First results of a Monolithic Active Pixel Sensor with Internal Signal Gain Fully Integrated in a 180 nm CMOS Technology

이 논문은 CERN 의 고광도 LHC 및 미래 FCC 실험을 위한 4D 추적 및 타이밍 검출기 개발을 목표로 하는 CASSIA 프로젝트의 일환으로, 180nm CMOS 공정에 내장된 이득 층을 통해 내부 신호 증폭을 구현한 모노리식 액티브 픽셀 센서의 초기 측정 결과를 보고하며, 다양한 전압 조건에서 LGAD 및 SPAD 센서와 유사한 동작을 확인했습니다.

핵심

1. 왜 이 센서가 필요할까요? (배경)

미래의 거대 입자 가속기 (LHC 등) 에서는 입자들이 빗발치듯 쏟아집니다. 마치 비행기 공항의 체크인 카운터에 수천 명의 승객이 동시에 몰리는 상황과 비슷합니다.

• 기존 센서의 한계: 기존 센서는 입자가 지나간 '위치'만 기록할 뿐, '언제' 지나갔는지 정확히 알기 어렵습니다. 승객들이 너무 많으면 (이걸 '파일업'이라고 합니다), 누가 언제 체크인했는지 구별하기가 매우 어렵습니다.
• 해결책: 위치뿐만 아니라 시간 (타이밍) 정보도 정밀하게 기록해야 합니다. 마치 공항에서 "이 사람은 10 시 00 분 00 초에, 저 사람은 10 시 00 분 01 초에" 지나갔는지 100 분의 1 초 단위로 구별해 내는 것이죠.

2. CASSIA 센서의 핵심 아이디어: "센서 안에 증폭기를 넣다"

기존 센서는 입자가 닿으면 아주 작은 전기 신호가 나오는데, 이걸 밖으로 꺼내서 증폭기 (앰프) 를 통해 크게 만들어야 했습니다. 하지만 신호가 작을수록 잡음 (노이즈) 에 섞여 구별하기 어렵습니다.

CASSIA 의 혁신:
이 센서는 센서 자체의 내부에 '증폭기'를 심었습니다.

• 비유: 기존 방식은 작은 목소리로 말한 내용을 밖으로 내보낸 뒤, 마이크와 스피커로 크게 들어주는 방식이라면, CASSIA 는 입자가 닿는 순간 센서 내부에서 "와! 큰 소리로 외쳐!"라고 스스로 소리를 키워주는 방식입니다.
• 효과: 신호가 처음부터 크고 선명하게 나오므로 잡음에 묻히지 않고, 훨씬 더 빠르고 정확하게 반응할 수 있습니다.

3. 이 센서는 어떻게 작동할까요? (두 가지 모드)

이 센서는 전압을 조절하면 두 가지 다른 방식으로 작동할 수 있습니다. 마치 자동차의 기어를 바꾸는 것과 같습니다.

1. LGAD 모드 (저이득 모드 - 일반 주행):
   • 상황: 입자 추적용.
   • 작동: 신호를 10 배~100 배 정도로 적당히 키워줍니다.
   • 장점: 잡음 (어두운 곳에서 생기는 불필요한 신호) 이 적어서 정확한 위치를 잡기에 좋습니다.
2. SPAD 모드 (고이득 모드 - 스포츠 주행):
   • 상황: 초정밀 시간 측정용.
   • 작동: 신호를 4,000 배 이상으로 폭발적으로 키워줍니다.
   • 장점: 아주 미세한 시간 차이도 잡아냅니다. 하지만 잡음도 함께 커질 수 있어 전압 조절이 중요합니다.

4. 어떻게 만들었나요? (기술적 비유)

기존의 고성능 센서 (LGAD) 는 특수한 공장에서 따로 만들어야 했습니다. 마치 고급 스포츠카 엔진을 일반 차에 따로 장착하기 위해 차체를 뜯어내는 것처럼 비싸고 복잡했습니다.

• CASSIA 의 접근: 이 연구팀은 이미 대량 생산 중인 일반 카메라 칩 (180 나노미터 CMOS 기술) 을 그대로 사용했습니다.
• 비유: 기존 공장에서 찍어내는 일반 자동차 (카메라 칩) 의 엔진룸 바닥에, 별도의 부품 없이 기존 부품을 살짝 변형해서 스포츠 엔진 (증폭층) 을 심은 것입니다.
• 결과: 비용은 낮추면서 성능은 최고 수준으로 끌어올렸습니다.

5. 실험 결과: 얼마나 잘 작동할까요?

연구팀은 이 센서의 다양한 디자인 (증폭층의 깊이, 크기, 모양) 을 테스트했습니다.

