特許 6533052 イメージセンサ及び該イメージセンサを駆動する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6533052

(24)【登録日】2019年5月31日

(45)【発行日】2019年6月19日

(54)【発明の名称】イメージセンサ及び該イメージセンサを駆動する方法

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/374 20110101AFI20190610BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20190610BHJP

【ＦＩ】

   H04N5/374

   H01L27/146 A

【請求項の数】23

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-239805(P2014-239805)

(22)【出願日】2014年11月27日

(65)【公開番号】特開2015-106924(P2015-106924A)

(43)【公開日】2015年6月8日

【審査請求日】2017年7月20日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0146665

(32)【優先日】2013年11月28日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】崔 宰 赫

(72)【発明者】

【氏名】申 正 淳

【審査官】 鈴木 明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３５４５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７７２０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｎ ５／３０−５／３７８

Ｈ０１Ｌ ２７／１４−２７／１４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピクセルアレイを含むイメージセンサにおいて、
各ピクセルで、光電変換による電荷を生成する光電変換素子と、
生成された電荷の移動を駆動信号によって制御する、前記各ピクセルのシャッタと、
前記ピクセルアレイの全ピクセルのシャッタを連結し、前記駆動信号を伝送する駆動ラインと、
前記駆動ラインに、前記駆動信号を印加する駆動バッファと、
を含み、前記各ピクセルに含まれる複数のシャッタはそれぞれ異なる駆動ラインに結合される、イメージセンサ。

【請求項2】

前記駆動ラインは、所定数の行及び列を有し、いずれか１行は、全列と交差し、いずれか１列は、全行と交差する格子状であることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項3】

前記駆動バッファは、前記駆動ラインの各行及び各列の両端に、前記駆動信号を印加することを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。

【請求項4】

前記駆動バッファは、前記駆動ラインの最外郭部分に沿って配置され、前記ピクセルアレイを取り囲んだことを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。

【請求項5】

前記駆動バッファは、前記駆動ラインの行及び列が互いに交差する交差地点のうち、前記駆動ラインの最外郭部分に含まれた交差地点に、前記駆動信号を印加することを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。

【請求項6】

前記イメージセンサは、カメラに含まれることを特徴とする請求項１〜５のうち何れか一項に記載のイメージセンサ。

【請求項7】

前記駆動ラインは、前記ピクセルアレイのいずれか１行に含まれたピクセルのシャッタを、残りの他行に含まれたピクセルのシャッタと電気的に連結することを特徴とする請求項１〜６のうち何れか一項に記載のイメージセンサ。

【請求項8】

前記駆動ラインによって連結された前記シャッタは、前記駆動信号によって同時に開閉されることを特徴とする請求項１〜７のうち何れか一項に記載のイメージセンサ。

【請求項9】

駆動信号によって駆動される複数個のサブピクセルアレイ回路と、
前記複数個のサブピクセルアレイ回路を連結し、前記駆動信号を伝送する第１駆動ラインと、
前記第１駆動ラインに、前記駆動信号を印加する第１駆動バッファと、
を含み、前記サブピクセルアレイ回路それぞれは、
各ピクセルで、光電変換による電荷を生成する光電変換素子と、
生成された電荷の移動を、前記駆動信号によって制御する、前記各ピクセルのシャッタと、
前記サブピクセルアレイ回路の全ピクセルのシャッタを連結し、前記駆動信号を伝送する第２駆動ラインと、
前記第２駆動ラインに、前記駆動信号を印加する第２駆動バッファと、
を含み、前記各ピクセルに含まれる複数のシャッタはそれぞれ異なる第２駆動ラインに結合される、イメージセンサ。

【請求項10】

前記第１駆動ラインは、複数の第２駆動バッファを介して複数の第２駆動ラインに結合されることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。

【請求項11】

前記第１駆動ライン及び前記第２駆動ラインは、所定数の行及び列を有し、いずれか１行は、全列と交差し、いずれか１列は、全行と交差する格子状であることを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサ。

【請求項12】

前記第１駆動バッファは、前記第１駆動ラインの各行及び各列の両端に、前記駆動信号を印加し、
前記第２駆動バッファは、前記第２駆動ラインの各行及び各列の両端に、前記駆動信号を印加することを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。

【請求項13】

前記第１駆動バッファは、前記第１駆動ラインの最外郭部分に沿って配置され、
前記第２駆動バッファは、前記第２駆動ラインの最外郭部分に沿って配置されることを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。

【請求項14】

前記第１駆動バッファは、前記第１駆動ラインの行及び列が互いに交差する交差地点のうち、前記第１駆動ラインの最外郭部分に含まれた交差地点に、前記駆動信号を印加し、
前記第２駆動バッファは、前記第２駆動ラインの行及び列が互いに交差する交差地点のうち、前記第２駆動ラインの最外郭部分に含まれた交差地点に、前記駆動信号を印加することを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサ。

【請求項15】

ピクセルアレイを含むイメージセンサを駆動する方法において、
各ピクセルで、光電変換による電荷を生成する段階と、
生成された電荷の移動を制御する前記各ピクセルのシャッタを駆動する駆動信号を発する段階と、
前記ピクセルアレイの全ピクセルのシャッタを連結する駆動ラインに、駆動バッファを利用して、前記駆動信号を印加する段階と、
前記駆動ラインを介して、前記駆動信号を前記各ピクセルのシャッタに伝送する段階と、を含み、前記各ピクセルに含まれる複数のシャッタはそれぞれ異なる駆動ラインに結合される、イメージセンサを駆動する方法。

