KR20130091553A

KR20130091553A - 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 휴대용 장치

Info

Publication number: KR20130091553A
Application number: KR1020120012930A
Authority: KR
Inventors: 오민석; 공해경; 김태찬; 안정착; 임무섭
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-19
Also published as: US9041916B2; KR101848771B1; US20130201167A1

Abstract

3차원 이미지 센서 및 3차원 이미지 센서를 포함한 휴대용 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 이미지 센서는 광전하를 생성하는 광 검출부, 플로팅 확산 영역, 전송게이팅 신호가 인가되면, 상기 생성된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터,제1 단자와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되어 상기 광전하들을 상기 제1 단자로 전송하는 리셋 트랜지스터; 및 드라이브게이팅 신호가 인가되면, 상기 광 검출부으로부터 기설정된 단위시간 외에서 발생하는 잉여 광전하를 제2 단자로 방출하는 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 복수의 깊이 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이로부터 센싱된 깊이 정보를 리드아웃하기 위한 리드 아웃회로를 포함한다. 상기 리드 아웃 회로는 제1 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간과 제2 플로팅 디퓨전 영역으로의 상기 광전하 전송구간이 오버랩되지 않는 경우 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 상기 전송게이팅 신호를 각각 인가하고, 상기 광전하 전송구간이 오버랩되는 경우 상기 오버플로우 트랜지스터에 상기 드라이브게이팅 신호를 인가하는 로직부를 포함한다.

Description

3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 휴대용 장치{3D IMAGE SENSOR AND MOBILE DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 휴대용 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복조 대비(demodulation contrast)를 향상시키는 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 휴대용 장치에 관한 것이다.

3차원 이미지 센서는 소스(source)로부터 방사된 펄스 형태의 광신호가 타겟 물체(또는 측정 대상물)에 의해 반사되어 되돌아 올 때까지의 시간을 측정하여 상기 거리 센서와 상기 타겟 물체까지의 거리를 산출할 수 있다.

상기 소스로부터 출력되는 신호로서 마이크로파(microwave), 광파(light wave), 또는 초음파(ultrasonic wave)가 주로 사용된다. 상기 거리 센서는 TOF(time of flight) 측정 방식을 이용하여 거리를 측정할 수 있다.

1-탭 픽셀 구조의 깊이 픽셀을 포함하는 3차원 이미지 센서는 시간차를 두고 0도, 90도, 180도, 및 270도의 위상차를 갖는 게이트 신호들 각각을 상기 깊이 픽셀에 인가하며, 시간차를 가지고 측정되는 다수의 프레임 신호들 각각을 이용하여 상기 타겟 물체까지의 깊이를 계산할 수 있다. 이때, 계산의 정확도를 높이기 위해서, RC 지연으로 인한 복조대비 열화 없이 생성된 광전하를 센싱 노드로 효과적으로 이동시키는 것이 필요하다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 트랜스퍼 게이트의 커패시턴스로 인하여 발생하는 복조 대비 열화를 방지할 수 있는 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 휴대용 장치를 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 이미지 센서는 광전하를 생성하는 광 검출부, 플로팅 확산 영역, 전송게이팅 신호가 인가되면, 상기 생성된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터,제1 단자와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되어 상기 광전하들을 상기 제1 단자로 전송하는 리셋 트랜지스터; 및 드라이브게이팅 신호가 인가되면, 상기 광 검출부으로부터 기설정된 단위시간 외에서 발생하는 잉여 광전하를 제2 단자로 방출하는 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 복수의 깊이 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이로부터 센싱된 깊이 정보를 리드아웃하기 위한 리드 아웃회로를 포함한다. 상기 리드 아웃 회로는 제1 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간과 제2 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간이 오버랩되지 않는 경우 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 상기 전송게이팅 신호를 각각 인가하고, 상기 광전하 전송구간이 오버랩되는 경우 상기 오버플로우 트랜지스터에 상기 드라이브게이팅 신호를 인가하는 로직부를 포함한다.

상기 지연회로는 다수 개의 인버터를 포함하여 상기 전송제어신호를 지연시킨다.

상기 제1논리회로는 상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호를 AND 연산한 상기 전송게이팅 신호를 출력한다.

