단일포톤계수형 센서를 위한 CMOS readout 설계

본 논문에서는 의료용 x-선 영상검출을 위한 단일 포톤계수형 망식의 readout을 설계하고 개발한 내용에 대해 논하였다. 포톤계수형 readout 방식은 기존의 x-선 검출 방식(Charge integrating)과는 다르게, 입사되는 개개의 포톤을 계수하여 검출하는 방식이다. 미세한 x-선 신호를 검출하기 위하여 저 잡음 특성과 10?(㎐/㎟) 이상의 counting rate가 요구되어진다. 구현된 각 픽셀은 포톤계수형 동작을 위하여 Preamplifier, Discriminator, Counter,로 구성 되어져있다. Preamplifier는 자체바이어스 Folded cascode OPAMP를 채용한 CSA(Charge Sensitive Amplifier)로 구현하였고, 광자의 신호를 구분하기 위한 Discriminator는 칩 내외부에서 입력할 수 있도록 설계하였다. Counter는 신호의 펄스를 계수하는 counting mode와 저장된 데이터를 외부로 출력하는 readout (shift register)의 동작을 수행한다. 이러한 동작 수행을 위하여 고속 동작이 가능하며 layout 면적이 작은 LFSR(Linear Feedback Shift Resister) counter를 이용하여 설제하였다. 설계된 포톤계수형 readout는 100㎛×100㎛ 픽셀크기, 50㎛×50㎛ bump bonding용 패드, 15bit counting bit, 32×32개의 픽셀로 이루어져 있으며, 4-metal 0.18㎛ triple-well CMOS 공정을 이용하여 제작하였다.