 제2 포토 게이트(PG2), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 제1 출력부(OPU1')를 포함하여 구현될 수 있다. 다시 말하면, 제1 포토 게이트(PG1'), 제1 플로팅 확산 영역(FD1') 및 제1 출력부(OPU1')는 제1 거리 픽셀(511a) 및 제1 거리 픽셀(511a)과 인접하는 제2 거리 픽셀(511b)에 의해 공유될 수 있다.
다른 예에서, 도 33b에 도시된 바와 같이, 제3 거리 픽셀(511c)은 제1 광 검출 영역(PD1), 제1 포토 게이트(PG1), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 제2 포토 게이트(PG2), 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 제1 출력부(OPU1")를 포함하여 구현될 수 있고, 제4 거리 픽셀(511d)은 제2 광 검출 영역(PD2), 제3 포토 게이트(PG3), 제3 플로팅 확산 영역(FD3), 제4 포토 게이트(PG4), 제4 플로팅 확산 영역(FD4) 및 제1 출력부(OPU1")를 포함하여 구현될 수 있다. 다시 말하면, 제1 출력부(OPU1")는 제3 거리 픽셀(511c) 및 제3 거리 픽셀(511c)과 인접하는 제4 거리 픽셀(511d)에 의해 공유될 수 있다.
도 33a 및 33b에서는 거리 픽셀들(511a, 511b, 511c, 511d)이 도 1의 실시예에 상응하는 것으로 도시하였으나, 픽셀 어레이에 포함되고 일부 구성요소들을 공유하는 인접한 거리 픽셀들은 도 5, 8, 11, 12, 15, 17, 20, 23, 26, 27, 28, 29 및 30의 실시예들에 상응할 수도 있다.
도 34는 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 나타내는 블록도이다. 도 35a 및 35b는 도 34의 3차원 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 34, 35a 및 35b를 참조하면, 3차원 이미지 센서(600)는 픽셀 어레이(610), 제1 로우 구동부(620a), 제2 로우 구동부(620b), 제1 ADC부(630a), 제2 ADC부(630b), 광원부(640), DSP부(650) 및 제어부(660)를 포함한다.
광원부(640)는 피사체(680)에 변조된 송신 광(TX)을 조사한다. 광원부(640)는 광원(641) 및 렌즈(643)를 포함할 수 있으며, 도 31의 광원부(540)와 실질적으로 동일할 수 있다.
픽셀 어레이(610)는 피사체(680)로부터 반사된 수신 광(RX)에 기초하여 3차원 이미지 센서(600)로부터 피사체(680)까지의 거리 정보를 발생한다. 픽셀 어레이(610)는 복수의 거리 픽셀들 및 복수의 컬러 픽셀들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 픽셀 어레이(610)는 다양한 개수 비 및 사이즈 비로 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 35a에 도시된 것처럼 픽셀 어레이(610a)는 거리 픽셀들(611a) 및 컬러 픽셀들(613a)을 포함할 수도 있고, 도 35b에 도시된 것처럼 픽셀 어레이(610b)는 거리 픽셀들(611b) 및 컬러 픽셀들(613b)을 포함할 수도 있다. 적외선(또는 근적외선) 필터가 상기 거리 픽셀들 상에 형성되고, 컬러 필터(예를 들어, 레드, 그린 및 블루 필터들)가 상기 컬러 픽셀들 상에 형성될 수 있다.
제1 로우 구동부(620a)는 상기 컬러 픽셀들의 각 로우에 연결되고, 상기 컬러 픽셀들의 각 로우를 구동하는 제1 구동 신호를 생성할 수 있다. 제2 로우 구동부(620b)는 상기 거리 픽셀들의 각 로우에 연결되고, 상기 거리 픽셀들의 각 로우를 구동하는 제2 구동 신호를 생성할 수 있다. 제1 ADC부(630a)는 상기 컬러 픽셀들의 각 컬럼에 연결되고, 상기 컬러 픽셀들의 각 컬럼으로부터 출력되는 제1 아날로그 신호를 제1 디지털 신호로 변환할 수 있다. 제2 ADC부(630b)는 상기 거리 픽셀들의 각 컬럼에 연결되고, 상기 거리 픽셀들의 각 컬럼으로부터 출력되는 제2 아날로그 신호를 제2 디지털 신호로 변환할 수 있다. DSP부(650)는 제1 및 제2 ADC부들(630a, 630b)로부터 출력된 제1 및 제2 디지털 신호들을 수신하고, 상기 제1 및 제2 디지털 신호들에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 제어부(660)는 제1 로우 구동부(620a), 제2 로우 구동부(620b), 제1 ADC부(630a), 제2 ADC부(630b), 광원부(640) 및 DSP부(650)를 제어할 수 있다.
