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KR102714205B1 - 이미지 센서 - Google Patents

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KR102714205B1
KR102714205B1 KR1020190024003A KR20190024003A KR102714205B1 KR 102714205 B1 KR102714205 B1 KR 102714205B1 KR 1020190024003 A KR1020190024003 A KR 1020190024003A KR 20190024003 A KR20190024003 A KR 20190024003A KR 102714205 B1 KR102714205 B1 KR 102714205B1
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pixels
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readout circuits
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진영구
김영찬
권용현
임무섭
정태섭
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삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to JP2019225076A priority patent/JP7493932B2/ja
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Abstract

이미지 센서가 제공된다. 이미지 센서는 서로 교차하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 따라 배열되는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들을 포함하는 편광판 어레이로서, 상기 편광판 어레이는 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에서 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 격자들을 포함하는 것; 및 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에 각각 대응하는 깊이 픽셀들을 포함하는 깊이 픽셀 어레이로서, 상기 깊이 픽셀들 각각은 광전 변환 소자 및 상기 광전 변환 소자에 공통으로 연결된 제 1 및 제 2 독출 회로들을 포함할 수 있다.

Description

이미지 센서{Image sensor}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 영상을 구현할 수 있는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 전자 장치이다. 최근 들어 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대하고 있다. 나아가, 최근에는 컬러 영상뿐만 아니라 3차원 영상을 구현하기 위한 이미지 센서들이 개발되고 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 물체에 반사되어 입사되는 빛의 편광 상태 및 깊이 정보에 신호 추출이 용이한 이미지 센서를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 서로 교차하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 따라 배열되는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들을 포함하는 편광판 어레이로서, 상기 편광판 어레이는 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에서 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 격자들을 포함하는 것; 및 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에 각각 대응하는 깊이 픽셀들을 포함하는 깊이 픽셀 어레이로서, 상기 깊이 픽셀들 각각은 광전 변환 소자 및 상기 광전 변환 소자에 공통으로 연결된 제 1 및 제 2 독출 회로들을 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 복수 개의 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상기 픽셀 영역들에 각각 제공된 광전 변환 영역들; 상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판의 상기 제 1 면 상에 제공된 제 1 및 제 2 리드아웃 회로들; 및 상기 반도체 기판의 상기 제 2 면 상에 제공되며, 상기 픽셀 영역들에서 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 격자들을 포함하는 편광판 어레이를 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 2차원적으로 배열된 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들을 포함하는 편광판 어레이로서, 상기 편광판 어레이는 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에서 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 격자들을 포함하는 것; 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에 각각 대응하는 깊이 픽셀들을 포함하는 깊이 픽셀 어레이로서, 상기 깊이 픽셀들 각각은 광전 변환 소자 및 상기 광전 변환 소자와 연결된 제 1 내지 제 4 독출 회로들을 포함하는 것; 및 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들을 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하되, 상기 편광판 어레이는 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 깊이 픽셀 어레이 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 편광판 어레이와 깊이 픽셀 어레이가 적층된 이미지 센서에서, 편광판 어레이와 깊이 픽셀 어레이의 배열에 따라 편광 정보 및 깊이 정보의 추출이 용이할 수 있다. 이에 따라, 보다 정밀한 3차원 입체 영상을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 시스템을 간략히 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 깊이 픽셀 어레이에서 4-탭(4-tap) 구조의 깊이 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 편광판 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도들로서, 도 5 및 도 7의 I-I'선을 따라 자른 단면을 나타낸다.
도 9는 도 4에 도시된 이미지 센서에서 깊이 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 10a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이를 개략적으로 나타낸다.
도 10b는 도 10a에 도시된 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이에서 2-탭(2-tap) 구조의 깊이 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 12a 내지 도 14a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이를 개략적으로 나타낸다.
도 12b 내지 도 14b, 및 도 14c는 도 12a 내지 도 14a에 도시된 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 평면도들이다.
도 15는 도 11에 도시된 이미지 센서에서 깊이 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 시스템을 간략히 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서 시스템은 물체(object; O)에 빛을 조사하고, 물체(O)로부터 반사되는 빛을 감지함으로써 물체(O)의 광학적 깊이(optical depth) 또는 거리(D)를 검출할 수 있다. 이러한 이미지 센서 시스템은 대상 물체(O)에 빛을 조사하는 광원(1), 물체로부터 반사된 빛을 감지하는 이미지 센서(2) 및 광원(1)과 이미지 센서(2)에 동기화된 펄스를 제공하는 타이밍 컨트롤러(3)를 포함한다.
광원(1)은 물체(O)로 펄스 형태의 광 신호(EL)를 조사한다. 예를 들어, 광원(1)으로서, 적외선(infrared), 마이크로파(microwave), 광파(light wave), 또는 초음파(ultrasonic wave)가 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광원(1)으로서 LED(light emitting diode), LD(laser diode) 또는 OLED(organic light emitting diode)이 사용될 수 있다.
이미지 센서(2)는 물체(O)에서 반사되는 빛(RL)을 감지하여 물체(O)에 대한 광학적 깊이 정보(optical depth information)를 출력할 수 있다. 이미지 센서(2)에서 얻어진 광학적 깊이 정보는 적외선 카메라와 같이 3차원 영상을 구현하는데 이용될 수 있다. 또한, 깊이 픽셀들 및 가시광선 픽셀들을 포함하는 이미지 센서(2)를 이용함으로써 3차원 컬러 영상을 구현할 수도 있다.
타이밍 컨트롤러(3)는 광원(1) 및 이미지 센서(2)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 타이밍 컨트롤러(3)는 광원(1)의 광 출력 타이밍과 이미지 센서(2)의 동작 타이밍을 동기화(Synchronization)시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서는 액티브 픽셀 센서 어레이(10; APS(Active Pixel Sensor) array), 행 디코더(row decoder; 20), 행 드라이버(row driver; 30), 열 디코더(column decoder; 40), 컨트롤러(controller; 50), 상관 이중 샘플러(CDS: Correlated Double Sampler; 60), 아날로그 디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Converter; 70) 및 입출력 버퍼(I/O buffer; 80)를 포함한다.
액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들을 포함하며, 광 신호를 전기적 신호로 변환한다. 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 행 드라이버(30)로부터 픽셀 선택 신호, 리셋 신호 및 전하 전송 신호와 같은 복수의 구동 신호들에 의해 구동될 수 있다. 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에서 변환된 전기적 신호는 상관 이중 샘플러(60)에 제공된다.
행 드라이버(30)는 행 디코더(20)에서 디코딩된 결과에 따라 다수의 단위 픽셀들을 구동하기 위한 다수의 구동 신호들을 액티브 픽셀 센서 어레이(10)로 제공한다. 단위 픽셀들이 행렬 형태로 배열된 경우에는 각 행별로 구동 신호들이 제공될 수 있다.
컨트롤러(50)는 이미지 센서의 전반적인 동작을 제어하며, 행 디코더(20) 및 열 디코더(40)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공한다.
상관 이중 샘플러(CDS; 60)는 액티브 픽셀 센서 어레이(10)에서 생성된 전기 신호를 수신하여 유지(hold) 및 샘플링(sampling)한다. 상관 이중 샘플러(60)는 특정한 잡음 레벨(noise level)과 전기적 신호에 의한 신호 레벨을 이중으로 샘플링하여, 잡음 레벨과 신호 레벨의 차이에 해당하는 차이 레벨을 출력한다.
아날로그 디지털 컨버터(ADC; 70)는 상관 이중 샘플러(60)에서 출력된 차이 레벨에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
입출력 버퍼(80)는 디지털 신호를 래치(latch)하고, 래치된 신호는 열 디코더(40)에서의 디코딩 결과에 따라 순차적으로 영상 신호 처리부(도면 미도시)로 디지털 신호를 출력한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 제 1 방향(D1) 및 제 1 방향(D1)에 교차하는 제 2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열된 복수의 단위 픽셀들(P1-P4)을 포함한다. 일 예로, 액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1-P4)을 포함할 수 있으며, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1-P4)은 시계방향으로 차례대로 배열될 수 있다.