【請求項16】

前記駆動ラインは、所定数の行及び列を有し、いずれか１行は、全列と交差し、いずれか１列は、全行と交差する格子状であることを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサを駆動する方法。

【請求項17】

前記駆動信号を印加する段階は、
前記駆動ラインの各行及び各列の両端に、前記駆動バッファを利用して、前記駆動信号を印加することを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサを駆動する方法。

【請求項18】

前記駆動信号を印加する段階は、
前記駆動ラインの行及び列が互いに交差する交差地点のうち、前記駆動ラインの最外郭部分に含まれた交差地点に、前記駆動信号を印加することを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサを駆動する方法。

【請求項19】

前記駆動ラインは、前記ピクセルアレイのいずれか１行に含まれたピクセルのシャッタを、残りの他行に含まれたピクセルのシャッタと電気的に連結することを特徴とする請求項１５〜１８のうち何れか一項に記載のイメージセンサを駆動する方法。

【請求項20】

前記駆動ラインによって連結された前記シャッタは、前記駆動信号によって同時に開閉されることを特徴とする請求項１５〜１９のうち何れか一項に記載のイメージセンサを駆動する方法。

【請求項21】

前記イメージセンサは、カメラに含まれることを特徴とする請求項１５〜２０のうち何れか一項に記載のイメージセンサを駆動する方法。

【請求項22】

複数個のピクセルを有するピクセルアレイを含むイメージセンサにおいて、
前記ピクセルそれぞれにおいて、光電変換による電荷を生成する光電変換素子と、
生成された電荷の移動を制御する、前記各ピクセルのための複数個のシャッタと、
格子状の複数本の駆動ラインであって、駆動ラインの本数は、各ピクセルのシャッタの個数に比例し、各駆動ラインは、前記生成された電荷の移動を制御するために、対応する駆動信号を受信し、各駆動ラインは、１つのピクセルでの１つのシャッタを、前記ピクセルアレイの他の全ピクセルでの１つのシャッタと連結する、格子状の複数本の駆動ラインと、
前記対応する駆動信号を各駆動ラインに印加する、前記複数本の駆動ラインに対応する複数個の駆動バッファと、を含むイメージセンサ。

【請求項23】

ピクセルアレイを含むイメージセンサにおいて、
複数個のピクセルそれぞれにおいて、光電変換による電荷を生成する光電変換素子と、
第１駆動信号及び第２駆動信号によって、生成された電荷の移動を制御する、複数個のピクセルそれぞれの第１シャッタ及び第２シャッタと、
前記ピクセルアレイの全ピクセルの第１シャッタを連結し、前記第１駆動信号を伝送する第１駆動ラインと、
前記ピクセルアレイの全ピクセルの第２シャッタを連結し、前記第２駆動信号を伝送する第２駆動ラインと、
前記第１駆動ラインに、前記第１駆動信号を印加する複数個の第１駆動バッファと、
前記第２駆動ラインに、前記第２駆動信号を印加する複数個の第２駆動バッファと、を含むイメージセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イメージセンサ及び該イメージセンサを駆動する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

イメージセンサは、外部から入射される光を受光し、受光された光を光電変換して生成された電荷から、映像信号を生成する装置である。代表的なものとして、ＣＣＤ（charge coupled device）またはＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）を利用したイメージセンサがある。

【0003】

イメージセンサは、複数個のピクセルから構成されたピクセルアレイを含み、各ピクセルには、光電変換を行うフォトダイオードのような光電変換素子が存在する。各ピクセルの光電変換素子によって生成された電荷を検出するために、各ピクセルには、光電変換素子によって生成された電荷の移動を制御するシャッタが存在する。シャッタを駆動する駆動信号によって、シャッタが開閉することにより、電荷の移動を制御することができる。

【0004】

高品質の映像を獲得するためには、シャッタを短時間で十分に開き、電荷を移動させなければならない。特に、高速の連写や３Ｄ（3 dimensional）映像撮影のためのカメラのイメージセンサの場合、各ピクセルでのシャッタの開閉が迅速に行われなければならない。そのために、シャッタを駆動する駆動信号を高周波状にシャッタに印加するが、イメージセンサ自体の特性によって、シャッタのスイッチングにディレイが生じ、シャッタのスイッチングが正常に作動しないという問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、イメージセンサの各ピクセルで生成された電荷の移動を制御する各ピクセルのシャッタがディレイなしに、高速スイッチングを行うイメージセンサ、及び該イメージセンサを駆動する方法を提供することである。本実施形態がなすべき技術的課題は、前述のような技術的課題に限定されるものではなく、以下の実施形態から他の技術的課題が類推されることもある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決するために本発明の、ピクセルアレイを含むイメージセンサは、各ピクセルで、光電変換による電荷を生成する光電変換素子、前記生成された電荷の移動を駆動信号によって制御する、前記各ピクセルのシャッタ、前記ピクセルアレイの全ピクセルのシャッタを連結し、前記駆動信号を伝送する駆動ライン、及び前記駆動ラインに、前記駆動信号を印加する駆動バッファを含む。

【0007】

前記課題を解決するために本発明の、複数個のサブピクセルアレイ回路を含むイメージセンサは、駆動信号によって駆動される前記複数個のサブピクセルアレイ回路、前記複数個のサブピクセルアレイ回路を連結し、前記駆動信号を伝送する第１駆動ライン、及び前記第１駆動ラインに、前記駆動信号を印加する第１駆動バッファを含む。

