KIST 차세대반도체연구소 이명재 박사 연구팀(ADS Lab)에서 개발한 센서소자 칩을 측정 평가하는 모습 / 사진. 한국과학기술연구원

한국과학기술연구원(KIST)이 단거리·중거리용 라이다 센서 생산에 필수 소자인 고성능 ‘단광자 아발란치 다이오드(SPAD)’를 개발했다. 단광자 아발란치 다이오드는 라이다 센서 핵심인 타이밍 지터 성능을 56ps로 향상시킨 소자로, 양산용 반도체 공정인 40㎚ 후면 조사용 CMOS 이미지센서 공정 기반 개발이 진행돼 국산화 및 제품화가 가능할 것으로 기대된다.

KIST 차세대반도체연구소 이명재 박사 연구팀(ADS Lab)에서 개발한 초고성능 센서소자가 삽입된 반도체 칩 / 사진. 한국과학기술연구원

라이다 센서 핵심, 타이밍 지터
라이다(LiDAR) 센서는 첨단운전자보조시스템(ADAS) 및 자율주행, AR·VR 등 첨단기술을 실현할 수 있는 기술이다. 특히 AR·VR 기기나 스마트폰에서 사용되는 단거리·중거리용 라이다는 사람 혹은 사물의 모양을 정확히 감지하기 위해 우수한 거리 분해능(Depth Resolution)이 요구되기 때문에 더욱 정밀한 타이밍 지터(Timing Jitter) 성능을 갖는 단일광자 검출기가 필요하다.

라이다는 발신부에서 방출한 광자가 물체에 부딪힌 후 반사돼 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 작을 수록 정확하게 물체를 인식할 수 있다.

단광자 아발란치 다이오드(SPAD)의 간략화된 단면 / 사진. 한국과학기술연구원

고성능 센서 소자 국산화 기대
한국과학기술연구원(이하 KIST)은 차세대반도체연구소 이명재 박사팀이 40㎚ 후면 조사형 후면 조사형(Backside Illumination, BSI) CMOS 이미지센서 공정을 기반으로 ㎜ 수준으로 물체를 식별할 수 있는 ‘단광자 아발란치 다이오드(SPAD)’를 개발했다고 밝혔다. 그동안 업계에서는 단광자까지 검출 가능한 초고성능 센서 소자인 SPAD는 개발 난이도가 매우 높다고 여겨졌다.

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

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

KIST 차세대반도체연구소 이명재 박사 연구팀(ADS Lab) - 이번 연구를 주도한 (왼쪽에서 네번째) 이명재 책임연구원, (왼쪽에서 다섯번째) 박은성 학생연구원 / 사진. 한국과학기술연구원

국제학회 소개
KIST가 수행한 이번 연구는 지난 12월 9일(현지시각)부터 12월 13일까지 5일간 미국 샌프란시스코에서 열린 ‘국제전자소자학회(International Electron Devices Meeting 2024, IEDM 2023)’에서 발표돼 많은 참관객의 이목을 받았다. IEDM은 SK하이닉스, 삼성전자, 인텔 등 주요 글로벌 반도체 기업도 참석하며 반도체 분야 산학연 전문가들이 모이는 최고 권위의 학회다.

한편, 이번 연구는 KIST 미래원천차세대반도체기술개발사업 및 과학기술정보통신부의 원천기술개발사업으로 수행됐다.