본 논문은 110 nm CMOS 이미지 센서 기술을 이용하여 효율적인 에지 검출을 수행하는 누설 적분 및 발화(leaky integrate-and-fire, LIF) 모델 기반 단일광자 애벌랜치 다이오드(SPAD) 이미지 센서의 설계를 제시한다. SPAD의 디지털 펄스 출력 신호를 효과적으로 처리하기 위해 LIF 모델을 도입하였다. LIF 모델은 비동기 이벤트 기반 정보 처리를 통해 실시간 분석을 가능하게 하면서, 온칩 에지 검출 처리의 활용을 통해 계산적 중복성과 전력 소모를 동시에 최적화한다. 제안된 시스템은 각각의 단위에 대해 $16\times 16$ 크기의 SPAD 어레이와 LIF 모델을 사용하여 최종적으로 $16\times 16$ 해상도의 2-D 이미지를 출력하고 $8\times 8$ 해상도의 에지 이미지를 출력한다. 에지의 모든 유형(수평, 수직, 대각)을 구분하기 위해 LIF 모델 기반 시냅스 제어 방식과 함께 6종의 $2\times 2$ 시냅스 에지 마스크를 설계하였다. 제작된 칩은 동작 전력을 8.1 mW 이하로 낮추면서도 92%의 정확도로 효율적인 에지 검출을 보여주어, 제안된 구조의 타당성을 확인하였다.

상보성 금속-산화물-반도체(CMOS) 이미지 센서(CIS)에서는 색 정보 추출을 위해 베이어(Bayer) 패턴 컬러 필터 어레이(CFA)를 사용한다. 그러나 이러한 접근은 CFA로부터 신호가 손실되기 때문에 공간 해상도와 광 효율을 저하시킨다. 베이어 CFA에서 색 신호 손실은 녹색의 경우 약 50%, 적색과 청색의 경우 각각 약 75%이다. 본 논문은 공간 해상도를 유지하면서 광 효율을 향상시키기 위한 색 분리형 핀드 포토다이오드(PPD) 구조를 제안한다. 제안된 PPD에서는 천부 포토다이오드(PD)와 심부 포토다이오드(PD) 두 개의 PD를 심부 트랜스퍼 게이트(DTG)로 분리하여 통합한다. 이 구성은 입사광을 파장 의존적으로 분리할 수 있게 하며, 천부 PD는 단파장 광을 흡수하고 심부 PD는 장파장 광을 흡수한다. DTG 오프 상태 동안 DTG에 인가하는 전압을 조정함으로써 제안된 PPD는 서로 다른 파장에 해당하는 전자들을 서로 다른 PD에 선택적으로 축적하고, DTG 온 상태에서는 독립적인 판독이 가능하게 한다. 제안 구조의 유효성은 TCAD 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 잠재 퍼필, 광자 흡수 및 전자 수송 특성을 분석하여, 서로 다른 파장에서 생성된 전자들이 전기적으로 분리된 PD로 유도되고 이후 플로팅 디퓨전(FD) 노드로 전달됨을 확인하였다. 시뮬레이션 결과, 천부 PD는 적색광(650 nm)보다 청색광(450 nm)을 4.0배 더 많이 흡수하는 반면, 심부 PD는 청색광보다 적색광을 4.1배 더 많이 흡수하여, 제안된 픽셀 구조의 색 분리 능력을 보여준다. 우리는 제안된 구조가 해상도 및 효율이 향상된 차세대 고효율 이미지 센서 개발에 기여할 것이라 믿는다.