【0008】

前記課題を解決するために本発明のピクセルアレイを含むイメージセンサを駆動する方法は、各ピクセルで、光電変換による電荷を生成する段階、前記生成された電荷の移動を制御する前記各ピクセルのシャッタを駆動する駆動信号を発する段階、前記ピクセルアレイの全ピクセルのシャッタを連結する駆動ラインに、駆動バッファを利用して、前記駆動信号を印加する段階、及び前記駆動ラインを介して、前記駆動信号を前記各ピクセルのシャッタに伝送する段階を含む。

【0009】

前記課題を解決するために本発明の、複数個のピクセルを有するピクセルアレイを含むイメージセンサは、前記ピクセルそれぞれで光電変換による電荷を生成する光電変換素子と、前記生成された電荷の移動を制御する、前記各ピクセルのための複数個のシャッタと、駆動ラインの本数は各ピクセルのシャッタの個数に比例し、各駆動ラインは、前記生成された電荷の移動を制御するために、対応する駆動信号を受信し、各駆動ラインは、１つのピクセルでの１つのシャッタを、前記ピクセルアレイの他の全ピクセルでの１つのシャッタと連結するが、格子状の該複数本の駆動ラインと、前記駆動ラインに対応する、前記対応する駆動信号を各駆動ラインに印加する複数個の駆動バッファと、を含む。

【0010】

前記課題を解決するために本発明の、ピクセルアレイを含むイメージセンサは、前記複数個のピクセルそれぞれで光電変換による電荷を生成する光電変換素子と、第１駆動信号及び第２駆動信号によって、前記生成された電荷の移動を制御する、複数個のピクセルそれぞれの第１シャッタ及び第２シャッタと、前記ピクセルアレイの全ピクセルの第１シャッタを連結し、前記第１駆動信号を伝送する第１駆動ラインと、前記ピクセルアレイの全ピクセルの第２シャッタを連結し、前記第２駆動信号を伝送する第２駆動ラインと、前記第１駆動ラインに、前記第１駆動信号を印加する複数個の第１駆動バッファと、前記第２駆動ラインに、前記第２駆動信号を印加する複数個の第２駆動バッファと、を含む。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、イメージセンサで、シャッタのディレイなしに、各ピクセルで光電変換によって生成された電荷を正常に移動させることにより、感度（sensitivity）、信号対ノイズ比（ＳＮＲ：signal to noise ratio）及び３Ｄイメージング（imaging）でのデプス精度（depth precision）を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】イメージセンサに含まれた任意のピクセルのピクセル回路を示した図面である。

【図2】既存のイメージセンサにおけるピクセルアレイのシャッタ連結について説明するための図面である。

【図3】既存のイメージセンサにおいて、任意のピクセルのシャッタがスイッチングされるとき、印加される駆動電圧の変化について説明するための図面である。

【図4】既存のイメージセンサにおけるピクセルアレイの１行のシャッタ連結を、抵抗とキャパシタとを利用してモデリングした等価回路を示した図面である。

【図5】３Ｄイメージセンサに含まれた任意のピクセルのピクセル回路を示した図面である。

【図6】イメージセンサにおいて、ピクセルアレイの１行のシャッタに対する双方向駆動方式について説明するための図面である。

【図7】一実施形態による、イメージセンサの構造及びレイアウトについて説明するための図面である。

【図8】一実施形態による、イメージセンサの構造及びレイアウトについて説明するための図面である。

【図9】一実施形態によるイメージセンサのシャッタと、既存のイメージセンサでのシャッタとがスイッチングされるときの様子を比較して示した図面である。

【図10】一実施形態による、イメージセンサの構造及びレイアウトについて説明するための図面である。

【図11】一実施形態による、イメージセンサを駆動する方法について説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付された図面を参照しながら、ただ例示のための実施形態によって、本発明について詳細に説明する。下記実施形態は、本発明を具体化するためのものであり、本発明の権利範囲を制限したり限定したりするものではないということは言うまでもない。詳細な説明及び実施形態から、本発明が属する技術分野の当業者が容易に類推することができることは、発明の権利範囲に属すると解釈される。

【0014】

本明細書で使用される「構成される」または「含む」というような用語は、明細書上に記載されたさまざまな構成要素、またはさまざまな段階を必ずしもいずれも含むものであると解釈されるものではなく、そのうち一部の構成要素または一部段階は、含まれなくともよく、または追加的な構成要素または段階をさらに含んでもよいと解釈されなければならない。

【0015】

また、本明細書で使用される「第１」または「第２」のように、序数を含む用語は、多様な構成要素について説明するのに使用されるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されるものではない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。

【0016】

本実施形態は、イメージセンサ及び該イメージセンサを駆動する方法に係り、以下の実施形態が属する技術分野で当業者に周知の事項については、詳細な説明を省略する。

【0017】

図１は、イメージセンサに含まれた任意のピクセルのピクセル回路を示した図面である。図１に図示された構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれてもよいということは、関連技術分野で当業者であるならば、理解することができるであろう。

【0018】

図１を参照すれば、イメージセンサに含まれた任意のピクセル１０のピクセル回路は、フォトダイオードと、複数個のトランジスタとを含んでもよい。フォトダイオードは光を受光し、それを電荷に変換させて蓄積することができる光電変換素子である。トランジスタは、信号によって電荷を移動させたり遮断したりするスイッチング素子である。

