次世代 X 線天文衛星搭載に向けた
裏面照射型 SOI ピクセル検出器の軟 X 線感度の改善
京都大学大学院 理学研究科 物理学第二教室 宇宙線研究室
伊藤 真音
2017 年 1 月 26 日

Abstract
超新星残骸における Fe、Ni を撮像分光することで超新星の爆発起源に迫ることができる。しかし、今まで Fe K 輝線周辺のエネルギー帯 (6.4−8.1 keV) は明るい天体しか十分に観測できなかった。そこで、 我々は、以上を目的とした次世代 X 線天文衛星「FORCE」に搭載予定である X 線 SOI ピクセル検出器を開発している。これは SOI (Silicon On Insulator)技術を用いた厚いセンサー部と高速の CMOS 読み出し回路を一体化した検出器である。
各ピクセルにヒットタイミングを出力させるイベントトリガー機能を備えることで、高い時間分解能 (∼ 10 µsec) を得る。これにより、従来の X 線 CCD では不可能であった反同時計数法を用いて、宇宙線起源である非 X 線バックグラウンドを大幅に抑え、0.5−40 keV
にわたる広帯域撮像分光を実現する。軟 X 線感度を高くするには、X 線入射面の不感層をできるだけ薄くする必要がある。我々の目指す感度実現において、不感層厚の目標は0.1 µm、要求値は 1.0 µm である。検出器回路層側 (表面) には厚さ 8 µm 程度の回路層があるため、検出器センサー層側 (裏面) から X 線を入射させる裏面照射型 (Back-Illuminated:BI) 検出器が必要である。BI 素子の製造過程で裏面には結晶欠陥が生じ、これに起因して暗電流が発生する。よって、結晶構造を回復させ暗電流を抑えるだけではなく、薄い不感層を同時に実現する裏面プロセスを行うことが必須である。我々は、これまでに熱処理の方法が異なる 2 種類の裏面プロセスを施した BI SOI ピクセル検出器を開発した。一つは、ローレンス・バークレー国立研究所で開発されたイオンインプラント+低温アニール処理(PZ) を施した素子、もう一つはイオンインプラント+レーザーアニール処理 (LA) を施した素子である。PZ と LA ともに、Cl (2.6 keV)、Ti (4.5 keV)、Fe (6.5 keV)、Se (11.2 keV)の特性 X 線を用いた評価を行い、検出効率を見積もった。X 線フォトンカウンティングの実質的な不感層は、裏面プロセスで決まる物理的な不感層だけではなく、空乏層厚や読み出しノイズに依存する。従って、これらのパラメータの違う素子を使って、軟 X 線性
能のパラメータ依存性を調べた。以上の結果から、2 種類の裏面プロセスはともに物理的に 0.5 μ m 程度の不感層が存在し、要求値 1.0 μ m を達成していることが分かった。さらに得られた不感層厚は半導体デバイスシミレーションによって再現でき、裏面感度改善の指針を立てることができた。

i

目次
第1章
1.1

1.2

第2章
2.1

2.2
2.3

2.4
2.5

第3章
3.1

3.2
第4章
4.1
4.2

4.3

超新星の爆発機構と次世代 X 線撮像分光器の開発
超新星の爆発機構とその観測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Ia 型超新星爆発と 58 Ni の観測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 重力崩壊型超新星爆発と 58 Ni の観測 . . . . . . . . . . . . . . . . .
従来の観測の問題と次世代 X 線撮像分光器の開発 . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 従来の観測装置の問題点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 次世代 X 線撮像分光機の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1
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6
6
7

X 線天文用 SOI ピクセル検出器
SOI ピクセル検出器の構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 p 型・n 型半導体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 pn 接合と空乏層 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
X 線と SOI ピクセル検出器の相互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
表面照射型、裏面照射型について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 表面照射型 (Front-illuminated: FI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 裏面照射型 (Back-illuminated: BI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
電荷収集 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SOI ピクセル検出器の性能指標 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 ゲイン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 エネルギー分解能と読み出しノイズ . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.3 検出効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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多色蛍光 X 線較正システム
実験セットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 多色 X 線発生部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 SOI ピクセル検出器測定部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
X 線絶対強度測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定
X 線天文用 SOI ピクセル検出器の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX2b-LA の仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 XRPIX2b の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 ピクセル回路について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 LA 処理について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
基本性能試験: ペデスタル特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4.4

4.5

4.6

4.7
4.8

第5章
5.1

5.2

第6章

X 線検出の解析方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 解析プロセス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 イベント検出とチャージシェアリングイベントの補正 . . . . . . .
XRPIX2b-LA における軟 X 線裏面照射実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1 取得データについて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2 エネルギースペクトルとゲイン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3 実験結果 1: 空乏層の広がり . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.4 実験結果 2: 不感層の厚み . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX2b-LA のデバイスシミュレーション . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1 シミュレーションで再現したデバイス構造 . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2 デバイスシミュレーションの結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX3b-LA の仕様と概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX3b-LA における軟 X 線裏面照射実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.1 取得データについて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.2 エネルギースペクトルとゲイン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.3 検出効率と不感層 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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PZ 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定
XRPIX2b-PZ の仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 PZ 処理について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX2b-PZ における軟 X 線裏面照射実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 取得データについて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 エネルギースペクトルとゲイン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 実験結果 1: 空乏層の広がり . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.4 実験結果 2: 不感層の厚み . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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49
49
49
49
49
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55

まとめ

56

iii

図目次
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6

Ia 型の爆発機構イメージ図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ia 型の超新星残骸における Ni 輝線の観測例 . . . . . . . . . . . . . . . . .
NuSTAR による Cas A の 65−70 keV のエネルギーバンドイメージ . . . . .
CasA における 44 Ti と 56 Fe の空間分布比較図 . . . . . . . . . . . . . . . . .
すざく衛星搭載の X 線 CCD で取得した NXB のスペクトル . . . . . . . .
反同時計数法による NXB の除去の概念図 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2
3
5
5
6
8

2.1
2.2
2.3
2.4
2.5

SOI ピクセル検出器の構造図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
p 型半導体と n 型半導体の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
pn 接合と空乏層の形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Si と X 線の相互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
入射 X 線エネルギー・物質の種類に応じて支配的となる相互作用 . . . . .

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3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7

多色 X 線較正システムの模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
多色 X 線較正システムの写真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SOI ピクセル検出器測定部 (真空槽 2) の写真 . . . . . . . . . . . . . . . . .
素子とコールドプレート . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SOI ピクセル検出器のデータ読み出しボード . . . . . . . . . . . . . . . . .
SDD で得られた各 X 線スペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SDD における X 線エネルギーに対する検出効率 . . . . . . . . . . . . . . .

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23
24

4.1 XRPIX2b のチップ写真とブロック機能図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 XRPIX2b のピクセル回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 XRPIX2b の出力波高値マップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 あるピクセルのライトカーブとヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 あるピクセルのライトカーブとヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6 イベントセレクションの関係図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7 XRPIX2b-LA で得られた X 線スペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8 XRPIX2b-LA のエネルギー較正の結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9 XRPIX2b-LA における Se-K の検出効率のバックバイアス電圧依存性 . . .
4.10 XRPIX2b-LA における検出効率とエネルギーの関係 . . . . . . . . . . . . .
4.11 XRPIX2b-LA における Cl-K 検出効率とバックバイアス電圧依存性 . . . .
4.12 XRPIX2b のピクセルレイアウト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13 XRPIX2b-LA のデバイス構造図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.14 XRPIX2b-LA の裏面におけるリン濃度プロファイル . . . . . . . . . . . . .

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28
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35
36
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38
38

iv
4.15 XRPIX2b-LA におけるデバイスシミュレーションの結果 . . . . . . . . . .
4.16 XRPIX2b-LA における不感層厚のバックバイアス依存性 . . . . . . . . . .
4.17 XRPIX3b のチップ写真とブロック機能図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.18 センスノード後段における回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19 XRPIX シリーズ性能比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.20 XRPIX3b-CSA-LA で得られた各 X 線スペクトル . . . . . . . . . . . . . . .
4.21 XRPIX3b-SF-LA で得られた各 X 線スペクトル . . . . . . . . . . . . . . . .
4.22 XRPIX3b-LA のエネルギー較正の結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.23 XRPIX3b-LA における検出効率とエネルギーの関係 . . . . . . . . . . . . .
4.24 XRPIX3b-LA におけるデバイスシミレーション結果 . . . . . . . . . . . . .

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41
42
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43
45
46
46
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48

XRPIX2b-PZ におけるリン濃度プロファイル . . . . . . . . . . . . . . . . .
PZ 処理を行った SOI ピクセル検出器における SRA 測定結果 . . . . . . . .
XRPIX2b-PZ で得られた各 X 線スペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX2b-PZ における Se-K の検出効率のバックバイアス電圧依存性 . . .
XRPIX2b-PZ における Se-K の検出効率とバックバイアス電圧依存性 . . .
XRPIX2b-PZ における検出効率とエネルギーの関係 . . . . . . . . . . . . .
XRPIX2b-PZ における Cl-K の検出効率とバックバイアス電圧依存性 . . .

50
50
52
53
53
54
55

5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7

v

表目次
3.1
3.2
3.3
3.4

XR-100SDD の仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SDD で測定したデータ一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
SDD における測定した各 X 線エネルギーに対する検出効率 . . . . . . . .
X 線絶対強度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22
22
24
24

4.1
4.2
4.3

XRPIX2b-LA で取得した X 線データ一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX3b-SF-LA で取得した X 線データ一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . .
XRPIX3b-CSA-LA で取得した X 線データ一覧 . . . . . . . . . . . . . . . .

32
44
44

5.1

XRPIX2b-PZ で取得した X 線データ一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

1

第1章

超新星の爆発機構と次世代 X 線撮像分光器の開発

X 線天文学は、宇宙に存在している様々な天体からの X 線を観測することで、この広大な宇宙の姿を解明してきた学問である。その歴史は、1962 年の Bruno Rossi と Riccardo
Giacconi による X 線観測用ロケットにより、初めて太陽以外の X 線天体を発見したことに始まる。これ以降、X 線天文学は可視、赤外、電波に並ぶ観測天文学として急激な発展を遂げてきた。1970 年に世界初の X 線天文衛星 Uhuru が打ち上げられて以来、数々の X
線天文衛星が打ち上げられた。現在では、長期間の X 線観測を可能とする X 線天文衛星
は X 線天文学にとって必要不可欠のものである。今日に至るまでに、ブラックホールといったコンパクト天体や、超新星残骸、銀河間プラズマなど多種多様な天体から X 線が放射されていることがわかってきた。
高エネルギー宇宙物理が抱える最大の課題の 1 つは超新星の爆発機構の解明である。多数のモデルが提唱されている爆発機構を観測的に制限するには、星内部の元素の分布を観測する必要があり、超新星残骸の X 線観測はその有効な手法の一つである。これは、超新星爆発後に残る超新星残骸を X 線で観測することにより迫ることができる。次節で超新星爆発とその機構解明について述べる。

1.1 超新星の爆発機構とその観測
超新星爆発とは巨大な星が一生を終えるとき起こす大爆発である。その典型的なエネル
ギーは ∼ 1051 erg にも達する宇宙最大の高エネルギー現象である。これらの星は核融合を進めながら内部で元素をする。超新星爆発時にこれらの元素は宇宙空間に飛散し、宇宙の化学進化に大きな影響を及ぼす。
超新星爆発の種類は、爆発の物理機構の観点から、炭素と酸素をコアにもつ白色矮星の核暴走による Ia 型と大質量星の重力崩壊で生じる重力崩壊型の二つに分けられる。これ
らの爆発起源はどちらも未だ解明には至っていない [1, 2]。超新星爆発は星の中心部の状
態が鍵となるため、できるだけ星の中心部で何が生じているかを知ることが爆発機構解明につながる。
星内部で生じる元素合成は 4 He を基準に進むため、合成される元素は基本的に陽子数と中性子数は同じである。一方で、高温高密度な星の最深部では電子捕獲反応が進むため中性子が生成され、陽子数よりも中性子数の多い中性子過剰な元素が生成される。したがって、中性子過剰な元素は星の最深部の情報をもつ鍵となる元素である [3, 4]。爆発時に生成され元素のうち、陽子中性子同数の安定な元素代表は 56 Ni (後に 56 Fe に崩壊)、中性子過剰の代表は 58 Ni である。そして、それぞれ超新星残骸の熱的プラズマからの Fe K 輝線

2

第 1 章 超新星の爆発機構と次世代 X 線撮像分光器の開発と Ni K 輝線として観測される。この超新星残骸における 58 Ni の観測をすることで、超新星爆発の爆発機構に迫る。

1.1.1 Ia 型超新星爆発と 58 Ni の観測
Ia 型超新星爆発は 炭素と酸素コアの白色矮星の核融合反応によって生じる爆発と考えられている。8 M⊙ より質量の小さい星は炭素と酸素コアの質量が炭素燃焼が生じる臨界
質量 1.07 M⊙ よりも小さい。そのため、炭素燃焼が生じるまで中心温度は上昇せず、やがて自己重力と電子の縮退圧が釣り合った白色矮星となる。伴星からの質量降着などによりチャンドラセカール質量 (∼ 1.4 M⊙ ) に至ると、自己重力が電子の縮退圧を上回る。その結果、白色矮星は収縮し、中心の温度が上昇することで炭素燃焼が爆発的に生じることで、超新星爆発に至る。
爆発機構としては現在、主に 2 種類提唱されている。1 つは、白色矮星に伴星からの質量降着により質量がチャンドラセカール質量 (∼ 1.4 M⊙ ) を超え、超新星爆発に至る Single
Degenerate (SD) 説 [5, 6]。もう 1 つは、2 つの白色矮星が合体することにより、爆発に至る Double Degenerate (DD) 説 [7] が提唱されている。しかし、依然として 2 つの爆発機構の論争は続き、いまだに決着は付いていない [1]。

図 1.1: Ia 型の爆発機構イメージ図。 (左図) Single Degenerate 説、(右図) Double Degenerate説。

SD 説と DD 説の決定的な違いは、爆発する白色矮星の中心密度である。Ia 型超新星の標準的な理論によると、伴星からの質量降着によって爆発に至る SD 説の場合、爆発する
白色矮星の質量はチャンドラセカール限界に近づくので、爆発直前に極めて高密度のコアが形成される。これにより爆発時に効率的な電子捕獲が起こり、星の中心近くではより中性子過剰な 58 Ni が生成される。Ia 型超新星爆発では SD 説、DD 説に限らず 56 Ni はおよ
そ 0.6 M⊙ 程度生成されることがわかっており、観測される Fe を基準に考えれば、Ni とFe の質量比 MNi /MFe は非常に高い (0.2−0.4) ものとなる。一方、白色矮星同士の合体のDD 説によって生じる超新星爆発は、爆発する白色矮星の質量がチャンドラセカール限界
よりも十分に低い質量 (∼ 1 M⊙ ) でのみ、典型的な可視光観測の特徴 (スペクトルやライ1.1. 超新星の爆発機構とその観測

3トカーブ) を再現する [8]。この質量下では白色矮星の中心でも電子捕獲が起こる密度には届かず、 超新星の全域においては MNi /MFe は 0.1 未満となると考えられている。したがって、SD 説と DD 説はともに、超新星残骸の X 線観測で Ni と Fe の元素組成比を正確に測定することができれば見極めることが可能である。
図 1.2 は現在までに Ni 輝線が観測された Ia 型の超新星残骸の X 線スペクトルを示す[3, 9, 4]。これらはいずれも X 線天文衛星 Suzaku で観測されたものである。それぞれの超新星残骸 Kepler (G4.5+6.8)、Tycho (G120.1+1.4)、3C397 (G41.1−0.3) の X 線スペクトルから求めた MNi /MFe 比はそれぞれ ∼ 0.025、 ∼ 0.035、∼ 0.15 である。Kepler、Tycho に比べ 3C397 は極めて MNi /MFe 比が大きく、値としてもこれは爆発する白色矮星がチャンド
ラセカール質量付近で爆発することを示唆している。しかし、図 1.2 から見ても分かる通11 –輝線にくらべて 1 桁程度小さい強度であることあるため、誤差が大り、Ni K 輝線は Fe–K
きいのも事実である。現在までに Ni 輝線が観測された Ia 型の超新星残骸の例はこれら 3例と非常に少ない。これら Kepler、Tycho、3C397 のいずれも銀河系内で、距離は 10 kpc
以内と近く、明るい超新星残骸なので Ni K 輝線は観測できている。 MNi /MFe 比によってSD 説と DD 説を見極めるためには、過去の観測で Ia 型超新星残骸とわかっている天体から新たに Ni K 輝線の観測を試みて、観測事実を増やすことが今後重要になる。

The Astrophysical Journal, 780:136 (6pp), 2014 January 10

Yamaguchi et al.

data and folded model

NW rim

(b)

0.1

0.01

23 arcminχ

NW rimFe K α4Fe KαBlack: XIS 0
Red: XIS 3

Mn

0

Continuum

Fe K
(a)

3 arcmin

β

Ni

Fe Kα

0.1
Counts s-1 keV-1

normalized counts s−1 keV−1

CrK

Surface Brightness [MJy sr-1]
10
30
100
300

1

(a)

Yamaguchi et al.

