[論文レビュー] Persistence Characterisation of teledyne H2RG detectors

Simon Tulloch|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、LED照射を用いた低バックグラウンド冷却キロスタット実験を通じて、Teledyne H2RG赤外検出器における電荷の残留を特徴づけ、さまざまな露光レベルにおけるトラップおよび脱トラップダイナミクスを測定した。2つの異なるトラップ集団が特定された—1つはミリ秒未塔で電荷を捕らえ、数時間にわたってゆっくりと放出するもので、非常に深刻な問題を引き起こす。もう1つはトラップと脱トラップがバランスしているもので、害は小さい。時間定数スペクトルが得られ、データパイプラインにおけるより良い残留補正が可能になった。低温化とバイアス電圧の低減により、残留が顕著に減少した。

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.

研究の動機と目的

• Teledyne H2RG赤外検出器における画像残留の物理的メカニズムを理解すること。
• 制御された低温試験を用いて、さまざまな露光レベルおよび時間における残留行動を定量化すること。
• 残留モデル化および補正のためのデバイス固有の指標として、トラップ時間定数スペクトルを構築すること。
• グローバルリセットによる脱トラップやナイトライト照射といった既存の緩和技術の有効性を評価すること。
• 温度およびピクセルバイアス電圧が残留の大きさと崩壊時間に与える影響を評価すること。

提案手法

• 5.3 µmカットオフの3台のH2RG検出器を用いて、校正済みLED光源を用いた低バックグラウンド冷却キロスタット実験を実施した。
• 深宇宙露光を模擬するため、広範な露光レベルおよび時間帯を適用し、数時間にわたる残留崩壊を測定した。
• 電荷の脱トラップ速度を測定し、スペクトル解析を用いてトラップエネルギー準位および時間定数分布を導出した。
• 時間定数関数としてのトラップ密度スペクトルを生成し、デバイス間でのトラップ集団の可視化および比較を可能にした。
• グローバルリセットによる脱トラップおよび継続的ナイトライト照射を含む緩和戦略を評価した。
• 検出器の温度およびピクセルバイアス電圧を変化させ、総トラップ電荷および崩壊時間に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H2RG検出器における残留を引き起こす主なトラップ集団は何か。それらの時間定数はどのように異なるか。
• RQ2 露光レベルおよび露光時間は、残留電荷の大きさおよび崩壊プロファイルにどのように影響するか。
• RQ3 温度およびピクセルバイアス電圧を低下させることで、H2RG検出器における残留はどの程度軽減されるか。
• RQ4 連続的なシリアルナンバーを持つH2RG検出器が、残留行動において顕著な差を示すのはなぜか。
• RQ5 グローバルリセットによる脱トラップやナイトライト照射といった既存の緩和技術は、残留を低減するのに有効か。

主な発見

• 2つの異なるトラップ集団が特定された—1つはミリ秒未塔で電荷を捕らえ、数時間にわたってゆっくりと放出する（極めて深刻な問題）。もう1つはトラップと脱トラップがバランスしている（害は小さい）。
• 近接するシリアルナンバーを持つH2RG間でも、残留の大きさおよびトラップスペクトルに顕著な差が認められ、デバイス間のばらつきが示された。
• 低い動作温度は、総トラップ電荷および電荷の崩壊に要する時間の両方を低減させ、残留性能を向上させた。
• ピクセルバイアス電圧を低くすることでフルウェル容量を低下させることで残留が減少したため、設計段階での緩和戦略である可能性が示された。
• グローバルリセットによる脱トラップおよびナイトライト照射は、試験条件下では残留低減に効果がなかった。
• トラップ時間定数スペクトルは、データリダクションパイプラインにおける残留のモデリングおよび補正のための直接的かつデバイス固有の指標を提供する。