도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 카메라에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 36을 참조하면, 카메라(800)는 수광 렌즈(810), 3차원 이미지 센서(820), 모터부(830) 및 엔진부(840)를 포함할 수 있다. 3차원 이미지 센서(820)는 도 31의 3차원 이미지 센서 또는 도 34의 3차원 이미지 센서일 수 있으며, 이미지 센서 칩(821) 및 광원 모듈(823)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 이미지 센서 칩(821) 및 광원 모듈(823)은 각각 별도의 장치로 구현되거나, 광원 모듈(823) 중 적어도 일부의 구성이 이미지 센서 칩(821)에 포함되도록 구현될 수 있다. 또한 수광 렌즈(810)는 3차원 이미지 센서(820)의 일부 구성 요소로서 포함될 수도 있다.
수광 렌즈(810)는 이미지 센서 칩(821)의 수광 영역(예를 들어, 거리 픽셀들 및/또는 컬러 픽셀들)으로 입사광을 집광시킬 수 있다. 이미지 센서 칩(821)은 수광 렌즈(810)를 통하여 입사된 가시광선 또는 적외선에 기초하여 거리 정보 및/또는 컬러 영상 정보를 포함하는 데이터(DATA1)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서 칩(821)에서 생성되는 데이터(DATA1)는 광원 모듈(823)에서 방출된 적외선 또는 근적외선을 이용하여 생성된 거리 데이터를 포함할 수 있으며, 외부 가시광선을 이용하여 생성된 베이어 패턴의 RGB 데이터(RGB)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 이미지 센서 칩(821)은 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하는 3차원 컬러 이미지 센서 칩일 수 있다.
이미지 센서 칩(821)은 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하도록 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀을 포함한다. 상기 거리 픽셀들 각각은 수신 광에 기초하여 수집된 전하들을 양방향 또는 단방향으로 이동시키기 위한 내부 전기장이 광 검출 영역 내에 형성될 수 있으며, 포토 게이트의 크기가 작아지더라도 상기 수집된 전하들을 효율적으로 저장/전송할 수 있다. 따라서 거리 픽셀들의 전력 소모가 감소되고, 거리 픽셀들이 상대적으로 높은 변조 주파수로 구동되더라도 복조 콘트라스트가 낮아지지 않으며, 표면 결함에 의해 발생되는 암전류 및 노이즈가 감소됨으로써, 거리 픽셀들을 포함하는 이미지 센서 칩(821)의 성능이 향상될 수 있다.
이미지 센서 칩(821)은 클럭 신호(CLK)에 기초하여 데이터(DATA1)를 엔진부(840)에 제공할 수 있다. 실시예에 따라서, 이미지 센서 칩(821)은 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 및/또는 CSI(Camera Serial Interface)를 통하여 엔진부(840)와 인터페이싱할 수 있다.
모터부(830)는 엔진부(840)로부터 수신된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 수광 렌즈(810)의 포커스를 조절하거나, 셔터링(Shuttering)을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 광원 모듈(823)에서, 광원과 렌즈의 상대적 위치는 모터부(830) 또는 이미지 센서 칩(821)에 의해 제어될 수 있다.
