令和 3 年度 修士論文

Ｘ線 SOI-CMOS 検出器の大型化に伴う応答劣化の要因分析
宮崎大学 工学研究科 工学専攻 エネルギー系コース

三枝

紀嵐

2022 年 1 月 24 日

2

Abstract
本研究では、Double-SOI 構造を有する大型素子である XRPIX7 を用いて、同構造を有する小型素子 XRPIX6c との比較をおこないながら、大型化に伴う応答劣化の要因分析をおこなった。まず、両素子のアナログ信号、および、分
光性能の測定をおこない、性能劣化の項目を整理し、その度合を定量的に評価した。アナログ信号に関しては、応答速度の遅延、および、制御信号の High/Low の変化に伴う揺らぎが見られた。分光性能に関しては、ゲイン、読出しノイズ、エネルギー分解能の全てが劣化していた。要因分析の結果、アナログ信号については、大型化に伴う配線抵抗の増大が引き起す電圧降下、および、時定数の増大が影響していることがわかった。また、ピクセル数が飛躍的に増加したことで、ピクセル内回路の動作がアナログ信号に及ぼす影響が全体として大きく見えてきたこともわかった。分光性能については、大型化によって Double-SOI 構造の効果が薄れていることが要因の１つであることがわかった。

3

目次

第1章

Introduction

5

1.1

研究背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.2

本研究の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.3

本論文の流れ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

72.1

Ｘ線 SOI-CMOS 検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.2

XRPIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2.1

Double-SOI 構造を持つ大型素子 XRPIX7 と小型素子 XRPIX6c . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2.2

XRPIX の回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112.2.2.1

アナログ回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112.2.2.2

トリガ回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.2.2.3

読み出し回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

XRPIX の読み出し方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.2.3.1

イベント駆動読み出し . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.2.3.2

フレーム読み出し . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

読み出しタイミングチャート . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

第2章

2.2.3

2.2.4
第3章

3.1

3.2

3.3

第4章

4.1

実験システム23

実験機器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.1.1

XRPIX7 の読み出しボード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.1.2

XRPIX6c の読み出しボード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

実験システムのセットアップ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.2.1

性能評価試験のセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.2.2

回路応答評価のセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.2.3

データ読み出しソフト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

解析プロセス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.3.1

xrpixfphgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.3.2

xrpixevlistgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3.3

xrpixspecgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

XRPIX7 の性能評価

33

アナログ信号の評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

4.1.1

読み出しの流れ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

4.1.2

小型素子との比較によるアナログ信号の応答評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.1.3

位置依存性の調査 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

目次

4
4.1.3.1
4.2

第5章

5.1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

分光性能の評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.2.1

完全空乏化電圧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.2.2

性能評価の項目. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.2.3

XRPIX7 の評価結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

4.2.3.1

ゲイン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.2.3.2

読み出しノイズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.2.3.3

エネルギー分解能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

検出器の大型化に伴う応答劣化の要因分析

47

アナログ信号の応答劣化の要因分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47応答速度の遅延と位置依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.1.1.1

VCDS 、VTH の配線の時定数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.1.1.2

ピクセル内の電圧降下 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

制御信号の High/Low の変化に伴うアナログ信号の揺らぎ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

5.1.2.1

グローバルリセットとローカルリセット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

5.1.2.2

アナログ信号の揺らぎの要因分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

露光中におけるアナログ信号の電圧レベルの低下 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

5.1.3.1

露光のタイミング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

5.1.3.2

露光中におけるアナログ信号レベルの低下の要因分析 . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

分光性能劣化の要因分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

イベント駆動読み出しにおけるゲインの低下の要因分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

5.2.1.1

コンパレータの動作がアナログ信号に与える影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

5.2.1.2

中間 Si 層による干渉の抑制効果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

読み出しノイズとエネルギー分解能の劣化の要因分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

5.1.1

5.1.2

5.1.3

5.2

5.2.1

5.2.2
第6章

アナログ信号のセットリング時間の位置依存性

まとめ

参考文献
付録 A

55
57

最適化した制御信号のリセット時間

59

5

第1章

Introduction
1.1 研究背景
我々は次世代Ｘ線天文衛星「FORCE」[1][2] の搭載を目指して、Ｘ線 SOI-CMOS 検出器 XRPIX の開発を行っている。FORCE 搭載に向けてエネルギー分解能や時間分解能といった性能の要求値が設定されており、最新の XRPIX ではそのほとんどを満たしている。しかし、それは評価用に作成した 1.7 mm × 1.7 mm の撮像領域を持つ小型素子に限った話である。FORCE の半導体検出器としては 45 mm × 45 mm の撮像面積が要求されており、これを複数の素子で実現するとしても、一素子のサイズは 20 mm 程度が求められる。この撮像領域を持つ Single-SOI 構造の大型素子の性能評価は先行研究で確認されており、小型素子と比べフレーム読み出しにおいては分光性能の劣化が見られ、イベン
ト駆動読み出しにおいては取得したＸ線スペクトルに問題が見られた [3]。これは SOI 技術によって回路層とセンサ層の物理的距離が近いために起きた問題で、トリガ回路のコンパレータとセンサ層が干渉することに起因していた。この干渉を抑制するため、回路層とセンサ層との間に静電シールドの役割を果たす中間 Si 層を挿入した Double-SOI 構造を導入し、小型素子で干渉が抑制されたことを確認した [4]。今回、 Double-SOI 構造を有する大型素子である XRPIX7を新たに開発した。しかし、XRPIX7 においても初期動作の段階において、小型素子よりも回路応答や分光性能が劣化している傾向が見られている。

1.2 本研究の目的
本研究では初期動作の段階において大型化により劣化の傾向が見られる問題を受け、Double-SOI 構造を持つ小型素子である XRPIX6c と大型素子である XRPIX7 を比較をすることで、XRPIX7 の性能評価を行う。また、性能評価で確認された大型化に伴う応答劣化の要因分析を行うことを目的とする。

1.3 本論文の流れ
本論文では第 2 章でＸ線 SOI-CMOS 検出器について述べ、第 3 章で実験に使用したセットアップについて述べる。
第 4 章ではアナログ信号と分光性能の 2 点から大型化による応答劣化の現状を述べ、第 5 章で応答劣化の要因分析を述べる。最後の第 6 章で本論文のまとめを述べる。

7

第2章

Ｘ線 SOI-CMOS 検出器
本章では、Ｘ線 SOI-CMOS 検出器の特徴について説明し、我々が開発しているＸ線 SOI-CMOS 検出器である

XRPIX の概要を述べる。なお、この章は松村 (2015) 京都大学修士論文 [5]、林 (2018) 京都大学修士論文 [3] を参考にした。

2.1 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

図 2.1: XRPIX の構造

図 2.1 に我々が開発中のＸ線 SOI-CMOS 検出器である XRPIX の構造を示す。XRPIX は Silicon-On-Insulator(SOI) 技術を用いることで SiO2 の絶縁層を挟んで、高比抵抗 Si のセンサ層と低比抵抗 Si の回路層を一体化している。
SOI の利点として以下の点が挙げられる。
• 厚い空乏層を形成可能
空乏層の厚みは比抵抗の大きさとバックバイアス電圧に依存する。センサ層に高比抵抗の Si を用いたことに加え、センサ層と回路層が分離されていることで高バックバイアス電圧を印加することが可能であるため、厚い空乏層が形成可能である。

• 回路の高速化

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

8

バンプ接続による寄生容量が生じないことに加え、個々のトランジスタが絶縁されることで回路の寄生容量が小さくなるため、回路の高速化が可能である。
また、センサ層のセンスノード近傍に電位を固定する目的で Buried N-Well(BNW) を配置している。この BNW により、高バックバイアス電圧を印加した場合でもバックゲート効果を抑制できる。

2.2 XRPIX
2.2.1 Double-SOI 構造を持つ大型素子 XRPIX7 と小型素子 XRPIX6c

図 2.2: 歴代の XRPIX シリーズ

図 2.2 にこれまで開発した XRPIX の一覧を示す。高エネルギー加速器研究機構 (KEK) と京都大学が 2010 年に

XRPIX の最初のプロトタイプである XRPIX1 を開発したことに始まった。2013 年から宮崎大学も開発に参加し、東京理科大学、静岡大学などと共に XRPIX の改良に取り組んでいる。以下、本研究で用いた XRPIX6c と XRPIX7 の仕様について説明する。

2.2 XRPIX

9

図 2.3: XRPIX6c のチップ写真 (左) と XRPIX7 のチップ写真 (右)。サイズ比を揃えて表示している。

図 2.3 に XRPIX6c のチップ写真 (左) と XRPIX7 のチップ写真 (右) を示す。この 2 素子のサイズ比を揃えて示している。XRPIX6c は XRPIX シリーズ 12 番目の素子である。Double-SOI 構造を持ち、チップサイズは 4.45 mm

× 4.45 mm である。ピクセルサイズは 36 µm 角、ピクセル数は 48 ピクセル × 48 ピクセル (∼2k) である。また、
XRPIX7 は XRPIX シリーズ 13 番目の素子である。Double-SOI 構造を持ち、チップサイズは 24.6 mm × 15.3 mm
で XRPIX6c の大型素子である。ピクセルサイズは 36 µm 角、ピクセル数は 608 ピクセル × 384 ピクセル (∼233k)である。

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

10

図 2.4: Single-SOI 構造 (a) と Double-SOI 構造 (b)