【0019】

イメージセンサに含まれた任意のピクセル１０のピクセル回路は、図１に図示されているように、光電変換素子１２として、フォトダイオードを利用することができる。そのとき、フォトダイオードは、ピンド・フォトダイオード（ＰＰＤ：pinned photo diode）にもなる。図１を参照すれば、光電変換素子１２は、いずれか１つのトランジスタと連結されているが、そのように、光電変換素子１２に連結されたトランジスタをシャッタ（shutter）１４という。シャッタ１４は、スイッチとして動作することができる。シャッタ１４のゲートに入力されるゲート電圧ＴＸによって、光電変換によって生成された電荷を、シャッタ１４を介して、リードアウト（readout）回路に移動させることができる。ＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）イメージセンサの場合、図１のように、１つのトランジスタからなるシャッタ１４を介して、ＦＤ（floating diffusion）ノードに移動させることができる。イメージセンサの各ピクセル１０に、リセット信号ＲＳＴとセレクト信号ＳＥＬとを印加し、ＦＤノードに連結された電圧バッファを介して、ＦＤノードの電圧を読み取ることにより、電荷の量を測定することができる。ＣＭＯＳイメージセンサが、例として使用されているが、本実施形態は、ＣＣＤｓ（charge coupled device）のような他のイメージセンサを含んでもよい。

【0020】

シャッタ１４のオン／オフスイッチング動作は、１フレーム当たり１回遂行されるので、シャッタ１４のゲート電圧ＴＸは、普通の低周波形態の電圧を利用する。しかし、高速の連写が必要な場合、シャッタ１４は、高周波で駆動される。例えば、３Ｄ（3 dimensional）イメージングなどのためのＴＯＦ（time-of-flight）方式のイメージセンサでは、シャッタ１４に、１０ＭＨｚ以上の正弦波あるいは矩形波に変調した駆動信号を印加することができる。従って、シャッタ１４は、低周波の駆動信号だけではなく、高周波の駆動信号にも動作するよう、に高速のスイッチングが可能でなければならない。

【0021】

図２は、既存のイメージセンサでのピクセルアレイのシャッタ連結について説明するための図面である。図２を参照すれば、既存のイメージセンサ５０は、複数個のピクセル１０からなるピクセルアレイ２０、複数本の駆動ライン３０、複数個の駆動バッファ４０及び行（row）デコーダ４５を含んでもよい。ピクセルアレイ２０をなす複数個のピクセル１０は、それぞれシャッタ１４を含む。

【0022】

図２に図示されているように、１つの駆動バッファ４０が１つの駆動ライン３０を介して、ＭＸＮピクセルアレイ２０の同一行に配置されたピクセル１０のシャッタ１４を駆動する。ＴＸ［０］、ＴＸ［１］、ＴＸ［Ｎ］は、ピクセルアレイ２０の各行に印加されるシャッタ１４のゲート電圧を示す。すなわち、既存のイメージセンサ５０では、ピクセルアレイ２０の各行別に、シャッタ１４が動作する。しかし、シャッタ１４は、イメージセンサ５０において、ピクセルアレイ２０の各カラムのために動作しない。

【0023】

図３は、既存のイメージセンサにおいて、任意のピクセルのシャッタがスイッチングされるとき、印加される駆動電圧の変化について説明するための図面である。図２の既存イメージセンサ５０の場合、駆動バッファ４０を介して、任意のピクセル１０のシャッタ１４に印加された駆動電圧は、図３のように、所定時間の遅延後、所定基準以上のレベルの電圧に逹する。シャッタ１４がオンになる時間ｔ１の間、シャッタ１４に印加される駆動電圧は迅速に上昇し、所定基準以上のレベルの電圧を維持しなければならないが、イメージセンサ５０自体の特性によって、シャッタ１４のスイッチング動作が迅速に遂行されないのである。図３のｔ１区間を見ると、シャッタ１４のスイッチング動作のための特定レベルの電圧が印加されるまで、遅延時間（delay time）が生じ、立ち上がり時間（rise time）が長くなるということが分かる。そのような場合、高周波形態の駆動電圧が印加されれば、シャッタ１４のスイッチング周期が短くなり、シャッタ１４のスイッチング動作に問題が生じる。具体的には、光電変換素子で生成された電荷が伝達されなかったり、あるいは伝達される前に、シャッタ１４がさらにオフになったりするという現象が生じてしまう。シャッタ１４のスイッチングが遅延されるということは、駆動ライン３０の寄生抵抗（parasitic resistance）及び寄生キャパシタンス（parasitic capacitance）、並びにシャッタ１４のゲートキャパシタンス（gate capacitance）のためであり、以下、図４及び図５を参照して説明する。

【0024】

図４は、既存のイメージセンサにおいて、ピクセルアレイの１行のシャッタ連結を、抵抗及びキャパシタを利用してモデリングした等価回路を示した図面である。図４は、便宜上、ピクセルピッチ（Ｗ_ＰＩＸ，［μｍ］）ごとに、カスケード（cascade）でモデリングした。メタルあるいはポリシリコンによって具現される駆動ライン３０は、抵抗（ｒ_ｍ，［Ω／μｍ］）とキャパシタ（Ｃ_ｍ，［Ｆ／μｍ］）との回路のカスケードでモデリングされる。Ｃ_Ｇは、シャッタ１４のゲートキャパシタンスを示す。