엔진부(840)는 이미지 센서(820) 및 모터부(830)를 제어한다. 또한, 엔진부(840)는 이미지 센서 칩(821)으로부터 수신된 데이터(DATA1)를 처리할 수 있다. 예를 들어, 엔진부(840)는 이미지 센서 칩(821)으로부터 수신된 데이터(DATA1)에 기초하여 입체 컬러 데이터를 생성할 수 있다. 다른 예에서, 엔진부(840)는 데이터(DATA1)에 포함된 상기 RGB 데이터에 기초하여 휘도 성분, 상기 휘도 성분과 청색 성분의 차, 및 휘도 성분과 적색 성분의 차를 포함하는 YUV 데이터를 생성하거나, 압축 데이터, 예를 들어 JPEG(Joint Photography Experts Group) 데이터를 생성할 수 있다. 엔진부(840)는 호스트/어플리케이션(850)에 연결될 수 있으며, 엔진부(840)는 마스터 클럭(MCLK)에 기초하여 데이터(DATA2)를 호스트/어플리케이션(850)에 제공할 수 있다. 또한, 엔진부(840)는 SPI(Serial Peripheral Interface) 및/또는 I2C(Inter Integrated Circuit)를 통하여 호스트/어플리케이션(850)과 인터페이싱할 수 있다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서를 컴퓨팅 시스템에 응용한 예를 나타내는 블록도이다.
도 37을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 3차원 이미지 센서(1030), 저장 장치(1040), 입출력 장치(1050) 및 파워 서플라이(1060)를 포함할 수 있다. 한편, 도 37에 도시되지는 않았지만, 컴퓨팅 시스템(1000)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다.
프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor) 또는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1040) 및 입출력 장치(1050)와 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에 더욱 연결될 수 있다.
메모리 장치(1020)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), 모바일 DRAM 등과 같은 휘발성 메모리로 구현되거나, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리(Flash Memory), PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리로 구현될 수 있다.
저장 장치(1040)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1050)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1060)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.
3차원 이미지 센서(1030)는 상기 버스들 또는 다른 통신 링크를 통해서 프로세서(1010)와 연결되어 통신을 수행할 수 있다. 상술한 바와 같이, 3차원 이미지 센서(1030)는 거리 정보 및 컬러 영상 정보를 제공하는 3차원 컬러 이미지 센서일 수 있다. 3차원 이미지 센서(1030)는 상기 거리 정보 및 상기 컬러 영상 정보를 제공하도록 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀들을 포함한다. 상기 거리 픽셀들 각각은 수신 광에 기초하여 수집된 전하들을 양방향 또는 단방향으로 이동시키기 위한 내부 전기장이 광 검출 영역 내에 형성될 수 있으며, 포토 게이트의 크기가 작아지더라도 상기 수집된 전하들을 효율적으로 저장/전송할 수 있다. 따라서 거리 픽셀들의 전력 소모가 감소되고, 거리 픽셀들이 상대적으로 높은 변조 주파수로 구동되더라도 복조 콘트라스트가 낮아지지 않으며, 표면 결함에 의해 발생되는 암전류 및 노이즈가 감소됨으로써, 거리 픽셀들을 포함하는 3차원 이미지 센서(1030)의 성능이 향상될 수 있다.
3차원 이미지 센서(1030)는 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 3차원 이미지 센서(1030)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 3차원 이미지 센서를 이용하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(1000)은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 노트북(Laptop), 디지털 TV(Digital Television), 셋-탑 박스(Set-Top Box), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템 등을 포함할 수 있다.
도 38은 도 37의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 38을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1100)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 휴대폰, 개인 정보 단말기, 휴대형 멀티미디어 플레이어, 스마트 폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 3차원 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 3차원 이미지 센서(1140)의 CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨팅 시스템(1100)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1100)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있다.