Cr

Mn

Fe Kβ

Ni

0.01

−3

10

1

−2
Figure 1. Suzaku XIS imagesof Tycho’s SNR in the (a) 6.43–6.53 keV (Fe Kα)band and (b) 7.7–9.0 keV band
(continuum emission). North is up and east is to
−4
5
6
7
8
9
SW
rim
the left. The northwest (NW)5 region confined with the green lines is where we
Energy [keV]
Energy (keV)
extract the spectrum shown in Figures 2 and 4.
20
25
30
35
40
1.— Suzaku XIS spectrum of Kepler’s SNR. The best-fit model (PL + 5 Gaussians)areFigure
2. XIS [μm]spectrum of Tycho’s SNR in the 5.0–9.0 keV band, where the(A color version 2′
ofFig.
this5.8
figureis available in the online journal.)
Wavelength=pc
overlaid.
(a) Kepler [3]Tycho [9]background data are subtracted. (b)A phenomenologicalmodel using a power law(dashed line for the continuum) and five Gaussians (solid gray lines for theemission lines) yields the best-fit parameters given in Table 1.
image
SNR 3C
397. Red andreprecanofeasily
photoionize
theblueheavyelements of the unshockedFeand 5–9 keV X-rays (Suzaku), respectively.
ejectaHamiltonndicatethe (e.g.,
locationswhere ettheal.
IR1997).
spectraFurthermore, in a Type Ia

Counts s-1 keV-1
0.01
0.1

(b)

10-4

10-3

analyze observational data based on the state-of-the-art atomic
SNR the ejecta consist only of heavy elements, with no conCr
tribution of hydrogen and helium. The magnetic field strength Mn physics models we compute. In Section 3, we constrain the efNi
ficiency of collisionlesselectron heating by comparing our hyexpectedin the interiorof therobust
white dwarf before the explocellent
opportunity
to make
13
drodynamical
calculations
and finally we discuss the plausible
sion (B! 10 G; Suh& Mathews
e yields
of neutronizedspecies,as the2000) will be dramaticallymechanismof
thisefficientheating process.
by expansion.
Frombyflux
conservation,a conservative upust diluted
have been
thermalizedthereper limit
the therefore
field strength
SNRs,
and onwill
be present
visiblenear the RS location in Ty−7
2. OBSERVATIONAL RESULTS
is estimated toisbean∼10
G. This is sufficiently highum.cho’s
3C SNR
397 (G41.1–0.3)
ideal
13
since
is dynamicallymorethatitthe
ion gyroradius,rg ∼evolved
10 (A/56) (B/10−7 [G])−1 cm
The observations with the Suzaku XIS were performed during
wn (where
Type Ia(i.e.,number),
Kepler, isTyA isSNRs
the massmuch smaller than the SNR
2008
August with a total effective exposure of 415 ks. The
19thoughsometimes
beenradius3C
of397∼10hascm,
ensuring theformation of a collisionless5
6 primary7 data reduction
89
was performedin accordance with the-collapse
SNR
due to strength
its proximity
RS. Yet,the inferred
is at least an order of magnitude
Energy[keV]standard
procedurerecommended
bythe
instrument team. We−6(Safi-Harb
al. 2000),
moststud-(a few times 10 G). The
below the et
typicalvalue inthe ISM
use
only
the
data
of
front-illuminated
CCDs(XIS0 and 3) and
Figure2. (a)
Spitzer IRS
wn geometry
systematic
analysis
Fe K-shell(c) spectra
3C397 used
[4] to measure the ambientof theinteriorofmagnetic
field should
be highlyordered
merge
them
to
improvethephotonstatistics.
Figure1 shows XIS
density.
Black
and
gray
data
are
taken
from
the
NE
and
SW
rims
andasmiddle-aged
SNRs, radiallyagree ona expanding ejecta. Thesethe field is stretchedby theindicated in Figure 1, respectively.
The
continuum
components
areKα line ((a) 6.43–6.53 keV)
imagesintheenergy
bands
of
the
Fe
, Chenet al.
1999; Yanget al.
2013; with
図fitted
1.2:
Iain型の超新星残骸におけるNi 輝線の観測例。
distinct
properties,
strongly
contrasting
those
ISM,
with
athe
dust
emission andmodel(dashed curves).
continuum
emission(b)((b)Spatially
7.7–9.0 keV). This continuum has
014a).
Here
we
present
strongintegrated
Suzaku
XIS spectrum of 3C 397. The model (gray lines)
allow us to probe the physics of evicollisionlesselectronheating
been
shown
to
be
dominatedby synchrotron radiation fromof a bremsstrahlung
continuum with an electron temperce ofelectroncapturein theunder
conditions
far products
different fromthose ofconsists
any earlier
work.
relativistic
electrons
accelerated
atthethe blast wave (Hwang et al.
ature
of
log
(T
[K])
=
7.39
±
0.04
and
four
Gaussianswithe10
C 397,Previous
after provingthat the SNRishydrodynamical
calculations
applied tolisted
Tycho’s
parametersin Table 1.2002; Cassam-Chenaı̈ et al. 2007). We extract an X-ray spectrum
our SNR
analysis,weassumethe
distance
required the presence of a modest amount of collisionlessfrom the northwest (NW) rim indicated in Figure 1. Backgroundkpcelectron(Safi-Harb
et al.
2000,
refer- the observed X-ray flux
heating
at theRSandto explain
data are taken from the nearby sky and subtracted from theourfrom
maintheresults
andejecta
conclusions
areet al. 2005, 2006). This isshocked(Badenessource spectrum.
Figureis the resultant spectrum in theuncertainty
distance
shows
theSNbackground-subtracted
Spitzer
IRS2 spectra
in contrastintothe
earlier
resultsestimate.
on another TypeIa SNR,
1006,

4

1.1.2

第 1 章 超新星の爆発機構と次世代 X 線撮像分光器の開発

重力崩壊型超新星爆発と 58 Ni の観測

重力崩壊型超新星爆発は、質量が 8 M⊙ 以上の大質量星の爆発である。これらの大質量星は進化に伴い核融合反応が進み、星の内部に鉄の中心核を持ち、その周りを順に鉄より軽い元素が占めるたまねぎ状の層構造をなす。鉄が最もエネルギー的に安定なので、核融合によって鉄の核からそれ以上エネルギーは取り出せず、自己重力を支えることができな
くなり重力崩壊が生じる。中心部が高密度になると中性子の核を形成するようになり、中性子の縮退圧によって収縮は止まる。その後さらに落ち込んでくる外層が中心核表面で跳ね返され、外側に向かって強い衝撃波を生じ、ついには、外層を吹き飛ばして超新星爆発を起こす。
このような重力崩壊型ではシミュレ ーションから球対称爆発は絶望視され [10, 11, 12,13]、ある種の非対称性が爆発に本質的な役割を果たすが詳細は未だにわかっていない。
爆発の非対称性について観測的に明らかにするためには、星間空間の環境の影響を受けない、より星の中心で生成された元素の空間構造を観測することが必須である。したがって、Ia 型超新星爆発でも有効であった 58 Ni をただ観測するだけでなく、空間分解のよい検出器によって精密撮像することで空間分布を知ることができれば、重力崩壊型超新星爆
発の爆発機構に迫ることができる。
重力崩壊型超新星爆発で生成される 58 Ni は Ia 型超新星爆発に比べてさらに少ないため観測するのが難しい。したがって、Ni の撮像によって爆発の非対称性に迫った観測は現在までにされていない。一方、別の観測で爆発の非対称性を示唆する超新星残骸がいくつか見つかっている。そのうちの一つに超新星残骸 Cas A (Cassiopeia A) における 44 Ti の観測がある [2]。44 Ti は半減期 60 年と比較的短く、電子捕獲の後 44 Sc を経て安定核の 44 Caに崩壊する。この際に、67.9 keV と 78.4 keV の 核 γ 線を放出する。また、44 Ti が生成される場所は鉄コア付近であるため、 56 Fe、44 Ti の空間分布を撮像することで爆発の非対称性に迫ることができる。
X 線望遠鏡 NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Aray) で Cas A を観測し、65−70
keV のエネルギーバンドで 44 Ti の空間分布を描いたのが図 1.3 である [2]。この図から 44 Ti
は空間的に非一様に分布していることが分かる。また、図 1.4 は 56 Ni すなわち 56 Fe の空間分布と 44 Ti の空間分布をを比較したものである。図 1.4 において 56 Fe (赤) と 44 Ti (青)の分布は著しく異なっている。ここで、Fe は逆行衝撃波によってイオン化されることで初めて X 線観測を行うことができるが、44 Ti は核 γ 線の観測なので衝撃波に依存しない分布を示す。したがって、56 Fe と 44 Ti で分布に違いが生じる。このように逆行衝撃波が星の中心部に届いていないような若い超新星残骸では 44 Ti の分布が爆発機構に迫る有効な手段となる。NuSTAR の観測によると、56 Fe と 44 Ti の分布非対称性から、Cas A の爆発は単純な球対称爆発モデルの予想とは食い違うことが示唆され、著者らは爆発前の親星内部で低モードの対流不安定の成長を示すと主張している [2]。しかし、44 Ti の半減期は短いためこれらの観測は Cas A のように若い超新星残骸に限られてしまう。一方、超新星残骸の大半は年齢数千から数万年と 56 Ni をイオン化する程度に爆発から時が経っているので、
56
Ni を撮像することで系統的に爆発起源に迫ることができる。

1.1. 超新星の爆発機構とその観測

5

LET

Extended Data Figure 1 | The background-subtracted image of Cas A in the
65–70-keV band containing the 68-keV 44Ti line showing the significance of図によるthe 44Ti knots.
のThe data have been smoothedのエネルギーバンドイメージ。44
with a 2099-radius top-hat
function (dashed circle) and are shown with 3s and 4s significance contours
的に非一様に分布していことを示している。白破線の縁はそれぞれ、順行衝撃面(green). In addition to the features shown in Fig. 1, here we also show locationsof the forward (R < 15099) and reverse (R < 10099) shocks17 (white dashed
逆行衝撃波 内側 を示す。
circles), for context. The 44Ti clearly resolves into several significantly identified
clumps that are non-uniformly distributed around the centre of expansion.

1.3: NuSTAR
(

Cas A

65−70 keV[2]

Ti は空間
(外側)、

)

LE

in the Cas A remnant. We simulate two explosio
extremes of explosion asymmetry: a spherically s
and an explosion representing a fast-rotating p
ficially induced bipolar asymmetry where the ex
30u half-angle cone near the rotation axis is increa
relative to the rest of the ejecta. The simulated 4
Data Fig. 3) indicate that the level of observed non
is far greater than what can be produced by the s
explosion, and that the bipolar explosion (wher44
Ti remains within 30u of the rotation axis) c
observed off-axis 44Ti knots. This argues against f
tors as well as jet-like explosions, which are even m
the bipolar explosions. The supernova is better dmediate case, where the observed non-uniform
result of a multimodal explosion such as thos
low-mode Rayleigh–Taylor models29 and models
ing accretion shock instability30. The Cas A remn
strong evidence that this low-mode convection m

METHODS SUMMARY

A full description of the methods, including data analysis
error estimates, and supernovae simulations can be foun

Online Content Any additional Methods, Extended Data dData are available in the online version of the paper; refesections appear only in the online paper.

Figure 3 | A comparison of the spatial distribution of 44Ti with known Fe
Received 27 August; accepted 13 December 2013.
K-shellemission
Cas A. We reproduce the spatial distributions shown in
44
図における Fig.
とadd56thein4–6-keVの空間分布比較図
。青色は
による
2 and
continuum emission (white) andthe spatial
G. et al. Trends in 44Ti and 56Ni from coredistribution of X-ray-bright
44 Fe (red) seen by Chandra (Fe distribution courtesy 1. Magkotsios,
Astrophys.
J. Suppl. Ser. 191, 66–95 (2010).
のエネルギーバンドイメージでの空間分布を示す。赤色による
44of U. Hwang). We find that the Ti does not follow the distribution of Fe
2. Thorstensen, J. R., Fesen, R. A. & van den Bergh, S. The
K-shell
56X-ray emission, suggesting either that a significant amount of Fe
dynamical age of the galactic supernova remnant Cassの 線バンドイメージでの空間分布を示す。両者を比較すると空間構造は著しく異remains unshocked and therefore does not radiate in the X-ray, or that the
297–307 (2001).
3. Reed, J. E., Hester, J. J., Fabian, A. C. & Winkler, P. F. The
Fe/Ti ratio in the ejecta deviates from the expectation of standard
なっている。
Macmillan
Publishers
Limited.
Allrightsof
reserved©2014
structure
the Cassiopeia A supernova remnant. I. The
nucleosynthesis models.

1.4: CasA
keV
X

Ti

Fe

[2]

Ti

NuSTAR
Chandra65−70
4−6 keV

Fe

4.

44

The measured Ti line widths and distribution can directly constrain mixing in the supernova engine. As evidenced by SN 1987A,
mixing due to Rayleigh–Taylor instabilities occurring between the
explosion’s forward and reverse shocks (distinct from the remnant’s
forward and reverse shocks) may be important in some types of supernova explosion24. Because 44Ti is a good spatial tracer of 56Ni in all
established supernova models, we can compare the measured velocity
56

5.
6.
7.
8.

J. 440, 706–721 (1995).
Krause, O. et al. The Cassiopeia A supernova was of typ1195–1197 (2008).
Iyudin, A. F. et al. COMPTEL observations of Ti-44 gammCas A. Astron. Astrophys. 284, L1–L4 (1994).
Vink, J. et al. Detection of the 67.9 and 78.4 keV lines aradioactive decay of 44Ti in Cassiopeia A. Astrophys. J. 5
Rothschild, R. E. & Lingenfelter, R. E. Limits to the Cassconstraints on the ejecta energy and the compact sour
257–261 (2003).
Renaud, M. et al. The signature of 44Ti in Cassiopeia A r
INTEGRAL. Astrophys. J. 647, L41–L44 (2006).

6

第 1 章 超新星の爆発機構と次世代 X 線撮像分光器の開発

1.2 従来の観測の問題と次世代 X 線撮像分光器の開発
1.2.1

従来の観測装置の問題点

現在に至るまで、様々な X 線天文衛星で超新星残骸の観測が行われてきた。しかし、前項で見たように、今までに超新星残骸から Ni K 輝線を観測した例は非常に少数である。
したがって過去の検出器の問題点をフィードバックすることで、我々は、Fe K 輝線とさらに強度が一桁小さい Ni K 輝線を分光し、超新星残骸におけるこれらの元素の空間構造を精密に撮像することを目指す。現代の X 線天文衛星に搭載されている主な検出器である X 線 CCD (Charge-coupled device) [15] は優れた分光能力 (140eV FWHM @6 keV) をもち、空間分解能秒角を実現するピクセ ルサイズ (24 µm) を実現している優れた X 線撮像
分光器である。Suzaku 衛星、Chandra、XMM-Newton、さらには Hitomi 衛星など世界中の基幹 X 線衛星に主力観測装置として搭載された実績がある。しかし、X 線 CCD は衛星
軌道上の宇宙線が起源である非 X 線バックグラウンド (NXB: Non X-ray background)[14]がとても高いため、10 keV 以上の観測は困難であり、Fe K 輝線周辺のエネルギーバンド(6.4−8.1 keV) でも S/N が悪く、観測対象が 明るい天体に限られている (図 1.5)。1.1 節でみたように、Fe K 輝線よりも一桁程度小さ い強度の Ni K 輝線を観測した例が極端に少ないのはそのためである。よって、超新星残骸における 58 Ni を観測するためには、より
NXB を小さく抑えなければならない。検出器周辺を物理的にシールドで囲み、検出器に入射する宇宙線を止めることは可能であるが、 現実的ではない厚みのシールドが必要となり、衛星搭載は困難である。したがって、効率良く NXB を除去できる検出器の開発が必要である。また、精密撮像を行うためには、NXB を押さえるのと同時に高い空間分解能が要求される。これらは主に X 線望遠鏡と検出器の画素サイズに依存して決まる。現行の Chandra は空間分解能が 0.5 秒角、XMM-Newton は 12 秒角と非常に優れた空間分解能であったが、 低い NXB を同時に満たすことができていないため Ni の精密撮像を行うことができていない。以上から、NXB を効率良く抑えることのできる検出器を開発し、高空間分解能の X 線望遠鏡を積んだ衛星に搭載することによって、我々の目的を達成する
ことが初めて可能となる。