액티브 픽셀 센서 어레이(10)는 서로 교차하는 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)에 수직하는 제 3 방향(D3)으로 깊이 픽셀 어레이(100) 및 편광판 어레이(200)가 적층된 구조를 가질 수 있다.
깊이 픽셀 어레이(100)는 제 1 방향(D1) 및 제 1 방향(D1)에 교차하는 제 2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열된 복수의 깊이 픽셀들(DP)을 포함할 수 있다. 깊이 픽셀들(DP)은 입사되는 빛을 감지하여 물체(O)에 대한 광학적 깊이 정보(optical depth information)를 출력할 수 있다. 깊이 픽셀들(DP) 각각은 광전 변환 소자 및 신호 처리를 위한 복수의 트랜지스터들을 포함한다.
편광판 어레이(200)는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)에서 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)을 각각 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은 서로 다른 편광 방향을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 제 1 편광 격자들(200a)은 제 1 방향(D1)과 나란하게 배열될 수 있으며, 제 2 편광 격자들(200b)은 제 1 방향(D1)에 대해 45도 방향으로 배열될 수 있으며, 제 3 편광 격자들(200c)은 제 1 방향(D1)에 대해 90도 방향, 즉, 제 2 방향(D2)과 나란하게 배열 수 있으며, 제 4 편광 격자들(200d)은 제 1 방향(D1)에 대해 135도 방향으로 배열될 수 있다.
액티브 픽셀 센서 어레이로 입사된 빛(L, 즉, 도 1의 반사광(RL))은 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)에서 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)에 의해 편광될 수 있으며, 편광된 빛들(PL1~PL4)이 깊이 픽셀 어레이(100)로 입사될 수 있다.
각 단위 픽셀(P1~P4)로 입사되는 빛(L)은 각 편광 격자(200a~200d)의 편광 방향에 대해 수직인 빛만 통과하여 깊이 픽셀들(DP)로 제공될 수 있다. 상세하게, 액티브 픽셀 센서 어레이(10)로 입사된 빛(L)은 제 1 단위 픽셀(P1)의 제 1 편광 격자들(200a)을 통과한 제 1 편광 성분의 빛(PL1)이 제 1 단위 픽셀(P1)의 깊이 픽셀(DP)로 입사될 수 있다. 또한, 제 2 단위 픽셀(P2)의 제 2 편광 격자들(200b)을 통과한 제 2 편광 성분의 빛(PL2)이 제 2 단위 픽셀(P2)의 깊이 픽셀(DP)로 입사될 수 있다. 제 3 단위 픽셀(P3)의 제 3 편광 격자들(200c)을 통과한 제 3 편광 성분의 빛(PL3)이 제 3 단위 픽셀(P3)의 깊이 픽셀(DP)로 입사될 수 있다. 제 4 단위 픽셀(P4)의 제 4 편광 격자들(200d)을 통과한 제 4 편광 성분의 빛(PL4)이 제 4 단위 픽셀(P4)의 깊이 픽셀(DP)로 입사될 수 있다.
편광판 어레이(200)를 통과한 빛(PL1~PL4)은 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)에서 서로 다른 세기를 가질 수 있다. 실시예들에서, 각각의 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들의 깊이 픽셀(DP)에서 제 1 내지 제 4 편광 성분의 빛(PL1~PL4)에 대한 비행 시간(time of flight)을 계산해낼 수 있다.
실시예들에 따르면, 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)을 포함하는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1-P4)은 하나의 광센서 블록을 구성할 수 있다. 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1-P4)로 구성된 광센서 블록으로부터 검출되는 신호들간의 관계를 분석하여 입사광(L, 즉, 도 1의 반사광(RL))의 편광 정도(degree) 및 방향(direction)을 계산해 낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 깊이 픽셀 어레이에서 4-탭(4-tap) 구조의 깊이 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 4-탭 구조의 깊이 픽셀(DP)은 광전 변환 소자(PD), 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4), 및 오버플로우 트랜지스터(OX)를 포함할 수 있다.
깊이 픽셀(DP)에서, 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)이 하나의 광전 변환 소자(PD) 및 오버플로우 트랜지스터(OX)를 공유할 수 있다. 즉, 하나의 광전 변환 소자(PD)가 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)에 전기적으로 공통 연결될 수 있다.
광전 변환 소자(PD)는 입사광에 대응하는 전하를 생성 및 축적한다. 깊이 픽셀(DP)로 입사되는 입사광은 도 3을 참조하여 설명한 것처럼, 편광판 어레이(200)에서 편광된 빛(PL1~PL4)일 수 있다. 광전 변환 소자(PD)로는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(Pinned Photo Diode) 및 이들의 조합이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서는 광전 변환 소자(PD)로서 포토 다이오드가 예시된다.
실시예들에 따르면, 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4) 각각은 플로팅 확산 노드(FD1, FD2, FD3, FD4)와 광전 변환 소자(PD) 사이에 연결된 포토 트랜지스터(PX1, PX2, PX3, PX4)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4) 각각은 플로팅 확산 노드(FD1, FD2, FD3, FD4)와 포토 트랜지스터(PX1, PX2, PX3, PX4) 사이에 캡쳐 트랜지스터(TGX1, TGX2, TGX3, TGX4), 스토리지 트랜지스터(CX1, CX2, CX3, CX4), 및 전송 트랜지스터(TX1, TX2, TX3, TX4)를 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(PD)에서 생성된 전하들은 포토 트랜지스터(PX1~PX4) 사이에 캡쳐 트랜지스터(TGX1~TGX4), 스토리지 트랜지스터(CX1~CX4), 및 전송 트랜지스터(TX1~TX4)를 통해 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)로 전송될 수 있다.
상세하게, 포토 트랜지스터(PX1~PX4)는 포토게이트 신호들(PGA~PGD)에 의해 제어되며, 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)의 포토게이트 신호들(PGA~PGD)은 서로 위상차를 갖는 신호들일 수 있다. 캡쳐 트랜지스터(TGX1~TGX4)는 캡쳐 신호(TGA~TGD)에 의해 제어될 수 있다. 캡쳐 트랜지스터(TGX1~TGX4)는 캡쳐 신호(TGA~TGD)에 따라 전하들을 저장하거나, 전하를 스토리지 트랜지스터(CX1~CX4)로 전달할 수 있다. 스토리지 트랜지스터(CX1~CX4)는 저장 제어 신호들(SG1~SG4)에 따라 전하들을 저장하거나, 광전하를 전송 트랜지스터(TX1~TX4)로 전달할 수 있다. 전송 트랜지스터(TX1~TX4)는 포토 트랜지스터(PX1~PX4)의 드레인과 증폭 트랜지스터(SF1~SF4)의 게이트 사이에 연결될 수 있다. 전송 트랜지스터(TX1~TX4)는 전송 신호(TG1~TG4)에 의해 제어될 수 있다.
다른 예로, 도면에 도시하지 않았으나, 각 독출 회로(RO1~RO4)에서, 스토리지 트랜지스터(CX1~CX4)와 전송 트랜지스터(TX1~TX4) 사이에 저장 다이오드가 연결될 수도 있다. 저장 다이오드들은 광전 변환 소자(PD)와 유사한 구조(즉, 반도체 기판과 반대의 도전형을 갖는 불순물이 영역)를 갖거나 커패시터(capacitor)로 구현될 수 있다.
각 독출 회로(RO1~RO4)에서, 포토 트랜지스터(PX1~PX4)가 턴-온될 때, 광전 변환 소자(PD)에서 광전하들이 생성될 수 있으며, 전송 트랜지스터(TX1~TX4)가 턴 온될 때 광전 변환 소자(PD)에서 생성된 광전하들이 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)에 축적될 수 있다.
