(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に延長される第１接合ゲートと該第１接合ゲートから前記第１方向と実質的に直交する第２方向に延長される複数の第１フィンガーゲートとを含む第１フォトゲートと、
前記第１接合ゲートに隣接して配置される第１伝送ゲートと、
前記第１伝送ゲートに隣接して前記第１接合ゲートとは反対側に配置される第１フローティング拡散領域と、
前記第１フォトゲートから離隔され、前記第１フォトゲートと点対称的に配置されて、前記第１方向に延長される第２接合ゲートと該第２接合ゲートから前記第２方向に延長される複数の第２フィンガーゲートとを含む第２フォトゲートと、
前記第２接合ゲートに隣接して配置される第２伝送ゲートと、
前記第２伝送ゲートに隣接して前記第２接合ゲートとは反対側に配置される第２フローティング拡散領域と、を有し、
前記第１接合ゲートは、
前記複数の第１フィンガーゲート下で収集された電荷を前記第１フローティング拡散領域に伝送する経路を提供し、
前記第１フォトゲートは、
集光時間の間、第１ロジックレベルと第２ロジックレベルとの間を周期的に遷移する第１制御信号が印加されて、
前記第１制御信号が前記第１ロジックレベルを有する時、入射光によって発生した電荷を前記第１フォトゲート下方に収集し、
前記第１伝送ゲートは、
第２制御信号により制御されて前記第１伝送ゲート下方の基板領域を通じて前記収集された電荷を前記第１フローティング拡散領域に伝送することを特徴とする光感知装置の単位ピクセル。
【請求項２】
前記第１フォトゲートの下方領域と前記第２フォトゲートの下方領域との間に形成されて前記２つの下方領域と同一導電型でより高濃度に不純物がドーピングされたチャネルストップ領域をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項３】
前記チャネルストップ領域は、前記第１フォトゲートの下方領域と前記第２フォトゲートの下方領域との間で電位障壁を形成することを特徴とする請求項２に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項４】
前記チャネルストップ領域は、前記第１フォトゲートによって収集された電荷が前記第２フォトゲートの下方領域に伝送されるか、または、前記第２フォトゲートによって収集された電荷が前記第１フォトゲートの下方領域に伝送されることを遮断するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項５】
前記第１接合ゲートと前記第１伝送ゲートとの間に形成されるブリッジ拡散領域をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項６】
前記ブリッジ拡散領域は、前記第１フォトゲートによって収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有することを特徴とする請求項５に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項７】
前記第１フォトゲートは、透明導電酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｏｘｉｄｅ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項８】
前記透明導電酸化物は、インジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）、インジウム亜鉛酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）、亜鉛酸化物（ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）、及びチタン酸化物（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｄｉｏｘｉｄｅ）からなる一群の内から選択されることを特徴とする請求項７に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項９】
前記第１フォトゲートは、半導体基板の上部に形成され、
前記半導体基板は、前記第１フォトゲートが形成される表面に向かう方向にドーピング濃度が徐々に減少するエピタキシャル層を含むことを特徴とする請求項１に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項１０】
前記エピタキシャル層は、埋め込みチャネルを含むことを特徴とする請求項９に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項１１】
前記第１制御信号が前記第２ロジックレベルを有する時、前記第１フォトゲート下方に収集された電荷が前記第１フローティング拡散領域に伝送されることを特徴とする請求項１に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項１２】
前記第１伝送ゲートは、前記集光時間の間、ロジックハイレベルとロジックローレベルとの間の所定のレベルを有する前記第２制御信号が印加され、
前記第１伝送ゲートは、前記第２制御信号に応答してハーフターンオン（ｈａｌｆ  ｔｕｒｎｅｄ−ｏｎ）状態を有することを特徴とする請求項１に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【請求項１３】
前記第１伝送ゲートは、前記第１制御信号が前記第１ロジックレベルを有する時、前記第１フォトゲート下方に収集された電荷が前記第１フローティング拡散領域に伝送されるのを遮断し、
前記第１制御信号が前記第２ロジックレベルを有する時、前記第１フォトゲート下方に収集された電荷を前記第１フローティング拡散領域に伝送することを特徴とする請求項１２に記載の光感知装置の単位ピクセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光感知装置の単位ピクセルに係り、より詳しくは、画像や距離情報を感知する光感知装置の単位ピクセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
光感知装置は、光学情報を通じて提供される画像や距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ、Ｄｅｐｔｈ）情報を電気的信号に変換する装置である。
その応用分野によって、より精密でありながらも正確に、所望する情報を提供するための研究がなされ。近年、既存の画像情報に距離（深さ）情報まで提供する３次元立体画像センサ（３Ｄ  Ｄｅｐｔｈ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ）に対する研究及び開発が活発になされている。
【０００３】
このような３次元立体画像センサーは、主に既存のＣＭＯＳ工程技術を利用して製造されるＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ  ｉｍａｇｅ  ｓｅｎｓｏｒ、以下、ＣＩＳと記す）を基本とする。
ＣＩＳの各ピクセルは、入射光の強さに相応する電荷が発生する光感知領域（ｐｈｏｔｏ−ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  ｒｅｇｉｏｎ）及び発生した電荷が蓄積されるフローティング拡散領域（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）を含む。
【０００４】
従来のＣＩＳでは、光感知領域で発生した電荷のうち、フローティング拡散領域に転送されずに、光感知領域に残留する電荷によってイメージラグ（ｌａｇ）現象が発生するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１０３５９１号公報
【特許文献２】韓国特許出願公開第２００６−０５８５８４号明細書
【特許文献３】米国特許６，６２４，８５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明は上記従来の光感知装置における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、フローティング拡散領域においての電荷伝送効率を向上させることのできる光感知装置の単位ピクセルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するためになされた本発明による光感知装置の単位ピクセルは、第１方向に延長される第１接合ゲートと該第１接合ゲートから前記第１方向と実質的に直交する第２方向に延長される複数の第１フィンガーゲートとを含む第１フォトゲートと、前記第１接合ゲートに隣接して形成される第１伝送ゲートと、前記第１伝送ゲートに隣接して形成される第１フローティング拡散領域とを有することを特徴とする。
【０００８】
前記第１接合ゲートは、前記複数の第１フィンガーゲート下で収集された電荷を前記第１フローティング拡散領域に伝送される経路を提供することが好ましい。
前記第１伝送ゲートに隣接して形成される少なくとも一つのフローティング拡散領域をさらに有することが好ましい。
前記第１フォトゲートから離隔され、前記第１フォトゲートと点対称的に配置されて、前記第１方向に延長される第２接合ゲートと該第２接合ゲートから前記第２方向に延長される複数の第２フィンガーゲートとを含む第２フォトゲートと、前記第２接合ゲートに隣接して形成される第２伝送ゲートと、前記第２伝送ゲートに隣接して形成される第２フローティング拡散領域とをさらに有することが好ましい。
前記第１フォトゲートと前記第２フォトゲートとの間に形成されるチャネルストップ領域をさらに有することが好ましい。
前記チャネルストップ領域は、前記第１フォトゲート下方領域と前記第２フォトゲート下方領域との間で電位障壁を形成することが好ましい。
前記チャネルストップ領域は、前記第１フォトゲートによって収集された電荷が前記第２フォトゲートの下方領域に伝送されるか、または、前記第２フォトゲートによって収集された電荷が前記第１フォトゲートの下方領域に伝送されることを遮断するように構成されることが好ましい。
【０００９】
前記第１接合ゲートと前記第１伝送ゲートとの間に形成されるブリッジ拡散領域をさらに有することが好ましい。
前記ブリッジ拡散領域は、前記第１フォトゲートによって収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有することが好ましい。
前記第１フォトゲートは、透明導電酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｏｘｉｄｅ）を含むことが好ましい。
前記透明導電酸化物は、インジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）、インジウム亜鉛酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）、亜鉛酸化物（ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ）、及びチタン酸化物（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｄｉｏｘｉｄｅ）からなる一群の内から選択されることが好ましい。
前記第１フォトゲートは、半導体基板の上部に形成され、前記半導体基板は、前記第１フォトゲートが形成される表面に向かう方向にドーピング濃度が徐々に減少するエピタキシャル層を含むことが好ましい。
前記エピタキシャル層は、埋め込みチャネルを含むことが好ましい。
【００１０】
前記第１フォトゲートは、集光時間の間、第１ロジックレベルと第２ロジックレベルとの間を周期的に遷移する第１制御信号が印加されることが好ましい。
前記第１制御信号が前記第１ロジックレベルを有する時、入射光によって発生した電荷は前記第１フォトゲート下方に収集され、前記第１制御信号が前記第２ロジックレベルを有する時、前記第１フォトゲート下方に収集された電荷が前記第１フローティング拡散領域に伝送されることが好ましい。
前記第１伝送ゲートは、前記集光時間の間、ロジックハイレベルとロジックローレベルとの間の所定のレベルを有する第２制御信号が印加され、前記第１伝送ゲートは、前記第２制御信号に応答してハーフターンオン（ｈａｌｆ  ｔｕｒｎｅｄ−ｏｎ）状態を有することが好ましい。
前記第１伝送ゲートは、前記第１制御信号が前記第１ロジックレベルを有する時、前記第１フォトゲート下方に収集された電荷が前記第１フローティング拡散領域に伝送されるのを遮断し、前記第１制御信号が第２ロジックレベルを有する時、前記第１フォトゲート下方に収集された電荷を前記第１フローティング拡散領域に伝送することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る光感知装置の単位ピクセルによれば、フローティング拡散領域においての電荷伝送効率を向上させることができ、従って、イメージ品質を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
【図３】図１のＩＩ−ＩＩ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
【図４】図１のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの他の例を示す断面図である。
【図５】図１の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
【図６】図１に示した半導体基板の一例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルの駆動方法を示すフローチャートである。
【図８】図７の駆動方法に係る光感知装置の単位ピクセルの伝送光の強さ、受信光の強さ、及び制御信号を示すタイミング図である。
【図９】図７の駆動方法にともなう図１の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
【図１０】図７の駆動方法にともなう図１の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを形成する方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図１３】図１２のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図１６】図１５のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
【図１７】図１５の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
【図１８】図７の駆動方法による図１５の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図２１】図２０のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
【図２２】図２０のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの他の例を示す断面図である。
【図２３】図２０の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
【図２４】図７の駆動方法による図２０の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
【図２５】本発明の第７の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図２６】本発明の第８の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図２７】図２６のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
【図２８】図２６のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの他の例を示す断面図である。
【図２９】図２６の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