影響が顕著なバンド

図 1.5: すざく衛星搭載の X 線 CCD で取得した NXB のスペクトル。

1.2. 従来の観測の問題と次世代 X 線撮像分光器の開発

1.2.2

7

次世代 X 線撮像分光機の開発

Fe K 輝線と Ni K 輝線の精密撮像分光による超新星の爆発機構に迫る計画に、次世代 X
線天文衛星「FORCE」がある。これは 10 秒角の優れた空間分解能と前項の問題を解決する検出器を搭載することで、我々の目的達成を可能とする計画である。我々は「FORCE」に搭載する検出器の開発を開始した。搭載する検出器は、前項の問題点も踏まえ、NXBを抑えることだけではなく、輝線中心を決める優れたエネルギー分解能が必要がある。また、超新星残骸は熱的・非熱的な電子によってそれぞれ X 線が放射されるため、観測で得られるスペクトルはこれら二つの成分が混ざった状態で広帯域に渡って得られる。元素
含有量はこれらの成分を正確に分離できるかに依存して大きく変化する。これらを分離するために広帯域観測 (0.5−40 keV) が必要である。以上より、検出器に要求される性能は、優れたエネルギー分解能、低い NXB、広帯域撮像 (0.5−40 keV) である。
NXB は検出器の時間分解能を改善することで解決することができる。まず検出器周囲をアクティブシールドで囲う。NXB はエネルギーが高く、検出器とアクティブシールドを突き抜けるため、 検出器とアクティブシールドがほぼ同時に反応する。従って、これらの反同時計数をとる ことができれば NXB を大幅に抑えることが可能となり、図 1.5 の
黒破線のように NXB が下がることが期待される。NXB のアクティブシールドへの入射頻
度は ∼ 1 kHz 程度であるため、アクティブシールドと検出器間で反同時計数をとるには少なくとも 1 msec より良い時間分解能である検出器が必要である。しかし、X 線 CCD は電荷を転送し読み出すという性質上、全ピクセルを読み出すのに時間を要するため時間分解能が数秒程度と不十分である。しがって反同時計数を用いることができなかった。これを可能とするのが CMOS センサーである。CMOS センサーは X 線 CCD とは違い、CMOS
LSI プロセスによって製造されるため、各ピクセルに読み出し回路とトリガー機能を持った回路を同時に搭載することができる。これにより、ピクセルから出力されるトリガー情報を読み出すことで、時間分解能が ∼ 10 µsec となり X 線 CCD から飛躍的に向上させることが可能となる。通常の CMOS センサーの検出部は薄い空乏層であるため、X 線を観測するためには適さない。よって、我々は SOI 技術を用いて、高速の読み出し回路と厚い空乏層を同時に満たす X 線 SOI ピクセル検出器の開発を開始した。この X 線 SOI ピク
セル検出器において、高エネルギー X 線感度は空乏層厚に依存するが、低エネルギー X
線は光子の入射面構造に依存する。よって、私は目標とする 0.5 keV の感度を実現するた
め、裏面照射型 X 線 SOI ピクセル検出器の開発を推進した。なお本論文は、M. Itou et al.,
NIM A 831 (2016) 55. に記載された内容を含む。

第 1 章 超新星の爆発機構と次世代 X 線撮像分光器の開発

8½IPHSJZMIw

X-ray
hard softcosmic ray(NXB,BG)

1EMR7IRWSV

actiZIWLMIPH

・ERXMGSMRGMHIRGI 2<&rINIGXMSR・LMXTEXXIVRWIPIGXMSR 2<&rINIGXMSR・dirIGXTMxIPEGGIWW <Vay rIEHSYX
図 1.6: 反同時計数法による NXB の除去の概念図。

9

第 2 章 X 線天文用 SOI ピクセル検出器
2.1 SOI ピクセル検出器の構造
SOI とはシリコンウェハの上に薄い SiO2 の絶縁層 (BOX 層) を形成し、その上に別のシリコン薄膜 (SOI 層) を形成する技術である。この技術を用いることで、高抵抗率なシリコンのセンサー部と低抵抗率な CMOS 回路部といった抵抗率の異なる二種類のウェハを一枚のウェハに実現することができる。SOI ピクセル検出器は SiO2 層を挟んで低抵抗率シリコンの回路層と高抵抗率シリコンのセンサー層の 3 層構造を持ち、検出部・読み出し
回路一体化している [16]。その模式図を図 2.1 に示す。SOI ピクセル検出器は、センサー
裏面に電圧 (バックバイアス電圧) をかけ厚い空乏層を得ることで広いエネルギー帯域のX 線を検出し、高速の CMOS 回路による高度な信号処理を行うことを可能とする。
以下では、SOI ピクセル検出器を理解する上で重要となる、p 型・n 型半導体、pn 接合と空乏層について説明する。

Back side

Back Bias Voltage
n type Si substrate(full depleted)

1 pixel size

Buried p-well

p+ (sense-node)

Front side

図 2.1: SOI ピクセル検出器の構造図。

2.1.1 p 型・n 型半導体
固体物質は電気の通しやすさを示す電気伝導度 σ [Ω−1 cm−1 ] によって絶縁体、半導体、導体の三つに大きく分けられる。これらの物質は、分けることができる。(σ の逆数は抵抗率 : ρ = 1/σ [Ω·cm])。典型的には、σ = 10−18 − 10−8 の物質を絶縁体、σ = 104 − 106 の物
質を導体と呼び、これらの中間の物質を半導体と呼ぶ [17]。代表的な半導体としては Si、Ge、GaAs などが挙げられるが、以下では Si 半導体について述べる。

2.2. P-N 接合と空乏層

11X 線天文用 SOI ピクセル検出器

第2章

10
(a)

(b)

(c)

純粋な真性半導体は電気伝導性が低く、用途が限定されている。この半導体結晶に不純
空の伝導体一部満たされた物を付加することで、電気伝導性を上げることができる。シリコン結晶に
3 価、5 価の元
伝導体
伝導体
素を不純物を付加することで作られるのがp 型半導体及び nor型半導体である。例として、3
E ~ 9 eVE ~ 1 eV
価の元素 (アクセプター) であるホウ素を
4 価の元素であるシリコンに付加すると、図 2.2
価電子帯伝導体のように結晶内の共有結合で使用される電子が一つ足りなくなる。この電子の空席
(正孔)
価電子帯
満ちた価電子帯が電流の担い手 (キャリア) として振る舞う。これが p 型半導体である。一方、図 2.2 のようにシリコン結晶に 5 価の元素 (ドナー) を付加すると、電子が一つ余り、この余った電子がキャリアの役割を担う。これが n 型半導体である。
図2.2: (a) 絶縁体のエネルギーバンド、(b) 半導体のエネルギーバンド、(c) 導電体のエネ
以上のように、不純物の原子一つにつき、キャリアが一つ増えるので、不純物原子の添
ルギーバンド。
加量を調節することで電気電導性を変化させることができる。

}

g

g

}
}

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+4
Si
Conduction
electron

+4
Si

+5
B

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+3
P

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+4
Si

+4
Si

hole

(a)
p型半導体

(b)
n型半導体

図 2.2: p 型半導体と n 型半導体の模式図。
図 2.3: (a)P 型半導体、(b)N 型半導体 [6]。
担い手（キャリア ）として振る舞う。この添加された 3 価の元素をアクセプターと呼ぶ。

2.1.2
pn 接合と空乏層
5 価の元素を添加すると、図 2.3b のように 、今度は電子が一つ余
一方、シリコン結晶にる。この余った電子がキャリアの役目を果たす。添加された 5 価の元素をド ナーと呼ぶ。

p 型半導体と n 型半導体を接合させた pn 接合を考える。図 2.3 はその概念図である。p
不純物の原子一つにつき、キャリアが一つ増えるので、添加量を調整することで伝導度型側では正孔の、n 型側では電子の濃度が高いため、接合面を通じてそれぞれのキャリアを変化させることができる。
が反対側に拡散する。すると、p 型ではアクセプターイオンが、n 型ではドナーイオンが取り残されることで、pn 接合間に電位差が生じる。この電位差によって、拡散とは逆方向にドリフト電流が発生し、最終的に拡散とドリフトが釣り合った平衡状態に至る。この2.2 p-n 接合と空乏層
際、接合面付近にはキャリア密度が非常に低い空乏層が形成される。拡散とドリフトの平衡状態のときに生じる
pn 接合間の電位差を内蔵電位 (Vbi ) と呼ぶ。シリコンでは内蔵電位p 型半導体と n 型半導体を接合したものを考える。これを
p-n 接合という（ 図 2.4 ）。pは約0.6V程度である。
型側では正孔の、n 型側では電子の濃度が高いため、接合面を通じて各々反対側へ拡散が平衡状態の pn 接合に、よりキャリアの拡散が進む方向、つまりn 型の電位が高くなる起こる。すると、
p 型ではの負のアクセプタイオンが 、n 型ではの正のドナーイオンが取ように外部電圧 (逆バイアス電圧) を印加すると、pn 接合間の電位勾配がさらにきつくなり残され、電位勾配が生じる。この電位勾配により、拡散とは逆方向にド リフト電流が発り、空乏層が広がる。逆バイアスを V 、アクセプターイオン、ドナーイオンの濃度をそれ生し 、最終的には拡散とド リフトがつり合う平行状態に達する。このとき接合面の周辺にぞれ NA 、ND とかくと、p 型、n 型半導体中の空乏層厚 x p 、 xn はそれぞれ、キャリア密度が極端に低い空乏層が形成されている。また、このとき pn 間に生じる電位

√

xp =

2ϵ(V + Vbi ), xn =eNA (1 + NA /ND )√2ϵ(V + Vbi )eND (1 + ND /NA )(2.1)

2.2. X 線と SOI ピクセル検出器の相互作用
P-typeN-typesemiconductor semiconductor

11{

Depletion layer− −+ +−+−− + +

hole

DiﬀusionDiﬀusion

electron

Drift

図 2.3: pn 接合と空乏層の形成。

√
Wdep = x p + xn =2ϵ(V + Vbi ) 1
1
(
+
)
e
NA ND

(2.2)

と書ける。ϵ は半導体の誘電率 (シリコンでは 1.04 × 10−12 F/cm)、Wdep は全空乏層厚である。例えば、NA >> ND のようにアクセプター濃度とドナー濃度が激しく異なった pn 接合を考える。この時、全空乏層厚 Wdep は、√
Wdep ≃2ϵ(V + Vbi )
eND

(2.3)

と書き表すことができる。さらに n 型半導体の抵抗率 ρ は

ρ=

1
µe ND

(2.4)

であるので、抵抗率 ρ を用いると Wdep は√Wdep = 2ϵµe ρ(V + Vbi )(2.5)となる。ただし µe は電子の移動度である。空乏層は逆バイアス電圧及び抵抗率の平方根に比例することが分かる。よって、同じ逆バイアス電圧でより厚い空乏層を得るためには、抵抗率が大きいものが必要である。

2.2 X 線と SOI ピクセル検出器の相互作用
X 線と物質の相互作用は大きく 3 つに分けられる。以下で各反応過程の詳細を述べるとともに、光電吸収の項目では SOI ピクセル検出器における X 線との相互作用について説
明する。

第2章

12

X 線天文用 SOI ピクセル検出器

光電吸収
入射 X 線が軌道電子に吸収されることでエネルギーを与え、 軌道電子は電離し、光子自体は消滅する。 このとき、電離によって発生した自由電子は、

Ee = E − Eb

(2.6)

のエネルギーを得る。ただし、E は入射光子のエネルギー、
3 E b は電子が元いた軌道における束縛エネルギーである。

X 線天文学

電子が弾き飛ばされて空いた準位には一つ上の順位から別の電子が落ち込むことで埋められる。その際に、落ち込んだ準位差に応じた特性 X 線または外殻電子 (オー線が軌道電子に吸収されることでエネルギーを与え, 電離し, 光子自身は消滅する. このとき, 電ジェ電子) が放出される。特性 X 線とオージェ電子のどちらが放出されるかは競合過て発生した自由電子は,程であり、ある確率(蛍光収率) で特性 X 線として放出する。また、光電吸収の反応
Ee = Eγ − φ(1.1)
a
断面積は、入射光子のエネルギー E の ∼ −3.5 乗、原子番号 Z の 4−5 乗に比例する。

ギーをえる. ここで φa (a = K, L, M, ...) は電子がもといた殻の結合エネルギーである. 図 1.2 にSOI ピクセル検出器においては、センサー部における空乏層が有感部となる。まの光電吸収断面積を示す. 図中には
K 殻結合エネルギー φK に対応する位置にエッジが見える. こず、空乏層に入射したX 線は、光電効果により
Si 原子の内殻電子を叩き出す。この< φK では K 殻電子は放出されないためである. 逆に, Eγ ≥ φK では K 殻電子が放出される確とも高い.

電子によって周囲の電子が電離し、電子・正孔対を作る。Si の蛍光収率は 5 ％程度れた殻には空孔ができと小さいので、ほとんどの場合、内核電子の束縛エネルギー分のエネルギーを持つ, 原子は一時的に励起状態になる. この空孔は, 自由電子の捕獲または軌道配置によりただちに埋められ, 原子は基底状態に戻る. この際, 外殻電子を放出 (オージェ電子) ,オージェ電子を放出し、さらに電子・正孔対を作る。このようにしてできる電子・
性 X 線を放射する. オージェ電子と特性X 線のどちらが放出されるかは競合過程であって, ある
正孔対は入射エネルギーに比例した個数だけ生成される。エネルギー
E の X 線が光収率) で特性 X 線として解放される.
蛍光種率は原子番号に依存し,重い元素ほど大きい
1.3.
入射したとすると、平均電離エネルギー W (シリコンは 3.65 eV) を用いて、生成さの反応断面積は, 光子エネルギー (E) の ∼ −3.5 乗, 物質の原子番号 (Z) の ∼ 5 乗にそれぞれれる対の個数は E/W 個 となる。
Cross section (barns atom−1)

.

105

104

103

1

2

5

10

20

Energy (keV)(a) Si における光電吸収断面積
図 1.2 Si における光電吸収断面積(b) Si における X 線減衰長

図 2.4: Si と X 線の相互作用。

ン散乱

光子が自由電子または軌道電子と弾性散乱し, そのエネルギーの一部を電子に渡す. 散乱の前後でコンプトン散乱

ネルギーは変化する (incoherent
scattering). 軌道電子の束縛ポテンシャルと速度を無視すれば,コンプトン散乱は、
X 線光子と電子との非弾性散乱である。入射光子のエネルギーのエネルギー (E ′ ) は,′を E として、光子が θ 方向に散乱されたとする。散乱後の光子のエネルギー E とす
E
′
(1.2)
れば、E =
E1+

me c 2(1 − cosθ)

ここで, me は電子の静止質量, θ は光子の散乱方向である. 散乱断面積は電子密度に比例するの大きくなると比例して増加する.

2.3. 表面照射型、裏面照射型について

13

E

′

E =

(2.7)

1 + mEe c2 (1 − cos θ)

ここで、me は電子の静止質量、c は光速である。散乱断面積は物質中の電子の個数に比例するので、 Z が大きくなると比例して増加する。
電子対生成
電子対生成はクーロン場の中で E > 2me c2 の高エネルギー入射光子が消滅し、電子・陽電子の対を生成する。入射光子のエネルギーから 2me c2 を引いたものが、電子と陽電子の運動エネルギーとして分配される。また、陽電子は周囲の物質と対消滅を起こしてしまうので、2 次的に 2 個の消滅光子が生成される。反応断面積は Z 2に比例する。
以上 3 つの相互作用の断面積は相互作用する物質の原子番号 (Z) と 入射 X 線エネルギー(E) に応じて変化する。図 2.5 にその依存性を示す。 左右 2 本の実線より外側ではそれぞれ、 光電吸収、対生成が優位であり、その中間のエネルギー帯域はおもにコンプトン散乱が効く。 Z = 14 の Si の場合、∼ 20 keV までは光電吸収が支配的である。
100

Atomic number

80
60

Photoelectric
absorption

40

Pair
production
Comptonscattering

20
0
10−3

0.01

0.1
1
10
Photon energy (MeV)100

図 2.5: 入射 X 線エネルギー・物質の種類に応じて支配的となる相互作用。 左右の実線はそれぞれ全断面積のうち光電吸収および対生成の割合が半分を占める領域を示している

2.3 表面照射型、裏面照射型について
SOI ピクセル検出器の断面図を図 2.1 に示す。電極側に対し、表面または裏面どちらから X 線を照射させるかによって特性が異なる。

第2章

14

2.3.1

X 線天文用 SOI ピクセル検出器

表面照射型 (Front-illuminated: FI)

表面照射型は回路層側 (表面) から X 線を照射する方式をとる。FI SOI ピクセル検出器においては回路層 (∼ 8 µm) で吸収された X 線は検出されないため、軟 X 線に対する感度は低下する。

2.3.2

裏面照射型 (Back-illuminated: BI)

裏面照射型はセンサー層側 (裏面) から、X 線を照射する方式をとる。BI SOI ピクセル
検出器は入射面に回路層がないため、FI SOI ピクセル検出器より軟 X 線感度は高くなる。
さらに軟 X 線の感度を向上させるためには、完全空乏かつ薄い不感層の検出器である必要がある。入射面である裏面構造はプロセスにおける裏面処理に依存し、薄い不感層となるような裏面処理を施さなければならない。

2.4 電荷収集
2.2 節で説明したように、X 線が空乏層で吸収されると電子・正孔対を生成する。N 型
半導体の場合、センサー層にかけられた正の電圧でできた電場によって生成された正孔雲はセンスノードの方向にドリフト運動しながら、自らの熱運動によっても拡散する。以下
では、それぞれの運動について述べる。
まず、センサー部における電場を求める。検出器表面から裏面方向に z 軸をとり、BOX
層とセンサー層の境界を z = 0 にとるものとする。今、センスノードは 0 V、バックバイア
スは V を印加しているものとする。空乏層が zd 広がっているとすると、空乏層表面には、
Q s = +eND zd(2.8)という電荷が誘起する。ただし、ND はドナー濃度、e は電気素量である。この時、z 軸正の方向に電位 ϕ(z) が発生する。この ϕ(z) は Si の誘電率 ϵ とすれば、Poisson 方程式、