【0025】

Ｍ×Ｎピクセルアレイにおいて、シャッタ１４の駆動信号であるゲート電圧ＴＸの遅延時間ｔｄと立ち上がり時間ｔｒは、以下の数式（１），（２）のように示すことができる。

【0026】

【数1】

前記数式（１），（２）で示すように、立ち上がり時間ｔ_ｒは、遅延時間ｔ_ｄに比例し、駆動ライン３０の長さが長いほど、またはピクセルピッチが大きいほど、そしてピクセル数が多いほど長くなる。駆動ライン３０の寄生抵抗及び寄生キャパシタンスと、シャッタ１４のゲートキャパシタンスとの影響を受けるからである。従って、高解像度のイメージセンサにおいて、高周波形態の駆動信号をシャッタ１４に印加する場合、駆動信号であるゲート電圧ＴＸによって、シャッタ１４が完全にオンされず、電荷の移動が困難になる。

【0027】

図５は、３Ｄイメージセンサに含まれた任意のピクセルのピクセル回路を示した図面である。図５に図示された構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれてもよいということは、関連技術分野で当業者であるならば、理解することができるであろう。

【0028】

図５は、ＴＯＦ方式によるイメージセンサに含まれた任意のピクセル１５のピクセル回路の構造及びレイアウトを示している。ピンド・フォトダイオード（ＰＰＤ）から構成された１つの光電変換素子１２に、２つのシャッタ１４が連結されている。２つのシャッタ１４には、それぞれゲート電圧ＴＸ０及びＴＸ１が印加され、２つのシャッタ１４は、１８０゜の位相差を有する１０ＭＨｚ以上の高周波で駆動される。ゲート電圧ＴＸ０が印加されるときは、光電変換素子１２によって生成された電荷がＦＤ０ノードに移動し、ゲート電圧ＴＸ１が印加されるときは、光電変換素子１２によって生成された電荷がＦＤ１ノードに移動する。

【0029】

短時間のスイッチング周期の間、電荷を伝達するために、図５に図示されているように、ゲートの幅Ｗを広くすることができる。しかし、ゲートの幅が広くなることにより、ゲートキャパシタンスが増大する。従って、ＴＯＦ方式による３Ｄイメージセンサのように、シャッタ１４のゲートキャパシタンスＣ_Ｇが大きい場合、長い遅延時間ｔ_ｄまたは立ち上がり時間ｔ_ｄを誘発する。

【0030】

図４及び図５を介して説明したように、高解像度のイメージセンサまたは３Ｄイメージセンサの場合、高周波形態の駆動信号が必要な一方、その構造上、駆動ライン３０の寄生抵抗及び寄生キャパシタンス、またはシャッタ１４のゲートキャパシタンスが増大し、シャッタ１４のスイッチング動作が遅延されるという問題があった。それを解決するために、図６に図示されているように、ピクセルアレイの１行の双方向で駆動信号を印加して駆動力を高める方法がある。

【0031】

図６は、イメージセンサにおいて、ピクセルアレイの１行のシャッタに対する双方向駆動方式について説明するための図面である。図６に図示されているように、ピクセルアレイ２０の一行に含まれたピクセル１０の各シャッタ１４は、駆動ライン３０に連結されており、駆動ライン３０の両端に、シャッタ１４を駆動するための駆動信号ＴＸを印加する駆動バッファ４０がある。図２に図示された既存のイメージセンサ５０で、ピクセルアレイ２０のシャッタ１４連結と比較すれば、図６のイメージセンサ５０で、ピクセルアレイ２０の各行の右側に駆動バッファ４０が一つさらに追加されているということが分かる。図６のイメージセンサ５０は、駆動信号ＴＸを印加する駆動バッファ４０が双方向で駆動されるので、シャッタ１４に大きい駆動力を提供し、図２の既存のイメージセンサ５０より立ち上がり時間を短縮させることができる。

【0032】

ピクセル１０の数が多くなり、ピクセルアレイ２０のサイズが大きくなる場合、依然として遅延時間ｔ_ｄまたは立ち上がり時間ｔ_ｒが長くなる。一実施形態による、イメージセンサ、及びイメージセンサを駆動する方法では、高周波形態の駆動信号によって、シャッタ１４の高速スイッチングが可能な構造及びレイアウトを提案する。

【0033】

図７は、一実施形態による、イメージセンサの構造及びレイアウトについて説明するための図面である。図７に図示された構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれてもよいことは、関連技術分野で当業者であるならば、理解することができるであろう。

【0034】

図７を参照すれば、イメージセンサ５００は、複数個のピクセル１００から構成されたピクセルアレイ２００、駆動ライン３００及び駆動バッファ４００を含んでもよい。ピクセルアレイ２００の任意のピクセル１００は、光電変換素子１２０とシャッタ１４０とを含んでもよい。

【0035】

各ピクセル１００で、光電変換素子１２０は、光電変換による電荷を生成して蓄積することができる。光電変換素子１２０で、ピンド・フォトダイオードのようなフォトダイオードが使用されてもよい。

【0036】

シャッタ１４０は、各ピクセル１００の光電変換素子１２０によって生成された電荷の移動を、駆動信号ＴＸによって制御することができる。シャッタ１４０は、トランジスタのようなスイッチング素子にもなり、トランジスタのゲートに印加されるゲート電圧を駆動信号ＴＸにし、スイッチング動作を遂行することができる。シャッタ１４０のスイッチング動作は、駆動信号ＴＸの周波数によって遂行されてもよい。

