Recently, a large-area CMOS image sensor (CIS) has been in the spotlight as a powerful candidate detector for digital X-ray imaging. The CMOS X-ray detector benefits from the inherited features of well-developed and standardized CMOS technology such as low power consumption, high speed, low production cost, and above all the full integration of signal processing circuitry in the same sensor chip. While a few digital X-ray detectors fabricated in CMOS fabrication processes were already commercialized, the need remains to be able to develop a high-sensitivity detector with low noise to compete with industrial and scientific CCDs. The primary goal of this study is to develop a high-sensitivity CMOS active pixel sensor for low-dose X-ray imaging.
First of all, a CIS with 17 um x 17 um pixel size and 190 x 190 pixels was designed and fabricated using 0.25 xm standard CMOS process as a test-version sample for developing high resolution X-ray image sensors. Active pixel sensors, area efficient sample and hold circuits, and a switched capacitor amplifier are integrated in a single chip. A unit pixel of the sensor consists of an n+/p-well photodiode and a 3-transitor active pixel structure. A sample and hold circuit is designed to reduce silicon area by including only one capacitor. In addition, a current mirrored operational trans-conductance amplifier is used to construct a switched capacitor amplifier. In order to analyze the characteristics of the CIS and obtain images, a data acquisition system was also developed. From the developed system, we measured not only the linearity, sensitivity and charge-to-voltage conversion gain of the CIS, but also the spatial resolution of the X-ray image acquired by the CIS coupled with a CsI:Tl scintillator. The measured sensitivity was 0.16 V/lux.sec and the conversion gain was 0.97 uV/e-. Moreover, the spatial resolution higher than 10 lp/mm was obtained. This means that the fabricated CIS is expected to be applied to intra-oral X-ray systems or micro computed tomography where high spatial resolution is required. However, very low sensitivity and conversion gain due to a high the highly doped n+/p-well junction should be improved by optimizing the photodiode junction properties in order to develop the CIS as a high-sensitivity X-ray detector.
Secondly, we performed a comparative analysis on the characteristics of three types of photodiodes formed on a high-resistivity p-type epitaxial wafer by applying three available n-layer processes. To characterize these photodiodes, a small test-version CIS chip with an 80 x 80 pixel array of a 3-transistor active pixel sensor structure, 50 um pitch and 80% fill factor was fabricated using 0.18 um CMOS image sensor process. The pixel area is subdivided into four 40 x 40 sub-arrays and 3 different types of photodiodes are designed for each sub-array by using n+, n- and n-well layers. All other components are designed to be identical for impartial comparison of the photodiodes only. Among 3 types, the n-/p-epi photodiode exhibited high charge-to-voltage gain (0.86 uV/e-), high quantum efficiency (49 % at 532 nm wavelength) and low dark current (294 pA/cm2). The test CIS chip was coupled to a phosphor screen, Lanex Fine or Lanex Regular, both composed of Gd2O2S:Tb, and was tested using X-rays in a mammography setting. Among 6 cases, n-/p-epi photodiode coupled with the Lanex Regular also showed the highest sensitivity of 30.5 mV/mR.
Finally, a high-sensitivity APS with dynamic range enhancing scheme was proposed. In order to investigate the characteristics of the proposed APS, a test chip was designed and fabricated using the same 0.18 um 1-poly/4-metal CIS process. With the n-/p-epi photodiode structure, the sensitivity of the 3-tr APS was 0.19 V/ms, and for the in-pixel CTIA, the sensitivity was measured to be 1.35 V/ms. Since the measured capacitance of the n-/p-epi photodiode was 148 fF, the seven times larger sensitivity for the in-pixel CTIA with the 20 fF MIM capacitor is reasonable considering the difference of charge-to-voltage conversion gain between two pixels. The operation of the in-pixel CTIA with dynamic range enhancing scheme was also verified. The linear operation range was increased by a factor of 1.5. Generally, as the charge-to-voltage conversion gain increases, the full-well capacity proportionally decreases resulting in dynamic range reduction. The proposed APS improves the sensitivity together with the dynamic range by increasing the full-well capacity.
최근 들어, 대면적 CMOS 영상센서가 디지털 엑스선 영상분야에서 상당히 각광받고 있다. CMOS 기술을 이용한 엑스선 영상센서는 발달된 표준 CMOS 기술의 장점을 그대로 이어 받아 저비용으로 전력 소모가 적고 속도가 빠른 센서를 구현할 수 있으며, 무엇보다도 신호처리회로 를 하나의 칩 안에 집적할 수 있다. CMOS 공정을 이용하여 제작된 몇몇 엑스선 영상센서들이 이미 상업화 되었지만, 고성능 CCD와 견줄 수 있으려면 잡음과 감도 면에서 더 많은 연구가 필요하다. 본 연구의 주요 목표는 저선량 엑스선 영상을 위한 고감도 CMOS 능동 픽셀 센서를 개발하는 것이다.
