KR100699847B1 - Pixel circuit having narrow band-gap photodiode in image sensor - Google Patents

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Abstract

이미지 센서에서 협폭 밴드갭 광소자를 가지는 픽셀 회로가 개시된다. 상기 이미지 센서에서는 협폭 밴드갭을 가지는 광소자에 의하여 반도체 표면으로부터 얕은 위치에서도 장파장 빛이 용이하게 흡수될 수 있다. Disclosed is a pixel circuit having a narrow bandgap optical element in an image sensor. In the image sensor, long wavelength light may be easily absorbed even at a shallow position from the semiconductor surface by an optical device having a narrow band gap.

Description

이미지 센서에서 협폭 밴드갭 광소자를 가지는 픽셀 회로{Pixel circuit having narrow band-gap photodiode in image sensor}Pixel circuit having narrow band-gap photodiode in image sensor

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In order to better understand the drawings cited in the detailed description of the invention, a brief description of each drawing is provided.

도 1은 일반적인 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a general image sensor.

도 2는 도 1의 APS 어레이의 컬러 필터 패턴을 나타내는 일례이다.FIG. 2 is an example illustrating a color filter pattern of the APS array of FIG. 1.

도 3은 도 1의 APS 어레이의 단위 픽셀 구동 회로도이다.3 is a unit pixel driving circuit diagram of the APS array of FIG. 1.

도 4는 도 3의 광소자의 일반적인 단면 구조를 나타낸다.4 shows a general cross-sectional structure of the optical device of FIG.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 구동 회로들을 나타낸다.5 illustrates pixel driving circuits of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6a 내지 도 6c는 도 5의 광소자의 제조 공정 상의 단면 구조를 나타낸다.6A to 6C show a cross-sectional structure in the manufacturing process of the optical device of FIG.

도 7은 도 5의 픽셀 구동 회로의 신호들에 대한 타이밍도이다.FIG. 7 is a timing diagram for signals of the pixel driving circuit of FIG. 5.

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 CIS(CMOS Image Sensor) 타입의 이미지 센서의 픽셀 회로에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor, and more particularly to a pixel circuit of an image sensor of a CMOS image sensor (CIS) type.

CMOS 이미지 센서는 휴대폰 카메라, 디지털 스틸 카메라(digital still camera) 등에 장착되어, 시야에 전개되는 영상을 촬상하여 전기적 신호로 변환하고 변환된 영상 신호를 디지털 신호로 바꾸어 전송한다. CMOS 이미지 센서에서 출력되는 디지털 영상 신호는 삼색(Red, Green, Blue) 컬러 이미지 데이터이고, 상기 디지털 영상 신호는 신호 처리되어 LCD(liquid crystal display)와 같은 디스플레이 장치를 구동한다. The CMOS image sensor is mounted on a mobile phone camera, a digital still camera, or the like, and captures an image deployed in a field of view, converts it into an electrical signal, and converts the converted image signal into a digital signal. The digital image signal output from the CMOS image sensor is three color (Red, Green, Blue) color image data, and the digital image signal is processed to drive a display device such as a liquid crystal display (LCD).

도 1은 일반적인 CMOS 이미지 센서(100)를 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 상기 이미지 센서(100)는 APS(Active Pixel Sensor) 어레이(110), 로우(row) 드라이버(120), 및 아날로그-디지털 변환부(ADC: analog-digital converter)(130)를 구비한다. 1 is a block diagram illustrating a general CMOS image sensor 100. Referring to FIG. 1, the image sensor 100 includes an active pixel sensor (APS) array 110, a row driver 120, and an analog-digital converter (ADC) 130. It is provided.

상기 로우 드라이버(120)는 로우 디코더(미도시)에서 제어 신호를 받고, 아날로그-디지털 변환부(130)는 열(column) 디코더(미도시)에서 제어 신호를 받는다. 이외에 상기 이미지 센서(100)는 전반적인 타이밍 제어 신호들과 각 픽셀의 선택 및 감지된 영상신호의 출력을 위한 어드레싱(addressing) 신호들을 생성하는 콘트롤부(미도시)를 구비한다. The row driver 120 receives a control signal from a row decoder (not shown), and the analog-to-digital converter 130 receives a control signal from a column decoder (not shown). In addition, the image sensor 100 includes a control unit (not shown) for generating general timing control signals and addressing signals for selecting each pixel and outputting a sensed image signal.

도 2는 도 1의 APS 어레이(110)의 컬러 필터 패턴을 나타내는 일례이다. 통상적으로 칼라 이미지 센서(100)인 경우에, 도 2와 같이, APS 어레이(110)를 이루는 각 픽셀 상부에 특정 컬러의 빛만 받아들이도록 컬러 필터(color filter)를 설치하는데, 색 신호를 구성하기 위하여 적어도 3 가지 종류의 컬러 필터를 배치한다. 가장 일반적인 컬러 필터 어레이는 한 행에 R(red), G(green) 2 가지 컬러의 패턴, 및 다른 행에 G(green), B(blue) 2 가지 컬러의 패턴이 반복적으로 배치되는 베이어(Bayer) 패턴을 가진다. 이때, 휘도 신호와 밀접한 관련이 있는 G(green) 컬러는 모든 행에 배치되고, R(red) 컬러, B(blue) 컬러는 각 행마다 엇갈리게 배치되어 휘도 해상도를 높인다. 디지털 스틸 카메라 등에는 해상도를 높이기 위하여 100만 픽셀 이상의 많은 픽셀을 배열한 CIS가 적용되어 있다.2 illustrates an example of a color filter pattern of the APS array 110 of FIG. 1. In general, in the case of the color image sensor 100, as shown in FIG. 2, a color filter is installed to receive only light of a specific color on each pixel forming the APS array 110. Place at least three kinds of color filters. The most common color filter array is Bayer, where the patterns of two colors R (red) and G (green) are arranged in one row, and the patterns of two colors G (green) and B (blue) are arranged in another row. ) Has a pattern. At this time, the G (green) color closely related to the luminance signal is arranged in all rows, and the R (red) color and the B (blue) color are alternately arranged in each row to increase the luminance resolution. Digital still cameras, etc. are applied to a CIS array of many million pixels or more in order to increase the resolution.

