1

Ｘ線天文衛星搭載
ワイドバンドSOIピクセル検出器の開発
鶴 剛（京大）tsuru@cr.scphys.kyoto-u.ac.jp
田中孝明, 松村英晃, 武田彩希（京大）, 新井康夫（KEK）,森浩二, 西岡祐介, 竹中亮太（宮崎大）,幸村孝由（東京理科大）, 中島真也（宇宙研）

20140509_SOI新学術WS_B01_XRPIX_v2.key

白鳥座A

銀河の中心の超巨大ブラックホール

Neal Jackson, STScI and NASA

2

白鳥座A

銀河の中心の超巨大ブラックホール

電波

Chris
Carilli andNRAO/AUI
NealJackson,STScIand NASA

2

白鳥座A

2

銀河の中心の超巨大ブラックホール

5年
光
0万超巨大ブラックホール

銀河:地球（太陽の100万倍から10億倍）

BH :砂粒電波

銀河とブラックホールの共進化
A. Wilson &Neal
A.ChrisYoung,
Carilli
P. Shopbell,andNRAO/AUICXC,
NASA
Jackson,STScI
andNASAＸ線

X線の最重要課題 - CCDでは困難•宇宙最初期ブラックホールの発見とその成長
恒星質量BHや恒星の合体

初期BH（中質量？）

超巨大BH

第１世代の星原始BH
CCD

ざらざらは全て
背景ノイズ

これを発見し成長を調べる
SOIPIX

最も暗いのが初期BH

3

Ｘ線CCD - スタンダード検出器

4

CCDの欠点：非Ｘ線バックグラウンドが高い
Ｘ線ではないのに，Ｘ線だと認識してしまった信号のこと

強度「すざく」データ X線信号

特に硬X線で卓越「すざく」X線CCDが軌道上で得たX線エネルギー(keV)

非Ｘ線バックグラウンドのスペクトル
生イメージ．ほとんど非X線BGD．
(X線ではないのにX線と誤解した)
Ｘ線は「ほぼ点」に見える．

Ｘ線SOIPIX：イベント駆動読み出し型
最大の特長=「イベント駆動」による低非Ｘ線バックグラウンド• イベント到達瞬間にトリガ出力

硬X線

軟X線視野• If アクティブシールドが同時信号出力
非Ｘ線BGD
Ｘ線

非X線バックグラウンド(宇宙線が作る2次的放射線)捨てる• If アクティブシールドに信号無し

Ｘ線SOIPIX素子(スタック)

アナログ信号読み出しへ

アクティブシールド

他の性能はＸ線CCDと同等(以上)• 精密撮像: 30-60μm□• 広視野: 20mm□，モザイク可能• 精密分光: 3e-(goal), <10e-(要求)• 2pA/cm2 @ -40℃

衛星搭載のFPGA・計算機● イベント駆動読み出し● 非同時計数 (非X線BGDの除去)● Ｘ線エネルギー・位置・時刻計測• 0.3-40keV: 厚い空乏層 & 裏面照射．出来るだけスタック配置• 空乏層>200μm, 裏面不感層<0.1μm

5

6

開発の歴史 - 2008からスタート
2010

2011

1.0mm

2012

2013
4.5mm

4.0mm

1.0mm

XRPIX1 XRPIX1b
XRPIX2XRPIX2b

2014
1.0mm

1.0mmXRPIX3XRPIX3b

2.9 mm

2.9 mm

2.4 mm 2.4 mm

First ModelTrigger
Output

6.0 mm

6.0 mmMiddle Size

Buttable

基盤B x 2 + 宇宙研基礎開発

Built-in ADC
2.4mm

新学術

XRPIX
ΔΣ-typeADC

A-R-Tec PROPRIETARY/CONFIDENTIAL

Charge Sensitive
AMP

2.4mm

2.4 mm5

３次元半導体検出器で切り拓く
新たな量子イメージングの展開

読み出しノイズ，エネルギー分解能
FY2009要求 10e (rms)
ゴール 3e (rms)
4年間の改良• ピクセルCDS• 寄生容量削減• ピクセルCSA

