[보고서]자율주행차량용 저조도·고감도 근적외선센서 핵심기술 개발

백창기

자율주행차량용 저조도·고감도 근적외선센서 핵심기술 개발
Development of high sensitive and low luminance near infrared core sensor technology for Autonomous vehicles 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	포항공과대학교 Pohang University of Science and Technology
연구책임자	백창기
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2018-12
과제시작연도	2018
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO201900019594
과제고유번호	1711075255
사업명	미래선도기술개발(R&D)
DB 구축일자	2020-04-11
키워드	광부품.자율주행차.반도체.근적외선.Optical Component.Autonomous Vehicle.Semiconductor.Near-Infrared.

초록 ▼

□ 자율주행기술 구현을 위한 저조도·고감도 근적외선센서 원천기술개발
- 전산모사기술기반 SPAD 센서 단위공정 설계 및 광·전기적 특성예측
- 실리콘 반도체 공정기술기반 SPAD 센서 단위공정기술개발 및 센서 시작품제작
□ 온·오프라인기획을 통한 다양한 의견반영
- 오픈크라우드 페이지 활용을 통한 일반인·연구자·수요자의 의견수렴(3회 업데이트 / 총 84 댓글)
- 기술교류회 및 사업설명회를 통한 산학 전문가의견수렴, 수요처와 공동연구탐색(전체 4회 수행 / 총 29개 기관 참여)

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 2
보고서 요약서 ... 3
요약문 ... 4
목차 ... 5
1. 연구개발과제의 개요 ... 6
1-1. 추진배경 및 필요성 ... 6
1-2. 현황 및 문제점 ... 6
1-3. 정부지원 필요성 ... 7
1-4. 先기획 연구 개발의 필요성 ... 8
2. 연구수행내용 및 성과 ... 9
2-1. 총괄 연구수행내용 및 성과정리 ... 9
2-2. 온·오프라인 기획활용 ... 9
2-3. 저조도·고감도 근적외선 센서 제작을 위한 SPAD 소자 구조 설계 ... 15
2-4. SPAD 소자의 단위공정 기술 개발 ... 33
3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 48
3-1. 목표 ... 48
3-2. 목표 달성여부 ... 48
3-3. 추가 연구 내용 ... 49
3-4. SPAD 근적외선 분야 기술발전 기여도 ... 50
3-5. 후속 연구의 필요성 ... 51
4. 연구개발성과의 활용 계획 ... 53
4-1. 연구 성과의 활용 분야 및 방안 ... 53
4-2. 추가 연구 계획 ... 54
4-3. 기술이전 전략 ... 54
붙임. 참고문헌 ... 56
끝페이지 ... 57

표/그림 (60)

표 세계 자율주행차 기술 로드맵 (Yole Developpement (2015))

표 국내 자율주행기술 현황 및 문제점

표 연구수행내용 및 성과정리

표 근적외선 SPAD 소자 전산모사 모식도

표 PN 접합 설계 개념도

표 PN 접합 구조 최적화를 위한 다이오드 소자 디자인

표 PN 접합 소자의 p-type 도핑 농도에 따른 항복전압 (Breakdown Voltage) 예상 값

표 PN 접합 소자의 p-type 도핑 농도에 따른 (a) 전류-전압 특성과 (b) 전계 분포도

표 SPAD 소자 기본 동작 구현을 위한 PN 접합 설계 및 전산모사 결과 정리

표 SPAD 대칭형 단위소자 단면 (좌) 및 실제 전산모사 이용구조 (우)

표 (a) 가드링 미적용 SPAD 단위소자의 전류-전압 곡선. SPAD 단위소자의 항복전압 (11.1 V)에서의 (b) 전계 세기 분포, (c) 전류 밀도 분포

표 두 가지 구조의 가드링 단면도 (a) Symmetric 가드링 (b) Asymmetric 가드링 구조

표 (a) Symmetric & Asymmetric 가드링 구조 전류-전압 특성. Electric field 분포 (b) Symmetric 가드링, (c) Asymmetric 가드링

