SOI Pixel検出器におけるセンサーおよび回路開発
高エ研, ISAS/JAXAA, 筑波大B, 岡山大C, 大阪大D, 沖電気工業(株)E,東北大F

三好敏喜, 新井康夫, 池上陽一, 海野義信, 坪山透, 寺田進, 羽澄昌史,高力孝, 田内一弥, 池本由希子, 池田博一A,原和彦B, 三宅秀樹B, 河内山真美B, 瀬賀智子B,
石野宏和C, 花垣和則D, 廣瀬穣D, 大野守史E,堀井康之F(SOI検出器開発グループ)
INTPIX2

CNTPIX2

2008年9月23日(火)日本物理学会
山形大学

SBPIX1
1

発表内容
SOI Pixel検出器開発の概要
SOI Pixel 検出器のSpecification (3種類)
SOI Pixel 検出器読み出しシステム 廣瀬（阪大）
各種試験：○ 可視光レーザー試験○テストパルスを用いた動作テスト○ X線照射試験 廣瀬（阪大）○ 放射線損傷試験 瀬賀（筑波大）

2開発の動機
荷電粒子・X線・γ線を高分解能・高感度・高速でエネルギー・時間測定ができるピクセル検出器を独自で開発したい

SOIピクセル検出器の開発
SOI技術とは？
Silicon-on-Insulator – 2枚のSiウエハーの貼り合わせ技術
(厚さ)

Si

40nm

SiO2200nm

（回路部）
低抵抗基板
（センサー部）
高抵抗基板

Si50-350 m

nmos
n+

pmos

荷電粒子
X線
γ線

p+eh

SOIピクセル検出器で期待されること・高速化 （寄生容量が小さい）
n・高分解能化 （bump bonding型
回路・センサー 一体型検出器
pixel検出器と比べて）・多機能化 （回路部に複雑な信号処理回路形成）
・”長寿命” (高い放射線耐性)
・300°の高温環境下でも使用可（宇宙環境での使用） ・低コスト化
3

SOI検出器開発の経緯
2005. 7: 沖電気とSOI ピクセル検出器の開発をスタート
2005.10: 東大VDEC(VLSI Design Education Center)の0.15 m Multi Project Wafer (MPW)ランに同居して試作2006. 3: 最初の試作チップ完成

光や放射線に対する良好な応答を確認＜KEK主催-１回目＞
2006.12: KEK主催の0.15 m MPWラン。国内外の研究所・大学から17設計を集める。
2007. 4 : プロセス終了 2007.4〜動作試験、放射線損傷試験・・・＜KEK主催-２回目＞(‘07. 6 : OKI八王子 0.15 mライン廃止に伴い、宮城OKI - 0.2 mラインへ移行)
2008.1: 第2回目のKEK MPWランを0.2 mプロセスで行なう。
2008. 7 : プロセス終了
2008. 8 : 動作テスト@KEK4

第2回 MPW run@宮城OKI
センサー写真大地震等、いろいろなトラブルはありましたが・・・
７月末 プロセス終了
８月 パッケージングされたチップ受取

INTPIX2

CNTPIX2

KEKにて試験を行っている
３種類のピクセル検出器
1. INTPIX2
2. CNTPIX2
3. SBPIX1SBPIX1

10.2mm51:INTPIX2（積分型ピクセル検出器）
Pixel size
# of pixels
Effective area

20 m x 20 m
128 x 128
2.56 mm x 2.56 mm

回路ブロック図VrstToOn-board
ADC

逆バイアス電圧（n+エッヂリング）6

INTPIX2 pixel layout

P+P+P+P+

Capacitor

配線層を設けない可視光が通過する窓となる
7

2:CNTPIX2（計数型ピクセル検出器）
高強度X線検出用
Pixel size
60 m x 60 m
# of pixels
128 x 128
Effective area
7.68 mm x 7.68 mm# of transistor/chip~1000万エネルギー弁別
Dual
Counter
DiscriChargeAmp

回路ブロック図8

3. SBPIX1
SuperBelle Pixel検出器試験用プロトタイプチップ
Pixel size
60 m x 60 m
# of pixels
48 x 48
Effective area
2.88 mm x 2.88 mm
discri
ヒット遅延回路(~9 s)
Triggerがあると出力(0 or 1)
Preamp回路ブロック図9

SOI Pixel検出器動作試験
1:可視光レーザー照射試験 : 動作確認
赤色レーザー使用 波長 670 nm

1010

可視光レーザー照射試験結果
可視光用マスク使用

INTPIX2

CNTPIX2

2.56 mm

7.68 mm

Vdet=1.5 V, 積算時間 480 ns/pixel

Vdet=1.5V, 積算時間640 ns/pixel※Vdet = 逆バイアス電圧動作を確認・正しいマスクパターン画像を取得
11

SBPIX1 レーザー照射試験結果
50event以上の積算画像

動作を確認・正しいマスクパターン画像を取得
12簡単な応用試験：SOIピクセルカメラ（モノクロ）INTPIX2に手持ちのレンズを装着

動画（白熱灯）小型・軽量・高速カメラの製作も可能

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問題点

I(A)

・LSIプロセスにてマスクエラーあり。一部、p+の上からn+がdopeされる。
I-V curve：ダイオード特性にOhmic成分が含まれる。リーク電流が大きい。
高い電圧がかけられない
Cntpix2-1 Vdet-Vbias
1mA

1.00E-03
8.00E-04
6.00E-04
4.00E-04
2.00E-04
1.00E-19-2.00E-04-4.00E-04-6.00E-04-8.00E-04-1.00E-03

理想的には、電圧0~5VはBreakdown電圧以下で電流は A以下であまり変化しない
00.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

55.5

Vdet-Vbias(V)・CNTPIX2 の画像 --- 左右に強度差がある。
ROWアドレスを選択しているときのみカウンターが動作している。
カウンター自体動作しているかどうか、テストパルスを用いて動作テストを行った。
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テストパルスによるCNTPIX2カウンターテスト
2fCのテストパルス(250kHz)を入力
1pixelの読み出し時間は640nsに設定
全Column(128)の平均カウントからbackgroundを引き、傾きからcount rateを見積もる

Fitting結果 = カウントレート258kHz

入力250kHzとconsistent

カウンターは正しく動作しているようだ カウンターon/off機能に問題アリ
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まとめ
KEK主催の2回目のMPWランが終了。チップの動作試験を開始した。
INTPIX2, CNTPIX2,SBPIX1（積分型、計数型ピクセル検出器,SuperBelle用検出器）

・可視光レーザー照射試験 画像取得・動作確認
・CNTPIX2の読み出し機能に一部不具合ありカウンターは正しく動作している様子

今後の予定
・マスクエラーとCNTPIXの読み出し機能不具合対策を施したチップを試作中（１１月に完成）
・第3回のMPWラン 年末〜来年早々・保有チップを用いて、テストパルス、X線管による基本特性・動作テストを行う
・バグ出しを行い次のMPWランに反映させる

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