한편, 컴퓨팅 시스템(1100)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1100)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선 랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1100)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 기기에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿 PC, 노트북, PDA, PMP, 디지털 카메라, 음악 재생기, 휴대용 게임 콘솔, 네비게이션 등과 같은 다양한 단말기에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성되는 하나의 광 검출 영역;
    상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 포토 게이트;
    상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적하는 제1 플로팅 확산 영역;
    상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 포토 게이트; 및
    상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제2 방향으로 이동하는 제2 전하들을 축적하는 제2 플로팅 확산 영역을 포함하고,
    상기 제1 방향은 평면 상에서 상기 광 검출 영역의 중앙부로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향이며, 상기 제2 방향은 평면 상에서 상기 광 검출 영역의 중앙부로부터 상기 제2 포토 게이트로 향하는 방향인 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성되며, 평면 상에서 상기 제1 및 제2 포토 게이트들로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 상기 광 검출 영역의 가장자리부에 형성되며, 평면 상에서 상기 광 검출 영역의 가장자리부는 상기 광 검출 영역의 중앙부보다 높은 농도로 도핑되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 및 제2 포토 게이트들의 사이에 형성되고, 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압이 인가되는 제1 게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 포토 게이트들은 상기 광 검출 영역의 가장자리부에 형성되고, 상기 제1 게이트는 상기 광 검출 영역의 중앙부에 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향이며, 상기 제2 방향은 상기 제1 게이트로부터 상기 제2 포토 게이트로 향하는 방향인 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 검출 영역이 전자-정공 쌍 중 전자를 수집하는 경우에 상기 제1 전압은 음의 전압이고, 상기 광 검출 영역이 전자-정공 쌍 중 정공을 수집하는 경우에 상기 제1 전압은 양의 전압인 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 포토 게이트들의 크기는 상기 광 검출 영역의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전하들 및 상기 제2 전하들의 합에 상응하는 제1 출력 전압을 발생하는 제1 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제1 출력부는,
    제1 리셋 신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들을 초기화시키는 제1 리셋 트랜지스터;
    상기 제1 및 제2 플로팅 확산 영역들의 전압을 증폭하는 제1 드라이브 트랜지스터; 및
    상기 제1 드라이브 트랜지스터에 의해 증폭된 전압을 상기 제1 출력 전압으로 출력하는 제1 선택 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제3 포토 게이트;
    상기 제3 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동되는 제3 전하들을 축적하는 제3 플로팅 확산 영역;
    상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제3 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제4 포토 게이트; 및
    상기 제4 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제2 방향으로 이동하는 제4 전하들을 축적하는 제4 플로팅 확산 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  13. 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성되는 하나의 광 검출 영역;
    상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 포토 게이트; 및
    상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적하는 제1 플로팅 확산 영역을 포함하고,
    상기 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성되며, 평면 상에서 상기 제1 포토 게이트로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성되며,
    상기 제1 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 제1 가장자리부에 형성되고, 상기 제1 방향은 평면 상에서 상기 광 검출 영역의 상기 제1 가장자리부와 다른 제2 가장자리부로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향인 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 내부 전기장을 유도하기 위하여 제1 전압이 인가되는 제1 게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 게이트는 상기 광 검출 영역의 상기 제2 가장자리부에 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 제1 게이트로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향인 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 제2 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 포토 게이트; 및
    상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제2 전하들을 축적하는 제2 플로팅 확산 영역을 더 포함하는 3차원 이미지 센서의 거리 픽셀.
  18. 피사체에 변조된 송신 광을 조사하는 광원부; 및
    복수의 거리 픽셀들을 포함하며, 상기 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생하는 픽셀 어레이를 포함하며,
    상기 복수의 거리 픽셀들 중 제1 거리 픽셀은,
    상기 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향 및 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성되는 하나의 광 검출 영역;
    상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 포토 게이트;
    상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적하는 제1 플로팅 확산 영역;
    상기 광 검출 영역의 상부에 상기 제1 포토 게이트와 이격되어 형성되고, 상기 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제2 포토 게이트; 및
    상기 제2 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제2 방향으로 이동하는 제2 전하들을 축적하는 제2 플로팅 확산 영역을 포함하고,
    상기 제1 방향은 평면 상에서 상기 광 검출 영역의 중앙부로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향이며, 상기 제2 방향은 평면 상에서 상기 광 검출 영역의 중앙부로부터 상기 제2 포토 게이트로 향하는 방향인 3차원 이미지 센서.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제1 포토 게이트 및 상기 제1 플로팅 확산 영역은, 상기 제1 거리 픽셀 및 상기 제1 거리 픽셀과 인접하는 제2 거리 픽셀에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 센서.