∂2 (ϵϕ(z))= −eND(2.9)∂x2を満たす。境界条件として z = zd で電場が 0 がなることと、z = 0 での電位を 0 を課すと、
電位 ϕ(z) と電場 E(z) はϕ(z) = −eNDz(z − 2zd )2ϵ(2.10)

E(z) =

eND(zd − z)ϵ(2.11)

ドリフト

2.4. 電荷収集15と書き表せる。ϕ(zd ) はバックバイアス V で表せるので、空乏層厚 zd は、
√
2ϵV
zd =
eND

(2.12)と表すことが出来る。
この時、正孔雲は電場 E(z) に沿ってドリフトする。正孔の移動度を µ p とするとドリフ
ト速度 v は電場 E(z) を用いて式 (2.13) と表せる。

v = µ p E(z)(2.13)

したがって、X 線が z で光電吸収された時、正孔雲がセンスノードまでドリフトする時間 t
は、
ϵ
zd
t=
ln
(2.14)µ p eND zd − z
熱拡散
空乏層内で正孔雲の発生によって、局所的にキャリアが過剰になるため、周囲との濃度差を緩和するために正孔雲は熱運動によって拡散する。この過程は拡散方程式に従うので、正孔雲の密度を ρ p とすると、dρ p= D∆ρ p(2.15)
dtと書ける。ここで、D は拡散係数である。ここでボルツマン定数を kB とするとアインシュ
タインの関係より、式 (2.16) と表せる。

D=

kB T
µp
e

(2.16)

したがって、z 軸に垂直な面での拡散は式 (2.15) を解いて、

ρp = √

1(4πDt)3exp (−

r2)
4Dt(2.17)というガウス分布となる。r は、z 軸に垂直な面内の電荷を中心とする動径方向の距離を表す。以上より、センスノードに到達する時の正孔雲の広がり σ は、
√
√
ϵ
zd
ln
(2.18)
σ = 2Dt = 2D
µ p eND zd − zとなる。また式 (2.16) を用いて、式 (2.19) は√zd
kB T ϵln
σ = zdeVzd − z(2.19)と表せる。
バックバイアス電圧を十分かけ完全空乏化しているときを考える。この時、空乏層厚はセンサー層厚 W 程度まで広がっている。式 (2.9) に境界条件として、z = 0 で電位が 0 か

第2章

16

X 線天文用 SOI ピクセル検出器

つ z = W で電位は V であるという条件を課す。以上と同様に、Poisson 方程式を解き、正孔雲の広がり σ をもとめると、vt1
W + eNϵVD W
2ϵkB T2σ=(2.20)ln 1
e2 N DW + eNϵVW − z
2
D

と書ける。

正孔雲の平均的な大きさ
式 (2.19) と式 (2.20) はともにある場所 z で X 線が吸収された時の正孔雲の大きさを示す。しかし、X 線が吸収されるのは確率過程なので、あるエネルギーの X 線における正孔雲の大きさを議論する際、様々な深さで光電吸収されて生じた正孔雲の平均的な大きさがよい指標となる。裏面から入射する X 線に対して考える。減衰長が α、センサー層厚がW のとき、z から z + dz に間で吸収される確率 P(z) はexp (− W−z)α
P(z) =dzαと表せる。したがって、正孔雲の平均的な大きさ rα は、∫ Wdep∫ Wdepσ × exp (− W−z)dz
σ × P(z)dzα00= ∫ Wdeprα = ∫ Wdep
P(z)dzexp (− W−z
)dz
α
0
0

(2.21)(2.22)と表すことができる。ただし、Wdep は空乏層厚、σ はある z で吸収されたときの正孔雲の大きさである。

2.5 SOI ピクセル検出器の性能指標
SOI ピクセル検出器の性能指標としてゲイン、 エネルギー分解能、検出効率がある。こ
れらは検出した X 線のエネルギーの決定や入射 X 線に対しどれだけを読み出すことができるかを示す指標であり、検出器開発において性能を直に示すので重要である。

2.5.1

ゲイン

入射 X 線のエネルギーと波高値との関係を示すものである。 近似的には一次関数で表現できる。また、SOI ピクセル検出器におけるピクセル間ゲインのばらつきは 1 % 程度見られる [?]。 ばらつきを含めたゲインを精度良く見積もることが入射 X 線エネルギーの決定において重要である。センサー部からの信号経路には電極や読み出し回路、出力アンプなどが存在し、出力ゲインは場所ごとの増幅率のかけ合わせで決まる。センサーにおける変換ゲインは電極における寄生容量によって決まる。本研究ではゲインを、X 線が作用して生成した電子 1 つあたりどれだけの電圧値に変換されたかを示すものとして定義する。

2.5. SOI ピクセル検出器の性能指標

2.5.2

17

エネルギー分解能と読み出しノイズ

2.2 節で述べたように、電子・正孔対は入射 X 線のエネルギーに比例した量生成する。
つまり、X 線を測定した際にできる輝線の広がりは、生成されるキャリアの統計的な揺らぎによって生じる。キャリアの数の統計的ゆらぎはポアソン分布と比べて有意に小さいことが知られており、ポアソン分布からのずれは物質に固有のファノ因子 F で表される。シリコンではファノ因子は ∼ 0.1 程度である。また、実際には、輝線の広がりは読み出す回
路の電子ノイズ σR [e− ] にも依存する。したがって、実質的な標準偏差 σ は
√
σ=

F

E
+ σR 2W(2.23)と表すことができる。これより, 輝線の広がり (∆E) を半値全幅 (Full Width at Half Maximum: FWHM) で評価すれば、√∆E = 2 2 ln 2W√
FE+ σR 2W(2.24)となる。冷却環境や読み出し回路を工夫することより σR は数 e− 抑えられ、分解能は向
上する。

2.5.3

検出効率

検出効率とは、SOI ピクセル検出器に入射してきた X 線のうち、X 線として検出することができた割合を示す。各エネルギーにおける検出効率は、低エネルギー X 線においては空乏層に入射するまでの不感層厚に、高エネルギー X 線は空乏層厚に依存する。空乏層に入射した X 線が漏れなく X 線イベントとして読み出せたとすれば、理想的な検出
効率 Q [%] は、∫
Q(E) = exp(−

{
(
)}
Wdep
1
dl) × 1 − exp −µ(E, l)µS i (E)(2.25)と表せる。ここで、µ は空乏層に至るまでの不感層における減衰長、l は空乏層に至るまでに光子がたどった軌跡に沿った長さ、µS i は空乏層 (Si) における減衰長、Wdep は空乏層厚である。

18

第3章

多色蛍光 X 線較正システム

我々は様々な X 線に対する裏面照射型 SOI ピクセル検出器の性能を測定するため、多色蛍光 X 線較正システムを使用して評価を行った。ここでは、実験のセットアップと照射する X 線の絶対強度の測定結果を示す。

3.1 実験セットアップ
多色蛍光 X 線較正システムの模式図は図 3.1 に示す。多色蛍光 X 線発生部 (真空槽 1) とSOI ピクセル検出器測定部 (真空槽 2) の二つから構成されており、連結して評価システムとしている。以下、多色蛍光 X 線発生部 (真空槽 1) と SOI ピクセル検出器測定部 (真空槽
2) に分けて実験セットアップを説明する。

OxfordGate
Valve

Pulse Tubecooler

X-ray Tube
Target box
2nd Target
K-lineRotatingStage

cold headcold ﬁnger
Ethenet PC
SOIPIX

sub board

vacuum chamber1

SEABAS board
vacuum chamber2
distanced mm

図 3.1: 多色 X 線較正システムの模式図。X 線二次ターゲットから SOI ピクセル検出器までの距離 d は 509 mm、絶対強度測定用の Silicon Drifit Detector (3.2 節) までは 475 mm である。

3.1. 実験セットアップ

3.1.1

19

多色 X 線発生部

多色 X 線発生部には、X 線線発生装置 (Oxford 5000 シリーズ) と 8 つの 2 次 X 線ター
ゲットが備え付けてある。真空槽 1 は大阪真空機器製作所 (株) に発注したものである。この真空槽には、ドライ真空ポンプ (アネスト岩田製) と ターボ分子ポンプ (大阪真空機器
製作所製) が接続されており (図 3.2)、−50 ℃の飽和水蒸気圧 4.5 × 10−2 Torr を十分下回る∼ 10−5 Torr 程度の真空度で試験を行える環境である。この多色蛍光 X 線発生部は Suzaku
衛星に搭載された CCD カメラである X-ray Imaging Spectrometer (XIS) の評価システムとして開発され、実際に使用されていた実績があるシステムである [18]。X 線発生装置からの連続 X 線を 2 次 X 線ターゲットに照射することで蛍光 X 線を取り出すものである。蛍光 X 線の絶対強度を真空槽 2 に設置した検出器で測定した。その詳細は 3.2 節で示す。
多色X線発生部

多色X線発生部

SOIピクセル検出器
測定部
ターボ分子
MLIで巻いた
ポンプ
アルミ板
コールド
プレート
ドライ真空
ポンプ

図 3.2: 多色蛍光 X 線発生部 (真空層 1) と SOI ピクセル検出器測定部 (真空層 2) の写真(左)。真空層 1 における真空系 (右)。

3.1.2 SOI ピクセル検出器測定部
SOI ピクセル検出器測定部では、図 3.1 で示したように、多色 X 線発生部で得られた蛍光 X 線を真空槽 2 内部に設置した SOI ピクセル検出器で測定することが可能である。また、真空槽 2 の外部から電源や温度計、冷却器を接続して素子の評価を行った (図 3.3)。
ここでは SOI ピクセル検出部における、電源系、真空冷却系、データ取得システムについて説明する。
電源系

SOI ピクセル検出器の回路への電源供給には KENWOOD PWR18-1 トランジスタ電源を用いた。また、素子へのバックバイアス電圧用として、KEITHLEY2410 ソースメータ

第3章

20

多色蛍光 X 線較正システム

真空槽2
Ethernet
ケーブル

電源
電源

ターボ分子
ポンプ

温度計
ロータリー
ポンプ

冷却機

図 3.3: SOI ピクセル検出器測定部 (真空槽 2) の写真。
を用いた。このソースメータは、素子に流れる電流を 0.01 nA の精度で計測することが可
能である。
真空冷却系
真空槽 2 は真空槽 1 同様、大阪真空機器製作所 (株) に発注したものである。ロータリー
ポンプ (アルカテル社製) とターボ分子ポンプ (大阪真空機器製作所社製) を接続し、真空槽 1 同様、−50 ℃の飽和蒸気圧 4.5 × 10−2 Torr を十分に下回る真空度で行う。冷却には岩谷瓦斯のクライオミニ (コンプレッサー: CA201、コールドヘッド: P301) を用い、コールドヘッドの先に、素子を冷却するためのコールドプレートを接続する。コールドプレー
トは厚み 5 mm の銅で作製し、熱電対を取り付け温度計と接続した (図 3.4)。コールドプ
レートの密着度を高くするために、素子とコールドプレート間とコールドプレートとコー
ルドヘッド間に薄いインジウム板を挟んでいる。コールドプレートからコールドヘッド間のパスとしてアルミ板を加工し編組線と組み合わせたものを作製し、できるだけコールド
プレートとの接触面積を大きくして熱伝導をよくした。また、そのパスにルミ蒸着フィル
ムとプラスチック製メッシュを交互に 10 層ほど積層した Multi Layer Insulator (MLI) を巻
きつけることで断熱状態を保つようにした。この結果、素子は −50 ℃ 程度に保ちながら試験を行うことができた。
データ取得システム

SOI ピクセル検出器の動作の制御と外部へのデータの出力を行うために読み出しボー
ドを用いている (図 3.5)。読み出しボードは、素子に依らない共通のメインボードである

3.2. X 線絶対強度測定

XRPIX
&
コールド
プレート
MLIで巻いた
アルミ板

21

コールド
ヘッド 真空槽２内部
SOIピクセル検出器
&
コールド
プレート

コールド
プレート

図 3.4: 素子に取り付けたコールドプレート (左) と真空槽 2 への設置写真 (右)。

SEABAS (Soi EvAluation BoArd with Sitcp) [19] と素子によって異なる SUB ボードの二つから成る。SEABAS ボードには、素子制御用の User FPGA とネットワークでのデータ転送用の SiTCP FPGA の二つが搭載されている。使用する素子に合わせてユーザーが User
FPGA でデジタル回路を組み変えることで素子の制御を行う。SiTCP FPGA は User FPGAから出される出力信号をイーサネットで転送できる形式に変換するものである。読み出
しボードと計算機をイーサネットケーブルで接続することで、簡単にデータ取得を行う
ことができる。SEABAS ボードには ADC と DAC が搭載されていて、各信号の AD (DA)変換 を行うことができる。ADC の分解能は 1 V/12 bit であり、1 ADU (Analog-to-Digital
Unit) の幅は 244 µV である。また DAC の分解能は 3.3 V/12 bit である。素子から得られる
データは計算機に転送され取得することができる。計算機上では DAQ (Data AcQuisition
system) ソフトウェアを使用し、データを取得する。DAQ ソフトウェアは ROOT ライブラ
リ (C++) を用いて開発されたもので、素子の露光時間、取得フレーム数などの制御信号を計算機上から読み出しボードに送ると同時に転送されてくるデータをファイルに保存する役割を担う。

3.2 X 線絶対強度測定
SOI ピクセル検出器の軟 X 線性能評価を行うにあたって、試験前に照射する X 線を SOI
ピクセル検出器とは別の検出器 Silicon Drift Detector (SDD) を用いて測定した。SOI ピク
セル検出器は小さな半導体検出器を複数格子状に並べた検出器であるが、SDD は単独の半導体検出器である。今回の試験に用いた Amptek 社製 XR-100SDD の仕様は表 3.1 に示す。SDD は各 X 線のエネルギーに対する検出効率が分かっているため、入射する X 線の絶対強度を測定することができる。本研究では、2 次 X 線ターゲットとして Al (1.4 keV)、
Cl (2.6 keV)、Ti (4.5 keV)、Fe (6.5 keV)、Se (11.2 keV) を用いた。また、測定に使用する
二次 X 線は多色 X 線発生部に設置してある X 線発生装置からの一次 X 線によって変わる。

第3章

22

User
FPGA

XRPIX2b

SiTCP
FPGA

多色蛍光 X 線較正システム

Ethernet

Sub Board
SEABAS Board

図 3.5: SOI ピクセル検出器のデータ読み出しボード。
一次 X 線は X 線発生装置の X 線管に印加する高電圧とフィラメント電流値 (熱電子の数)で制御が可能である。従って、X 線発生装置駆動の際の電圧値とフィラメント電流値とともに、SDD で測定したデータを表 3.2 にまとめた。SDD で得られた各 X 線のスペクトルは図 3.6 に示す。各輝線に対してガウシアンでフィットして強度を求めた。
表 3.1: XR-100SDD の仕様。
有効面積25 mm2空乏層厚500 µmエネルギー分解能 125 eV @ 5.9 keV

表 3.2: SDD で測定したデータ一覧。
ターゲット 電圧値 [kV] 電流値 [mA] 測定時間 [分]

Al
Cl
Ti
Fe
Se

5.0
5.0
8.0
10.0
15.0

0.30
0.30
0.30
0.36
0.40

10
40
95
260
80

3.2. X 線絶対強度測定

23

フィット結果から SOI ピクセル検出器を設置する場所での X 線絶対強度 [ph/mm2 /sec]を算出するにあたって、考慮すべき点が 3 つある。1 つ目は、SDD における検出効率である。表 3.3 と図 3.7 は SDD における X 線エネルギーに対する検出効率を示す。これを用いて、検出したイベント数から入射した X 線光子数に変換することができる。2 つ目は二次 X 線ターゲットから検出器までの距離である。図 3.1 にある通り、二次 X 線ターゲットから SOI ピクセル検出器までの距離と SDD までの距離が異なり、それぞれ 509 mm、475
mm である。3 つ目に SDD の入射面の面積である。SDD 内部において検出器直前にコリ

4500
3000
4000
3500

2500

count/bincount/bin

3000

2000

2500

1500

2000
1500

1000

1000
500
500
0
0

200

400

600

800

1000

1200

0
0

1400

200

400

600

800

1000

1200

1400

ChannelChannel(a) Al ターゲットで得られたスペクトル(b) Cl ターゲットで得られたスペクトル
2400

1200

2200
2000

1000

1800
1600

count/bin

1400
1200

600

1000
800

400

600
400

200

200
0
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0
0

2000

500

1000

1500

2000

2500

3000

ChannelChannel(c) Ti ターゲットで得られたスペクトル(d) Fe ターゲットで得られたスペクトル

1400
1200
1000

count/bincount/bin

800

800
600
400
200
0
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Channel(e) Se ターゲットで得られたスペクトル

図 3.6: SDD で得られた各 X 線スペクトル。

Silicon Drift Detector (SDD)
第3章

24

多色蛍光 X 線較正システム

メータ (面積 17.0 mm2 ) があるが、これには寸法誤差が 10% ある。X 線強度測定における誤差はこの寸法誤差が支配的である。以上を踏まえ、フィット結果を用いて算出した X 線
絶対強度を表 4.1 にまとめた。

