[論文レビュー] Physical and electrical analysis of LSST sensors

Craig Lage|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2019

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM）断面像、SIMS不純物プロファイル、および電気的測定を用いて、LSSTのCCDセンサー（特にITL STA3800CおよびE2V CCD250）の詳細な物理的および電気的特性を明らかにしている。主な貢献は、検出器の挙動（明るさ-太さ効果を含む）を正確にシミュレートできる校正済みの静電気的およびSPICEモデルの開発であり、これはLSST調査データにおける系統的誤差の補正に不可欠である。

ABSTRACT

Removing systematic effects from astronomical images taken with CCDs requires a detailed understanding of the physics of the imaging process. To aid in this understanding, we have built detailed electrostatic simulations of the LSST CCDs. In order to build an electrostatic model of the LSST CCDs, physical information about the CCDs is required. These details include things such as the physical dimensions of the components of the CCD, dopant profiles, and in some cases, electrical measurements of the CCD. This work documents the results of these physical and electrical measurements on LSST CCDs.

研究の動機と目的

• LSST CCDの正確な静電気的およびSPICEモデルの開発により、天文学的画像における系統的誤差補正を支援すること。
• 高度な顕微鏡法およびSIMS分析を用いて、ITL STA3800CおよびE2V CCD250センサーの物理的構造および不純物プロファイルを同定すること。
• ITL CCDの出力トランジスタの電気的特性を測定し、回路レベルのモデリングおよび交流特性の予測に役立てる。
• 実測値によるシミュレーションツールのキャリブレーションを通し、さまざまな条件下での電荷拡散およびピクセル応答をモデル化すること。
• 10年間にわたるLSST調査中に予期しない問題が発生した際の診断を可能にするために、詳細な検出器モデルを提供し、長期的なデータ品質保証を実現すること。

提案手法

• 未包装のITL STA3800CおよびE2V CCD250ダイを対象に、光学的およびSEM顕微鏡画像分析を実施し、ゲート構造や酸化膜層などの構造的特徴を検証した。
• 二次イオン質量分析（SIMS）を用いて、シリコン中の不純物プロファイル（チャネル部およびチャネルストップ部を含む）を測定した。
• ITL STA3800Cの出力トランジスタに対して、DCおよびAC電気的測定を実施し、リセットドレインおよびゲートを介したゲートバイアスを含めた。
• 校正済みのDCおよびACデータを用いて、JFET第2段増幅を組み込んだ出力アンプ経路の複合SPICEモデルを構築した。
• 測定済みの物理的パラメータを静電気的シミュレーションに統合し、電荷収集、拡散、ピクセル境界挙動のモデル化を実施した。
• 独自のシミュレーションフレームワークを用いて、電子の軌道を追跡し、拡散ステップおよび電荷飽和効果を含めた。パラメータを設定可能にすることで、精度と処理速度の両立を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSST CCD（ITL STA3800CおよびE2V CCD250）の物理的および不純物プロファイルは、その静電気的挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ITL STA3800Cの出力トランジスタの電気的応答は何か？ そして、SPICEで正確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ3 電荷拡散およびピクセルジオメトリが、LSST CCDにおける明るさ-太さ効果にどのように寄与するか？
• RQ4 校正済みの静電気的およびSPICEモデルは、さまざまな運用条件下で実際の検出器挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 詳細な物理的および電気的特性の同定は、LSST調査中に長期にわたりデータ品質を維持し、異常の診断を支援するためにどのように役立つか？

主な発見

• SIMS分析により、ITL STA3800Cにおける不純物プロファイルが正確に特定され、異なる不純度レベルを示す明確なチャネル部およびチャネルストップ部が確認された。
• ITL STA3800Cの出力トランジスタは、SPICEにおいて複合デバイスとして成功裏にモデル化され、標準MOSFETモデルよりも良好な適合を示した。
• 電気的測定により、出力アンプの挙動が確認され、リセットドレインを介したゲート制御が可能であることが裏付けられ、回路レベルのシミュレーションが正確に可能となった。
• 校正済みSPICEモデルは、2種類の異なるコントローラ環境において出力波形を正確に予測し、システムレベルの解析に応用可能であることを検証した。
• 測定済みの物理的パラメータを組み込んだ静電気的シミュレーションは、両ベンダーのCCDに対して高精度で明るさ-太さ効果を再現できた。
• シミュレーションフレームワークにより、拡散および電荷収集を含む電子の軌道追跡が詳細に可能となり、精度と性能を調整可能なパラメータを備えていた。