The PET technique is based on the fact that the radioisotopes introduced to the body as labels tracer molecules emitting positrons. To improve the image quality of PET, the Time-Of-Flight (TOF) technique was proposed, so it reduces the statistical noise by confining the Line-Of-Response using the information measuring the time difference between two opposite PET detectors.
Nowadays, the components of PET detectors such as scintillation crystals, photo-sensors, and their readout electronics were well developed. Despite major improvement in imaging detector technologies, solid- state photo-sensors have not been replaced instead of the vacuum type PM tubes whose performance is still superior to others, even though they have some disadvantages such as mal-function in magnetic field, high operating bias, bulkiness, and high cost.
One of the candidates for the photo-sensor in TOF-PET detectors to replace the PMTs is “Silicon Photomultiplier (SiPM)” which has high gain comparable to PMTs, high photon detection efficiency, non-sensitive to MR, low operating bias about 30 V, and low cost. To apply the SiPM in TOF-PET, the timing characteristics should be improved more.
In this study, SiPM was studied to improve the timing performance. In PET detectors, the timing resolution is directly related to the amplitude to the rise time ratio. As the ratio increases, the timing performance can be enhanced. PDE of SiPM was modeled to increase the amplitude of PET detectors based on SiPM with dynamic range consideration. The optimum micro-pixel size, consequently the number of micro-pixels for TOF-PET detectors were calculated from PDE modeling. To shorten the rise time of PET detector, the single photon pulse shape of SiPM is needed to modify. To do this, a quenching capacitor in a micro-pixel of SiPM was integrated. Circuit modeling was done in order to know how it affects the pulse shape.
SiPM was fabricated at National NanoFab Center with the modeling results. A SiPM pixel has 1912 micro-pixels with 66 % fill factor. At this condition, the dynamic range was appropriate for measurement of 511 keV gamma photons with LYSO coupling. Additionally integrated quenching capacitors were fabricated with the Metal-Insulator-Metal (MIM) structure which is commonly used in standard CMOS processes. Quenching capacitor Cq with 30 fF successfully modified the single photon pulse shape of SiPM. The initial current in the single photon pulse shape was increased, so, the pulse shape became shaper than conventional SiPMs. This sharper pulse shape shortens the rise time of PET detectors coupled to LYSO. 10 to 90 % rise time of the PET detector based on Cq integrated SiPM was 22.5 ns while the normal SiPM has 34.3 ns.
The performance of fabricated SiPM was experimentally evaluated with parameters such as reverse bias characteristics, single photoelectron spectrum, gain, dark count rate, energy resolution, and Photon Detection efficiency (PDE). The breakdown voltage was around 16.5 V, so the operating voltage was 17 V to 18V. The gain was obtained with the mean spacing method from single photoelectron spectra, and high gain about 2×106 was measured. In Na-22 spectrum measurements, the energy resolution was better than 15 % FWHM at 511 keV which is good enough to use in PET.
The experimental results show its feasibility to use in TOF-PET application. The fabricated SiPM has better performances than commercial SiPMs except for dark count rates. Due to N+ formation by the direct arsenic implantation, dark count rate was higher than commercials. As a future work, the SiPM fabrication process scheme is needed to study in order to reduce the dark count rate.
양전자방출단층촬영장치 (PET) 는 양전자를 방출하는 tracer molecule을 영상으로 측정하는 기술이다. 양전자방출단층촬영장치의 영상의 질을 향상시키기 위해서 광자의 비행 시간 (Time-Of-Flight; TOF)을 측정하여 적용하는 기술이 과거에 제안되었다. TOF 기술은 두 검출기에서 측정되는 시간의 차를 측정함으로써 Line-Of-Response (LOR) 을 가우시안 형태로 국한시킬 수 있어서 영상의 재구성에서 통계적 잡음을 제거하여 영상을 질을 향상시키는 기술이다.
현재, 섬광 결정, 광센서, 그리고 readout 회로를 포함하는 PET 검출기의 기술이 충분히 발달되어 TOF 기술이 다시 조명 받고 있다. 하지만 많은 영상 검출기의 발전에도 불구하고, 진공관 방식의 광전자증배관을 대체할 수 있는 반도체 형식의 광센서의 개발은 아직 진행 중이며, 현재까지는 진공관 방식의 광전자증배관보다 성능적인 면에서 우수한 반도체 방식의 광센서가 없다. 하지만, 진공관 방식 광전자증배관은 높은 인가 전압, 자기장에서의 문제, 크기, 그리고 제작 단가의 문제 때문에 특정 분야에서는 반도체 방식의 센서로 치환되고 있다.
PET 검출기에서 반도체 방식 중 진공관 방식의 광전자증배관을 대체할 수 있는 센서는 실리콘 광전자 증배관 “Silicon Photomultiplier (SiPM)” 이라 불리는 소자이다. 낮은 동작 전압과 자기장내에서의 동작 가능성, 기존의 CMOS 공정을 이용하여 제작할 수 있어 제조 단가 등의 입장에서 장점을 가지고 있다. 그러나 실리콘 광전자증배관을 TOF-PET에 적용하기 위해서는 시간 분해능 특성을 더욱 개선해야 한다.