Counts/bin

Amptek製

検出効率 [%]

1.5 keV (Al-Kα)
2.6 keV (Cl-Kα)
2.8 keV (Cl-Kβ)
4.5 keV (Ti-Kα)
4.9 keV (Ti-Kβ)
6.4 keV (Fe-Kα)
7.1 keV (Fe-Kβ)11.2 keV (Se-Kα)
12.5 keV (SE-Kβ)

81.3
75.6
76.9
87.3
89.4
92.4
95.3
89.2
89.5

表 3.3: SDD における測定した各 X 線エネ
ルギーに対する検出効率

QE̲SDD10.8

検出効率 [%]

エネルギー

attenuation

SDD C2filter

0.6

0.4

0.2

0
0

5

10

15

20

25

30

エネルギー [keV]

35

40
keV

図 3.7: SDD における X 線エネルギーに対する検出効率。
Counts̲Ti Kα + Cou

Ti( Cu )̲SDD =Ti
表 3.4: X 線絶対強度。
エネルギー (keV) フラックス (ph/mm2 /sec)†
Cu ̲source
KαKβ
Al-K 1.5
12.2 ± 1.3
Cl-K 2.6
2.8
3.3 ± 0.3
Ti-K 4.5
4.9
0.52 ± 0.05
Fe-K 6.4
7.1
0.46 ± 0.04
Se-K 11.2
12.5
0.70 ± 0.07†
フラックスは Kα と Kβ を足し合わせている。

(

)

=

Counts̲Cu Kα + Cou

Counts̲Ti Kα/QE̲4.5

Counts̲Cu Kα/QE̲8.0

25

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X
線感度の測定4.1 X 線天文用 SOI ピクセル検出器の開発
SOI ピクセル検出器は 2005 年に高エネルギー加速器研究機構 (KEK) で発足した SOIPIX(SOI PIXel sensor) グループを中心に開発されている検出器で、京都大学は 2008 年より加入している。KEK で開発された高エネルギー実験用 SOIPIX の性能評価において、SOIPIX
で X 線を撮像分光することを確かめた [20]。その経験をもとに、京都大学が中心となって、KEK、宮崎大学、東京理科大学と共に X 線天文用の SOI ピクセル検出器「XRPIX」を開発してきた。以降、裏面照射型 XRPIX における軟 X 線感度について述べる。

4.2 XRPIX2b-LA の仕様
4.2.1 XRPIX2b の概要
XRPIX2b は京都大学が主導で開発した X 線天文学用 SOI ピクセル検出器の四号機である (図 4.1)。チップの製造はラピスセミコンダクタ (株) の FD-SOI 0.2 µm ピクセルプロセ
スで行った。チップのサイズは 6.0 mm × 6.0 mm、ピクセルサイズは 30 µm × 30 µm である。
図 2.1 より、XRPIX には BOX 層直下に Buried p-well (BPW) という薄い p 層があり、これは素子に印加する高いバックバイアス電圧値によって CMOS 回路における MOSFET の特性が変化すること (バックゲート効果) を防ぐ役割を担う。XRPIX2b にはこの BPW のサイズを変えた 4 つのグループ (図 4.1 における A、B、C、D) に分けられている。これらはセンサー部の変換ゲインがそれぞれ異なるため、出力ゲインも異なる。本研究では、有効面積が最大の領域 A (ピクセル数 144 × 144) を用いた。
検出部のウェハはシリコン結晶生成法の異なる二種類があり、Czochralski 法を用いた抵抗率が ∼ 700 Ω·cm の CZ ウェハと、Floating Zone 法を用いた抵抗率が 1 kΩ·cm 以上のウェハがある。2.1.2 節で述べたように、抵抗率が高い FZ ウェハの方が低いバックバイア
ス電圧で厚い空乏層を得ることが期待出来る。XRPIX2b-LA はイオンインプラント+レー
ザーアニール (LA) 処理を施した裏面照射型の素子で、センサー層は 500 µm の FZ ウェハで構成されている。また、XRPIX2b-LA は裏面に 0.2 µm の Al 遮光膜が蒸着してある。

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

2.9 mm

6.0 mmSF

CSA

32 x 32 Pixel Array
1Pixel : 30 µm x 30 µm

0 Column Address Decoder 31

TRIG_COL

D

Column Address Decoder
Column Shift Register (152 bit)Column Amp. (COL_AMP)

C

0

O
R

ANALOG
OUT

Column Amp. (COL_AMP)151

Row Shift Register (32 bit)

152 x 152 Pixel Array
1Pixel = 30 µm x 30 µm

TRIG_OUT

TRIG_ROW
31 Column Shift Register (32 bit)

Row Address DecoderORA
1.0 mmRow Shift Register (152 bit)
Row Address Decoder

TRIG_OUT

B

TRIG_COL

4.6 mm0

ANALOGOUT

26

TRIG_ROW

Figure 6. Chip photograph of the XRPIX2b and its Figure 7. Chip photograph of XRPIX3b and

図 4.1:のチップ写真とブロック機能図。
blockXRPIX2b
diagram. The
location of each TEG is indi- block diagram. Two types of TEG are used.
cated.

4.2.2

ピクセル回路について
3.1

Device description

XRPIX2b のピクセル回路図 4.2 に示す。ピクセル回路は低ノイズ化のために Correlated
XRPIX3b was fabricated using the 0.2 µm fully depleted SOI CMOS pixel process by Lapis Se
Double Sampling (CDS) 機能を搭載した読み出し部と、X 線の入射を判定するトリガー機
conductor Co., Ltd., the same process as XRPIX2b. The detector is 2.9 mm ⇥ 2.9 mm in size a
能部の二つに分けられる。
XRPIX2bconsistsof 32 ⇥の読み出しは、ある時間露光した後たまった電荷を
32 pixels. The pixel size and the imaging area are 30 µm ⇥ 30 µm and appro
リセットするという手順を踏む。リセットの際に検出部に発生するノイズを減少させる役
mately 1.0 mm ⇥ 1.0 mm, respectively. Based on the lesson learned, described in the section 2,
割を CDS 回路が担う。また、の読み出し回路における回路ゲインはセンスノー
adopted XRPIX2b
the BPW sizeof 14 µm in order to keep enough CCE. Herein, we show a result of
ド後段のソースフォロワー(SF)
回路によって決まる。
n-type Czochralski-SOI wafer device with a thickness of 260 µm.

The sensor format and block diagram are shown in figure 7. The chip contains two differ
types of TEG pixels. One of the two, “CSA TEG”, has in-pixel CSAs while the other, “SF TE
4.2.3 LA 処理について
has same pixel circuit but with SFs instead of CSAs, which are shown in the right and left siof the device shown in figure 7. Figure 8 shows the preceding-stage circuits used in the two TE
裏面照射型の素子は裏面処理が必要である。裏面処理を行う理由は主に二つある。一where the feedback capacitance of 1 fF is used in the in-pixel CSA of the CSA TEG.
つ目は、裏面入射面における不感層厚を薄くすることである。BI XRPIX は裏面から X 線
3.2 Spectral performance (∼ 8 µm) 程度の不感層があっては軟 Xを入射することを想定しているが、裏面に回路層
線感度向上は不可能である。二つ目は、ウェハ切断面に生じる結晶欠陥を回復させるため
Figure 9 shows plots of X-ray energy calibrations of XRPIX3b using 5.9, 6.4, 9.71, 11.44, 13.
である。シリコンウェハは大きなシリコン結晶の塊であるインゴットからスライスされ、17.74, and 20.77 keV X-ray lines from a 55 Fe and an 241Am. The SF and CSA TEGs have the c
物理的に切り出される。その切断面ではシリコンの結晶構造が壊れ、結晶欠陥が数多く残
output gains of 5.4 µV/e and 17.8 µV/e , respectively. The CSA TEG has the chip output g
3.3 times higher than the SF TEG.
る。この結晶欠陥によりエネルギーバンドに不純物準位が形成されるため、暗電流が増加
Figure 10 shows the 55 Fe X-ray spectra of single pixel events obtained with the two TEする。よって、結晶構造を回復させることで、暗電流を抑えることが必要である。
after the data reduction and analyses given in [8]. No significant tail structures are seen in
裏面処理の一つにイオンインプラント＋レーザーアニールがある。イオンをドープする
spectra. The energy resolutions of the SF and CSA TEGs are 730 eV (12.4%) and 320 eV (5.4
ことで、裏面に損傷を与える。さらに、レーザーでアニールすることでドープしたイオン
in FWHM at 5.9 keV, respectively. The readout noises of the SF and CSA TEGs are 82 and 35が活性化し、再配列がおきることで結晶欠陥を埋め、結晶を回復させる。
(rms), respectively. We successfully improved the X-ray spectral performance by introducing
in-pixel CSA circuit without degradation of the CCE and resolved Mn-Ka and -Kb lines forfirst time in the XRPIX series.

–5–4.3. 基本性能試験: ペデスタル特性

27

ation of an Event-Driven SOI Pixel Detector for X-Ray Astronomymm

TRIG_COL (SR)mm

TRIG_ROW (SR)&
TRIG_OUT (OR)RST_COMP1COMP Cap. 2

COMP Cap. 1

Pixel Circuit CDS + Trigger Circuit

Trigger Info. Output
RST_COMP2TRIGGER
H/L OUT

Comparator

GND

PD_RSTV

COL_READSTORE

ANALOGOUTCDS Cap.
COL_AMPCDS_RSTVOUT_BUF

Column Readout

VTH

aph of XRPIX2b and its Figure 3: Pixel circuit of XRPIX2b. The comparator circuit
for trigger detection
is XRPIX2b
an inverter
chopper-type.
図 4.2:のピクセル回路図。

XRPIX2b4.3 基本性能試験: ペデスタル特性

PoS(TIPP2014)138

signal

ROW_READSF

VTH_RST

PD

GND
SF

CDS_RST

Protection Diode

Sense-node

PD_RST

0

ANALOG
OUT

VDD18
VB_SF

trigger

Sample Cap.

52 Pixel Array
30 µm x 30 µm

Address Decodert Register (152 bit)
Amp. (COL_AMP)

Ayaki Takeda

XRPIX は X 線が入射していないときでも、リセット電圧や暗電流に起因した出力が常に存在する。これをペデスタルと呼ぶ。X 線照射実験の前に、同じ環境で XRPIX2b-PZ のペデスタル特性を調べる試験を行った。試験は真空槽内で遮光し、素子を −50 ◦ C に冷却RPIX series included
six devices: XRPIX1/1b/2/2b/3/3b. In each chip, the
した状態で行った。一定の時間露光し、全てのピクセルの出力を順番に読み出し、その後
mance and event-driven
readout are tested and improved. As described in
再び露光を始める「全面読み出し法」でデータを取得した。図 4.3 はあるフレームの出力
nvestigated the を示している。これを見るとピクセルごと出力にばらつきがあることが分かる。
source of the problem in the event-driven readout. For this
ライトカーブ) とヒストグラムを図
ed the XRPIX2b 次にひとつのピクセルに着目し、出力の時間変化
device, which has a medium-sized sensing (area.
The effec4.4 に示す。ライトカーブは、非常に早く変化する「ノイズ成分」と変化が緩やかな「オ4.6 mm, the pixel
size is 30 µm ⇥ 30 µm, and the number of pixels is 20,000
フセット成分」に分けることができる。出力の波高値は、ガウシアンで分布していることが分かる。この分布の平均値がオフセット成分の時間平均に、広がりがノイズ成分とオフセット成分の時間変化に対応する。
さらに、全ピクセルの出力波高値の中央値ライトカーブとあるフレームの各ピクセル
y of XRPIX2b からの出力波高値ヒストグラムを図に示す。このライトカーブから素子全体の出力傾向を
is shown in Figure 3 and can be divided into two main parts,
見ることができる。ヒストグラムはピクセルごとオフセット成分にばらつきがあるため、
sing part containing
the correlated double sampling (CDS) circuit and the
幅を持った分布をしている。全体としてはガウシアンで分布している。
DS circuit suppresses
the kT/C reset noise in the sense node and各ピクセルは緩やかに変化する固有のオフセット成分
PH 0subtracts
ij (f ) (添字の i, j はそれぞれ
Rowaのアドレスを、
f はフレームを表す
trigger circuit Column,
generates
trigger signal
when an X-ray) と、ノイズ成分
signal crosses∆PH
theij (f ) を持つことが分かった。すなわち、あるピクセルのあるフレームにおけるペデスタル PHij (f ) はTH) of the pixel. This function is realized by two inverter chopper-type
son for using two inverter stages is to increase
thesensitivity.
This
0i j ( f ) + ∆PH
PHi j ( f ) =PHdetectioni j( f )cascade of inverter stages, which is basically a bistable multivibrator.

cture of the Trigger Information(4.1)

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

28

Raw Data Image
1600

140
120

1500

100

RA

1400
80
60

1300

40
1200
20
1100

0

0

20

40

60

80

100

120

140

CA

図 4.3: 真空層内で冷却した状態で取得した XRPIX2b-LA の出力。縦軸、横軸はともに素子の列アドレス、行アドレスを示す。

(a)

(b)

ra 70 ca 701410h
Entries
Mean
RMS

800

1408

3000
1400
1.548

700

1406

ノイズ成分

600

PH
[ADU]
Raw
Data
[ADU]

counts/bin

1404
1402
1400
1398
1396

オフセット成分

500
400
300
200

1394

100

1392
1390
2000

2500

3000

3500 4000 4500
Frame Number [frm]

5000

5500

6000

0
1380

1385

1390

1395

1400

1405

1410

1415

1420

PH [ADU]

図 4.4: 1 ピクセルのデータ。(a) ライトカーブ。赤線はオフセット成分、緑線はノイズ成分を示す。(b) ヒストグラム

4.4. X 線検出の解析方法

(a)

29
(b)

All Pixels Average Light curve and Gauss Mean

Raw Data

1360

Entries = 20736

1359

Mean
RMS

PH [ADU]
frame gauss mean [ADU]

140

1358

1353
67.27

120

counts/bin

1357

100

1356
1355

1354

80
60

1353
40

1352
1351

20

1350
2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
frame number [frm]

0

600

800

1000

1200

1400

PH [ADU]

1600

1800

2000

図 4.5: 1 ピクセルのデータ。(a) 全ピクセルの出力波高値の中央値ライトカーブ。(b) ヒス
トグラム
と書ける。
もし、各ピクセル、各フレームの PH 0ij (f ) が算出できれば、それを PHij (f ) から引くことで、オフセット成分の時間変化とピクセル間でのオフセット成分のばらつきを補正することができる。本研究では、あるピクセルにおいて、着目するフレームの前後 50 フレー
ムの出力平均を取ることで早く変化するノイズ成分を打ち消し、ランニングアベレージ
PH 0ij (f ) を推定した。すなわち、

PH 0i j ( f ) ≃

f +50
1 ∑
PHij (f ′ )101 f ′ =f −50

(4.2)

とする。
上で述べた計算方法で各 PH 0ij (f ) を求めて、それを各ピクセル、各フレームの生出力から差し引いて補正する。オフセットを差し引いているため、平均出力は 0 となり、時間変化も補正される。ヒストグラムも同様に平均が 0 となり、ピクセル間のオフセット成分のばらつきも補正される。これを以後、ゼロピークと呼ぶ。ゼロピークの幅はノイズ成分と考えられ、これを「読み出しノイズ」と定義する。

4.4 X 線検出の解析方法
4.4.1

解析プロセス「全面読み出し法」でデータを取得した場合の解析プロセスについて紹介する。前節のペデスタル特性の研究をもとに、解析は以下の手順で行った。

(1) オフセット成分の差し引き
4.3 節で行ったように、各フレームにおける各ピクセルの PH 0ij (f ) の推定値を算出する。その後、各フレームにおける各ピクセルのペデスタルからその推定値を差し

30

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定引く。これにより、オフセット成分のピクセル間のばらつき、および時間変動が補正される。

(2) bad pixel の選定
各ピクセルごとに読み出しノイズを計算し、その平均値とばらつき (標準偏差:σ pix )を求める。平均値よりも 3σ pix 以上ノイズの大きいピクセルを bad pixel と判定し、以降の解析では用いない。
(3) X 線イベントの検出
各フレーム、各ピクセルの出力から X 線のイベントを判定する。イベントの検出については 4.4.2 節で詳しく説明する。
(4) チャージシェアリングイベントの評価
XRPIX のようなピクセル検出器では、発生した電荷が複数のピクセルにまたがってしまうチャージシェアリングイベント (マルチピクセルイベント) が存在する。空乏層の深い位置で発生した電荷雲は、読み出しノードがあるセンサー層表面に到達するまでに大きく広がる。このような場合はチャージシェアリングイベントの割合が大きくなる。よって、空乏層のより深い位置吸収される X 線でこのイベントが起こりやすい。チャージシェアリングイベントは、複数の読み出しノードから電荷が回収されるので、入射した X 線のエネルギーを知るためには、解析時にそれらの電荷を足し合わせる必要がある。解析時の補正についても 4.4.2 節で説明する。