【図３０】図７の駆動方法による図２５の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
【図３１】本発明の第９の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【図３２】本発明の第６の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルの駆動方法を示すフローチャートである。
【図３３】図３２の駆動方法に係る光感知装置の単位ピクセルの送信光の強さ、受信光の強さ、及び制御信号を示すタイミング図である。
【図３４】図３２の駆動方法による図２０の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
【図３５】図３２の駆動方法による図２０の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
【図３６】本発明の第１０の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
【図３７】本発明の第１１の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
【図３８】本発明の第１２の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
【図３９】本発明の第１３の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
【図４０】本発明の実施形態に係る光感知装置を含むシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明に係る光感知装置及びその単位ピクセルを実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００２３】
本明細書に開示されている本発明の実施形態に対して、特定の構造的乃至機能的説明は単に本発明の実施形態を説明するための目的で例示されたものであって、本発明の実施形態は多様な形態で実施することができ、本明細書に説明された実施形態に限定されることと解釈されてはならない。
【００２４】
本発明は多様な変更を加えることができ、色々な形態を有することができるところ、特定実施形態を図面に例示し、本明細書に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定しようとすることではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むことと理解されなければならない。
【００２５】
第１、第２等の用語は、多様な構成要素を説明することに使用できるが、構成要素は用語によって限定されてはいけない。用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的で使われる。例えば、本発明の権利範囲から離脱しないまま第１構成要素は第２構成要素と命名することができ、類似に第２構成要素も第１構成要素と命名することができる。
【００２６】
何れの構成要素が他の構成要素に「連結されて」あるか、または「接続されて」あると言及された場合には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または、接続されていることもできるが、中間に他の構成要素が存在する場合もあると理解しなければならない。反面、いずれの構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」あるまたは「直接接続されて」あると言及された場合には、中間に他の構成要素が存在しないと理解しなければならない。構成要素間の関係を説明する他の表現、すなわち「〜間に」と「すぐに〜間に」または「〜に隣り合う」と「〜に直接隣り合う」等も同様に解釈しなければならない。
【００２７】
本明細書で使った用語は、単に特定の実施形態を説明するために使われたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上、明白に異なると意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書で、「含む」または「有する」等の用語は実施された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品または、これらを組み合わせたものが存在するということを指定しようとすることであって、一つまたは、それ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品または、これらを組み合わせたもの存在、または、付加可能性をあらかじめ排除しないことと理解しなければならない。
【００２８】
異なると定義されない限り、技術的または科学的な用語を含んでここで使われるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されることと同じ意味である。一般的に使われる辞書に定義されているような用語は関連技術の文脈上有する意味と一致する意味であると解釈すべきであり、本明細書で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味と解釈しない。
【００２９】
図面上、同じ構成要素に対しては同じ参照符号を使って同じ構成要素に対して重複する説明は省略する。
【００３０】
図１は本発明の第１の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
【００３１】
図１を参照すると、単位ピクセル１００は、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０及び第２出力部１８０を含む。
【００３２】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方（ｏｖｅｒ）に互いに重ならないように形成される。第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０で発生した電荷を収集する電荷収集領域１２０を、半導体基板１１０内に生じさせることができる。電荷収集領域１２０は、半導体基板１１０で入射光子（ｉｎｃｉｄｅｎｔ  ｐｈｏｔｏｎ）により発生した電子正孔対のうち、電子を収集することができる。
【００３３】
本実施形態では、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０はポリシリコンを含むか、または、透明導電酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｏｘｉｄｅ、ＴＣＯ）を含むことができる。例えば、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、インジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ、ＩＺＯ）、亜鉛酸化物（ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ、ＺｎＯ）、チタン酸化物（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｄｉｏｘｉｄｅ、ＴｉＯ２）、または、これらの組合せを含むことができる。
【００３４】
第１フォトゲート１３０は、第１方向に延長された第１接合ゲート１３３及び第１接合ゲート１３３から第１方向と実質的に直交する第２方向に互いに平行するように延長された複数の第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）を含む。第１接合ゲート１３３及び第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）は、同一層で一体に形成するか、または、互いに異なる層に形成されてコンタクト１３７を通じて電気的に接続させることができる。
【００３５】
第１接合ゲート１３３及び第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）は、下方の電荷収集領域１２０で半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。第１接合ゲート１３３は、それぞれの第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）の下方で収集された電荷を伝送する経路を提供する。すなわち、第１接合ゲート１３３は第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）の下方で収集された電荷を第１接合ゲート１３３の下方で集積する役割を遂行する。これに伴い、第１接合ゲート１３３は、第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）の下方で収集された電荷の伝送効率を向上させることができる。
【００３６】
第２フォトゲート１４０は、第２接合ゲート１４３及び複数の第２フィンガーゲート（１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ、１４１ｅ）を含む。
第２フォトゲート１４０は、第１フォトゲート１３０と重ならなく、第１フォトゲート１３０と点対称になるように配置される。また、第２フィンガーゲート（１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ、１４１ｅ）の各々は第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）の間に配置することができる。すなわち、第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）と第２フィンガーゲート（１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ、１４１ｅ）とが交互に配置することができる。これによって、第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０間の不均衡によるデータエラーを減少させることができる。
【００３７】
一例として、第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）と第２フィンガーゲート（１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ、１４１ｅ）の各々は、約０．２５〜約１μｍの幅、及び約３〜約３０μｍの長さを有する。
隣接する第１フィンガーゲートと第２フィンガーゲートは、約０．２５〜約３μｍの間隔を有する。
【００３８】
第１接合ゲート１３３と第２接合ゲート１４３の各々は約１μｍの幅、及び約３〜約３０μｍの長さを有する。このようなフィンガーゲート及び接合ゲートの幅、長さ及び間隔は単位ピクセルの大きさ、デザインルールなどにより変更することができる。
また、図１にはそれぞれのフォトゲートが５つのフィンガーゲートを含む例を示しているが、フィンガーゲートの数はピクセルの大きさ、デザインルールなどにより変更することができる。
【００３９】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０には、コンタクト１３７、１４７が各々形成される。第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０にはコンタクト１３７、１４７を通じて制御信号が各々印加される。第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、制御信号に応答して電荷収集領域１２０を生じさせる。
【００４０】
第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は、半導体基板１１０の上方（ｏｖｅｒ）に形成される。
第１伝送ゲート１５１は第１接合ゲート１３３と第１フローティング拡散領域１５３との間に配置され、第２伝送ゲート１６１は第２接合ゲート１４３と第２フローティング拡散領域１６３との間に配置される。
第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は、第１フォトゲート１３０により収集された電荷及び第２フォトゲート１４０により収集された電荷を第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に各々伝送する。
【００４１】
第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）が第１接合ゲート１３３に接続され、第１伝送ゲート１５１が第１接合ゲート１３３に隣接して形成されるため、第１接合ゲート１３３及び第１伝送ゲート１５１は、第１フィンガーゲート（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ、１３１ｅ）それぞれの下方で収集された電荷を第１フローティング拡散領域１５３に伝送する経路を提供することができる。
また、第２接合ゲート１４３及び第２伝送ゲート１６１は第２フィンガーゲート（１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、１４１ｄ、１４１ｅ）それぞれの下方で収集された電荷を第２フローティング拡散領域１６３に伝送する経路を提供することができる。
【００４２】
これによって、単位ピクセル１００は、各フォトゲートが複数のフィンガーゲートを含んでも、ハーフピクセル毎に一つのフローティング拡散領域を含むことができる。さらに、単位ピクセル１００が少ない数のフローティング拡散領域を含む場合、フィルファクタ（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）が向上し、暗電流（ｄａｒｋ  ｃｕｒｒｅｎｔ）及び寄生キャパシタンス（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）が減少することができる。
【００４３】
第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３は、第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１によって伝送された電荷を各々蓄積することができる。
第１出力部１７０及び第２出力部１８０は、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷に相応する電気的信号を各々出力することができる。
【００４４】
例えば、第１出力部１７０は、第１フローティング拡散領域１５３に蓄積された電荷を放電する第１リセットトランジスタ１７１、第１フローティング拡散領域１５３の電圧を増幅する第１ドライブトランジスタ１７３、及び第１ドライブトランジスタ１７３によって増幅された電圧を第１コラムラインに出力する第１選択トランジスタ１７５を含み、第２出力部１８０は、第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷を放電する第２リセットトランジスタ１８１、第２フローティング拡散領域１６３の電圧を増幅する第２ドライブトランジスタ１８３、及び第２ドライブトランジスタ１８３によって増幅された電圧を第２コラムラインに出力する第２選択トランジスタ１８５を含む。
【００４５】
上述のように、フィンガーゲートが接合ゲートから延長して、伝送ゲートが接合ゲートに隣接して形成されるため、単位ピクセル１００はハーフピクセル毎に一つのフローティング拡散領域を含むことができ、電荷伝送効率を向上させることができる。
【００４６】
図２は、図１のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図であり、図３は、図１のＩＩ−ＩＩ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
【００４７】
図２は、第１フィンガーゲート１３１ｃの長さ方向に切断した単位ピクセル１００を示す。図３は、第１接合ゲート１３３の長さ方向に切断した単位ピクセル１００を示す。
【００４８】