상기 제2논리회로는 상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호를 XOR 연산한 상기 드라이빙게이팅신호를 출력한다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 장치는 3차원 이미지 센서 및 상기 3차원 이미지 센서로부터 처리된 이미지 데이터를 디스플레이하는 디스플레이를 포함한다.

상기 3차원 이미지 센서는 광전하를 생성하는 광 검출부, 적어도 둘 이상의 플로팅 확산 영역들, 전송게이팅 신호가 인가되면, 상기 생성된 광전하를 상기 각 플로팅 확산 영역으로 전송하는 적어도 둘 이상의 트랜스퍼 트랜지스터들, 제1 단자와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되어 상기 광전하들을 상기 제1 단자로 전송하는 적어도 둘 이상의 리셋 트랜지스터 및 드라이브게이팅 신호가 인가되면, 상기 광 검출부으로부터 기설정된 단위시간 외에서 발생하는 잉여 광전하를 제2 단자로 방출하는 적어도 하나의 드라이빙 트랜지스터를 포함하는 단위 픽셀들이 복수 개 배열된 픽셀 어레이 및 상기 픽셀 어레이로부터 센싱된 깊이 정보를 리드아웃 하며, 제1 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간과 제2 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간이 오버랩되지 않는 경우 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 상기 전송게이팅 신호를 각각 인가하고, 상기 광전하 전송구간이 오버랩되는 경우 상기 오버플로우 트랜지스터에 상기 드라이브게이팅 신호를 인가하는 리드아웃회로를 포함한다.

상기 로직부는 상기 각각의 제2논리회로로부터 상기 제1신호를 각각 수신하여 상기 드라이브게이팅 신호를 출력하는 제3논리회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 3차원 이미지 센서 및 이를 포함하는 휴대용 장치는 RC지연(RC delay)으로 전송제어신호들이 일부분 오버랩되어 발생하는 복조 대비(demodulation contrast) 열화를 방지할 수 있다. 또한, 전송제어신호의 기초가 되는 마스터 클락신호의 주파수를 올릴 필요 없이 열화의 원인이 되는 잉여 광전하들을 방출시킴으로써 복조 대비(demodulation contrast)를 향상시켜 뎁쓰 에러를 줄일 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 블록도이다.
도 2는 단위 픽셀의 예를 도시한 상세 회로도이다.
도 3은 도 1에 도시된 3차원 이미지 센서에 포함된 단위픽셀의 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 3차원 이미지 센서의 다른 일실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 단위픽셀의 동작을 나타낸 타이밍도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자장치의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.
도 8은 비교예에 따른 단위픽셀의 동작을 나타낸 타이밍도이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 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 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 여기서, CCD는 CMOS 이미지 센서에 비해 잡음(noise)이 적고 화질이 우수하지만, 고전압을 요구하며 공정 단가가 비싸다. CMOS 이미지 센서는 구동 방식이 간편하고 다양한 스캐닝(scanning) 방식으로 구현 가능하다. 또한, 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다. 전력 소모 또한 매우 낮아 배터리 용량이 제한적인 제품에 적용이 용이하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 이미지 센서로 CMOS 이미지 센서를 예시하여 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 그대로 CCD에도 적용될 수 있음은 물론이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 8은 비교예에 따른 단위픽셀의 동작을 나타낸 타이밍도이다.

도 8을 참조하면, 3차원 이미지 센서는 광원을 변조(modulation)하여 목표물에 조사하고, 반사되어 돌아오는 광 신호를 검출한다. 3차원 이미지 센서는 돌아온 광 신호를 복조하여, 각 픽셀별로 조사한 광원과 돌아온 광 신호간 위상차를 측정한다. 3차원 이미지 센서는 상기 위상차 정보에 기초하여 깊이 정보를 획득한다.

복조 동작에 이용되는 트랜스퍼 트랜지스터의 트랜스퍼 게이트 또는 포토 게이트는 2차원 이미지 센서보다 큰 커패시턴스(capacitance)를 갖는데, 이는 RC 지연(RC delay)값이 커지게 한다. 즉, 트랜스퍼 트랜지스터에 인가되는 전송제어신호들(TG_A,TG_B)의 라이징타임(rising time) 및 폴링 타임(falling time)이 상기 RC 지연만큼 지연된다. 전송제어신호의 기설정된 듀티 사이클(duty cycle)은 그 값이 작아질수록 복조 대비를 향상시키나, RC 지연으로 인한 오버랩 구간이 생길 수 있다. 오버랩 구간에서의 잉여 광전하들은 깊이 정보에 심각한 영향을 미치고, 3차원 이미지 센서의 복조 대비 열화를 발생시킬 수 있다.