図 2.4 に Single-SOI 構造 (a) と Double-SOI 構造 (b) を示す。この 2 つの構造の最大の違いは絶縁層に新たに挿入した Si 層 (中間 Si 層) である。先行研究により Single-SOI 構造では、回路層と BNW との間に容量結合が存在し、これによってトリガ回路のコンパレータがアナログ信号と干渉を起こして性能の劣化につながっていた [6]。そこで容量結合による干渉を抑制する目的で、絶縁層に中間 Si 層を挿入した Double-SOI 構造が開発された。中間 Si 層の電位を固定し、静電シールドとして働かせることで干渉の原因となっている回路層と BNW 間の容量結合を抑え、干渉の抑制が可能となる [7]。なお、Double-SOI 構造によってコンパレータによるアナログ信号への干渉が抑えられていることは先行研究で確認されている [4]。

2.2 XRPIX

11

2.2.2 XRPIX の回路

図 2.5: XRPIX のアナログ信号処理回路。青い線がアナログ信号の出力経路で、赤い線がトリガ信号の出力経路。

図 2.5 に XRPIX のアナログ信号処理回路を示す。XRPIX のアナログ信号処理回路は、ピクセル内回路と読み出し回路に分けられ、ピクセル内回路は更にアナログ回路とトリガ回路に分けられる。以下、この 3 回路についての詳細を示す。

2.2.2.1

アナログ回路アナログ回路とは、Ｘ線の入射によって生成された電荷を電圧に変換し、後段の読み出し回路へ伝達する回路である。一連の流れとしては、センサ層で発生した電荷をセンスノードで収集し、Charge Sensitive Ampliﬁer (CSA) 回路
で電圧に変換して増幅させる。その後、Correlated Double Sampling (CDS) 回路を通り、バッファーの役割を果たす

Source Follower (SF) 回路を経て、後段の読み出し回路へ伝達する。以下、各回路について説明を行い、その後アナログ回路の制御方法について説明を行う。

• CSA 回路

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

12

図 2.6: CSA 回路の回路図

図 2.6 に CSA 回路の回路図を示す。CSA 回路はソース接地増幅回路にフィードバックキャパシタを入れた回路である。CSA 回路を実装したことで、Ｘ線による信号を初段のアンプで増幅するため、後段の回路によるノイズの影響を抑制できる。ここでＸ線による電荷 Q が生じたとすると、センサの容量 Csen とフィードバックキャパ
シタの容量 Cf の間では電荷が保存されるため、入力電圧 Vsig は CSA 回路の増幅率 ACSA を用いて、Vsig =

Q
Csen + (ACSA + 1)Cf

(2.1)

と表せる。よって出力電圧 Vout は、Vout = −ACSA Vsig =Q
1C+(1 + ACSA)CfACSA sen1(2.2)と表せ、入力電圧が反転増幅されて出力されていることが分かる。また、ACSA が十分大きい理想的な場合を考えると、Vout =

Q
Cf

(2.3)

と表せる。よって CSA 回路の増幅率は、センサ層の容量には依存せず、フィードバックキャパシタの容量によってのみ決まる。

• CDS 回路CDS 回路は、ピクセルのリセットのタイミングで生じる kT /C ノイズを抑制するために導入した回路である。
S/N 比を上げるには容量を大きくすることが考えられるが、高ゲイン低ノイズを達成するためには容量を小さくすることが求められる。CDS 回路を導入することで、前段で発生する kT /C ノイズの容量を CDS 回路の容量

CCDS を用いて kT /CCDS と置き換えることでノイズを低減している。
• SF 回路

2.2 XRPIX

13

図 2.7: SF 回路の回路図

図 2.7 に SF 回路の回路図を示す。SF 回路は、バッファーとして導入した回路である。ドレインを接地し、電圧の入力がゲート、電圧の出力がソースである。出力電圧 Vout は、入力電圧 Vin 、MOSFET の相互コンダクタン
ス gm 、実効的な出力抵抗 Reﬀ を用いて、Vout = gm (Vin − Vout )Reﬀ

(2.4)

Vout
gm Reﬀ=
Vin
1 + gm Reﬀ(2.5)と表せる。SF 回路の増幅率 ASF は、ASF =と表せる。ここで、gm Reﬀ が十分に大きい場合、SF 回路の増幅率が 1 になる。この時、入力電圧と出力電圧間で電圧が保持されながら動作する。しかし実際には、Vout = Vin + VSF とオフセットが乗って出力される。

• 制御方法図 2.8: RST PD、RST CDS を ON にした回路の動作(i) RST PD、RST CDS を ON にして赤の電位を CSA のリセット電圧 VRST CSA 、緑の電位を VCDS に固定する。
マゼンタの点には、SF のオフセット VSF が加算される

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

14

図 2.9: RST PD を OFF にした回路の動作(ii) RST PD を OFF にする。このとき kT /C ノイズ (VN1 ) が赤と青に加算される。マゼンタの領域は RST CDS
が ON になっているためノイズは伝わらない。

図 2.10: RST CDS を OFF にした回路の動作(iii) RST CDS を OFF にする。 このとき kT /C ノイズ (VN2 ) が緑に加算される。

2.2 XRPIX

15

図 2.11: Ｘ線による信号 VSIG が入力した回路の動作(iv) Ｘ線による信号 VSIG が入力されると、CDS の容量にかかる電圧を保持するように回路全体の電圧が変化する。
最終的に取り出す電圧は CDS のリセット電圧との差動を取るので、(VCDS + VSF + VN2 − VSIG × ACSA ) − (VCDS + VSF ) = (VN2 − VSIG × ACSA )(2.6)と表せる。このとき CDS 回路により、センサ容量に依存する kT /C ノイズ VN1 が CDS の容量に依存する VN2 へ置き換わっている。以上の制御方法でＸ線による信号を増幅し、後段の回路へと伝えている。

2.2.2.2

トリガ回路

トリガ回路とは、閾値電圧を超える出力があった際にトリガ信号を出力する回路である。各ピクセルにコンパレータを取り入れることでトリガ出力機能を持たせており、コンパレータには 2 つの反転増幅器からなるインバータチョッパ
型を用いている。以下、トリガ回路の制御方法の説明を示す。

図 2.12: RST VTH、RST COMP1、RST COMP2 を ON、RST CDS を OFF にした回路の動作(i) RST VTH、RST COMP1、RST COMP2 を ON、RST CDS を OFF にしてコンパレータのリセットを行う。
青、緑の電位は 1 つ目のコンパレータの動作電圧 VRST COMP1 になり、マゼンタ、シアンの電位は 2 つ目のコン
パレータの動作電圧 VRST COMP2 になる。

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

16

図 2.13: RST VTH、RST COMP1 を OFF にした回路の動作(ii) RST VTH、RST COMP1 を OFF にする。RST COMP1 を OFF にすることでリセットノイズ VN1 が発生する。よって、コンパレータ 1 の後段にあたる緑の電位は、コンパレータ 1 の増幅率 A1 を用いて VN1 × A1 が加算される。

図 2.14: RST COMP2 を OFF にした回路の動作(iii) RST COMP2 を OFF にする。COMP Cap.2 によってリセットノイズ VN1 がキャンセルされ、新しくリセッ
トノイズ VN2 が発生する。よって、マゼンタの電位には VN2 が加算され、黃の電位にはコンパレータ 2 の増幅率

A2 を用いて VN2 × A2 が加算される。

図 2.15: RST CDS を ON にした回路の動作

2.2 XRPIX

17(iv) RST CDS を ON にする。このとき、入力電圧は VCDS となる。COMP Cap.1 に集められた電荷は逃げ場がな
く、COMP Cap.1 の両側の電圧差が保持されるため、青の電位には −(VTH − VCDS ) が加算される。また、出力側の黃の電位は、VRST COMP2 + VN2 × A2 − (VTH − VCDS ) × A1 × A2

(2.7)

となる。このとき、A1 = A2 が十分大きいとき、−(VTH − VCDS ) × A1 × A2

(2.8)

となり、この VTH − VCDS が基準の電圧となる。

図 2.16: VSIG が入射した回路の動作(v) Ｘ線による信号 VSIG が入力されると、CDS の容量 CCDS の電圧差は保持されるため、入力電圧は VCDS + VSIGとなり、黃の電位は [VSIG − (VTH − VCDS )] × A1 × A2 となる。ここで、VSIG > VTH − VCDS

(2.9)

が成り立つとき、閾値電圧を超えたとしてトリガ信号が出力される。また、本論文ではこの閾値電圧を ∆VTH と表記する。

2.2.2.3

読み出し回路

読み出し回路とは、各ピクセル回路から伝達されたアナログ信号を順番に読み出す回路である。各列に搭載したカラムアンプで信号の増幅を行い、サンプルホールドキャパシタ (S/H Cap.) に一旦電圧を蓄積し、差動で読み出す。差動出力にすることで、コモンモードノイズの影響を抑制できるアナログ出力となる。また、各ピクセルの信号レベルとリ
セットレベルの差を取って出力するため、各ピクセルのアンプのオフセットのばらつきを取り除くことができる。以下、読み出し回路の制御方法の詳細を示す。

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

18

図 2.17: ϕR 、ϕSS を ON、ϕSR を OFF にし、ROW READ と COL READ を ON にした回路の動作(i) ϕR 、ϕSS を ON、ϕSR を OFF にし、読み出すピクセルの Row と Column を指定して ROW READ とCOL READ を ON にする。ピクセルにＸ線による信号 VSIG が入力されている場合、各点の電位は図 2.17 中に示した電位になる。カラムアンプの入力端子はバーチャルショートにより常に VCOM の電位になろうとするため