제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4) 각각에서, 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)에 축적된 전하들은 리셋 트랜지스터(RX1, RX2, RX3, RX4)에 의해 주기적으로 배출, 즉, 리셋될 수 있다. 각 독출 회로(RO1~RO4)에서, 리셋 트랜지스터들(RX1~RX4)의 소오스들은 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)과 연결되며, 드레인은 전원 전압(VDD)에 연결된다.
각 독출 회로(RO1~RO4)의 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)에 전하들이 축적될 수 있으며, 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)에 축적되는 전하들에 의해 증폭 트랜지스터(SF1~SF4)가 제어될 수 있다. 증폭 트랜지스터(SF1~SF4)는 게이트 전극으로 입력되는 광 전하량에 비례하여 소오스-드레인 전류를 발생시키는 소오스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)일 수 있다.
증폭 트랜지스터(SF1~SF4)는 제 1 내지 제 4 독출 회로들의 플로팅 확산 노드에서 전위를 증폭하고, 선택 트랜지스터(SX1~SX4)를 통해 증폭된 신호를 출력 라인(VOUT1~VOUT4)으로 출력할 수 있다.
제 1 내지 제 4 독출 회로들의 포토 트랜지스터들(PX1~PX4)은 서로 다른 위상을 갖는 포토게이트 신호들(PGA~PGD)에 의해 제어될 수 있다. 포토게이트 신호들(PGA~PGD)의 위상차에 의해 제 1 내지 제 4 출력 라인들(VOUT1~VOUT4)에서 서로 다른 신호들이 출력될 수 있다.
각 깊이 픽셀(DP)에서, 오버플로우 트랜지스터(OX)는 오버플로우 제어 신호(OG)에 의해 제어될 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(OX)는 제 1 내지 제 4 전송 트랜지스터(TX1~TX4)가 턴 오프될 때 턴온될 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(OX)는 제 1 내지 제 4 전송 트랜지스터(TX1~TX4)가 턴 오프되는 동안 광전 변환 소자(PD)에서 생성되는 광전하들을 배출시킬 수 있다. 오버플로우 트랜지스터(OX)는 제 1 내지 제 4 플로팅 확산 노드들(FD1~FD4)에서 광전하들을 검출하는 동안 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 전하들이 제 1 내지 제 4 플로팅 확산 노드들(FD1~FD4)로 오버플로우되는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에서, 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4) 각각의 캡쳐 트랜지스터(TGX1~TGX4), 스토리지 트랜지스터(CX1~CX4), 전송 트랜지스터(TX1~TX4) 및 오버플로우 트랜지스터(OX)는 생략될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다. 도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 편광판 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 5, 도 6, 및 도 7을 참조하면, 제 1 방향(D1) 및 제 1 방향(D1)에 수직하는 제 2 방향(D2)을 따라 배열된 복수 개의 단위 픽셀들(P1~P4)을 포함할 수 있다. 단위 픽셀들(P1-P4)은 제 1 방향(D1)으로 서로 인접하는 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2), 제 2 방향(D2)으로 제 2 단위 픽셀(P2)과 인접하는 제 3 단위 픽셀(P3), 및 제 2 방향(D2)으로 제 2 단위 픽셀(P2)과 인접하는 제 4 단위 픽셀(P4)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)은 시계방향으로 차례대로 배열될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각에서, 깊이 픽셀은 도 4를 참조하여 설명된 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)을 포함할 수 있다. 각 깊이 픽셀에서, 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)은 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 광전 변환 소자(도 4의 PD) 및 오버플로우 트랜지스터(도 5의 OX)를 공유할 수 있으며, 도 4를 참조하여 설명된 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 깊이 픽셀 어레이(100)에서, 제 2 방향(D2)과 나란한 가상선을 기준으로 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)이 서로 거울 대칭으로 배치될 수 있으며, 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)이 서로 거울 대칭으로 배치될 수 있다. 또한, 제 1 방향(D1)과 나란한 가상선을 기준으로 제 1 및 제 4 단위 픽셀들(P1, P4)이 서로 거울 대칭으로 배치될 수 있으며, 제 2 및 제 3 단위 픽셀들(P2, P3)이 서로 거울 대칭으로 배치될 수 있다. 즉, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 제 4 독출 회로들(RO4)이 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)으로 인접하게 배열될 수 있다.
일 예로, 도 6을 참조하면, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)은 제 1 내지 제 4 포토게이트 전극들(PGA~PGD) 및 제 1 내지 제 4 플로팅 확산 노드들(FD1~FD4)을 각각 포함할 수 있다. 도 6에서 각 독출 회로(RO1~RO4)가 포토게이트 전극(PGA~PGD) 및 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 포토게이트 전극(PGA~PGD) 및 플로팅 확산 노드(FD1~FD4) 사이에 복수의 게이트 전극들이 더 배치될 수도 있다.
제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각에서, 제 1 내지 제 4 포토게이트 전극들(PGA~PGD)이 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)을 따라 서로 인접하게 배열될 수 있다.
구체적으로, 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)의 포토게이트 전극들(PGA, PGB)과 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2)은 제 2 방향(D2)과 나란한 가상선을 기준으로 서로 거울 대칭될 수 있다. 제 3 및 제 4 독출 회로들(RO3, RO4)의 포토게이트 전극들(PGC, PGD)과 플로팅 확산 노드들(FD3, FD4)은 제 2 방향(D2)과 나란한 가상선을 기준으로 서로 거울 대칭될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)의 포토게이트 전극들(PGA, PGB)과 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2)은, 제 1 방향(D1)과 나란한 가상선을 기준으로, 제 3 및 제 4 독출 회로들(RO3, RO4)의 포토게이트 전극들(PGC, PGD)과 플로팅 확산 노드들(FD3, FD4)과 거울 대칭될 수 있다.
나아가, 앞서 설명한 바와 같이, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 대칭적인 배치에 따라, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 제 4 플로팅 확산 노드들(FD4)이 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)을 따라 서로 인접하게 배치될 수 있다.
실시예들에서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 배열된 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)은 하나의 블록을 구성할 수 있으며, 복수 개의 블록들이 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 규칙적으로 배열될 수 있다.
도 7을 참조하면, 편광판 어레이(200)는 수평(0°), 45°, 수직(90°), 및 135°와 같이 4가지의 상이한 편광 배향을 갖는 편광 격자들(200a, 200b, 200c, 200d)을 포함한다. 이와 달리, 편광판 어레이(200)는 수평(0°) 및 수직(90°)의 2가지 배향을 갖는 편광 격자들을 포함할 수도 있다.
제 1 단위 픽셀(P1)에 제 1 편광 격자들(200a)이 제공될 수 있으며, 제 1 편광 격자들(200a)은 제 1 방향(D1)과 나란하게 연장되는 라인 패턴들일 수 있다. 제 2 단위 픽셀(P2)에 제 2 편광 격자들(200b)이 제공될 수 있으며, 제 2 편광 격자들(200b)은 제 1 방향(D1)에 대해 45도 방향으로 연장되는 라인 패턴들일 수 있다. 제 3 단위 픽셀(P3)에 제 3 편광 격자들(200c)이 제공될 수 있으며, 제 3 편광 격자들(200c)은 제 2 방향(D2)과 나란한 라인 패턴들일 수 있다. 제 4 단위 픽셀(P4)에 제 4 편광 격자들(200d)이 제공될 수 있으며, 제 4 편광 격자들(200d)은 제 1 방향(D1)에 대해 135도 방향으로 연장되는 라인 패턴들일 수 있다. 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)에서 편광 격자들(200a~200d)의 크기 및 주기는 실질적으로 동일할 수 있다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 단면도들로서, 도 5 및 도 7의 I-I'선을 따라 자른 단면을 나타낸다.
도 5, 도 7, 도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서는 깊이 픽셀 어레이(100), 편광판 어레이(200), 및 마이크로 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 편광판 어레이(200)는, 수직적 관점에서, 마이크로 렌즈들(ML)을 포함하는 마이크로 렌즈 어레이와 깊이 픽셀 어레이(100) 사이에 배치될 수 있다.
