Recently, a wide dynamic range (WDR) technology in CMOS image sensor (CIS) has attracted much attention for applications such as the automotive, medical, and surveillance camera systems because it is able to capture clear images under various illumination intensities. For the automotive imaging systems, the WDR technology is necessary to be studied due to the safety of drivers and pedestrians. The various approaches to achieve WDR have been proposed including a linear-logarithmic active pixel sensor (APS), a multiple-sampling, a well-capacity adjustment, and a lateral overflow integration capacitor.
The linear-logarithmic APS is an attractive candidate because of its simple implementation and good compatibility with the conventional 4T pixel structure based on the pinned photodiode (PPD). However, the high fixed pattern noise (FPN) originated from the threshold voltage difference among the pixel transfer gates can significantly degrade the image quality. In the previous research to reduce the offset & gain FPN, the two-step charge transfer APS using the partial charge transfer operation was proposed. To apply this technology for the commercial automotive camera market, the further characterization and optimization of the temperature dependent performance are needed.
In this thesis, the main objective has been focused on an implementation of the temperature dependent FPN & output corrections for the two-step charge transfer APS. Based on the theoretical analysis of the device physics as well as the empirical study, the temperature dependent FPN & output corrections are characterized and studied with varying the temperature between $-30^\circ C$ and $60^\circ C$.
In order to verify this proposed method, the prototype CMOS image sensor with a 320 $\times$ 240 pixel array and a pixel pitch of $2.25 \mu m$ has been designed and fabricated in a $0.13 \mu m$ CIS process. The partial charge transfer and full well capacity (FWC) conditions depending on the temperature are optimized by compensating for the threshold voltage variation related to the temperature dependence. The measurement results show that the maximum output variation is considerably reduced to 0.23% of the output level, compared to 11.12% for the case of the conventional linear-logarithmic APS. The FPN is also reduced by 67.52% compared to the previous work.
In conclusion, the temperature dependent FPN characteristics are improved by less than 3LSB and almost the same output response curve is achieved regardless of the temperature change. These results indicate that the proposed method is appropriate to the automotive CMOS image sensor, which needs the wide dynamic range and the temperature stability.
다양한 wide dynamic range를 구현하는 기술 중, linear-logarithmic APS는 기존 픽셀 구조의 변경 없이 transfer gate의 sub-threshold 영역의 전류 특성을 활용하여 저 조도에서는 linear 응답을, 그리고 고 조도에서는 logarithmic 응답을 통하여 120dB 이상의 dynamic range 구현이 가능하다는 점에서 다양한 응용분야에 각광을 받고 있다. 그러나 transfer gate의 문턱전압 산포로 인하여 FPN이 크다는 치명적인 단점이 있어 이를 개선하고자 하는 연구가 꾸준히 진행되어 왔다. 이에 본 연구실에서는 partial charge transfer 동작을 활용한 two-step charge transfer ASP를 제안하여 효과적으로 FPN을 개선한 바 있다. 그러나 외부 환경에 민감한 특히 극저온에서부터 고온까지의 넓은 동작 온도 범위를 요구하는 automotive camera 특성 상 온도 변화에 따라 달라지는 특성에 대한 분석 및 개선이 필요하였다. 이에 본 논문에서는 온도 변화에 따라 달라지는 특성에 대하여 분석하였으며, 특히 극 저온에서 증가하는 FPN 및 온도 변화에 따라 output variation이 생기는 부분에 대한 개선에 중점을 두고 연구를 진행하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구그룹에서 내놓은 여러 방안들이 있지만, 추가 메모리를 사용하거나 look up table 사용 그리고 픽셀 구조의 변경 등이 필요하다는 단점이 있었다. 그러나 본 연구에서는 기존 픽셀 동작을 활용하여, 간단한 동작 조절을 통하여 이를 해결하고자 하였고 온도에 따른 FPN 및 output variation 문제를 효과적으로 해결하였다.
제안된 온도에 따른 FPN 및 output 보정 방법을 위해 samsung $0.13\mu m$ CIS 공정을 사용하여 제작된 CMOS image sensor chip을 활용하였다. 또한 automotive camera 시장에서 요구하는 극 저온에서부터 고온까지의 온도 특성을 분석하기 위하여 항온-항습 챔버에 테스트 보드의 setup 을 마친 후, 측정을 진행 하였다.
측정 결과를 통하여 온도 변화에 상관없이 동일한output response curve를 가지며 모든 조도 범위에서 3LSB 이하의 FPN 특성을 갖는 것을 확인하였다. 이는 기존 linear-logarithmic APS 대비 93.6% 이상의 향상된 성능이며, 기타 타 연구 그룹의 결과보다 향상된 것임을 알 수 있다. 또한 automotive camera의 상용화 요구사항인 넓은 동작 온도 범위에서 3LSB 이하의 FPN과 기타 특성 변화의 최소화를 만족함을 확인하였다. 따라서 제안된 방법이 간단한 픽셀 동작과 최소한의 메모리를 사용하여 온도 영향에 따른 FPN 및 output 특성을 보정하였기 때문에 앞으로 automotive camera 시장에서 활용가능성이 높을 것으로 판단 된다.