  20. 피사체에 변조된 송신 광을 조사하는 광원부; 및
    복수의 거리 픽셀들을 포함하며, 상기 피사체로부터 반사된 수신 광에 기초하여 3차원 이미지 센서로부터 상기 피사체까지의 거리 정보를 발생하는 픽셀 어레이를 포함하며,
    상기 복수의 거리 픽셀들 중 제1 거리 픽셀은,
    상기 수신 광에 기초하여 전하들을 수집하고, 상기 수집된 전하들을 제1 방향으로 이동(drift)시키기 위한 내부 전기장이 형성되는 하나의 광 검출 영역;
    상기 광 검출 영역의 상부에 형성되고, 제1 포토 제어 신호에 응답하여 온-오프되는 제1 포토 게이트; 및
    상기 제1 포토 게이트가 턴온되는 경우에 상기 수집된 전하들 중 상기 제1 방향으로 이동하는 제1 전하들을 축적하는 제1 플로팅 확산 영역을 포함하고,
    상기 광 검출 영역은 반도체 기판 내에 상기 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물로 도핑되어 형성되며, 평면 상에서 상기 제1 포토 게이트로부터 멀어질수록 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성되며,
    상기 제1 포토 게이트는 상기 광 검출 영역의 제1 가장자리부에 형성되고, 상기 제1 방향은 평면 상에서 상기 광 검출 영역의 상기 제1 가장자리부와 다른 제2 가장자리부로부터 상기 제1 포토 게이트로 향하는 방향인 3차원 이미지 센서.

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Families Citing this family (50)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9638810B2 (en) 2012-12-03 2017-05-02 Koninklijke Philips N.V. Imaging detector
MX2021007934A (es) 2014-08-08 2023-01-17 Quantum Si Inc Dispositivo integrado para el depósito temporal de fotones recibidos.
JP6406977B2 (ja) * 2014-11-04 2018-10-17 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像システム
GB201421512D0 (en) * 2014-12-03 2015-01-14 Melexis Technologies Nv A semiconductor pixel unit for simultaneously sensing visible light and near-infrared light, and a semiconductor sensor comprising same
KR102305998B1 (ko) * 2014-12-08 2021-09-28 엘지이노텍 주식회사 영상 처리 장치
US9508681B2 (en) * 2014-12-22 2016-11-29 Google Inc. Stacked semiconductor chip RGBZ sensor
CN106298818B (zh) * 2015-05-19 2020-06-09 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种cmos图像传感器及其制作方法和操作方法
US9786715B2 (en) 2015-07-23 2017-10-10 Artilux Corporation High efficiency wide spectrum sensor
EP3370259B1 (en) * 2015-08-04 2020-03-11 Artilux Inc. Germanium-silicon light sensing apparatus
US10761599B2 (en) 2015-08-04 2020-09-01 Artilux, Inc. Eye gesture tracking
US10707260B2 (en) 2015-08-04 2020-07-07 Artilux, Inc. Circuit for operating a multi-gate VIS/IR photodiode
US10861888B2 (en) 2015-08-04 2020-12-08 Artilux, Inc. Silicon germanium imager with photodiode in trench
US10462391B2 (en) * 2015-08-14 2019-10-29 Kla-Tencor Corporation Dark-field inspection using a low-noise sensor
CN106470321B (zh) * 2015-08-21 2020-03-31 比亚迪股份有限公司 图像传感器及图像传感器的读取方法
CN114754864B (zh) 2015-08-27 2023-03-24 光程研创股份有限公司 宽频谱光学传感器
WO2017056347A1 (ja) * 2015-09-29 2017-04-06 パナソニック・タワージャズセミコンダクター株式会社 固体撮像装置
EP3343620A4 (en) * 2015-09-29 2018-08-08 Towerjazz Panasonic Semiconductor Co., Ltd. Solid-state imaging device
CN119052666A (zh) * 2015-09-30 2024-11-29 株式会社尼康 摄像元件及摄像装置
US9812483B2 (en) * 2015-10-26 2017-11-07 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Back-side illuminated (BSI) image sensor with global shutter scheme
US10254389B2 (en) 2015-11-06 2019-04-09 Artilux Corporation High-speed light sensing apparatus
US10886309B2 (en) 2015-11-06 2021-01-05 Artilux, Inc. High-speed light sensing apparatus II