図２及び図３を参照すると、第１フォトゲート１３０は、半導体基板１１０の上方に形成される。第１フォトゲート１３０上には制御信号が印加されるコンタクト１３７が形成される。第１伝送ゲート１５１は半導体基板１１０の上方に第１フォトゲート１３０に隣接して形成される。第１伝送ゲート１５１上には制御信号が印加されるコンタクトが形成される。第１フローティング拡散領域１５３は半導体基板１１０内に第１伝送ゲート１５１に隣接して形成される。第１伝送ゲート１５１上には図１の第１ドライブトランジスタ１７３のゲートと接続されたコンタクトが形成される。第１リセットトランジスタ１７１はリセット信号が印加されるコンタクトが形成されたゲートＲＧ１、リセット電源電圧が接続されたドレイン、及びソース１５３を有する。
【００４９】
第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に形成される。第２フォトゲート１４０上には制御信号が印加されるコンタクト１４７が形成される。第２伝送ゲート１６１は半導体基板１１０の上方に第２フォトゲート１４０に隣接して形成される。第２伝送ゲート１６１上には制御信号が印加されるコンタクトが形成される。
【００５０】
図４は、図１のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの他の例を示す断面図である。
図４は、第１フィンガーゲート１３１ｃの長さ方向に切断した単位ピクセル１００の例を示す。
【００５１】
図４を参照すると、単位ピクセル１００は、半導体基板１１０内に形成された第１埋め込みチャネル（ｂｕｒｉｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ）１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂをさらに含む。
第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂは、各々、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０と重畳する（ｏｖｅｒｌａｉｄ）位置の半導体基板１１０の表面近傍に形成される。第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋埋め込みチャネル１１２ｂはｎタイプの不純物でドーピングされる。
第１埋め込みチャネル１１２ａは第１フォトゲート１３０の下方及び第１フォトゲート１３０と第１伝送ゲート１５１との間の基板領域に形成され、第２埋め込みチャネル１１２ｂは第２フォトゲート１４０の下方及び第２フォトゲート１４０と第２伝送ゲート１６１との間の基板領域に形成される。
【００５２】
単位ピクセル１００は、半導体基板１１０内に第１埋め込みチャネル１１２ａと第１フォトゲート１３０の間に形成された第１ｐ型ドーピング領域１１３ａ、及び第２埋め込みチャネル１１２ｂと第２フォトゲート１４０の間に形成された第２ｐ型ドーピング領域１１３ｂをさらに含む。
【００５３】
図５は、図１の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
図５を参照すると、単位ピクセル１００は、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、及び第２出力部１８０を含む。
【００５４】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０には、集光時間（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ）の間に第１ロジックレベルと第２ロジックレベルとの間を周期的に遷移する第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２が各々印加される。集光時間の間の第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２は、周期的な電圧として、例えば連続的なパルスを有するパルス  トレイン電圧、サイン電圧、コサイン電圧などであってもよい。
【００５５】
第１フォトゲート１３０下方の第１電荷収集領域１２１は、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時、半導体基板１１０で発生した電荷を収集して、第２フォトゲート１４０下方の第２電荷収集領域１２２は、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時、半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。
【００５６】
集光時間の間、第１制御信号ＰＧＣＳ１と第２制御信号ＰＧＣＳ２とは互いに異なる位相を有する。例えば、第２制御信号ＰＧＣＳ２は第１制御信号ＰＧＣＳ１に対し反転した位相を有することができる。すなわち、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有して、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第２ロジックレベルを有する時、第２制御信号ＰＧＣＳ２は第１ロジックレベルを有する。これによって、第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０は選択的にターンオンされ、第１電荷収集領域１２１及び第２電荷収集領域１２２は選択的に電荷を収集することができる。
【００５７】
単位ピクセル１００を含む光感知装置は選択的にターンオンされる第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０を利用して距離（ｄｅｐｔｈ）情報を感知することができる。光感知装置は所定の波長を有した光を出力する発光装置、例えば発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）、レーザーダイオードなどを含むことができる。
光感知装置は発光装置を周期的にターンオン及びターンオフさせることによって、周期的に光の強さが変動する光を送信して、送信光が被写体によって反射した光を受信する。受信光は送信光に対して光の飛行時間（ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ、以下、ＴＯＦ）ほど遅れる。光感知装置はＴＯＦを測定することによって被写体までの距離を測定することができる。
【００５８】
光感知装置は、第１電荷収集領域１２１が収集する電荷と第２電荷収集領域１２２が収集する電荷との比に基づいて受信光の送信光に対する遅延時間、すなわちＴＯＦ又は、遅延位相を測定することができる。
例えば、第１制御信号ＰＧＣＳ１と送信光の強さは同じ位相を有し、第２制御信号ＰＧＣＳ２は送信光の強さに対し１８０度異なる位相を有する。この場合、ＴＯＦが増加するほど、第１フォトゲート１３０がターンオンしている時に第１電荷収集領域１２１により収集される電荷の量が減少し、第２フォトゲート１４０がターンオンしている時に第２電荷収集領域１２２により収集される電荷の量が増加する。すなわち、ＴＯＦが大きいほど、前述の比が小さくなる。
従って、光感知装置は前述の比を計算することによってＴＯＦを測定することができる。これによって、光感知装置は、光感知装置から被写体までの距離をＤ、光の速度をｃとすると、数学式  Ｄ＝ＴＯＦ×ｃ／２  を利用して光感知装置から被写体までの距離を計算することができる。
【００５９】
第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１には集光時間の間、一定の電圧レベルを有する第３制御信号ＴＧＣＳが共通して印加される。第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は、第３制御信号ＴＧＣＳにより制御されて第１電荷収集領域１２１と第１フローティング拡散領域１５３との間、及び第２電荷収集領域１２２と第２フローティング拡散領域１６３との間に伝送チャネルを各々形成する。
【００６０】
第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３は、半導体基板１１０内に形成される。一例として、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３は、ｎタイプの不純物で高濃度にドーピングされる。第１フローティング拡散領域１５３は、第１電荷収集領域１２１で収集されて、第１伝送ゲート１５１下方（ｕｎｄｅｒ）の伝送チャネルを通じて伝送された電荷を蓄積することができる。また、第２フローティング拡散領域１６３は、第２電荷収集領域１２２に収集されて、第２伝送ゲート１６１下方の伝送チャネルを通じて伝送された電荷を蓄積することができる。
【００６１】
第１出力部１７０及び第２出力部１８０は、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷に相応する電気的信号を第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に各々出力する。第１出力部１７０は第１リセットトランジスタ１７１、第１ドライブトランジスタ１７３、及び第１選択トランジスタ１７５を含み、第２出力部１８０は第２リセットトランジスタ１８１、第２ドライブトランジスタ１８３、及び第２選択トランジスタ１８５を含む。
【００６２】
第１リセットトランジスタ１７１及び第２リセットトランジスタ１８１は、リセット信号ＲＳＴに応答して第１フローティング拡散領域１５３に蓄積された電荷及び第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷を各々放電する。第１リセットトランジスタ１７１はリセット信号ＲＳＴが印加されるゲート端子、リセット電源電圧ＶＲＳＴに接続された第１端子、及び第１フローティング拡散領域１５３に接続された第２端子を有し、第２リセットトランジスタ１８１はリセット信号ＲＳＴが印加されるゲート端子、リセット電源電圧ＶＲＳＴに接続された第１端子、及び第２フローティング拡散領域１６３に接続された第２端子を有する。
【００６３】
第１ドライブトランジスタ１７３及び第２ドライブトランジスタ１８３は、第１フローティング拡散領域１５３の電圧及び第２フローティング拡散領域１６３の電圧を各々増幅する。
第１ドライブトランジスタ１７３は第１フローティング拡散領域１５３に接続されたゲート端子、電源電圧ＶＤＤに接続された第１端子、及び第１選択トランジスタ１７５の第１端子に接続された第２端子を有し、第２ドライブトランジスタ１８３は第２フローティング拡散領域１６３に接続されたゲート端子、電源電圧ＶＤＤに接続された第１端子、及び第２選択トランジスタ１８５の第１端子に接続された第２端子を有する。
【００６４】
第１選択トランジスタ１７５及び第２選択トランジスタ１８５は、選択信号ＳＥＬに応答して第１ドライブトランジスタ１７３により増幅された電圧及び第２ドライブトランジスタ１８３により増幅された電圧を第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に各々出力する。
第１選択トランジスタ１７５は、選択信号ＳＥＬが印加されるゲート端子、第１ドライブトランジスタ１７３の第２端子と接続された第１端子、及び第１コラムライン１７７に接続された第２端子を有し、第２選択トランジスタ１８５は、選択信号ＳＥＬが印加されるゲート端子、第２ドライブトランジスタ１８３の第２端子と接続された第１端子、及び第２コラムライン１８７に接続された第２端子を有する。
【００６５】
図５では各ハーフピクセルが一つの出力部を有する単位ピクセルを示しているが、他の実施形態として出力部の一部又は全部を複数のハーフピクセルによって共有することも可能である。
【００６６】
図６は、図１に示した半導体基板の一例を示す図である。
図６を参照すると、半導体基板１１０ａはエピタキシャル層（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｙｅｒ）１１１を含む。
【００６７】
エピタキシャル層１１１は、バルク基板にフォトゲート１３０と重畳する位置の基板表面方向に向かってドーピング濃度が順次に低くなるようにドーピングして形成される。エピタキシャル層１１１は、半導体基板１１０ａで発生した電荷が電荷収集領域１２１のチャネル（例えば、表面チャネルまたは、埋め込みチャネル）に移動する速度、すなわち、垂直移動速度を増加させることができる。一実施例において、エピタキシャル層１１１はｐタイプの不純物でドーピングされる。
【００６８】
半導体基板１１０ａは、エピタキシャル層１１１内に形成された埋め込みチャネル１１２をさらに一層含むこともできる。埋め込みチャネル１１２は電荷収集領域１２１に収集された電荷が伝送ゲート下方に移動する速度、すなわち、水平移動速度を増加させることができる。ここで、埋め込みチャネル１１２はｎタイプの不純物で低濃度にドーピングされる。
【００６９】
半導体基板１１０ａがエピタキシャル層１１１及び埋め込みチャネル１１２を含む場合、電荷収集効率及び電荷伝送効率がより一層向上させることができる。
【００７０】
図７は本発明の第１の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルの駆動方法を示すフローチャートである。
図５及び図７を参照すると、集光時間の間、第１電荷収集領域１２１及び第２電荷収集領域１２２は半導体基板１１０内に発生した電荷を収集して、収集された電荷は第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に伝送される（ステップＳ２１０）。
【００７１】
一例として、第１電荷収集領域１２１及び第２電荷収集領域１２２が電荷を収集する直前に、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３は第１リセットトランジスタ１７１及び第２リセットトランジスタ１８１によってリセットされる。
【００７２】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、各々、周期的に遷移する第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２により制御される。
第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２は、第１ロジックレベルと第２ロジックレベルの間を周期的に遷移する信号として、パルス波、サイン波、コサイン波などと同様の波形を有することができる。第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２は互いに反転した位相を有する。これによって、第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０は選択的にターンオンされる。
【００７３】
第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベル（例えば、ロジックハイレバル）を有して、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベル（例えば、ロジックローレベル）を有する時、第１フォトゲート１３０がターンオンされて第１電荷収集領域１２１が半導体基板１１０内に発生した電荷を収集し、第２フォトゲート１４０がターンオフされて第２電荷収集領域１２２に収集された電荷が第２フローティング拡散領域１６３に伝送される。
【００７４】
第１制御信号ＰＧＣＳ１が第２ロジックレベルを有し、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０がターンオフされて第１電荷収集領域１２１に収集された電荷が第１フローティング拡散領域１５３に伝送され、第２フォトゲート１４０がターンオンされて第２電荷収集領域１２２が半導体基板１１０内に発生した電荷を収集する。
【００７５】
これにより、各ハーフピクセルは、集光時間の間に電荷収集及び電荷伝送を周期的に繰り返すことができる。
【００７６】
このような集光時間の後、第１出力部１７０及び第２出力部１８０は、第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷に相応する第１データ電圧及び第２データ電圧を各々出力する（ステップＳ２３０）。
【００７７】