ペデスタル

7

7

読み出しノイズ，エネルギー分解能
要求 10e (rms)
ゴール 3e (rms)
4年間の改良• ピクセルCDS• 寄生容量削減• ピクセルCSA

180160

7Fe-551201008060206Mn-Kα(5.9keV)

140405FY2013

0Mn-Kβ(6.5keV)

読み出しノイズ = 33e (rms)
ΔE = 300eV (FWHM)
Takeda+131234567

エネルギー[keV]
cf. 両面シリコンストリップ ~1keV． CCD, DEPFET ~140eV．
180ピクセル回路とセンサー部の改良
TRIG_COL (SR)

TRIG_ROW (SR
CSA
Pixel
Circuit
PixelPixel
Circuit&Circuitwith CDS# CSA&&+#Trigger
TRIG_OUT(OR) Circuit
TRIG_OUT(OR)
TRIG_OUT
(OR

CSA

PD

GND

GND

CSA PD_RSTV

CSA付きに変更 (武田)ROW_READ
ROW_READ COL_READ
COL_READSF

OUT_BUFColumn Readout

CDS_RSTVSF

Sense-nodePD
GND

CDS_RSTVCDS_RSTVANALOG
ANA
STORE
OUT

PD_RST

Sense-node

VDD18
GND
GND
VB_SF
VB_CSA

ANALOG
Cap.
OUT
CDS
Cap.
STORE
STORE CDS

COL_AMP

Feedback Cap.

Comparato

Protection Diode

Protection DiodePD

COL_READSFPD_RSTGND

ROW_READ

Sense-node

CDS_RSTPD

STORE CDS Cap.
Feedback Cap.

VTH

Comparator

VDD18 VDD18
VB_SF VB_SF SF
VB_CSA

Sample Cap.

Sense-node

PD_RST

Protection Diode

VDD18
VB_SF
VB_CSA

Trigger Info.
OutputTrigger
Info. Outpu

SR Latch
TRIGGER
TRIG OUTS QH/L OUT
R

Comparator
RSTNormal
Pixel Circuit
GND

RST# CSA # + CDS + Trigger Circuit
VTH

CDS_RST
CDS_RSTComparator

SR Latch
TRIGGERS Q
H/L OUTR

TRIG_ROW (SR)RST_COMP2

Sample Cap.

寄生容量の削減

RST_COMP1COMP Cap. 2

RST_COMP2

PD_RST

RST_COMP1

Trigger Info. Output

Protection Diode

センサー部(BPW)

COMP Cap. 1

TRIG_ROW (SR)with # CSA #COMP Cap. 2

COMP Cap. 1

Pixel Circuit

TRIG_COLTRIG_COL
(SR)
(SR)

COL_AMPOUT_BUF
COL_AMPOUT_BUF
Feedback Cap.

ColumnReadout
ColumnReadout

CSA

CDS回路：PDのリセット
ノイズをキャンセル

今後A02班との共同開発

ピクセル回路を改良する．

イベント駆動読み出し - 実証済み(武田)トリガ !
TRIG_OUT

アドレス読み出しクロック

9Fe-55 (5.9keV)

22keV X-ray detection
Cd-109SCLK
CSA無しの素子
ピクセルゲイン未補正

CA[151-0]

Pulse Hight (ch)4μsec

トリガピクセル
Row
アドレス

Column- イベント駆動は実証済み- 少なくとも >1kHz以上のレート- ゲイン低下，オフセット-アナログ=デジタル回路の干渉

Pulse Hight (ch)RA[151-0]
イベント駆動5.4 μV/e-Offset

フレーム読み出し
7.0 μV/eX-ray Energy (keV)
Takeda et al., IEEE (2013)

イベント駆動読み出し - 実証済み(武田)トリガ !
TRIG_OUT
Trigger
SCLK

アドレス読み出しクロック

9Fe-55 (5.9keV)

22keV X-ray detection
Cd-109

信号検出

CSA無しの素子
ピクセルゲイン未補正

DataTransfer
CA[151-0]

Pulse Hight (ch)4μsec
RA[151-0]

40 µs
トリガピクセル
Row Column
アドレス- イベント駆動は実証済み- 少なくとも >1kHz以上のレート- ゲイン低下，オフセット-アナログ=デジタル回路の干渉