이와 같은 픽셀 구조를 가지는 상기 이미지 센서(100)에서, 상기 APS 어레이(110)는 광소자(photodiode)를 이용하여 빛을 감지하여 전기적 신호로 변환하여 영상신호를 생성한다. 상기 APS 어레이(110)에서 출력되는 영상신호는 R(red), G(green), B(blue) 3색의 아날로그 신호이다. 상기 아날로그-디지털 변환부(130)는 상기 픽셀 어레이(110)에서 출력되는 아날로그 영상신호를 받아 디지털 신호로 변환한다. 광소자에서 감지된 영상신호를 아날로그-디지털 변환부(130)에서 디지털 신호로 변환할 때, CDS(Correlated Double Sampling) 방식을 이용한다. 이와 같은 CDS 구동 방식에 대하여는 주지된 바와 같다. In the image sensor 100 having such a pixel structure, the APS array 110 detects light using a photodiode and converts the light into an electrical signal to generate an image signal. The video signal output from the APS array 110 is an analog signal of three colors of red (R), green (G), and blue (B). The analog-digital converter 130 receives an analog image signal output from the pixel array 110 and converts the analog image signal into a digital signal. When the image signal sensed by the optical device is converted into a digital signal by the analog-to-digital converter 130, a correlated double sampling (CDS) method is used. Such a CDS driving method is well known.

도 3은 도 1의 APS 어레이(110)의 단위 픽셀 구동 회로도이다. 도 3을 참조하면, APS 어레이(110)의 단위 픽셀 구동 회로(300)는 일반적으로 광소자(PD) 및 4개의 트랜지스터들을 포함한다. CDS 방식의 아날로그-디지털 변환에서는, 행 선택신호(SEL)에 의하여 선택된 행의 각 픽셀에서 리셋 제어 신호(RX)가 액티브될 때 전원 VDD로부터 전달된 FD(Floating Diffusion) 노드의 신호가 리셋신호(VRES)로서 출력되고, 전달 제어 신호(TX)가 액티브 될 때 광소자(PD)에서 감지되어 FD 노드로 전달된 신호가 영상신호(VSIG)로서 출력됨으로써, 리셋신호(VRES)와 영상신호 (VSIG)의 차이에 따른 디지털 신호로의 변환이 이루어진다. 행 선택신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX), 및 전달 제어 신호(TX)는 상기 로우 드라이버(120)에서 생성될 수 있다. 3 is a unit pixel driving circuit diagram of the APS array 110 of FIG. 1. Referring to FIG. 3, the unit pixel driving circuit 300 of the APS array 110 generally includes an optical device PD and four transistors. In the analog-to-digital conversion of the CDS method, when the reset control signal RX is activated at each pixel of the row selected by the row select signal SEL, the signal of the floating diffusion node transmitted from the power supply VDD is reset. VRES) and a signal sensed by the optical device PD and transmitted to the FD node when the transfer control signal TX is activated are output as the image signal VSIG, thereby resetting the reset signal VRES and the image signal VSIG. Conversion to digital signal is made according to the difference of The row select signal SEL, the reset control signal RX, and the transfer control signal TX may be generated by the row driver 120.

도 3과 같이, 이미지 센서의 픽셀 회로(300)는 광소자(PD)와 리셋신호(VRES)와 영상신호(VSIG)를 적절한 타이밍에 출력하기 위한 트랜지스터들로 구성된다. 최근들어, 이미지 센서가 고화소로 진화함에 따라 작은(Small Size) 픽셀에 대한 요구가 증가되고 있고, 이에 따라 고화소 APS 어레이(110)를 이용하여 디스플레이 품질을 향상시키기 위하여, 상기 픽셀 회로(300)의 광소자 및 트랜지스터들이 적절한 크기로 설계되어야 한다.As illustrated in FIG. 3, the pixel circuit 300 of the image sensor is composed of transistors for outputting an optical device PD, a reset signal VRES, and an image signal VSIG at an appropriate timing. Recently, as the image sensor has evolved to a high pixel, the demand for small size pixels is increasing, so that the pixel circuit 300 of the pixel circuit 300 may be improved to improve the display quality using the high pixel APS array 110. Optical devices and transistors should be designed with appropriate sizes.