표 가드링 크기 최적화를 위한 P-i-N 다이오드 도면 ㉮ Intrinsic 영역 도핑 농도 : 1×1015/cm3, symmetric 가드링과 같은 도핑 농도 ㉯ Intrinsic 영역 너비 (x) : 200 nm ~ 5.5 μm

표 P-i-N 소자의 intrinsic 영역 너비 변화에 따른 최대 전계 세기 분포. (Cathode voltage 20 V 조건)

표 가드링 너비 최적화를 위한 단위 SPAD 소자 구조 (가드링의 너비를 변수로 설정)

표 가드링 너비 변화에 따른 최대 목표 동작 전압 (25 V)에서의 전류 밀도 분포 : (a) 3 μm, (b) 1.4 μm, (c) 1.3 μm, (d) 1 μm, (e) 가드링 너비별 전류-전압 곡선

표 가드링의 도핑 농도 최적화를 위해 설계된 SPAD 단위소자와 가드링 구조

표 (a) 가드링 도핑 농도별 전류-전압 곡선, (b) 가드링 도핑 농도 1×1017/cm3 소자의 충돌 이온화 확률 분포

표 가드링 농도 (a) 1× 1015/cm와 (b) 1×1016/cm3 소자 내부 전계 분포, (c) 활성영역 edge 부근의 수평 단면 전계 세기 곡선

표 SPAD 단위소자 어레이화를 위한 최적 구조 소자 단면

표 SPAD 단위소자 어레이화 최적 구조의 최대 목표 동작 전압 (25 V)에서의 (a) 전계 세기 분포, (b) 활성영역 edge 부근 수평 단면 전계 세기 분포, (c) 활성영역 전류 밀도 분포, (d) 전류-전압 곡선

표 전산모사 결과를 이용한 충돌 이온화 성능 평가 지표 (PDP) 계산 모식도

표 (a) 활성영역 근처에서 출발한 전하의 전계에 의한 경로적분, (b) SPAD 소자 내부 각 지점에서의 충돌 이온화 확률 분포, (c) 활성영역 내의 수직 단면 깊이에 따른 충돌 이온화 확률

표 기존 P+/n-well 소자와 graded P+/n-well 소자의 활성영역 내 수직 단면 깊이에 따른 도핑 농도 분포도

표 기존 P+/n-well 소자와 graded P+/n-well SPAD 소자의 (a) 전류-전압 곡선, (b) 활성영역 내 수직 단면의 깊이에 따른 전계 세기 곡선

표 900 nm 파장, 500 pW 강도의 빛에 대한 (a) 광전류-전압 곡선, (d) 반응도-전압 곡선

표 (a) Graded P+/n-well 소자의 각 지점에서의 충돌 이온화 확률 분포, (b) 활성 영역 내 수직 단면 깊이에 따른 이온화 확률 곡선

표 저조도․고감도 근적외선 센서 제작을 위한 SPAD 소자 구조 설계 기술 개발

표 공정 레퍼런스를 위한 전산모사 구조

표 열처리 공정의 온도 및 시간 변화에 따른 활성영역 구조 분석

표 활성영역의 미세 패터닝을 위한 불순물 주입 공정 및 열처리 공정 조건

표 활성영역 형성을 위한 패터닝 공정 흐름도

표 비활성 영역의 불순물 주입방지 성능 검증을 위한 SIMS 분석 (NNFC 2,000 KeV Sample)

표 비활성 영역의 불순물 주입방지 성능 검증을 위한 SIMS 분석 (NINT 200 KeV Sample)

표 비활성 영역의 불순물 불순물 주입 및 열처리 공정 검증을 위한 SIMS 분석 (NNFC 2,000 KeV Sample)

표 비활성 영역의 불순물 불순물 주입 및 열처리 공정 검증을 위한 SIMS 분석 (NINT 200 KeV Sample)

