Dynamic range extension of the n-well/gate-tied PMOSFET-type photodetector with a built-in transfer gate

Dynamic range extension of the n-well/gate-tied PMOSFET-type photodetector with a built-in transfer gate

Sooyeun Lee, Sang-Ho Seo, Jae-Sung Kong, Sung-Hyun Jo, Kyung-Hwa Choi * , Pyung Choi, and Jang-Kyoo Shin ^†

Abstract

We have designed and fabricated an active pixel sensor(APS) using an optimized n-well/gate-tied p-channel metal oxide semiconductor field effect transistor(PMOSFET)-type photodetector with a built-in transfer gate. This photodetector has a floating gate connected to n-well and a built-in transfer gate. The photodetector has been optimized by changing the length of the transfer gate. The APS has been fabricated using a 0.35 µm standard complementary metal oxide semiconductor(CMOS) process. It was confirmed that the proposed APS has a wider dynamic range than the APS using the previously proposed photodetector and a higher sensitivity than the conventional APS using a p-n junction photodiode.

Key Words : CMOS image sensor, active pixel sensor, n-well/gate-tied PMOSFET-type photodetector with a built-in transfer gate

1. 서 론

최근 디지털 영상 장치에는 CMOS(complementary

metal oxide semiconductor) ^{이미지 센서} (CMOS image sensor; CIS) 가 널리 사용되고 있다 . 몇 년 전까지만 해 도 CIS 에 비해 좋은 성능을 갖는 전하 결합 소자

(charge-coupled devices; CCD) ^{형 이미지 센서가 주로}

사용되어왔으나 , 반도체 기술의 발전과 함께 CIS 에 관 한 많은 연구로 인한 성능 개선에 따라 가격이나 집적

도 면에서 유리한 CIS ^{의 사용이 증가하게 되었다 [1-6]} .

CIS 는 개발 초반 , 고정 패턴 잡음 (fixed pattern noise;

FPN) 을 비롯한 잡음 문제로 인하여 이미지의 질이

CCD 형 이미지 센서에 비해서 우수하지 못하고 또한

CCD ^{형 이미지 센서 대비 회로가 복잡하고 가격 측면}

에서 큰 차이가 없으며 칩 면적이 크다는 단점으로 개

발에 어려움을 겪었다 ^[2,4] . 그러나 CMOS 공정 기술의

급속한 발전과 각 화소 내에 능동 증폭기를 사용한 능 동 화소 센서 (active pixel sensor; APS) 의 개발을 이후 로 본격적인 CIS 에 대한 개발이 시작되었다 .

CIS ^{는 표준} CMOS ^{공정을 이용하여 제작이 가능하}

므로 특별한 공정을 필요로 하는 CCD 형 이미지 센서 에 비해 낮은 제조 가격을 갖는 장점을 가진다 . 또 , 이 로 인해 이미지 센서의 구동에 필요한 신호 처리 회로 들의 집적화 및 소형화가 가능하다 . 또한 원하는 화소 에 임의의 접근 (random access) ^{이 가능하다} . ^그리고

CCD 형 이미지 센서와는 다르게 높은 전원 전압을 필

요로 하지 않으므로 저전력화가 가능하다 . 이러한 CIS

의 특성들로 인해 CCD ^{형 이미지 센서보다} CIS ^{가 휴}

대용 디지털 영상 장치들에 사용되기에 더 적합하며 ,

현재 많은 분야에서 사용되어지고 있다 . 하지만 다양한 연구를 통한 CIS ^{의 성능 개선에도 불구하고} CIS ^{는 여}

전히 CCD 형 이미지 센서에 비해 감도가 낮고 , 잡음이

경북대학교전자전기컴퓨터학부

(School of Electrical Engineering and Computer Science, Kyungpook National University)

*

(Department of Sensor and Display Engineering, Kyungpook National University)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : March 18, 2010, Revised : June 28, 2010

Accepted : July 14, 2010)

많으며 , 동작 범위 (dynamic range) 가 좁다는 등의 문제

점을 가진다 ^[1,4] . CIS 에 일반적으로 사용되는 p-n 접합

포토 다이오드는 저조도에서 이용하기에 광감도가 낮 다 . 이러한 문제점을 해결하기 위하여 높은 광감도를 갖는 광검출기가 제안되었다 ^[6] . 그러나 , 기존에 제안된

내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET 형 광검출기

는 일반적으로 사용되는 p-n 접합 포토 다이오드에 비 해 높은 감도를 갖지만 동시에 좁은 동작 범위를 갖는 단점을 가진다 .

