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 ソニーは、車載LiDAR(Light Detection and Ranging)に向けた受光素子であるSPAD(Single Photon Avalanche Diode:単一光子アバランシェダイオード)センサーを開発し、2021年2月13日からオンラインで始まった「2021 International Solid-State Circuits Virtual Conference(ISSCC 2021)」で発表した。評価用に同センサーと市販の光源とMEMSミラーを組み込んだLiDARモジュールを試作し、性能を調べたところ、最大300m先を15cm(0.15m)間隔という高い精度で測定できたとする。LiDARではなく、あくまでSPADの製品化を狙う。22年初頭に車載LiDAR用SPADのサンプル出荷を目指す。

開発したSPADセンサー
開発したSPADセンサー
(出所:ソニー)
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評価用に試作したLiDARモジュール
評価用に試作したLiDARモジュール
(出所:ISSCCとソニー)
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 ソニー各社の研究グループ(ソニーセミコンダクタソリューションズとベルギーSony Depthsensing Solutions、ソニーLSIデザイン)がSPADセンサーを開発した。同センサーは画素部と回路部を積層した裏面照射型で、上方の画素部にSPADを2次元アレー状に配列している。

 SPADとは、入射した1つの光子(フォトン)から、雪崩のように電子を増幅させる「アバランシェ増倍」を利用する画素構造で、弱い光でも検出できることが特徴である。自動車用の長距離LiDARでは、ToF(Time of Flight)方式で測距するのが一般的。近赤外のレーザー光を照射し、対象物で反射して戻ってくるまでの時間を算出して距離を測る。ToF方式のうち自動車向け長距離LiDARで多用されるのが直接ToFで、受光素子に高感度なSPADセンサーを用いる。

 SPADの効率の指標となる「PDE(Photon Detection Efficiency、光子検出効率)」を高めたことで、長距離測距につなげた。例えば905nmの近赤外光に対するPDEは22%と高い。裏面照射型の採用による実効的な開口率の向上などでPDEを高めた。なお、詳細を20年12月開催の「66th International Electron Devices Meeting(IEDM 2020)」で発表した。

波長とPDE(光子検出効率)
波長とPDE(光子検出効率)
(出所:ソニー)
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 上側の画素部と下側の回路部を「Cu-Cu(カッパー・カッパー)接続」と呼ぶ手法で接合し、裏面照射型にしている。画素部と回路部それぞれの外周領域にSi貫通電極(TSV:Through Silicon Via)を設けて接続する従来法に比べて、多画素化と生産性の向上につながる利点がある。

SPADセンサーの構造
SPADセンサーの構造
(出所:ソニー)
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 今回のSPADの画素サイズは10μmで、有効画素数は約11万(600×189画素)と多い。ただし、感度を高めるために3×3画素分を測距の基本単位として加算しており、その分、取得できる距離画像の画素数は減る。6×6画素分を加算する動作モードも用意。前述の300m測距時で精度15cmという結果は、昼間の曇り空の環境下で、高さ1mで反射率10%の対象物を、6×6画素の加算モードでSPADセンサーを駆動して測距した際の結果である。

 チップサイズは7.8mm×6.9mm。一光子当たりの応答(デッドタイム)は、環境温度+60℃で6nsと高速である。消費電力は1192mWとする。

 車載向けに温度特性も高めた。-40~+125℃の範囲で安定的なPDEと応答を維持できるという。例えば、-40℃でのPDEは14%で、-25℃での応答は7nsである。

温度特性
温度特性
(出所:ソニー)
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