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.

박막 포토다이오드(TFPD)는 단일 공정에 의해 제조 가능하다는 점이 뒷받침하는 독특한 광전자적 특성으로 상보성 금속-산화물-반도체(CMOS) 이미지 센서의 비전 기능을 보완할 수 있다. 할라이드 페로브스카이트는 큰 흡수 계수, 긴 캐리어 확산 길이, 높은 캐리어 이동도와 같은 뛰어난 광전자적 특성을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 이는 포토다이오드(PD)에서 높은 외부 양자 효율(EQE)과 빠른 전하 수송을 가능하게 하여, 다른 박막 포토다이오드 후보에 비해 특히 유리하다. 본 논문에서는 실리콘(Si) 판독 집적회로(ROIC)와 결합한 페로브스카이트 광검출 물질을 사용하여 고해상도 2차원(2D) 및 3차원(3D) 이미징 기능을 시연한다. 이 페로브스카이트 포토다이오드(PePD)를 Si ROIC에 통합함으로써 2D 이미징에 대한 미세한 해상도를 제공한다. PePD의 빠른 캐리어 수송 특성은 동일한 센서를 사용하여 물체의 깊이 감지를 가능하게 한다. 제안된 상부 전극 제어 간접 비행시간(iToF) 동작을, TFPD 이미지 센서 픽셀의 상부 공통 전극을 통한 빠른 PD 스위칭으로 지원함으로써 3D 이미징을 시연한다. Si ROIC 상의 PePD는 CMOS 이미지 센서 기술과의 결합을 통해 기존의 2D 이미징뿐 아니라 3D 감지를 향한 확장까지 가능하게 하여, 자동차, 증강현실(AR), 가상현실(VR) 분야에서의 유망한 응용과 함께 TFPD 이미징 플랫폼에 있어 의미 있는 이정표를 마련할 것으로 기대된다.

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.

박막 포토다이오드(TFPD)는 단일 공정에 의해 제조 가능하다는 점이 뒷받침하는 독특한 광전자적 특성으로 상보성 금속-산화물-반도체(CMOS) 이미지 센서의 비전 기능을 보완할 수 있다. 할라이드 페로브스카이트는 큰 흡수 계수, 긴 캐리어 확산 길이, 높은 캐리어 이동도와 같은 뛰어난 광전자적 특성을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 이는 포토다이오드(PD)에서 높은 외부 양자 효율(EQE)과 빠른 전하 수송을 가능하게 하여, 다른 박막 포토다이오드 후보에 비해 특히 유리하다. 본 논문에서는 실리콘(Si) 판독 집적회로(ROIC)와 결합한 페로브스카이트 광검출 물질을 사용하여 고해상도 2차원(2D) 및 3차원(3D) 이미징 기능을 시연한다. 이 페로브스카이트 포토다이오드(PePD)를 Si ROIC에 통합함으로써 2D 이미징에 대한 미세한 해상도를 제공한다. PePD의 빠른 캐리어 수송 특성은 동일한 센서를 사용하여 물체의 깊이 감지를 가능하게 한다. 제안된 상부 전극 제어 간접 비행시간(iToF) 동작을, TFPD 이미지 센서 픽셀의 상부 공통 전극을 통한 빠른 PD 스위칭으로 지원함으로써 3D 이미징을 시연한다. Si ROIC 상의 PePD는 CMOS 이미지 센서 기술과의 결합을 통해 기존의 2D 이미징뿐 아니라 3D 감지를 향한 확장까지 가능하게 하여, 자동차, 증강현실(AR), 가상현실(VR) 분야에서의 유망한 응용과 함께 TFPD 이미징 플랫폼에 있어 의미 있는 이정표를 마련할 것으로 기대된다.

근적외선(NIR) 형광 수명 이미징 현미경(FLIM) 응용을 위한 3개의 전이 게이트를 갖춘 후면 조사(backside illumination, BSI) 실리콘 기반 CMOS 이미지 센서(CIS)를 설계하고 최적화하였다. 보다 효율적인 형광 획득을 위해 샘플 손상 및 광표백을 회피하는 3-탭 설계를 고려하였다. NIR 범위에서 더 높은 외부 양자 효율(EQE)과 낮은 기생 광 민감도(PLS)를 얻기 위해 두꺼운 실리콘 기판과 p-웰 퍼널(p-well funnel)을 적용하였다. 또한 픽셀의 광전하 수집 속도를 조사하고 최적화하였다. 해당 3-탭 이미지 센서는 940 nm에서 42.6%의 높은 EQE와 −60 dB의 낮은 PLS를 보였으며, 픽셀 응답은 7.41 ns이다. 개발된 이미지 센서를 이용한 형광 수명 이미징을 705-nm 피크 방출을 예로 들어 정확도로 시연하였다.

