일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.2.26

소니의 차량탑재 LiDAR 소자
저비용화에 유리, 애플 채용이 순풍

소니가 차량탑재 LiDAR(Light Detection and Ranging) 부품으로 공세를 펼친다. 21년 2월, 긴 측거 성능과 저비용화의 양립을 노린 차량탑재 LiDAR용 수광소자의 성과를 발표했다. 큰 점유율을 차지하는 이미지센서 기술이나 애플 제품에 채용된 수광소자 기술을 차량탑재 용도로 응용하는 방법 등으로 실현한다고 한다. 22년에 샘플 출하를 목표한다. 자율주행의 ‘3대 보물’ 중 밀리파 레이더를 제외한 2종류를 확보해 자동차 분야에서 존재감을 강화한다.

소니는 20년 12월, 반도체 디바이스나 프로세스 기술에 관한 국제회의 ‘66th International Electron Devices Meeting(IEDM 2020)’에서 LiDAR의 수광부에 이용하는 높은 감도를 실현한 SPAD(Single Photon Avalanche Diode: 단일 광자 애벌런치 다이오드) 센서 기술에 대해 발표했다. 이번에 그 성과를 바탕으로 시판 레이저 광원과 MEMS 미러를 조합한 LiDAR 모듈을 시작(試作)해, 반도체 국제학회 ‘2021 International Solid-State Circuits Virtual Conference(ISSCC 2021)’에서 평가 결과 등을 공표했다.

소니는 SPAD 센서의 시판화까지 진행하고 모듈까지는 전개하지 않을 예정이다. 그래도 모듈 단위의 성능을 공개하기 때문에 센서의 주요 고객인 1차부품업체(티어1)에 강하게 어필할 수 있다.

SPAD는 일반적인 이미지센서와 비교해 감도가 높은 화소 구조를 갖춘 수광소자다. LiDAR에서 이용할 때는 SPAD를 2차원 어레이 상태로 나열해, 판독 회로 등의 회로부를 추가해 SPAD 센서로서 이용한다.

소니는 이번에 SPAD 어레이 밑에 판독 회로 등을 적층한 이면조사형 SPAD 센서를 개발했다. 또한 이 센서와 시판 발진 파장 905nm의 레이저 광원, MEMS 미러를 내장한 LiDAR 모듈을 시작(試作). 이 모듈을 이용한 측거 결과나 SPAD 센서의 판독 회로 기술 등에 대해 발표했다.

-- 무더위에서 150m 이상 앞을 측거, 흐린 하늘에서 300m --
자동차의 자율주행을 위한 LiDAR의 경우는 다양한 환경에서 측정 거리를 150m 이상으로 연장하는 것이 중요하다. 소니가 발표한 것은, 레이저 광원의 출력은 ‘클래스1’ 상당의 ‘아이세이프티(눈보호)’를 확보하기 위해 45W로 일반적인 수준이면서, 11만 7,000lx(룩스)라는 한여름 무더위 환경에서 측거했을 때 150m 앞에 있는 반사율 10%로 낮은 물체나 200m 앞에 있는 반사율 95%로 높은 물체까지의 거리를 고정밀도로 계측할 수 있었다는 것이다. 태양광이라는 강한 노이즈원이 존재함에도 각각 정밀도는 15cm 미만과 30cm 미만으로 높다. 프레임 속도도 20 프레임/초(fps)로 빠르다.

또한 1만 룩스 전후의 흐린 날 한낮의 환경이라면 300m 앞을 정밀도 15cm로 측정할 수 있다고 한다. 높이 1m에 반사율 10%의 대상물을 6ⅹ6 화소의 가산 모드에서 SPAD 센서를 작동시켜 측정했을 때의 결과다.

타사의 성과이지만 수만 룩스(lx) 이상의 환경에서 150~200m의 장거리를 측정할 수 있는 LiDAR용 수광소자의 성과는 있다. 그러나 소니의 것과 비교해 측거 오차가 1m 정도로 크거나 프레임 속도가 수 fps로 느리다는 과제가 있었다. 소니의 성과는 모든 성능의 수준이 높아 밸런스가 뛰어나다.