【0037】

駆動ライン３００は、ピクセルアレイ２００の全ピクセル１００のシャッタ１４０を連結し、駆動信号ＴＸを伝送することができる。従って、駆動ライン３００によって連結されたシャッタ１４０は、駆動信号によって同時に開閉される。駆動ライン３００は、ピクセルアレイ２００のいずれか１行に含まれたピクセルのシャッタを、残りの他行に含まれたピクセルのシャッタと電気的に連結することができる。

【0038】

駆動ライン３００は、所定数の行及び列を有し、いずれか１行は、全列と交差し、いずれか１列は、全行と交差する格子状である。

【0039】

駆動バッファ４００は、駆動ライン３００に、駆動信号ＴＸを印加することができる。例えば、駆動バッファ４００は、駆動ライン３００の最外郭ライン(最も外側のライン)に、駆動信号ＴＸを印加することができる。駆動ライン３００の一端にのみ駆動信号を印加するのではなく、駆動ライン３００の最外郭ラインの全方向に駆動信号ＴＸを印加することができる。特に、駆動バッファ４００は、格子状の駆動ライン３００の各行及び各列の両端に駆動信号ＴＸを印加することができる。駆動ライン３００の各行の一端または両端に駆動信号を印加する場合と比較すれば、一実施形態によるイメージセンサ５００は、格子状の駆動ライン３００の各行及び各列の両端に駆動信号ＴＸを印加するので、はるかに大きい駆動力をシャッタ１４０に印加することができる。また、駆動バッファ４００は、格子状の駆動ライン３００の行及び列が互いに交差する交差地点のうち、最外郭ラインに含まれた交差地点に、駆動信号ＴＸを印加することもできる。

【0040】

駆動バッファ４００は、格子状の駆動ライン３００の最外郭ラインに沿って配置されてもよい。駆動バッファ４００は、格子状の駆動ライン３００を取り囲んだサラウンドドライバを形成することができる。言い換えれば、ピクセルアレイ２００の左右だけではなく、上下にも駆動バッファ４００が配置されてもよい。例えば、１２８０×９６０ピクセル解像度を有するイメージセンサの場合、左右各９６０個及び上下各１２８０個の駆動バッファ４００から構成され、所望するシャッタ１４０の駆動周波数によって駆動バッファ４００の個数を増減させることができる。スイッチングノイズ（switching noise）によるランダムノイズ（random noise）追加防止のために、駆動バッファ４００は、ガードリング（guard ring）で外部と分離させ、別途の電源電圧を使用することができる。

【0041】

図７に図示されているようなピクセルアレイ２００の全ピクセル１００のシャッタ１４０を連結する格子状の駆動ライン３００は、図２及び図４の既存のイメージセンサ５０の駆動ライン３０に比べ、抵抗値が低減するという効果を得ることができる。図２及び図４の既存のイメージセンサ５０の駆動ライン３０の抵抗が直列に連結される一方、一実施形態によるイメージセンサ５００の駆動ライン３００の抵抗は、並列連結されるためである。

【0042】

また、図７に図示されているように、格子状の駆動ライン３００の各行及び各列の両端に駆動信号ＴＸを印加する駆動バッファ４００は、図２の駆動ライン３０の各行の一方に駆動信号を印加する駆動バッファ４０と、図６の駆動ライン３０の各行の両方に駆動信号を印加する駆動バッファ４０とに比べ、駆動力が増大するという効果を得ることができる。

【0043】

従って、図７のイメージセンサ５００は、駆動ライン３００の抵抗減少、及び駆動バッファ４００による駆動力増大によって、シャッタ１４０駆動時の遅延時間及び立ち上がり時間を最小化させることにより、高周波の駆動信号でも、シャッタ１４０の正常な駆動が可能になる。図７のイメージセンサ５００を利用すれば、高速カメラのように、高周波の駆動信号によって動作可能なシャッタを必要とする装置で、光電変換によって生成された電荷の移動を効果的に制御することができる。

【0044】

図８は、一実施形態による、イメージセンサの構造及びレイアウトについて説明するための図面である。図８に図示された構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれてもよいことは、関連技術分野で当業者であるならば、理解することができるであろう。

【0045】

図８を参照すれば、イメージセンサ５５０は、複数個のピクセル１５０から構成されたピクセルアレイ２００を含んでもよい。ピクセルアレイ２００の任意のピクセル１５０は、光電変換素子１２０、並びに第１シャッタ１４２及び第２シャッタ１４４を含んでもよい。各ピクセル１５０の第１シャッタ１４２は、第１駆動ライン３１０に連結され、各ピクセル１５０の第２シャッタ１４４は、第２駆動ライン３２０に連結される。第１駆動ライン３１０には、第１駆動バッファ４１０が第１駆動信号ＴＸ_０を印加し、第２駆動ライン３２０には、第２駆動バッファ４２０が第２駆動信号ＴＸ_１を印加することができる。

【0046】

各ピクセル１５０で、光電変換素子１２０は、光電変換による電荷を生成して蓄積することができる。第１シャッタ１４２は、各ピクセル１５０の光電変換素子１２０によって生成された電荷の移動を、第１駆動信号ＴＸ_０によって制御することができる。第２シャッタ１４４は、各ピクセル１５０の光電変換素子１２０によって生成された電荷の移動を、第２駆動信号ＴＸ_１によって制御することができる。