4.4.2

イベント検出とチャージシェアリングイベントの補正

この項では X 線イベントの検出とチャージシェアリングイベントの補正を行うため以下のような手順で「イベントセレクション」を行った。 (図 4.6)。

(i) イベントの抽出あるピクセルに着目する。出力値が周囲 8 ピクセルの出力値よりも大きくかつ、あらかじめ設定したイベント閾値 (特に記載がない限り読み出しノイズの 15 倍の値)よりも大きいとき、X 線による「イベント」と定義する。
(ii) シングルピクセルイベントの判定
周囲 8 ピクセルの出力値が全て、あらかじめ設定したスプリット閾値 (特に記載がない限り読み出しノイズの 3 倍の値) よりも小さいとき、これを「シングルピクセル
イベント」と定義する。これは X 線により作られた電荷が一つのピクセルに収まったイベントだと考えられる。中心のピクセルの出力がシングルピクセルイベントの出力とする。
(iii) ダブルピクセルイベントの判定
抽出したイベントに隣り合う 4 つのピクセルの出力のうちひとつのみが、あらかじめ設定したスプリット閾値を超えるようなイベントを「ダブルピクセルイベント」と定義する。これは電荷が２つのピクセルにまたがったチャージシェアリングイベ

4.5. XRPIX2b-LA における軟 X 線裏面照射実験

31

イベント閾値を越え、周囲8ピクセルより出力が大きいピクセル
スプリット閾値を越えたピクセル

single pixel
event

double pixel
event

イベント中心を見つける

tripple pixel
event

other pixelevent

図 4.6: イベントセレクションの関係図。
ントと判定する。ダブルピクセルイベントの出力は、中心のピクセルと、スプリッ
ト閾値を超えたピクセルの出力を足し合わせたものとする。以降、複数のピクセルにまたがったチャージシェアリングイベントの出力は中心のピクセルと、スプリッ
ト閾値を超えたピクセルの出力を足し合わせたものである。

(iv) トリプルピクセルイベントの判定
イベント中心に隣り合う 4 つのピクセルのうちふたつが、スプリット閾値を超えるようなイベントを「トリプルピクセルイベント」と定義する。これは、図 4.6 のよ
うな中心ピクセルとスプリット閾値を超えたピクセルの配置になるイベントの回転
対称も、トリプルピクセルイベントに含まれる。
(v) その他のイベントの判定
以上以外のイベントとして、図 4.6 のような中心ピクセルとスプリット閾値を超えたピクセルの配置になるイベントを「その他のイベント」と定義した。図示したように中心ピクセル含め 4 つのピクセルにまたがるイベントまでを抽出した。

4.5 XRPIX2b-LA における軟 X 線裏面照射実験
4.5.1

取得データについて

軟 X 線性能評価のために多色蛍光 X 線較正システムを用いて X 線を裏面側から照射した。
XRPIX2b では Al-K (1.5 keV) は読み出すことができないため照射していない。XRPIX2b-

32

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

LA におけるデータ取得条件は、各 X 線に対して、露光時間を 10 msec に設定し、バック
バイアス電圧を 160 V から 300 V まで 20 V 刻みで印可した。また素子の温度は −50 ◦ C で駆動させ試験を行った。
表 4.1: XRPIX2b-LA で取得した X 線データ一覧。
ターゲット バックバイアス電圧値 [V] 取得フレーム数
Cl
200−300
10000
180
20000
Ti
200−300
55000
160、180110000Fe
200−300
45000
160、18090000
Se200−300
30000
160、180
60000

4.5.2

エネルギースペクトルとゲイン「全面読み出し法」を用いて得られたエネルギースペクトルを図 4.7 に示す。いずれもバックバイアス電圧は 300 V を印可した状態で取得したスペクトルである。それぞれ Cl-K
(2.6 keV)、Ti-K (4.5 keV)、Fe-K (6.4 keV と 7.1 keV)、Se-K (11.2 keV と 12.5 keV) の輝線の検出を確認した。図 4.7 (a) ではシングルピクセルとダブルピクセルイベントの中心値がずれていることがわかる。これは周囲のピクセルに電荷が漏れ出しているにも関わらず、そのピクセルでスプリット閾値を超えないため、漏れ出した分が再構成できなかったからだと考えられる。
したがって、Cl-K のみダブルピクセルイベントを、他はシングルピクセルイベントのエネルギースペクトラムを用いて、輝線の中心エネルギーを求めることでエネルギー較正を行った。それぞれのピークをガウシアンでフィットした。Fe、Se については Kα、Kβ 輝線が分離できているため、二つのガウシアンでフィットした。図 4.8 は、一次関数でフィットした結果を示す。求めた傾きから XRPIX2b-LA の X 線エネルギーと出力の関係を算出した。1 ADU = 244 µV、Si の平均電離エネルギー 3.65 eV/e− を用いると、素子のゲイン
g [µV/e− ] は、

g = k × 244 × (3.65 × 10−3 )(4.3)と書ける。ただし、k [ADU/keV] は一次関数でフィットして得られた傾きである。この式を使用して、2b-LA のゲインを計算すると、6.61 ± 0.03 µV/e− であった。また、このゲインを用いて読み出しノイズを求めると 53 e− (0.2 keV) である。イベント閾値とスプリット
閾値はそれぞれ、読み出しノイズの 6 σ (1.3 keV)、3 σ (0.6 keV) に設定し、2b-LA の軟 X
線の裏面性能評価の解析を行った。

4.5. XRPIX2b-LA における軟 X 線裏面照射実験

33

h_xray_event

h_xray_event

400

400

350

250
200
150

250
200
150

100

100

50

50

0
0

20

40

Ti-Kα
4.5 keV

300

Counts/bin

Counts/bin

350

Cl-Kα
2.6 keV

300

60

80

100

120

0
0

140

20

40

60

80

100

120

140

Channel[ADU]

Channel[ADU](a) Cl ターゲットで得られたスペクトル。

(b) Ti ターゲットで得られたスペクトル。

h_xray_event

h_xray_event

250

200
180
160

Fe-Kα
6.4 keV

140

Counts/bin

Counts/bin

200

150

100

Se-Kα
11.2 keV

100
80
60

Fe-Kα
7.1 keV

50

120

Se-Kβ
12.5 keV

40
20

0
0

20

40

60

80

100

120

140

0
0

20

40

60

80

100

120

140

Channel[ADU]

Channel[ADU](c) Fe ターゲットで得られたスペクトル。

(d) Se ターゲットで得られたスペクトル。

図 4.7: XRPIX2b-LA で得られた各 X 線スペクトル。赤線はシングルピクセルイベント、
青線はダブルピクセルイベント、黒線は 4.4.1 項の解析手順で X 線と判定されたイベントを全て足し合わせたもの。

4.5.3

実験結果 1: 空乏層の広がり

裏面の不感層厚を求めるためには、完全空乏化している必要がある。そこで、XRPIX2bLA のセンサー層が完全空乏するために必要なバックバイアス電圧を調べた。Se Kα (11.2
keV、減衰長 176 µm)、Kβ (12.5 keV、減衰長 243 µm) 輝線を用いて検出効率のバックバ
イアス依存性を測定した。高エネルギー X 線の検出効率は、Si における減衰長が長いた
め検出効率は空乏層厚に依存する。十分なバックバイアス電圧を印加すれば、空乏層厚は一定値をとると考えられるので、検出効率も同様に一定値をとる。
図 4.9 は Se K 輝線の検出効率のバックバイアス電圧依存性を示す。検出効率はバック
バイアス電圧値が 200 V 以上であまり変化がないことが分かる。また、チャージシェアリ
ングイベントについてみてみる。バックバイアス電圧値が大きくなるつれて シングルピ
クセルイベントの検出効率は緩やかに増加し、ダブルピクセルイベントも同様増加している。一方、トリプルピクセルイベントとより広がったその他のイベントの検出効率はバッ
クバイアス電圧値 200 V 以降減っているのが分かる。これはバックバイアス電圧値を上げるにつれて、センサー層内の電場が強くなり、電荷雲が小さくなったためだと考えられ

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

342b-LA Gain Fit
100
90
Pulse Height [ADU]

80
70
60
50

傾き: 7.41 0.03
切片: -1.60 0.13

40
30
20
10
0
0

2

4

6
8
10
Energy [keV]1214

図 4.8: XRPIX2b-LA のエネルギー較正の結果。
る。以上より、完全空乏化に至るバックバイアス電圧は 200 V であると分かった。
この結果を用いて、ウェハの抵抗率を算出する。空乏層厚 Wdep = 500 µm とバックバイ
アス電圧 V = 200 V を、式 2.5 に代入すると、抵抗率 ρ は 4.0 kΩ·cm と求まる。さらに式2.4 に抵抗率を代入すると、ウェハの P のドープ量は 1.04 × 1012 cm−3 と求まる。
また、各エネルギーにおける検出効率を示したのが図 4.10 である。さらにバックバイ
アス電圧に対しての各エネルギーにおける検出効率も同時に示している。これからわかるように、より低いエネルギーの X 線は空乏層が広がり薄くなる不感層厚に対して敏感なので、高いバックバイアス電圧値になるほど急激に検出感度が向上していることがわかる。また、Se-K のような高エネルギー X 線は空乏層厚が大きく影響するが、バックバイ
アス電圧が 200 V で完全空乏化するので Cl-K ほど検出効率は大きく変化しない。

4.5.4

実験結果 2: 不感層の厚み

従って、200 V 以上のバックバイアス電圧をかけ、完全空乏かさせて、裏面における不感層厚を測定した。本研究で使用した X 線の中で最も減衰長が短く、不感層厚に敏感なのは Cl-Kα (2.6 keV、 減衰長 2.99 µm) である。よって、Cl-K の検出効率から XRPIX2b-LAにおける不感層の厚みを求める。
式 2.25 より、裏面にある 0.2 µm の Al 遮光膜を考慮して、XRPIX2b-LA における Cl の検出効率 QCl は

(
)
(
) {
(
)}
0.2
d
W −d
× exp −
× 1 − exp −QCl = exp −µAl (Cl)µS i (Cl)µS i (Cl)(4.4)

ここで W はセンサー層厚、d はセンサー層における不感層厚である。以上の式から不感層厚 d は

4.5. XRPIX2b-LA における軟 X 線裏面照射実験

35

Quantum Efficiency at Se-K
100
Quantum Efficiency[%]

90
80

sum

70

single60
50

double40

triple

30

other

20
10
0

160

180

200 220 240 260
Back-Bias Voltage[V]

280

300

図 4.9: XRPIX2b-LA における Se-K の検出効率のバックバイアス電圧依存性。

Quantum Efficiency for Energy
2

Quantum Efficiency[%]

10

50
40
300V

30

240V

20

200V
180V

10

160V

6
2

4

6
8
Energy[keV]1012

図 4.10: XRPIX2b-LA における検出効率とエネルギーの関係。

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

36

(
)
)}
W
0.2
d = −µS i (Cl) × log QCl × exp+ exp −µAl (Cl)µS i (Cl)
{

(

(4.5)

となる。
図 4.7(a) から分かる通り、XRPIX2b-LA において Cl-K は Kα 輝線と Kβ 輝線に分光できていない。したがって、検出効率は K α 輝線と K β 輝線の合算で算出した。Cl-Kα における Si、Al それぞれでの減衰長は 2.99 µm、3.20 µm である。バックバイアス電圧値が 300Vの時の Cl-K の検出効率から不感層厚は、1.1 ± 0.3 µm と求められる。この結果は、裏面の 0.2 µm の Al 遮光膜は含まず、センサー層に生じる不感層の厚みを示している。また、測定の誤差は X 線の絶対 Flux を測定する際に使用した SDD のコリメーターの寸法誤差(10%) が支配的である。XRPIX2b-LA の不感層厚は要求値 1 µm を達成する見込みを得た。

Quantum Efficiency at Cl-K
100
Quantum Efficiency[%]

90
80

sum

70

single60
50

double40

triple

30

other

20
10
0

180

200

220
240
260
280
Back-Bias Voltage[V]300

図 4.11: XRPIX2b-LA における Cl-K 検出効率とバックバイアス電圧依存性。

4.6 XRPIX2b-LA のデバイスシミュレーション
前節までの実験結果を解釈するため、TCAD (Technology Computer Aided Design) によるデバイス構造のシミュレーションを行った。TCAD とは半導体デバイスのプロセスから作成したデバイスの電気特性までをシミュレーションできるソフトウェアである。本研究で用いた TCAD シミュレーターは HyENEXSS 5.5 [22] である。このシミュレータで
XRPIX2b-LA を仮想的に作り、空乏層の広がりと不感層のバックバイアス依存性について
調査した。

4.6.1

シミュレーションで再現したデバイス構造

HyENEXSS 5.5 は三次元におけるデバイスシミレーションが可能であるが、本研究では二次元でのシミュレーションを行った。図 4.12 は XRPIX2b のピクセルレイアウトで、

4.6. XRPIX2b-LA のデバイスシミュレーション

37

本シミュレーションでは赤線の断面を再現した。断面図が図 4.13 である。BOX 層とセンサー層の境界を原点として、素子表面に向かって y 軸をとった。図 4.13 中の赤線は電位を固定した箇所を示し、それぞれの Vback はバックバイアス電圧、Vnode はセンスノードの固定電位、Vcircuit はピクセル回路の電位である。BPW 直上のピクセル回路は今回のシミュ
レーション結果には影響しないため省略した。
空乏層の成長はウェハの不純物濃度が重要である。まずウェハのリン濃度は先の実験結果から 1.04 × 1012 cm−3 である。また、XRPI2b-LA は裏面 LA 処理を施しているため、裏面界面ではウェハ内部とプロファイルは異なる。二次イオン質量分析 (SIMS) と広がり抵抗測定 (SRA) で XRPIX2b-LA の裏面におけるリン濃度およびキャリア濃度分布を調べた。
その結果を図 4.14 に示す。図 4.14 は裏面 (Al 遮光膜は除く) から 1.0 µm 地点までの分布を示している。以上より、XRPIX2b-LA のウェハのリン濃度は、BPW やセンスノード付
近から SRA の測定限界 (裏面から 1.0 µm) まで 1.04 × 1012 cm−3 で一定とし、裏面から 1.0µm まで SRA におけるキャリア密度分布を反映させた。
Pixel size: 30.0 µm

Pixel size: 30.0 µm

Pixel size: 30.0 µm

sense node

BPW size: 12.0 µm

BPW size: 12.0 µm

BPW size: 12.0 µm

図 4.12: XRPIX2b のピクセルレイアウト。赤線の断面においてデバイスシミュレーションを行った。

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

38

Vcircuit1
Si (low resistivity) Vnode1

Vcircuit2

Vcircuit4

30 µmVcircuit3

Vnode2

Vcircuit5 Vcircuit6
6 µm
Vnode3表面側0.2 µm
0.2 µm

SiO2
SiO2
12 µm

~
~

1µm

BPW

sense
node

500 µmSi (high resistivity)n+ layerAl

0.2 µm
Vback

90µm

裏面側

図 4.13: XRPIX2b-LA のデバイス構造。電位を固定する電極の範囲は図中の赤線で示して
おり、Vback はバックバイアス電圧、Vnode はセンスノードの固定電位、Vcircuit はピクセル
回路の電位に対応する。

1021

P, carrier density (atoms/cm3)

1020

nnnnnnnnnnnnn
nnnnn
nnn
n
n
19
n
n
n
n
n
nn
18
nnn
nnn
nnn
nn
nnn
nn
17
nn
nn
n
n
n
16
n
n
n
n
n
15
n
n
n
n
14
n
n
n
n
nn
13
nnn
nnnn
nnnnnnnnnnnnnnnn
nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn
nnnnnnnnnnnnnNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN
1210Carrier101010Phosphorus

10
10
10
10

1011

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

depth (µm)
図 4.14: XRPIX2b-LA の裏面におけるリン濃度プロファイル。

4.6. XRPIX2b-LA のデバイスシミュレーション

4.6.2

39

デバイスシミュレーションの結果

Vnode と Vcircuit は 0 V に固定し、Vback は完全空乏すると思われる 200 V から 20 V 刻み
で 300 V まで印加した場合に対してシミュレーションを行った。図 4.15 はデバイスシミュ
レーションで得られたウェハ中のリンと電子の濃度分布を各バックバイアス電圧ごとに示している。図 4.15 にいて、ドナーであるリンとキャリアである電子の濃度分布曲線の交点が空乏層の最下層地点であり、交点から裏面までが不感層となる。高いバックバイアス
電圧を印加するほど、空乏層が裏面に向かって広がっていることがわかる。
シミュレーション結果と Cl-K によって算出した不感層厚を各バックバイアス電圧ごとに示したものが図 4.16 である。ウェハのリン濃度が 10% つまり完全空乏化電圧が 10% 程
度ずれていた場合においても別にシミュレーションを行い、図 4.16 に記載した。バック
バイアス電圧が 300 V のとき、Cl-K から算出した不感層厚と TCAD デバイスシミュレーションで得られた不感層厚は矛盾ない結果であることがわかった。したがって、バックバ
イアス電圧が 300 V のとき不感層厚はどちらの結果からも ∼ 1 µm であり、要求値である
1 µm 程度である。
さらに精度よく不感層厚を求めるために、XRPIX2b から読み出し回路を改善した XRPIX3b に LA 処理を施した XRPIX3b-LA で実験を行った。さらに薄い不感層が得られることを期待して、XRPIX3b-LA には XRPIX2b-LA で印加した 300 V 以上のバックバイアス
電圧を印加した。