측거 성능 등이 뛰어난 이유는 SPAD의 화소 구조 등을 연구해 효율을 높였기 때문이다. IEDM 2020에서는 940nm의 근적외광에 대해 SPAD 효율의 지표가 되는 ‘PDE(Photon Detection Efficiency, 광자검출효율)’를 14.2%까지 높였다는 사실을 어필했다. 기존의 Si제 SPAD와 비교해 3~4배 정도 크다. ISSCC 2021의 LiDAR에서 이용한 905nm에 대한 PDE는 22%로 높다.

-- 이면조사형으로 칩 면적을 삭감 --
소니의 성과는 성능 면과 더불어 비용 면에서도 우위성이 있다. 가격을 낮추기 쉬운 905nm의 파장을 채용했고, 칩 사이즈를 줄였던 것도 주효했다. 이 파장대의 경우는 Si(실리콘)와 CMOS 제조 프로세스로 수광소자를 제작할 수 있기 때문에 비용을 억제하기 쉽다. 또한 칩 사이즈와 비용은 크게 관련이 있다. SPAD의 화소 사이즈는 10µm다. 어레이 수는 수평 600개, 수직 189개로 유효 화소 수는 약 11만으로 비교적 많은데도 불구하고 칩 사이즈는 7.8mm×6.9mm로 작다.

기존의 SPAD 센서의 경우는 칩 사이즈를 작게 하면 화소 수가 감소하는 과제가 있었다. 일반적인 이미지센서와 비교해 판독 회로 등의 회로부가 크기 때문이다. SPAD에서는 화소부와 회로부를 동일 평면 상에 나열하는 것이 주류이기 때문에 회로부가 클수록 화소부의 면적이 줄어 화소부를 늘리기 어려워진다. 그래서 소니는 위쪽에 화소부를, 아래쪽에 회로부를 배치하는 이면조사형을 채용했다.

이면조사형 제조법 중에서도 생산성을 높이기 쉬운 방법을 적용했다. 위쪽의 화소부와 아래쪽의 회로부를 접합하는 ‘Cu-Cu 접속’이다. 기존에는 화소부와 회로부 각각의 외주 영역에 Si 관통전극(TSV：Through Silicon Via)을 만들어 접속했었다. Cu-Cu 접속은 TSV의 공정이 필요 없기 때문에 택타임(Takt time)을 단축할 수 있다. 소니는 Cu-Cu 접속을 업계에서 가장 먼저 이미지센서 제품에 채용하고 있다. 이번에 SPAD 센서에 응용했다.

이면조사형의 채용을 통해 차량탑재용과 민생용에서 주요 구성을 공통화함으로써 양산 규모를 늘리기 쉬워질 것이다. 화소부와, 용도에 따라 변경하는 회로부를 분리해 개발하기 쉽기 때문이다. 실제로 화소부의 성과를 발표한 IEDM 2020에서는 차량탑재 용도뿐 아니라 민생 용도, 즉 모바일 기기에 폭넓게 사용할 수 있다는 점을 어필했었다.

소니는 밝히지 않았지만 애플의 태블릿 단말 ‘iPad Pro’나 스마트폰 ‘iPhone 12 Pro’ 시리즈의 LiDAR에는 소니의 SPAD 센서가 채용되었다. 만약 애플이 소니의 LiDAR를 계속 채용한다면 화소부의 웨이퍼로 양산 효과를 전망할 수 있다.

또한 iPad Pro에 탑재한 소니의 SPAD의 화소 크기는 10µm로 이번과 같다. 단면 사진을 보면, 노이즈원인 빛의 크로스 토크를 억제하기 위한 깊은 트렌치 구조도 이번과 닮아 있는 등 공통성을 엿볼 수 있다.

민생 용도와 달리 차량탑재 용도에서는 높은 신뢰성이 요구된다. 그 점에서도 소니는 대책에 여념이 없다. 이번에 ISSCC에서 온도 특성에 대해 발표했다. -40~+125℃의 범위에서 안정적인 PDE나 광자에 대한 응답(데드 타임)을 유지할 수 있다고 한다.

소니가 자사의 SPAD 센서를 자동차업체에 납품하기 위해서는 LiDAR 업체나 대형 차량탑재 부품업체와 협력할 필요가 있다. 소니는 이미지센서 부문에서 덴소와 협력해 도요타자동차의 단안카메라에 채용한 실적이 있다. 그 실적을 지렛대로 삼아 소니가 장거리 LiDAR 소자에서 태풍의 눈이 될 것으로 보인다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.