With the development of semiconductor technology, film-based radiography has been replaced by digital radiography. Digital radiography has many advantages over the traditional screen-film radiography. Digital radiography provides not only easy storing, searching, and sharing the radiographic image but also image processing using computers so that computer aided diagnosis is available. In this thesis we focus on the digital radiography sensor using standard CMOS technology. In standard CMOS process, designers can determine following three factors, structure of photodiode, shape of photodiode, and size of transistors in a pixel. We designed several pixels having different design and fabricated using 0.25um standard CMOS process to compare performance of the pixels.
We kept illumination constant level, instead of changing and the pixel output is continuously measured. The experiment is repeated 300 times for each pixel to obtain reliable estimates of the pixel output mean and variance at each sample time. The sampling rate is 50 kHz and reset period is 200 msec. To estimate conversion gain, the Poisson statistics and mean-variance method were used.
From the experiment results, we derived some meaningful conclusions. The first factor, designers can determine, is structure of photodiode and it is the most important factor in pixel design. Among the available photodiode structures in standard CMOS process, n+/p well, n well/p substrate, and n+/p substrate, the n well/p substrate photodiode shows the best performance at low illumination. The second factor is shape of photodiode. According to photodiode shape, L-shape photodiode has higher dark current than rectangle shape photodiode but, has higher sensitivity and higher signal to noise ratio at same exposure level. Therefore L-shape photodiode is more suitable than rectangle shape for X-ray CMOS digital radiography sensors. In addition, L-shape photodiode has an advantage in terms of layout space efficiency. External corner angle affects the dark current. From the experiment result, we found that rounded corner is still useful to reduce dark current in large size pixels. Photodiode with openings has higher dark current than conventional photodiode but, shows higher sensitivity and signal to noise ratio at same exposure level. The final factor, designers can determine, is size of transistors in 3-Tr active pixel. Size of source follower has the most significant impact on noise and pixel output range. Without regarding fill factor, large source follower width can improve the performance of active pixel sensor.
반도체 기술의 발전에 따라 기존의 필름방식 방사선투과영상 촬영법이 반도체 센서를 이용한 디지털 방사선투과영상 촬영법으로 대체 되었다. 디지털 방사선투과영상 촬영법은 기존의 필름방식에 비해 데이터의 저장 및 보관, 공유가 용이하고 필름을 현상하지 않고 실시간으로 영상을 확인할 수 있는 장점이 있다. 현재 많이 사용되고 있는 디지털 방사선 영상센서는 반도체 공정에 따라 CCD, TFT, 그리고 CMOS 공정을 이용한 영상센서가 있는데, CMOS 공정의 급속한 발전에 따라 CMOS 공정을 이용한 영상센서가 각광받고 있다. 기존에 CMOS 공정을 이용한 픽셀의 최적화에 관한 연구는 많이 있지만 방사선 투과영상에 사용되는 비교적 큰 사이즈의 픽셀에 대한 최적화 연구는 부족한 실정이다. 본 연구는 표준 CMOS 공정을 이용하여 방사선 영상센서를 제작함에 있어서 설계자가 고려할 수 있는 세 가지 요소에 따라 나타나는 픽셀 성능의 차이를 분석하여 표준 CMOS 공정에서 가능한 최적의 픽셀을 찾는 것을 목적으로 하였다.
표준 CMOS 공정에서 가능한 구조의 포토다이오드 중 n well/p substrate 구조의 포토다이오드가 공핍층의 폭이 넓고 n형 반도체의 도핑농도가 낮아 표면에 흡수된 광자에 의해 발생하는 포토캐리어들이 신호에 기여할 확률이 높아 가장 좋은 성능을 보여줬다. 포토다이오드의 모양에 따른 성능의 차이를 살펴보기 위해 다양한 모양의 포토다이오드를 비교하였다. 일반적으로 가장 많이 쓰이는 L 형과 직사각형의 포토다이오드 성능 비교를 위해 같은 면적을 갖는 L 형과 직사각형 모양의 포토다이오드를 제작하였다. 실험 결과 L 형의 포토다이오드가 같은 면적일 때 둘레가 더 길어서 실리콘 표면에 노출된 공핍층의 면적이 더 넓어 상대적으로 더 큰 암전류가 발생했지만, 표면에서 발생하는 포토캐리어들이 신호에 기여할 확률이 더 높아 더 높은 민감도를 나타냈다. 명확한 성능 비교를 위해 신호 대 잡음비를 측정하였고, 그 결과 같은 양의 빛에 노출시켰을 때 L 형의 포토다이오드에서 조금 더 좋은 성능이 나타났다. L 형의 포토다이오드는 픽셀의 레이아웃시 공간 효율성 측면에서도 유리한 점이 있다. 포토다이오드의 모서리 각도에 의한 영향을 살펴보기 위해 직사각형 포토다이오드에서 둥글게 처리된 모서리 개수를 늘려가며 암전류를 측정하였다. 실험결과 넓은 면적의 픽셀에서도 포토다이오드의 모서리 각도에 의한 영향은 눈에 띄게 나타났으며, 4 개의 모서리가 모두 둥글게 처리된 포토다이오드에서 4개의 모서리가 모두 직각으로 된 포토다이오드보다 약 10 % 낮은 암전류가 나타났다. 픽셀 내의 트랜지스터의 크기에 의한 영향을 살펴보기 위해 넓은 면적의 픽셀에서 성능에 가장 큰 영향을 미치는 소스팔로워 트랜지스터의 크기를 변화시켜가며 성능을 비교하였다. 실험 결과 fill factor를 고려하지 않는다면 소스팔로워 트랜지스터의 width가 증가할수록 더 나은 성능을 보였다.
본 연구를 통해 표준 CMOS 공정에서 가능한 픽셀의 구조를 비교하여 여러 결과를 얻었다. 하지만 포토다이오드의 모양에 따른 성능 비교에서 포토다이오드의 레이어에 따라 다른 결과가 나올 수도 있기 때문에 이에 대한 추가적인 연구가 필요하고, 트랜지스터의 사이즈에 따른 영향을 보다 정확하게 분석하기 위해 수식적 모델링이 필요하다.