【0047】

第１駆動ライン３１０は、ピクセルアレイ２００の全ピクセル１５０の第１シャッタ１４２を連結し、第１駆動信号ＴＸ_０を伝送することができる。従って、第１駆動ライン３１０によって連結された第１シャッタ１４２は、第１駆動信号ＴＸ_０によって同時に開閉される。第２駆動ライン３２０は、ピクセルアレイ２００の全ピクセル１５０の第２シャッタ１４４を連結し、第２駆動信号ＴＸ_１を伝送することができる。従って、第２駆動ライン３２０によって連結された第２シャッタ１４４は、第２駆動信号ＴＸ_１によって同時に開閉される。第１駆動ライン３１０は、ピクセルアレイ２００のいずれか１行に含まれたピクセルの第１シャッタ１４２を、残りの他行に含まれたピクセルの第１シャッタ１４２と電気的に連結することができる。第２駆動ライン３２０は、ピクセルアレイ２００のいずれか１行に含まれたピクセルの第２シャッタ１４４を、残りの他行に含まれたピクセルの第２シャッタ１４４と電気的に連結することができる。

【0048】

第１駆動バッファ４１０は、第１駆動ライン３１０に駆動信号を印加することができる。例えば、第１駆動バッファ４１０は、第１駆動ライン３１０の最外郭ラインに、駆動信号を印加することができる。特に、第１駆動バッファ４１０は、格子状の第１駆動ライン３１０の各行及び各列の両端に、第１駆動信号ＴＸ_０を印加することができる。第１駆動バッファ４１０は、格子状の第１駆動ライン３１０の最外郭ラインに沿って配置されてもよい。第２駆動バッファ４２０は、第２駆動ライン３２０に、駆動信号を印加することができる。例えば、第２駆動バッファ４２０は、第２駆動ライン３２０の最外郭ラインに、駆動信号を印加することができる。特に、第２駆動バッファ４２０は、格子状の第２駆動ライン３２０の各行及び各列の両端に、第２駆動信号ＴＸ_１を印加することができる。第２駆動バッファ４２０は、格子状の第２駆動ライン３２０の最外郭ラインに沿って配置されてもよい。

【0049】

第１駆動ライン３１０と第２駆動ライン３２０は、図８に図示されているように、所定数の行及び列を有し、いずれか１行は、全列と交差し、いずれか１列は、全行と交差する格子状でもある。図７及び図８を見れば、格子状の駆動ラインの本数は、各ピクセルのシャッタの個数に比例するということが分かる。言い換えれば、図７のように、ピクセルアレイ２００の各ピクセル１００に、１つのシャッタ１４０が含まれている場合、各ピクセル１００の全シャッタ１４０を連結する格子状の駆動ライン３００の１本が必要である。一方、図８のように、ピクセルアレイ２００の各ピクセル１５０に、２つのシャッタ１４２，１４４が含まれている場合、各ピクセル１５０の第１シャッタ１４２を連結する格子状の第１駆動ライン３１０と、各ピクセル１５０の第２シャッタ１４４を連結する格子状の第２駆動ライン３２０の２本が必要である。

【0050】

図８のイメージセンサ５５０は、第１駆動ライン３１０及び第２駆動ライン３２０の抵抗低下、並びに第１駆動バッファ４１０及び第２駆動バッファ４２０による駆動力増大により、第１シャッタ１４２と第２シャッタ１４４との駆動時の遅延時間及び立ち上がり時間を最小化させることにより、高周波の駆動信号でも、第１シャッタ１４２と第２シャッタ１４４との正常な駆動が可能になる。図８のイメージセンサ５５０を利用すれば、ＴＯＦ方式の３Ｄカメラのように、高周波の駆動信号によって動作可能なシャッタを必要とする装置で、光電変換によって生成された電荷の移動を効果的に制御することができる。

【0051】

図９は、一実施形態によるイメージセンサのシャッタと、既存のイメージセンサとで、シャッタがスイッチングされるときの様子を比較して示した図面である。図９は、１２８０×９６０ピクセル解像度を有するイメージセンサでのシャッタ動作をシミュレーションした結果を示している。図９から分かるように、一実施形態によるイメージセンサ５００，５５０は、単方向駆動方式（図９のsingled riving）または双方向駆動方式（図９のdouble driving）に比べ、はるかに改善された立ち上がり時間及び遅延時間を有する。特に、単方向駆動方式を改善した双方向駆動方式に比べても、一実施形態によるイメージセンサ５００，５５０のサラウンド駆動方式（図９のsurround driving of mesh）は、約１５倍位の立ち上がり時間及び遅延時間の改善効果をもたらす。

【0052】

図１０は、一実施形態による、イメージセンサの構造及びレイアウトについて説明するための図面である。図１０に図示された構成要素以外に、他の汎用的な構成要素がさらに含まれてもよいことは、関連技術分野で当業者であるならば、理解することができるであろう。

【0053】

図１０を参照すれば、イメージセンサ５０００は、複数個のサブピクセルアレイ回路１０００を含んでもよい。イメージセンサ５０００は、駆動信号ＴＸによって駆動される複数個のサブピクセルアレイ回路１０００を含み、第１駆動ライン３０００は、全サブピクセルアレイ回路１０００に駆動信号ＴＸを伝送することができる。第１駆動バッファ４０００は、第１駆動ライン３０００に駆動信号ＴＸを印加することができる。例えば、第１駆動バッファ４０００は、第１駆動ライン３０００の最外郭ラインに駆動信号ＴＸを印加することができる。