특히, 픽셀 사이즈를 작게 할수록 픽셀을 제조하는 반도체 기판의 깊이 방향의 스케일링(scaling)도 요구된다. 그러나, 광소자(PD)의 감도 특성과 관련하여 수직적으로의 스케일링에 한계가 있다. 도 4에 도 3의 광소자(PD)의 일반적인 단면 구조가 예시되어 있다. 도 4를 참조하면, 통상적으로 광소자(PD)는 "Deep P-well" 층위에 형성되는 P-N 다이오드 형태의 구조를 가진다. 여기서, R(red) 컬러와 같은 장파장에 대하여 감도를 저하시키지 않기 위해서, "Deep P-well"은 표면으로부터3~4μm 정도의 깊이에 형성된다. 이와 같은 광소자(PD) 구조에서, 픽셀 사이즈가 큰 경우는 문제가 없으나, 픽셀 사이즈를 작게 할수록 이웃 광소자와의 크로스토크(crosstalk)가 발생하여 화질을 저하시킬 수 있다. 크로스토크를 줄이기 위하여 "Deep P-well" 층을 얕게 할 필요가 있으나, 이때에는 광소자(PD)의 감도가 약화되는 문제점이 있기 때문이다. In particular, smaller pixel sizes also require scaling in the depth direction of the semiconductor substrate from which the pixels are manufactured. However, there is a limit to vertical scaling in relation to the sensitivity characteristic of the optical device PD. 4 illustrates a general cross-sectional structure of the optical device PD of FIG. 3. Referring to FIG. 4, typically, the optical device PD has a structure of a P-N diode formed on a “Deep P-well” layer. Here, in order not to reduce the sensitivity to long wavelengths such as R (red) color, "Deep P-well" is formed at a depth of about 3 to 4 µm from the surface. In such an optical device (PD) structure, there is no problem when the pixel size is large, but as the pixel size is reduced, crosstalk with neighboring optical devices may occur, thereby degrading image quality. In order to reduce crosstalk, it is necessary to make the “Deep P-well” layer shallow, but there is a problem in that the sensitivity of the optical device PD is weakened.

따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 픽셀 축소에 대응하여 크로스토크를 줄이기 위하여 반도체의 수직 방향으로의 스케일링이 가능한 협폭 밴드갭 광소자를 적용한 이미지 센서의 픽셀 회로를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a pixel circuit of an image sensor employing a narrow bandgap optical element capable of scaling in a vertical direction of a semiconductor in order to reduce crosstalk in response to pixel reduction.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로는, 광소자; 전달 제어 신호에 따라 동작하는 전달 트랜지스터; 리셋 제어 신호에 따라 동작하는 리셋 트랜지스터; 및 FD 노드에 전달된 신호에 따라 동작하는 소스-폴로워 트랜지스터를 구비하고, 상기 리셋 트랜지스터를 통하여 상기 FD 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 리셋신호 및 상기 전달 트랜지스터에 의하여 상기 광소자로부터 상기 FD 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 영상신호가 상기 소스-폴로워 트랜지스터를 통하여 출력되고, 상기 광소자는 반도체 기판 내에 협폭 밴드갭 반도체 층을 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다. A pixel circuit of an image sensor according to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, the optical element; A transfer transistor operating according to a transfer control signal; A reset transistor operating according to the reset control signal; And a source-follower transistor operating according to a signal transmitted to the FD node, the reset signal based on the signal transmitted to the FD node through the reset transistor and the FD from the optical device by the transfer transistor. An image signal based on a signal transmitted to a node is output through the source-follower transistor, and the optical device is formed to have a narrow bandgap semiconductor layer in a semiconductor substrate.

상기 픽셀 회로는 행 선택신호에 따라 선택적으로 상기 소스-폴로워 트랜지스터 출력을 출력하거나 출력하지 않는 행 선택 트랜지스터를 더 구비할 수 있다. 상기 행 선택신호가 액티브된 상태에서 상기 소스-폴로워 트랜지스터로부터 상기 출력 노드로 상기 리셋 신호 및 상기 영상신호가 출력되는 것을 특징으로 한다. The pixel circuit may further include a row select transistor that selectively outputs or does not output the source-follower transistor output according to a row select signal. The reset signal and the image signal are output from the source follower transistor to the output node while the row select signal is activated.

상기 협폭 밴드갭 반도체 층은 SiGe 층 또는 SiGeC인 것을 특징으로 한다. The narrow bandgap semiconductor layer is characterized in that the SiGe layer or SiGeC.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일면에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로는, 게이트 전극은 행 선택신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일 측은 제1 노드에 접속되고, 나머지 일측은 출력 노드에 접속된 제1 MOSFET; 게이트 전극은 리셋 제어 신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 제2 노드에 접속된 제2 MOSFET; 게이트 전극은 상기 제2 노드에 접속되고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제1 노드에 접속된 제3 MOSFET; 게이트 전극은 전달 제어 신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제2 노드에 접속되고, 나머지 일측은 제3 노드에 접속된 제4 MOSFET; 및 제2 전원과 상기 제3 노드 사이에서 광전 변환하는 광소자를 구비하고, 상기 광소자는 반도체 기판 내에 협폭 밴드갭 반도체 층을 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, a pixel circuit of an image sensor includes a gate electrode receiving a row selection signal, one of the source / drain electrodes connected to a first node, and the other of the pixel circuits of the image sensor. A first MOSFET connected to the node; The gate electrode receives a reset control signal, one of the source / drain electrodes connected to a first power supply, and the other of the gate / drain electrodes connected to a second node; A third MOSFET connected to the second node, one of the source / drain electrodes connected to the first power supply, and the other of the gate / drain electrodes connected to the first node; A fourth MOSFET receiving a transfer control signal, one side of the source / drain electrodes connected to the second node, and the other side connected to the third node; And an optical device for photoelectric conversion between the second power supply and the third node, wherein the optical device is formed to have a narrow bandgap semiconductor layer in the semiconductor substrate.