깊이 픽셀 어레이(100)은 반도체 기판(100s), 반도체 기판(100s) 내에 단위 픽셀들(P1~P4)을 정의하는 픽셀 분리 구조체(110), 및 단위 픽셀들(P1~P4) 내에 각각 제공된 광전 변환 영역들(PD)을 포함할 수 있다.
상세하게, 반도체 기판(100s)은 서로 대향하는 제 1 면(100a; 또는 전면) 및 제 2 면(100b; 또는 후면)을 가질 수 있다. 반도체 기판(100s)은 제 1 도전형(예를 들어, p형) 벌크(bulk) 실리콘 기판 상에 제 1 도전형 에피택셜층이 형성된 기판일 수 있으며, 이미지 센서의 제조 공정상 벌크 실리콘 기판이 제거되어 p형 에피택셜층만 잔류하는 기판일 수 있다. 이와 달리, 반도체 기판(100s)은 제 1 도전형의 웰을 포함하는 벌크 반도체 기판일 수도 있다.
반도체 기판(100s)은 픽셀 분리 구조체(110)에 의해 정의되는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)을 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)은 앞서 설명된 바와 같이, 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
픽셀 분리 구조체(110)는, 평면적 관점에서, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각을 둘러쌀 수 있다. 상세하게, 픽셀 분리 구조체(110)는 제 1 방향(D1)을 따라 서로 나란하게 연장되는 제 1 부분들 및 제 1 부분들을 가로질러 제 2 방향(D2)을 따라 서로 나란하게 연장되는 제 2 부분들을 포함할 수 있다. 이와 같은 픽셀 분리 구조체(110)는, 평면적 관점에서, 각 광전 변환 영역(PD)을 둘러쌀 수 있다.
픽셀 분리 구조체(110)는 반도체 기판(100s; 예를 들어, 실리콘)보다 굴절률이 낮은 절연 물질로 형성될 수 있으며, 하나 또는 복수 개의 절연막들을 포함할 수 있다. 픽셀 분리 구조체(110)는, 예를 들어, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 언도우프트 폴리실리콘막, 공기(air) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이러한 픽셀 분리 구조체(110)는 반도체 기판(100s)의 제 1 면(100a) 및/또는 제 2 면(100b)을 패터닝하여 깊은 트렌치를 형성한 후, 깊은 트렌치 내에 절연 물질을 매립하여 형성될 수 있다.
광전 변환 영역들(PD)이 반도체 기판(100s)의 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 내에 각각 제공될 수 있다. 광전 변환 영역들(PD)은 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다. 상세하게, 광전 변환 영역들(PD)은 제 1 도전형의 반도체 기판(100s)과 반대의 제 2 도전형을 갖는 불순물들을 반도체 기판(100s) 내에 이온 주입하여 형성될 수 있다. 제 1 도전형의 반도체 기판(100s)과 제 2 도전형의 광전 변환 영역들(PD)의 접합(junction)에 의해 포토다이오드들이 형성될 수 있다. 편광판 어레이(200)를 통과한 빛은 광전 변환 영역들(PD)에서 전기적 신호로 변환될 수 있다.
제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각에서, 반도체 기판(100s)의 제 1 면(100a) 상에 도 4를 참조하여 설명한 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)이 제공될 수 있다.
상세하게, 제 1 내지 제 4 포토게이트 전극들(PGA~PGD)이, 평면적 관점에서, 각 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 중심 부분에 위치할 수 있다. 제 1 내지 제 4 포토게이트 전극들(PGA~PGD)과 반도체 기판(100) 사이에 게이트 절연막이 개재될 수 있다.
일 예로, 각 단위 픽셀(P1~P4)에서, 제 1 내지 제 4 포토게이트 전극들(PGA~PGD)에 인접하게 스토리지 게이트 전극들(SG1~SG4)이 배치될 수 있다. 또한, 저장 다이오드 영역들(SD1, SD2)이 스토리지 게이트 전극들(SG1~SG4)과 전송 트랜지스터(TX1~TX4) 사이에서 반도체 기판(100s) 내에 제공될 수 있다. 저장 다이오드 영역들(SD1, SD2)은 반도체 기판(100s)과 반대의 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 저장 다이오드 영역들(SD1, SD2)은 스토리지 게이트 전극들(SG1~SG4)과 일부 중첩될 수 있다. 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 전하들이 저장 다이오드 영역들(SD1, SD2)에 축적될 수 있다.
나아가, 도 8a 내지 도 8c에 도시되지 않았으나, 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)는 반도체 기판(100s)과 반대의 불순물을 이온 주입하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 플로팅 확산 노드(FD1~FD4)는 반도체 기판(100s) 내에 도핑된 n형 불순물 영역일 수 있다.
나아가, 반도체 기판(100s) 내에 배리어 불순물 영역(105)이 제공될 수 있다. 배리어 불순물 영역(105)은, 수직적 관점에서, 광전 변환 영역(PD)과 저장 다이오드 영역들(SD1, SD2) 및 플로팅 확산 노드(FD1~FD4) 사이에 제공될 수 있다. 배리어 불순물 영역(105)은 반도체 기판(100s)과 동일한 도전형의 불순물들을 이온주입하여 형성될 수 있다.
실시예들에 따르면, 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)에 고정 전하층(250; fixed charge layer)이 제공될 수 있으며, 고정 전하층(250) 상에 편광 격자들(200a~200d)이 제공될 수 있다.
고정 전하층(250)은 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)을 덮을 수 있다. 즉, 고정 전하층(250)은 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)과 직접 접촉할 수 있다. 고정 전하층(250)은 음의 전하들 포함할 수 있으며, 음의 전하들은 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)에서 표면 결함에 의해 생성된 정공들과 결합될 수 있다. 이에 따라, 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)에서 발생하는 암전류가 억제될 수 있다. 고정 전하층(250)은 예를 들어, Al2O3,　CeF3,　HfO2,　ITO, MgO, Ta2O5, TiO2,　ZrO2, Si, Ge, ZnSe, ZnS 또는 PbF2 등이 사용될 수 있다.
편광 격자들(200a~200d)은 각 단위 픽셀(P1~P4)에서 나란히 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 편광 격자들(200a~200d)은, 평면적 관점에서, 각 광전 변환 영역(PD)을 가로지를 수 있다.
상세하게, 도 7 및 도 8a를 참조하면, 제 1 단위 픽셀(P1)에서 제 1 편광 격자들(200a)은 제 1 방향(D1)으로 나란한 라인 형태를 가질 수 있다. 제 2 단위 픽셀(P2)에서 제 2 편광 격자들(200b)은 제 1 편광 격자들(200a)에 대해 45도 기울어진 라인 형태를 가질 수 있다. 제 3 단위 픽셀(P3)에서 제 3 편광 격자들(200c)은 제 1 편광 격자들(200a)에 대해 90도로 배향된 라인 형태를 가질 수 있다. 제 4 단위 픽셀(P4)에서 제 4 편광 격자들(P4)은 제 1 편광 격자들(200a)에 대해 135도로 배향된 라인 형태를 가질 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은, 제 1 내지 제 4 픽셀 영역들(P1~P4) 각각에서, 균일한 폭 및 균일한 높이를 가지며 일정 간격으로 서로 이격되어 배열될 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d) 각각은 차례로 적층된 도전 패턴(212) 및 유전 패턴(214)을 포함할 수 있다. 여기서, 도전 패턴(212)은 예를 들어, 텅스텐, 알루미늄, 티타늄, 탄탈륨, 및 구리 등과 같은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 유전 패턴(214)은 SiN, SiON, SiC, SICN, 또는 SiCO와 같은 절연 물질로 이루어질 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은 고정 전하층(250) 상에 도전막 및 유전막을 차례로 증착한 후, 유전막 및 도전막을 패터닝하여 형성될 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)이 형성된 고정 전하층(250) 상에 평탄 절연막(260)이 배치될 수 있다. 평탄 절연막(260)은 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d) 사이를 채울 수 있다. 평탄 절연막(260)은 예를 들어, Al2O3,　CeF3,　HfO2,　ITO, MgO, Ta2O5, TiO2,　ZrO2, Si, Ge, ZnSe, ZnS 또는 PbF2 등이 사용될 수 있다. 이와 달리, 평탄 절연막(260)은 고굴절률의 유기물로 형성될 수도 있으며, 예를 들어, 실록산 수지(Siloxane Resin), BCB(Benzocyclobutene), polyimide 계열, acryl 계열, Parylene C, PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PET(Polyethylene terephthalate) 등이 사용될 수 있다. 또한, 평탄 절연막(260)은 예를 들어, strontium titanate(SrTiO3), polycarbonate, glass, bromine, sapphire, cubic zirconia, potassium Niobate(KNbO3), moissanite(SiC), gallium(III) phosphide(GaP), gallium(III) arsenide(GaAs) 등으로 형성될 수도 있다.