【0054】

任意のサブピクセルアレイ回路１０００は、一実施形態による、図７のイメージセンサ５００、または図８のイメージセンサ５５０のような構造及びレイアウトを有することができる。例えば、任意のサブピクセルアレイ回路１０００は、図７に図示されたイメージセンサのように、各ピクセルで、光電変換による電荷を生成する光電変換素子、光電変換素子で生成された電荷の移動を駆動信号によって制御する各ピクセルのシャッタ、サブピクセルアレイ回路の全ピクセルのシャッタを連結し、駆動信号を伝送する第２駆動ライン、及び第２駆動ラインに駆動信号を印加する第２駆動バッファを含んでもよい。

【0055】

図１０のイメージセンサ５０００の第１駆動ライン３０００、及び任意のサブピクセルアレイ回路１０００の第２駆動ラインは、それぞれ所定数の行及び列を有し、いずれか１行は、全列と交差し、いずれか１列は、全行と交差する格子状にもなる。

【0056】

図１０のイメージセンサ５０００の第１駆動バッファ４０００は、第１駆動ライン３０００の各行及び各列の両端に駆動信号ＴＸを印加し、任意のサブピクセルアレイ回路１０００の第２駆動バッファは、第２駆動ラインの各行及び各列の両端に第１駆動ラインから伝送された駆動信号ＴＸを印加することができる。また、図１０のイメージセンサ５０００の第１駆動バッファ４０００は、第１駆動ライン３０００の行及び列が互いに交差する交差地点のうち、第１駆動ライン３０００の最外郭ラインに含まれた交差地点に駆動信号ＴＸを印加し、任意のサブピクセルアレイ回路１０００の第２駆動バッファは、第２駆動ラインの行及び列が互いに交差する交差地点のうち、第２駆動ラインの最外郭ラインに含まれた交差地点に、第１駆動ラインから伝送された駆動信号ＴＸを印加することができる。

【0057】

図１０のイメージセンサ５０００の第１駆動バッファ４０００は、第１駆動ライン３０００の最外郭ラインに沿って配置され、任意のサブピクセルアレイ回路１０００の第２駆動バッファは、第２駆動ラインの最外郭ラインに沿って配置されてもよい。そのとき、サブピクセルアレイ回路１０００の第２駆動バッファは、リピータ（repeater）として動作することができる。

【0058】

図１０のイメージセンサ５０００の構造及びレイアウトは、multiple apertureイメージセンサまたはlight fieldイメージセンサのように、複数個のサブピクセルアレイ回路を有するイメージセンサに適用することができる。

【0059】

図１１は、一実施形態によるイメージセンサを駆動する方法について説明するためのフローチャートである。以下、省略された内容であるとしても、以上で、イメージセンサ５００について説明した内容は、イメージセンサ５００を駆動する方法についても適用される。

【0060】

まず、ピクセルアレイ２００を含むイメージセンサの各ピクセル１００で、光電変換による電荷を生成する（Ｓ１１１０）。

【0061】

光電変換によって生成された電荷の移動を制御する各ピクセル１００のシャッタ１４０を駆動する駆動信号を発する（Ｓ１１２０）。

【0062】

ピクセルアレイ２００の全ピクセル１００のシャッタ１４０を連結する駆動ライン３００に、駆動バッファ４００を利用して駆動信号を印加する（Ｓ１１３０）。例えば、ピクセルアレイ２００の全ピクセル１００のシャッタ１４０を連結する駆動ライン３００の最外郭ラインに、駆動バッファ４００を利用して駆動信号を印加することができる。駆動ライン３００によって連結されたシャッタ１４０は、駆動信号によって同時に開閉される。駆動ライン３００は、ピクセルアレイ２００のいずれか１行に含まれたピクセルのシャッタを、残りの他行に含まれたピクセルのシャッタと電気的に連結することができる。

【0063】

駆動ライン３００は、所定数の行及び列を有し、いずれか１行は、全列と交差し、いずれか１列は、全行と交差する格子状でもある。駆動バッファ４００は、格子状の駆動ライン３００の各行及び各列の両端に、駆動信号ＴＸを印加することができる。また、駆動バッファ４００は、格子状の駆動ライン３００の行及び列が互いに交差する交差地点のうち、最外郭ラインに含まれた交差地点に、駆動信号ＴＸを印加することもできる。

【0064】

駆動ライン３００を介して、駆動信号を各ピクセル１００のシャッタ１４０に伝送する（Ｓ１１４０）。

【0065】

以上、実施形態を中心に説明した。開示された実施形態が属する技術分野で当業者であるならば、開示された実施形態が、本質的な特性から外れない範囲で変形された形態に具現されるということを理解することができるであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。実施形態による発明の範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異は、発明の範囲に含まれたものであると解釈されなければならないのである。

【産業上の利用可能性】

【0066】

本発明のイメージセンサ及び該イメージセンサを駆動する方法は、例えば、画像獲得関連の技術分野に効果的に適用可能である。

【符号の説明】

【0067】

１０，１５，１００ ピクセル
１２，１２０ 光電変換素子
１４，１４０ シャッタ
２０ ＭXＮピクセルアレイ
３０，３００ 駆動ライン
４０，４００ 駆動バッファ
４５ 行デコーダ
５０，５００，５５０，５０００ イメージセンサ
１４２ 第１シャッタ
１４４ 第２シャッタ
２００ ピクセルアレイ
３１０，３０００ 第１駆動ライン
３２０ 第２駆動ライン
４１０，４０００ 第１駆動バッファ
４２０ 第２駆動バッファ
１０００ ピクセルアレイ回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】