그 결과 지연된 전송제어신호들 간에 오버랩 구간(X)이 생겨 오버랩 구간에서 발생하는 잉여 광전하들이 위상차 정보의 계산에 영향을 미치므로 복조 대비를 열화시킨다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 3차원 이미지 센서(10)는 TOF(time of flight) 원리를 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 3차원 이미지 센서(10)는 반도체 집적회로(20), 광원(32) 및 렌즈 모듈(34)을 포함한다.

상기 반도체 집적회로(20)는 복수의 단위 픽셀들(100)이 배열된 픽셀 어레이(40)와 리드아웃(read-out) 회로(50)를 포함하며, 이때 리드아웃 회로(50)는 상기 픽셀 어레이에 센싱된 이미지 정보를 리드아웃하기 위한 것으로, 로우 디코더(24), 광원 드라이버(30), 타이밍 컨트롤러(26), 포토 게이트 컨트롤러(28) 및 로직 회로(36)를 포함한다.

픽셀 어레이(40)는 복수의 단위 픽셀들(100)을 포함한다. 설명의 편의를 위하여 단위 픽셀(100)에 대해 이후에 설명하기로 한다.

로우 디코더(row decoder; 24)는 타이밍 컨트롤러(timing controller; 26)로부터 출력된 로우 어드레스(row address)에 응답하여 복수의 로우들 중에서 어느 하나의 로우를 선택한다. 여기서, 로우(row)란 픽셀 어레이(40)에서 X-방향으로 배치된 복수의 깊이 픽셀들의 집합을 의미한다.

포토 게이트 컨트롤러(Photo Gate Controller; 28)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에 복수의 포토 게이트 컨트롤 신호들을 생성하여 이들을 픽셀 어레이(40)로 공급할 수 있다.

광원 드라이버(light source driver; 30)는, 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에, 광원(32)을 드라이빙할 수 있는 클락 신호(MLS)를 생성할 수 있다.

광원(32)은 클락 신호(MLS)에 응답하여 변조된 광신호를 타켓 물체(1)로 방사한다. 광원(32)으로서 LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light-Emitting Diode) 또는 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 변조된 광신호는 정현파 또는 구형파일 수 있다.

광원 드라이버(30)는 클락 신호(MLS) 또는 클락 신호(MLS)에 대한 정보를 포토 게이트 컨트롤러(28)로 공급한다.

광원(32)으로부터 출력된 변조된 광신호는 타겟 물체(1)에서 반사되고, 타겟 물체(1)가 서로 다른 거리(Z1, Z2, 및 Z3)를 가질 때 거리(Z)는 다음과 같이 계산된다.

예컨대, 변조된 광신호가 cos ωt이고, 깊이 픽셀(100)로 입사된 광신호 또는 깊이 픽셀(100)에 의하여 검출된 광신호가 cos(ωt+Φ)일 때, TOF에 의한 위상 쉬프트(phase shift; Φ)는 다음과 같다.

Φ=2*ω*Z/C=2*(2πf)*Z/C

여기서, C는 광속을 나타낸다. 따라서, 광원(32) 또는 픽셀 어레이(40)로부터 타겟 물체(1)까지의 거리(Z)는 다음과 같이 계산된다.

Z=Φ*C/(2*ω)=Φ*C/(2*(2πf))

반사된 광신호들을 렌즈 모듈(34)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된다.

로직 회로(Logic Circuit, 36)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에, 픽셀 어레이(40)에 구현된 복수의 단위 픽셀들(100)에 의하여 감지된 신호들을 처리하고 처리된 신호들을 프로세서(미도시)로 출력할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 처리된 신호들에 기초하여 거리를 계산할 수 있다. 3차원 이미지 센서(10)가 상기 프로세서를 포함할 때, 3차원 이미지 센서(10)는 거리 측정 장치일 수 있다.

실시 예에 따라 3차원 이미지 센서(10)와 상기 프로세서(미도시)는 별개의 칩으로 구현될 수 있다.