도 8b를 참조하면, 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은 고정 전하층(250) 상에 제공된 제 1 유전체 패턴들(222) 및 제 1 유전체 패턴들(222)을 덮는 제 2 유전체층(224)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 유전체 패턴들(222)은 제 2 유전체층(224)과 굴절률이 다른 유전 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 제 1 유전체 패턴들(222) 각각은 서로 대향하는 경사진 측벽들을 가질 수 있다. 즉, 제 1 유전체 패턴들(222)은 쐐기 형상의 단면을 가질 수 있다. 제 2 유전체층(224)은 제 1 유전체 패턴들(222)의 표면을 컨포말하게 덮을 수 있다.
도 8c를 참조하면, 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)에 제공될 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b) 상에 식각 마스크 패턴을 형성하고, 식각 마스크 패턴을 이용하여 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)을 이방성 식각하여 형성된 리세스 영역들일 수 있다. 즉, 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은 반도체 기판(100s)의 일 부분들일 수 있다. 반도체 기판(100s)에 형성된 리세스 영역들은 서로 대향하는 경사면들에 의해 정의될 수 있다. 즉, 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)은 쐐기 형상을 가질 수 있다.
고정 전하층(210)이 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b)에 제공된 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)을 컨포말하게 덮을 수 있다. 고정 전하층(210)이 제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)과 직접 접촉할 수 있다.
제 1 내지 제 4 편광 격자들(200a~200d)이 형성된 반도체 기판(100s)의 제 2 면(100b) 상에 반사 방지층(230)이 배치될 수 있다. 반사 방지층(230)은 고정 전하층(210)과 평탄 절연막(260) 사이에 배치될 수 있다. 반사 방지층(230)은 예를 들어, SiON, SiC, SICN, 또는 SiCO으로 이루어질 수 있다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 평탄 절연막(260) 상에 광전 변환 영역들(PD)에 각각 대응하는 마이크로 렌즈들(ML)이 배치될 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은 서로 교차하는 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은 위로 볼록한 형태를 가지며 소정의 곡률 반경을 가질 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)은 이미지 센서로 입사하는 빛의 경로를 변경시켜 빛을 집광시킬 수 있다. 마이크로 렌즈들(ML)는 광투과성 수지로 형성될 수 있다.
도 9는 도 4에 도시된 이미지 센서에서 깊이 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 및 도 9를 참조하면,펄스화된 광신호(도 1의 EL)가 광원(도 1의 1)에서 물체(도 1의 O)로 출력될 수 있다. 물체(도 1의 O)에서 반사된 빛(RL)은 광원에서 제공된 광신호(EL)보다 시간이 지연된 펄스 형태로 단위 픽셀들(P1-P4)에 입사될 수 있다. 도 9에는 반사광(RL)이 사각형상의 펄스파(pulse wave)로 도시되어 있으나, 사인파(sine wave)와 같은 정현파(sinusoidal wave)가 광 신호로서 이용될 수도 있다.
각 단위 픽셀(P1-P4)에서, 물체(도 1의 O)로 조사되는 광 신호(도 1의 EL)에 동기화된 제 1 포토 제어 신호(PGA_0)가 제 1 포토 게이트 전극(PGA)에 인가될 수 있으며, 제 1 포토 제어 신호(PGA_0)에 대해 180도의 위상차를 갖는 제 3 포토 제어 신호(PGC_180)가 제 3 포토 게이트 전극(PGC)에 인가될 수 있다. 제 1 포토 제어 신호(PGA_0)에 대해 90도의 위상차를 갖는 제 2 포토 제어 신호(PGB_90)가 제 2 포토 게이트 전극(PGB)에 인가될 수 있으며, 제 2 포토 제어 신호(PGB_90)에 대해 180도의 위상차를 갖는 제 4 포토 제어 신호(PGD_270)가 제 4 포토 게이트 전극(PGD)에 인가될 수 있다.
4탭 구조의 깊이 픽셀은 1회의 샘플링 구간에서, 제 1 내지 제 4 포토 게이트 신호들(PGA_0, PGB_90, PGC_180, PGD_270)이 시간차를 두고 순차적으로 제 1 내지 제 4 포토게이트 전극들(PGA~PGD)에 인가될 수 있다.
제 1 내지 제 4 포토 게이트 전극들(PGA~PGD)에 인가되는 제 1 내지 제 4 포토 게이트 신호들(PGA_0~PGD_270)에 의해 광전 변환 영역(PD)의 전위가 변화될 수 있다.
제 1 내지 제 4 플로팅 확산 노드들(FD1~FD4)에서 검출되는 전하량은 반사된 광신호(RL)와 제 1 내지 제 4 포토 제어 신호들(PGA~PGD)이 중첩되는 시간에 따라 달라질 수 있다. 즉, 각 단위 픽셀(P1~P4)에서 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)에서 출력되는 신호들은 편광된 성분의 빛에 대한 깊이 정보일 수 있다.
상세하게, 제 1 단위 픽셀(P1)에서, 제 1 편광 격자들(200a)을 통과한 제 1 편광 성분의 빛이 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)을 통해 서로 다른 전기적 신호로 출력될 수 있다. 제 2 단위 픽셀(P2)에서, 제 2 편광 격자들(200b)을 통과한 제 2 편광 성분의 빛이 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)을 통해 서로 다른 전기적 신호로 출력될 수 있다. 제 3 단위 픽셀(P3)에서, 제 3 편광 격자들(200c)을 통과한 제 3 편광 성분의 빛이 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)을 통해 서로 다른 전기적 신호로 출력될 수 있다. 제 4 단위 픽셀(P4)에서, 제 4 편광 격자들(200d)을 통과한 제 4 편광 성분의 빛이 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)을 통해 서로 다른 전기적 신호로 출력될 수 있다.
도 10a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이를 개략적으로 나타낸다. 도 10b는 도 10a에 도시된 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 10a를 참조하면, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)은 하나의 광센서 블록을 구성할 수 있으며, 복수 개의 광센서 블록들이 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다.
제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각은 앞서 설명한 것처럼, 편광 격자(200a~200d) 및 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)을 포함하는 깊이 픽셀을 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 편광 격자들(200a~200d)은, 앞서 도 7을 참조하여 설명한 것처럼, 서로 다른 편광 배향들을 가질 수 있다.
제 1 단위 픽셀(P1)은 제 1 편광 격자들(200a)과, 이에 대응하는 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RP1~RO2)을 포함할 수 있다. 제 2 단위 픽셀(P2)은 제 2 편광 격자들(200b)과 이에 대응하는 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RP1~RO2)을 포함할 수 있다. 제 3 단위 픽셀(P3)은 제 3 편광 격자들(200c)과 이에 대응하는 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RP1~RO2)을 포함할 수 있다. 제 4 단위 픽셀(P4)은 제 4 편광 격자들(200d)과 이에 대응하는 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RP1~RO2)을 포함할 수 있다.
