[논문 리뷰] Persistence Characterisation of teledyne H2RG detectors

Simon Tulloch|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 13.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 저배경 냉각배럴 실험을 통해 LED 조명을 이용하여 Teledyne H2RG 적외선 검출기의 전하 잔류 현상을 특성화하며, 다양한 노출 수준에서의 함몰 및 탈함몰 역학을 측정한다. 두 가지 별개의 함몰 집단을 식별한다 — 하나는 밀리초 수준에서 전하를 빠르게 포획하고 수시간에 걸쳐 천천히 방출하는 집단이며, 다른 하나는 포획과 탈함몰이 균형을 이루는 집단이다. 이는 개선된 잔류 보정을 위한 시간 상수 스펙트럼을 제공하며, 낮은 온도와 감소된 백플래시 전압이 잔류 현상을 크게 감소시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Image persistence is a major problem in infrared detectors, potentially seriously limiting data quality in many observational regimes. The problem manifests itself as remnant images that can persist for several days after a deep exposure. In this study, the persistence behavior of three 5.3um cutoff H2RGs has been characterised using a low-background cryostat with LED light sources. Persistence charge de-trapping was measured over several hours following a wide range of exposure levels and exposure times. This data was then analysed to yield charge trapping and de-trapping spectra which present graphically the trap density as a function of their time constants. These spectra show the detector behavior in a very direct way and offer a natural metric for comparing different devices. It is hoped that the trap time constant spectra for each detector can be used in an analysis pipeline to remove persistence artifacts based on the recent exposure history of the detector. The study confirmed that the charge traps responsible for persistence must be present in the depletion region of the pixel, however, two trap populations were revealed. One of these captures charge within milliseconds and then releases it over many hours. The second population is less problematic with fairly similar trapping and de-trapping time constants. Large differences in persistence magnitude and trap spectra have been found even between devices with near-consecutive serial numbers. Lower temperatures resulted in lower persistence both in terms of total trapped charge and the time taken for that charge to decay. Limiting the full-well by reducing pixel bias voltage also had a beneficial effect. Previously proposed mitigation techniques including "global reset de-trapping" and "night light" illumination were tried but found to be ineffective.

연구 동기 및 목표

• Teledyne H2RG 적외선 검출기에서 영상 잔류 현상의 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 통제된 냉각 실험을 통해 다양한 노출 수준과 지속시간에서의 잔류 행동을 정량화하기 위해.
• 데이터 보정을 위한 장치 특화 지표로 사용 가능한 트랩 시간 상수 스펙트럼을 개발하기 위해.
• 기존의 완화 기법(예: 글로벌 리셋 탈함몰 및 야간 조명 조명)의 효과성을 평가하기 위해.
• 온도와 픽셀 백플래시 전압이 잔류 현상의 크기와 붕괴 시간에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 5.3 µm 컷오프를 가진 세 대의 H2RG 검출기를 사용하여 캘리브레이션된 LED 빛원천을 이용한 저배경 냉각배럴 실험을 수행하였다.
• 깊은 노출을 시뮬레이션하고 수시간에 걸친 잔류 붕괴를 측정하기 위해 광범위한 노출 수준과 지속시간을 적용하였다.
• 스펙트럼 분석을 통해 탈함몰 속도를 측정하고, 트랩 에너지 수준과 시간 상수 분포를 유도하였다.
• 시간 상수에 따른 트랩 밀도 스펙트럼을 생성하여 장치 간 트랩 집단을 시각화하고 비교하였다.
• 글로벌 리셋 탈함몰 및 지속적인 야간 조명 조명과 같은 완화 전략을 평가하였다.
• 검출기 온도와 픽셀 백플래시 전압을 변화시켜 총 포획된 전하량과 붕괴 시간에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H2RG 검출기에서 잔류 현상의 주요 원인인 트랩 집단은 무엇이며, 그 시간 상수는 어떻게 다를까?
• RQ2 노출 수준과 지속시간은 잔류 전하의 크기와 붕괴 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 온도와 픽셀 백플래시 전압이 H2RG 검출기의 잔류 현상에 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 연속된 일련번호를 가진 H2RG 검출기들이 왜 큰 잔류 행동의 차이를 보이는가?
• RQ5 글로벌 리셋 탈함몰 및 야간 조명 조명과 같은 기존의 완화 기법은 잔류 현상을 줄이는 데 효과적인가?

주요 결과

• 두 가지 별개의 트랩 집단이 식별되었다: 하나는 밀리초 수준에서 빠르게 전하를 포획하고 수시간에 걸쳐 천천히 방출하는 집단(매우 문제적), 다른 하나는 포획과 탈함몰이 균형을 이루는 집단(덜 유해함).
• 근접한 일련번호를 가진 H2RG들 사이에서도 잔류 현상의 크기와 트랩 스펙트럼이 크게 달라지며, 장치 간 변동성이 있음을 시사한다.
• 낮은 작동 온도는 총 포획된 전하량과 전하 붕괴에 소요되는 시간을 모두 감소시켜 잔류 성능을 향상시킨다.
• 낮은 픽셀 백플래시 전압으로 포화 용량을 줄이는 것 또한 잔류 현상을 감소시키며, 이는 설계 단계에서의 완화 전략임을 시사한다.
• 시험 조건 하에서 글로벌 리셋 탈함몰 및 야간 조명 조명은 잔류 현상을 완화하는 데 효과적이지 않음을 발견하였다.
• 트랩 시간 상수 스펙트럼은 데이터 감소 파이프라인에서 잔류 현상의 모델링과 보정을 위한 직접적이고 장치 특화된 지표를 제공한다.