실시 예에 따라, 로직 회로(36)는 픽셀 어레이(40)로부터 출력된 감지 신호들을 디지털 신호들로 변환할 수 있는 아날로그-디지털 변환 블록(미도시)을 포함할 수 있다. 로직 회로(36)는 상기 아날로그-디지털 변환 블록으로부터 출력되는 상기 디지털 신호들에 CDS(correlated double sampling)를 수행하기 위한 CDS 블록(미도시)을 더 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 따라, 로직 회로(36)는 픽셀 어레이(40)로부터 출력된 감지 신호들에 CDS를 수행하기 위한 CDS 블록, 및 상기 CDS 블록에 의하여 CDS된 신호들을 디지털 신호들로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환 블록을 포함할 수 있다.

또한, 로직 회로(36)는 타이밍 컨트롤러(26)의 제어 하에 상기 아날로그-디지털 변환 블록 또는 상기 CDS 블록의 출력 신호들을 상기 프로세서로 출력하기 위한 컬럼 디코더를 더 포함할 수 있다.

3차원 이미지 센서(10)는 렌즈 모듈(34)의 주변에 원형으로 배열되는 복수의 광원들을 포함하나, 설명의 편의를 위하여 하나의 광원(32)만을 도시한다.

렌즈 모듈(34)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된 광신호들은 복수의 단위 픽셀들(100)에 의하여 복조될 수 있다. 즉, 렌즈 모듈(34)을 통하여 픽셀 어레이(40)로 입사된 광신호들은 이미지를 형성할 수 있다.

도 2는 다양한 단위 픽셀의 예를 도시한 상세 회로도이다.

도 2a를 참조하면, 단위 픽셀(100a)은 광 검출부(Photo Detector, PD)와, 트랜스퍼 트랜지스터(Transfer Transister, TX)와, 플로팅 확산영역(Floating diffusion region,이하 FD)와, 리셋 트랜지스터(Reset Transistor, RX)와, 드라이브 트랜지스터(Drive Transistor, DX) 및 셀렉트 트랜지스터(Select Transistor, SX)를 포함한다.

여기서, 광 검출부(PD)는 반사광선(reflected light)에 응답하여 광전하를 축적한다. 광 검출부(PD)는 포토 다이오드(Photo Diode), 포토트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토다이오드(pinned photo diode(PPD)) 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 광 검출부(PD)와 플로팅 확산영역(FD) 사이에 접속된다. 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 광 검출부(PD)로부터 플로팅 확산 영역(FD)로 상기 전하가 전송되는 것을 제어하는 전송게이트를 포함한다. 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 전송게이팅 신호(TG)에 의해 활성화 된다. 예컨대, 전송게이팅 신호(TG)가 하이 레벨일 때, 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 광 검출부(PD)에 의해 생성된 전하를 전송한다.

리셋 트랜지스터(RX)는 공급 전압(Vpix)을 공급하는 공급 전압 단자와 플로팅 확산 영역(FD) 사이에 접속된다. 리셋 트랜지스터(RX)는 광 검출부(PD) 또는 플로팅 확산 영역(FD)를 리셋하기 위한 리셋 게이트를 포함한다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 게이트 신호(RG)에 의해 활성화된다. 예컨대, 리셋 게이트 신호(RG)가 하이 레벨일 때, 리셋 트랜지스터(RX)는 활성화될 수 있다.

소스 팔로워 출력 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워출력 게이트를 포함한다. 소스 팔로워 출력 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산영역(FD)으로부터 전송되는 소스 팔로워 게이트 신호에 의해 활성화된다. 소스 팔로워 출력 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)에 저장된 전하를 출력 전압(Vout,COL)으로 변환한다.

선택 트랜지스터(SX)는 플로팅 디퓨전 노드(FD)와 소스 팔로워 게이트 (DX) 사이에 접속된다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 게이트를 포함한다. 선택 트랜지스터(SX)는 선택 게이트 신호(SEL)에 의해 활성화된다.

다수의 제어 신호들(TG, RG, SEL)은 로우 드라이버(24)로부터 출력된다.