본 연구에서는 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOS- FET ^{형 광검출기가 여전히} p-n ^{접합 포토 다이오드에}

비해 높은 광감도를 가지면서도 기존의 것에 비해 넓 은 동작 범위를 갖게 하기 위한 최적화 작업을 수행하 였고 , 0.35 ^µ m 2-poly 4-metal CMOS ^{표준 공정을 통}

하여 소자를 제작하고 , 그 특성을 측정하였다 .

2. 이론 및 설계

2.1. 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET형 광 검출기 Fig. 1 은 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET 형 광검출기의 단면도와 회로 기호이다 . ^{그림에서 알 수}

있듯이 , 본 광검출기는 두 개의 게이트로 구성되어 진

다 . ^하나는 n ^{형 우물과 연결된 플로팅 게이트} (floating

gate) 이고 다른 하나는 내장된 전송 게이트 (built-in

transfer gate) 이다 . 본 광검출기의 동작 원리는 다음과 같다 . ^{수광부인 플로팅 게이트 영역에 빛이 입사되면}

플로팅 게이트 아래 영역에 EHP 가 생성된다 . 생성된

EHP 는 내부 전계에 의해 정공은 채널을 향해 이동되

고 , ^전자는 n ^{형 우물에 축적되게 된다} . ^{축적된 전자는}

소스에서 드레인으로 흐르는 정공의 전위 장벽을 낮추 어 신호를 증폭시키는 효과를 가져온다 . 또한 플로팅

게이트에 연결된 n ^{형 우물을 통해 피드백} (feedback) ^되

는 전자는 게이트에 음의 전압을 인가하는 역할을 하 여 광전류는 더욱 증폭되게 된다 . ^{내장된 전송 게이트}

에 양의 전압이 인가되면 에너지 준위가 높아져 광전 류의 흐름이 작아지게 되고 , 음의 전압이 인가되면 에 너지 준위가 낮아져 광전류의 흐름이 증가되게 된다 .

즉 , 내장된 전송 게이트는 인가되는 바이어스 전압에

따라 광전류의 흐름을 조절하게 된다 ^[7,8] .

기존에 제안된 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOS-

FET 형 광검출기는 일반적으로 사용되어지는 포토 다이 오드에 비해 매우 높은 감도를 가진다 . 그와 동시에 포토 다이오드에 비해 낮은 동작 범위를 가지는 단점을 가지 게 된다 . 따라서 본 연구에서는 제안된 광검출기가 p-n

접합 포토 다이오드보다 높은 감도를 지니는 장점을 계 속 유지시키면서 기존의 것보다 향상된 동작 범위를 가 지도록 하기 위하여 광검출기 내에 있는 내장된 전송 게 이트의 사이즈에 따른 소자의 동작 특성을 살펴보았다 .

내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET 형 광검출

기의 내장된 전송 게이트의 사이즈에 따른 동작 특성

을 알아보기 위하여 내장된 전송 게이트의 폭 (width) ^과

길이 (length) 를 각각 달리하여 광검출기를 설계하고 측

Fig. 1. The PMOSFET-type photodetector with a built-in transfer gate.

Fig. 2. Previously designed layout of the PMOSFET-type

photodetector with a built-in transfer gate(length of

the built-in transfer gate=0.6 µm, width of the

built-in transfer gate=1.0 µm).

정하였다 . Fig. 2 ^{는 기존에 설계되었던 것과 동일한 크}

기의 게이트를 갖는 광검출기의 레이아웃을 나타낸다 .

기존에 설계되었던 광검출기의 내장된 전송 게이트는 폭은 1.0 µm, ^길이는 0.6 µm ^이고 , ^{소자의 크기는} 6.5 ^× 4.3 µm ² 이다 . Fig. 3 과 Fig. 4 는 각각 내장된 전송 게이 트의 폭과 길이를 다르게 하여 설계한 소자의 레이아 웃을 나타낸다 .