第１ドライブトランジスタ１７３は、第１フローティング拡散領域１５３に蓄積された電荷に相応する電圧を増幅して第１データ電圧を生成し、第１選択トランジスタ１７５は選択信号ＳＥＬに応答して第１データ電圧を第１コラムライン１７７に出力する。また、第２ドライブトランジスタ１８３は、第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷に相応する電圧を増幅して第２データ電圧を生成し、第２選択トランジスタ１８５は選択信号ＳＥＬに応答して第２データ電圧を第２コラムライン１８７に出力する。
【００７８】
第１データ電圧及び第２データ電圧が出力された後、第１出力部１７０及び第２出力部１８０は、各々、第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に第１リセット電圧及び第２リセット電圧を出力する（ステップＳ２５０）。
【００７９】
第１リセットトランジスタ１７１及び第２リセットトランジスタ１８１は、各々、リセット信号ＲＳＴに応答して第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３をリセットする。
例えば、第１リセットトランジスタ１７１及び第２リセットトランジスタ１８１は、各々、リセット信号ＲＳＴに応答してターンオンし、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３をリセット電源電圧ＶＲＳＴに接続することによって、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷を放電させる。
【００８０】
第１ドライブトランジスタ１７３は、リセットされた第１フローティング拡散領域１５３の電圧を増幅して第１リセット電圧を生成して、第１選択トランジスタ１７５は選択信号ＳＥＬに応答して第１リセット電圧を第１コラムライン１７７に出力する。また、第２ドライブトランジスタ１８３は、リセットされた第２フローティング拡散領域１６３の電圧を増幅して第２リセット電圧を生成し、第２選択トランジスタ１８５は選択信号ＳＥＬに応答して第２リセット電圧を第２コラムライン１８７に出力する。
【００８１】
本実施形態による方法によって駆動される光感知装置は、データ電圧とリセット電圧との電圧差に基づいた相関二重サンプリングを行うことによりイメージや距離情報を生成する。これにより、ノイズを減少させてイメージや距離情報の品質を向上させることができる。
【００８２】
図８は、図７の駆動方法に係る光感知装置の単位ピクセルの送信光の強度、受信光の強度、及び制御信号を示すタイミング図である。
【００８３】
図５及び図８を参照すると、集光時間の間、単位ピクセル１００を含む光感知装置は周期的に変動する強度を有する送信光ＴＸを放射する。例えば、光感知装置は約１０〜２００ＭＨｚの周波数で発光装置をターンオン及びターンオフさせることによって光の送信及び非送信を周期的に繰り返す。
【００８４】
送信光ＴＸは、被写体によって反射され受信光ＲＸとして光感知装置に到達する。受信光ＲＸは送信光ＴＸに対し光の飛行時間（ＴＯＦ）程遅れる。例えば、光感知装置は送信された光子（図８、３１０）がＴＯＦ（すなわち、ｔ２−ｔ１またはｔ４−ｔ３）程遅れた光子（図８、３２０）を受信する。
【００８５】
集光時間の間、第１制御信号ＰＧＣＳ１は送信光ＴＸの強度と同じ位相を有して、第２制御信号ＰＧＣＳ２は送信光ＲＸの強度に対し反転した位相、すなわち１８０度程遅れた位相を有する。これによって、受信した光子（図８、３２０）によって発生した電荷の一部は第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベル（図８、３３０）を有する時に第１電荷収集領域１２１に収集される。
また、受信した光子（図８、３２０）により発生した電荷の他の一部は第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベル３４０を有する時に第２電荷収集領域１２２に収集される。
一例として、第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２の第１ロジックレベルは約３Ｖであり、第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２の第２ロジックレベルは約０Ｖである。
【００８６】
ＴＯＦに従って第１電荷収集領域１２１が収集する電荷と第２電荷収集領域１２２が収集する電荷の比が変化する。例えば、受信光ＲＸの送信光ＴＸに対し遅れる時間が長いほど（ＴＯＦが増加するほど）、第１電荷収集領域１２１が収集する電荷が減少して、第２電荷収集領域１２２が収集する電荷が増加する。これによって、光感知装置は、第１電荷収集領域１２１が収集する電荷と第２電荷収集領域１２２が収集する電荷との比を利用して受信光ＲＸの送信光ＴＸに対する遅延時間、すなわちＴＯＦを測定することができる。
【００８７】
また、光感知装置から被写体までの距離をＤ、光の速度をｃとすると、
数学式  Ｄ＝ＴＯＦ×ｃ／２  を利用してＤを計算することができる。
これによって、光感知装置は被写体に対する距離情報を検出することができる。その上、光感知装置は第１フォトゲート１３０を含む第１ハーフピクセルによるデータ、及び第２フォトゲート１４０を含む第２ハーフピクセルによるデータを利用してイメージ情報を検出することができる。例えば、光感知装置は第１ハーフピクセルによるデータ及び第２ハーフピクセルによるデータを合算することによってイメージ情報を生成することができる。
【００８８】
集光時間の間、第３制御信号ＴＧＣＳはロジックハイレベルとロジックローレベルとの間の所定の電圧レベルを有する。一例として、第３制御信号ＴＧＣＳのロジックハイレベルは約２Ｖであり、第３制御信号ＴＧＣＳのロジックローレベルは約０Ｖであり、第３制御信号ＴＧＣＳの上記所定の電圧レベルを約０．５〜約１Ｖである。これによって、第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は完全にターンオンされるか、または、完全にターンオフされるか、または、半ターンオン（ｈａｌｆ  ｔｕｒｎｅｄ−ｏｎ）状態を有することができる。
【００８９】
半ターンオンされた第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１によって第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１下方の基板領域は、ターンオンされたフォトゲート下方の基板領域に対し電位障壁（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ）の役割を行って、ターンオフされたフォトゲート下方の基板領域に対し伝送チャネルの役割を行う。
これによって、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時に第１電荷収集領域１２１は電荷収集を行い、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第２ロジックレベルを有する時に第１電荷収集領域１２１に収集された電荷が第１フローティング拡散領域１５３に伝送される。また、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時に第２電荷収集領域１２２は電荷を収集して、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する時に第２電荷収集領域１２２に収集された電荷が第２フローティング拡散領域１６３に伝送される。
【００９０】
読出時間の間、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０には第２ロジックレベルを有する第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２が印加される。
図８には読出時間の間、第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する例を示しているが、実施形態によっては、読出時間の間、第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２は第１ロジックレベルを有したり、または、さまざまな電圧レベルを有することもできる。読出時間の間、第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２が所定の一定電圧レベルを有する場合、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０による第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に対する干渉が抑制され得る。
【００９１】
読出時間の間、第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１にはロジックローレベルを有する第３制御信号ＴＧＣＳが印加される。第３制御信号ＴＧＣＳがロジックローレベルを有することによって、第１伝送ゲート１５１下方の基板領域に、第１電荷収集領域１２１から第１フローティング拡散領域１５３に、又は、第１フローティング拡散領域１５３から第１電荷収集領域１２１に電荷が移動することを防ぐ電位障壁を形成される。
また、第２伝送ゲート１６１下方の基板領域に、第２電荷収集領域１２２から第２フローティング拡散領域１６３に、又は、第２フローティング拡散領域１６３から第２電荷収集領域１２２に電荷が移動することを防ぐ電位障壁を形成される。
【００９２】
読出時間の間、第１フローティング拡散領域１５３に蓄積された電荷に相応する第１データ電圧、及び第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷に相応する第２データ電圧が出力され、リセットされた第１フローティング拡散領域１５３の電圧に相応する第１リセット電圧、及びリセットされた第２フローティング拡散領域１６３の電圧に相応する第２リセット電圧が出力される。
【００９３】
単位ピクセル１００を含む光感知装置は、第１データ電圧と第１リセット電圧との電圧差、及び第２データ電圧と第２リセット電圧との電圧差に基づいてイメージや、距離情報を生成する。これにより、ノイズを減少させてイメージや距離情報の品質を向上させることができる。
【００９４】
図８には送信光ＴＸの強度、第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２が集光時間の間、連続的なパルスを有するパルストレインの例を示しているが、他の実施形態として、集光時間の間、送信光ＴＸの強度、第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２は第１ロジックレベルと第２ロジックレベルとの間を周期的に遷移する信号として、サイン信号、コサイン信号などであってもよい。
【００９５】
図９及び図１０は、図７の駆動方法にともなう図１の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
図９及び図１０は、第１電荷収集領域及び第２電荷収集領域が電子を収集する時の単位ピクセルの電位レベルの例を示す。ここでは、図のＹ軸の正方向（上方向）は電位レベルが低くなる方向である。
【００９６】
図９は、図８の第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有し、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する期間の中の（ｔ２〜ｔ３）期間での図１〜図５の単位ピクセル１００の電位レベルの例を示す。
【００９７】
図１、図５及び図９を参照すると、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０により生成された第１電荷収集領域１２１は半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。
【００９８】
第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する時、第２伝送ゲート（ＴＧ２）１６１下方の基板領域（すなわち、伝送チャネル）は第２フォトゲート（ＰＧ２）１４０下方の基板領域（すなわち、第２電荷収集領域１２２）より高い電位レベルを有する。従って、第２電荷収集領域１２２で以前に収集された電荷は伝送チャネルを通じて第２フローティング拡散領域１６３に伝送されて蓄積される。
【００９９】
このように、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有し、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０を含む第１ハーフピクセルは電荷収集を実行し、第２フォトゲート１４０を含む第２ハーフピクセルは電荷伝送を実行する。
【０１００】
図１０は、図８の第１制御信号ＰＧＣＳ１が第２ロジックレベルを有し、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する期間の中の（ｔ３〜ｔ４）期間での図１〜図５の単位ピクセル１００の電位レベルの例を示す。
【０１０１】
図１、図５、及び図１０を参照すると、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第２ロジックレベルを有する時、第１伝送ゲート（ＴＧ１）１５１下方の基板領域（すなわち、伝送チャネル）は第１フォトゲート１３０（ＰＧ１）下方の基板領域（すなわち、第１電荷収集領域１２１）より高い電位レベルを有する。従って、第１電荷収集領域１２１で以前に収集された電荷が伝送チャネルを通じて第１フローティング拡散領域１５３に伝送されて蓄積される。
【０１０２】
第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時、第２フォトゲート１４０により生成された第２電荷収集領域１２２は半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。
【０１０３】
このように、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第２ロジックレベルを有し、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０を含む第１ハーフピクセルは電荷伝送を実行し、第２フォトゲート１４０を含む第２ハーフピクセルは電荷収集を実行する。
【０１０４】
図１１は本発明の第１の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを形成する方法を示すフローチャートである。
図１及び図１１を参照すると、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０を半導体基板１１０の上方に形成する（ステップＳ８１０）。
【０１０５】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は互いに重ならずに、点対称になるように配置する。本実施形態では、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、ポリシリコン（ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ）を含むか、または、透明導電酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｏｘｉｄｅ、ＴＣＯ）を含むことができる。例えば、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０はインジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ｉｎｄｉｕｍ  ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ、ＩＺＯ）、亜鉛酸化物（ｚｉｎｃ  ｏｘｉｄｅ、ＺｎＯ）、チタン酸化物（ｔｉｔａｎｉｕｍ  ｄｉｏｘｉｄｅ、ＴｉＯ２）、または、これらの組み合わせを含むことができる。
【０１０６】
次に、第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１を半導体基板１１０の上部（ｏｖｅｒ）に形成する（ステップＳ８３０）。
