Radiation-Hardened Radiation Sensor and Mixed-Signal System Integrated Circuit Design

Abstract

This thesis presents a millimeter-scale radiation-hardened proton sensor and mixed-signal integrated circuit, designed using the Samsung 28nm LPP process. The goal of this research is to develop an on-chip dosimetry and sensing system that operates reliably not only in proton therapy environments but also under high-radiation conditions such as space applications and proton accelerator experiments. To overcome the limitations of the indirect dose measurement methods used in conventional proton therapy, this study proposes an implantable sensor architecture. The proposed sensor directly detects proton energy deposition within the depletion region inside the human body, utilizing a CMOS-based diode structure. Since the energy deposition is stochastic, the sensor is designed as a pixel array to increase the number of sampling points, and the resulting data will be analyzed through a statistical calibration process. The first chip was implemented with an 8×8 analog pixel array and test circuits, while the second chip was expanded into a 64×64 mixed-signal sensor system. Based on the problems measured using the first chip, the third chip was designed with radiation hardened test circuit. The radiation experiments have been conducted using the first chip, where parameters such as proton beam kinetic energy (3.6MeV to 31MeV), flux, irradiation time, and circuit biasing conditions were varied. The experimental results showed that, under radiation beam, a large number of Electron‒ Hole Pairs (EHPs) were generated in the thick p-substrate region, and the electrons generated in the p-substrate diffused into the depletion region and drifted, thereby interfering the signal. To solve this problem, the third chip adopted a Deep N-Well structure, where the circuit was implemented on an Isolated P-Well, improving radiation hardness. In future experiments with the third chip, electrons generated in the depletion region and Isolated P-Well will be comprehensively analyzed experimentally, and redefine the voltage drop and pulse width according to the kinetic energy of the incident radiation. Furthermore, to analyze the relationship between proton arrival timing and kinetic energy, several elemental technology test circuits were integrated into the second chip. Keywords: Proton Radiation Therapy, Radiation-Hardened, Mixed-Signal Integrated Circuit, Implantable In-Vivo Medical Sensor|본 논문은 삼성 28nm LPP 공정을 이용하여 설계된 mm-scale 방사선 내성 센서 및 혼성 신호 집적회로를 제안한다. 연구의 목표는 양성자 치료 환경뿐만 아니라 우주 및 가속기와 같은 고방사선 조건에서도 안정적으로 동작하는 온-칩 선량 측정 및 검출 시스템을 개발하는 것이다. 기존 양성자 치료에서 사용되는 간접 선량 측정 방식의 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 체내 이식형센서 아키텍처를 제시하였다. 제안된 센서는 CMOS 다이오드의 공핍영역에서 발생하는 양성자 에너지 침적을 직접 검출하며, 확률적 에너지 침적 특성을 보완하기 위해 픽셀 어레이 구조로 구성되었다. 1차 칩은 8×8 아날로그 센서 픽셀 어레이와 테스트 회로로 구성되었으며, 2차 칩은 이를 64×64 혼성 신호 센서 시스템으로 확장하였다. 이후 3차 칩에서는 방사선 내성을 개선하기 위해 Deep N-well 기반의 Isolated P-well 구조를 채택하였다. 실험은 경주 양성자 가속기 연구센터에서 수행되었으며, 3.6 MeV ~ 31 MeV 범위의 양성자 에너지, 플럭스 및 바이어스 조건을 다양하게 변화시키며 측정하였다. 그 결과, p-substrate에서 생성된 자유 전자들이 확산되어 공핍영역으로 유입되어 검출 신호에 영향을 주는 현상이 확인되었다. 이를 억제하기 위해 3차 칩에서는 Deep N-Well을 이용한 p-substrate 분리를 적용하였으며, 이를 통해 전자 확산 전류의 영향이 최소화된 방사선 내성 센서 구조를 구현하였다. 향후 연구에서는 3차 칩을 이용하여 공핍영역 및 Isolated P-Well에서 발생한 전자의 이동 특성을 통합하여, 실험적으로 분석하고, 입사 양성자의 운동에너지 변화에 따른 전압강하 및 펄스폭의 관계를 새롭게 정의할 예정이다. 또한, 양성자의 도달 시간차(time-of-flight)와 운동에너지의 상관관계를 분석하기 위한 회로들도 통합하여, 시간 기반 에너지 추정(Time-of-Flight Energy Estimation) 연구를 준비하고 있다.