Fig. 3 에 나타낸 광검출기의 내장된 전송 게이트는

폭과 길이가 각각 1.0 µm, 1.2 µm 이고 , Fig. 4 에 나타 낸 광검출기의 내장된 전송 게이트는 폭과 길이가 각 각 2.0 µm, 0.6 µm 이다 . 소자의 크기는 Fig. 3 과 Fig. 4

에서 각각 6.5 × 4.3 µm ² , 6.5 × 4.7 µm ² 이다

2.2. 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET형 광 검출기를 이용한 화소

Fig. 5 와 6 은 각각 본 연구에서 설계한 일반적인 p-n

접합 포토 다이오드를 이용한 4- ^{트랜지스터 능동 화소}

센서와 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET 형 광

검출기를 이용한 화소의 회로도를 나타낸다 . 내장된 전

송 게이트를 가지는 PMOSFET ^{형 광검출기를 이용한}

화소는 하나의 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOS-

FET 형 광검출기와 4 개의 트랜지스터로 구성되어진다 .

이 4 ^{개의 트랜지스터 중 하나} (M BIAS ) ^는 2 ^{차원 픽셀 어}

레이 (array) 를 형성할 경우 각 열 (column) 마다 공통으 로 적용되는 바이어스의 역할을 한다 . 화소의 동작은 다음과 같은 순서로 이루어진다 . ^먼저 , ^{외부에서 리셋}

Fig. 3. Designed layout by changing the built-in transfer gate length of photodetector(length of the built-in transfer gate=1.2 µm, width of the built-in transfer gate=1.0 µm).

Fig. 4. Designed layout by changing the built-in transfer gate width of photodetector(length of the built-in transfer gate=0.6 µm, width of the built-in transfer gate=2.0 µm).

Fig. 5. Schematic diagram of the conventioanl 4-Tr. APS.

Fig. 6. Schematic diagram of the APS using the PMOSFET-

type photodetector with built-in transfer gate.

신호 (V RST ) 가 인가되면 전하 집적 노드 (charge integra-

tion node) ^{가 초기화된다} . ^{다음으로 내장된 전송 게이}

트가 동작하는 구간에서 전하 집적 노드의 기생 커패 시터에 입사광에 의해 생성된 전하가 축적되게 된다 .

마지막으로 선택 신호 (V SEL ) ^{가 인가가될 때 소스 폴로}

워가 축적된 전하를 증폭하게 된다 . 이러한 과정을 통

해 입사광에 비례하는 화소의 출력을 얻을 수 있다 ^[8,9] .

Fig. 7 ^{에 설계한} 4- ^{트랜지스터 능동 화소 센서 레이}

아웃을 나타내었고 , Fig. 8 과 9 에 내장된 전송 게이트

를 가지는 PMOSFET 형 광검출기를 이용한 화소의 레

이아웃을 나타내었다 . Fig. 8 은 최적화 작업을 거치지 않은 기존의 광검출기와 같은 것을 이용하여 설계한

화소이고 , Fig. 9 ^{는 동작 범위 개선을 위한 최적화 작}

업을 통하여 기존의 것보다 2 배 큰 길이의 내장된 전 송 게이트를 가지는 광검출기를 선택하여 설계한 화소 이다 . ^{화소 면적은 각각} 8.7 ^× 8.85 µm ² , 8.7 ^× 9.47 µm ²

이다 .

3. 결과 및 고찰

3.1. 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET형 광 검출기의 측정 결과

Fig. 10 은 측정을 위해 설계 후 제작된 칩 및 이를

인쇄 회로 기판 (printed circuit board, PCB) 위에 와이 어 본딩 (wire bonding) 한 사진을 나타낸다 .

내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET 형 광검출

기에서 내장된 전송 게이트의 크기에 따른 특성을 살 펴보기 위하여 광원 (light source) 은 633 nm 파장을 갖 Fig. 7. Layout of the conventioanl 4-Tr. APS.

Fig. 8. Layout of the APS using the previously PMOSFET- type photodetector with built-in transfer gate(length of a built-in transfer gate=0.6 µm, width of a built- in transfer gate=1.0 µm).

Fig. 9. Layout of the APS using the optimized PMOSFET-

type photodetector with built-in transfer gate

(length of a built-in transfer gate=1.2 µm, width of

a built-in transfer gate=1.0 µm).