第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は、第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０に各々隣接して形成する。
【０１０７】
第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３を、半導体基板１１０内に形成する（ステップＳ８５０）。
第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３は、第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１に各々隣接して形成する。
【０１０８】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図１２を参照すると、単位ピクセル１００ａは第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０及び第２出力部１８０を含む。単位ピクセル１００ａは図１の単位ピクセル１００と比較して伝送ゲートなしで具現される。
【０１０９】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に互いに重ならずに、点対称になるように形成される。第１フォトゲート１３０は第１方向に延長される第１接合ゲートと第１接合ゲートから第１方向と実質的に直交する第２方向に互いに平行するように延長される複数の第１フィンガーゲートとを含み、第２フォトゲート１４０は第１方向に延長される第２接合ゲートと第２接合ゲートから第２方向に互いに平行するように延長される複数の第２フィンガーゲートとを含む。
【０１１０】
第１フローティング拡散領域１５３は、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０に隣接して形成され、第２フローティング拡散領域１６３は半導体基板１１０内に第２フォトゲート１４０に隣接して形成される。第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３は第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０により収集された電荷を蓄積する。
【０１１１】
第１出力部１７０及び第２出力部１８０は、第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷に相応する電気的信号を各々出力する。
【０１１２】
図１３は、図１２のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの一例を示す断面図である。
図１３を参照すると、第１フォトゲート１３０は半導体基板１１０の上方に形成される。
【０１１３】
第１フローティング拡散領域１５３は半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０に隣接して形成される。第２フォトゲート１４０は半導体基板１１０の上方に形成される。
【０１１４】
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図１４を参照すると、単位ピクセル１００ｂは第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、複数の第１フローティング拡散領域１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、複数の第２フローティング拡散領域１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃ、第１出力部１７０ａ、及び第２出力部１８０ａを含む。
【０１１５】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に互いに重ならずに、点対称になるように形成される。第１フォトゲート１３０は第１方向に延長される第１接合ゲートと第１接合ゲートから第１方向と実質的に直交する第２方向に互いに平行するように延長される複数の第１フィンガーゲートとを含み、第２フォトゲート１４０は第１方向に延長される第２接合ゲートと第２接合ゲートから第２方向に互いに平行するように延長される複数の第２フィンガーゲートとを含む。
【０１１６】
第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は、半導体基板１１０の上方に形成される。第１伝送ゲート１５１は第１接合ゲートに隣接するように配置され、第２伝送ゲート１６１は第２接合ゲートに隣接するように配置される。
【０１１７】
複数の第１フローティング拡散領域１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃが半導体基板１１０内に第１伝送ゲート１５１に隣接して形成され、複数の第２フローティング拡散領域１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃが半導体基板１１０内に第２伝送ゲート１６１に隣接して形成される。各ハーフピクセルが複数のフローティング拡散領域を含む場合、各ハーフピクセルの電荷蓄積容量を増加させることができる。
【０１１８】
これとは異なって、電荷蓄積容量を増加させるために、各ハーフピクセルは一つのフローティング拡散領域を含み、フローティング拡散領域に接続されたキャパシタをさらに含むこともできる。例えば、キャパシタは、単位ピクセル１００ｂの内部または外部に配置でき、ＭＯＳ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタ、ＭＩＭ（ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ）キャパシタなどであることができる。
【０１１９】
第１出力部１７０ａ及び第２出力部１８０ａは、複数の第１フローティング拡散領域１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ及び複数の第２フローティング拡散領域１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃに蓄積された電荷に相応する電気的信号を各々出力する。
第１出力部１７０ａは、複数の第１フローティング拡散領域１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃに蓄積された電荷を各々放電するための複数の第１リセットトランジスタ１７１ａ、１７１ｂ、１７１ｃを含み、第２出力部１８０ａは複数の第２フローティング拡散領域１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃに蓄積された電荷を各々放電するための複数の第２リセットトランジスタ１８１ａ、１８１ｂ、１８１ｃを含む。
【０１２０】
図１５は、本発明の第４の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図１５を参照すると、単位ピクセル１００ｃは、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、第２出力部１８０、及びチャネルストップ領域１９０を含む。
【０１２１】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に互いに重ならずに、点対称になるように形成される。
第１フォトゲート１３０は第１方向に延長される第１接合ゲートと第１接合ゲートから第１方向と実質的に直交する第２方向に互いに平行するように延長される複数の第１フィンガーゲートとを含み、第２フォトゲート１４０は第１方向に延長される第２接合ゲートと第２接合ゲートから第２方向に互いに平行するように延長される複数の第２フィンガーゲートを含む。
【０１２２】
第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間の半導体基板１１０内にチャネルストップ領域１９０が形成される。すなわち、チャネルストップ領域１９０は第１フォトゲート１３０により生成される第１電荷収集領域と第２フォトゲート１４０により生成される第２電荷収集領域との間に形成される。
【０１２３】
チャネルストップ領域１９０は、第１電荷収集領域から第２電荷収集領域に、又は、第電荷収集領域から第１電荷収集領域に電荷が移動することを防ぐ。
例えば、第１フォトゲート１３０に第１ロジックレベルを有する第１制御信号が印加された時、第２電荷収集領域に収集された電荷が第１電荷収集領域に移動することを防ぎ、第２フォトゲート１４０に第１ロジックレベルを有する第２制御信号が印加された時、第１電荷収集領域に収集された電荷が第２電荷収集領域に移動することを防ぐ。
【０１２４】
このように、単位ピクセル１００ｃは、第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間に電位障壁を形成するチャネルストップ領域１９０を含むことにより、ハーフピクセルの間の電荷伝送によるノイズ及びデータエラーの発生を抑制することができる。
【０１２５】
図１６は、図１５のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの一例を示す断面図である。
図１６を参照すると、第１フォトゲート１３０は半導体基板１１０の上方に形成される。
【０１２６】
第１伝送ゲート１５１は、半導体基板１１０の上方に第１フォトゲート１３０に隣接して形成される。第１フローティング拡散領域１５３は、半導体基板１１０内に第１伝送ゲート１５１に隣接して形成される。
第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に形成される。第２伝送ゲート１６１は半導体基板１１０の上方に第２フォトゲート１４０に隣接して形成される。
【０１２７】
チャネルストップ領域１９０は、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間に形成される。チャネルストップ領域１９０は、ｐタイプの不純物で高濃度にドーピングされる。
【０１２８】
図１７は図１５の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
図１７を参照すると、単位ピクセル１００ｃは、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、第２出力部１８０、及びチャネルストップ領域１９０を含む。
【０１２９】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０には集光時間の間、第１ロジックレベルと第２ロジックレベルとの間を周期的に遷移する第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２が各々印加される。
第１フォトゲート１３０は、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時に半導体基板１１０で発生した電荷を収集する第１電荷収集領域１２１を生成することができる。第２フォトゲート１４０は第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時に半導体基板１１０で発生した電荷を収集する第２電荷収集領域１２２を生成することができる。
【０１３０】
第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間の半導体基板１１０内、すなわち第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間にチャネルストップ領域１９０が形成される。一例として、チャネルストップ領域１９０は、ｐタイプの不純物で高濃度にドーピングされる。
【０１３１】
チャネルストップ領域１９０は、第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間に電位障壁を形成する。これによって、チャネルストップ領域１９０は、第１電荷収集領域１２１に収集された電荷が第２電荷収集領域１２２に移動するか、または、第２電荷収集領域１２２に収集された電荷が第１電荷収集領域１２１に移動することを防ぐことができる。
【０１３２】
図１８は、図７の駆動方法による図１５の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
図１８は、第１フォトゲート１３０に第１ロジックレベルを有する第１制御信号が印加され、第２フォトゲート１４０に第２ロジックレベルを有する第２制御信号が印加された時の単位ピクセル１００ｃの電位レベルの例を示す。
【０１３３】
図１５〜図１８を参照すると、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０により生成された第１電荷収集領域１２１は半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する時、第２電荷収集領域１２２において、以前に収集された電荷が第２伝送ゲート１６１下方の伝送チャネルを通じて第２フローティング拡散領域１６３に伝送され蓄積される。
【０１３４】
チャネルストップ領域（ＣＳ）１９０は、第１電荷収集領域１２１の電位レベル及び第２電荷収集領域１２２の電位レベルより低い電位レベルを有する。これにより、チャネルストップ領域（ＣＳ）１９０は、第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間で電位障壁を形成することができる。これによって、チャネルストップ領域１９０は第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間の電荷の移動を防止することができる。
【０１３５】
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図１９を参照すると、単位ピクセル１００ｄは、第１フォトゲート１３０ａ、第２フォトゲート１４０ａ、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、及び第２出力部１８０を含む。
【０１３６】
第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａは、少なくとも一つの螺旋フィンガーゲート（ｓｐｉｒａｌ  ｆｉｎｇｅｒ  ｇａｔｅ）１３５を含む。螺旋フィンガーゲート１３５は、第１方向と、第１方向と実質的に直交する第２方向に交互に延長され、徐々に短い長さを有するバー状のゲートを含む。
【０１３７】
例えば、螺旋フィンガーゲート１３５は、接合ゲート１３３から正の第２方向（図中で、左から右）に第１長さを有するように延長される第１ゲート１３５ａ、及び第１ゲート１３５ａの一端から負の第１方向（図中で、上から下）に第１長さより短い第２長さを有するように延長される第２ゲート１３５ｂを含む。また、螺旋フィンガーゲート１３５は第２ゲート１３５ｂの一端から負の第２方向（図中で、右から左）に第２長さより短い第３長さを有するように延長した第３ゲート１３５ｃをさらに含むこともできる。実施形態によっては、螺旋フィンガーゲート１３５は２つ以上の交互する方向に延長したゲートを含むことができる。
【０１３８】
第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａは、互いに重ならずに、点対称になるように形成される。また、第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａの各々が互いに対称的になる少なくとも一つの螺旋フィンガーゲート１３５を含み、第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａは、半導体基板の光感知領域の実質的に全体をカバーすることができる。
【０１３９】
図１９は、第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａの各々が２つの螺旋フィンガーゲートを有する例を示しているが、実施形態によっては、第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａが有する螺旋フィンガーゲートの数は変更することもできる。
【０１４０】