CSIG に VCOM の電圧を保持する。

図 2.18: ϕSS 、ϕR を OFF、ϕSR を ON にし、RST CDS を ON にした回路の動作(ii) ϕSS 、ϕR を OFF、ϕSR を ON にし、指定したピクセルの RST CDS を ON にする。ピクセルのリセットが行
われ、各点の電位は図 2.18 中に示した電位になる。CPED の電位は、C1 と C2 間で電荷が保存され、それに追随するように後段の電位が変化するため、

VCOM − VSIG × ACSA ×

C1
C2

となる。

図 2.19: ϕRR を ON にした回路の動作(iii) ϕRR を ON にする。Output Buﬀer のリセットが行われ、緑の電位となる。

(2.10)

2.2 XRPIX

19

図 2.20: ϕRR を OFF、ϕH を ON にした回路の動作(iv) ϕRR を OFF、ϕH を ON にする。S/H Cap. に保持していた電圧差が読み出される。このときの電圧差は、
VSIG × ACSA ×

C1
C2(2.11)となる。この C1 、C2 は Programmable Gain Ampliﬁer (PGA) 回路を用いることで調整できる。本研究では

C1 = C2 として用いているため、Ｘ線による信号 VSIG は各ピクセルの CSA によって増幅して出力されることになる。また、CSA で反転増幅した信号をカラムアンプでも反転増幅させるため、最終的な出力は信号と同じ方向に電圧が振れる。

2.2.3 XRPIX の読み出し方法
2.2.3.1

イベント駆動読み出し

イベント駆動読み出しとは、Ｘ線による出力を検出したタイミングで、検出したピクセルのみを読み出す方法である。

XRPIX は各ピクセルにコンパレータ回路を取り入れることでトリガ出力機能を実装している。あらかじめ設定した閾
値電圧を超える出力があった場合、そのピクセルにＸ線が入射したと判断され、トリガ信号が出力される。これにより検出したタイミングで、検出したピクセルのみを読み出すことが可能となる。この読み出し方法は各ピクセルにトリガ
出力機能を搭載している XRPIX 特有の読み出し方法であり、高時間分解能を達成することが出来る。そのため、実際の衛星に搭載された際にはイベント駆動読み出しを用いる。以下にイベント駆動読み出しのプロセスを示す。

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

20

図 2.21: イベント駆動読み出しの読み出しのプロセス概念図 [6]図 2.21 にイベント駆動読み出しの読み出しのプロセス概念図を示す。

(i) あるピクセルにＸ線が入射し電荷が発生、ノードで収集され電圧に変換(ii) 閾値電圧を超えた場合 Row、Column 方向にトリガ信号 (TRIG OUT ROW、TRIG OUT COL) が出力(iii) 全ピクセルのトリガ信号の OR を FPGA に出力(iv) Ｘ線が入射した際の時間情報やピクセルの情報 (単一ピクセルか複数ピクセルか) を出力(v) Ｘ線が入射したピクセルの座標情報を出力(vi) FPGA 内でＸ線によるイベントと判定した場合、入射ピクセルのアナログ信号を出力(vii) 出力されたアナログ信号を Analog to Digital Converter (ADC) で AD 変換し、FPGA 内で一時的に保存(viii) データをネットワーク経由で PC へ出力
なお、現在のオペレーションではトリガ信号の出力のあったピクセルのみでなく、その周囲 8 ピクセル × 8 ピクセルも同時に読み出している。これは発生した電荷が複数ピクセルにまたがるイベントを補正するためである。

2.2.3.2

フレーム読み出し

フレーム読み出しとは、指定した範囲内のピクセルを一定時間露光後に読み出す方法である。フレーム読み出しの主な用途は素子の基本性能の評価である。イベント駆動読み出しの場合、イベントごとの露光時間がイベントごとに異なるという点から性能評価には向かない。そのため、新規素子の基本性能を評価する際にはフレーム読み出しを使用する。

2.2 XRPIX

21

2.2.4 読み出しタイミングチャート

図 2.22: ピクセルのリセットの際のタイミングチャート [3]

図 2.23: トリガ出力の際のタイミングチャート [3]22

第 2 章 Ｘ線 SOI-CMOS 検出器

図 2.24: アナログ信号読み出しの際のタイミングチャート [3]

図 2.22 にピクセルのリセットの際のタイミングチャートを、図 2.23 にトリガ出力の際のタイミングチャートを、図2.24 にアナログ信号読み出しの際のタイミングチャートを示す。イベント駆動読み出しの場合、ピクセルリセット → トリガ出力 → アナログ信号読み出し (図 2.22 → 図 2.23 → 図 2.24) の順番で進む。フレーム読み出しの場合、トリガ出
力機能を用いないためピクセルリセット → アナログ信号読み出し (図 2.22 → 図 2.24) と進む。

23

第3章

実験システム
本章では、本研究で用いた XRPIX7 と XRPIX6c の実験セットアップとデータの読み出し方法を述べる。本論文では素子の大型化による影響の調査を目的とするため、小型素子の XRPIX6c とその大型版である XRPIX7 を用いている。

3.1 実験機器
3.1.1 XRPIX7 の読み出しボード

図 3.1: XRPIX7 の読み出しボードの写真

図 3.1 に XRPIX7 の読み出しボードの写真を示す。読み出しボードには素子によらない共通のメインボードである

Soi EvAluation BoArd with Sitcp (SEABAS) ボードと、素子によって異なる Sub ボード、Chip ボードがある。これらのボードを接続することにより、素子の動作制御や外部とのデータ入出力を行っている。以下、各ボードの詳細を示す。

• SEABAS ボード
SEABAS ボードには素子制御用の USER FPGA と、データ転送用の SiTCP FPGA の 2 つの FPGA が搭載されている。USER FPGA の Firmware を書き換え、FPGA 内のデジタル回路を組み替えることで素子に応じ

第 3 章 実験システム

24

た制御を行うことができる。SiTCP FPGA は USER FPGA から送られた出力信号を Ethernet で転送できる形式に変換することができる。また、ADC も搭載されているため、受け取った信号を AD 変換できる。

• Sub ボードXRPIX7 用の Sub ボードは Chip ボードを装着するためのソケット、SEABAS ボードに接続するための端子が搭載されている。SEABAS ボードと Chip ボードとの間で信号をつなぐ役割を果たし、SEABAS ボードとChip ボード間で信号の橋渡しの役割を持っている。
• Chip ボード
Chip ボードには、計装アンプである INA103 を搭載されている。この INA103 で素子からの差動で読み出された出力信号を受け取り、増幅した後に ADC まで転送する。また、Chip ボードは大面積の素子特有のボードであり、素子が直接ボードに実装されている。

3.1.2 XRPIX6c の読み出しボード

図 3.2: XRPIX6c の読み出しボードの写真

図 3.2 に XRPIX6c の読み出しボードの写真を示す。

• Sub ボードXRPIX6c 用の Sub ボードには ADC、DAC、計装アンプである INA103 が搭載されている。

3.2 実験システムのセットアップ

25

3.2 実験システムのセットアップ
3.2.1 性能評価試験のセットアップ

図 3.3: 実験システムのセットアップ写真

図 3.4: 恒温槽内の読み出しボードのセットアップ写真

図 3.3 に実験システムのセットアップ写真を、図 3.4 恒温槽内の読み出しボードのセットアップ写真を示す。以下、各装置についての詳細を示す。

• 恒温槽
恒温槽は素子と読み出しボードを冷却する目的で使用した。恒温槽は内部を −60◦ C から 150◦ C の範囲を 0.1◦ C
刻みで一定に保つことが可能である。使用した恒温槽はエスペック社の SU-662 である。

• 直流安定化電源
直流安定化電源は読み出しボードに電源を供給する目的で使用した。使用した直流安定化電源は TEXIO のPW18-1.8Q、PW18-1.3ATS である。
• ソースメータ
ソースメータは素子にバックバイアス電圧を印加する目的で使用した。使用したソースメータは KEITHLEY の2410 である。

第 3 章 実験システム

26

3.2.2 回路応答評価のセットアップ

図 3.5: 回路応答評価のセットアップ写真

図 3.5 に回路応答評価のセットアップ写真を示す。性能評価試験のセットアップにオシロスコープを追加で接続した。
直流安定化電源、ソースメータは性能評価試験で使用したものと同型のものを使用している。また、回路応答評価に際して新たに Firmware を作成した。以下、オシロスコープと回路応答評価用の Firmware の詳細を示す。

• オシロスコープ
オシロスコープは素子からのアナログ信号や制御信号を観測する目的で使用した。レモケーブルを介して素子からのアナログ信号を、プローブを介して制御信号をオシロスコープ上に表示している。使用したオシロスコープ
は Tektronix の MSO2024B である。

• 回路応答評価用の Firmware

図 3.6: 回路応答評価用の Firmware の変更点

図 3.6 に回路応答評価用の Firmware の各制御を示す。性能評価試験で使用したイベント駆動読み出しのFirmware ではピクセルのアナログ信号を直接オシロスコープ上に表示することができない。そこで一部のス
イッチの動作を変更することで経路を固定し、指定した 1 ピクセルのみを常にオシロスコープに表示するように