는 He-Ne 레이저를 사용하였고 , CCD 카메라와

CCTV ^{를 이용하여 입사광이 광검출기의 수광부에 정}

확히 조사되는지 확인하며 측정하였다 .

Fig. 11 은 내장된 전송 게이트의 폭을 1.0 µm 로 고

정시킨 상태에서 길이 변화에 따른 광검출기의 I DS 변

화를 나타낸 것이고 , Fig. 12 는 내장된 전송 게이트의

길이를 0.6 µm 로 고정시킨 상태에서 폭 변화에 따른

광검출기의 I DS 변화를 나타낸 것이다 . ^{실험 시 사용한}

빛의 세기는 25 µW 이다 . Fig. 11 에서 알 수 있듯이 내 장된 전송 게이트의 길이가 길어질수록 광 전류는 감 소함을 볼 수 있다 . ^{이는 플로팅 게이트를 통해 입사된}

빛에 의해 생성된 광전류가 내장된 전송 게이트 아래의

채널을 통하여 흐를 때 일반적인 MOSFET 의 드레인

전류 특성과 마찬가지로 내장된 전송 게이트의 길이가

길수록 감소하게 되는 것이다 . 그리고 Fig. 12 에서 알

수있듯이 내장된 전송 게이트의 폭이 길어질수록 광 전 류가 증가함을 볼 수 있다 . ^{이것은 입사광에 의해 생성}

된 광전류가 넓어진 게이트 폭을 갖는 내장된 전송 게 이트 아래의 채널을 통하여 흐를 때 게이트 폭이 클수 록 전류가 증가하기 때문이다 . ^{이 결과를 통해 광검출}

기의 내장된 전송 게이트 폭과 길이의 크기 변화에 따 른 광전류 특성이 일반적인 트랜지스터의 채널 폭과 길 이의 비에 따른 드레인 전류 특성과 동일한 특성을 가 짐을 알 수 있다 . 따라서 기존의 것보다 개선된 동작 범 위를 갖는 광검출기를 위해서는 내장된 전송 게이트의 길이를 증가시켜 광검출기를 통해 생성되는 광 전류를 감소시키는 방법을 이용할 수 있다 . Fig. 11 과 Fig. 12

의 측정 결과에서 게이트의 크기 변화에 따른 I DS 가 대 체적으로는 선형성을 띄고 있으나 완전한 직선성을 보 이지 않는 이유는 소자 자체가 가지는 광생성 전류의 랜덤한 잡음 특성과 측정시에 사용하는 광원의 광감도 의 오차 및 소자 제조시 발생하는 게이트 길이 및 폭의 변화에 의한 결과로 볼 수 있다 .

3.2. 내장된 전송 게이트를 가지는 PMOSFET형 광 검출기를 이용한 화소의 측정 결과

본 절에서는 앞서 살펴본 내장된 전송 게이트를 가

지는 PMOSFET 형 광검출기에서의 내장된 전송 게이

트의 크기에 따른 특성을 토대로 기존의 것 보다 넓은 동작 범위를 가질 수 있도록 내장된 전송 게이트의 폭 Fig. 10. Photograph of the fabricated chip on PCB package.

Fig. 11. Variation of I

of photodetector as a function of the change of a built-in transfer gate length (incident-light power = 25 µW).

Fig. 12. Variation of I

of photodetector as a function of

the change of a built-in transfer gate width

(incident-light power = 25 µW).

이 1.0 µm ^이고 , ^길이가 1.2 µm ^{인 광검출기를 이용하여}

화소를 설계한 후 측정하였다 . 설계된 화소의 특성 비 교를 위하여 일반적으로 사용되어지는 p-n ^{접합 포토}

다이오드를 이용한 3- 트랜지스터 능동 화소 센서와 기 존에 설계된 것과 같은 크기의 내장된전송 게이트를

가지는 PMOSFET ^{형 광검출기를 이용한 화소를 함께}

설계 후 측정하였다 .

Fig. 13 의 (a) 와 (b) 는 각각 기존에 설계된 크기의 광 검출기를 이용한 능동 화소 센서와 최적화된 광검출기 를 이용한 능동 화소 센서의 입사광 세기에 따른 출력

결과를 나타낸다 . Fig. 13 에서 확인할 수 있듯이 최적

화된 광검출기를 이용한 능동 화소 센서가 기존의 것 보다 더 큰 세기의 빛에서도 출력을 나타내는 것을 알 수 있다 .