상기 픽셀 회로는 베이어 패턴의 APS 어레이를 이루고, 상기 베이어 패턴 중 G 및 B 패턴에 대응되는 광소자들만 상기 협폭 밴드갭 반도체 층을 가지도록 할 수 있다. 상기 광소자는 상기 협폭 밴드갭 반도체 층 위에 실리콘 에피텍셜 층을 더 가지고, 상기 실리콘 에피텍셜 층에 다이오드 층 내에 다이오드 구조가 형성된다. 상기 제1 내지 제4 MOSFET는 상기 실리콘 에피텍셜 층에 형성될 수 있다.The pixel circuit may form an APS array of Bayer patterns, and only the photons corresponding to the G and B patterns of the Bayer patterns may have the narrow bandgap semiconductor layer. The optical device further has a silicon epitaxial layer over the narrow bandgap semiconductor layer, wherein a diode structure is formed in the diode layer in the silicon epitaxial layer. The first to fourth MOSFETs may be formed in the silicon epitaxial layer.

상기 행 선택신호가 액티브된 상태에서 바이어스 회로와 연결된 상기 출력 노드를 통하여, 상기 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 전원이 상기 제2 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 리셋신호를 출력하고, 상기 전달 제어 신호에 응답하여 상기 광소자로부터 광전 변환된 신호가 상기 제2 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 영상신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.Outputting a reset signal based on a signal transmitted from the first power source to the second node in response to the reset control signal through the output node connected to a bias circuit when the row selection signal is activated; And in response to a transfer control signal, output a video signal based on a signal transmitted photoelectrically converted from the optical device to the second node.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CMOS 이미지 센서의 픽셀 구동 회로들(500)을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 픽셀 구동 회로들(500)은 단위 픽셀 회로(510) 및 상기 단위 픽셀 회로(510)의 출력(VRES/VSIG) 노드를 바이어싱(biasing)하기 위한 바이어스 회로(520)를 포함한다. 상기 단위 픽셀 회로(510)는 2차원적으로 배열되어 APS 어레이를 이루지만, 도 5에서는 APS 어레이를 이루는 픽셀 회로들 중 어느 하나의 픽셀 회로(510)만 도시되었다. 상기 바이어스 회로(520)는 APS 어레이 영역으로부터 수직으로 위쪽 또는 아래쪽 주변에 배치될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 상기 이미지 센서는 도 1과 같은 로우(row) 드라이버, 및 아날로그-디지털 변환부(ADC: analog-digital converter)를 구비할 수 있다. 로우 드라이버(미도시)는 도 5의 행 선택신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX) 및 전달 제어 신호(TX)를 생성할 수 있다. 아날로그-디지털 변환부(미도시)는 상기 이미지 센서의 출력(VRES/VSIG) 노드에서 출력되는 아날로그 리셋신호(VRES) 및 영상신호(VSIG)를 받아 디지털 변환할 수 있다.5 illustrates pixel driving circuits 500 of a CMOS image sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the pixel driving circuits 500 according to an exemplary embodiment of the present invention bias the unit pixel circuit 510 and the output (VRES / VSIG) node of the unit pixel circuit 510. Bias circuit 520). Although the unit pixel circuit 510 is two-dimensionally arranged to form an APS array, only one pixel circuit 510 of the pixel circuits forming the APS array is illustrated in FIG. 5. The bias circuit 520 may be disposed around the top or bottom vertically from the APS array region. The image sensor according to an embodiment of the present invention may include a row driver as shown in FIG. 1 and an analog-digital converter (ADC). The row driver (not shown) may generate the row select signal SEL, the reset control signal RX, and the transfer control signal TX of FIG. 5. The analog-to-digital converter (not shown) may receive an analog reset signal VRES and an image signal VSIG output from the output VRES / VSIG node of the image sensor and perform digital conversion.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 이미지 센서의 APS 어레이를 이루는 단위 픽셀 회로(510)는, 행(row) 선택 트랜지스터(M1), 리셋(reset) 트랜지스 터(M2), 소스-폴로워(source follower) 트랜지스터(M3), 전달(transfer) 트랜지스터(M4) 및 광소자(PD)를 포함한다. 이 트랜지스터들은 모두 N형 MOSFET인 것으로 도시되었으나, MOSFET의 형태는 다를 수 있다.For example, the unit pixel circuit 510 constituting the APS array of the image sensor according to an embodiment of the present invention may include a row select transistor M1, a reset transistor M2, and a source. A source follower transistor M3, a transfer transistor M4 and an optical device PD. These transistors are all shown as being N-type MOSFETs, but the shape of the MOSFETs may be different.

