일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.2.19
소니, 차량용 LiDAR 시작(試作)
300m 전방을 측정, 2022년에 SPAD 출하

소니는 차량 탑재 LiDAR(Light Detection and Ranging)용 수광소자인 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)센서를 개발해 2월 13일부터 온라인으로 시작된 ‘2021 International Solid-State Circuits Virtual Conference(ISSCC 2021)’에서 발표했다.

평가용으로 SPAD센서와 시판용 광원, MEMS 미러를 조합한 LiDAR 모듈을 시작(試作)해 성능을 조사한 결과, 최대 300m 전방을 15cm(0.15m) 간격이라는 높은 정밀도로 측정할 수 있었다고 한다. LiDAR가 아닌, 어디까지나 SPAD의 제품화를 목표로 하고 있는 소니는 2022년 초반에 차량 LiDAR용 SPAD의 샘플 출하를 계획하고 있다.

이번 SPAD센서는 소니 계열사의 연구그룹(Sony Semiconductor Solutions와 벨기에의 Sony Depthsensing Solutions, Sony LSI Disign)이 개발했다. SPAD센서는 화소 부분와 회로 부분을 적층한 이면조사형(Back-illuminated)으로, 위쪽의 화소부에 SPAD가 2차원 배열 형태로 나열되어있다.

SPAD란 입사된 하나의 광자(Photon)에서 눈사태처럼 전자를 증폭시키는 ‘애벌랜치(Avalanche) 증폭’을 이용하는 화소 구조로, 약한 빛도 적출할 수 있다는 것이 특징이다. 자동차용 장거리 LiDAR에서는 ToF(Time of Flight) 방식으로 거리를 측정하는 것이 일반적이다.

근적외 레이저광을 조사(照射)해 대상물로부터 반사되어 돌아오기까지의 시간을 산출해 거리를 측정하는 방식이다. ToF 방식 가운데 자동차용 장거리 LiDAR에서 많이 이용되는 것이 직접 ToF 방식으로, 수광소자에 고감도의 SPAD센서를 이용한다.

소니는 SPAD 효율의 지표가 되는 ‘PDE(Photon Detection Efficiency, 광자 검출 효율)’을 높임으로써 장거리 측거 기술로 발전시킬 수 있었다. 예를 들어 905nm의 근적외광에 대한 PDE는 22%로 높다. 이면조사형을 채택해 실효성 있는 개구율(Aperture ratio) 향상 등으로 PDE를 높인 것이다. 소니는 이에 대한 상세한 내용은 2020년 12월 개최된 ‘66th International Electron Devices Meeting(IEDM 2020)’에서 발표했다.

소니는 위쪽의 화소 부분과 아래쪽의 회로 부분을 ‘Cu-Cu(Copper Copper)접속’이라고 부르는 방법으로 접합해 이면조사형으로 만들었다. 각각의 화소 부분과 회로 부분의 외주(外周) 영역에 Si관통전극(TSV: Through Silicon Via)을 마련, 접속하는 기존의 방법에 비해 다화소화 및 생산성 향상으로 이어나갈 수 있다는 이점이 있다.

이번 SPAD의 화소 사이즈는 10μm로, 유효 화소 수는 약 11만 개(600x189 화소)로 많다. 하지만 감도를 높이기 위해 3x3 화소 분을 측거의 기본 단위로서 가산하고 있어 그 만큼 취득할 수 있는 거리 화소의 화소 수는 감소된다.

6x6 화소 분을 가산하는 동작 모드도 마련. 앞에서 소개한 300m 측거 시 정밀도 15cm라는 결과는 흐린 오후의 환경에서 높이 1m이고 반사율이 10%의 대상물을 6x6 화소의 가산 모드로 SPAD센서를 구동해 측거했을 때의 결과이다.

칩 사이즈는 7.8mmx6.9mm. 하나의 광자 당 응답(Deadtime)은 환경 온도 +60℃에서 60ns로 매우 빠르다. 소비전력은 1,192mW라고 한다.

차량용으로 온도의 특성도 높였다. -40~+125℃의 범위에서 안정적인 PDE와 응답을 유지할 수 있다고 한다. 예를 들어 -40℃에서의 PDE는 14%로, -25℃에서의 응답은 7ns이다.

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