ソニーは２月１８日、業界初（※車載LiDAR向け積層型測距センサーとして。2021年２月１８日広報発表時点）となるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）画素を用いた車載LiDAR（ライダー）向け積層型直接Time of Flight（dToF）方式の測距センサーを開発したと伝えた。
この成果は、2021年２月１３日（土）から開催されているISSCC（国際固体素子回路会議）において発表されている。
先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）の普及や自動運転（ＡＤ）の実現に向けて、カメラやミリ波レーダーなどのセンシングデバイスに加え、道路状況や、車両、歩行者など対象物の位置や形状を、高精度で検知・認識が可能なLiDARの重要性が高まっている。
ＳＰＡＤとは、入射した１つの光子（フォトン）から、雪崩のように電子を増幅させる「アバランシェ増倍」を利用する画素構造のことで、弱い光でも検出することができる。光源から発し対象物で反射した光が、センサーに届くまでの光の飛行時間（時間差）を検出し、対象物までの距離を測定するdToF方式の受光素子として用いることで、長距離かつ高精度な距離測定が可能となる。
同開発品は、ソニーがＣＭＯＳイメージセンサー開発で培ってきた裏面照射型、積層型、Cu-Cu（カッパー・カッパー）接続などの技術を活用することにより、ＳＰＡＤ画素と測距処理回路を１チップ化し、小型ながら高解像度を実現したもの。
これにより、最大３００ｍの距離を１５ｃｍ間隔で、高精度かつ高速に測定できる。また、さまざまな温度環境や天候など、車載用途に求められる厳しい条件下での検知・認識による信頼性の向上や、１チップ化することによるLiDARの低コスト化に貢献するとのことだ。
なお、Cu-Cu（カッパー・カッパー）接続は、画素チップ（上部）とロジックチップ（下部）を積層する際に、Ｃｕ（銅）のパッド同士を接続することで電気的導通を図る技術。画素領域の外周の貫通電極により、上下のチップを接続するＴＳＶ（シリコン貫通電極）に比べて、設計自由度や生産性の向上、小型化、高性能化などが可能といわれている。
ソニーでは、同開発品を搭載したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）方式（※光源から発した光をＭＥＭＳミラーで走査する方式）のLiDARも評価用として開発し、顧客やパートナーに向けてすでに提供を開始している。
以下、今回発表された開発品についての詳細となる。
◾️ ＳＰＡＤ画素の原理
dToF方式を用いた測距センサーでは、単一光子の検出を行うＳＰＡＤ画素が用いられる。ＳＰＡＤ画素内の電極にブレークダウン電圧（ＶＢＤ）を印加し、その電圧を超える過剰エクセスバイアス電圧（ＶＥＸ）に設定した状態で光子を入射させることで、光電変換により発生した電子がアバランシェ増倍によって増幅する。電極間の電圧がブレークダウン電圧まで低くなると、アバランシェ増倍は停止する。アバランシェ増倍により発生した電子が放電され、ブレークダウン電圧まで戻った後（クエンチング動作）、再び電極間の電圧を過剰エクセスバイアス電圧に設定すると、光子が検出できる状態に戻る（リチャージ動作）。このように、光子の到来時刻を開始点とする電子の増倍動作は、ガイガーモードと呼ばれている。
◾️ 開発品の主な特徴
１）最大３００ｍの距離を１５ｃｍ間隔で高精度に測距
裏面照射型のＳＰＡＤ画素構造を用いた画素チップ（上部）と、測距処理回路などを搭載したロジックチップ（下部）を、Cu-Cu接続を用いて一画素ごとに導通している。これにより、光を取り込む画素以外の回路部を下部に配置することで、開口率（※ １画素当たりに光入射面側からみた遮光部以外の開口部分の割合）を高め、２２％の高い光子検出効率を実現したのに加え、チップサイズは小型ながら、１０μｍ画素サイズで有効画素数約１１万（１８９画素×６００画素）の高解像度化を図った。最大３００ｍの距離を、１５ｃｍ間隔で高精度に測距することが可能になり、LiDARの検知・認識性能の向上を支える。
光子検出効率と波長
２）独自のTime to Digital Converter（ＴＤＣ）とパッシブ型クエンチング／リチャージ回路を活用した高速な応答速度
検出した光子の飛行時間をデジタル値に変換するTime to Digital Converter（ＴＤＣ）とパッシブ型クエンチング／リチャージ回路を独自に開発し、画素ごとにCu-Cu接続することにより、一光子あたりの応答速度を通常時６ナノ秒（※温度環境６０℃の場合）に高めることが可能となる。
３）厳しい条件下での安定した光子検出効率および応答速度
独自のＳＰＡＤ画素構造により、－４０℃から１２５℃の厳しい条件下においても、安定的な光子検出効率および応答速度を実現。
◾️ 主な仕様
ＳＰＡＤ画素数 ：１８９画素（Ｈ）×６００画素（Ｖ） 約１１万画素
イメージサイズ ：対角６．２５ｍｍ（１／２．９型）
推奨光源波長 ：９０５ｎｍ
ＳＰＡＤユニットセルサイズ ：１０µｍ×１０µｍ
エレメントサイズ（ＴｏＦ画素単位） ：３画素（Ｈ）×３画素（Ｖ）
消費電力 ：1,192mW
光子検出効率 ：２２％
応答速度 ：６ｎｓ
飽和信号量（最大カウントレート） ：60,000,000cps
最大検知距離 ：３００ｍ
３００ｍ測距時の距離精度 ：
３画素（Ｈ）×３画素（Ｖ）加算モード：３０ｃｍ
６画素（Ｈ）×６画素（Ｖ）加算モード：１５ｃｍ