본 연구의 주제는 시간 분해능을 향상시기키 위한 실리콘 광전자증배관의 연구이다. PET 검출기에서 시간 분해능은 신호의 크기 대 상승 시간비 (the amplitude to the rise time ratio )에 직접적으로 영향을 받는다. 신호 크기 대 상승 시간비를 증가시킴으로써 검출기의 시간분해능을 향상된다. 따라서 실리콘 광전자증배관의과 섬광 결정으로 구성된 PET 검출기의 신호 크기 대 상승 시간비를 높이기 위해서 선형성을 가지는 동작 영역 (Dynamic range) 실리콘 광전자증배관의 광검출효율 (Photon Detection Efficiency; PDE)을 모델링하였다. 광검출효율을 모델링함으로써 TOF-PET 검출기 검출기 적용에서 최적의 마이크로픽셀 크기, 즉, 한 픽셀 안의 마이크로픽셀 개수를 계산하였고, fill factor, 광검출효율을 고려한 마이크로픽셀 크기의 최적화는 동작범위 내에서 PET 검출기에서 신호의 크기를 최대화할 수 있다.
PET 검출기의 상승 시간을 향상시키기 위해서 실리콘 광전자증배관의 단광자의 펄스 모양 (single photon pulse shape)의 변화가 필요하다. 상승 시간을 개선하기 위해서 실리콘 광전자증배관의 퀀칭 저항과 병렬로 연결되는 퀀칭 커패시터를 집적하여 single photon pulse shape을 변화시켰다. Single photon pulse shape의 정확한 모델링을 위해서 SiPM 의 등가회로를 만들고, 그 신호를 모델링하여 최적의 값을 도출하였다. 그리고 이 펄스 모양이 PET 검출기의 상승 시간에 어떤 영향을 주는지에 대해 모델링을 하였다.
모델링 결과를 토대로 실리콘 광전자증배관을 나노종합팹센터의 표준 CMOS 공정라인을 이용하여 제작하였다. 제작된 실리콘 광전자증배관은 1912 개의 마이크로픽셀을 가지며, fill factor 가 66 %이다. 이 조건에서 LSYO 섬광 결정을 결합해서 감마선을 측정할 경우 511 keV 에너지 측정에서 선형성을 확보할 수 있다. 추가적으로 집적된 퀀칭 커패시터는 표준 CMOS 공정에서 일반적으로 사용되는 Metal-Insulator-Metal (MIM) 구조로 만들어졌다. 퀀칭 커패시터의 용량은 30 fF 이며, 이 퀀칭 커패시터는 single photon pulse 에서 초기에 흐르는 전류의 양을 증가시켜 일반 광전자증배관과 달리 초기의 펄스 피크가 발생한다. 이 초기의 펄스 피크는 LYSO와 결합된 PET 검출기에서 신호의 상승 시간을 줄여 시간 분해능을 향상시킬 수 있다. 일반 실리콘 광전자증배관의10 to 90 % 의 상승시간이 34.3 ns이au, 퀀칭 커패시터가 집적된 실리콘 광전자증배관은 22.5 ns 로 10 ns 이상 상승 시간을 개선하였다.
제작된 실리콘 광전자증배관의 특성을 IV, 단광전자 분광 실험, 이득, 암계수율, 에너지 분해능, 광검출효율 실험 등을 통해 평가하였다. 제작된 소자의 항복전압은 16.5 V 이고, 동작전압은 약 17~18 V이다. 실리콘 광전자증배관의 이득은 단광전자 분광에서 단광자 간의 평균의 차를 이용하여 얻어지며, 2×106 로 높은 이득을 가졌따. 에너지 분해능을 평가하기 이해서 Na-22, Cs-137, Co-60 등의 방사선동위원소를 이용해 감마분광 실험을 하였다. 이 때 Na-22 에서 나오는 511 keV 에너지의 분해능이 약 15 % FWHM (Full Width Half Maximum) 이었다.
특성 평가를 통해 볼 때 본 연구에서 개발된 실리콘 광전자증배관은 TOF-PET 적용 가능하며, 암계수율을 제외한 특성들은 상용 SiPM보다 전체적으로 우수하다. 실리콘 광전자증배관 반도체 공정에서 N+/P 다이오드 공정 시 arsenic implantation을 통해서 N+을 형성하고, RTP (Rapid Thermal Process)를 통해 실리콘 격자의 defect를 curing 했지만, 일반적인 실리콘 광전자증배관 공정에서는 defect을 최소화 하기 이해서 웨이퍼에 직접 implantation 공정을 하지 않고, 폴리실리콘을 증착하여 폴리실리콘에 implantation 공정을 하고 확산을 이용해 실리콘 웨이퍼에 N+을 도핑한다. 암계수율을 줄이기 위해서 차 후 공정 설계의 연구가 필요하다.