이를 위해 첫 번째로, 0.25 um 표준 CMOS 공정을 이용하여 픽셀 피치가 17 um이고 190 x 190의 픽셀 배열로 구성되는 테스트용 CMOS 영상센서를 설계 및 제작 하였다. 능동 픽셀 센서, sample and hold 회로 및 switched capacitor 증폭기를 하나의 칩에 집적하였다. 단위 픽셀은 n+/p-well 포토다이오드와 3-트랜지스터 능동 픽셀로 구성되며, sample and hold 회로는 하나의 커패시터만으로 설계하여 레이아웃 면적을 줄일 수 있도록 하였다. Switched capacitor 증폭기는 current mirrored OTA를 이용하여 설계하였다. 한편, CMOS 영상센서의 특성을 분석하고 영상을 얻기 위해 데이터 획득 시스템을 개발하였고, 이를 이용해 센서의 선 형성, 감도 및 전하-전압 변환 이득을 측정하였다. 또한, 제작된 센서 위에 CsI:Tl 섬광체를 직접 증착하여 엑스선 영상을 획득하고, 공간분해능을 확인하였다. 센서의 감도는 0.16 V/lux. sec, 전하-전압 변환 이득은 0.97 uV/e-로 측정되었고, 획득한 영상에서는10 lp/mm 이상의 공간분해능을 관찰할 수 있었다. 따라서, 개발한 CMOS 영상센서는 구강 촬영이나 micro-CT 등의 고분해능을 요구하는 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 고농도로 도핑된 n+/p-well 포토다이오드의 사용으로 인해 감도와 변환 이득이 매우 낮게 측정되었으며, 고감도 엑스선 영상센서 개발을 위해서는 포토다이오드 구조의 최적화가 필수적임을 알 수 있었다.
두 번째로, CMOS 공정에서 허용되는 n-type영역을 이용하여 세가지 구조의 포토다이오드를 설계하고 특성을 비교 분석 하였다. 포토다이오드는 비저항이 높은 p-type의 에피텍셜 웨이퍼 상에 제작되었다. 특성 분석을 위해 0.18 um CMOS 영상센서 공정을 이용하여 50 um 피치의 3-트랜지스터 능동 픽셀 센서를 제작하였다. 세가지 구조의 포토다이오드는 n+, n-, n-well 층을 이용하여 설계하였으며, 공정한 비교를 위해 픽셀 내의 다른 변수들은 동일하게 유지 하였다. 세가지 포토다이오드 중 n-/p-epi 포토다이오드가 높은 변환 이득 (0.86 uV/e-), 높은 양자효율 (532 nm 파장에서 49 %), 낮은 암전류 (294 pA/cm2)를 나타내었다. 테스트 칩을 Gd2O2S:Tb로 구성된 Lanex Fine 또는 Lanex Regular 섬광스크린과 결합하여 마모그래피 환경하에서 엑스선 실험을 수행하였다. 여섯 가지의 실험 중, Lanex Regular와 결합된n-/p-epi 포토다이오드가 엑스선에 대해 30.5 mV/mR의 가장 높은 감도를 나타내었다.
마지막으로, 넓은 다이나믹 레인지를 가지는 고감도 능동 픽셀 센서의 구조를 제안하였다. 제안 된 구조의 특성을 확인하기 위해 0.18 um CMOS 영상센서 공정을 이용하여 50 um 피치의 픽 셀을 제작하였다. 앞서 가장 좋은 성능을 보여주었던 n-/p-epi 포토다이오드 구조에 대해 3-트랜지스터 능동 픽셀의 감도는 0.19 V/ms이었으며, in-pixel CTIA 능동 픽셀의 감도는 1.35 V/ms로 측정되었다. 3-트랜지스터 능동 픽셀에 비해 20fF의 MIM capacitor로 피드백이 구성된 in-pixel CTIA 능동 픽셀의 감도가 7배 가량 높게 측정되었다. 또한, 넓은 다이 나믹 레인지를 가지는 in-pixel CTIA 능동픽셀의 동작을 확인하였을 때, 선형 동작 영역이 1.5배 정도 증가한 것을 관찰할 수 있었다. 결과적으로, 제안된 능동 픽셀 구조를 이용하여 높은 감도와 함께 넓은 다이나믹 레인지를 가지는 CMOS 영상센서를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
