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積分型 SOI ピクセル検出器の開発

積分型 SOI ピクセル検出器の開発. 〜 次世代の X 線天文衛星搭載へ向けた SOI ピクセル検出器 〜. 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート＠ホテルエバーグリーン富士. 2012. 08 / 03 FRI. 武田　彩希　 ( 総研大 ) atakeda ＠ post.kek.jp SOIPIX Group : http://rd.kek.jp/project/soi/. Outline. - SOI ピクセル検出器の X 線天文学への応用. - 積分型 SOI ピクセル検出器の開発現状.

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積分型 SOI ピクセル検出器の開発

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  1. 積分型SOIピクセル検出器の開発 〜次世代のX線天文衛星搭載へ向けたSOIピクセル検出器〜 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート＠ホテルエバーグリーン富士 2012. 08 / 03 FRI 武田　彩希　(総研大) atakeda ＠post.kek.jp SOIPIX Group : http://rd.kek.jp/project/soi/

  2. Outline - SOIピクセル検出器のX線天文学への応用 - 積分型SOIピクセル検出器の開発現状 - X線天文学向けSOIピクセル検出器(XRPIX)の紹介 - XRPIXの試験状況 - まとめ 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  3. X線天文衛星の現状 日本の代表的なX線天文衛星 - 現在の衛星：すざく - 次期衛星：ASTRO-H (2014年打ち上げ予定) - CCD，DEPFET，両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル検出器 - 軟X線から硬X線の範囲を複数の検出器により 　カバーしている． - CCD，DEPFETは非X線バックグラウンドが高い （分光性能は高いが・・・） --> 10 keV以上で顕著 - 両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル 　検出器は分光性能が低い --> 軟X線の観測が困難 すざく ASTRO-H ASTRO-Hの観測領域 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  4. X線天文衛星の現状 日本の代表的なX線天文衛星 - 現在の衛星：すざく - 次期衛星：ASTRO-H (2014年打ち上げ予定) - CCD，DEPFET，両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル検出器 - 軟X線から硬X線の範囲を複数の検出器により 　カバーしている． - CCD，DEPFETは非X線バックグラウンドが高い （分光性能は高いが・・・） --> 10 keV以上で顕著 - 両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル 　検出器は分光性能が低い --> 軟X線の観測が困難 すざく - 次世代のX線分光器は，軟X線から硬X線の範囲を 　同時に観測，分離可能であるものが求められる． --> 広エネルギー帯域・精密撮像・精密分光性能 ASTRO-H 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  5. Scintillation counter 次世代のX線天文衛星搭載へ向けたSOIピクセル検出器 目標性能 X-ray SOIPIX with Active Shield (1) FWHM ≤140 eV at 6 keV (Readout Noise ≤ 10 electrons) (2) <100 μm pitch pixel (3) ∼10 μs per event readout (Trigger, Direct Pixel Access) (4) Wide energy range : 0.5– 40 keV (Thick Depletion Stacks) X-ray Cosmic Ray (Non-Xray-BG) Hard Soft Field of View XRPIX Active Shield 目標性能を達成するために， SOIピクセル検出器の技術を基盤に 新たな検出器を開発(XRPIX). XRPIXはトリガ情報出力機能を持つ！ Onboard Processor ・Anti-coincidence (NXB rejection) ・Hit-pattern Selection (NXB rejection) ・Direct Pixel Access (X-ray Readout) 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  6. SOIピクセル検出器 - Silicon-on-Insulator (SOI) 技術によるセンサ部・読み出し部一体型検出器 - SOIピクセル検出器(SOIPIX) ： KEKの測定器開発室を中心に開発が進む． --> ラピスセミコンダクタ(株)による0.2 mm FD - SOIピクセルプロセス 基本構成 Circuit Layer : ~40 nm Buried Oxide (BOX) : 200 nm Sensor Layer : 100 - 725 mm SOIピクセル検出器の特徴 - 金属バンプボンディングがない --> 高密度・低寄生容量・高感度 - 一般的なCMOS回路により構成 - 一般的な産業技術を基盤とする SOIピクセルプロセス ラピスセミコンダクタ(株)と共同開発 しているSOIピクセル検出器をプロセス するための新しい技術． 実用レベルでは世界唯一． 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  7. UNIBONDTM Process (1995, France LETI) -> SOITEC 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  8. SOIピクセルプロセス 725 50-725 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  9. The Buried p-Well (BPW) Buried p-Well (BPW) 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  10. The Buried p-Well (BPW) 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  11. シリコン結晶内での粒子の反応 信号量 可視光：　～1 e-h / photon X線：　～3000 e-h / X-ray @ 10 keV 荷電粒子： ～3000 e-h / track @ 40mm 放射線は計数することができる． X線が生成する e-h ペアの数 1 e-h 生成するのに必要なエネルギーは3.65 eV 例えば、17.5 keVならば4800 e-h程度( = 17500 / 3.65) 11 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  12. 