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Nikkei Electronics_2021.5_Hot News_(p13-15)

소니, 한계 돌파한 새로운 이미지 센서
SPAD를 이용하여 CMOS를 초월

소니(Sony Semiconductor Manufacturing Corporation)는 Dynamic Range(DR)가 124dB로 넓고, 촬영 속도가 250프레임/초(fps)로 높은 새로운 이미지 센서를 시작(試作)했다. 이것은 일반적인 CMOS 이미지 센서로는 달성하기 어려운 성과다. 상세한 내용은 21년 2월에 열린 반도체업계의 올림픽이라고 부르는 국제학회 ‘2021 International Solid-State Circuits Virtual Conference(ISSCC 2021)’에서 발표했다. 고속이동체를 촬영해도 흔들림 없는 ‘Global Shutter(GS)’에 대응하므로 Machine Vision 용도를 상정하고 있다.

수광소자에 SPAD를 이용한다. SPAD는 입사(入射)한 하나의 광자(Photon)에서 눈사태처럼 전자를 증폭시키는 ‘애발란치 증배(Avalanche Multiplication)’를 이용하기 때문에 감도가 높아 어두운 곳에서 촬영하는 데 적합하다. SPAD를 이용함으로써 일반적인 CMOS 이미지 센서로는 달성하기 어려운, 120dB 이상의 DR과 250fps로 높은 프레임 속도를 양립시킨 글로벌 셔터 대응 제품을 실현할 수 있었다. 120dB라는 DR은, 달빛 정도(0.1lux)부터 태양광(10만 lux)까지 촬영 가능하다. 실용상, 거의 대부분의 어두운 곳부터 밝은 장소까지를 촬영할 수 있는 수준이라고 할 수 있다.

또한 넓은 DR, 높은 프레임 속도를 실현하면서 노이즈가 낮은 점도 특징이다. SPAD 이미지 센서의 경우, 디지털 판독(Digital Readout)이기 때문에 ‘리드 노이즈’는 원리적으로 0이 된다고 한다. 또한 이번 시작품은 일반적인 포토다이오드(PD)의 암전류에 상당하는 ‘다크 카운트’를 0.59 카운트로 낮게 억제했다. 이는 0.77e-rms에 상당하는 낮은 수치다.

-- 새로운 방법으로 DR을 확대 --
DR을 넓히기 위해 새로운 방법을 도입했다. 일장일단이 있는 기존 방법으로는 이번과 같은 성과를 달성하기가 어려웠다. 예를 들면, 카운터 회로를 다비트화해서 DR을 넓히는 방법이 있다. SPAD 센서로는 광자가 입사하면 펄스 상태의 전압 신호(트리거 펄스)가 발생한다. 이 펄스 수를 카운터 회로에서 검출해서 카운트한다. 이 때 카운트할 수 있는 광자의 수가 많을수록 밝은 장소를 촬영할 수 있다. 120dB를 초과하는 DR을 실현하기 위해서는 100만 개의 광자를 카운트할 수 있도록 20비트 이상의 카운터 회로가 필요하다고 한다.

그러나 카운터 회로의 비트 수가 많을수록 회로 규모가 커져서 소비전력이 증가하는 과제가 발생한다. 원래 SPAD를 이용하는 이미지 센서 판독 회로는 일반적인 PD(포토다이오드)를 이용하는 이미지 센서와 비교해 규모가 크고, 화소 수는 회로 규모에 좌우된다. 이 때문에 회로 규모가 크면 다화소화하기 어려워진다.

그래서 카운터의 비트 수를 억제하면서 DR을 넓히는 방법이 있다. 어두운 곳 촬영용과 밝은 곳 촬영용으로 각각 동작 모드를 바꿔서 복수의 이미지를 합성한다.

예를 들면, 어두운 곳에서 SPAD 모드로 촬영하고, 밝은 곳에서 일반적인 포도다이오드(PD)로 촬영한다. 혹은 어두운 곳에서 노출시간을 길게 하고, 밝은 곳에서 노출시간을 짧게 한다. 이러한 방법이라면 수 비트의 카운트로 100dB 이상의 DR을 실현할 수 있다. 그러나 여러 번의 판독이 필요해지기 때문에 그 만큼 프레임 속도를 높이기 어렵다는 과제가 있다. 또한 2개의 모드를 바꿀 때 SNR이 악화되는 현상(SNR dip)이 발생해 버린다

-- 9비트의 카운터로 외삽(Extrapolation) 처리를 조합 --
즉, SPAD 센서의 DR을 넓히는 기존의 방법에는 일장일단이 있다. 그래서 이번에 카운터 회로의 비트 수를 억제하면서 넓은 DR과 고속 촬영, 그리고 소비전력을 억제할 수 있는 회로 기술을 개발했다. 동작 모드를 바꿀 필요도 없고, SNR dip도 발생하지 않는다.

