시간 창 기법을 이용한 표준 CMOS 공정에서의 단일 광자 애벌란치 다이오드 어레이 센서

Abstract

본 논문에서는 시간 창 기법을 사용한 단일 광자 애벌란치 다이오드(SPAD) 어레이 센서를 제안한다. 이러한 SPAD 센서가 탐지할 수 있는 시간을 시간 창으로 제한함으로써 SPAD의 노이즈 성분인 다크-카운트 레이트 (DCR)을 최소화하고, 이를 통해 탐지율을 높이고자 한다. 각 픽셀에 공급되는 시간 창 기법과 관련된 신호는 전파 지연으로 인한 스큐를 막기 위해 클락 트리를 사용하여 각 픽셀에 공급해 주었다. 제안된 센서 어레이는 180nm BCD CMOS 공정을 사용하였으며, 48×48개의 픽셀로 이루어져 있다. 각 픽셀은 171.09μm2의 활동영역을 가지는 SPAD를 포함한 1,764μm2의 크기로 제작되었다. SPAD소자의 노이즈 특성은 데드 타임을 주어 118Hz 및 애프터 펄싱 확률을 0.47%까지 감소시켰다. 또한, 포톤 탐지 확률은 12.32%로 측정되었다. 전체 시스템은 7.56mm2의 크기로 제작되었으며, 초당 400k 프레임의 데이터를 측정하고 SPAD에는 55V의 전압을 걸어준다. 상기 조건에서 4800개의 프레임을 측정하였을 때, 923개의 포톤을 감지하였다.