US10741598B2 (en) 2015-11-06 2020-08-11 Atrilux, Inc. High-speed light sensing apparatus II
US10739443B2 (en) 2015-11-06 2020-08-11 Artilux, Inc. High-speed light sensing apparatus II
US10418407B2 (en) 2015-11-06 2019-09-17 Artilux, Inc. High-speed light sensing apparatus III
US9876047B2 (en) * 2015-12-15 2018-01-23 Canon Kabushiki Kaisha Photoelectric conversion apparatus and information processing apparatus
DE102016208347B4 (de) * 2016-05-13 2017-12-21 Infineon Technologies Ag Optische Sensorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Laufzeitsensors
FR3060250B1 (fr) * 2016-12-12 2019-08-23 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Capteur d'image pour capter une image en 2d et une profondeur
JP7149275B2 (ja) 2016-12-22 2022-10-06 クアンタム－エスアイ インコーポレイテッド 直接ビニングピクセルを備える集積光検出器
US11105928B2 (en) 2018-02-23 2021-08-31 Artilux, Inc. Light-sensing apparatus and light-sensing method thereof
CN113540142B (zh) 2018-02-23 2024-07-30 奥特逻科公司 光检测装置
TWI758599B (zh) 2018-04-08 2022-03-21 美商光程研創股份有限公司 光偵測裝置
CN110603457A (zh) * 2018-04-12 2019-12-20 深圳市汇顶科技股份有限公司 影像传感系统及电子装置
US10854770B2 (en) 2018-05-07 2020-12-01 Artilux, Inc. Avalanche photo-transistor
US10969877B2 (en) 2018-05-08 2021-04-06 Artilux, Inc. Display apparatus
KR102683411B1 (ko) * 2018-10-05 2024-07-10 삼성전자주식회사 복조 대비 성능을 향상시키기 위한 픽셀 구조를 포함하는 이미지 센서 및 이미지 처리 시스템
CN109510955B (zh) * 2018-10-17 2021-04-27 天津大学 基于飞行时间三维图像传感器的背景噪声抑制像素电路
CN109951625B (zh) * 2019-04-12 2023-10-31 光微信息科技(合肥)有限公司 彩色深度图像传感器以及成像装置
CN113785219B (zh) * 2019-05-21 2025-04-22 索尼半导体解决方案公司 具有快速电荷传输的门控飞行时间像素的成像器件
WO2020234649A1 (en) * 2019-05-21 2020-11-26 Sony Semiconductor Solutions Corporation Capacitance matched metal wirings in dual conversion gain pixels
CN112018133B (zh) * 2019-05-31 2023-06-06 宁波飞芯电子科技有限公司 半导体元件、半导体元件制备方法以及固态成像装置
KR102751168B1 (ko) * 2019-06-19 2025-01-13 삼성전자주식회사 얽힌 픽셀을 포함하는 깊이 센서
CN112461154B (zh) * 2019-09-09 2023-11-10 睿镞科技(北京)有限责任公司 3d成像方法、装置和深度相机
US12439732B1 (en) 2019-09-25 2025-10-07 Gigajot Technology, Inc. Time-of-flight pixel sensor with high modulation contrast
CA3168138A1 (en) 2020-01-14 2021-07-22 Quantum-Si Incorporated Integrated sensor for lifetime characterization
EP4154315A1 (en) * 2020-05-22 2023-03-29 Brillnics Singapore Pte. Ltd. System, method, device and data structure for digital pixel sensors
CN111965661B (zh) * 2020-08-10 2024-07-12 莫肖波 双栅结构间接飞行时间器件、主动光电探测组件和光电系统
DE102020132868A1 (de) * 2020-12-09 2022-06-09 Ifm Electronic Gmbh Lichtlaufzeitpixel mit Ladungsspeicher
KR20230005605A (ko) 2021-07-01 2023-01-10 삼성전자주식회사 깊이 센서 및 이를 포함하는 이미지 검출 시스템
US12514005B2 (en) 2022-01-12 2025-12-30 Quantum-Si Incorporated Integrated sensor
WO2025263569A1 (ja) * 2024-06-21 2025-12-26 株式会社ニコン 撮像素子および撮像装置

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE254758T1 (de) 1996-09-05 2003-12-15 Rudolf Schwarte Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der phasen- und/oder amplitudeninformation einer elektromagnetischen welle