도 2에서는 하나의 포토다이오드(PD)와 4개의 MOS트랜지스터들(TX, RX, DX, 및 SX)을 구비하는 4T 구조의 단위 픽셀을 예시하고 있지만, 본 발명에 따른 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 소스팔로워 트랜지스터(DX)와 셀렉트 트랜지스터(SX)를 포함하는 적어도 3개의 트랜지스터들과 광 검출부(PD)를 포함하는 모든 회로들에 본 발명에 따른 실시 예가 적용될 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 3차원 이미지 센서에 포함된 단위픽셀의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 3차원 이미지 센서의 단위 픽셀(100)은 광검출부(101), 플로팅 확산 영역(104,105),트랜스퍼 트랜지스터(102,103), 리셋 트랜지스터(106,107), 제1 단자(108,109), 오버플로우 트랜지스터(110) 및 제2 단자(111)을 포함한다.

오버플로우 트랜지스터(110)는 광 검출부(101)와 제2 단자(111) 사이에 연결된다. 오버플로우 트랜지스터(110)는 오버플로우 게이트에 드라이브게이팅 신호(⑤)가 인가되면, 상기 광 검출부(101)으로부터 기설정된 단위시간 외에서 발생하는 잉여 광전하를 제2 단자(111)로 방출한다.

3차원 이미지 센서의 로우 드라이버(24)는 로직부(120)를 포함한다.

로직부(120)는 제1 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간과 제2 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간이 오버랩되지 않는 경우 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 상기 전송게이팅 신호를 각각 인가하고, 상기 광전하 전송구간이 오버랩되는 경우 상기 드라이빙 트랜지스터에 상기 드라이브게이팅 신호를 인가한다.

로직부(120)는 지연회로(121,122), 제1논리회로(123,124),제2논리회로(125,126)를 포함한다.

지연회로(121,122)은 전송제어신호(①,①')를 일정시간동안 지연시킨 지연전송제어신호(②,②')를 출력한다.

제1논리회로(123,124)는 전송제어신호(①,①')의 단위시간 내에서 전송제어신호(①,①')와 지연전송제어신호(②,②')가 오버랩되는 시간 동안 전송게이팅 신호(③,③')를 출력한다. 일례로 제1논리회로(123,124)는 전송제어신호(①,①')와 지연전송제어신호(②,②')를 AND 연산한 전송게이팅 신호(③,③')를 출력할 수 있다. 이때 상기 전송제어신호는 첫번째 제1논리회로(123)에 인가되는 제1전송제어신호(①)와 두번째 제1논리회로(124)에 인가되는 제2전송제어신호(①') 간의 위상차가 180도일 수 있다.

제2논리회로(125,126)는 상기 단위시간 내에서 상기 전송제어신호(①,①')와 상기 지연전송제어신호(②,②')가 오버랩되지 않는 시간 동안 제1 신호(④,④')를 출력한다.일례로 제2논리회로(125,126)는 전송제어신호(①,①')와 지연전송제어신호(②,②')를 XOR 연산한 전송게이팅 신호(③,③')를 출력할 수 있다.

로직부(120)는 제3논리회로(127)를 더 포함할 수 있다.

제3논리회로(127)는 첫번째 제2논리회로(125)로부터 제2신호(④) 및 두번째 제2논리회로(126)로부터 제3신호(④')를 각각 수신하여 오버플로우 트랜지스터(110)로 인가되는 상기 드라이브게이팅 신호(⑤)를 출력한다. 일례로 제3논리회로(127)는 제2신호(④)와 제3신호(④')를 OR연산한 드라이브게이팅 신호(⑤)를 출력할 수 있다. 즉, 첫번째 제1논리회로(102)에 전송제어신호가 인가될 때 발생할 수 있는

도 4는 도 3에 도시된 3차원 이미지 센서의 다른 일실시예에 의한 단위픽셀의 단면도이다. 설명의 편의를 위하여 도 3과의 차이점을 위주로 설명한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 일례로 지연회로(121,122)는 다수 개의 인버터를 포함할 수 있다. 그러나 지연회로의 실시예에 이에 한정되는 것은 아니며, 신호를 지연시키는 기술에 관한 다양한 실시예들로 구현될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 단위픽셀의 동작을 나타낸 타이밍도이다.