상기 행 선택 트랜지스터(M1)에서, 게이트 전극은 행 선택신호(SEL)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 노드(ND1)에 접속되고, 나머지 일측은 출력(VRES/VSIG) 노드에 접속된다. 상기 리셋 트랜지스터(M2)에서, 게이트 전극은 리셋 제어 신호(RX)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 일정 전원(VDD)에 접속되고, 나머지 일측은 FD 노드에 접속된다. 상기 소스-폴로워 트랜지스터(M3)에서, 게이트 전극은 상기 FD 노드에 접속되고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 일정 전원(VDD)에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제1 노드(ND1)에 접속된다. 상기 전달 트랜지스터(M4)에서, 게이트 전극은 전달 제어 신호(TX)를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 FD 노드에 접속되고, 나머지 일측은 제3 노드(ND3)에 접속된다. 상기 광소자(PD)는 전원(VSS)(예를 들어, 접지)과 상기 제3 노드(ND3) 사이에서 광전 변환한다. In the row select transistor M1, a gate electrode receives a row select signal SEL, one side of the source / drain electrodes is connected to the first node ND1, and the other side is connected to the output VRES / VSIG node. Connected. In the reset transistor M2, the gate electrode receives the reset control signal RX, one side of the source / drain electrodes is connected to a constant power supply VDD, and the other side is connected to the FD node. In the source-follower transistor M3, a gate electrode is connected to the FD node, one side of the source / drain electrodes is connected to the constant power supply VDD, and the other side is connected to the first node ND1. Connected. In the transfer transistor M4, a gate electrode receives the transfer control signal TX, one of the source / drain electrodes is connected to the FD node, and the other is connected to the third node ND3. The optical device PD performs photoelectric conversion between a power supply VSS (eg, ground) and the third node ND3.

여기서, 상기 광소자(PD)는 반도체 기판(610) 내에 협폭 밴드갭(narrow band gap) 반도체 층(620)을 가지도록 형성된다. 도 6a 내지 도 6c는 도 5의 광소자(PD)의 제조 공정 상의 단면 구조를 나타낸다. 도 6a를 참조하면, 먼저, 준비된 N형 또는 P형 Si(Silicon) 반도체 기판(610) 위에 SiGe(Silicon-Germanium) 층(620)을 CVD(Chemical Vapor Deposition)나 MBE(Molecular Beam Epitaxial) 법 등에 의하여 성장시킨다. 예를 들면, Si:70% 및 Ge:30% 되도록 성장시키고, 결정의 두께는 예를 들면 1μm정도가 적당하다. 상기 Si 기판(610)과 SiGe 층(620) 사이에 발생하는 격자 일그러짐을 고려할 때, 상기 SiGe 층(620) 대신에 탄소(C)를 포함하는 SiGeC 구조도 가능하다. 상기 SiGe 층(620) 또는 SiGeC 층은 협폭 밴드갭을 가진다. The optical device PD is formed to have a narrow band gap semiconductor layer 620 in the semiconductor substrate 610. 6A to 6C show cross-sectional structures in the manufacturing process of the optical device PD of FIG. 5. Referring to FIG. 6A, first, a SiGe (Silicon-Germanium) layer 620 is formed on a prepared N-type or P-type Si (Silicon) semiconductor substrate 610, or a chemical vapor deposition (CVD) or molecular beam epitaxial (MBE) method. Grows. For example, it grows so that it may be Si: 70% and Ge: 30%, and about 1 micrometer is suitable for the thickness of a crystal | crystallization, for example. Considering the lattice distortion occurring between the Si substrate 610 and the SiGe layer 620, a SiGeC structure including carbon (C) instead of the SiGe layer 620 is possible. The SiGe layer 620 or SiGeC layer has a narrow bandgap.

다음에, 도 6b와 같이, Si 에피텍셜(epitaxial) 층(630)을 증착시킨다. 예를 들어, Si 에피텍셜 층(630)의 두께는 1μm이 적당하다. 그 후, 도 6c와 같이, 상기 SiGe 층(620)과 상기 Si 기판(610)에 걸쳐 2 μm 정도 깊이에 "Deep p-well"을 형성하고, 사이드 트렌치(trench) 및 사이드 "p-well" 등을 형성한 후, 상기 Si 에피텍셜 층(630)에 N 및 P 형 불순물(impurity) 도핑 공정으로 필요한 다이오드 형태가 만들어 질 수 있다. 이때, 도 5의 MOSFET들(M1~M4)도 상기 Si 에피텍셜 층(630)에 형성될 수 있다. Next, as shown in FIG. 6B, a Si epitaxial layer 630 is deposited. For example, the thickness of the Si epitaxial layer 630 is 1 μm. Thereafter, as shown in FIG. 6C, a "deep p-well" is formed at a depth of about 2 μm over the SiGe layer 620 and the Si substrate 610, and the side trench and side “p-well” are formed. After forming the etc., a diode form necessary for N and P type impurity doping process may be formed in the Si epitaxial layer 630. In this case, MOSFETs M1 to M4 of FIG. 5 may also be formed in the Si epitaxial layer 630.

APS 어레이의 B(Blue) 패턴으로 입사되는 빛은 대부분 상기 Si 에피텍셜 층(630)에서 흡수된다. G(Geen) 패턴으로 입사되는 빛은 상기 Si 에피텍셜 층(630)과 상기 협폭 밴드갭 층(620) 모두에서 흡수된다. R(Red) 패턴으로 입사되는 빛은 상기 Si 에피텍셜 층(630)에서 일부가 흡수될 수 있지만, 대부분은 상기 협폭 밴드갭 층(620)에서 흡수된다. Most of the light incident on the B (Blue) pattern of the APS array is absorbed by the Si epitaxial layer 630. Light incident in a G (Geen) pattern is absorbed in both the Si epitaxial layer 630 and the narrow bandgap layer 620. Part of the light incident in the R (Red) pattern may be absorbed in the Si epitaxial layer 630, but most of the light is absorbed in the narrow bandgap layer 620.

