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Nikkei Electronics_2021.2 Hot News (p17)

소니가 Si로 직접 ToF 소자 개발
업계 최고 수준의 효율 달성, 자율주행 차량용 LiDAR 목표

소니가 자율주행의 중핵인 LiDAR(Light Detection and Ranging) 부품 개발에 참여한다. 반도체소자학회에서 근적외광의 수광소자에 대해 발표했다. 이미지 센서와 더불어 LiDAR 부품을 개발함으로써 자동차 사업에서 더욱 공세를 펼친다.

Sony Semiconductor Solutions와 Sony Semiconductor Manufacturing이 수광소자가 되는 SPAD(Single Photon Avalanche Diode: 단일 광자 포토 다이오드)를 시작(試作)한 성과에 대해, 20년 12월 12~18일에 열린 ‘66th International Electron Devices Meeting(IEDM 2020)’에서 발표했다.

스마트폰용 3차원(3D) 센서나 자동차용 장거리 LiDAR에서는 ToF(Time of Flight) 방식으로 측거하는 것이 일반적이다. 근적외 레이저광을 조사해, 대상물에서 반사돼 되돌아오기까지의 시간을 산출하여 거리를 측정한다. ToF 방식은 측정 방법에 따라 간접방식(indirect ToF, iToF)과 직접방식(direct ToF, dToF)으로 크게 나뉜다.

이 중에 자동차용 장거리 LiDAR에서 다용되는 것이 dToF다. 소니는 dToF용 수광소자로서 고감도 SPAD를 시작(試作)했다. SPAD를 2차원으로 정렬 배열해 거리 이미지를 얻는다. 시작한 SPAD의 화소 사이즈는 10µm다. 회로부는 40nm 세대의 CMOS 제조 프로세스로 제작했다.

-- 재료에 Si를 사용해 저비용으로 --
SPAD의 비용을 크게 좌우하는 재료로서, 일반적인 이미지 센서와 마찬가지로 저가인 Si(실리콘)을 채용했다. Si의 빛 흡수계수는 근적외역에서 낮아 감도를 높이기 어렵다. 소니는 SPAD의 구조 등을 연구함으로써 효율을 높였다.

940nm의 근적외광에 대해, SPAD의 효율 지표가 되는 ‘PDE(Photon Detection Efficiency)’를 14.2%까지 높일 수 있었다. 기존의 SPAD와 비교해 3~4배 정도 크다. 또한 장거리 용도를 목표하면 1,550nm대와 같은 단파장 적외를 사용하는 타사 제품이 있지만 화합물 반도체가 필요하기 때문에 비싸진다.

PDE를 높이려고 하면 타이밍 지터(Timing Jitter)가 커져 측거 정밀도가 낮아진다. 역으로 타이밍 지터를 작게 하면 PDE를 높이기 어려운 과제가 있다. 그러나 소니는 높은 PDE를 실현하면서 타이밍 지터의 반전치폭(FWHM)을 173ps(피코초)로 억제했다. 또한 PDE는 눈사태 현상이 발생하는 효율을 포함하기 때문에 단순한 양자 효율과 비교해 낮아진다.

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