第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａの各々は、第１方向に延長される接合ゲート１３３を含む。接合ゲート１３３には少なくとも一つの螺旋フィンガーゲート１３５及び／またはフィンガーゲートが結合される。本実施形態では、接合ゲート１３３と螺旋フィンガーゲート１３５は同一層に一体で形成するか、または、互いに異なる層に形成することもできる。接合ゲート１３３は少なくとも一つの螺旋フィンガーゲート１３５の下方で収集された電荷が伝送される経路を提供することができる。従って、接合ゲート１３３は少なくとも一つの螺旋フィンガーゲート１３５の下方で収集された電荷の伝送効率を向上させることができる。
【０１４１】
上述のように、第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａが少なくとも一つの螺旋フィンガーゲートを含むことにより、単位ピクセル１００ｄは実質的に半導体基板の光感知領域の全体をカバーすることができる。
【０１４２】
図２０は、本発明の第６の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図２０を参照すると、単位ピクセル１００ｅは、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１ブリッジ拡散領域１５０、第２ブリッジ拡散領域１６０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、及び第２出力部１８０を含む。
【０１４３】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に互いに重ならずに、点対称になるように形成される。第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０で発生した電荷を収集する電荷収集領域１２０を半導体基板１１０内に生成することができる。
【０１４４】
第１フォトゲート１３０は、第１方向に延長される第１接合ゲートと、第１接合ゲートから第１方向と実質的に直交する第２方向に互いに平行するように延長される複数の第１フィンガーゲートとを含み、第２フォトゲート１４０は、第１方向に延長される第２接合ゲートと、第２接合ゲートから第２方向に互いに平行するように延長される複数の第２フィンガーゲートを含む。
【０１４５】
第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０は、半導体基板１１０内に第１接合ゲート及び第２接合ゲートに各々隣接して形成される。第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０は、電荷収集領域１２０が電子を収集する時、電荷収集領域１２０より高い電圧レベルを有し、電荷収集領域１２０が正孔（ｈｏｌｅ）を収集する時、電荷収集領域１２０より低い電圧レベルを有する。
【０１４６】
このように、第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０が電荷収集領域１２０に収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有することによって、電荷収集領域１２０から第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３への電荷伝送効率が向上する。さらに、第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０は、電荷収集領域１２０と第１伝送ゲート１５１下方の基板領域との間、及び電荷収集領域１２０と第２伝送ゲート１６１下方の基板領域との間で発生する電位障壁を抑制することができる。これによって、電荷伝送効率をより一層向上させることができる。
【０１４７】
図２１は、図２０のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルを示す断面図である。
図２１を参照すると、第１フォトゲート１３０は、半導体基板１１０の上方に形成される。
【０１４８】
第１ブリッジ拡散領域１５０は、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０に隣接して形成される。第１伝送ゲート１５１は、半導体基板１１０の上方に第１ブリッジ拡散領域１５０に隣接して形成される。第１フローティング拡散領域１５３は、半導体基板１１０内に第１伝送ゲート１５１に隣接して形成される。
【０１４９】
第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に形成される。第２ブリッジ拡散領域１６０は、半導体基板１１０内に第２フォトゲート１４０に隣接して形成される。第２伝送ゲート１６１は、半導体基板１１０の上方に第２ブリッジ拡散領域１６０に隣接して形成される。
【０１５０】
図２２は、図２０のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの他の例を示す断面図である。
図２２を参照すると、単位ピクセル１００ｅは、半導体基板１１０内に形成される第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂをさらに含むことができる。
【０１５１】
第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂは、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０が配置される位置と重畳する半導体基板表面近傍に形成される。
第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂは、ｎタイプの不純物でドーピングされる。単位ピクセル１００ｅは、半導体基板１１０内に第１埋め込みチャネル１１２ａと第１フォトゲート１３０との間に形成される第１ｐ型ドーピング領域１１３ａ、及び第２埋め立てチャネル１１２ｂと第２フォトゲート１４０との間に形成される第２ｐ型ドーピング領域１１３ｂをさらに含むことができる。
【０１５２】
図２３は、図２０の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
図２３を参照すると、単位ピクセル１００ｅは、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１ブリッジ拡散領域１５０、第２ブリッジ拡散領域１６０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、及び第２出力部１８０を含む。
【０１５３】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、集光時間の間、第１ロジックレベルと第２ロジックレベルとの間を周期的に遷移する第１制御信号ＰＧＣＳ１及び第２制御信号ＰＧＣＳ２が各々印加される。
第１フォトゲート１３０は、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時に半導体基板１１０で発生した電荷を収集する第１電荷収集領域１２１を生成することができる。第２フォトゲート１４０は、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時半導体基板１１０で発生した電荷を収集する第２電荷収集領域１２２を生成することができる。
【０１５４】
第１ブリッジ拡散領域１５０は、半導体基板１１０内に第１電荷収集領域１２１に隣接して形成され、第２ブリッジ拡散領域１６０は半導体基板１１０内に第２電荷収集領域１２２に隣接して形成される。一例として、第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０は、ｎタイプの不純物で高濃度でドーピングされる。
【０１５５】
第１ブリッジ拡散領域１５０は、第１電荷収集領域１２１に収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有し、第２ブリッジ拡散領域１６０は、第２電荷収集領域１２２に収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有する。
【０１５６】
これによって、第１ブリッジ拡散領域１５０は第１電荷収集領域１２１に収集された電荷が第１伝送ゲート１５１下方の伝送チャネルを通じて第１フローティング拡散領域１５３に伝送される効率を向上させることができ、第２ブリッジ拡散領域１６０は、第２電荷収集領域１２２に収集された電荷が第２伝送ゲート１６１下方の伝送チャネルを通じて第２フローティング拡散領域１６３に伝送される効率を向上させることができる。
【０１５７】
単位ピクセル１００ｅは、第１電荷収集領域１２１と第１伝送ゲート１５１下方の伝送チャネルとの間に第１ブリッジ拡散領域１５０と、第２電荷収集領域１２２と第２伝送ゲート１６１下方の伝送チャネルとの間に第２ブリッジ拡散領域１６０とを含み、第１電荷収集領域１２１から第１フローティング拡散領域１５３への電荷伝送、及び第２電荷収集領域１２２から第２フローティング拡散領域１６３への電荷伝送の効率を向上させることができる。
【０１５８】
図２４は、図７の駆動方法による図２０の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
図２４は、第１フォトゲート１３０に第１ロジックレベルを有する第１制御信号が印加され、第２フォトゲート１４０に第２ロジックレベルを有する第２制御信号が印加された時の単位ピクセル１００ｅの電位レベルの例を示す。
【０１５９】
図２０〜図２４を参照すると、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０により生成された第１電荷収集領域１２１は半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。
第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する時、第２ブリッジ拡散領域（ＢＤ２）１６０は第２電荷収集領域１２２より高い電圧レベルを有する。
【０１６０】
すなわち、第２ブリッジ拡散領域（ＢＤ２）１６０は、第２電荷収集領域１２２に収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有し、また、第２電荷収集領域１２２と第２伝送ゲート１６１下方の基板領域との間で発生する電位障壁を抑制することができる。これにより、第２電荷収集領域１２２で以前に収集された電荷が第２ブリッジ拡散領域１６０及び第２伝送ゲート１６１下方の伝送チャネルを通じて第２フローティング拡散領域１６３に伝送される効率が向上する。
【０１６１】
図２５は、本発明の第７の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図２５を参照すると、単位ピクセル１００ｆは、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１ブリッジ拡散領域１５０、第２ブリッジ拡散領域１６０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、複数の第１フローティング拡散領域１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、複数の第２フローティング拡散領域１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃ、第１出力部１７０ａ、及び第２出力部１８０ａを含む。
【０１６２】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に互いに重ならずに、点対称になるように形成される。第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０は、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０に各々隣接して形成される。第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は半導体基板１１０の上方に第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０に各々隣接して形成される。複数の第１フローティング拡散領域１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ及び複数の第２フローティング拡散領域１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃは、半導体基板１１０内に第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１に各々隣接して形成される。
【０１６３】
単位ピクセル１００ｆは、第１フォトゲート１３０と第１伝送ゲート１５１の間に形成された第１ブリッジ拡散領域１５０、及び第２フォトゲート１４０と第２伝送ゲート１６１との間に形成された第２ブリッジ拡散領域１６０を含み、電荷伝送効率を向上させることができる。また、単位ピクセル１００ｆは、第１伝送ゲート１５１に隣接する複数の第１フローティング拡散領域１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、及び第２伝送ゲート１６１に隣接する複数の第２フローティング拡散領域１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃを含むことにより、電荷蓄積容量を増加させることができる。
【０１６４】
図２６は、本発明の第８の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図２６を参照すると、単位ピクセル１００ｇは、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１ブリッジ拡散領域１５０、第２ブリッジ拡散領域１６０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、第２出力部１８０、及びチャネルストップ領域１９０を含む。
【０１６５】
第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に互いに重ならずに、点対称になるように形成される。第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０は、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０に各々隣接して形成される。第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間の半導体基板１１０内にチャネルストップ領域１９０が形成される。
【０１６６】
単位ピクセル１００ｇは、第１フォトゲート１３０と第１伝送ゲート１５１の間に形成された第１ブリッジ拡散領域１５０と、第２フォトゲート１４０と第２伝送ゲート１６１の間に形成された第２ブリッジ拡散領域１６０とを含むことにより電荷伝送効率を向上させることができる。また、単位ピクセル１００ｇは、第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間に電位障壁を形成するチャネルストップ領域１９０を含むことにより、ハーフピクセルの間の電荷伝送によるノイズ及びデータエラーの発生を抑制することができる。
【０１６７】
図２７は、図２６のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの一例を示す断面図である。
図２７を参照すると、第１フォトゲート１３０は、半導体基板１１０の上方に形成される。
【０１６８】
第１ブリッジ拡散領域１５０は、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０に隣接して形成される。第１伝送ゲート１５１は、半導体基板１１０の上方に第１ブリッジ拡散領域１５０に隣接して形成される。第１フローティング拡散領域１５３は半導体基板１１０内に第１伝送ゲート１５１に隣接して形成される。
【０１６９】
第２フォトゲート１４０は、半導体基板１１０の上方に形成される。第２ブリッジ拡散領域１６０は、半導体基板１１０内に第２フォトゲート１４０に隣接して形成される。第２伝送ゲート１６１は半導体基板１１０の上方に第２ブリッジ拡散領域１６０に隣接して形成される。
