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자율주행차 핵심 라이다 센서 소자, 이제는 우리 기술로 만든다

- KIST, 단거리/중거리 라이다(LiDAR) 응용을 위한 고성능 센서 소자 개발

- 실제 반도체 양산 공정 기반으로 개발해 라이다 센서 소자 국산화 기대

라이다(LiDAR) 센서는 첨단운전자보조시스템(ADAS) 및 자율주행, AR·VR 등 첨단기술 실현에 없어서는 안 될 기술이다. 특히 AR·VR 기기나 스마트폰에서 사용되는 단거리/중거리용 라이다는 사람 혹은 사물의 모양을 더욱 정확히 감지하기 위해 더 우수한 거리 분해능1)이 요구되기 때문에 더욱 우수한 타이밍 지터 (Timing Jitter)2) 성능을 갖는 단일광자 검출기3)가 필요하다.

라이다는 발신부에서 방출한 광자가 물체에 부딪힌 후 반사되어 수신부에 다시 도달하는 시간을 계산하는 방식으로 거리를 측정하고 3D 입체 이미지를 생성한다. 

수신부의 단일광자 검출기가 광신호를 전기 신호로 변환하는 과정에서 발생되는 검출 시간의 미세한 차이를 ‘타이밍 지터’라고 하며, 이 지터 값이 작을수록 더욱 정확하게 물체를 인식할 수 있다.

거리 분해능(depth resolution): 동일 방향에 두 물체가 서로 가까워져 하나로 보이기 직전의 거리 차

타이밍 지터(Timing Jitter): 신호 타이밍상의 편차. 시간 흐트러짐

단일광자 검출기: 광자 하나를 검출할 수 있는 광검출기

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 차세대반도체연구소 이명재 박사팀이 40㎚ 후면 조사형4) CMOS 이미지센서5) 공정을 기반으로 ㎜ 수준으로 물체를 식별할 수 있는 ‘단광자 아발란치 다이오드(SPAD)6)’를 개발했다고 밝혔다.

단광자까지 검출 가능한 초고성능 센서 소자인 SPAD는 그 개발 난이도가 매우 높아 현재까지 일본의 Sony만이 90nm 후면 조사형 CMOS 이미지센서 공정을 기반으로 SPAD 기반 라이다 제품화에 성공해 애플 제품에 공급하고 있다. 

Sony의 SPAD는 이전까지 학계에서 보고된 후면조사형 단광자 아발란치 다이오드보다 우수한 효율 특성을 갖는다는 특징이 있지만, 이에 반해 약 137~2227)ps의 타이밍 지터 성능을 보여 단거리/중거리 라이다 응용에서 요구되는 사용자 구분, 제스처 인식 및 사물의 정확한 형태 인식을 구현하기에 부족했다.

후변 조사형(Backside Illumination, BSI)

CIS(CMOS Image Sensor): 빛을 전하로 변환하기 위한 광검출 소자와 전하들을 전압으로 변환하는 회로를 포함하는 픽셀로 구성되어, 고속 동작에 유리하고 소비 전력이 적으며 기본적으로 CMOS 공정을 기반으로 하므로 높은 집적도와 함께 낮은 제조 비용으로 대량 생산이 가능하다는 장점이 있음.

단광자 아발란치 다이오드(Single-Photon Avalanche Diode, SPAD)

ps = picosecond = 10^(-12)초 = 1조분의 1초

[그림 1] 단광자 아발란치 다이오드(SPAD)의 간략화된 단면

SK하이닉스 40nm 후면 조사형 CMOS 이미지센서 공정에서 개발된 KIST 단광자 아발란치 다이오드

그런데 KIST가 개발한 단광자 센서 소자는 타이밍 지터 성능을 56ps로 2배 이상 크게 향상시켰으며, 거리 분해능 또한 약 8㎜ 수준까지 향상돼 단거리/중거리용 라이다 센서 소자로서의 활용 가능성이 매우 높다. 특히 SK하이닉스와의 공동연구를 통해 양산용 반도체 공정인 40㎚ 후면 조사형 CMOS 이미지센서 공정을 기반으로 SPAD를 개발했기 때문에 즉각적인 국산화 및 제품화가 가능할 것으로 기대된다.

KIST 이명재 책임연구원은 “반도체 라이다 및 3D 이미지센서의 핵심 원천기술로 상용화될 경우 우리나라의 전략 산업인 메모리반도체에 더해 차세대 시스템반도체에서도 경쟁력을 크게 강화할 수 있을 것”이라고 기대했다.

한국과학기술연구원의 미래원천차세대반도체기술개발사업 및 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 원천기술개발사업으로 수행된 이번 연구성과는 12월 9일부터 13일까지 미국 샌프란시스코에서 열린 국제전자소자학회 「International Electron Devices Meeting 2023(IEDM 2023)」에서 12월 12일 발표되었다. IEDM은 SK하이닉스, 삼성전자, 인텔 등 주요 기업도 참석하는 반도체 분야 산학연 전문가들이 모이는 최고 권위의 학회다.

* 발표명: Back-Illuminated SPAD in 40nm CIS Technology Achieving 56ps Timing Jitter With 15V Breakdown Voltage for Short/Mid-Range LiDAR Applications

* 자료제공: KIST

* 자료편집: 핸들러전문지