3.3 解析プロセス

27

Firmware を変更した。各制御信号のタイミングは図 2.24 と共通である。

3.2.3 データ読み出しソフト
データの読み出しには Data AcQuisition (DAQ) ソフトウェアを使用した。DAQ ソフトウェアは露光時間や取得フレーム数などのデータ取得に関するパラメータの設定と、取得したデータをファイルに保存する役割を持つソフトウェ
アである。以下、 DAQ ソフトウェアを使用したデータ取得の流れを説明する。

• para.txt に素子の制御パラメータの設定、mask.txt にマスクをかけるピクセルの設定を行う。
• DAQ ソフトウェアを立ち上げ、データ取得を開始する• 素子から出力されたデータを ADC がアナログ信号からデジタル信号に変換する• デジタル信号を SiTCP FPGA が Ethernet で転送できる形式に変換し、PC に転送する

3.3 解析プロセス
本節では、素子から出力された生データの解析プロセスについて説明する。解析プロセスは使用したソフトウェアの名称を用いて xrpixfphgen、xrpixevlistgen、xrpixspecgen の 3 つの項目に分けられる。以下、各項目での解析プロセスについての詳細を示す。

第 3 章 実験システム

28

3.3.1 xrpixfphgen• ペデスタルの算出
素子からの出力信号には、ペデスタルと呼ばれる暗電流等に起因する一定の出力も含まれる。Ｘ線のエネルギーに相当する波高値を求める際にはペデスタルの補正を行う必要がある。ペデスタルの計算方法は各読み出しの性
質上、フレーム読み出しとイベント駆動読み出しで算出方法が異なる。

– フレーム読み出しにおけるペデスタルの算出方法

図 3.7: 生波高値のヒストグラム。横軸が波高値、縦軸が

図 3.8: ペデスタル補正後の波高値のヒストグラム。横軸

カウント数。

が波高値、縦軸がカウント数。

図 3.7 に生データのヒストグラムを、図 3.8 にペデスタル補正後のヒストグラムを示す。フレーム読み出し
では現フレームを含めた前後 50 フレームの平均値をペデスタルと定義し、各ピクセルごとに算出している。

101 フレームの平均値を取ることでペデスタルの時間変動を、各ピクセルで算出することで各ピクセルのばらつきを補正することができる。ここでペデスタルのピークの幅はノイズ成分を直に表していると考えられる。そこでペデスタルのピークをガウシアンでフィットし、そのときの標準偏差 σ を読み出しノイズと定義する。

– イベント駆動読み出しのおけるペデスタルの算出方法
イベント駆動読み出しでは 8 ピクセル × 8 ピクセルの中央値をペデスタルと定義している。フレーム読み出しと異なり、イベントごとに読み出すピクセルが異なるためこの方法を採用している。しかし、この方法では各ピクセルのペデスタルのばらつきを補正出来ていないため、イベント駆動読み出しにおける解析方法の改善は今後の課題である。
以降の解析プロセスはフレーム読み出しとイベント駆動読み出しで共通である。

• bad frame の選定
各フレームごとに波高値の平均値を算出する。算出した値からフレーム間の平均と標準偏差 σ を求め、3σ 以上離れたフレームは bad frame として以降の解析に含めないようにする。

• 解析結果の出力

3.3 解析プロセス29

図 3.9: xrpixfphgen で得られた解析結果

図 3.9 に xrpixfphgen で得られた解析結果を示す。

(a) 全ピクセルの生波高値のヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(b) 全ピクセルの生波高値の 2D ヒストグラム。横軸が CA 座標、縦軸が RA 座標。
(c) 全ピクセルのライトカーブ。横軸がフレーム数、縦軸が波高値。赤線は 101 フレームごとの平均。
(d) ペデスタル補正後の波高値のヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウント数。

3.3.2 xrpixevlistgen• イベントの検出あるピクセルの波高値が設定したイベント閾値を超え、周囲 8 ピクセルの波高値よりも高い場合、Ｘ線によるイベントと判定する。なお、イベント閾値は読み出しノイズの 10 倍と設定した。

• イベントセレクション

第 3 章 実験システム30

図 3.10: イベントセレクションの概念図

図 3.10 にイベントセレクションの概念図を示す。Ｘ線により発生した電荷はセンスノードに回収されるまでの過程で広がりを持ち、複数のピクセルに分かれて収集されることがある。そこでスプリット閾値を設定し、イベントの発生したピクセルの周囲 8 ピクセルの波高値がスプリット閾値を超えた場合にマルチピクセルイベントと判定する。なお、マルチピクセルイベントはスプリット閾値を超えたピクセルの数に応じてダブルピクセルイベン
ト、トリプルピクセルイベント、クアドラプルピクセルイベントと分けられる。また、Ｘ線により発生した電荷は円状に広がることを考慮し、スプリット閾値を超えたとしてもマルチピクセルイベントと判定しない場合もある。

• 解析結果の出力

図 3.11: xrpixevlistgen で得られた解析結果

3.3 解析プロセス31

図 3.11 に xrpixevlistgen で得られた解析結果を示す。

(a) 除いたバッドピクセルのマップ。横軸が CA、縦軸が RA。
(b) 全イベントカウントマップ。横軸が CA 座標、縦軸が RA 座標。
(c) ペデスタル補正後の波高値のヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(d) バッドピクセルを除いたペデスタル補正後の波高値のヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(e) シングルイベントのカウントマップ。横軸が CA 座標、縦軸が RA 座標。
(f) ダブルピクセルイベントのカウントマップ。横軸が CA 座標、縦軸が RA 座標。
(g) トリプルピクセルイベントのカウントマップ。横軸が CA 座標、縦軸が RA 座標。
(h) クアドラプルピクセルイベントのカウントマップ。横軸が CA 座標、縦軸が RA 座標。

3.3.3 xrpixspecgen• 解析結果の出力

図 3.12: xrpixspecgen で得られた解析結果

図 3.12 に xrpixspecgen で得られた解析結果を示す。

(a) シングルピクセルイベントのスペクトル。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(b) ダブルピクセルイベントのスペクトル。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(c) トリプルピクセルイベントのスペクトル。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(d) クアドラプルクセルイベントのスペクトル。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(e) クインタプルピクセルイベントのスペクトル。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(f) 全イベントのスペクトル。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(g) 各イベントパターンのスペクトルの重ね書き。横軸が波高値、縦軸がカウント数。
(h) 全イベントパターンのカウント数。横軸がイベントパターン、縦軸がカウント数。

33

第4章

XRPIX7 の性能評価
本章では XRPPIX7 の性能評価として、アナログ信号の評価と分光性能の評価について述べる。

4.1 アナログ信号の評価
XRPIX7 の性能評価として最初に素子の回路の応答評価を行う。アナログ信号と各制御信号の波形をオシロスコー
プに出力させ評価することで、大型化による性能の変化の調査を行うことを目的とする。本節では最初に XRPIX7 とXRPIX6c のアナログ信号の比較を行い、大型化により生じたと考えられる問題点を列挙する。また実験条件は常温、
Vbb = −20 V、VTH = 500 mV、VCDS = 400 mV の条件で測定を行った。

4.1.1 読み出しの流れ
最初にオシロスコープに表示した画像を使用し、イベント駆動読み出しの流れを説明する。また、詳しい読み出しの流れは 2.2.2.2 節に記載している。

図 4.1: XRPIX6c におけるアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTHを表す。

図 4.1 に XRPIX6c におけるアナログ信号*1 と各制御信号を示す。AOUT S は素子のアナログ信号を表し、RST PD
はセンスノードのリセット信号を、RST CDS は CDS 回路のリセット信号を、RST VTH がトリガ回路のリセット信*1 小型素子では一定周期で振動し、太く見える

第4章

34

XRPIX7 の性能評価号を表す。横軸は 1 マスあたり 20 µsec で、縦軸は 1 マスあたり AOUT S のみ 100 mV で、3 つの制御信号は 5 Vで統一している。また、図 4.1 はＸ線未入射時を表している。読み出しは以下の手順で行われる。なお、以下の番号は図中と対応させている。

(1) Reset COMP
読み出し開始時に RST PD と RST VTH 、オシロスコープ上には表示していないが、2 つのコンパレータのリセット信号である RST COMP1 と RST COMP2 を High にすることで回路のリセットを行う。リセットを行うことでアナログ信号の電圧レベルが紫の破線で示したコンパレータのリセット電圧 VCOMP になる。

(2) Reset CDS
コンパレータのリセット後、RST CDS が High にすることで 閾値電圧に相当する VTH − VCDS がアナログ信号の電圧に足し合わされる。本実験では VTH = 500 mV、VCDS = 400 mV に設定しており、オシロスコープ
上に表示している AOUT S はアンプによっておよそ 2 倍に増幅されるため、およそ 200 mV 電圧が上昇する。

(3) Exposure閾値電圧を設定後、RST CDS が Low になることで露光を開始する。RST CDS が Low になることで電圧レベルが変化していることがわかったが、本論文では調査を行っていない。最大の露光時間はあらかじめ設定しており、本実験では 100 µsec に設定している。図 4.1 はＸ線未入射時を表示しているため、100 µsec の露光の後、再びコンパレータのリセットが行われていることがわかる。露光時間中にＸ線が入射した場合、Ｘ線のエネルギーに相当する電圧分アナログ信号の電圧レベルが減少する。その後、Ｘ線の入射があったピクセルを中心に 8 ピク
セル × 8 ピクセルの読み出しを行う。
以上を踏まえ、XRPIX7 のアナログ信号の評価を行う。