SiGe 결정은 Si 결정보다 밴드갭 폭이 좁다. 따라서, R(Red) 등 장파장에 대하여 흡수 계수가 크고, 이에따라 장파장의 빛을 짧은 거리에서 흡수 할 수 있다. 짧은 거리에서 빛을 흡수 할 수 있기 때문에, 도 6c와 같이 "Deep P-well"을 형성하는 깊이가 2μm 정도로 얕아도 감도가 저하되지 않는다. 따라서, 픽셀을 작게 스케일링 할 때, 이와 같이 얕은 위치에 광소자(PD)의 "Deep P-well"을 형성하는 것 에 의하여, 이웃 광소자와의 크로스토크를 현저히 감소시킬 수 있다. SiGe crystals have a narrower bandgap width than Si crystals. Therefore, the absorption coefficient is large for a long wavelength such as R (Red), and accordingly, light of a long wavelength can be absorbed at a short distance. Since light can be absorbed at a short distance, the sensitivity does not decrease even if the depth of forming the "Deep P-well" is as shallow as 2 μm as shown in FIG. 6C. Therefore, when the pixel is scaled small, by forming the "Deep P-well" of the optical element PD in such a shallow position, it is possible to significantly reduce crosstalk with neighboring optical elements.

본질적으로 B(Blue) 패턴의 광소자(PD)에 대해서는, 상기 협폭 밴드갭 층(620)이 불필요 할 수 있다. 즉, 상기 협폭 밴드갭 층(620)의 배치에 있어서, R(Red) 및 G(Green)와 같은 장파장 패턴에서는 상기 협폭 밴드갭 층(620)을 가지도록 하고, B(Blue) 패턴과 같은 단파장 패턴에서는 상기 협폭 밴드갭 층(620)을 가지지 않도록 설계될 수 있다. In essence, for the B (Blue) pattern optical device PD, the narrow bandgap layer 620 may be unnecessary. That is, in the arrangement of the narrow bandgap layer 620, in the long-wavelength patterns such as R (Red) and G (Green), the narrow-bandgap layer 620 is provided, and short-wavelength such as the B (Blue) pattern The pattern may be designed not to have the narrow bandgap layer 620.

도 7은 도 5의 픽셀 구동 회로(510)를 동작시키는 신호들의 타이밍도이다. 도 7을 참조하면, 도 5의 픽셀 회로(510)는 행 선택신호(SEL), 리셋 제어 신호(RX) 및 전달 제어 신호(TX)에 따라 동작한다. 상기 행 선택신호(SEL)는 해당 행을 선택하기 위하여 수직 스캔(scan) 주기에 한번씩 로직 하이(high) 상태로 액티브된다. 상기 리셋 제어 신호(RX)는 상기 행 선택신호(SEL)의 액티브 기간 중 일정 기간 동안 로직 로우(low) 상태로 액티브된다. 상기 전달 제어 신호(TX)는 상기 리셋 제어 신호(RX)의 로직 로우 상태 기간 중 일정 기간 동안 로직 하이 상태로 액티브된다.7 is a timing diagram of signals for operating the pixel driving circuit 510 of FIG. 5. Referring to FIG. 7, the pixel circuit 510 of FIG. 5 operates according to the row select signal SEL, the reset control signal RX, and the transfer control signal TX. The row select signal SEL is activated at a logic high state once in a vertical scan period to select a corresponding row. The reset control signal RX is activated to a logic low state for a predetermined period of the active period of the row select signal SEL. The transfer control signal TX is activated to a logic high state for a predetermined period of the logic low state period of the reset control signal RX.

예를 들어, 행 선택신호(SEL)가 액티브되기 전에, 리셋 제어 신호(RX)는 논리 하이 상태이고, 이때, 리셋 트랜지스터(M2)를 통하여 전원(VDD)이 FD 노드로 전달된다. 이에 따라, 상기 FD 노드에는 FD 노드 리셋을 위한 논리 하이 신호가 안정적으로 전달된다.  For example, before the row select signal SEL is activated, the reset control signal RX is in a logic high state, and at this time, the power supply VDD is transmitted to the FD node through the reset transistor M2. Accordingly, the logic high signal for resetting the FD node is stably transmitted to the FD node.

한편, 행 선택 트랜지스터(M1)는 행 선택신호(SEL)에 따라 선택적으로 상기 소스-폴로워 트랜지스터(M3) 출력을 출력(VRES/VSIG) 노드로 전달하거나 전달하지 않는다. 행 선택신호(SEL)가 액티브되면, 상기 리셋 제어 신호(RX)가 논리 로우로 되고, 이때 소스-폴로워 트랜지스터(M3)가 상기 FD 노드로 전달된 이웃 픽셀의 리셋 제어 신호(RX)에 따라 동작하여, 그에 비례하는 해당 전류를 출력한다. 이에 따라, 행 선택 트랜지스터(M1)가 소스-폴로워 트랜지스터(M3)의 출력을 받아, 바이어스 회로(520)에 연결된 행 선택 트랜지스터(M1)의 소스 단자를 통하여 리셋신호(VRES)로서 아날로그-디지털 변환부(미도시)로 독출(readout)한다. On the other hand, the row select transistor M1 selectively or does not transfer the output of the source-follower transistor M3 to the output VRES / VSIG node according to the row select signal SEL. When the row select signal SEL is active, the reset control signal RX goes to a logic low level. At this time, the source-follower transistor M3 is in response to the reset control signal RX of the neighboring pixel transferred to the FD node. Operation to output a corresponding current proportional thereto. Accordingly, the row select transistor M1 receives the output of the source follower transistor M3 and is analog-digital as a reset signal VRES through the source terminal of the row select transistor M1 connected to the bias circuit 520. Read out to a converter (not shown).