깊이 픽셀 어레이(100)에서, 제 1 방향(D1)으로 서로 인접하는 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, PD2)은 제 2 방향(D2)과 나란한 가상선을 기준으로 서로 거울 대칭될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, PD2)은 제 1 방향(D1)과 나란한 가상선을 기준으로 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)과 거울 대칭될 수 있다. 이에 따라, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 제 4 독출 회로들(RO4)이 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)으로 서로 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 이러한 배열은 제 1 내지 제 3 독출 회로들(RO1~ RO3)도 마찬가지일 수 있다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 실시예들에 따르면, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)로 구성된 하나의 광센서 블록에 대한 1회의 센싱을 통해 4 방향의 편광 상태(polarization state)에 대한 정보 및 4개의 서로 다른 위상(phase)의 포토게이트 신호들에 의해 생성되는 깊이 정보를 얻을 수 있다.
나아가, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)에서 출력되는 신호들을 합산하는 영역들(S1, S2, S3) 별로 편광 정보 또는 깊이 정보를 선택적으로 얻을 수 있다.
일 예로, 제 1 단위 픽셀(P1)의 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)로부터 출력되는 제 1 내지 제 4 출력 신호들을 합산함으로써, 제 1 편광 성분의 빛(도 3의 PL1)에 대한 깊이 정보를 얻을 수 있다. 제 2 단위 픽셀(P2)의 제 1 내지 제 4 독출 회로들로부터 출력되는 제 1 내지 제 4 출력 신호들을 합산함으로써, 제 2 편광 성분의 빛(도 3의 PL2)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 제 3 단위 픽셀(P3)의 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)로부터 출력되는 제 1 내지 제 4 출력 신호들을 합산함으로써, 제 3 편광 성분의 빛(도 3의 PL3)에 대한 깊이 정보를 얻을 수 있다. 제 4 단위 픽셀(P4)의 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO4)로부터 출력되는 제 1 내지 제 4 출력 신호들을 합산함으로써, 제 4 편광 성분의 빛(도 3의 PL4)에 대한 깊이 정보를 얻을 수 있다.
다른 예로, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)의 제 4 독출 회로들(즉, S2 영역)로부터 출력되는 즉, 4개의 제 4 독출 회로들로부터 출력되는 제 4 출력 신호들을 합산함으로써, 재 1 내지 제 4 편광 격자들을 통과한 제 1 내지 제 4 편광 성분의 빛들(도 3의 PL1, PL2, PL3, PL4)을 평균하여 깊이 정보를 얻을 수 있다.
또 다른 예로, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각에서, 제 1 내지 제 4 독출 회로들(RO1~RO2) 각각(즉, S3 영역)으로부터 4개의 서로 다른 위상(phase)의 포토게이트 신호들에 의해 생성되는 깊이 정보를 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이에서 2-탭(2-tap) 구조의 깊이 픽셀을 나타내는 회로도이다.
도 11을 참조하면, 2-탭(2-tap) 구조의 깊이 픽셀은 광전 변환 소자(PD), 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2), 및 오버플로우 트랜지스터(OX)를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)의 구성은, 앞서 도 4를 참조하여 설명된 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)과 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)은 하나의 광전 변환 소자(PD) 및 오버플로우 트랜지스터(OX)를 공유할 수 있다.
도 12a 내지 도 14a는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 액티브 픽셀 센서 어레이를 개략적으로 나타낸다. 도 12b 내지 도 14b, 및 도 14c는 도 12a 내지 도 14a에 도시된 이미지 센서의 깊이 픽셀 어레이를 나타내는 평면도들이다.
도 12a 내지 도 14a를 참조하면, 깊이 픽셀 어레이(100)에서, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각은, 도 11을 참조하여 설명한 것처럼, 하나의 광전 변환 소자(PD), 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2), 및 오버플로우 트랜지스터(OX)를 포함할 수 있다.
편광판 어레이(200)는, 앞서 설명한 것처럼, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)에서 서로 다른 방향으로 배향된 편광 격자들(200a~200d)을 포함할 수 있다.
제 1 단위 픽셀(P1)은 제 1 편광 격자들(200a)과, 이에 대응하는 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)을 포함할 수 있다. 제 2 단위 픽셀(P2)은 제 2 편광 격자들(200b)과 이에 대응하는 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)을 포함할 수 있다. 제 3 단위 픽셀(P3)은 제 3 편광 격자들(200c)과 이에 대응하는 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)을 포함할 수 있다. 제 4 단위 픽셀(P4)은 제 4 편광 격자들(200d)과 이에 대응하는 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 것처럼, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)은 하나의 광센서 블록을 구성할 수 있으며, 복수 개의 광센서 블록들이 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)을 따라 2차원적으로 배열될 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 깊이 픽셀 어레이(100)에서, 제 1 방향(D1)을 따라 제 1 및 제 2 단위 픽셀들의 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)이 번갈아 배열될 수 있다. 또한, 제 1 방향을 따라 제 3 및 제 4 단위 픽셀들의 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)이 번갈아 배열될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)의 제 1 독출 회로들(RO1)이 서로 인접하고, 제 2 독출 회로들(RO2)이 서로 인접할 수 있다. 마찬가지로, 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)의 제 1 독출 회로들(RO1)이 서로 인접하고, 제 2 독출 회로들(RO2)이 서로 인접할 수 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각에서, 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)이 제 1 및 제 2 방향들(D1, D2)에 대해 대각선 방향으로 배치될 수 있다.
제 1 방향(D1)으로 인접하는 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)이 서로 거울 대칭될 수 있으며, 제 1 방향(D1)으로 인접하는 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)이 서로 거울 대칭될 수 있다. 또한, 제 2 방향(D2)으로 인접하는 제 1 및 제 4 단위 픽셀들(P1, P4)이 서로 거울 대칭될 수 있으며, 제 2 방향(D2)으로 인접하는 제 2 및 제 3 단위 픽셀들(P2, P3)이 서로 거울 대칭될 수 있다. 즉, 서로 인접하는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)은 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)으로 서로 거울 대칭될 수 있다.
도 14a, 도 14b, 및 도 14c를 참조하면, 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4) 각각이 한 쌍의 독출 회로들을 포함하되, 인접하는 2개의 단위 픽셀들을 통해 4개의 서로 다른 위상(phase)의 포토게이트 신호들에 의해 생성되는 깊이 정보를 얻을 수 있다.
일 에로, 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 제 1 및 제 3 단위 픽셀들(P1, P3)(P1, P3)에서 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)을 포함하고, 제 2 및 제 4 단위 픽셀들(P2, P4)에서 제 3 및 제 4 독출 회로들(RO3, RO4)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 3 및 제 4 독출 회로들(RO3, RO4)은 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 제 1 방향(D1) 또는 제 2 방향(D2)으로 인접하는 한 쌍의 단위 픽셀들이 도 4를 참조하여 설명된 4탭 구조의 깊이 픽셀을 구성할 수도 있다.
제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)의 포토 게이트 전극들에 서로 180도의 위상차를 갖는 제 1 및 제 2 포토게이트 신호들이 인가될 수 있으며, 제 3 및 제 4 독출 회로들(RO3, RO4)에 180도의 위상차를 갖는 제 3 및 제 4 포토게이트 신호들이 인가될 수 있다. 여기서, 제 3 및 제 4 포토게이트 신호들은 제 1 및 제 2 포토게이트 신호들과 위상차를 가질 수 있다.
상세하게, 제 1 방향(D1)으로 인접하는 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)은 서로 거울 대칭될 수 있으며, 제 1 방향(D1)으로 인접하는 제 3 및 제 4 단위 픽셀들은 서로 거울 대칭으로 배치될 수 있다. 제 2 방향(D2)으로 인접하는 제 1 및 제 4 단위 픽셀들(P1, P4)은 서로 거울 대칭될 수 있으며, 제 2 방향(D2)으로 인접하는 제 2 및 제 3 단위 픽셀들(P2, P3)은 서로 거울 대칭으로 배치될 수 있다.