구체적으로는 카운터 회로의 비트 수를 9로 억제했다. 단, 9비트이기 때문에 512개를 초과하는 광자를 카운트하면 포화 상태가 된다. 그래서 일단 카운터의 동작을 멈추고, 지금까지 카운트한 광자를 바탕으로 실제 광자 수를 외삽(산출해서 추정)하도록 했다. 또한 포화 상태가 되지 않으면 카운터 회로는 계속 동작한다.

포화 상태가 되면 카운트 개시부터 포화 상태가 되기까지의 시간을 ‘Time Code(TC)’로서 기록한다. 다음으로 TC를 이용해, 실제 광자 수를 산출해 추정. TC 값은 14비트로, 기록은 리플 카운터를 구성하는 Flip Flop(FF) 회로로 시행한다. 즉, 카운터와 기록을 겸용한다. 이를 통해 카운터용과 기록용의 회로를 각각 준비하는 경우와 비교해 회로 규모를 억제했다. 또한 리플 카운터 1비트 분은 FF 회로 2개로 구성한다. 9비트로 FF 회로는 18개가 된다. 이 중에 14개를 이용해 14비트의 TC를 기록한다.

상술한 일련의 카운트 처리를, 1회의 노출(프레임) 시간을 20으로 분할한 서브프레임 별로 시행해 광자를 카운트한다. 20서브프레임분의 광자 수를 합계하고, 이를 1프레임분의 광자 수로 간주한다. 서브프레임을 분할한 것은 포화 후의 외삽으로 발생하는 오차를 억제하기 위해서다. 포화 후에 급격하게 밝아지면 외삽한 광자 수와 실제의 광자 수의 오차가 커진다. 이 오차를 억제하기 위해 서브프레임 별로 카운트하는 방법을 모색했다. 서브프레임 수를 20으로 한 이유는 글로벌 셔터로 촬영할 때 이미지에 발생하는 동체의 흔들림을 억제하기 위해서다.

이러한 서브프레임으로 분할하는 방법을 채용할 수 있었던 것은 SPAD의 리드 노이즈가 없다는 특성 때문이라고 한다. 여러 번 판독해도 리드 노이즈는 증가하지 않는다고 한다.

리플 카운터를 9비트로 한 것은 SNR을 40dB 이상으로 하기 위해서다. 카운트하는 광자 수가 많을수록 커지는 ‘산탄 잡음(Shot Noise)’을 억제하기 위해, 1회의 노출시간으로 카운트하는 광자의 상한을 약 1만 개로 설정. 이를 20개의 서브프레임으로 나누면 1개의 서브프레임당 약 500개가 된다. 그래서 카운터 비트 수를 9로 했다.

포화 상태가 되면 리플 카운터의 동작과 SPAD의 동작을 멈춘다. 이를 통해 100만 개의 광자를 카운트하는 경우와 비교해 소비전력을 약 1/100으로 줄일 수 있다고 한다.

-- 다화소화도 가능 --
이번에 시작(試作)한 SPAD 센서는 이면조사형으로, SPAD를 2차원 어레이 상태로 배치한 화소부가 위쪽에, 판독 회로 등의 회로부가 아래쪽에 위치한다. 위쪽의 화소부와 아래쪽의 회로부의 접합에는 ‘Cu-Cu(Copper Copper) 접속’을 이용했다. SPAD의 어레이 수는 수직 528개ⅹ수평 320개로, 화소 피치(간격)는 6.12μm다. 수직 2개ⅹ수평 2개를 1화소로 해서, 264ⅹ160화소의 이미지를 촬영할 수 있다.

이번 성과는 원리 확인이라는 차원으로 화소 수는 적다. 기술적으로 다화소화는 가능하다고 본다. 현재의 산업용 이미지 센서와 같은 수준까지 화소를 늘려 나갈 계획이라고 한다. 단, 다화소화할수록 프레임 속도의 고속화는 어려워진다. 그래도 다화소가 됐을 경우라도 SPAD는 디지털 판독이기 때문에 속도 향상이 쉬워 이 정도의 프레임 레이트가 가능하다. 또한 넓은 DR과 낮은 노이즈를 달성할 수 있다고 보고 있다.

또한 다화소화할 경우는 화각 사이즈의 제약으로 화소 사이즈를 축소할 필요가 생긴다. 이 점이 향후 개발 과제라고 한다.

 -- 끝 --

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