민감도 조절이 가능한 포토게이트 픽셀 구조를 이용한 고성능 포토게이트 구동 선형 이미지 센서 픽셀의 설계

Abstract

본 논문에서는 기존에 제안되었던 Sensitivity Controllable Photogate Structure을 이용하여 high-sensitivity, wide dynamic range의 특성을 가지는 선형 CMOS Image Sensor Pixel을 제안하고 구현하였다. 이를 위하여, 기존에 제안되었던 Self-Adaptive APS가 photogate에 정전압을 인가하여, 빛에 따른 수동적인 sensitivity의 변화를 이용하여 고성능의 APS를 구현한 것에 반해, 본 연구에서는 photogate에 원하는 형태의 pulse를 인가하여 기존의 구조에서 부가적인 장점들을 가지는 Photogate Driving의 개념을 제안하였다. 따라서 기존의 Self-Adaptive APS의 voltage swing을 넓힐 수 있는 Reset Boosting Method와, 높은 sensitivity를 가지는 신호와 넓은 dynamic range를 가지는 두 개의 신호를 동시에 획득할 수 있는 Dual Sensitivity Acquisition Method가 제안되었다. 제안된 pixel과 driving method의 이론적 분석을 수행하였고, 이를 Hynix-0.18μm 공정을 통하여 prototype chip을 제작, 실험적 검증을 수행하였다. 우선 Reset Boosting Method가 기존의 Self Adaptive APS에 적용되어, 구조의 변화 없이 photogate의 인가 파형의 변화만으로 기존 Self-Adaptive APS의 장점을 그대로 가지면서, 1.8V동작에서 기존보다 약 300mV 넓은 1.08V의 voltage swing 을 가지는 image sensor을 구현할 수 있었다. 또한 Dual Sensitivity Acquisition Method를 이용하여 일반적인 구조보다 약 3배 향상된 sensitivity를 가지면서 conventional photodiode APS보다 약 17dB 확장된 82dB의 dynamic range를 가지는 선형적인 APS를 구현할 수 있었다. 제안된 구조는 동일한 구조에서 기존의 self-adaptive APS가 비선형적인 특성을 가져, 이미지 복원이 힘들고, Vth의 변화에 따른 transition level의 변화에 의한 FPN을 가진다는 단점을 극복할 수 있다. 또한 값싼 CMOS logic process로 제작이 가능한 제안된 pixel은 저 전압에서 높은 sensitivity, wide voltage swing, wide dynamic range의 특징을 지녀 차세대 image sensor로 널리 사용될 수 있을 것으로 보인다.