数keVから~20 keV までのX線を検出！ X線の検出効率 空乏層厚350 mm時(計算値） 荷電粒子、中性子等も検出可能． 薄く安く出来るので，複数毎重ねて検出効率を上げたり， さらに高エネルギー側まで感度を上げる事も出来る． 12 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  13. Double SOI Layer Wafer Increase radiation hardness by compensating Oxide/Interface Trap charge with middle layer bias. circuit additional conduction layer sensor Shield sensors from circuit 13 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  14. Chip Size: 10.3 x 15.5 mm2(Effective Area: 8.7 x 14.1 mm2) Pixel Size: 17mm□ Number of Pixel: 512 x832 (= 425,984) Pixel Circuit: Correlated Double Sampling (CDS) Thick of Sensor Layar: 260 mm Sensor Wafer: Czochralski (CZ) -> 700 Ωcm Floating Zone (FZ) -> 7 kΩcm Irradiation Type : Front / Back illumination 基本的な積分型SOIピクセル検出器 44mm 煮干しのX線画像（３枚を合成） 14 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  15. XRPIX シリーズ 2010 2011 2012 2013 2014 XRPIX 1.0 mm 1.0 mm 4.0 mm Hit Detect & Position Output X-ray Imaging area 256 x 256 pixels XRPIX1 XRPIX1b 本発表 ! XRPIX2 Mar. 2012 2.4 mm 2.4 mm X-ray Imaging area 2.4 mm 現在評価中 Pixel Selection XRPIX ΔΣ-type ADC 6.0 mm ADC Analog Signal Output XRPIX シリーズの特徴 トリガ情報出力機能：X線到来の時間と位置 -> X線が入射したピクセルのみを読み出す --> 低バックグラウンド & 高速X線分光 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  16. XRPIX1/1b Design :仕様 Chip Size: 2.4 mm□(Effective Area: 1.0 mm□) Pixel Size: 30.6 mm□ Number of Pixel: 32 x 32 (= 1,024) Pixel Circuit: Correlated Double Sampling (CDS), Trigger Function Thick of Sensor Layar: 260 mm Sensor Wafer: Czochralski (CZ) -> 700 Ωcm Floating Zone (FZ) -> 7 kΩcm Irradiation Type : Front / Back illumination 2.4 mm 1.0 mm 1.0 mm 2.4 mm 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  17. -> 回路のリセット(PD_RSTV, CDS_RSTV, VTH) -> 露光 -> X線の検出 -> アナログ信号の読み出し TRIG_CA IN TRIGGER TRIG_OUT VTH H/L OUT TRIG_RA VDD18 RA_READ CA_READ VB_SF SF STORE SF ANALOG OUT Protection Diode CDS Cap. Sense-node COL_AMP OUT_BUF PD Sample Cap. CDS_RST VTH_RST PD_RST GND PD_RSTV CDS_RSTV VTH XRPIX1/1b Design : ピクセル回路 Trigger Info. Output Pixel Circuit Blue : Analog Signal (with CDS) Magenta : Trigger Signal Comparator kT/C Noise Save & Cancel Column Readout X-ray 外部FPGAによる制御 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  18. ピクセルレイアウトの例(XRPIX) BPWの領域 PSUB (電極) ピクセルの領域 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  19. ピクセルレイアウトの例(計数型) CNTPIX5 Pixel Layout 64x64 um2 ~600 Tr/pix x 72列 x 212行  1千万 Transistor 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  20. DAQ System - SoiEvAluation Board with Sitcp (SEABAS) - （SOIピクセル検出器用）汎用データ読み出しボード - FPGAにより検出器を制御. - EthernetによりPCへデータを転送. Power Supply : ± 5 V Clock : 25 MHz Network : 100 Mbps ADC, DAC, NIM IN x2, NIM OUTx 2 SEABAS USER FPGA XRPIX Setup Parameter Control Signal DataTransfer via Ethernet Analog Signal Digital Data SiTCP ADC & DAC Sub Board for XRPIX 300mm 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  21. Spectrum in Frame Mode XRPIX1b (T=-50C, VBB=100V) 109Cd Ag-Kα 22.2 keV FWHM=810 eV Counts Kβ 24.9 keV PH (ADU) XRPIX1 (T=-50C, VBB=100V) XRPIX1->XRPIX1b: 性能改善点 X-ray Energy Calibration レイアウトデザインの改良 -> sense-nodeのサイズを小さくする. -> センサ部寄生容量が低減. # Sense-node Cap. = 41 -> 24 fF # • Sensitivity = 3.6 -> 6.1 μV/e- • Noise = 120 -> 74 e- (rms) • ΔE = 1.5 keV -> 0.8 keV (FWHM) x 1.7 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  22. - 分光性能の限界を求めるための試験. (cf. Prigozhin et al., 2009) X線のエネルギー -> Signal Level - Base Level - １ピクセルを固定しアナログ出力の波形を読み出し観測 - オフライン解析でX線のヒットポイントを探す. XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode Signal Level Base Level 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  23. Readout Noise : 14.6 e- (rms) Readout Noise : 18 e- (rms) Al-Kα Counts FWHM=190 eV Counts @ 1.49 keV Soft X-ray -> First Result ! ADU Energy [eV] XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode - single pixel readout modeによるX線スペクトル. ΔE = 190 eV @ 1.49 keV (FWHM) Readout Noise = 18 e- (rms) ΔE = 278 eV @ 8.0 keV (FWHM) Readout Noise = 14.6 e- (rms) 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  24. Trigger Info. Output Direct Pixel Access Analog Signal Output XRPIX1b : Trigger-Driven Readout Mode Dead Time : ~100 μs/event Future -> ~10 μs COL ADDR F P G A 4 ROW ADDR TRIG COL ADDR COL Hit ADDR Resister (HIT POSITION) 3 TRIG ROW ADDR 1 ROW Hit ADDR Resister ROW ADDR DECODER PC OR TRIG (TIMING) 1 2 6 0 X-ray ADC ANALOG OUT 5 COL ADDR DECODER 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  25. トリガ情報出力試験 Column Address (CA) -> 23 Row Address (RA) -> 24 CA 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 30.6 um PIXEL [23][24] RA 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 30.6 um Laser Spot 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  26. 2D Image of Aout (1Frame) TRIG_O @OSC TRIG Signal Diagram 1Pixel Hit Pattern @OSC TRIG_O Rst Rst Rst SCLK TRIG ADR= 24 STORE 1 Frame Laser Light in 1 Pixel VPD>VTH ? Scan Scan 0 5 10 15 20 25 31 On 23 Laser_INPUT TRIG_COL (Hit Pattern) 23 24 TRIG_O TRIG_ROW (Hit Pattern) トリガ情報出力試験 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  27. XRPIX1b : Trigger-Driven Readout Mode - Trigger-Driven readout modeにより取得した初めてのX線スペクトル. - 全フレーム読み出しとゲインが異なる. --> ピクセル回路に原因があるので，デザインを改善する. 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  28. まとめ - KEKの測定器開発室を中心にSOI技術によるピクセル検出器の開発を進める．. - 基本的な要素技術の開発には成功し，実用を目指していく段階 - そのひとつに，次世代のX線天文衛星搭載へ向けた分光器の開発がある． - X線天文衛星搭載用SOIピクセル検出器：XRPIXシリーズ Sensitivity = 6.1 μV/e XRPIX1b : Sense-node Cap. = 24 fF Noise = 74 e (rms) ΔE = 0.8 keV (FWHM) @ 22 keV - 軟X線のスペクトルを取得． ΔE = 190 eV @ 1.5 keV (FWHM) Readout Noise = 18 e- (rms) by single pixel readout mode - Trigger-Driven readoutにてX線スペクトルを初めて取得． - 今後は，面積を拡大した新チップの評価，より低ノイズな検出器の開発を行う． 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  29. Backup

  30. LAPIS 0.2 μm FD-SOI Pixel Process M5 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  31. X線の検出効率 31 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  32. MPW (Multi Project Wafer) run 多くのユーザーを集め年に２回実施 13

  33. One Frame 2) Integration 3) Readout 1) Reset ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ XXX XXX 32 x 32 Pix ≈ ≈ Hit Pattern XRPIX Control Diagram Analog Readout 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  34. XRPIX1/1b Design : ピクセル回路 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  35. X線イメージ検出器 高精度 Direct Detection Indirect Detection シンチレータ + 光検出器 （高感度だが位置・エネルギー分解能に難） 高機能 On-Chip Logic No On-Chip Logic X線用CCD... (読出し速度に制限） 小型、安価 Monolithic Hybrid Medipix, Pilatus ... (Mechanical Bondingで性能に制限） 高感度 SOI CMOS Bulk CMOS CMOS APS... (空乏層が薄く、感度が悪い） SOI Pixel ! 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

  36. circuit circuit Bulk and SOI Wafer 20-200 nm 50-400 nm Top Si (SOI Layer) BOX(埋込み酸化膜) PhysicalSupport Radiation Sensor m 通常の半導体ウエハー (Bulk Wafer) SOI Wafer 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

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