단일광자 애벌란시 다이오드 (Single-Photon Avalanche Diode)
쉽게 풀면
단일광자 애벌란시 다이오드(SPAD)는 아주 예민한 도미노와 비슷합니다. 광자 하나가 도미노 첫 조각을 살짝 건드리기만 해도 연쇄 반응이 일어나 눈에 보이는 큰 신호로 이어집니다. 일반 광다이오드는 빛의 세기를 전류 크기로만 알려주지만, SPAD는 항복전압 이상으로 강하게 역바이어스된 상태(가이거 모드)에서 동작해 광자 한 알갱이의 도착 시점까지 정밀하게 알려줍니다. 이 때문에 극히 어두운 환경이나 매우 짧은 시간 간격을 다뤄야 하는 응용에 적합합니다.
왜 중요한가
SPAD는 라이다의 비행시간 측정, 의료용 양전자방출단층촬영(PET), 양자암호 통신의 단일광자 검출 등 미약한 빛 신호를 다루는 여러 분야의 핵심 소자입니다. 반도체 공정 기술로 대량 집적이 가능해지면서 스마트폰 근접 센서나 자율주행 라이다에도 널리 채택되고 있어 관련 논문이 꾸준히 발표됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
CMOS 공정으로 만든 SPAD 픽셀을 여러 개 배열해 광자 도착 시각을 통계적으로 누적하는 회로 구조를 설명하는 문장입니다.
빛이 없어도 발생하는 잡음 신호(암계수)를 줄이기 위한 소자 구조 개선을 다루는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
SPAD는 애벌란시가 시작되면 스스로 꺼지지 않으므로 소광회로(quenching circuit)로 전압을 낮춰 애벌란시를 멈추고 다음 광자를 받을 준비 상태로 되돌립니다. 성능 지표로는 광자검출확률(PDE), 암계수율, 사후펄싱(afterpulsing), 시간 지터(timing jitter) 등이 주로 언급됩니다. 최근에는 3D 적층 공정을 이용해 SPAD 어레이와 시간-디지털 변환기(TDC) 회로를 한 칩에 집적하는 연구가 활발합니다.
주의할 점
SPAD는 광자 세기를 직접 측정하는 소자가 아니라 광자 도착 여부와 시점을 검출하는 소자이므로, 아날로그 광다이오드와 동일선상에서 감도를 단순 비교하면 오해가 생길 수 있습니다. 또한 사후펄싱과 암계수는 공정과 동작 조건에 따라 크게 달라지므로 특정 수치를 일반화하기 어렵습니다.