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

40

バックバイアス電圧 200 V

バックバイアス電圧 220 V
1e+20

concentration (cm-3)

concentration (cm-3)

1e+20

電子(cm-3)リン(cm-3)

1e+15

1e+10

電子(cm-3)リン(cm-3)

1e+15

1e+10

-500

-495

-490

y [µm]

-500

-495

-490

y [µm](a) バックバイアス電圧 200V のときのリンと電子の (b) バックバイアス電圧 220V のときのリンと電子の
濃度分布。
濃度分布。
バックバイアス電圧 240 V

バックバイアス電圧 260 V
1e+20

concentration (cm-3)

concentration (cm-3)

1e+20

電子(cm-3)リン(cm-3)

1e+15

1e+10

電子(cm-3)リン(cm-3)

1e+15

1e+10
-500

-499

-498

y [µm]

-497

-496

-495

-500

-499

-498

y [µm]

-497

-496

-495

(c) バックバイアス電圧 240V のときのリンと電子の (d) バックバイアス電圧 260V のときのリンと電子の
濃度分布。
濃度分布。
バックバイアス電圧 280 V

バックバイアス電圧 260 V
1e+20

concentration (cm-3)

concentration (cm-3)

1e+20

電子(cm-3)リン(cm-3)

1e+15

1e+10

電子(cm-3)リン(cm-3)

1e+15

1e+10
-500

-499

-498

y [µm]

-497

-496

-495

-500

-499

-498

y [µm]

-497

-496

-495

(e) バックバイアス電圧 280V のときのリンと電子の (f) バックバイアス電圧 300V のときのリンと電子の
濃度分布。
濃度分布。

図 4.15: XRPIX2b-LA におけるデバイスシミュレーションの結果。

4.6. XRPIX2b-LA のデバイスシミュレーション

41

Thickness of Dead Layer
Thickness of Dead Layer [µm]

16
14
12
Cl-K data

10

TCAD simulation 200V

8

TCAD simulation 180V

6

TCAD simulation 220V

4
2
0

200

220

240
260
280
Back-Bias Voltage [V]300

図 4.16: TCAD シミュレーションおよび Cl-K から算出した不感層厚のバックバイアス依存性。赤は Cl-K から算出した不感層厚、青は完全空乏化電圧が 200V のとき、緑とオレ
ンジはともに完全空乏化電圧において 10% のずれを仮定した場合。裏面の Al 遮光膜は不感層に含まれていない。

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

424.7 XRPIX3b-LA の仕様と概要
XRPIX3b は京大が開発した X 線天文学用 SOI ピクセル検出器の六号機である (図 4.17)。
XRPIX2b と同様のプロセスによって製造されている。チップのサイズは 2.9 mm × 2.9 mm、ピクセルサイズは 30 µm × 30 µm である。XRPIX3b-LA は FZ ウェハで、センサー層は厚さ 310 µm である。XRPIX3b は 32 × 32 のピクセルを有するが、図 4.17 のように読み出し回路の違う二つの領域に分けられている。左半分の領域では、XRPIX2b と同様にセンス
ノード後段の回路にソースフォロワー回路 (SF) を使用している。また、右半分の領域では、センスノード後段の回路にチャージセンシティブアンプ (CSA) 回路を用いることで、回路ゲインを増幅させ、出力ゲインを向上させた。以降 SF 領域と CSA 領域をそれぞれ
XRPIX3b-SF、XRPIX3b-CSA と呼ぶ。図 4.18 は SF 回路と CSA 回路それぞれの回路図を示す。CSA 回路におけるフィードバック容量は 1 fF である。

2.9 mm

6.0 mm

1.0 mm
TRIG_ROW

CSA

32 x 32 Pixel Array
1Pixel : 30 µm x 30 µm

0 Column Address Decoder 31

C

0

ANALOG
OUT

Column Amp. (COL_AMP)

O
R

ograph of the XRPIX2b and its Figure 7. Chip photograph of XRPIX3b and its
図 4.17: XRPIX3b のチップ写真とブロック機能図。
e location of each TEG is indi- block diagram. Two types of TEG are used.

2015 JINST 10 C06

Column Address Decoder
umn Shift Register (152 bit)Column Amp. (COL_AMP)SF

Row Shift Register (32 bit)

52 x 152 Pixel Arrayixel = 30 µm x 30 µm

ANALOGOUT

Row Address Decoder

31 Column Shift Register (32 bit)

TRIG_OUTA

TRIG_COL

4.6 mmXRPIX3b を含む XRPIX シリーズの素子について読み出しノイズとゲインの関係をみると、XRPIX1 から XRPIX3b にいたる XRPIX シリーズで直線に乗っていて、XRPIX3b-CSA
iptionはこの中で最もゲインが高く、読み出しノイズが小さいので、分光性能が高い素子であ処理を施したXRPIX3b-LAの裏面性の評価を行うこと
icated usingることがわかる。したがって、
the 0.2 µm fully depleted SOILA
CMOS
pixel process
by Lapis
SemiX 線性能評価を行うことが可能である。
d., the same で、より精度高く軟process as XRPIX2b.
The detector is 2.9 mm ⇥ 2.9 mm in size and2 pixels. The pixel size and the imaging area are 30 µm ⇥ 30 µm and approxi.0 mm, respectively. Based on the lesson learned, described in the section 2, we
size of 14 µm in order to keep enough CCE. Herein, we show a result of the-SOI wafer device with a thickness of 260 µm.
rmat and block diagram are shown in figure 7. The chip contains two different
ls. One of the two, “CSA TEG”, has in-pixel CSAs while the other, “SF TEG”
cuit but with SFs instead of CSAs, which are shown in the right and left sides
n in figure 7. Figure 8 shows the preceding-stage circuits used in the two TEGsTRIG_COL (SR)
アンプ版の回路 (コンパレータ部省略

CSA Pixel CircuitTRIG_ROW (SR)

Pixel
Circuit
Pixel Circuit CDS + Trigger
Circuit4.7. XRPIX3b-LA の仕様と概要&

RST_COMP1

TRIG_OUT(OR)
RST_COMP2
43# AMP. # + CDS + Trigger CircuitTrigger Info. Output

FB Cap. 1fF
VTH

2000

1200

GND
GND

GND80013.95 keV XRPIX2b-B

Preceding Stage
17.74 keVBPW CDS_RSTV: 10 µm sq.
Gain : 9.7 µV/eRON : 56 e- (rms)Protection DiodeAMP.
XRPIX2b-C

17.74 keVCDS_RSTV

700

Preceding Stage800

OUT_BUF

Column Readout

BPW : 8 µm sq.
CSA
CSA ampliﬁer
charge-sensitive
Gain : 12.5 µV/e-

BPW : 12PD_RSTVµm sq.
1000
Gain : 7.0 µV/eRON : 68 e- (rms)

Sample Cap.

PD

OUT

CDS_RSTPD
PD

COL_AMPRON : 46 e- (rms)

600

(CSA)

X

13.95 keV

500

600
1500
Figure 8. Pixel
circuit of XRPIX3b. The
basic component of the 400
pixel circuit is same as the previous
図 4.18: センスノード後段における回路図。
300
17.74 keV
devices. XRPIX3b
has
CSA
circuit
newly.
The
feedback
capacitor
usedin the CSA circuitis 1 fF.
400
1000

Counts20026.3 keV

CSA Pixel : 17.8 μV/e0
50 100150 200
250 300 350 400 450
SF Pixel: 5.4
μV/eHeight (ADU)
400 CSA/Normal =Pulse
3.3
450

0

20.77 keV

1600
26.3 keV

26.3 keV
Mn-Kα

100

5.9 keV00

50 100 150 200 250 1400
300 350 400 450

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Pulse Height (ADU)

Pulse Height (ADU)

1200

350

200
150
100
50

XRPIX3b-CSA

0
0

5

10

XRPIX2b-D

15

10

20

25

30

XRPIX2b-B
Energy (keV)

XRPIX2b-A
XRPIX1b
XRPIX3b-SF
XRPIX1XRPIX2b-C

Readout Noise (e- rms)

250

Gain (µV/e-)

Figure 3. X-ray spectra of an 241Am radioisotope obtained with the two TEGs in XRPIX2b. The pulse
1000µV/e (1 V/12 bit).
300 height is shown in analog digital units (ADU). 1 ADU is 244
CSA Pixel
FWHM : 5.4% (320 eV)

800
600

XRPIX1SF Pixel

FWHM : 12.4% (730 eV)
XRPIX2b-B

2400

10

Mn-Kβ
6.4 keVXRPIX2b-C
XRPIX3b-SF
200
XRPIX1b
XRPIX2b-A
0

0

10

1

XRPIX2b-D
XRPIX3b-CSA

2

3

4

5

requirement

2015 JINST 10 C06005

Pulse Height (ADU)

500

200

20.77 keV

20.77 keV

500

6

7

8

Energy (keV)

Figure 9. Calibration plot of X-ray energy and signal Figure 10. Comparison spectra of the SF and CSA
pulse height.
pixel goal
circuits. The spectra are those of a 55 Fe radioisotope obtained in all pixel mode.

4

102

1

BPW Area (µm2)

Discussion and future prospects

1

SF

ANALOGC
STORE

STORE CDS Cap.

PD_RST

Protection Diode

PD_RST
Protection Diode
PD_RST

Sense-nodeSense-nodeSense-node

241Am spectra

COL_READ

Feedback
Cap.Cap. Feedback Cap.
Feedback

CountsSample Cap.

CDS Cap.

ROW_READ

SF

RST

GND

Sample Cap.

VB_SF
VB_CSACDS_RST

STORE

SF

13.95 keV XRPIX2b-A

2500

Comparator

SF

CountsCounts

GND

3000

H/L OUTCSA CSAピクセル回路
Pixel
Circuit
VDD18
GND

PD_RSTPD

TRIGGER

Comparator

Comparator

VDD18
VDD18
VB_SF
VB_SF
VB_CSA

Protection Diode

Sense-node

VTH

TRIG OUTPixel
SFSFピクセル回路
PixelCircuit
Circuit
VDD18
VB_SF

SR

10

102

Gain (µV/e-)

Figure 4. Relation between the BPW area and the Figure 5. Relation between the chip output gain andPlotting the readout noise and chip output gain of the
CSA noise.
TEG of XRPIX3b in figure 5, we found
the readout

図 4.19:ゲインと BPW のサイズの関係 (左図) と読み出しノイズとゲインの関係 (右図)[21]。
conversion gain.

it follows the correlation between those of XRPIX1, 1b and the TEGs of XRPIX2b in spite thatthe preceding
stageofoutput
gains
are different.
the ofdevices
are equipped
the method
increasing
the gainby reducing All
the area
the BPWincluding
in order toXRPIX3b
improve spectral
performance.
with the same
readout circuits. This implies that almost all the readout noise is attributed not tothe preceding stage but to the readout circuit. Thus, improving the readout circuit is significantly
effective to reduce the readout noise. Increasing the preceding stage output gain is also effective.
3 Improvement of spectral performance by CSA
In this paper, we investigated the adoption of small BPW and in-pixel CSAs in order to im-

44

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

4.8 XRPIX3b-LA における軟 X 線裏面照射実験
4.8.1

取得データについて

XRPIX2b-LA 同様、取得したデータについて表 4.2 と表 4.3 まとめる。XRPIX3b-LA におけるデータ取得条件は、各 X 線に対して、露光時間を 10 msec に設定し、バックバイア
ス電圧を 400 V 印可した。XRPIX3b-CSA では Al-K (1.5 keV) を照射し、露光時間 1 msec
でデータを取得した。また素子の温度は XRPIX2b-LA 同様に −50 ◦ C で駆動させ試験を行った。
表 4.2: XRPIX3b-SF-LA で取得した X 線データ一覧。
ターゲット バックバイアス電圧値 [V] 取得フレーム数
Cl
400
500000Ti
400
900000Fe
400900000Se
400
400000

表 4.3: XRPIX3b-CSA-LA で取得した X 線データ一覧。
ターゲット バックバイアス電圧値 [V] 取得フレーム数
Al
400
200000Cl
400
500000Ti
400
900000Fe
400900000Se
400
4000004.8.2

エネルギースペクトルとゲイン

XRPIX3b-CSA-LA と XRPIX3b-SF-LA で得られたエネルギースペクトルをそれぞれ図4.21 と図 4.20 に示す。
「全面読み出し法」を用いた読み出しにおいて、XRPIX シリーズでは初めて Al-K (1.5 keV) の取得に成功した。図 4.22 は XRPIX3b-LA におけるエネルギー
較正の結果を示す。式 4.3 から XRPIX3b-SF-LA、XRPIX3b-CSA-LA それぞれのゲインは、
5.34 ± 0.01 µV/e− 、17.10 ± 0.03 µV/e− と求まった。この結果から読み出しノイズはそれぞれ、69 e− (0.24 keV)、38 e− (0.14 keV) であった。XRPIX3b-SF-LA のイベント閾値とスプ
リット閾値は、XRPIX2b-LA と評価を統一するため、1.3 keV (読み出しノイズの 5.4 σ) と0.6 keV (読み出しノイズの 2.5 σ) に設定し、以降の評価を行った。また、XRPIX3b-CSALA は、XRPIX2b-LA と XRPIX3b-SF-LA よりも分光性能が向上しているため、これらで設定した閾値よりもさらに低い閾値を設定することが可能である。XRPIX3b-CSA-LA の4.8. XRPIX3b-LA における軟 X 線裏面照射実験

45

イベント閾値とスプリット閾値はそれぞれ、1.0 keV (読み出しノイズの 7.5 σ) 、0.42 keV(読み出しノイズの 3 σ) に設定し、評価を行った。
h_xray_event

h_xray_event

1200

700

1000

Cl-Kα
2.6 keV600

Al-Kα
1.5 keV

500

Counts/bin

Counts/bin

800

600

400
300

400
200
200

100

0
0

50

100

150

200

250

0
0

300

50

100

200

250

300

Channel[ADU](a) Al ターゲットで得られたスペクトル。

(b) Cl ターゲットで得られたスペクトル。

h_xray_event

h_xray_event

180

100

160

90
80

140

Ti-Kα
4.5 keV

100
80
60

60
50

Fe-Kα
7.1 keV

40
30

40

20

20

10
50

100

150

200

250

0
0

300

50

100

Channel[ADU]

150

200

250

300

Channel[ADU](c) Ti ターゲットで得られたスペクトル。

(d) Fe ターゲットで得られたスペクトル。

h_xray_event
90
80
70

Se-Kα
11.2 keV

60

Counts/bin

0
0

Fe-Kα
6.4 keV

70

Counts/bin

120

Counts/bin

150

Channel[ADU]

50
40
30

Se-Kβ
12.5 keV

20
10
0
0

50

100

150

200

250

300

Channel[ADU](e) Se ターゲットで得られたスペクトル。

図 4.20: XRPIX3b-CSA-LA で得られた各 X 線スペクトル。

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

46

h_xray_event

h_xray_event

900

250

800
700

Counts/bin

Counts/bin

600

Ti-Kα
4.5 keV200

Cl-Kα
2.6 keV

500
400

150

100

300
200

50

100
0
0

20

40

60

80

100

120

0
0

140

20

40

80

100

120

140

Channel[ADU](a) Cl ターゲットで得られたスペクトル。

(b) Ti ターゲットで得られたスペクトル。

h_xray_event

h_xray_event

200

160

180

140

160

Fe-Kα
6.4 keVSe-Kα
11.2 keV

120

Counts/bin

140
120
100
80

100
80
60

Se-Kβ
12.5 keV

60
40
40
20

20
0
0

20

40

60

80

100

120

0
0

140

20

40

60

80

100

120

140

Channel[ADU]

Channel[ADU](c) Fe ターゲットで得られたスペクトル。

(d) Se ターゲットで得られたスペクトル。

図 4.21: XRPIX3b-SF-LA で得られた各 X 線スペクトル。

3b-LA Gain Fit
250
200
Pulse Height [ADU]Counts/bin

60

Channel[ADU]150

傾き: 19.20
切片: -2.15

0.03
0.09

傾き: 5.99
切片: -1.28

0.01
0.08

100
50
0
0

2

4

6
8
10
Energy [keV]1214

図 4.22: XRPIX3b-LA のエネルギー較正の結果。

4.8. XRPIX3b-LA における軟 X 線裏面照射実験

4.8.3

47

検出効率と不感層

印加したバックバイアス電圧値 400 V は 500 µm の XRPIX2b-LA が完全空乏化した 200
V よりも高い電圧値である。したがって、XRPIX3b-LA はバックバイアス電圧値 400 V を印加した時、完全空乏化していると考えられる。4.5.4 項と同様にして、取得した Cl-K から不感層厚を算出すると、XRPIX3b-SF-LA では 0.96 ± 0.30 µm、XRPIX3b-CSA-LA では
0.46 ± 0.30 µm であることがわかった。また、4.6 節と同様に TCAD デバイスシミレーションを行い、バックバイアス電圧が 400 V を印加した状態の XRPIX3b-LA を再現した。図4.24 はその結果を示す。このシミュレーション結果は XRPIX3b-CSA-LA で算出した不感層厚と矛盾ない結果である。また、シミュレーション結果からわかるように ∼ 0.5 µm という不感層は現状の LA 処理で出すことのできる最大性能であることがわかる。裏面に 0.2µm の Al 遮光膜をつけたとしても、要求値 1 µm を完全に達成することができることが示された。
図 4.24 から、裏面から 0.5 µm 程度に広がる高濃度のリンによって空乏層の広がりを制限されている。つまり、このドープするリンの濃度分布の広がりをさらに薄く抑えることができれば、より薄い不感層を実現することができる。LA 処理でリンの分布を拡散させるパラメータとして考えられるのは、インプラント際のリンイオンのエネルギーとアニー
ルの際のレーザーの出力である。今後、低エネルギーかつ低出力の LA 処理によりさらに薄い不感層を目指し、我々が目指す広帯域撮像分光ができる素子を実現する。