Fig. 14 ^{는 설계된 각 능동 화소 센서의 입사광 세기}

에 따른 출력 전압을 나타낸다 . Fig. 14 에서 확인할 수

있듯이 기존에 설계된 능동 화소 센서의 경우 입사광

세기가 60 lux 에서 출력 전압이 포화되지만 , 최적화된

광검출기를 이용한 능동 화소 센서의 경우 100 lux 에 서 출력 전압이 포화되어 능동 화소 센서의 동작 범위 가 확장된 것을 알 수 있다 . ^{이것은 내장된 전송 게이}

트의 길이가 길어짐에 따라 광검출기에서 생성된 광전 류의 크기가 감소하고 이에 따라 포화 전압에 이르기 위해 필요한 입사광의 강도가 증가하여 동작범위가 향

상될 수 있음을 의미한다 . 또한 일반적인 p-n 접합 포

토 다이오드를 이용한 능동 화소 센서와 비교할 때 최 적화된 광검출기를 이용한 능동 화소 센서의 경우 여 전히 높은 감도를 가지는 것을 확인하였다 .

4. 결 론

본 연구에서는 내장된 전송 게이트를 가지는

PMOSFET 형 광검출기의 내장된 전송 게이트 크기에

따른 광전류 특성을 파악하고 그 결과를 토대로

CMOS ^{이미지 센서에서 일반적으로 사용되는} p-n ^접

합 포토 다이오드에 비해 높은 광감도를 가지면서 기 존에 제안된 광검출기에 비해 넒은 동작 범위를 가지 는 능동 화소 센서를 설계 및 측정하는 작업을 수행하 였다 . 광검출기 및 능동 화소 센서는 0.35 µ m 2-poly

4-metal CMOS 표준 공정을 통하여 제작하고 , 그 특성

을 측정하였다 .

먼저 , 본 광검출기의 내장된 전송 게이트의 폭과 길 이를 변화시켜 설계 및 측정한 결과 , ^{내장된 전송 게이}

트의 폭이 넓어질수록 광 전류가 증가하고 , 길이가 길 어질수록 광 전류가 감소함을 확인하였다 . 이는 일반적 인 트랜지스터의 채널 폭과 길이의 비에 따른 전류 특 성과 같게 나타남을 알 수 있었다 .

Fig. 13. Waveform at pixel output nodes of APS as incident light power varies.

Fig. 14. Variation of the output voltage of the APS with

the incident light intensity.

포토 다이오드를 이용한 능동 화소 센서보다 높은 감 도를 가지는 특성을 나타내었다 .

감사의 글

이 논문은 BK21, IDEC(integrated circuit design education center), ^그리고 2010 ^{년도 정부} ( ^{교육과학기술}

부 ) 의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다 (No. 2010-0001878).

참고 문헌

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이 수 연

• 2008 년 영남대학교 전자공학과 졸업

( 공학사 )

• 2010 년 경북대학교 센서 및 디스플레이 공학과 졸업 ( 공학석사 )

• 현재 경북대학교 대학원 전자전기컴퓨터 학부 박사 과정

• 주관심분야 : CMOS image sensor and its applications

서 상 호

• 센서학회지 제 12 권 , 제 4 호 , p. 149 참조

• 2009 년 경북대학교 전자공학과 졸업

( 공학박사 )

• 2009 년 2 월 ~ 2010 년 2 월 경북대학교 강 의 초빙 교수

• 현재 삼성 모바일 디스플레이 재직 중

최 평

• 센서학회지 제 3 권 , 제 1 호 , p. 46 참조

• 현재 경북대학교 IT 대학 전자공학부 교수

최 경 화

• 2008 년 경북대학교 전자전기컴퓨터학부 졸업 ( 공학사 )

• 현재 경북대학교 대학원 센서 및 디스플 레이공학과 석사과정

• 주관심분야 : CMOS vision chip and its applications.

신 장 규

• 센서학회지 제 3 권 , 제 1 호 , p. 26 참조 .

• 현재 경북대학교 IT 대학 전자공학부 교수