【０１７０】
チャネルストップ領域１９０は、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間に形成される。チャネルストップ領域１９０は、ｐタイプの不純物で高濃度にドーピングされる。
【０１７１】
図２８は、図２６のＩ−Ｉ’線に沿って切断した単位ピクセルの他の例を示す断面図である。
図２８を参照すると、単位ピクセル１００ｇは、半導体基板１１０内に形成された第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂをさらに含む。
【０１７２】
第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂは、半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０が配置される位置の下方の表面近傍に形成される。第１埋め込みチャネル１１２ａ及び第２埋め込みチャネル１１２ｂは、ｎタイプの不純物でドーピングされる。
単位ピクセル１００ｇは、半導体基板１１０内に第１埋め込みチャネル１１２ａと第１フォトゲート１３０の間に形成される第１ｐ型ドーピング領域１１３ａと、第２埋め込みチャネル１１２ｂと第２フォトゲート１４０との間に形成される第２ｐ型ドーピング領域１１３ｂをさらに含む。
【０１７３】
図２９は、図２６の単位ピクセルの動作を説明するための概念的な断面図である。
図２９を参照すると、単位ピクセル１００ｇは、第１フォトゲート１３０、第２フォトゲート１４０、第１ブリッジ拡散領域１５０、第２ブリッジ拡散領域１６０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、第２出力部１８０、及びチャネルストップ領域１９０を含む。
【０１７４】
第１ブリッジ拡散領域１５０は、半導体基板１１０内に第１電荷収集領域１２１に隣接して形成され、第２ブリッジ拡散領域１６０は、半導体基板１１０内に第２電荷収集領域１２２に隣接して形成される。第１ブリッジ拡散領域１５０は第１電荷収集領域１２１に収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有し、第２ブリッジ拡散領域１６０は第２電荷収集領域１２２に収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有する。
これによって、第１ブリッジ拡散領域１５０は第１電荷収集領域１２１に収集された電荷が第１伝送ゲート１５１下方の伝送チャネルを通じて第１フローティング拡散領域１５３に伝送される効率を向上させることができ、第２ブリッジ拡散領域１６０は第２電荷収集領域１２２に収集された電荷が第２伝送ゲート１６１下方の伝送チャネルを通じて第２フローティング拡散領域１６３に伝送される効率を向上させることができる。
【０１７５】
第１フォトゲート１３０と第２フォトゲート１４０との間の半導体基板１１０内、すなわち第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間にチャネルストップ領域１９０が形成される。チャネルストップ領域１９０は第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間で電位障壁を形成する。これによって、チャネルストップ領域１９０は第１電荷収集領域１２１に収集された電荷が第２電荷収集領域１２２に移動するのを、または、第２電荷収集領域１２２に収集された電荷が第１電荷収集領域１２１に移動するのを防止する。
【０１７６】
図３０は、図７の駆動方法にともなう図２６の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
図３０は、第１フォトゲート１３０に第１ロジックレベルを有する第１制御信号が印加され、第２フォトゲート１４０に第２ロジックレベルを有する第２制御信号が印加された時の単位ピクセル１００ｇの電位レベルの例を示す。
【０１７７】
図２６〜図３０を参照すると、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０により生成された第１電荷収集領域１２１は半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。
【０１７８】
第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する時、第２ブリッジ拡散領域（ＢＤ２）１６０は第２電荷収集領域１２２より高い電圧レベルを有する。すなわち、第２ブリッジ拡散領域１６０は、第２電荷収集領域１２２に収集された電荷を引き寄せる電圧レベルを有し、また、第２電荷収集領域１２２と第２伝送ゲート（ＴＧ２）１６１下方の基板領域との間で発生する電位障壁を抑制する。これによって、第２電荷収集領域１２２で以前に収集された電荷が第２ブリッジ拡散領域（ＢＤ２）１６０及び第２伝送ゲート（ＴＧ２）１６１下方の伝送チャネルを通じて第２フローティング拡散領域１６３に伝送される効率を向上させることができる。
【０１７９】
チャネルストップ領域１９０は、第１電荷収集領域１２１の電位レベル及び第２電荷収集領域１２２の電位レベルより低い電位レベルを有する。これによって、チャネルストップ領域１９０は第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間で電位障壁を形成する。これによって、チャネルストップ領域１９０は第１電荷収集領域１２１と第２電荷収集領域１２２との間の電荷の移動を防止することができる。
【０１８０】
図３１は、本発明の第９の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルを示す平面図である。
図３１を参照すると、単位ピクセル１００ｈは、第１フォトゲート１３０ａ、第２フォトゲート１４０ａ、第１ブリッジ拡散領域１５０、第２ブリッジ拡散領域１６０、第１伝送ゲート１５１、第２伝送ゲート１６１、第１フローティング拡散領域１５３、第２フローティング拡散領域１６３、第１出力部１７０、及び第２出力部１８０を含む。
【０１８１】
第１フォトゲート１３０ａ及び第２フォトゲート１４０ａの各々は、少なくとも一つの螺旋フィンガーゲートを含む。第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０は半導体基板１１０内に第１フォトゲート１３０及び第２フォトゲート１４０に各々隣接して形成される。
【０１８２】
単位ピクセル１００ｈは、少なくとも一つの螺旋フィンガーゲートを有するフォトゲートを含み、半導体基板の光感知領域の全体を実質的にカバーする。また、単位ピクセル１００ｈは、第１フォトゲート１３０ａと第１伝送ゲート１５１との間に形成された第１ブリッジ拡散領域１５０、及び第２フォトゲート１４０ａと第２伝送ゲート１６１との間に形成された第２ブリッジ拡散領域１６０を含み、電荷伝送効率を向上させることができる。
【０１８３】
図３２は、本発明の第６の実施形態に係る光感知装置の単位ピクセルの駆動方法を示すフローチャートである。
図２３及び図３２を参照すると、集光時間の間、第１電荷収集領域１２１及び第２電荷収集領域１２２は半導体基板１１０内に発生した電荷を収集する（ステップＳ４１０）。
【０１８４】
第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベル（例えば、ロジックハイレバル）を有する時、第１フォトゲート１３０がターンオンされて第１電荷収集領域１２１が半導体基板１１０内に発生した電荷を収集する。
第２制御信号ＰＧＣＳ２が第１ロジックレベルを有する時、第２フォトゲート１４０がターンオンされて第２電荷収集領域１２２が半導体基板１１０内に発生した電荷を収集する。この時、図７の駆動方法によって駆動する単位ピクセルよりも、図７の駆動方法によって駆動する単位ピクセルは第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０を有することで、より大きい保存容量（ｃａｐａｃｉｔｙ）を有することができ、収集された電荷の実質的に大部分が第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０に保存することができる。
【０１８５】
このような集光時間が過ぎれば、第１出力部１７０及び第２出力部１８０は、第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に第１及び第２リセット電圧を各々出力する（ステップＳ４３０）。
【０１８６】
第１リセットトランジスタ１７１及び第２リセットトランジスタ１８１は、リセット信号ＲＳＴに応答して第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３をリセットする。
第１ドライブトランジスタ１７３はリセットされた第１フローティング拡散領域１５３の電圧を増幅して第１リセット電圧を生成し、第１選択トランジスタ１７５は選択信号ＳＥＬに応答して第１リセット電圧を第１コラムライン１７７に出力する。また、第２ドライブトランジスタ１８３はリセットされた第２フローティング拡散領域１６３の電圧を増幅して第２リセット電圧を生成し、第２選択トランジスタ１８５は選択信号ＳＥＬに応答して第２リセット電圧を第２コラムライン１８７に出力する。
【０１８７】
第１リセット電圧及び第２リセット電圧が出力された後、第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０に保存された電荷が第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に伝送される（ステップＳ４５０）。
【０１８８】
第３制御信号ＴＧＣＳがロジックハイレベル（例えば、約２Ｖ）を有する時、第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は、第３制御信号ＴＧＣＳに応答して第１ブリッジ拡散領域１５０と第１フローティング拡散領域１５３との間、及び第２ブリッジ拡散領域１６０と第２フローティング拡散領域１６３との間に伝送チャネルを生成する。この伝送チャネルによって、第１ブリッジ拡散領域１５０に保存された電荷が第１フローティング拡散領域１５３に伝送され、第２ブリッジ拡散領域１６０に保存された電荷が第２フローティング拡散領域１６３に伝送される。
【０１８９】
第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に電荷が蓄積された後、第１出力部１７０及び第２出力部１８０は第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に第１及び第２データ電圧を各々出力する（ステップＳ４７０）。
【０１９０】
第１ドライブトランジスタ１７３は第１フローティング拡散領域１５３に蓄積された電荷に相応する電圧を増幅して第１データ電圧を生成し、第１選択トランジスタ１７５は選択信号ＳＥＬに応答して第１データ電圧を第１コラムライン１７７に出力する。
また、第２ドライブトランジスタ１８３は第２フローティング拡散領域１６３に蓄積された電荷に相応する電圧を増幅して第２データ電圧を生成し、第２選択トランジスタ１８５は選択信号ＳＥＬに応答して第２データ電圧を第２コラムライン１８７に出力する。
【０１９１】
この他の実施形態にともなう方法によって駆動される光感知装置は、データ電圧とリセット電圧との差に基づいた相関二重サンプリングを行ってイメージや距離情報を生成することにより、ノイズを減少させてイメージや距離情報の品質を向上させることができる。
【０１９２】
図３３は、図３２の駆動方法に係る光感知装置の単位ピクセルの送信光の強度、受信光の強度、及び制御信号を示すタイミング図である。
【０１９３】
図２３及び図３３を参照すると、集光時間の間、単位ピクセル１００ｅを含む光感知装置は、周期的に変動する強度を有する送信光ＴＸを放射する。受信光ＲＸは送信光ＴＸに対し光の飛行時間（ＴＯＦ）ほど遅れる。
【０１９４】
集光時間の間、第１制御信号ＰＧＣＳ１は送信光ＴＸの強度と同じ位相を有して、第２制御信号ＰＧＣＳ２は送信光ＲＸの強度に対し反転された位相、すなわち１８０度遅れた位相を有する。第３制御信号ＴＧＣＳはロジックローレベルを有する。
これによって、第１フォトゲート１３０を含むハーフピクセル、及び第２フォトゲート１４０を含むハーフピクセルは、電荷収集動作を周期的に行うことができる。また、収集された電荷は第１ブリッジ拡散領域１５０及び第２ブリッジ拡散領域１６０に保存される。
【０１９５】
読出時間の間、第１出力部１７０及び第２出力部１８０は、第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に第１リセット電圧及び第２リセット電圧を各々出力する。
第１リセット電圧及び第２リセット電圧が出力された後、第３制御信号ＴＧＣＳはロジックハイレベルを有する。
第１伝送ゲート１５１及び第２伝送ゲート１６１は、第３制御信号ＴＧＣＳに応答して第１ブリッジ拡散領域１５０に保存された電荷を第１フローティング拡散領域１５３に伝送し、第２ブリッジ拡散領域１６０に保存された電荷を第２フローティング拡散領域１６３に伝送する。第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に電荷が蓄積された後、第１出力部１７０及び第２出力部１８０は第１コラムライン１７７及び第２コラムライン１８７に第１データ電圧及び第２データ電圧を各々出力する。
【０１９６】
図３４及び図３５は、図３２の駆動方法にともなう図２０の単位ピクセルの電位レベルを示す図である。
図３４は、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有し、第２制御信号ＰＧＣＳ２が第２ロジックレベルを有する期間（図３３のｔ２〜ｔ３）での、図２０〜図２３の単位ピクセル１００ｅの電位レベルの例を示す。
【０１９７】
図２０、図２３、及び図３４を参照すると、第１制御信号ＰＧＣＳ１が第１ロジックレベルを有する時、第１フォトゲート１３０により生成された第１電荷収集領域１２１は半導体基板１１０で発生した電荷を収集する。
【０１９８】
第１伝送ゲート（ＴＧ１）１５１及び第２伝送ゲート（ＴＧ２）１６１下方の基板領域が第１電荷収集領域１２１及び第２電荷収集領域１２２より低い電圧レベルを有する。これによって、集光時間の間、第１電荷収集領域１２１及び第２電荷収集領域１２２で収集された電荷は第１フローティング拡散領域１５３及び第２フローティング拡散領域１６３に伝送されない。
【０１９９】
図３５は、読出時間の間、電荷伝送が遂行される時の図２０〜図２３の単位ピクセル１００ｅの電位レベルの例を示す。
【０２００】
図２０、図２３、及び図３５を参照すると、電荷伝送が遂行される時、第１伝送ゲート（ＴＧ１）１５１及び第２伝送ゲート（ＴＧ２）１６１下方の基板領域は第１電荷収集領域１２１及び第２電荷収集領域１２２より高い電圧レベルを有する。これによって、第１ブリッジ拡散領域１５０に保存された電荷が第１フローティング拡散領域１５３に伝送され、第２ブリッジ拡散領域１６０に保存された電荷が第２フローティング拡散領域１６３に伝送される。
【０２０１】
図３６は、本発明の第１０の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
図３６を参照すると、光感知装置６００ａは光電変換部６１０、信号処理部６２０ａ、及び発光装置６４０を含む。
【０２０２】
光電変換部６１０は、入射光を電気的信号に変換する。光電変換部６１０は、単位ピクセルがマトリックス形態に配置されたピクセルアレイ６１１を含む。
【０２０３】
ピクセルアレイ６１１は、本発明の実施形態に係る単位ピクセル（１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ）を含む。
単位ピクセル（１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ）は、被写体との距離情報を生成できることより、光感知装置６００ａは距離測定センサ（Ｄｅｐｔｈ  ｓｅｎｓｏｒ）と称する場合もある。
【０２０４】
ピクセルアレイ６１１は、イメージ情報を取得するためのイメージピクセルをさらに含むことができる。この場合、イメージ情報と距離情報を通じて被写体を立体的に実現でき光感知装置６００ａは、３次元立体画像センサ（３Ｄ  Ｄｅｐｔｈ  ｓｅｎｓｏｒ）と称する場合もする。