4.1.2 小型素子との比較によるアナログ信号の応答評価

図 4.2: XRPIX6c におけるアナログ信号と各制御信号。

図 4.3: XRPIX7 におけるアナログ信号と各制御信号。青青が AOUT S、赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼン

が AOUT S、赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼンタ

タが RST VTH を表す。

が RST VTH を表す。

図 4.2 に XRPIX6c におけるアナログ信号と各制御信号を、図 4.3 に XRPIX7 におけるアナログ信号と各制御信号を示す。この図 4.2、4.3 より XRPIX7 では以下 3 つの問題が生じていることがわかる。なお、この以下に示す問題の番号は図中にも対応させている。

(i) 応答速度の遅延

4.1 アナログ信号の評価

35

図 4.4: XRPIX6c の RST CDS 期間 におけるアナログ

図 4.5: XRPIX7 の RST CDS 期間におけるアナログ信信号と各制御信号。青が AOUT S、赤が RST PD、緑が号と各制御信号。青が AOUT S、赤が RST PD、緑がRST CDS、マゼンタが RST VTH を表す。

RST CDS、マゼンタが RST VTH を表す。

図 4.4 に XRPIX6c の RST CDS 期間におけるアナログ信号と各制御信号を、図 4.5 に XRPIX7 の RST CDS
期間におけるアナログ信号と各制御信号を示す。図 4.4、4.5 より RST CDS が High になってから信号が安定するまでに XRPIX6c がおよそ 2 µsec に対し、XRPIX7 ではおよそ 24 µsec 必要であることがわかった。リセッ
トは 1 イベントごとに行われるため、全体として大きな遅延に繋がると考えられる。

(ii) 制御信号の High/Low の変化に伴うアナログ信号の揺らぎ

図 4.6: XRPIX6c の RST PD が Low から RST CDS

図 4.7: XRPIX7 の RST PD が Low から RST CDS がが Low の期間におけるアナログ信号と各制御信号。青がLow までの期間におけるアナログ信号と各制御信号。青

AOUT S、赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼンタがが AOUT S、赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼンタ

RST VTH を表す。

が RST VTH を表す。

図 4.6 に XRPIX6c の RST PD が Low から RST CDS が Low までの期間におけるアナログ信号と各制御信号を、図 4.7 に XRPIX7 の RST PD が Low から RST CDS が Low までの期間におけるアナログ信号と各制
御信号を示す。図 4.6、4.7 より XRPIX7 のみ RST PD と RST CDS が Low になるタイミングでアナログ信号が瞬間的に揺らいでいることがわかる。この揺らぎによって信号が安定するまでに余分に時間が必要となり、(i) のような応答速度の遅延にも繋がると考えられる。また、XRPIX7 では電圧レベルが低下していることがわ
かる。

(iii) 露光中におけるアナログ信号の電圧レベルの低下

第4章

36

XRPIX7 の性能評価

図 4.8: XRPIX6c の露光中におけるアナログ信号と各制

図 4.9: XRPIX7 の露光中におけるアナログ信号と各制御

御信号。青が AOUT S、赤が RST PD、緑が RST CDS、信号。青が AOUT S、赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を表す。

マゼンタが RST VTH を表す。

図 4.8 に XRPIX6c の露光中におけるアナログ信号と各制御信号を、図 4.9 に XRPIX7 の露光中におけるアナログ信号と各制御信号を示す。図 4.8、4.9 より XRPIX7 では、露光中にアナログ信号レベルが時間経過により低下していることがわかった。これは露光始めと露光終わりでダイナミックレンジが狭まっていると考えられる
ため、検出器として無視できない問題である。

4.1.3 位置依存性の調査
XRPIX7 は大型の素子であるため、手前側のピクセルと奥側のピクセルでリセットのために電圧を供給する配線の長さが大きく異なる。
そこでオシロスコープを用いてアナログ信号を観測し、XRPIX7 の位置依存性の調査を行った。

図 4.10: データ取得を行った領域の概念図

図 4.10 に今回データ取得を行った領域の概念図を示す。XRPIX7 では図 4.10 中の黄色線で示したように素子の下部から上部に向かってピクセルアレイの左右に配線を引いており、そこから各ピクセルに這わせるように配線している。
そのため RA 方向には大きくなるほど、CA 方向には中心に近づくほど配線が長くなる。図 4.10 中の青色の領域が配線の長いピクセルを、水色と黄色の領域が配線の短いピクセルを簡易的に示している。本実験では配線の長さを考慮し、
図 4.10 中の色の着いた 9 領域でデータ取得を行った。9 領域取得することで、RA 方向のみの依存性と CA 方向のみの依存性を調査することが可能となる。

4.1 アナログ信号の評価

4.1.3.137

アナログ信号のセットリング時間の位置依存性

以下、位置依存性の調査により見つかった 2 つの問題について述べる。

(iv) RST VTH 中のセットリング時間の位置依存性(a) (RA, CA) = (600, 8)(b) (RA, CA) = (600, 192)(c) (RA, CA) = (600, 368)(d) (RA, CA) = (300, 8)(e) (RA, CA) = (300, 192)(f) (RA, CA) = (300, 368)(g) (RA, CA) = (8, 8)(h) (RA, CA) = (8, 192)(i) (RA, CA) = (8, 368)

図 4.11: 各読み出し領域で取得した XRPIX7 の RST VTH 期間におけるアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、
赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を表す。

図 4.11 に各読み出し領域で取得した XRPIX7 の RST VTH 期間におけるアナログ信号と各制御信号を示す。
図 4.11 より RST VTH 期間のセットリング時間に位置依存性があることがわかった。図 4.11 中の (b) と (g)、(i) を比較すると、最も配線の長い (b) では現状の設定値では十分にリセット時間が足りず、アナログ信号が安定するまでにより時間が必要であることがわかった。また、図 4.11 中の (a) と (g)、(g) と (h) を比較することで、

RA 方向の依存性よりも CA 方向の依存性が大きいことがわかった。
(v) RST CDS 中のセットリング時間の位置依存性

第4章

38

XRPIX7 の性能評価(a) (RA, CA) = (600, 8)(b) (RA, CA) = (600, 192)(c) (RA, CA) = (600, 368)(d) (RA, CA) = (300, 8)(e) (RA, CA) = (300, 192)(f) (RA, CA) = (300, 368)(g) (RA, CA) = (8, 8)(h) (RA, CA) = (8, 192)(i) (RA, CA) = (8, 368)

図 4.12: 各読み出し領域で取得した XRPIX7 の RST CDS 期間におけるアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、
赤が RST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を表す。

図 4.13: RST CDS 期間の RA 依存性。図 4.12 中の (a)図 4.14: RST CDS 期間の CA 依存性。図 4.12 中の (g)と (g) を重ね合わせた図を表している。

と (h) を重ね合わせた図を表している。

図 4.15: RST CDS 期間の位置依存性。図 4.12 中の (b) と (g) を重ね合わせた図を表している。

4.2 分光性能の評価

39

図 4.12 に各読み出し領域で取得した XRPIX7 の RST CDS 期間におけるアナログ信号と各制御信号を示す。並
べただけでは分かりにくいため、図の重ね合わせを行った。図 4.13 に図 4.12 中の (a) と (g) を重ね合わせた図を示し、図 4.14 に図 4.12 中の (g) と (h) を重ね合わせた図を示す。図 4.15 に図 4.12 中の (b) と (g) を重ね合わせた図を示す。図 4.15 より RST CDS 期間のセットリング時間に位置依存性があることがわかった。また、
図 4.13、4.14 より RA 方向の依存性よりも CA 方向の依存性が大きいことがわかった。

4.2 分光性能の評価
4.2.1 完全空乏化電圧
XRPIX7 の性能の評価を行う前に、空乏層が裏面付近まで広がる電圧 (完全空乏化電圧) の測定を行った。空乏層は検出領域としての役割を持っているため、Ｘ線を照射して空乏層が広がっている間は検出されるイベント数も増加していく。空乏層が裏面付近まで広がるとイベント数も一定となるため、検出されるイベント数のバックバイアス電圧依存性を調査することで完全空乏化電圧を見積もることが出来る。本実験では線源に 241 Am を用いてフレーム読み出しを行い、露光時間を 1 ms 、0◦ C の条件で取得した。

図 4.16: XRPIX6c におけるイベント数のバックバイア

図 4.17: XRPIX7 におけるイベント数のバックバイアス

ス電圧依存性。横軸がバックバイアス電圧、縦軸がイベ

電圧依存性。横軸がバックバイアス電圧、縦軸がイベン

ント数を表す。

ト数を表す。

図 4.16 に XRPIX6c におけるイベント数のバックバイアス電圧依存性を、図 4.17 に XRPIX7 におけるイベント数のバックバイアス電圧依存性示す。図 4.16 より XRPIX6c では −200 V 付近でイベント数が一定になったことがわかる。また図 4.17 より XRPIX7 では −180 V 付近でイベント数が一定のになったことが分かる。以上の結果より今後の性能評価を行う際には、空乏層が裏面付近まで十分に広がりきったと考えられる −200 V を基準とする。

4.2.2 性能評価の項目
XRPIX7 の性能評価はゲイン、読み出しノイズ、エネルギー分解能の 3 項目を小型素子である XRPIX6c と比較することで行った。本節では最初に各項目についての詳細を示し、フレーム読み出し、イベント駆動読み出しの順番で分
光性能の評価を行う。