표 주입된 불순물 공정에 의한 도핑 범위 및 농도 분석 결과

표 다중 불순물 주입 공정 조건

표 다중 불순물 주입을 통해 형성된 활성영역의 도핑 프로파일 분석

표 활성영역 최적화를 위한 불순물 주입 공정 조건

표 2,000 KeV & 1,000 KeV 다중 불순물 주입 후 도핑농도 분석

표 p+-Si 농도에 따른 공핍영역의 폭

표 PN 접합 형성을 위한 Graded & Shallow Junction 조건설계

표 깊이에 따른 Boron 도핑농도 분포 분석

표 Proto-type SPAD 소자 공정 흐름도

표 (좌) 불순물 주입 공정 후 8인치 실리콘 웨이퍼, (우) 후속 공정을 위한 산화막 측정

표 (좌) 산화막 증착을 위한 PECVD 공정 진행, (우) 열처리 공정을 위한 SiO2(100 nm) 증착

표 SPAD 활성영역 형성을 위한 감광액 패터닝, Shallow junction 영역, Align key

표 습식식각 공정 후, 손상된 Shallow junction 영역의 가장자리 및 align key

표 습식 식각 및 건식 식각 공정 모식도

표 Dry DRIE etching 공정 후 웨이퍼, 활성영역 가장자리 및 align key pattern

표 금속배선 공정 후의 wafer, anode 금속전극 및 align key

표 Proto-type SPAD 소자 dicing 조건 및 dicing 완료 소자

표 근적외선 센서 소자 특성 분석

표 SPAD 단위소자 IV 그래프 및 근적외선 (905 nm) 광검출 특성

표 역방향 바이어스에 따른 Breakdown (항복) 전압

표 SPAD 소자 제작을 위한 핵심 단위 공정 기술 개발

표 근적외선 이미지 센서 활용분야 및 응용예시

표 근적외선 센서원천기술 기술이전 전략

표/그림 (60)

표 세계 자율주행차 기술 로드맵 (Yole Developpement (2015))

표 국내 자율주행기술 현황 및 문제점

표 연구수행내용 및 성과정리

표 근적외선 SPAD 소자 전산모사 모식도

표 PN 접합 설계 개념도

표 PN 접합 구조 최적화를 위한 다이오드 소자 디자인

표 PN 접합 소자의 p-type 도핑 농도에 따른 항복전압 (Breakdown Voltage) 예상 값

표 PN 접합 소자의 p-type 도핑 농도에 따른 (a) 전류-전압 특성과 (b) 전계 분포도

표 SPAD 소자 기본 동작 구현을 위한 PN 접합 설계 및 전산모사 결과 정리

표 SPAD 대칭형 단위소자 단면 (좌) 및 실제 전산모사 이용구조 (우)

표 (a) 가드링 미적용 SPAD 단위소자의 전류-전압 곡선. SPAD 단위소자의 항복전압 (11.1 V)에서의 (b) 전계 세기 분포, (c) 전류 밀도 분포

표 두 가지 구조의 가드링 단면도 (a) Symmetric 가드링 (b) Asymmetric 가드링 구조

표 (a) Symmetric & Asymmetric 가드링 구조 전류-전압 특성. Electric field 분포 (b) Symmetric 가드링, (c) Asymmetric 가드링

표 가드링 크기 최적화를 위한 P-i-N 다이오드 도면 ㉮ Intrinsic 영역 도핑 농도 : 1×1015/cm3, symmetric 가드링과 같은 도핑 농도 ㉯ Intrinsic 영역 너비 (x) : 200 nm ~ 5.5 μm

표 P-i-N 소자의 intrinsic 영역 너비 변화에 따른 최대 전계 세기 분포. (Cathode voltage 20 V 조건)

표 가드링 너비 최적화를 위한 단위 SPAD 소자 구조 (가드링의 너비를 변수로 설정)

표 가드링 너비 변화에 따른 최대 목표 동작 전압 (25 V)에서의 전류 밀도 분포 : (a) 3 μm, (b) 1.4 μm, (c) 1.3 μm, (d) 1 μm, (e) 가드링 너비별 전류-전압 곡선