우리는 RoHS를 준수하는 InAs 콜로이드 양자점(CQDs) 기반의 고성능 단파장 적외선(SWIR) 이미지 센서를 제시하며, 이는 InGaAs에 대한 비용 효율적인 대안이다. 본 InAs QDPD는 1200 nm에서 EQE >30%를 달성하고 누설 전류가 <10 µA/cm²이며, 성능은 1400 nm까지 연장된다. 3T 픽셀 아키텍처와 이중 변환 이득을 갖춘 실리콘 ROIC에 집적되어, 상관 이중 샘플링을 통해 83.5 dB의 동적 범위를 제공하고 잡음을 감소시킨다. 시연된 이미징은 연기와 실리콘을 통과하는 장면을 포함한다. 또한 향후 다중분광 SWIR 감지를 위한 메타표면 조절 광학 공진기를 도입한다.

이 논문은 유기, 콜로이드 양자점 및 페로브스카이트 포토다이오드에 기반한 박막 이미지 센서를 위한 고성능 픽셀 설계를 제시한다. 간단하면서도 효과적인 픽셀 구조의 개발을 통해 픽셀 노이즈를 감소시켜 고품질 이미지 센서를 구현하면서도 높은 해상도를 유지하거나, 글로벌 셔터 또는 3차원 이미지 센서를 가능하게 하는 기능을 추가한다. 개발된 박막 기반 이미지 센서의 픽셀 구조에 대한 대표적인 예시를 이미지 시연과 함께 제시하여 그 효과를 보여준다.

본 연구는 인듐 비소(InAs) 양자점 포토다이오드(QDPD)에 기반한 단일체(monolithically integrated) 단파장 적외선(SWIR) 이미지 센서를 제시한다. 박막 포토다이오드(TFPD) 구조는 실리콘 판독 집적회로(ROIC) 위에 직접 통합할 수 있게 하여 웨이퍼-투-웨이퍼 접합 공정을 제거하고, 납 기반 콜로이드 양자점(CQD) 소자에 대한 확장 가능하며 RoHS를 준수하는 대안을 제공한다. 제안된 3T 픽셀 설계에는 이중 변환 이득(DCG)이 포함되어 넓은 동적 범위 이미징이 가능하다. 제작된 프로토타입은 1200 nm에서 외부 양자 효율 28%, 1400 nm에서 4.8%를 달성하였으며, 동적 범위는 83.5 dB이다. 프레임 기반 디지털 상관 이중 샘플링(CDS) 방식은 리셋 레벨을 디지털 영역에 저장한 후 적분 후 이를 차감함으로써 리셋 kTC 노이즈를 억제하고, 랜덤 텔레그래프 신호(RTS) 노이즈를 완화한다. 영상화 시연 결과는 재료 판별, 연무를 통한 이미징, 실리콘 웨이퍼를 통한 투과와 같은 SWIR 특유의 기능을 부각한다. 또한, 이전에 보고된 SWIR 픽셀과의 성능 비교는 제안된 InAs QDPD 이미저가 경쟁력이 있음을 추가로 확인해 준다. 이러한 결과는 InAs QDPD를 차세대 SWIR 이미징을 위한 유망한 플랫폼으로 정립하며, 높은 감도, 확장된 스펙트럼 커버리지, 그리고 확장 가능한 통합성을 결합한다.

고성능, 저비용, 고에너지효율 적외선(IR) 포토디텍터는 차세대 센싱 기술의 핵심이지만, 기존 재료의 고유한 한계와 밴드 구조 설계의 제약으로 인해 발전이 제한되고 있다. 여기서는 현장에서 형성된 그래디언트 밴드 구조를 갖는 준금속-산화텔루륨 복합체(Te-in-TeO x )를 제안한다. 이는 Te와 TeO x 사이의 서로 다른 용융점과 레독스 동역학을 활용하는 단일 단계 열 증착 공정으로 구현된다. 이러한 조성 조절 구조는 반도체성(준금속성) Te의 강한 IR 흡수와 그 산화물 대응체의 낮은 암전류 및 안정성을 결합하는 한편, 형성된 에너지 밴드 그래디언트가 암전류를 억제한 채로 캐리어 분리와 수송을 촉진한다. p-형 Te-TeO x /n-Si 헤테로접합 기반 IR 포토디텍터는 무바이어스(0 V) 자체 구동 모드로 동작하며, 0.76 A/W의 높은 감도를 달성하고, 10 14 Jones를 초과하는 검출도, ≈4 pA에 이르는 극저 암전류를 보인다. 이는 시판 IR 디텍터와 동등하거나 그보다 우수한 성능을 제공한다. 또한 소자는 장기 공기 안정성(> 12개월)과 웨이퍼 스케일에서의 균일한 성능을 나타내며, IR 영상 및 광통신에서의 시연은 차세대 IR 포토디텍션을 위한 이 확장 가능하고 저비용의 밴드 구조 공학 전략의 실용적 잠재력을 추가로 부각한다.