도 5를 참조하면, 먼저, 3차원 이미지 센서의 리드 아웃 회로를 통해 제1 전송제어신호(TG_A,①)가 인가된다. 제1 전송제어신호(TG_A,①)는 제1 지연회로(121)에서 일정시간 동안 지연된 제1 지연전송신호(Delayed TG_A,②)로 출력된다. 이때 상기 일정시간은 설정에 의해 고정되거나 가변가능하다.

첫번째 제1 논리회로(123)는 제1 전송제어신호(TG_A,①)와 제1 지연전송신호(Delayed TG_A,②)를 AND 연산하여 제1전송게이팅 신호(③)를 출력한다. 제1전송게이팅 신호(③)는 제1트랜스퍼 트랜지스터(102)에 인가되어, 광 검출부(101)에서 생성된 광 전하들을 제1 플로팅 확산 영역(104)으로 전송한다.

첫번째 제2 논리회로(125)는 제1 전송제어신호(TG_A,①)와 제1 지연전송신호(Delayed TG_A,②)를 XOR 연산하여 제2 신호(④)를 출력한다. 제2 신호(④)는 제3논리회로(127)에 인가된다.

마찬가지로, 두번째 제1논리회로(124)에 제2 전송제어신호(TG_B,①')가 인가된다. 제2 전송제어신호(TG_B,①')는 제1 지연회로(122)에서 일정시간 동안 지연된 지연전송신호(Delayed TG_B,②')로 출력된다. 이때 상기 일정시간은 설정에 의해 고정되거나 가변가능하다. 일례로 제2 전송제어신호(TG_B,①')는 제1전송제어신호(TG_A,①)와 위상이 180도 차이가 날 수 있다.

두번째 제1 논리회로(124)는 제2 전송제어신호(TG_B,①')와 제2 지연전송신호(Delayed TG_B,②')를 AND 연산하여 제2 전송게이팅 신호(③')를 출력한다. 제2 전송게이팅 신호(③')는 제2트랜스퍼 트랜지스터(103)에 인가되어, 광 검출부(101)에서 생성된 광 전하들을 제2 플로팅 확산 영역(105)으로 전송한다.

두번째 제2 논리회로(126)는 제2 전송제어신호(TG_B,①')와 제2 지연전송신호(Delayed TG_B,②')를 XOR 연산하여 제3 신호(④')를 출력한다. 제3 신호(④')는 제3논리회로(127)에 인가된다.

제3논리회로(127)는 제2 신호(④)와 제3 신호(④')를 OR 연산하여 드라이브게이팅 신호(⑤)를 출력한다.

3차원 이미지 센서(100)는 제2 논리회로(125)에서 생성된 제1신호를 직접 오버 플로우 트랜지스터(110)에 인가할 수 있다. 그러나 적어도 둘 이상의 트랜스퍼 트랜지스터(102,103)이 있을 경우, 제3 논리회로(127)가 각 단으로부터 인가되는 제1 신호(즉, 제2신호와 제3신호)를 모두 더하여 드라이브게이팅 신호를 생성할 수 있다.

따라서,3차원 이미지 센서(100)는 제1 전송제어신호와 제2 전송제어신호가 오버랩되지 않는 구간에서 각각의 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트에 인가되어 광 전하를 각각의 플로팅 확산 영역으로 전송될 수 있다. 또한 3차원 이미지 센서(100)는 제1 전송제어신호와 제2 전송제어신호가 오버랩되는 구간에서 오버플로우 트랜지스터의 게이트에 드라이브게이팅 신호를 인가하여 제2단자로 잉여 광전하를 방출할 수 있다.

그 결과 전송제어신호들이 일부분 오버랩되어 발생하는 복조 대비(demodulation contrast) 열화를 방지할 수 있다. 또한, 전송제어신호의 기초가 되는 마스터 클락신호의 주파수를 올릴 필요 없이 복조 대비 열화의 원인이 되는 잉여 광전하들을 방출시킴으로써 복조 대비(demodulation contrast)를 향상시킬 수 있고, 또한 뎁쓰 에러를 줄일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자장치의 블록도이다.

도 6에 도시된 전자 장치(300)는 디지털 카메라, 디지털 카메라가 내장된 이동 전화기, 또는 디지털 카메라를 포함하는 모든 전자 장치를 포함한다. 전자 장치(300)는 2차원 이미지 정보 또는 3차원 이미지 정보를 처리할 수 있다. 상기 전자 장치(300)는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 이미지 센서(10)를 포함한다.

