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이 논문은 넓은 동적 범위 CMOS 이미지 센서의 개발에 중점을 두고 연구를 하였다. 선형-비선형 응답을 갖는 3-Tr 엑티브 픽셀 센서 기반의 넓은 동작 범위를 갖는 새로운 픽셀 구조를 제안한다. 제안한 픽셀은 캐스코드 MOSFET와 포토게이트를 추가하여 구성된다. 제안한 선형-비선형 CMOS 이미지 센서은 약한 조명 환경에서 높은 감도의 선형 응답 (첫 번째 선형 응답)를 갖는다. 적당한 조명 환경에서 제안한 이미지 센서는 채널이 형성된 포토게이트와 ...

이 논문은 넓은 동적 범위 CMOS 이미지 센서의 개발에 중점을 두고 연구를 하였다. 선형-비선형 응답을 갖는 3-Tr 엑티브 픽셀 센서 기반의 넓은 동작 범위를 갖는 새로운 픽셀 구조를 제안한다. 제안한 픽셀은 캐스코드 MOSFET와 포토게이트를 추가하여 구성된다. 제안한 선형-비선형 CMOS 이미지 센서은 약한 조명 환경에서 높은 감도의 선형 응답 (첫 번째 선형 응답)를 갖는다. 적당한 조명 환경에서 제안한 이미지 센서는 채널이 형성된 포토게이트와 포토다이오드 커패시턴스의 커플링으로 인해 감도가 낮아진다 (두 번째 선형 응답). 포토게이트에 인가되는 전압 (Vlin)은 포토게이트의 채널 형성을 주도하기 때문에 인가되는 전압 값에 따라서 두 번째 선형응답의 시작을 조절할 수 있다. 강한 조명 환경에서, 캐스코드 MOSFET에 인가되는 전압 (Vlog)은 픽셀의 비선형 동작 (비선형 응답)을 담당한다. 캐스코드 MOSFET에 의해 생긴 경로를 통해서 강한 빛에 의해 발생하는 광전류가 제한이 되어 포토다이오드의 포화를 제어함으로써 비선형 응답이 나타나게 된다. 따라서 제안한 선형-비선형 이미지 센서는 2 개의 선형 응답과 1 개의 비선형 응답을 가진다. 제안한 CMOS 이미지 센서는 시뮬레이션과 측정을 통해서 추가된 소자 (포토게이트, 캐스코드 MOSFET)의 동작을 확인하고 평가되었다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과는 예상했던 대로 유사함을 보인다. 제안한 선형-비선형 이미지 센서의 동작 범위는 106 dB 이상으로 일반 모드에서의 79 dB 보다 상당히 향상되었다. 또한 포토게이트와 캐스코드 MOSFET에 인가되는 전압의 값이 변경됨에 따라 동작 범위를 유연하게 조정할 수 있고, 기본 동작, 선형-선형 동작, 선형-선형-비선형 동작으로도 변경이 가능하다.
추가로, 제안한 선형-비선형 이미지 센서는 추가된 소자들에 의해서 응답 편차가 발생할 가능성을 확인하였다. 화소 응답 편차는 이미지 센서에서 잡음의 요인이 되는데, 그 중에서도 고정 패턴 잡음에 큰 영향을 준다. 추가된 소자들에 의해서 발생하는 응답 편차의 영향을 줄이기 위해서 간단하게 회로적, 구조적 접근을 통해서 화소 응답 편차를 줄이려는 연구도 함께 진행하였다. 고정 패턴 잡음을 개선하기 위해 제안된 픽셀에 PMOSFET 하드 리셋 방법과 큰 사이즈의 캐스코드 MOSFET를 적용하였다. 비선형 응답에서의 화소 응답 편차는 기존 대비 길이와 너비 모두 두 배의 크기로 설계된 캐스코드 MOSFET에 의해서 줄일 수 있었다. 크기가 큰 소자가 작은 소자에 비해 상대적으로 발생되는 편차의 영향에 둔감한 것을 이용하여 소자의 구조적인 접근을 하였다. 이것이 적용된 선형-비선형 CMOS 이미지 센서의 시뮬레이션과 측정 결과는 예상했던 비선형 응답에서의 응답 편차가 감소됨이 유사하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 선형 응답에서의 화소 응답 편차는 기존에 NMOSFET를 이용한 리셋을 PMOSFET으로 교체함으로써 줄이고자 하였다. NMOSFET를 이용한 기존의 리셋 방법은 리셋 동작 직후에 오프셋 레벨이 발생하는 경향이 있었다. 이 오프셋 레벨은 하드 리셋 방법을 이용하면 고정된 특정 전압으로 리셋함으로써 줄일 수 있다. NMOSFET를 이용한 하드 리셋 방법을 구현하기 위해서는 추가의 외부 전원이 필요하지만 외부 전윈이 필요로 하지 않는 PMOSFET를 이용하여 하드 리셋 방법을 적용하고자 하였다. PMOSFET 하드 리셋이 적용된 선형-비선형 이미지 센서는 다른 타입의 MOSFET로 인해서 포토다이오드의 개구율(fill factor)이 약간 손해를 보게 되었지만, 시뮬레이션과 실험 결과에 의해서 선형 응답에서의 화소 응답 편차가 줄어든 것을 확인 할 수 있었다. 앞서 소개된 방식인 큰 캐스코드 MOSFET와 PMOSFET 하드 리셋 방법은 제안한 선형-비선형 CMOS 이미지 센서의 픽셀 자체적으로 선형 응답과 비선형 응답에서 고정 패턴 잡음을 효과적이게 감소됨을 확인하였다.
더불어, CMOS 이미지 센서의 잡음 감소를 위해 이용하는 이중 추출 (double sampling) 혹은 상관 이중 추출 (correlated double sampling) 방식이 함께 적용된다면 더 나은 특성을 얻을 수 있을 것으로 전망한다. 이 밖에도 이미지 센서 공정을 이용하여 칩을 제작하거나 아날로그 디지털 변환기 (ADC)의 집적화 또한 이미지 센서의 특성 개선에 도움이 될 것이다.

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