武田 彩希 ( 総研大 )atakeda @ post.kek.jp
SOIPIX Group : http://rd.kek.jp/project/soi/
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
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Outline
- SOI ピクセル検出器の X 線天文学への応用
- 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
- 積分型 SOI ピクセル検出器の開発現状
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 )
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すざく
ASTRO-H
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- 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
ASTRO-H の観測領域
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 )
- 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
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- 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
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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
(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-rayHard Soft
Cosmic Ray(Non-Xray-BG)Field of View
Active
Shield
Onboard Processor ・ Anti-coincidence (NXB rejection) ・ Hit-pattern Selection (NXB rejection) ・ Direct Pixel Access (X-ray Readout)
XRPIX
X-ray SOIPIX with 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!
Scintillation counter
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SOI ピクセル検出器
基本構成 Circuit Layer : ~40 nm Buried Oxide (BOX) : 200 nm Sensor Layer : 100 - 725 mm
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.
- 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
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UNIBONDTM Process (1995, France LETI) -> SOITEC
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SOI ピクセルプロセス
725
50-725
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The Buried p-Well (BPW)
Buried p-Well (BPW)
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The Buried p-Well (BPW)
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シリコン結晶内での粒子の反応
信号量可視光: ~ 1 e-h / photonX 線: ~ 3000 e-h / X-ray @ 10 keV荷電粒子: ~ 3000 e-h / track @ 40 mm
放射線は計数することができる.
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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)
X 線の検出効率
空乏層厚 350 mm 時 ( 計算値)
数 keV から ~20 keV までの X 線を検出!
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.
荷電粒子、中性子等も検出可能.
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additional conduction layersensor
circuit
Increase radiation hardness by compensating Oxide/Interface Trap charge with middle layer bias.
Shield sensors from circuit
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Double SOI Layer Wafer
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基本的な積分型 SOI ピクセル検出器
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44mm
煮干しの X 線画像(3枚を合成)
Chip Size: 10.3 x 15.5 mm2 (Effective Area: 8.7 x 14.1 mm2) Pixel Size: 17 mm□ Number of Pixel: 512 x832 (= 425,984)Pixel Circuit: Correlated Double Sampling (CDS)Thick of Sensor Layar: 260 mmSensor Wafer: Czochralski (CZ) -> 700 Ωcm Floating Zone (FZ) -> 7 kΩcmIrradiation Type : Front / Back illumination
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XRPIX シリーズ2010 2011 2012 2013 2014
XRPIX2Mar. 2012
XRPIX
X-ray Imaging area
256 x 256 pixels
Pixel Selection
Analog Signal Output
HitDetect
&PositionOutput
ADC
XRPIX1 XRPIX1b
XRPIXΔΣ-type
ADC
2.4 mm 2.4 mm
2.4 mm
6.0 mm
1.0 mm1.0 mm 4.0 mm
X-ray Imaging area
現在評価中
本発表 !
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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
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XRPIX1/1b Design : 仕様
2.4 mm
2.4
mm
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 FunctionThick of Sensor Layar: 260 mmSensor Wafer: Czochralski (CZ) -> 700 Ωcm Floating Zone (FZ) -> 7 kΩcmIrradiation Type : Front / Back illumination
1.0
mm
1.0 mm
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XRPIX1/1b Design : ピクセル回路
VTH
VTH
INTRIG_CA
TRIG_RA
TRIG_OUTTRIGGER
H/L OUT
RA_READ CA_READ
ANALOGOUT
COL_AMP OUT_BUF
SF
VTH
_RST
CD
S_R
ST
CDS Cap.Sam
ple
Cap.
STORESF
PD
_RST
CDS_RSTVPD_RSTV
Pro
tect
ion D
iode
VDD18VB_SF
PD
Sense-node
GND
Pixel Circuit
Comparator
Column Readout
Trigger Info. Output
X-ray
Blue : Analog Signal (with CDS)
Magenta : Trigger Signal
kT/C NoiseSave & Cancel
-> 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
外部 FPGA による制御
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ピクセルレイアウトの例 (XRPIX)
ピクセルの領域
BPW の領域
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PSUB ( 電極 )
CNTPIX5 Pixel Layout
CNTPIX5 Pixel Layout
64x64 um2
~600 Tr/pix
x 72列 x 212行 1千万 Transistor
ピクセルレイアウトの例 ( 計数型 )
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DAQ System
Sub Board for XRPIX
SEABAS
Data TransferviaEthernet
ADC & DAC
300mm
Power Supply : ± 5 VClock : 25 MHzNetwork : 100 MbpsADC, DAC, NIM IN x2, NIM OUTx 2
SiTCP
XRPIXSetup Parameter
Digital DataAnalog Signal
Control Signal
- Soi EvAluation 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 .