• 전압 조절: 전압을 조금만 높여도 신호가 확 커지는 것을 확인했습니다.
• 잡음 (Dark Count): 센서가 빛이나 입자가 없는데도 스스로 신호를 보내는 '유령 신호'가 거의 없었습니다. (실내 온도에서 1 제곱마이크로미터당 약 0.01 회 수준으로 매우 낮음).
• 균일성: 센서 전체에서 신호가 고르게 증폭되는 것을 확인했습니다.

6. 결론: 왜 이것이 중요한가요?

이 연구는 **"내부 증폭 기능이 있는 초소형 센서"**를 기존 반도체 공장으로 저렴하게 대량 생산할 수 있음을 증명했습니다.

• 미래 전망: 이 기술이 완성되면, 입자 물리학 실험에서 4 차원 (위치 + 시간) 추적이 가능해져, 우주에서 오는 입자들의 정체를 훨씬 더 정확하게 파악할 수 있게 됩니다.
• 일상적 의미: 이 기술은 단순히 과학 실험뿐만 아니라, 더 선명한 의료 영상 장비나 더 빠른 우주 탐사 장비로도 발전할 수 있는 기초가 됩니다.

한 줄 요약:

"기존 카메라 칩에 '내부 증폭기'를 심어, 입자가 지나가는 순간을 위치뿐만 아니라 시간까지 100 분의 1 초 단위로 정확히 찍어내는 초고성능 센서를, 기존 공장에서 저렴하게 만들어냈다!"

기술 요약

논문 요약: 180 nm CMOS 기술에 완전히 통합된 내부 신호 증폭을 갖춘 단결정 활성 픽셀 센서 (CASSIA) 의 첫 번째 결과

1. 연구 배경 및 문제 제기 (Problem)

• 배경: CERN 의 고광도 LHC (HL-LHC) 및 미래 FCC 실험과 같은 고밀도 추적 환경에서는 입자의 위치 측정뿐만 아니라 타이밍 정보가 필수적입니다. 이는 높은 광도에서의 '파일업 (pile-up, 여러 입자가 동시에 충돌하는 현상)'을 완화하는 데 결정적입니다.
• 기존 기술의 한계:
  • 기존 단결정 활성 픽셀 센서 (MAPS) 는 대부분 수동적인 핀 다이오드 (pin-diode) 기반이며, 신호 증폭을 위해 외부 프론트엔드 증폭기에 의존합니다. 이는 신호 대 잡음비 (SNR) 와 타이밍 해상도를 제한합니다.
  • 저이득 애벌랜치 다이오드 (LGAD) 는 높은 신호 증폭을 제공하지만, 일반적으로 readout 전자회로와 별도의 칩으로 제작되거나 특수 공정이 필요하여 고비용과 높은 재료 예산 (material budget) 을 초래합니다.
• 목표: 표준 CMOS 공정 (180 nm) 내에서 내부 전하 증폭 (Internal Signal Gain) 기능을 가진 단결정 센서를 개발하여, 고분해능 4D 추적 (위치 + 시간) 이 가능하고 방사선 내성이 뛰어나며 저전력인 센서를 구현하는 것입니다.

2. 연구 방법론 (Methodology)

• 프로젝트명: CASSIA (CMOS Active SenSor with Internal Amplification).
• 공정 기술: TowerSemiconductor 의 180 nm 이미지 센서 공정 (MALTA 센서 시리즈 기반) 을 사용했습니다. 별도의 공정 변경 없이 기존 레이어만 활용하여 증폭층을 통합했습니다.
• 센서 설계:
  • 구조: 30 μm 두께의 p-형 에피택셜 층 위에 n+-전극을 배치하고, 그 아래에 **증폭층 (Gain Layer)**을 형성했습니다.
  • 증폭층 변형: 전하 증폭을 위한 p-웰 (p-well) 의 깊이와 직경을 다양하게 설계했습니다.
    • DP (Deep p-well): 깊은 p-웰 증폭층.
    • XDP (Extra Deep p-well): 더 깊은 p-웰 증폭층.
    • 전극 변형: n+-전극의 깊이 (표준, 얕음, 깊음) 와 증폭층 직경 (12 μm, 20 μm, 28 μm 등) 을 변경하여 최적 설계를 탐색했습니다.
  • 작동 모드: 바이어스 전압 조절을 통해 두 가지 모드로 작동 가능합니다.
    • LGAD 모드: 고장 전압 (Breakdown Voltage) 이하에서 작동 (이득 10~100).
    • SPAD 모드: 고장 전압 이상에서 작동 (이득 >4000, 단일 광자/입자 검출).
• 측정 환경:
  • TCAD 시뮬레이션을 통해 전기장 분포 및 고장 거동 분석.
  • DC 전류 - 전압 (I-V) 특성 측정.
  • 레이저 (532 nm, 785 nm, 1060 nm) 를 이용한 광응답 및 위치 의존성 측정.
  • 펄스 레이저를 이용한 신호 진폭 분포 및 타이밍 분석.
  • 암전류 (Dark Count Rate, DCR) 측정 (0°C ~ 30°C).