전자장치(300)는 상기 센서의 동작을 제어하기 위한 이미지 신호 프로세서(320)를 포함할 수 있다.

전자장치(300)는 인터페이스(330)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스(330)는 영상 표시 장치일 수 있다. 또한, 인터페이스(330)는 입출력 장치일 수 있다.

따라서, 영상 표시 장치는 이미지 신호 프로세서(320)의 제어 하에 3차원 이미지 센서로부터 캡처된 정지 영상 또는 동영상을 저장할 수 있는 메모리 장치(350)를 포함할 수 있다. 메모리 장치(350)는 비휘발성 메모리 장치로 구현될 수 있다. 상기 비휘발성 메모리 장치는 다수의 비휘발성 메모리 셀들을 포함할 수 있다.

상기 비휘발성 메모리 셀들 각각은 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리, MRAM(Magnetic RAM), 스핀전달토크 MRAM(Spin-Transfer Torque MRAM), Conductive bridging RAM(CBRAM), FeRAM(Ferroelectric RAM), OUM(Ovonic Unified Memory)라고도 불리는 PRAM(Phase change RAM), 저항 메모리(Resistive RAM: RRAM 또는 ReRAM), 나노튜브 RRAM(Nanotube RRAM), 폴리머 RAM(Polymer RAM: PoRAM), 나노 부유 게이트 메모리(Nano Floating Gate Memory: NFGM), 홀로그래픽 메모리(holographic memory), 분자 전자 메모리 소자(Molecular Electronics Memory Device), 또는 절연 저항 변화 메모리(Insulator Resistance Change Memory)로 구현될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미지 센서를 포함하는 전자 시스템 및 인터페이스를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 상기 전자 시스템(1000)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치, 예컨대 이동 전화기, PDA, PMP, IPTV 또는 스마트 폰으로 구현될 수 있다.

상기 전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010), 이미지 센서(1040), 및 디스플레이(1050)를 포함한다.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 CSI 호스트(1012)는 카메라 시리얼 인터페이스(camera serial interface(CSI))를 통하여 이미지 센서(1040)의 CSI 장치(1041)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, 상기 CSI 호스트(1012)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있고, CSI 장치(1041)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있다. 이때 이미지 센서(1040)는 3차원 이미지 센서를 포함할 수 있다.

어플리케이션 프로세서(1010)에 구현된 DSI 호스트(1011)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(display serial interface(DSI))를 통하여 디스플레이(1050)의 DSI 장치(1051)와 시리얼 통신할 수 있다. 이때, 예컨대, DSI 호스트(1011)에는 광 시리얼라이저가 구현될 수 있고, DSI 장치(1051)에는 광 디시리얼라이저가 구현될 수 있다.

전자 시스템(1000)은 어플리케이션 프로세서(1010)와 통신할 수 있는 RF 칩(1060)을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(1000)의 PHY(1013)와 RF 칩(1060)의 PHY(1061)는 MIPI DigRF에 따라 데이터를 주고받을 수 있다.

전자 시스템(1000)은 GPS(1020), 스토리지(1070), 마이크(1080), DRAM(1085) 및 스피커(1090)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전자 시스템(1000)은 Wimax(1030), WLAN(1100) 및 UWB(1110) 등을 이용하여 통신할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1: 대상물 10: 3차원 이미지 센서
20: 반도체 집적회로 24: 로우 디코더
26: 타이밍 컨트롤러 28: 포토 게이트 컨트롤러
30: 광원 드라이버 32: 광원
34: 렌즈 모듈 36: 로직 회로
40: 셀 어레이 100,100': 단위 픽셀
1000: 전자 시스템