USERFPGA
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XRPIX1->XRPIX1b: 性能改善点
Kβ 24.9 keV
109CdAg-Kα 22.2 keVFWHM=810 eV
PH (ADU)
Cou
nts
Spectrum in Frame Mode
XRPIX1(T=-50C, VBB=100V)
XRPIX1b(T=-50C, VBB=100V)
x 1.7
# 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-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 .
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XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode - 分光性能の限界を求めるための試験 . (cf. Prigozhin et al., 2009)
- 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 .
-> Signal Level - Base Level
X 線のエネルギー
Signal Level
Base Level
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XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode
ΔE = 278 eV @ 8.0 keV (FWHM)Readout Noise = 14.6 e- (rms)
- 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)
ADU
Readout Noise : 14.6 e- (rms)
Cou
nts
Readout Noise : 18 e- (rms)
FWHM=190 eV
@ 1.49 keV
Al-Kα
Soft X-ray-> First Result !
Energy [eV]
Cou
nts
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XRPIX1b : Trigger-Driven Readout Mode
FPGA
ADC
Trigger Info. Output
Direct Pixel Access
Analog Signal Output
COL Hit ADDR Resister
RO
W H
it AD
DR
Resiste
r
1
1
COL ADDR DECODER
RO
W A
DD
R D
EC
OD
ER
OR
2TRIG (TIMING)
ANALOG OUT5
TRIG ROW ADDR
TRIG COL ADDR
3
ROW ADDR
COL ADDR
4
PC6
Dead Time : ~100 μs/event
(HIT POSITION)
Future -> ~10 μs
X-ray0
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トリガ情報出力試験
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
31 3
0 2
9 2
8 2
7 2
6 2
5 2
4
23 2
2
30.6 um
30.6
um
PIXEL [23][24]
Laser Spot
CA
RA
Column Address (CA) -> 23 Row Address (RA) -> 24
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トリガ情報出力試験
Laser Light in 1
Pixel
23
24
2D Image of Aout (1Frame)
TRIG_COL (Hit Pattern)
TRIG_ROW (Hit Pattern)
SCLKTRIG
ADR=
TRIG_O
0 5 10 15 20 25 31
23
24
1Pixel Hit Pattern @OSCRst
STORE
TRIG_O
Laser_INPUT
Rst Rst
1 Frame Scan
On
TRIG_O @OSC
Scan
TRIG Signal Diagram
VPD>VTH ?
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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 .
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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
- 軟 X 線のスペクトルを取得.
XRPIX1b : Sense-node Cap. = 24 fF Sensitivity = 6.1 μV/e
Noise = 74 e (rms) ΔE = 0.8 keV (FWHM) @ 22 keV
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.
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- 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.
Backup
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LAPIS 0.2 μm FD-SOI Pixel ProcessProcess 0.2μm Low-Leakage Fully-Depleted SOI CMOS (LAPIS)
1 Poly, 5 Metal layers, MIM Capacitor (1.5 fF/um2), DMOSCore (I/O) Voltage = 1.8 (3.3) V
SOI wafer Diameter: 200 mmφ, 725 um thickTop Si : Cz, ~18 Ω-cm, p-type, ~40 nm thick Buried Oxide: 200 nm thickHandle wafer: Cz(n) ~700 Ω-cm, FZ(n) ~7 kΩ-cm, FZ(p) ~40 kΩ-cm
Backside Mechanical Grind, Chemical Etching, Back side Implant, Laser Annealing and Al plating
M5
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X 線の検出効率
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13
MPW (Multi Project Wafer) run
多くのユーザーを集め年に2回実施
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XRPIX Control Diagram
≈≈
≈≈
1) Reset
One Frame
2) Integration 3) Readout
≈
Hit Pattern
≈≈
32 x 32 PixXXX XXX
PD_RST
CDS_RST
STORE
Pix (CA, RA)
Analog Readout
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XRPIX1/1b Design : ピクセル回路
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X 線イメージ検出器
Direct Detection Indirect Detection
No On-Chip Logic
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)
X 線用 CCD...( 読出し速度に制限)
CMOS APS...( 空乏層が薄く、感度が悪い)
HybridMonolithic
Medipix, Pilatus ...(Mechanical Bonding で性能
に制限)
小型、安価
高精度
高機能
高感度
SOI Pixel ! SOI Pixel !
On-Chip Logic
Bulk CMOSSOI CMOS
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m
通常の半導体ウエハー(Bulk Wafer)
SOI Wafer
BOX(埋込み酸化膜 )
Top Si (SOI Layer)
20-200 nm50-400 nm
circuit circuit
PhysicalSupport
RadiationSensor
Bulk and SOI Wafer
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