DE19821974B4 (de) 1998-05-18 2008-04-10 Schwarte, Rudolf, Prof. Dr.-Ing. Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung von Phase und Amplitude elektromagnetischer Wellen
EP1152261A1 (en) 2000-04-28 2001-11-07 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA Device and method for spatially resolved photodetection and demodulation of modulated electromagnetic waves
US7352454B2 (en) 2000-11-09 2008-04-01 Canesta, Inc. Methods and devices for improved charge management for three-dimensional and color sensing
US6906793B2 (en) 2000-12-11 2005-06-14 Canesta, Inc. Methods and devices for charge management for three-dimensional sensing
JP4280822B2 (ja) 2004-02-18 2009-06-17 国立大学法人静岡大学 光飛行時間型距離センサ
EP1583150A1 (en) 2004-03-31 2005-10-05 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA Image sensor with large-area, high-sensitivity and high-speed pixels
US7605415B2 (en) * 2004-06-07 2009-10-20 Canon Kabushiki Kaisha Image pickup device comprising photoelectric conversation unit, floating diffusion region and guard ring
US7834305B2 (en) 2004-07-30 2010-11-16 Panasonic Electric Works Co., Ltd. Image processing device
DE602005005685T2 (de) 2005-10-19 2009-07-09 Mesa Imaging Ag Einrichtung und Verfahren zur Demodulation von modulierten elektromagnetischen Wellenfeldern
US7994465B1 (en) 2006-02-06 2011-08-09 Microsoft Corporation Methods and devices for improved charge management for three-dimensional and color sensing
US7521742B2 (en) * 2006-06-05 2009-04-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor
KR100871798B1 (ko) * 2007-09-07 2008-12-02 주식회사 동부하이텍 이미지 센서 및 그 제조방법
US8035806B2 (en) * 2008-05-13 2011-10-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Distance measuring sensor including double transfer gate and three dimensional color image sensor including the distance measuring sensor
JP5585903B2 (ja) 2008-07-30 2014-09-10 国立大学法人静岡大学 距離画像センサ、及び撮像信号を飛行時間法により生成する方法
CN102292834A (zh) * 2008-12-15 2011-12-21 因西亚瓦(控股)有限公司 利用穿通效应的硅发光器件
JP4832541B2 (ja) * 2009-03-17 2011-12-07 シャープ株式会社 固体撮像素子および電子情報機器
KR101621278B1 (ko) * 2009-07-27 2016-05-17 삼성전자주식회사 광 감지 장치 및 그 단위 픽셀
KR101605046B1 (ko) 2009-07-29 2016-03-21 삼성전자주식회사 싱글 게이트 픽셀 및 싱글 게이트 픽셀 동작 방법
EP2284897B1 (en) 2009-08-14 2021-06-30 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Demodulation pixel incorporating majority carrier current, buried channel and high-low junction
KR20110093212A (ko) * 2010-02-12 2011-08-18 삼성전자주식회사 이미지 센서의 픽셀 및 픽셀 동작 방법
KR101812035B1 (ko) * 2010-11-30 2017-12-26 삼성전자 주식회사 컬러 이미지와 깊이 이미지를 동시에 얻을 수 있는 이미지 센서, 이미지 센서의 동작 방법 및 이미지 센서를 포함하는 이미지 처리 시스템
JP2012182377A (ja) * 2011-03-02 2012-09-20 Sony Corp 固体撮像装置
CN102222679A (zh) * 2011-07-05 2011-10-19 上海宏力半导体制造有限公司 Cmos图像传感器及制作方法
JP5743837B2 (ja) * 2011-10-07 2015-07-01 キヤノン株式会社 光電変換装置、撮像装置および撮像システム

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