도파 모드 공명 구조 상에 집적된 인듐-갈륨-아세나이드(InGaAs) 광다이오드 이미지 센서 개략도(왼쪽), 제작된 웨이퍼 사진(가운데), 주기 격자 구조 주사 현미경 이미지 [KAIST 제공]

한국과 미국 공동 연구진이 기존 센서에 비해 전력 효율이 높고 크기가 작은 차세대 고해상도 이미지 센서 기술을 개발했다. 세계 시장에서 일본 소니가 주도하고 있는 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지센서 기술에 대한 원천기술을 확보해 향후 시장 진입 가능성이 크다는 평가다.

KAIST는 김상현( 사진 ) 전기및전자공학부 교수 연구팀이 인하대·미국 예일대 연구팀과 공동연구를 통해 개발한 초박형 광대역 광다이오드(PD)가 고성능 이미지 센서 기술에 새로운 전환점을 마련했다고 20일 밝혔다.

이번 연구는 광다이오드의 기존 기술에서 나타나는 흡수층 두께와 양자 효율 간의 상충 관계를 획기적으로 개선한 것으로, 특히 1㎛(마이크로미터·100만분의 1m) 이하의 얇은 흡수층에서도 70% 이상의 높은 양자 효율을 달성했다. 이 성과는 기존 기술의 흡수층 두께를 약 70% 줄이는 결과를 가져왔다.

흡수층이 얇아지면 화소 공정이 간단해져 높은 해상도 달성이 가능하고 캐리어 확산이 원활해져 광캐리어 획득에 유리한 장점이 있다. 더불어 원가 절감도 가능하다. 그러나 일반적으로 흡수층이 얇아지면 장파장의 빛의 흡수는 줄어들게 되는 본질적인 문제가 존재한다.

연구진은 도파 모드 공명(GMR) 구조를 도입해 400~1700㎚(나노미터·10억분의 1m)에 이르는 넓은 스펙트럼 범위에서 고효율의 광 흡수를 유지할 수 있음을 입증했다. 이 파장 대역은 가시광선 영역뿐만 아니라 단파 적외선(SWIR) 영역까지 포함해 다양한 산업적 응용에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

단파 적외선 영역에서의 성능 향상은 점점 고해상도화되는 차세대 이미지 센서의 개발에도 중대한 기여를 할 것으로 예상된다. 특히 도파 모드 공명 구조는 상보적 금속산화물 반도체(CMOS) 기반의 신호 판독 회로(ROIC)와의 하이브리드 집적, 모놀리식 3D 집적을 통해 해상도와 기타 성능을 더욱 높일 가능성을 가진다.

연구팀은 저전력 소자와 초고해상도 이미징 기술에 대한 국제 경쟁력을 높여 디지털카메라, 보안 시스템, 의료·산업용 이미지 센서 응용 분야부터 자동차 자율 주행, 항공·위성 관측 등 미래형 초고해상도 이미지 센서의 실현 가능성을 크게 높였다.

김 교수는 “이번 연구를 통해 초박막 흡수층에서도 기존 기술보다 훨씬 높은 성능을 구현할 수 있음을 입증했다”며 ”특히 세계 시장에서 소니가 주도하고 있는 초고해상도 단파적외선 이미지 센서 기술에 대한 원천 기술을 확보해 향후 시장 진입 가능성을 열었다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘빛, 과학과 응용’ 지난 15일자에 게재됐다. 구본혁 기자