Claims

광전하를 생성하는 광 검출부; 플로팅 확산 영역; 전송게이팅 신호가 인가되면, 상기 생성된 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터; 제1 단자와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되어 상기 광전하들을 상기 제1 단자로 전송하는 리셋 트랜지스터; 및 드라이브게이팅 신호가 인가되면, 상기 광 검출부으로부터 기설정된 단위시간 외에서 발생하는 잉여 광전하를 제2공급전원 단자로 방출하는 오버플로우 트랜지스터를 포함하는 복수의 깊이 픽셀들이 배열된 픽셀 어레이; 및
상기 픽셀 어레이로부터 센싱된 깊이 정보를 리드아웃하기 위한 리드 아웃회로를 포함하고,
상기 리드 아웃 회로는
제1 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간과 제2 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간이 오버랩되지 않는 경우 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 상기 전송게이팅 신호를 각각 인가하고, 상기 광전하 전송구간이 오버랩되는 경우 상기 오버플로우 트랜지스터에 상기 드라이브게이팅 신호를 인가하는 로직부를 포함하는 3차원 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 로직부는
전송제어신호를 일정시간동안 지연시킨 지연전송제어신호를 출력하는 적어도 둘 이상의 지연회로들; 상기 전송제어신호의 상기 단위시간 내에서 상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호가 오버랩되는 시간 동안 상기 전송게이팅 신호를 출력하는 적어도 둘 이상의 제1논리회로들; 및 상기 단위시간 내에서 상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호가 오버랩되지 않는 시간 동안 상기 드라이브게이팅 신호를 인가하는 적어도 둘 이상의 제2논리회로들을 포함하는 3차원 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 지연회로는
다수 개의 인버터를 포함하여 상기 전송제어신호를 지연시키는 3차원 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 제1논리회로는
상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호를 AND 연산한 상기 전송게이팅 신호를 출력하는 3차원 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 제2논리회로는
상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호를 XOR 연산한 상기 드라이빙게이팅신호를 출력하는 3차원 이미지 센서.
3차원 이미지 센서; 및
상기 3차원 이미지 센서로부터 처리된 이미지 데이터를 디스플레이하는 디스플레이를 포함하며,
상기 3차원 이미지 센서는
광전하를 생성하는 광 검출부; 적어도 둘 이상의 플로팅 확산 영역들; 전송게이팅 신호가 인가되면, 상기 생성된 광전하를 상기 각 플로팅 확산 영역으로 전송하는 적어도 둘 이상의 트랜스퍼 트랜지스터들; 제1 단자와 상기 플로팅 확산 영역 사이에 연결되어 상기 광전하들을 상기 제1 단자로 전송하는 적어도 둘 이상의 리셋 트랜지스터; 및 드라이브게이팅 신호가 인가되면, 상기 광 검출부으로부터 기설정된 단위시간 외에서 발생하는 잉여 광전하를 제2 단자로 방출하는 적어도 하나의 드라이빙 트랜지스터를 포함하는 단위 픽셀들이 복수 개 배열된 픽셀 어레이; 및
상기 픽셀 어레이로부터 센싱된 깊이 정보를 리드아웃 하며, 제1 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간과 제2 플로팅 확산 영역으로의 상기 광전하 전송구간이 오버랩되지 않는 경우 상기 트랜스퍼 트랜지스터에 상기 전송게이팅 신호를 각각 인가하고, 상기 광전하 전송구간이 오버랩되는 경우 상기 오버플로우 트랜지스터에 상기 드라이브게이팅 신호를 인가하는 리드아웃회로를 포함하는 휴대용 장치.
제6항에 있어서, 상기 로직부는
전송제어신호를 일정시간동안 지연시킨 지연전송제어신호를 출력하는 적어도 둘 이상의 지연회로들; 상기 전송제어신호의 상기 단위시간 내에서 상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호가 오버랩되는 시간 동안 상기 전송게이팅 신호를 출력하는 적어도 둘 이상의 제1논리회로들; 및 상기 단위시간 내에서 상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호가 오버랩되지 않는 시간 동안 상기 드라이브게이팅 신호를 인가하는 적어도 둘 이상의 제2논리회로들을 포함하는 휴대용 장치.
제7항에 있어서, 상기 각 제1논리회로는
상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호를 AND 연산한 상기 전송게이팅 신호를 출력하는 휴대용 장치.
제7항에 있어서, 상기 각 제2논리회로는
상기 전송제어신호와 상기 지연전송제어신호를 XOR 연산한 상기 제1신호를 출력하는 휴대용 장치.
제7항에 있어서, 상기 로직부는
상기 각각의 제2논리회로로부터 상기 제1신호를 각각 수신하여 상기 드라이브게이팅 신호를 출력하는 제3논리회로를 더 포함하는 휴대용 장치.