実施形態により、光感知装置６００ａのイメージピクセルと単位ピクセル（１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ）との個数比は変更することができる。例えば、イメージピクセルと単位ピクセル（１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ）との個数比は１：１、２：１等であってもよい。
【０２０５】
光電変換部６１０は、赤外線フィルタ及び／または、カラーフィルタをさらに含むことができる。
例えば、赤外線フィルタは、単位ピクセル（１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ）の上部に形成することができ、カラーフィルタはイメージピクセル上部に形成することができる。また、光電変換部６１０は、集光のためのマイクロレンズをさらに含むことができる。
【０２０６】
信号処理部６２０ａは、ロードライバ６２１ａ、ＣＤＳ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  ｄｏｕｂｌｅ  ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）部６２２ａ、ＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ：アナログ−デジタル変換）部６２３ａ及びタイミングコントローラ６２９ａを含む。
【０２０７】
ロードライバ６２１ａは、ピクセルアレイ６１１の各ロー（ｒｏｗ）に接続され、各ローを駆動する駆動信号を生成する。例えば、ロードライバ６２１ａはピクセルアレイ６１１に含まれた複数の単位ピクセルをロー単位で駆動させることができる。
【０２０８】
ＣＤＳ部６２２ａは、キャパシタ、スイッチなどを用いて、リセット成分を示すアナログリセット電圧と入射光に相応する測定された信号成分を示すアナログデータ電圧との差を求めてアナログダブルサンプリング（ＡＤＳ；Ａｎａｌｏｇ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）を行って有効な信号成分に相応するアナログ電圧を出力する。ＣＤＳ部６２２ａはコラムラインと各々接続された複数のＣＤＳ回路を含み、有効な信号成分に相応するアナログ電圧を各コラム毎に出力する。
【０２０９】
ＡＤＣ部６２３ａは、有効な信号成分に相応するアナログ電圧をデジタル電圧に変換する。
ＡＤＣ部６２３ａは、基準信号生成器（ＲＥＦ）６２４ａ、比較部６２５ａ、カウンター６２６ａ、及びラッチ部６２７ａを含む。
基準信号生成器６４０は、基準信号、例えば、一定の傾斜を有するランプ信号を生成し、ランプ信号を比較部６２５ａに基準信号として提供する。
【０２１０】
比較部６２５ａは、ＣＤＳ部６２２ａから各コラム毎に出力されるアナログ電圧と基準信号生成器６２４ａから発生する基準信号を比較して有効な信号成分によるそれぞれの遷移時点を有する比較信号を出力する。
カウンター６２６ａは、カウント動作を行ってカウンティング信号を生成して、カウンティング信号をラッチ部６２７ａに提供する。
ラッチ部６２７ａは、コラムラインと各々接続された複数のラッチ回路を含み、各比較信号の遷移に応答してカウンター６２６ａから出力されるカウンティング信号を各コラム毎にラッチし、ラッチされたカウンティング信号を画像及び／または距離データとして出力する。
【０２１１】
タイミングコントローラ６２９ａは、ロードライバ６２１ａ、ＣＤＳ部６２２ａ、及びＡＤＣ部６２３ａの動作タイミングを制御する。タイミングコントローラ６２９ａは、ロードライバ６２１ａ、ＣＤＳ部６２２ａ、ＡＤＣ部６２３ａにタイミング信号及び制御信号を提供する。
【０２１２】
発光装置６４０は、所定の波長を有した光、例えば赤外線を出力する。例えば、発光装置６４０は、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）、レーザーダイオードなどを含むことができる。タイミングコントローラ６２９ｅは、発光装置６４０の動作タイミングを制御する。
発光装置６４０は、タイミングコントローラ６２９ｅにより周期的にターンオン及びターンオフされることによって、周期的に変動する強度を有する光を送信する。
【０２１３】
図３７は、本発明の第１１の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
【０２１４】
図３７を参照すると、光感知装置６００ｂは、光電変換部６１０、信号処理部６２０ｂ、及び発光装置６４０を含む。
信号処理部６２０ｂは、ロードライバ６２１ｂ、ＡＤＣ部６２３ｂ、及びタイミングコントローラ６２９ｂを含む。ＡＤＣ部６２３ｂは、基準信号生成器６２４ｂ、比較部６２５ｂ、カウンター６２６ｂ、第１ラッチ部６２７ｂ、及び第２ラッチ部６２８ｂを含む。
【０２１５】
光感知装置６００ｂは、第１ラッチ部６２７ｂ及び第２ラッチ部６２８ｂを利用してリセット成分に対するアナログ信号、及び測定された信号成分に対するアナログ信号を各々デジタル信号に変換した後に、この二つのデジタル信号の差を求めて、有効な信号成分を抽出するデジタルダブルサンプリング（ＤＤＳ；Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）を行う。
【０２１６】
ピクセルアレイ６１１は、リセット成分を示す第１アナログ電圧及び測定されたイメージ信号成分を示す第２アナログ電圧を各々出力する。
第１サンプリング工程で、比較部６２５ｂはリセット成分を示す第１アナログ電圧と基準信号生成器６２４ｂから発生する基準信号とを比較してリセット成分による遷移時点を有する比較信号を各コラム毎に出力する。
カウンター６２６ｂから出力されるカウンティング信号は第１ラッチ部６２７ｂに含まれる複数のラッチ回路に共通に提供され、各ラッチ回路は、相応する比較信号の遷移時点に応答してカウンター６２６ｂから出力されるカウンティング信号をラッチしてデジタル信号である第１カウント値を保存する。
【０２１７】
第２サンプリング工程で、比較部６２５ｂは測定されたイメージ信号成分を示す第２アナログ電圧と基準信号生成器６２４ｂから発生する基準信号とを比較して、イメージ信号成分に対応する遷移時点を有する比較信号を各コラム毎に出力する。
カウンター６２６ｂから出力されるカウンティング信号は、第２ラッチ部６２８ｂに含まれる複数のラッチ回路に共通に提供され、各ラッチ回路は、相応する比較信号の遷移時点に応答してカウンティング信号をラッチしてデジタル信号である第２カウント値を保存する。
第１ラッチ部６２７ｂ及び第２ラッチ部６２８ｂに保存された第１カウント値及び第２カウント値は、論理演算を行う内部回路に提供されて画像及び／または、距離データとして有効なイメージ信号成分に相当する値が計算され、このような方式で光感知装置６００ｂにてデジタルダブルサンプリングが行われる。
【０２１８】
図３８は、本発明の第１２の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
図３８を参照すると、光感知装置６００ｃは、光電変換部６１０、信号処理部６２０ｃ、及び発光装置６４０を含む。信号処理部６２０ｃは、ロードライバ６２１ｃ、ＡＤＣ部６２３ｃ、及びタイミングコントローラ６２９ｃを含む。ＡＤＣ部６２３ｃは基準信号生成器６２４ｃ、比較部６２５ｃ、及びカウンター部６２６ｃを含む。
【０２１９】
光感知装置６００ｃは、コラムラインと各々接続された複数のカウンターを含むカウンター部６２６ｃによって高速動作を行うことができ、また、デジタルダブルサンプリングを行うことができる。
【０２２０】
ピクセルアレイ６１１から出力されたアナログ信号は、比較部６２５ｃ及びカウンター部６２６ｃを含むＡＤＣ部６２３ｃによってデジタル信号に変換される。
比較部６２５ｃ及びカウンター部６２６ｃは、ピクセルアレイ６１１から各コラム毎に出力されるアナログ信号を並列的に処理するようにコラムラインと各々接続された複数の比較器及び複数のカウンターを含む。これと共に各コラム毎に備わった信号処理手段を利用して一つのローラインに接続された単位ピクセルから出力された信号を同時に処理することによって、光感知装置６００ｃは、動作速度やノイズ除去といった性能を増強することができる。
【０２２１】
ピクセルアレイ６１１は、リセット成分を示す第１アナログ信号及び測定されたイメージ信号成分を示す第２アナログ信号を各々出力して、第１アナログ信号及び第２アナログ信号に基づき、比較部６２５ｃ及びカウンター部６２６ｃを含むＡＤＣ部６２３ｃは、各コラム毎に、デジタル的に相関二重サンプリング、すなわちデジタルダブルサンプリングを実行する。
【０２２２】
図３４には、アナログダブルサンプリングを行う光感知装置６００ａの例を示し、図３７及び図３８にはデジタルダブルサンプリングを行う光感知装置６００ｂ、６００ｃの例を示したが、実施形態によって、光感知装置はスイッチキャパシタのようなアナログ回路を利用したアナログ相関二重サンプリングとデジタル回路を利用したデジタル相関二重サンプリングとを含むデュアル相関二重サンプリングを行うこともできる。
【０２２３】
図３９は、本発明の第１３の実施形態に係る単位ピクセルを含む光感知装置を示すブロック図である。
図３６〜図３８にはコラムごとにＡＤＣが行われる光感知装置（６００ａ、６００ｂ、６００ｃ）を示したが、図３９の光感知装置６００ｄは各コラムのアナログ信号を次々とデジタル信号に変換する一つのＡＤＣ６２３ｄを使う。
【０２２４】
図３９を参照すると、光感知装置６００ｄは、光電変換部６１０、信号処理部６２０ｄ及び発光装置６４０を含む。信号処理部６２０ｄは、ロードライバ６２１ｄ、ＣＤＳ部６２２ｄ、マルチプレクサー６３１、ＡＤＣ６２３ｄ、及びタイミングコントローラ６２９ｃを含む。
【０２２５】
ＣＤＳ部６２２ｄは、ピクセルアレイ６１１から出力されたリセット成分を示すアナログリセット電圧と入射光に相応する測定された信号成分を示すアナログデータ電圧の差を求めてアナログダブルサンプリングを行い、有効な信号成分に相応するアナログ電圧を各コラム毎に出力する。
マルチプレクサー６３１は、コラムラインを通じて伝送された有効な信号成分に相応するアナログ電圧を次々と出力する。ＡＤＣ６２３ｄは各アナログ電圧をデジタル電圧に変換してイメージや距離データを生成する。
【０２２６】
光感知装置６００ｄは、一つのＡＤＣ６２３ｄを採用して複数のコラムラインを通した出力信号を変換することによって、回路面積を減少させることができる。
【０２２７】
図４０は、図３６〜図３９の光感知装置を含むシステムを示す図である。
図４０を参照すると、システム７００は、光感知装置６００、プロセッサ７１０、メモリ装置７２０、入出力装置７４０、保存装置７３０、及び電源装置７５０を含んで構成される。
【０２２８】
プロセッサ７１０は、特定の計算又はタスクを実行する特定ソフトウェアを遂行するような、多様な計算機能を実行することができる。例えば、プロセッサ７１０はマイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）であることができる。プロセッサ７１０はアドレスバス、制御バスやデータバスを通じてメモリ装置７２０に接続される。例えば、メモリ装置７２０はダイナミックランダムアクセスメモリ（ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ、ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ｓｔａｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ、ＳＲＡＭ）、または消去可能なＰＲＯＭ（ｅｒａｓａｂｌｅ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ、ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｅｒａｓａｂｌｅ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ、ＥＥＰＲＯＭ）、及びフラッシュメモリ装置を含むすべての形態の非揮発性メモリであることができる。
【０２２９】
また、プロセッサ７１０は、周辺構成要素相互連結（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ、ＰＣＩ）バスのような拡張バスに接続される。
これによって、プロセッサ７１０はキーボードまたはマウスのような一つ以上の入力装置７４０、プリンタまたは、ディスプレイ装置のような一つ以上の出力装置７４０、または、ソリッドステート  ドライブ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｄｒｉｖｅ）、ハードディスクドライブ、またはＣＤ−ＲＯＭなどのような一つ以上の保存装置７３０を制御することができる。
【０２３０】
また、プロセッサ７１０はバスまたは、他の通信リンクを通じて光感知装置６００と通信することができる。システム７００はビデオカード、サウンドカード、メモリカード、ＵＳＢ装置などと通信するか、または、他のシステムと通信できるポートをさらに含むことができる。一実施形態において、光感知装置６００はマイクロプロセッサ、中央処理装置、または、デジタル信号処理器のようなプロセッサ７１０と共に集積することができ、メモリ装置７２０が共に集積することもできる。他の実施形態では、光感知装置６００とプロセッサ７１０は互いに異なるチップに集積することもできる。
【０２３１】
それと共に、光感知装置６００が３次元立体画像センサの場合、距離情報感知装置と画像情報感知装置が結合された１チップ形態または分離された２チップ形態が可能である。
システム７００は、動作電圧を供給するための電源７５０をさらに含む。
【０２３２】
システム７００は、コンピュータ、デジタルカメラ、３次元カメラ、携帯電話、ＰＤＡ、スキャナ、車両用ナビゲーション、ビデオフォン、監視システム、自動フォーカスシステム、追跡システム、動作感知システム、イメージ安定化システム、または、この他の光感知装置を利用するシステムであることができる。
【０２３３】
上述のように、本発明の実施形態に係る単位ピクセル及び光感知装置は、フローティング拡散（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）領域においての電荷伝送効率を向上させることができる。また、本発明の実施形態に係る単位ピクセル及び光感知装置は、イメージ及び距離情報の品質を向上させることができる。
【０２３４】
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０２３５】
本発明に係る単位ピクセル及びそれを含む光感知装置並びにそれを含むシステムは、コンピュータ、デジタルカメラ、３次元カメラ、携帯電話、ＰＤＡ、スキャナ、車両用ナビゲーション、ビデオフォン、監視システム、自動フォーカスシステム、追跡システム、動作感知システム、イメージ安定化システムなどに好適に利用される。
【符号の説明】
【０２３６】
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ    単位ピクセル
１１０    半導体基板
１１１    エピタキシャル層
１１２    埋め込みチャネル
１１２ａ、１１２ｂ    （第１、第２）埋め込みチャネル
１１３ａ、１１３ｂ    （第１、第２）ｐ型ドーピング領域
１２０    電荷収集領域
１２１、１２２    （第１、第２）電荷収集領域
１３０、１４０、１３０ａ、１４０ａ    （第１、第２）フォトゲート
１５０、１６０    （第１、第２）ブリッジ拡散領域
１５１、１６１    （第１、第２）伝送ゲート
１５３、１６３    （第１、第２）フローティング拡散領域
１７０、１８０    （第１、第２）出力部
１７１、１８１    （第１、第２）リセットトランジスタ
１７３、１８３    （第１、第２）ドライブトランジスタ
１７５、１８５    （第１、第２）選択トランジスタ
１９０    チャネルストップ領域
６００、６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｄ    光感知装置
７００    システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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