이에 따라, 제 1 및 제 3 단위 픽셀들(P1, P3)의 제 2 독출 회로들(RO2)이 대각선 방향으로 인접할 수 있으며, 제 2 및 제 4 단위 픽셀들(P2, P4)의 제 4 독출 회로들(RO4)이 대각선 방향으로 인접할 수 있다. 또한, 제 3 및 제 1 단위 픽셀들(P1, P3)의 제 1 독출 회로들(RO1)이 대각선 방향으로 인접할 수 있으며, 제 4 및 제 2 단위 픽셀들(P2, P4)의 제 3 독출 회로들(RO3)이 대각선 방향으로 인접할 수 있다.
다른 예로, 도 14c를 참조하면, 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)에서 제 1 및 제 2 독출 회로들(RO1, RO2)을 포함하고, 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)에서 제 3 및 제 4 독출 회로들(RO3, RO4)을 포함할 수 있다.
제 1 방향(D1)으로 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)이 서로 거울 대칭될 수 있으며, 제 1 방향(D1)으로 인접하는 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)은 서로 거울 대칭으로 배치될 수 있다.
제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)의 제 2 독출 회로들(RO2)이 제 1 방향(D1)으로 인접할 수 있으며, 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)의 제 4 독출 회로들(RO4)이 제 1 방향(D1)으로 인접할 수 있다. 각각 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들(P1~P4)로 구성된 광센서 블록들이 2차원적으로 배열됨에 따라, 제 3 및 제 4 단위 픽셀들(P3, P4)의 제 3 독출 회로들(RO3)이 제 1 방향(D1)으로 인접할 수 있으며, 제 1 및 제 2 단위 픽셀들(P1, P2)의 제 1 독출 회로들(RO1)이 제 1 방향(D1)으로 인접할 수 있다.
도 15는 도 11에 도시된 이미지 센서에서 깊이 픽셀의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 15를 참조하면, 펄스화된 광신호(도 1의 EL)가 광원(도 1의 1)에서 물체도 1의 O)로 출력될 수 있다. 도 4에는 광신호(EL)가 사각형상의 펄스파(pulse wave)로 도시되어 있으나, 사인파(sine wave)와 같은 정현파(sinusoidal wave)가 광 신호로서 이용될 수도 있다. 피사체에 반사된 빛(RL)은 광원에서 제공된 광신호(EL)보다 시간이 지연된 펄스 형태로 단위 픽셀들(P1-P4)에 입사될 수 있다.
각 단위 픽셀(P1-P4)에서, 물체로 조사되는 광 신호(EL)에 동기화된 제 1 포토 제어 신호(PGA_0)가 제 1 포토 게이트 전극(PGA)에 인가될 수 있으며, 제 1 포토 제어 신호(PGA)에 대해 180도의 위상차를 갖는 제 2 포토 제어 신호(PGB_180)가 제 2 포토 게이트 전극(PGB)에 인가될 수 있다. 즉, 제 1 포토 제어 신호(PGA_0)와 제 2 포토 제어 신호(PGB_180)가 번갈아 활성화될 수 있다.
이어서, 제 1 포토 제어 신호(PGA_0)에 대해 90도의 위상차를 갖는 제 3 포토 제어 신호(PGA_90)가 제 1 포토 게이트 전극(PGA)에 인가될 수 있으며, 제 3 포토 제어 신호(PGA_90)에 대해 180도의 위상차를 갖는 제 4 포토 제어 신호(PGB_270)가 제 2 포토 게이트 전극(PGB)에 인가될 수 있다. 제 3 및 제 4 포토 게이트 신호들(PGA_90, PGB_270)은 제 1 및 제 2 포토 게이트 신호들(PGA_0, PGB_180)과 시간차를 두고 순차적으로 인가될 수 있다.
제 1 및 제 2 포토 게이트 전극들(PGA, PGB)에 인가되는 제 1 및 제 2 포토 제어 신호들(PGA_0, PGB_180) 또는 제 3 및 제 4 포토 제어 신호들(PGA_90, PGB_270)에 의해 광전 변환 영역(PD)의 전위가 변화될 수 있다.
제 1 및 제 2 포토 제어 신호들(PGA_0, PGB_180)에 응답하여 제 1 및 제 2 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2)에서 광전하들이 검출될 수 있으며, 이어서, 제 3 및 제 4 포토 제어 신호들(PGA_90, PGB_270)에 응답하여 제 1 및 제 2 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2)에서 광전하들이 검출될 수 있다.
상세하게, 제 1 포토 제어 신호(PGA)에 의해 제 1 포토 게이트 전극(PGA)에 고전압이 인가될 때, 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 광전하들이 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)으로 전송될 수 있다. 제 1 플로팅 확산 노드(FD1)에 축적된 광전하들은 제 1 독출 회로(RO1)를 통해 제 1 픽셀 신호로 출력될 수 있다. 또한, 제 2 포토 제어 신호(PGB_180)에 의해 제 2 포토 게이트 전극(PGB)에 양의 전압이 인가될 때, 광전 변환 영역(PD)에서 생성된 광전하들이 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)으로 전송될 수 있다. 제 2 플로팅 확산 노드(FD2)에 축적된 광전하들(Q2)은 제 2 독출 회로(RO2)를 통해 제 2 픽셀 신호로 출력될 수 있다.
제 1 및 제 2 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2)에서 검출되는 전하량은 반사된 광신호(RL)와 제 1 및 2 포토 제어 신호들(PG1, PG2)이 중첩되는 시간에 따라 달라질 수 있다.
상세하게, 반사된 광신호(RL)와 제 1 포토 제어 신호(PG1_0)가 중첩되는 시간 동안 제 1 플로팅 확산 노드들(FD1)에서 측정되는 광 전하량과, 반사된 광신호(RL)와 제 2 포토 제어 신호(PG2_180)가 중첩되는 시간 동안 제 2 플로팅 확산 노드들(FD2)에서 측정되는 광 전하량의 차이를 통해 반사된 빛(RL)의 지연시간을 검출할 수 있다. 이어서, 반사된 광신호(RL)와 제 1 포토 제어 신호(PG1_90)가 중첩되는 시간 동안 제 1 플로팅 확산 노드들(FD1)에서 측정되는 광 전하량과, 반사된 광신호(RL)와 제 2 포토 제어 신호(PG2_270)가 중첩되는 시간 동안 제 2 플로팅 확산 노드들(FD2)에서 측정되는 광 전하량의 차이를 통해 반사된 빛(RL)의 지연시간을 검출할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 플로팅 확산 노드들(FD1, FD2)에서 출력되는 신호 차이가 2회에 걸쳐 검출될 수 있으며, 검출된 신호 차이를 이용하여 광원과 대상 물체 사이의 거리, 즉, 광학적 깊이가 측정될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 서로 교차하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 따라 배열되는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들을 포함하는 편광판 어레이로서, 상기 편광판 어레이는 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에서 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 격자들을 포함하는 것; 및
    상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에 각각 대응하는 제 1 내지 제 4 깊이 픽셀들을 포함하는 깊이 픽셀 어레이로서, 상기 제 1 내지 제 4 깊이 픽셀들 각각은 광전 변환 소자 및 상기 광전 변환 소자에 공통으로 연결된 제 1 및 제 2 독출 회로들을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 깊이 픽셀들은 상기 제1 방향으로 서로 인접하게 배열되고,
    상기 제1 깊이 픽셀의 상기 제1 독출 회로는 상기 제1 방향으로 상기 제2 깊이 픽셀의 상기 제1 독출 회로와 인접하게 배열되고,
    상기 제1 및 제2 깊이 픽셀들은 상기 제1 방향으로 인접하게 배치되고,
    상기 제1 깊이 픽셀의 상기 제1 및 제2 독출 회로들은, 상기 제1 방향으로, 상기 제2 깊이 픽셀의 상기 제1 및 제2 독출 회로들과 거울 대칭되고,
    상기 제1 및 제2 깊이 픽셀들 각각에서, 상기 제1 및 제2 독출 회로들은 상기 제1 및 제2 방향들과 다른 제3 방향으로 서로 인접하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 독출 회로들 각각은:
    플로팅 확산 노드; 및
    상기 광전 변환 소자와 상기 플로팅 확산 노드 사이에 연결된 포토게이트 전극을 포함하는 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 독출 회로들 각각은:
    상기 포토 게이트 전극과 상기 플로팅 확산 노드 사이의 전송 게이트 전극; 및
    상기 전송 게이트 전극과 상기 포토게이트 전극 사이에 배치된 저장 게이트 전극; 및
    상기 전송 게이트 전극과 상기 저장 게이트 전극 사이에 배치되는 캡쳐 게이트 전극들 더 포함하는 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들 각각에 대응하는 복수 개의 마이크로 렌즈들을 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 더 포함하되,
    상기 편광판 어레이는, 수직적 관점에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 깊이 픽셀 어레이 사이에 배치되는 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들은 제 1 내지 제 4 편광 격자들을 각각 포함하되, 제 1 편광 격자들은 상기 제 1 방향과 나란하고, 상기 제 2 편광 격자들은 상기 제 1 방향에 대해 45도 방향으로 연장되고, 상기 제 3 편광 격자들은 상기 제 2 방향과 나란하고, 상기 제 4 편광 격자들은 상기 제 1 방향에 대해 135도 방향으로 연장되고,
    상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들은 시계 방향으로 차례대로 배열되는 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 깊이 픽셀 어레이의 상기 깊이 픽셀들 각각은 상기 광전 변환 소자를 공유하는 제 3 및 제 4 독출 회로들을 더 포함하는 이미지 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 및 제 4 독출 회로들 각각은:
    플로팅 확산 노드; 및
    상기 광전 변환 소자와 상기 플로팅 확산 노드 사이에 연결된 포토게이트 전극을 포함하는 이미지 센서.