Pulse Hight (ch)Analog out

イベント駆動5.4 μV/e-Offset

フレーム読み出し
7.0 μV/eX-ray Energy (keV)
Takeda et al., IEEE (2013)

トリガ回路周辺の問題の理解 (武田)10

TRIG_OUT
1. デジタル回路からの干渉

Event Assert
Analog Signal

Obtain Signal level“Real” Signal level

X-ray Injection
3. アナログ出力が下がる．

2. 時間差がある．

→ 閾値回路動作中に電源電圧

閾値回路：インバーターチョッパー型
閾値と信号の差が小さいと，流れる電改良

流量が少ない．
→論理反転に時間がかかる．

4μsec

・アナログ・デジタルの電源ラインの分離(AXRPIX1)・閾値回路の変更 (AXRPIX1b)

検出感度 - 空乏層500μm & 裏面照射22keV Ｘ線カウント数

硬X線 = 厚い空乏層
Floating Zone (4kΩcm)

11

軟X線 = 薄い裏面不感層
LBNL “Pizza Process”

500μm

空乏層

V0.5

Matsumura+14 in Prep.

Battaglia+12 NIM-A※同じウェハの別の素子

back_bias

200V
200V
バックバイアス電圧

500μmの完全空乏
目標 (>250μm)は達成済み

0.6±0.2μm (目標 0.1μm)
インプラのパラメータ調整
FZ(p) ケミソープションなど

ピクセル内のQE & CCEの非一様性 (松村)フォトンカウントのビームの入射位置依存性
C02の協力のもと，SPring-­‐8で，XRPIX1b-­‐FZ-­‐FIの素子表面側から10μmφ127ビームを照射し，ピクセル内のレスポンスを一様性を調べた．

8.0 keV、Vback = 200 V、121 position(相対的な)量子効率	  @	  8keV	  (1b-­‐FZ-­‐FI)
30 µm

66 µm

⑪

エネルギースペクトルのビームの入17.7 keV、Vback = 200 V、121 position

スペクトルの非一様性(電荷収集効率)Counts/bin⑪⑩⑩⑨⑨⑧⑧⑦⑥⑤④③②①Counts
8.0 keV ビーム
Vback = 200 V
ピクセル中心Counts100%

80%⑦⑥Counts/bin

Channel [ADU]

8.0 keV ビーム

16%⑤V= 200 V
フォトンカウントのビームの入射位置依存性
back④③8.0 keV、Vback = 200 V、121 position②
30 µm

66 µm

ピクセル境界17.7 keV、Vback = 200 V、121 position①Counts

Channel [ADU]⑪⑪
FI側に不感層．深さ方向に100μm，15μm．
境界では電荷収集効率が下がる．
⑩VBB大=厚空乏層の時に起こる⑩
素子内部の電場の大きさで決まっているCo

空乏層の厚みによる電場方向の予想
空乏層 薄い13

空乏層 厚い 不感領域

中性領域
等電位面
電場の向き

A01, A02, C02が電場がノードに収束させる方法を検討中(複数)14

FY2014の計画 (5/10)
FY2014345678910

1112

12

345

評価
XRPIX3b
CSA付き素子のイベント駆動
AXRPIX1 (6mm□)

プロセス・組み立てP基板対応，

評価

大幅改良
AXRPIX1b (6mm□)
閾値回路の改良，

設計
プロセス・組み立て
評価

AXR1の反映
詳細設計

基礎検討

プロセス・組み立て

AXRPIX2 (18.4mm□)
大型素子レビュー

評価

レビュー

2014.05.10

15まとめ• イベント駆動読み出し型Ｘ線SOIピクセル検出器を開発• 反同時計数による非Ｘ線BGDを2桁下げる• 読み出しノイズ33-(rms)，ΔE=300eV @ 5.9keV (FWHM)
A02班とピクセル回路の改良• 空乏層厚み~500μm，裏面不感層~0.6μm• 量子効率，電荷収集効率の非一様性

原因はほぼ判明，対策中• トリガ読み出しに成功• ゲイン，オフセットの問題

原因はほぼ判明，対策中

A-R-Tec

Analog and RF Technologiesg>ĕĒĐŅŀĩħ

URL: http://www.a-r-tec.
Email: info@a-r-tec.jp