전달 트랜지스터(M4)는 전달 제어 신호(TX)에 따라 선택적으로 상기 광소자(PD) 출력을 상기 FD 노드로 전달하거나 전달하지 않는다. 리셋신호(VRES)가 독출된 후에, 전달 제어 신호(TX)가 일정 기간동안 논리 하이 상태로 액티브되고, 이에 따라 광소자(PD)에서 광전 변환된 신호가 FD 노드로 전달된다. 전달 제어 신호(TX)가 논리 로우로 바뀌어 광전 변환된 신호가 FD 노드로 전달 완료되면, 상기 소스-폴로워 트랜지스터(M3)가 동작하여 상기 FD 노드로 전달된 광전 변환된 신호에 따라 그에 비례하는 해당 전류를 출력한다. 이에 따라, 행 선택 트랜지스터(M1)가 소스-폴로워 트랜지스터(M3)의 출력을 받아, 바이어스 회로(520)에 연결된 행 선택 트랜지스터(M1)의 소스 단자를 통하여 영상신호(VSIG)로서 아날로그-디지털 변환부(미도시)로 독출(readout)한다.The transfer transistor M4 selectively or does not transfer the optical device PD output to the FD node according to a transfer control signal TX. After the reset signal VRES is read, the transfer control signal TX is activated to a logic high state for a predetermined period, and thus the photoelectrically converted signal from the optical device PD is transferred to the FD node. When the transfer control signal TX changes to a logic low and the photoelectrically converted signal is transferred to the FD node, the source-follower transistor M3 operates to be proportional to the photoelectrically converted signal transferred to the FD node. Output the corresponding current. Accordingly, the row select transistor M1 receives the output of the source follower transistor M3 and is analog-digital as the image signal VSIG through the source terminal of the row select transistor M1 connected to the bias circuit 520. Read out to a converter (not shown).

이와 같은 픽셀 회로(510) 동작에 의하여, 도 5의 행 선택신호(SEL)가 각 행세서 차례로 액티브될 때마다, 각 행의 픽셀들에서는 해당 리셋신호들(VRES) 및 영상신호들(VSIG)을 출력한다. By the operation of the pixel circuit 510, whenever the row selection signal SEL of FIG. 5 is activated in sequence in each row, corresponding reset signals VRES and image signals VSIG are applied to the pixels of each row. Outputs

상기 아날로그-디지털 변환부(미도시)는 CDS 방식으로 동작할 수 있다. 즉, 상기 출력 리셋신호(VRES)에 대한 상기 영상신호(VSIG)의 차이에 대응하는 아날로 그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이와 같이 변환된 디지털 신호는 디지털 신호 처리부(미도시)로 출력되어 소정 보간(interpolation) 처리된다. 또한, 상기 디지털 신호 처리부는 LCD와 같은 디스플레이 장치의 해당 해상도에 적합한 구동 신호들을 생성하여, 디스플레이 장치를 구동한다.The analog-digital converter (not shown) may operate in a CDS method. That is, the analog signal corresponding to the difference between the image signal VSIG and the output reset signal VRES may be converted into a digital signal and output. The digital signal converted as described above is output to a digital signal processor (not shown) and subjected to a predetermined interpolation process. In addition, the digital signal processor generates driving signals suitable for a corresponding resolution of a display device such as an LCD to drive the display device.

위에서 기술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 이미지 센서에서는, 협폭 밴드갭을 가지는 광소자(PD)에 의하여 반도체 표면으로부터 얕은 위치에서도 장파장 빛이 용이하게 흡수될 수 있다. As described above, in the image sensor according to the exemplary embodiment of the present invention, the long wavelength light may be easily absorbed even at a shallow position from the semiconductor surface by the optical device PD having the narrow band gap.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서에서는, 협폭 밴드갭 광소자를 적용하여 장파장 빛의 흡수 계수를 증대시키므로 수직 방향으로의 스케일링이 가능하게된다. 이에 따라, 이웃 광소자간의 크로스토크를 저하시키므로 리셋 신호에 대한 영상 신호의 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 증가시키며, 이에 따라 LCD 등에 디스플레이되는 화질을 개선시킬 수 있다. As described above, in the image sensor according to the present invention, the narrow bandgap optical element is applied to increase the absorption coefficient of the long wavelength light, thereby enabling scaling in the vertical direction. As a result, crosstalk between neighboring optical devices is reduced, thereby increasing the signal-to-noise ratio (SNR) of the image signal with respect to the reset signal, thereby improving the image quality displayed on the LCD.

Claims (13)

