[논문 리뷰] Physical and electrical analysis of LSST sensors

Craig Lage|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 21.

CCD and CMOS Imaging Sensors참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광학 현미경, SEM 횡단면 분석, SIMS 도핑 프로파일링 및 전기적 측정을 통해 LSST의 CCD 센서—특히 ITL STA3800C와 E2V CCD250—의 물리적 및 전기적 특성을 상세히 분석한다. 주요 기여는 더 밝은-더 큰 효과를 포함한 검출기 행동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 校정된 전기적 및 SPICE 모델을 개발한 것이다. 이는 LSST 설문 조사 데이터의 체계적 오차를 보정하는 데 필수적이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 항성 이미징에서의 체계적 오차 보정을 지원하기 위해 LSST CCD의 정확한 전기적 및 SPICE 모델을 개발하는 것.
• 고급 현미경 및 SIMS 분석을 활용하여 ITL STA3800C 및 E2V CCD250 센서의 물리적 구조 및 도핑 프로파일을 특성화하는 것.
• 회로 수준 모델링 및 고주파 성능 예측을 위해 ITL CCD의 출력 트랜지스터 전기적 특성을 측정하는 것.
• 실제 측정치로 시뮬레이션 도구를 校정하여 다양한 조건에서의 전하 확산 및 픽셀 응답을 모델링하는 것.
• 10년에 걸친 LSST 설문 조사 동안 예상치 못한 문제 진단을 위한 세부 검출기 모델을 제공함으로써 장기적인 데이터 품질 보증을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 게이트 구조 및 산화막과 같은 구조적 특징을 관찰하기 위해, 패ackaging되지 않은 ITL STA3800C 및 E2V CCD250 다이에 대해 광학 및 SEM 미세 사진 분석을 수행하였다.
• 실리콘 내 도핑 프로파일을 측정하기 위해 제2차 이온 질량 분석법(SIMS)을 수행하였다. 이는 채널 및 채널 스톱 영역을 포함한다.
• ITL STA3800C 출력 트랜지스터에 대해 DC 및 AC 전기적 측정을 수행하였으며, 리셋 드레인 및 게이트를 통한 게이트 바이어스 조건을 포함하였다.
• 보정된 DC 및 AC 데이터를 기반으로 출력 증폭 경로의 복합 SPICE 모델을 개발하였으며, JFET 2단 증폭을 포함하였다.
• 측정된 물리적 파rameter를 전기적 시뮬레이션에 통합하여 전하 수집, 확산 및 픽셀 경계 행동을 모델링하였다.
• 사용자 정의 가능한 파rameter를 통해 정확성과 성능을 조절할 수 있는 맞춤형 시뮬레이션 프레임워크를 사용하여 전자 경로를 추적하였으며, 이는 확산 단계 및 전하 포화 효과를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LSST CCD의 물리적 특성 및 도핑 프로파일(특히 ITL STA3800C 및 E2V CCD250)은 그들의 전기적 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ITL STA3800C 출력 트랜지스터의 전기적 반응은 무엇이며, 이를 SPICE에서 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 전하 확산 및 픽셀 기하학은 LSST CCD에서 더 밝은-더 큰 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 보정된 전기적 및 SPICE 모델은 다양한 운영 조건에서 실제 검출기 행동을 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 세부적인 물리적 및 전기적 특성 분석은 LSST 설문 조사 기간 동안 장기적인 데이터 품질 향상 및 이질적 현상 진단에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• SIMS 분석을 통해 ITL STA3800C의 정밀한 도핑 프로파일을 확인하였으며, 도핑 농도가 다른 명확한 채널 및 채널 스톱 영역이 확인되었다.
• ITL STA3800C 출력 트랜지스터는 SPICE에서 복합 장치로 성공적으로 모델링되었으며, 표준 MOSFET 모델보다 더 높은 적합도를 보였다.
• 전기적 측정치는 출력 증폭기의 행동을 확인하였으며, 리셋 드레인을 통한 게이트 제어 기능을 확인하여 정확한 회로 수준 시뮬레이션을 가능하게 하였다.
• 보정된 SPICE 모델은 두 가지 다른 컨트롤러 환경에서 출력 웨이브폼을 정확하게 예측하여, 이 모델이 시스템 수준 분석에 활용될 수 있음을 검증하였다.
• 측정된 물리적 파rameter를 통합한 전기적 시뮬레이션은 두 제조사의 CCD에 대해 높은 정밀도로 더 밝은-더 큰 효과를 성공적으로 모델링하였다.
• 시뮬레이션 프레임워크를 통해 확산 및 전하 수집을 포함한 전자 경로의 세부 추적을 가능하게 하였으며, 정확성과 성능을 조절할 수 있는 사용자 정의 가능한 파rameter를 제공하였다.