표 가드링의 도핑 농도 최적화를 위해 설계된 SPAD 단위소자와 가드링 구조

표 (a) 가드링 도핑 농도별 전류-전압 곡선, (b) 가드링 도핑 농도 1×1017/cm3 소자의 충돌 이온화 확률 분포

표 가드링 농도 (a) 1× 1015/cm와 (b) 1×1016/cm3 소자 내부 전계 분포, (c) 활성영역 edge 부근의 수평 단면 전계 세기 곡선

표 SPAD 단위소자 어레이화를 위한 최적 구조 소자 단면

표 SPAD 단위소자 어레이화 최적 구조의 최대 목표 동작 전압 (25 V)에서의 (a) 전계 세기 분포, (b) 활성영역 edge 부근 수평 단면 전계 세기 분포, (c) 활성영역 전류 밀도 분포, (d) 전류-전압 곡선

표 전산모사 결과를 이용한 충돌 이온화 성능 평가 지표 (PDP) 계산 모식도

표 (a) 활성영역 근처에서 출발한 전하의 전계에 의한 경로적분, (b) SPAD 소자 내부 각 지점에서의 충돌 이온화 확률 분포, (c) 활성영역 내의 수직 단면 깊이에 따른 충돌 이온화 확률

표 기존 P+/n-well 소자와 graded P+/n-well 소자의 활성영역 내 수직 단면 깊이에 따른 도핑 농도 분포도

표 기존 P+/n-well 소자와 graded P+/n-well SPAD 소자의 (a) 전류-전압 곡선, (b) 활성영역 내 수직 단면의 깊이에 따른 전계 세기 곡선

표 900 nm 파장, 500 pW 강도의 빛에 대한 (a) 광전류-전압 곡선, (d) 반응도-전압 곡선

표 (a) Graded P+/n-well 소자의 각 지점에서의 충돌 이온화 확률 분포, (b) 활성 영역 내 수직 단면 깊이에 따른 이온화 확률 곡선

표 저조도․고감도 근적외선 센서 제작을 위한 SPAD 소자 구조 설계 기술 개발

표 공정 레퍼런스를 위한 전산모사 구조

표 열처리 공정의 온도 및 시간 변화에 따른 활성영역 구조 분석

표 활성영역의 미세 패터닝을 위한 불순물 주입 공정 및 열처리 공정 조건

표 활성영역 형성을 위한 패터닝 공정 흐름도

표 비활성 영역의 불순물 주입방지 성능 검증을 위한 SIMS 분석 (NNFC 2,000 KeV Sample)

표 비활성 영역의 불순물 주입방지 성능 검증을 위한 SIMS 분석 (NINT 200 KeV Sample)

표 비활성 영역의 불순물 불순물 주입 및 열처리 공정 검증을 위한 SIMS 분석 (NNFC 2,000 KeV Sample)

표 비활성 영역의 불순물 불순물 주입 및 열처리 공정 검증을 위한 SIMS 분석 (NINT 200 KeV Sample)

표 주입된 불순물 공정에 의한 도핑 범위 및 농도 분석 결과

표 다중 불순물 주입 공정 조건

표 다중 불순물 주입을 통해 형성된 활성영역의 도핑 프로파일 분석

표 활성영역 최적화를 위한 불순물 주입 공정 조건

표 2,000 KeV & 1,000 KeV 다중 불순물 주입 후 도핑농도 분석

표 p+-Si 농도에 따른 공핍영역의 폭

표 PN 접합 형성을 위한 Graded & Shallow Junction 조건설계

표 깊이에 따른 Boron 도핑농도 분포 분석

표 Proto-type SPAD 소자 공정 흐름도

표 (좌) 불순물 주입 공정 후 8인치 실리콘 웨이퍼, (우) 후속 공정을 위한 산화막 측정

표 (좌) 산화막 증착을 위한 PECVD 공정 진행, (우) 열처리 공정을 위한 SiO2(100 nm) 증착

표 SPAD 활성영역 형성을 위한 감광액 패터닝, Shallow junction 영역, Align key

표 습식식각 공정 후, 손상된 Shallow junction 영역의 가장자리 및 align key

표 습식 식각 및 건식 식각 공정 모식도

표 Dry DRIE etching 공정 후 웨이퍼, 활성영역 가장자리 및 align key pattern

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