• ゲイン
ゲインとはＸ線の入射によって生じた 1 電子あたりの出力電圧を指す。ゲイン算出のため、Ｘ線スペクトルの

第4章

40

XRPIX7 の性能評価

各輝線をガウシアンでフィットして中央値を求め、それらの結果を一次関数でフィットした。得られた傾きを

Energy Scale とし、XRPIX7、XRPIX6c の ADC の 1 [ADU] あたりの幅 488 [µV]、Si の平均電離エネルギー
3.65 × 10−3 [keV/e− ] を用い、ボード上の INA103 のアンプで出力を 2 倍に増幅しているためゲインは以下の4.1 式より求められる。
ゲイン [µV/e− ] = Energy Scale [ADU/keV] × 488 [µV/ADU] × 3.65 × 10−3 [keV/e− ] ÷ 2(4.1)• 読み出しノイズ
読み出しノイズとはペデスタルのピークをフィットした際の標準偏差を指す (3.3.1 節)。読み出しノイズの電子換算のため、読み出しノイズ σ RON [ADU]、Energy Scale [ADU/keV]、Si の平均電離エネルギー 3.65 ×

10−3 [keV/e]− を用い、以下の式 4.2 より電子換算できる。
読み出しノイズ [e− ] = σRON [ADU] ÷ Energy Scale [ADU/keV] ÷ 3.65 × 10−3 [keV/e− ](4.2)• エネルギー分解能
エネルギー分解能とはスペクトルのピークの半値全幅 (FWHM : Full Width at Half Maximun) を指す。エネル
ギー分解能 FWHM [eV] は、ゲイン算出の際に行ったフィットの標準偏差 σpeak と、Energy Scale [ADU/keV]を用いて以下の式 4.3 より求められる。

√
FWHM [eV] = 2 2ln2σpeak [ADU] ÷ Energy Scale [ADU/keV] × 1000

(4.3)

4.2.3 XRPIX7 の評価結果

図 4.18: XRPIX6c の フ レ ー ム 読 み 出 し で 取 得 し た

図 4.19: XRPIX7 のフレーム読み出しで取得した 241 Am

241のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトル。横軸がAm のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトル。

横軸が波高値、縦軸がカウント数を表す。

波高値、縦軸がカウント数を表す。

4.2 分光性能の評価

41

図 4.20: XRPIX6c のイベント駆動読み出しで取得した

図 4.21: XRPIX7 のイベント駆動読み出しで取得した

241

241

Am のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトル。

横軸が波高値、縦軸がカウント数を表す。

Am のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトル。

横軸が波高値、縦軸がカウント数を表す。

図 4.18 に XRPIX6c のフレーム読み出しで取得した 241 Am のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトルを、図4.19 に XRPIX7 のフレーム読み出しで取得した 241 Am のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトルを示す。図 4.20に XRPIX6c のイベント駆動読み出しで取得した 241 Am のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトルを、図 4.21 に

XRPIX7 のイベント駆動読み出しで取得した 241 Am のシングルピクセルイベントのＸ線スペクトルを示す。図 4.18、
4.19 と 4.20、4.21 より XRPIX7 では XRPIX6c のようなテール成分が見られないことがわかった。以下、各読み出し
における性能評価を行う。

4.2.3.1

ゲイン

図 4.22: XRPIX6c のフレーム読み出しにおけるＸ線の図 4.23: XRPIX7 のフレーム読み出しにおけるＸ線のエ

エネルギーと波高値の関係。横軸が輝線エネルギー、縦軸

ネルギーと波高値の関係。横軸が輝線エネルギー、縦軸が波高値を表す。青線がフィットに用いた一次関数、p0が波高値を表す。青線がフィットに用いた一次関数、p0は傾き、p1 は切片を表す。

は傾き、p1 は切片を表す。

第4章

42

XRPIX7 の性能評価

図 4.24: XRPIX6c のイベント駆動読み出しにおけるＸ

図 4.25: XRPIX7 のイベント駆動読み出しにおけるＸ線

線のエネルギーと波高値の関係。横軸が輝線エネルギー、のエネルギーと波高値の関係。横軸が輝線エネルギー、

縦軸が波高値を表す。青線がフィットに用いた一次関数、

縦軸が波高値を表す。青線がフィットに用いた一次関数、

p0 は傾き、p1 は切片を表す。

p0 は傾き、p1 は切片を表す。

表 4.1: 各素子における各読み出しにおけるゲイン
読み出し方法ゲイン [µV/e− ]フレーム読み出し

38.42 ± 0.08

イベント駆動読み出し

38.56 ± 0.10

フレーム読み出し

38.00 ± 0.08

イベント駆動読み出し

28.48 ± 0.12

素子

XRPIX6c
XRPIX7

図 4.22 に XRPIX6c のフレーム読み出しにおけるＸ線のエネルギーと波高値の関係を、図 4.23 に XRPIX7 のフレー
ム読み出しにおけるＸ線のエネルギーと波高値の関係を示す。図 4.24 に XRPIX6c のイベント駆動読み出しにおけるＸ線のエネルギーと波高値の関係を、図 4.25 に XRPIX7 のイベント駆動読み出しにおけるＸ線のエネルギーと波高値の関係を示す。また、表 4.1 に算出したゲインの結果をまとめた表を示す。表 4.1 より、XRPIX7 と XRPIX6c のフレーム読み出しにおけるゲインが同程度の性能であることがわかった。しかし、イベント駆動読み出しにおけるゲイン
が大型化により低下していることがわかった。

4.2 分光性能の評価

4.2.3.2

43

読み出しノイズ図 4.26: XRPIX6c のフレーム読み出しにおけるペデス

図 4.27: XRPIX7 のフレーム読み出しにおけるペデスタ

タルのヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウント数

ルのヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウント数を

を表す。

表す。

図 4.28: XRPIX6c のイベント駆動読み出しにおけるペ

図 4.29: XRPIX7 のイベント駆動読み出しにおけるペデデスタルのヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウン

スタルのヒストグラム。横軸が波高値、縦軸がカウント

ト数を表す。

数を表す。

表 4.2: 各読み出しにおける読み出しノイズ
素子

XRPIX6c
XRPIX7

読み出し方法

読み出しノイズ [e− ]フレーム読み出し

27.05 ± 0.05

イベント駆動読み出し

17.06 ± 0.04

フレーム読み出し

84.75 ± 0.19

イベント駆動読み出し

64.08 ± 0.17

図 4.26 に XRPIX6c のフレーム読み出しにおけるペデスタルのヒストグラムを、図 4.27 に XRPIX7 のフレーム読
み出しにおけるペデスタルのヒストグラムを示す。図 4.28 に XRPIX6c のイベント駆動読み出しにおけるペデスタル

第4章

44

XRPIX7 の性能評価のヒストグラムを、図 4.29 に XRPIX7 のイベント駆動読み出しにおけるペデスタルのヒストグラムを示す。このヒストグラムをフィットした際の標準偏差が読み出しノイズである。表 4.2 より、読み出しノイズは読み出し方法に関わらず大型化によって劣化していることがわかった。また、両素子ともイベント駆動読み出しの方が読み出しノイズが小さ
くことがわかった。しかし、イベント駆動読み出しの読み出しノイズは各イベントの 8 ピクセル ×8 ピクセルの中央値をフィットして算出している。これはフレーム読み出しでは補正しているピクセルごとのばらつきを補正できていない
ため純粋な比較結果とはいえない。

4.2.3.3

エネルギー分解能
表 4.3: エネルギー分解能

素子

読み出し方法

フレーム読み出し

XRPIX6c
イベント駆動読み出し

フレーム読み出し

XRPIX7
イベント駆動読み出し

輝線のエネルギー [keV]

ピーク波高値 [ADU]

FWHM [ADU]

FWHM [eV]13.9 keV

570.18 ± 0.22

32.90 ± 0.58

762 ± 1417.7 keV

737.50 ± 0.38

33.68 ± 0.89

781 ± 18

20.8 keV

855.94 ± 1.05

61.54 ± 2.93

1426 ± 67

13.9 keV

506.36 ± 0.30

36.14 ± 1.24

835 ± 28

17.7 keV

669.20 ± 0.51

37.01 ± 1.77854 ± 40

20.8 keV

807.56 ± 0.91

41.68 ± 3.34

962 ± 77

13.9 keV

604.37 ± 0.28

59.24 ± 0.73

1388 ± 1717.7 keV

761.15 ± 0.38

73.55 ± 0.81

1723 ± 1920.8 keV

905.89 ± 0.72

70.99 ± 1.90

1664 ± 4413.9 keV

542.87 ± 0.37

39.01 ± 1.02

1219 ± 32

17.7 keV

660.50 ± 0.62

61.18 ± 1.30

1913 ± 4120.8 keV

769.69 ± 1.18

55.86 ± 2.80

1747 ± 87

表 4.3 より、エネルギー分解能は読み出し方法に関わらず大型化によって劣化することがわかった。XRPIX7 のイベ
ント駆動読み出しにおけるエネルギー分解能は、FWHM [ADU] だとフレーム読み出しよりも小さくなっている。しかし、イベント駆動読み出しにおけるゲインが小さいため、電子換算するとフレーム読み出しのおけるエネルギー分解能
よりも劣化していることがわかった。
また 4.1.3.1 より、指定するピクセルによってアナログ信号のセットリング時間が異なることがわかった。リセットに必要な時間が十分でないピクセルも存在するといった観点から、エネルギー分解能等の性能が劣化することが示唆される。そこで各読み出しで数箇所の領域でＸ線スペクトルを取得し、エネルギー分解能を比較する。

