[논문 리뷰] Proposal and demonstration of lock-in pixels for indirect time-of-flight measurements based on germanium-on-silicon technology

Neil Na, Soofin Cheng외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 19.

Advanced Optical Sensing Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 간접 시간 간격 3차원 센싱을 위한 게르마늄-실리콘 기반 잠금-입자(locks-in pixels)를 제안하고 실험적으로 구현하며, 고양성 효율과 GHz 수준의 높은 변조 대역폭을 달성한다. 이 기술은 실내 및 실외 환경에서 뛰어난 깊이 정확도를 제공하며, 실리콘의 한계를 초월하는 더 긴 근적외선 파장까지의 작동 범위를 확장한다.

ABSTRACT

We propose the use of germanium-on-silicon technology for indirect time-of-flight based three-dimensional sensing, and demonstrate a novel lock-in pixel featuring high quantum efficiency and large frequency bandwidth. Compared to silicon pixels, germanium-on-silicon pixels simultaneously maintain a high quantum efficiency and a high demodulation contrast deep into GHz frequency regime, which enable consistently superior depth accuracy in both indoor and outdoor scenarios. Physical model, numerical simulation, device fabrication and characterization, system performance comparison, and laser safety analysis are presented. Our work paves a new path to high-performance time-of-flight rangers and imagers, as well as potential adoption of lasers operated at a longer near infrared wavelength that falls outside of the operation window of silicon pixels.

연구 동기 및 목표

• 간접 시간 간격 3차원 센싱에서 실리콘 기반 입자의 성능 저하 문제, 특히 고주파 변조에서의 성능 저하와 짧은 근적외선 파장에서의 한계를 해결한다.
• 게르마늄-실리콘 기술을 활용해 전통적인 실리콘 입자에서 발생하는 양자 효율성과 변조 대비 간극 사이의 상충 관계를 극복한다.
• 실리콘의 반응 범위를 초월하는 더 긴 근적외선 파장에서 레이저를 사용할 수 있도록 하여 도전적인 조명 조건에서의 성능 향상을 달성한다.
• 물리적 모델, 소자 제작 및 시스템 수준 성능 비교를 통해 제안된 입자의 열등성을 검증한다.
• 출력 레벨과 노출 한계를 분석하여 실용적 구현을 위한 레이저 안전성 확보

제안 방법

• 실리콘의 절단점 이상의 파장까지 광범위한 근적외선 스펙트럼에서 고양성 효율을 달성하기 위해 게르마늄-실리콘 이종구조 광다이오드를 활용한다.
• 모듈레이션 및 디모듈레이션 기능을 통합한 잠금-입자 아키텍처를 구현하여 변조된 빛으로부터 위상 이동을 추출함으로써 간접 시간 간격 측정을 가능하게 한다.
• GHz 수준의 주파수에서 고도의 변조 대비 간극을 확보하기 위해 소자를 설계하여 강한 주변 조명 조건에서도 정확한 깊이 해상도를 확보한다.
• 주파수 및 조도 조건 변화에 따른 소자의 거동을 예측하기 위해 물리적 모델링과 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 기존 영상 시스템과의 통합과 확장성을 확보하기 위해 표준 CMOS 호환 공정을 사용해 프로토타입 입자를 제작한다.
• 통제된 실내 및 실외 조명 조건에서 실리콘 기반 대비의 장치 특성 분석 및 시스템 수준 성능 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게르마늄-실리콘 기반 잠금-입자는 GHz 주파수에서 고양성 효율과 높은 변조 대비 간극을 동시에 유지할 수 있는가? 이는 도전적인 환경에서 정확한 깊이 센싱을 가능하게 하는가?
• RQ2 게르마늄-실리콘 기술의 사용이 실리콘의 한계를 초월해 시간 간격 센서의 작동 파장 범위를 얼마나 확장하는가?
• RQ3 실내 및 실외 환경에서 게르마늄-실리콘 입자는 실리콘 기반 입자에 비해 깊이 정확도가 얼마나 뛰어나게 되는가?
• RQ4 주변 조명과 레이저 출력은 시스템 성능에 어떤 영향을 미치며, 제안된 설계에서 레이저 안전성은 어떻게 확보되는가?
• RQ5 제안된 입자 아키텍처는 표준 CMOS 공정을 통해 제작 가능하여 상용 영상 시스템에 확장 가능한 통합이 가능한가?

주요 결과

• 게르마늄-실리콘 잠금-입자는 GHz 주파수 영역에서 고양성 효율과 높은 변조 대비 간극을 동시에 달성하여 일관된 깊이 정확도를 제공한다.
• 제안된 입자는 실내 및 실외 환경 모두에서 뛰어난 성능을 유지하며, 강한 주변 조명 조건에서도 실리콘 기반 입자보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 이 기술은 실리콘 입자에서 기능하지 않는 더 긴 근적외선 파장(1100 nm 초과)에서 레이저를 사용할 수 있도록 지원한다.
• 수치 시뮬레이션과 실험적 특성 분석을 통해 물리적 모델의 정확성을 확인하였으며, 주파수 및 조도 조건에 따른 소자의 성능이 검증되었다.
• 레이저 안전성 분석 결과, 시스템이 안전 노출 한계 내에서 작동함을 확인하였으며, 실용적 구현이 가능함을 입증하였다.
• 제조 공정은 표준 CMOS 기술과 호환되어 상용 3차원 영상 시스템에 확장 가능한 통합이 가능하다.