광소자;Optical elements; 전달 제어 신호에 따라 동작하는 전달 트랜지스터;A transfer transistor operating according to a transfer control signal; 리셋 제어 신호에 따라 동작하는 리셋 트랜지스터; 및A reset transistor operating according to the reset control signal; And FD 노드에 전달된 신호에 따라 동작하는 소스-폴로워 트랜지스터를 구비하고,A source-follower transistor that operates in accordance with the signal delivered to the FD node, 상기 리셋 트랜지스터를 통하여 상기 FD 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 리셋신호 및 상기 전달 트랜지스터에 의하여 상기 광소자로부터 상기 FD 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 영상신호가 상기 소스-폴로워 트랜지스터를 통하여 출력되고,The reset signal based on the signal transmitted to the FD node through the reset transistor and the image signal based on the signal transmitted from the optical device to the FD node by the transfer transistor are transmitted through the source-follower transistor. Output, 상기 광소자는 반도체 기판 내에 협폭 밴드갭 반도체 층을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.And the optical device is formed to have a narrow bandgap semiconductor layer in a semiconductor substrate. 제 1항에 있어서, 상기 협폭 밴드갭 반도체 층은 SiGe 층이며,The method of claim 1, wherein the narrow bandgap semiconductor layer is a SiGe layer, 상기 SiGe 층은 Si:70% 및 Ge:30% 되도록 성장시키고 그 두께는 1μm 인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.The SiGe layer is grown to be Si: 70% and Ge: 30%, the thickness of the pixel circuit of the image sensor, characterized in that 1μm. 제 1항에 있어서, 상기 협폭 밴드갭 반도체 층은 SiGeC 층인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.The pixel circuit of claim 1, wherein the narrow bandgap semiconductor layer is a SiGeC layer. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 행 선택신호에 따라 선택적으로 상기 소스-폴로워 트랜지스터 출력을 출력하거나 출력하지 않는 행 선택 트랜지스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.And a row select transistor for selectively outputting or not outputting the source-follower transistor output in accordance with a row select signal. 제 4항에 있어서, 상기 행 선택신호가 액티브된 상태에서 상기 소스-폴로워 트랜지스터로부터 상기 출력 노드로 상기 리셋 신호 및 상기 영상신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.5. The pixel circuit according to claim 4, wherein the reset signal and the image signal are output from the source follower transistor to the output node while the row select signal is activated. 게이트 전극은 행 선택신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 노드에 접속되고, 나머지 일측은 출력 노드에 접속된 제1 MOSFET;The gate electrode receives a row selection signal, one of the source / drain electrodes connected to a first node, and the other one of which is connected to an output node; 게이트 전극은 리셋 제어 신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 제2 노드에 접속된 제2 MOSFET; The gate electrode receives a reset control signal, one of the source / drain electrodes connected to a first power supply, and the other of the gate / drain electrodes connected to a second node; 게이트 전극은 상기 제2 노드에 접속되고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제1 전원에 접속되고, 나머지 일측은 상기 제1 노드에 접속된 제3 MOSFET; A third MOSFET connected to the second node, one of the source / drain electrodes connected to the first power supply, and the other of the gate / drain electrodes connected to the first node; 게이트 전극은 전달 제어 신호를 받고, 소스/드레인 전극들 중 일측은 상기 제2 노드에 접속되고, 나머지 일측은 제3 노드에 접속된 제4 MOSFET; 및A fourth MOSFET receiving a transfer control signal, one side of the source / drain electrodes connected to the second node, and the other side connected to the third node; And 제2 전원과 상기 제3 노드 사이에서 광전 변환하는 광소자를 구비하고,An optical device for photoelectric conversion between a second power supply and the third node, 상기 광소자는 반도체 기판 내에 협폭 밴드갭 반도체 층을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.And the optical device is formed to have a narrow bandgap semiconductor layer in a semiconductor substrate. 제 6항에 있어서, 상기 협폭 밴드갭 반도체 층은 SiGe 층이며,The method of claim 6, wherein the narrow bandgap semiconductor layer is a SiGe layer, 상기 SiGe 층은 Si:70% 및 Ge:30% 되도록 성장시키고 그 두께는 1μm 인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.The SiGe layer is grown to be Si: 70% and Ge: 30%, the thickness of the pixel circuit of the image sensor, characterized in that 1μm. 제 6항에 있어서, 상기 협폭 밴드갭 반도체 층은 SiGeC 층인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.7. The pixel circuit of claim 6, wherein the narrow bandgap semiconductor layer is a SiGeC layer. 제 6항에 있어서, 상기 픽셀 회로는 베이어 패턴의 APS 어레이를 이루는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.7. The pixel circuit according to claim 6, wherein said pixel circuit forms an APS array of Bayer patterns. 제 9항에 있어서, 상기 베이어 패턴 중 G 및 B 패턴에 대응되는 광소자들만 상기 협폭 밴드갭 반도체 층을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.10. The pixel circuit according to claim 9, wherein only photons corresponding to G and B patterns of the Bayer pattern have the narrow bandgap semiconductor layer. 제 9항에 있어서, 상기 광소자는 상기 협폭 밴드갭 반도체 층 위에 실리콘 에피텍셜 층을 더 가지고, 상기 실리콘 에피텍셜 층 내에 다이오드 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.10. The pixel circuit according to claim 9, wherein the optical device further has a silicon epitaxial layer on the narrow bandgap semiconductor layer, and a diode structure is formed in the silicon epitaxial layer. 제 11항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 MOSFET는 상기 실리콘 에피텍셜 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.12. The pixel circuit according to claim 11, wherein said first to fourth MOSFETs are formed in said silicon epitaxial layer. 제 6항에 있어서, 상기 행 선택신호가 액티브된 상태에서 바이어스 회로와 연결된 상기 출력 노드를 통하여, 상기 리셋 제어 신호에 응답하여 상기 제1 전원이 상기 제2 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 리셋신호를 출력하고, 상기 전달 제어 신호에 응답하여 상기 광소자로부터 광전 변환된 신호가 상기 제2 노드로 전달된 신호를 기반으로 한 영상신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 픽셀 회로.The reset circuit of claim 6, wherein the first power is reset based on a signal transmitted from the first power source to the second node in response to the reset control signal through the output node connected to a bias circuit when the row selection signal is activated. Outputting a signal and outputting an image signal based on a signal in which a photoelectrically converted signal from the optical device is transmitted to the second node in response to the transfer control signal.
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