Quantum Efficiency for Energy
2

Quantum Efficiency[%]

10
90
80
70
60
50
3b-SF-LA

40

3b-CSA-LA

30

2

4

6
8
Energy[keV]1012

図 4.23: XRPIX3b-LA における検出効率とエネルギーの関係。

第 4 章 LA 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

48

バックバイアス電圧 400 V

concentration (cm-3)

1e+20

電子(cm-3)リン(cm-3)

1e+15

1e+10
-310

-309

-308

y [µm]

-307

-306

-305

図 4.24: XRPIX3b-LA におけるデバイスシミレーション結果。

49

第 5 章 PZ 処理を適用した XRPIX の軟 X
線感度の測定5.1 XRPIX2b-PZ の仕様
5.1.1 PZ 処理について
PZ 処理は、ローレンス・バークレー国立研究所で開発されたイオンインプラント+低温
アニール処理 [23] で、LA 処理とは違う熱処理を行う。PZ 処理は以下のような手順で行われる。まず、素子を薄くした後、−160 ℃の環境下で 33 keV のエネルギーのリンイオン
をドープすることで、裏面に薄い p 層を作る。次に、500 ℃の温度で 10 分程度アニール
することで結晶構造を回復させる。
SIMS 測定ならびに SRA 測定を行い、裏面付近のリンとキャリアの濃度分布を調査した。図 5.1 は XRPIX2b-PZ の SIMS 測定の結果である。XRPIX2b-PZ において SRA 測定
は測定不可能であったため、使用した素子のキャリア濃度分布を実際にしることはできなかった。M. Battaglia, et al., NIM A 674 (2012) 51. で別の SOI ピクセル検出器に PZ 処理を施した際の SRA 測定の結果について記載があり、図 5.2 にその結果を示す。図 5.1 と図??
を比較すると、裏面からの 0.2 µm のところでリンの濃度分布に両者とも肩が見え、おおよそ実測の SIMS 測定は矛盾はない。以上から、前章の実験結果ならびに TCAD デバイ
スシミュレーションから得た結果から判断すると、XRPIX2b-PZ のキャリア密度分布およそ図 5.2 のような分布であれば、不感層としての最大性能は ∼ 0.4µm であるということができる。

5.2 XRPIX2b-PZ における軟 X 線裏面照射実験
5.2.1

取得データについて

LA 処理をした XRPIX 同様、取得したデータについて表 5.1 にまとめる。XRPIX2b-PZにおけるデータ取得条件は、各 X 線に対して、露光時間を 10 msec に設定し、20 V から 70
V まで 10 V 刻みでデータを取得した。また素子の温度は −50 ℃ で駆動させ試験を行った。

5.2.2

エネルギースペクトルとゲイン

XRPIX2b-PZ で得られたエネルギースペクトルを図 5.3 に示す。バックバイアス電圧は70 V を印加し、取得したものである。得られたシングルピクセルイベントのエネルギー

第5章

PZ 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

1021
1020

109

Si (secondary ion intensity)

P density (atoms/cm3)

1019

108
107

52

Si secondary ion intensity (counts/sec)50

M. Battaglia et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 674 (2012) 51–54

1018

106

3. Experimental set-up and results
These sensors havea breakdown voltage of ! 130 V, which
Phosphorus
prevents the full depletion of their 260 mm full thickness, as
2—1.1E15atoms/cm(3.2~517.2nm)
The data acquisition of the SOI sensor is perforprovided by the foundry.
Therefore, a set of
sensor chips has been
1017
105
setup discussed in Refs. [4,9]. Most of the measurem
back-thinned
to 70 mm using a commercial grinding techniquehere have been performed with the chip clocked[7], which has been already successfully employed for backcorresponding to a read-out time of 160 ns pethinning CMOS Active Pixel Sensors [8]. After thinning, the sensor
1016
104
sparsification is performed on-line in the DAQ PC u
leakagecurrent increases by more than one order of magnitude,
Root-based [10] program. The matrix of pedestal s
due to the defects generated on the back-plane by the grindingis scanned for seed pixels with signal exceeding a prprocess.
limit of detectionto create a 3 thinin noise units. For each seed, the 7 # 7 pixel m
Thethinned sensors are post-processed1015
10around the seed position is selected and stored
entrance window on the back-plane and anneal the crystal
clusters are reconstructed off-line by applying a dodamage from the thinning. A thin phosphor layer is implanted
method on the matrix of pixels selected arounat 33 10keV
to
14 using a cold process at "160 1C. The dose is adjusted
2
10
cluster seed. Clusters are required to have a seedobtain an amorphous layer of Si, which favours crystal re-growth.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
signal-to-noise ratio, S=N, of at least 5.0 and theAfter phosphor implant the chip is annealed at 500 1C for 10 min
depth(µm)of the phosphor layer is pixels with a S=N in excess of 2.5.
in Nitrogen atmosphere. The
thickness
First the sensor is tested in the laboratory us
measured using spreading resistance analysis (SRA) on a chip. The
pulses of a 980 nm laser collimated to a C5 mm sp
result is shown in Fig. 1 and indicates that the phosphor layer
extends
to a depth of C 0:4 m
back-plane. The number of pixels accepted in a clus
m from the back-plane surface, withにおける測定結果。裏面でのリンの濃度分布を示す。
the highest concentration in the first 0:2 mm.
the ratio of the signal on the seed pixel to the tota
This process provides the sensors with a thin entrance window
cluster measure the spread of the signal charge
on the back-plane ensuring in principle good sensitivity to X-rays
pixel coupling. Fig. 2 shows the pixel multiplicity
down to ! 1:5 keV and to electrons down to ! 9 keV. After backand the ratio of the signal on the seed pixel to theplane post-processing the leakage current is reduced to values
the cluster as a function of V d . The thinned sensor
comparable to, or lower than, those obtained on un-processed chips
depleted at C40 V. We observe that both the pixel[6] and the sensors are functional with a total single pixel noise of
the clusters, N pixels , and the ratio of the seed to c
9576 e " ENC, which is consistent with that of 8378 e " measured
PHR, approach a plateau with average values of N
on thick, un-processed sensors, and can be fully depleted.
0:03 and PHR ¼ 0:93 7 0:01, above V d C 40 V. The
value is confirmed by C2V curves [6].
The quantum efficiency for X-rays is studied onat the beam-line 5.3.1 of the Advanced Light Sourcefor various values of the photon energy and sen
1019
voltage V d . The thin, post-processed SOI sensor has
1018
to fluorescence radiation excited in various meenergy in the range 2:1 o Eo 8:6 keV. The synchro
17
10
beam from a bending magnet is selected in ene
monochromator to obtain a 12 keV monochroma
1016
beam is sent on a target metal foil at a 451 in
1015
A computer-controlled movable stage holds multiing possible to select different target materials
1014
target and the detector are placed into a vacuum
order to minimise the absorption of soft X-rays in a
1013
energies (below 4 keV) and mounted in back-illum
uration. The angle between the beam and the SOI
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
The energy spectrum and the fluorescence radiatio
Depth (µm)
monitored using a spectrometer consisting of a Si[11] with a FWHM resolution of 130 eV at 5.
Fig. 1. Phosphor concentration profile on the back-plane from SRA of a postinstalled at a 301 angle w.r.t. the incoming beam.
processed sensor chip.

SIMS

Concentration (atoms cm-3)

図 5.1: XRPIX2b-PZ

図 5.2: PZ 処理を行った SOI ピクセル検出器における SRA 測定結果 [23]。裏面でのキャリア濃度分布を示す。
20

1<Npixels>

15
10
5
0

PH(Seed)/PH(Cluster)

980nm Laser Clusters

0.8
0.6
0.4
0.2

980nm Laser Clusters

5.2. XRPIX2b-PZ における軟 X 線裏面照射実験

51

表 5.1: XRPIX2b-PZ で取得した X 線データ一覧。
ターゲット バックバイアス電圧値 [V] 取得フレーム数
Cl
40−70
10000
30
20000
Ti
40−70
55000
20、30
110000
Fe
40−30
45000
20、30
90000
Se
20−70
35000

スペクラムを用いて、輝線の中心エネルギーを求めることでエネルギー較正を行った。それぞれのスペクトルに対して、ガウシアンでフィットした。また、Fe、Se については Kα、Kβ 輝線が分離できているため、二つのガウシアンで両者はフィットした。図 5.4 は、これらの結果を一次関数でフィットした結果を示し、その傾きから XRPIX2b-PZ のゲインを算出した。式 (4.3) から XRPIX2b-PZ のゲインを計算すると、6.90 ± 0.02 µV/e− であった。また、この結果から読み出しノイズは 53e− (0.2 keV) である。イベント閾値とスプリッ
ト閾値はそれぞれ、XRPIX2b-LA、XRPIX3b-SF-LA と統一して、読み出しノイズの 6 σ(1.3keV)、3 σ (0.6 keV) に設定し、XRPIX2b-PZ の軟 X 線の裏面性能評価の解析を行った。

5.2.3

実験結果 1: 空乏層の広がり

XRPIX2b-LA と同様に XRPIX2b-PZ のセンサー層が完全空乏化するバックバイアス電圧を調べる。評価方法としては、XRPIX2b-LA と同様に Se K 輝線を使いて検出効率とバックバイアス依存性を調べる方法をとった。Se Kα (11.2 keV、減衰長 176 µm)、Kβ (12.5
keV、減衰長 243 µm) 輝線を多色 X 線照射システムを用いて裏面側から照射した。露光時
間 10 msec、温度 −50 度、35 万フレームのデータを取得し、検出効率を算出した。図 5.5
は Se K 輝線の検出効率とバックバイアス電圧依存性を示す。図から検出効率はバックバ
イアス電圧値が 30V 以上であまり変化がないことが分かる。また、チャージシェアリング
イベントについてみてみる。バックバイアス電圧値が大きくなるつれて、シングルピクセ
ルイベントの検出効率は増えているのに対し、ダブルピクセルイベントの検出効率はバッ
クバイアス電圧値 20V から 30V で増えるが、30V 以降減っているのが分かる。これはよりセンサー層間の電場が強くなり、電荷雲の大きさが小さくなったためだと考えられる。
以上より、完全空乏化に至るバックバイアス電圧は 30 V であるとわかった。
このことから、2b-PZ のウェハの抵抗率を算出する。空乏層厚 Wdep = 62 µm、バックバ
イアス電圧 V = 30 V として、式 2.5 に代入すると、2b-PZ の抵抗率 ρ は 0.41 kΩ·cm であることがわかった。このことからウェハの P のドープ量は 1.0 × 1013 cm−3 となる。これは
図 5.2 とも矛盾ない結果であることがわかる。
また、 図 5.6 は XRPIX2b-PZ の検出効率とエネルギーの関係と、検出効率のバックバ
イアス依存性も示す。XRPIX2b-LA 同様に XRPIX2b-PZ もバックバイアス電圧が上がる

第5章

52

PZ 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定と、各エネルギーに対する検出効率も向上している。XRPIX2b-PZ はセンサー層が 62 µmと薄い。そのため、Se-K のような高エネルギー X 線の多くは吸収されず、他素子よりもSe-K の検出効率が低い。

h_xray_event

h_xray_event

700

500
450

600

Cl-Kα
2.6 keV

Ti-Kα
4.5 keV

400
350

Counts/bin

Counts/bin

500
400
300

300
250
200
150

200

100
100
50
0
0

20

40

60

80

100

120

0
0

140

20

40

60

80

100

120

140

Channel[ADU]

Channel[ADU](a) Cl ターゲットで得られたスペクトル。

(b) Ti ターゲットで得られたスペクトル。

h_xray_event

h_xray_event
120

300
100

Fe-Kα
6.4 keV

250

Counts/bin

Counts/bin

80
200

150

Fe-Kα
7.1 keV100

Se-Kα
11.2 keV

60

Se-Kβ12.5 keV

40

20

50

0
0

20

40

60

80

100

120

140

0
0

20

40

60

80

100

120

140

Channel[ADU]

Channel[ADU](c) Fe ターゲットで得られたスペクトル。

(d) Se ターゲットで得られたスペクトル。

図 5.3: XRPIX2b-PZ で得られた各 X 線スペクトル。図中の赤線はシングルピクセルイベ
ント、青線はダブルピクセルイベント、黒線は X 線と判定されたイベントを足し合わせたものである。

5.2. XRPIX2b-PZ における軟 X 線裏面照射実験

532b-PZ Gain Fit
100
90
Pulse Height [ADU]

80
70
60
50

傾き: 7.73 0.01
切片: -0.97 0.06

40
30
20
10
0
0

2

4

6
8
10
Energy [keV]1214

図 5.4: XRPIX2b-PZ における Se-K の検出効率のバックバイアス電圧依存性。

Quantum Efficiency at Se-K
50
Quantum Efficiency[%]

45
40

sum

35

single30
25

double20

triple

15

other

10
5
0

20

30

40
50
60
Back-Bias Voltage[V]70

図 5.5: XRPIX2b-PZ における Se-K の検出効率とバックバイアス電圧依存性。

第5章

54

PZ 処理を適用した XRPIX の軟 X 線感度の測定

Quantum Efficiency for Energy

Quantum Efficiency[%]

102

50
40
30

70v

20

50V
10

30V

6

20V
2

4

6
8
Energy[keV]1012

図 5.6: XRPIX2b-PZ における検出効率とエネルギーの関係。

5.2. XRPIX2b-PZ における軟 X 線裏面照射実験

5.2.4

55

実験結果 2: 不感層の厚み

5.2.3 項で見たように、2b-PZ は 30V 以上で完全空乏することがわかった。従って、30V
以上のバックバイアス電圧をかけ、より電荷収集効率を上げた状態で裏面における不感層厚を求める。
式 4.5 より、XRPIX2b-PZ は Al 遮光膜は付いていないことを考慮して算出する。バック
バイアス電圧値が 70V の時の検出効率から不感層厚を求めれば、0.61 ± 0.31 µm と求められる。この結果は図 5.2 で得られた SRA 結果から見ても矛盾ない結果である。すなわち、
XRPIX2b-PZ においても 0.2 µm の Al 遮光膜をつけたとしても、要求値 1.0 µm を達成す
ることがわかった。また、XRPIX2b-PZ における空乏層の広がりと不感層厚は、LA 処理で見られたものと同様に、リンの広がりによって制限されていることがわかった。

Quantum Efficiency at Cl-K
100
Quantum Efficiency[%]

90
80

sum

70

single60
50

double40

triple

30

other

20
10
0

30

35

40 45 50 55 60
Back-Bias Voltage[V]6570

図 5.7: XRPIX2b-PZ における Cl-K の検出効率とバックバイアス電圧依存性。

56

第6章

まとめ

本論文では、次世代 X 線天文衛星搭載に向けた広帯域撮像分光器の開発を目標に、その観測器である裏面照射型 XRPIX の軟 X 線感度の現状から問題点を抽出し、改善点を見つけるに至った。
裏面処理の異なる二つの裏面照射型 XRPIX で軟 X 線照射実験を行い、デバイス構造についてシミュレーションした結果わかったことは、• LA 処理、PZ 処理の不感層厚はそれぞれ ∼ 0.5 µm、∼ 0.6 µm で、不感層の要求性能値である 1 µm を達成している。
• LA 処理における実験結果は TCAD シミュレーションで再現することができた。
• LA 処理、PZ 処理のいずれも、裏面におけるドナーの広がりが空乏層の成長を制限している。
ということである。
以上を踏まえて今後は、薄い不感層を得るためにドナーの広がりを抑制することを行う。LA 処理の場合、インプラントするイオンのエネルギーを抑え、さらにレーザーの出力を抑えることでドナーの広がりを抑えることが可能であれば、さらに薄い不感層を得る。また、物理的に不感層が薄くなってもイベントとして読み出すことができなければならないため、XRPIX3b-CSA よりも読み出しノイズが低く分光性能が高い素子の開発を同時に進める。以上をもって、さらに軟 X 線感度の高い撮像分光器の開発を進める。

58

謝辞

59

参考文献
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[19] T. Uchida. 2008, IEEE TRANSACTION ON NUCLEAR SCIENCE. 55, 1631.
[20] 劉周強. 京都大学, 2010, 修士論文.
[21] A. Takeda, et al., J. Instrum. 10 (2015) C06005.

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第6章

まとめ

[22] 3D TCAD Simulator HyENEXSS, Developed by Selete. Semiconductor Leading Edge
Technologies Inc.
[23] M. Battaglia, et al.,NIM A 674 (2012) 51.