  8. 제 6 항에 있어서,
    제 1 단위 픽셀의 제 1 내지 제 4 독출 회로들은, 상기 제 2 방향과 나란한 가상선을 기준으로, 상기 제 2 단위 픽셀의 제 1 내지 제 4 독출 회로들과 거울 대칭되고,
    상기 제 1 및 제 2 단위 픽셀들의 상기 제 1 내지 제 4 독출 회로들은, 상기 제 1 방향과 나란한 가상선을 기준으로, 상기 제 3 및 제 4 단위 픽셀들의 제 1 내지 제 4 독출 회로들과 거울 대칭되는 이미지 센서.
  9. 서로 교차하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 따라 배열되는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들을 포함하는 편광판 어레이로서, 상기 편광판 어레이는 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에서 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 격자들을 포함하는 것;
    상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에 각각 대응하는 제1 내지 제 4 깊이 픽셀들을 포함하는 깊이 픽셀 어레이로서, 상기 제1 내지 제 4 깊이 픽셀들 각각은 광전 변환 소자 및 상기 광전 변환 소자에 연결된 제 1 내지 제 4 독출 회로들; 및
    상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들 각각에 대응하는 복수 개의 마이크로 렌즈들을 포함하는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하되,
    상기 편광판 어레이는, 수직적 관점에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이와 상기 깊이 픽셀 어레이 사이에 배치되고,
    상기 제1 및 제2 깊이 픽셀들은 상기 제1 방향으로 서로 인접하게 배치되고,
    상기 제1 깊이 픽셀의 상기 제1 독출 회로는 제1 방향으로 상기 제2 깊이 픽셀의 상기 제1 독출 회로와 인접하게 배열되고,
    상기 제1 내지 제4 깊이 픽셀들은 시계 방향으로 차례로 배치되어 하나의 광학 센서 블록을 구성하고,
    복수 개의 상기 광학 센서 블록들이 상기 제1 방향 및 제2 방향을 따라 2차원적으로 배열되고,
    상기 제1 깊이 픽셀의 상기 제1 내지 제4 독출 회로들은 상기 제1 방향과 나란한 가상선을 기준으로 상기 제2 깊이 픽셀의 상기 제1 내지 제 4 독출 회로들과 거울 대칭으로 배치되고,
    상기 제1 및 제2 깊이 픽셀들의 상기 제1 내지 제 4 독출 회로들은 상기 제2 방향과 나란한 가상선을 기준으로 상기 제3 및 제 4 깊이 픽셀들의 상기 제1 내지 제 4 독출 회로들과 거울 대칭으로 배치되는 이미지 센서.


  10. 서로 교차하는 제 1 방향 및 제 2 방향을 따라 배열되는 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들을 포함하는 편광판 어레이로서, 상기 편광판 어레이는 상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에서 서로 다른 편광 방향을 갖는 편광 격자들을 포함하는 것; 및
    상기 제 1 내지 제 4 단위 픽셀들에 각각 대응하는 제1 내지 제 4 깊이 픽셀들을 포함하는 깊이 픽셀 어레이로서, 상기 제1 내지 제 4 깊이 픽셀들 각각은 광전 변환 소자 및 상기 광전 변환 소자에 연결된 제 1 내지 제 4 독출 회로들을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 깊이 픽셀들은 상기 제1 방향으로 서로 인접하게 배열되고,
    상기 제1 깊이 픽셀의 제1 독출 회로는 상기 제1 방향으로, 상기 제2 깊이 픽셀의 제1 독출 회로와 인접하게 배열되고,
    상기 깊이 픽셀 어레이의 상기 제1 내지 제 4 깊이 픽셀들 각각은 상기 광전 변환 소자를 공유하는 제3 및 제4 독출 회로들을 더 포함하되,
    상기 제1 깊이 픽셀의 상기 제1 내지 제 4 독출 회로들은 상기 제2 방향과 나란한 가상선을 기준으로 상기 제2 깊이 픽셀의 상기 제1 내지 제 4 독출 회로들과 거울 대칭으로 배치되고,
    상기 제1 및 제2 깊이 픽셀들의 상기 제1 내지 제 4 독출 회로들은 상기 제1 방향과 나란한 가성선을 기준으로, 상기 제3 및 제 4 깊이 픽셀들의 상기 제1 내지 제 4 독출 회로들과 거울 대칭으로 배치되는 이미지 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 복수 개의 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판을 더 포함하되,
    상기 편광 격자들은, 상기 픽셀 영역들 각각에서, 균일한 폭 및 균일한 높이를 가지며 일정 간격으로 서로 이격되어 배열되는 이미지 센서.
  12. 제 10 항에 있어서,
    서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 복수 개의 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판을 더 포함하되,
    상기 편광 격자들은 상기 반도체 기판의 상기 제 2 면 상에 적층된 도전 패턴 및 유전체 패턴을 포함하는 이미지 센서.
  13. 제 10 항에 있어서,
    서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 복수 개의 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판을 더 포함하되,
    상기 편광 격자들은, 상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판의 상기 제 2 면 상에 제공된 제 1 유전체 패턴들 및 상기 제 1 유전체 패턴들을 덮는 제 2 유전체층을 포함하되,
    상기 제 1 유전체 패턴들은 상기 제 2 유전체층과 굴절률이 다른 유전 물질을 포함하는 이미지 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유전체 패턴들은 서로 대향하는 경사진 측벽들을 갖는 이미지 센서.
  15. 제 10 항에 있어서,
    서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 복수 개의 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판을 더 포함하되,
    상기 편광 격자들은, 상기 픽셀 영역들 각각에서, 상기 반도체 기판의 상기 제 2 면에 정의된 리세스 영역들을 포함하되,
    상기 리세스 영역들은 서로 대향하는 경사면들에 의해 정의되는 이미지 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 제 2 면을 덮는 반사 방지층을 더 포함하되, 상기 반사 방지층은 상기 리세스 영역들을 채우는 이미지 센서.
  17. 제 10 항에 있어서,
    서로 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 가지며, 복수 개의 픽셀 영역들을 포함하는 반도체 기판을 더 포함하되,
    상기 반도체 기판의 상기 제 2 면을 덮는 고정 전하층을 더 포함하되,
    상기 편광 격자들은 상기 고정 전하층 상에 배열되는 이미지 센서.

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