4.2 分光性能の評価

45(a) (RA, CA) = (600, 8)(b) (RA, CA) = (600, 192)(c) (RA, CA) = (600, 368)(d) RA = 600 行の重ね合わせ(e) (RA, CA) = (300, 8)(f) (RA, CA) = (300, 192)(g) (RA, CA) = (300, 368)(h) RA = 300 行の重ね合わせ(i) (RA, CA) = (8, 8)(j) (RA, CA) = (8, 192)(k) (RA, CA) = (8, 368)(l) RA = 8 行の重ね合わせ(m) CA = 8 列の重ね合わせ(n) CA = 192 列の重ね合わせ(o) CA = 368 列の重ね合わせ

図 4.30: 各読み出し領域で取得したフレーム読み出しにおける 241 Am のスペクトル。(d)、(h)、(l) が 241 Am の13.9 keV の輝線に着目した同 RA における重ね合わせを表し、(m)、(n)、(o) が 241 Am の 13.9 keV の輝線に着目した同 CA における重ね合わせを表す。

第4章

46

XRPIX7 の性能評価

表 4.4: 各読み出し領域におけるエネルギー分解能
指定座標 (RA, CA)

FWHM@13.9 keV [ADU](10, 8)62.64 ± 2.31

(10, 192)

63.15 ± 1.91

(10, 368)

58.42 ± 1.37

(300, 8)60.16 ± 2.35

(300, 192)

60.44 ± 1.58

(300, 368)

62.80 ± 1.78

(600, 8)61.68 ± 1.98

(600, 192)

60.16 ± 1.62

(600, 368)

62.32 ± 1.58

図 4.31: 各読み出し領域におけるエネルギー分解能。横軸が領域、縦軸がエネルギー分解能を表す。

図 4.30 に図 4.10 の 9 領域で取得したフレーム読み出しにおける 241 Am のスペクトルを示し、表 4.4 にフィッティン
グによって求めた 241 Am の 13.9 keV の輝線のおけるエネルギー分解能の結果まとめた表を示し、図 4.31 に表 4.4 の結果をプロットした図を示す。図 4.30 中の (d)、(h)、(l) よりスペクトルが一致することから CA 方向への依存性がな
いことが定性的にわかった。また同様に、図 4.30 中の (m)、(n)、(o) より RA 方向への依存性がないことが定性的にわかった。図 4.31 より各読み出し領域間のエネルギー分解能は不確かさの範囲内に収まっており、配線の長さによるエ
ネルギー分解能の位置依存性がないことがわかった。

47

第5章

検出器の大型化に伴う応答劣化の要因分析
本章では大型化による回路応答劣化の要因分析及び、分光性能の劣化の要因分析について述べる。なお、この章での調査の過程で最適化した制御信号のリセット時間を 付録 A にまとめる。

5.1 アナログ信号の応答劣化の要因分析
第 4 章の節 4.1 でアナログ信号を観測することで XRPIX7 における問題点の抽出を行った。本節では抽出した問題
点の要因分析を目的とする。

5.1.1 応答速度の遅延と位置依存性
5.1.1.1 VCDS 、VTH の配線の時定数
4.1 節で示したように、小型の XRPIX6c と比較して大型化した XRPIX7 では RST CDS 期間中のセットリング時
間が 10 倍以上の時間を要し、位置依存性も有していた。また、RST VTH 期間中のアナログ信号においても位置依存性が見られた。これは (iv)、(v) の RST VTH と RST CDS に位置依存性があること (4.1.3.1 節) と共通の問題である。このことから、大型化の応答速度の遅延の原因調査として VCDS と VTH の配線に対して時定数の算出を行った。

XRPIX は RC 回路であるため、時定数 τ は配線抵抗 R と静電容量 C を用いて、
τ =R×Cと表される。この式 5.1 を用いて XRPIX6c と XRPIX7 の VCDS と VTH の時定数の比較を行った。

(5.1)

第5章

48

検出器の大型化に伴う応答劣化の要因分析

図 5.1: XRPIX6c における配線抵抗の概念図。黄色の線

図 5.2: XRPIX7 のおける配線抵抗の概念図。黄色の線が配線を示し、青が各抵抗値を表す。

が配線を示し、青が各抵抗値を表す。

表 5.1: 各素子における設計値と時定数
素子

XRPIX6c
XRPIX7配線

配線抵抗 [Ω]

容量 [nF]

時定数 [µs]

VCDS

4.6

0.35

1.6 ×10−3

VTH

4.6

0.35

1.6 ×10−3

VCDS

48.5

30

1.5

VTH

48.5

36.5

1.77

図 5.1 に XRPIX6c の配線抵抗の概念図を、図 5.2 に XRPIX7 の配線抵抗の概念図を示す。図 5.1、5.2 中の黄色の線が配線を表し、青が各抵抗値を表す。表 5.1 に各素子における配線抵抗と容量、算出した時定数をまとめた表を示す。
表 5.1 より XRPIX7 の VCDS と VTH の時定数が XRPIX6c よりも 103 倍 大きいことがわかった。抵抗と容量はピクセル数に依存するため、両素子間のピクセル数の差が見えた結果だと考えられる。これが応答速度の遅延の要因の 1 つであると考えられる。またこの要因は位置依存性についても同様であり、配線が長くなるほど配線抵抗が大きくなるた
め RST CDS と RST VTH 間のアナログ信号のセットリング時間に位置依存性が見られたと考えられる。時定数を小さくする方法として配線抵抗を小さくすることが考えられる。大型化により配線が長くなることは避けられないため、ピクセルアレイ左右の配線の幅自体を太くすることが最も効果的な方法であると考えられる。

5.1 アナログ信号の応答劣化の要因分析

5.1.1.249

ピクセル内の電圧降下

応答速度の遅延の要因として、ピクセル内で電圧降下により想定通りの電圧を供給できていないことが考えられる。
ピクセル内の電圧降下を推定するためには閾値電圧となる VTH − VCDS の VTH と VCDS をそれぞれ変化させ、出力電圧を比較する方法が適している。閾値電圧を変更するとき通常は VCDS = 400 mV で固定し、VTH の値を変更する
ことで閾値電圧を変更する。本実験では閾値電圧を通常通り VCDS を固定して VTH の値を変更する方法と、VTH を固定して VCDS の値を変更する方法で閾値電圧の比較を行った。VTH のスイッチは周辺回路のドライバで駆動しているた
め、電圧降下が起こらずに最大まで電圧がかかると考えられる。それに対し、VCDS のスイッチはピクセル内のドライバで駆動しているため IR ドロップに相当する電圧降下が見られると考えられる。印加電圧を 400 mV から 1800 mVの範囲を 100 mV 間隔で出力電圧を調査する。

図 5.3: VTH = 600 mV、VCDS = 400 mV の条件で取図 5.4: VTH = 1800 mV、VCDS = 400 mV の条件で取得したアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、赤が得したアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、赤がRST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を示

RST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を示す。

す。

図 5.5: VTH = 400 mV、VCDS = 600 mV の条件で取図 5.6: VTH = 400 mV、VCDS = 1800 mV の条件で取得したアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、赤が得したアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、赤がRST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を示

RST PD、緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を示す。

す。

図 5.3 に VTH = 600 mV、VCDS = 400 mV の条件で、図 5.4 に VTH = 1800 mV、VCDS = 400 mV の条件で取得したアナログ信号と各制御信号を示す。図 5.5 に VTH を固定して VCDS = 600 mV の条件で、図 5.6 に VTH =1800 mV にした 2 条件のアナログ信号と各制御信号を示す。閾値電圧の基準を変えることでアナログ信号の変化の極性が逆になる。図中の縦に引かれた青い線における電圧レベルの差が閾値電圧に相当し、十分に安定した位置を選択している。図より VTH と VCDS の差分が大きくなるほど閾値電圧が大きくなっていることがわかる。この閾値電圧における印加電圧依存性のプロットを以下に示す。

第5章

50

検出器の大型化に伴う応答劣化の要因分析

図 5.7: 閾値電圧における印加電圧依存性。横軸が外部印加電圧、縦軸が閾値電圧を表す。

図 5.7 に、閾値電圧における印加電圧の依存性を示す。図 5.7 より印加電圧が 800 mV までは同様の傾向をとっていることがわかる。800 mV 以降は VCDS を変化させた場合の閾値電圧の変化分が大きくなり、どちらの場合も 1200 mV付近で最大電圧に達し、それ以上は閾値電圧が変化しないことがわかる。この最大電圧の差がおよそ 70 mV でありこの値がピクセル内による駆動と周辺回路の駆動の差を表すため、ピクセル内における電圧降下の値に相当すると予想していた。しかし当初の予想と異なり大小関係が逆転し、ピクセル内のドライバを使用した VCDS の方が閾値電圧が大きくなることがわかった。この原因は現時点で不明であり、今後調査が必要である。

5.1.2 制御信号の High/Low の変化に伴うアナログ信号の揺らぎ問題となるアナログ信号の揺らぎは、RST PD と RST CDS が Low のタイミングで起こっている。RST VTH がLow になるタイミングでは起こっていないことから、アナログ信号の揺らぎの原因は RST PD と RST CDS で採用している回路にあると考えられる。RST PD と RST CDS のスイッチは論理回路で動作させている。そのためスイッチ
が Low になるタイミングで貫通電流が生じ、アナログ信号に影響を与えていると考えられる。読み出し時には 1 ピク
セルごとにリセットを行うため、ピクセル数の少ない小型素子の XRPIX6c では影響が見えず、ピクセル数の多い大型素子の XRPIX7 では貫通電流の影響が顕著に見えたと考えられる。