3. 주요 기여 (Key Contributions)

• 단결정 통합 증폭 기술의 검증: 표준 180 nm CMOS 이미지 센서 공정 내에서 별도의 공정 추가 없이 내부 전하 증폭 (LGAD 및 SPAD) 을 구현하는 데 성공했습니다.
• 다양한 설계 최적화: 전극 깊이와 증폭층 (DP/XDP) 의 깊이/직경 조합에 따른 성능 변화를 체계적으로 분석하여, 특정 응용 (추적 vs 타이밍) 에 맞는 설계를 제시했습니다.
• 이중 작동 모드 구현: 하나의 센서 픽셀에서 바이어스 전압 조절만으로 LGAD 모드 (저이득, 저잡음) 와 SPAD 모드 (고이득, 초고해상도 타이밍) 를 자유롭게 전환 가능함을 입증했습니다.

4. 주요 결과 (Results)

• 전류 - 전압 (I-V) 특성 및 이득:
  • M2 (DP 증폭층, 20 μm): 약 38 V 에서 LGAD 모드 시작, 54 V 에서 고장 (SPAD 모드 전환). 최대 이득 5000 이상 달성.
  • M3 (XDP 증폭층, 12 μm): 더 깊은 증폭층으로 인해 고장 전압이 99 V 로 상승. 82 V 에서 LGAD 모드 시작, 110 V 에서 이득 4000 이상.
  • 증폭층 크기 영향: 증폭층 직경을 28 μm 로 늘리면 (예: S5, S6), LGAD 모드 시작 전압이 낮아지고 (약 30~40 V), 광전류 증폭률이 크게 향상되었습니다.
• 공간적 균일성: 레이저 스캔 결과, 증폭층 영역 내에서 균일한 이득 분포를 보였으며, 전극 가장자리에서의 비정상적인 고장 (peripheral breakdown) 은 방지되었습니다.
• 신호 진폭 및 타이밍:
  • LGAD 모드에서 신호 진폭은 바이어스 전압에 비례하여 선형적으로 증가했습니다.
  • SPAD 모드에서는 증폭기 포화 전압 (2V) 에서 신호가 제한되었으며, LGAD와 SPAD 신호가 공존하는 과도 구간이 명확히 관찰되었습니다.
• 암전류 (DCR) 성능:
  • 최적 설계: 표준/깊은 n+-전극과 XDP 증폭층을 결합한 설계 (M3, S6 등) 가 가장 낮은 DCR 을 보였습니다 (실온에서 약 0.01 Hz/μm²).
  • 나쁜 설계: 얕은 n+-전극을 사용한 설계는 DCR 이 높게 나타났으며, 이는 표면 결함의 영향으로 분석되었습니다.
  • 온도 의존성: DCR 은 온도가 상승함에 따라 지수적으로 증가했으나, HEP 추적 센서로 사용하기에 허용 가능한 수준이었습니다.

5. 의의 및 결론 (Significance)

• 차세대 HEP 검출기 가능성: CASSIA 센서는 고에너지 물리 실험 (HEP) 에서 요구하는 4D 추적 (공간 + 시간) 에 적합한 기술을 입증했습니다. 특히 <100 ps 의 타이밍 해상도 달성을 위한 핵심 기술로 기대됩니다.
• 비용 및 효율성: 별도의 하이브리드 조립이나 특수 공정이 필요 없어 대량 생산이 용이하며, 비용 효율적이고 재료 예산을 줄일 수 있습니다.
• 방사선 내성: MALTA 센서 시리즈의 높은 방사선 내성 (NIEL fluence 3×10¹⁵ 1 MeV neq/cm²) 을 기반으로 하며, 증폭층의 방사선 손상 저항성을 높이기 위해 p-형 도핑 농도를 높인 설계가 적용되었습니다.
• 미래 전망: CASSIA1 프로토타입의 성공적인 결과를 바탕으로, CASSIA2 를 통해 더 최적화된 프론트엔드 전자회로와 방사선 내성 연구를 진행할 예정이며, 고에너지 물리 및 천체물리, 저에너지 X 선 검출 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대됩니다.

핵심 요약: 이 논문은 180 nm 표준 CMOS 공정으로 제작된 CASSIA 센서가 내부 전하 증폭 (LGAD/SPAD) 을 성공적으로 구현하여, 고해상도 4D 추적에 필요한 높은 신호 대 잡음비와 우수한 타이밍 성능을 제공함을 입증했습니다.