5.1.2.1

グローバルリセットとローカルリセット

アナログ信号の揺らぎの原因が貫通電流によるものか判断するため、リセット方法を変更することで確認を行った。

XRPIX にはグローバルリセットとローカルリセットという 2 種類の読み出し方法がある。グローバルリセットは読み
出すピクセルに関わらず、1 イベントごとに全ピクセルのリセットを行う方法であり、通常の読み出しではグローバル
リセットを行っている。対してローカルリセットは指定した 1 ピクセルを含む 8 ピクセルのみをリセットを行う方法であり、この方法を用いることで貫通電流の影響を抑制できる。本実験ではこの 2 つのリセット方法で読み出したアナロ
グ信号を比較することで貫通電流の影響を調査した。

5.1 アナログ信号の応答劣化の要因分析

5.1.2.251

アナログ信号の揺らぎの要因分析

図 5.8: XRPIX7 のグローバルリセットで取得したアナ

図 5.9: XRPIX7 のローカルリセットで取得したアナロ

ログ信号と各制御信号。青が AOUT S、赤が RST PD、

グ信号と各制御信号。青が AOUT S、赤が RST PD、緑

緑が RST CDS、マゼンタが RST VTH を表す。

が RST CDS、マゼンタが RST VTH を表す。

図 5.8 に XRPIX7 のグローバルリセットで取得したアナログ信号と各制御信号を、図 5.9 に XRPIX7 のローカルリ
セットで取得したアナログ信号と各制御信号を示す。図 5.9 より、ローカルリセットにすることで RST PD、RST CDSが Low になるタイミングで見えていたアナログ信号の揺らぎが見えなくなったことがわかる。露光開始後まで影響を与えていた揺らぎがなくなることで、設定した露光時間中のダイナミックレンジが一定に近づいた。またそれに伴い、信号の揺らぎ後の信号レベルの変化も見えなくなることがわかった。このことから現在のピクセル毎に論理回路を用意する設計をあらためる必要がある。

5.1.3 露光中におけるアナログ信号の電圧レベルの低下
5.1.3.1

露光のタイミング

図 5.10: 両読み出しにおけるＸ線未入射時の STORE RST PD のタイミングチャート。INT T は露光時間を表す。

図 5.11: イベント駆動読み出しにおけるＸ線入射時の STORE のタイミングチャート。

図 5.10 にイベント駆動読み出しにおけるＸ線未入射時の STORE と RST PD のタイミングチャートを示し、図 5.11にイベント駆動読み出しにおけるＸ線入射時の STORE のタイミングチャートを示す。図 5.10 よりイベント駆動読み
出しのＸ線未入射時における STORE は予め設定した露光時間 (INT T) 中にＸ線を検出しなかった場合、露光時間に達した時点で Low にすることで露光を終了する。図 5.11 よりイベント駆動読み出しでは設定した露光時間の間にＸ線が入射した場合トリガ信号が出力される。その後、トリガ信号の出力から 220 nsec 後に STORE を Low にすること
で露光を終了する。露光中におけるアナログ信号の電圧レベルの低下の要因として、露光中にのみ徐々に低下していく

第5章

52

検出器の大型化に伴う応答劣化の要因分析

ことから暗電流成分によるものが大きいと考えられる。そこで STORE を常に Low にするように ﬁrmware を書き換えることで、露光自体を行わないオペレーションに変更した。露光しないことで暗電流成分の積算が行われず、アナロ
グ信号レベルの低下がなくなることを期待した。通常通り露光した場合と、露光を行わない場合におけるアナログ信号を比較することで露光中におけるアナログ信号の電圧レベルの低下の要因分析を行った。

5.1.3.2

露光中におけるアナログ信号レベルの低下の要因分析

図 5.12: XRPIX7 で通常通り露光して取得したアナログ

図 5.13: XRPIX7 で STORE を Low にして露光を行わ

信号と各制御信号。青が AOUT S、赤が RST PD、緑がず取得したアナログ信号と各制御信号。青が AOUT S、

STORE を示す。

赤が RST PD、緑が STORE を示す。

図 5.12 に通常通り露光して取得したアナログ信号と各制御信号を、図 5.13 に STORE を Low にして露光を行わずに取得したアナログ信号と各制御信号を示す。なお、図 5.12 は図 4.9 と同じアナログ信号を示しており、出力する制御
信号のみ変更している。図 5.13 より露光を行わないことでアナログ信号の電圧レベルの低下が見られなくなることがわかった。このことから、露光中のアナログ信号の電圧レベルの低下の原因は暗電流成分であり、露光中に暗電流成分が積算された結果、徐々にアナログ信号の電圧レベルが低下する傾向が見られたと考えられる。また露光中にアナログ信号の電圧レベルが変化することは検出器として大きな問題であるが、実際の環境では冷却して駆動させるため暗電流成分は抑制できると考えられる。しかし、暗電流成分がどの程度寄与しているかを定量的に求めていないため、今後も調査が必要である。

5.2 分光性能劣化の要因分析
本節では大型化により分光性能が劣化する要因分析を行う。なお、閾値電圧 VTH − VCDS を ∆VTH と記載する。

5.2.1 イベント駆動読み出しにおけるゲインの低下の要因分析
5.2.1.1

コンパレータの動作がアナログ信号に与える影響

4.2.3.1 よりフレーム読み出しにおけるゲインは大型化により低下せず、イベント駆動読み出しにおけるゲインのみが低下した。両読み出しの最大の違いはトリガ信号の有無である。フレーム読み出しはトリガ信号を用いない読み出し方法であるため、普段の読み出し方法ではトリガ回路のコンパレータが動作しない閾値電圧を設定している。コンパレー
タが動作しているイベント駆動読み出しのみゲインが劣化しているという点より、XRPIX7 では中間 Si 層による干渉の抑制効果が低下したことが考えられる。Double-SOI 構造によりトリガ回路とセンサ層の干渉が抑制されていることは確認されているが [4]、大型素子である XRPIX7 でも同様に干渉が十分に抑制されているかどうかは確認されていない。そこで過去の調査 [6] に倣い、トリガ回路のコンパレータが動作することによる影響の調査を行った。
過去の調査より干渉の抑制が十分でない場合、コンパレータの動作によって生じるオフセットが乗り、輝線中心波高
値が変化することがわかっている。そこで本実験ではフレーム読み出しを用い、閾値電圧 ∆VTH を低く変化させ意図的にコンパレータを動作させた。このとき、VCDS を 400 mV に固定し、VTH のみを 900 mV から 300 mV まで変化さ

5.2 分光性能劣化の要因分析53せることで ∆VTH の値を変更した。

5.2.1.2

中間 Si 層による干渉の抑制効果

図 5.14: XRPIX6c における 241 Am の輝線中心波高値の

図 5.15: XRPIX7 における 241 Am の輝線中心波高値の∆VTH 依存性。∆VTH = 500 mV の各輝線中心に破線∆VTH 依存性。∆VTH = 500 mV の各輝線中心に破線を引いている。

を引いている。

図 5.14 に XRPIX6c のフレーム読み出しで取得した ∆VTH = −100 mV、∆VTH = 200 mV、∆VTH = 500 mV における 241 Am のスペクトルを示す。図 5.15 に XRPIX7 のフレーム読み出しで取得した ∆VTH = −100 mV、∆VTH= 200 mV、∆VTH = 500 mV における 241 Am のスペクトルを示す。また図 5.14、5.15 中の破線は普段のフレーム
読み出しの設定閾値電圧である ∆VTH = 500 mV の各輝線中心波高値に合わせて引いている。図 5.14 より XRPIX6c
では ∆VTH を小さくすることでピークが低波高値側にシフトしていることがわかる。また図 5.15 より XRPIX7 では∆VTH を小さくすることで低波高値にシフトしていき、更に小さくすることで同じ位置に戻ってくる傾向があることがわかる。この各素子における輝線中心波高値の ∆VTH 依存性のプロットを以下に示す。

54

第5章

検出器の大型化に伴う応答劣化の要因分析

図 5.16: XRPIX6c における 241 Am の輝線中心波高値の

図 5.17: XRPIX7 における 241 Am の輝線中心波高値の∆VTH 依存性。横軸が ∆VTH 、縦軸が輝線中心波高値を∆VTH 依存性。横軸が ∆VTH 、縦軸が輝線中心波高値を

表す。

表す。

図 5.16 に XRPIX6c における 241 Am の輝線中心波高値の ∆VTH 依存性を、図 5.17 に XRPIX7 における 241 Amの輝線中心波高値の ∆VTH 依存性を示す。図 5.17 中の破線は各輝線中心波高値がシフトする閾値電圧を表している。
図 5.17 より、XRPIX7 では ∆VTH を小さくすることで 241 Am の 20.8 keV の輝線中心波高値が ∆VTH = 350 mV、
241

Am の 17.7 keV の輝線中心波高値が ∆VTH = 320 mV、241 Am の 13.9 keV の輝線中心波高値が ∆VTH = 260 mV、で低くなる傾向をとることがわかる。Ｘ線エネルギーが小さくなるに従って ∆VTH も小さくなることから、閾値電圧を超えたことによるトリガ回路のコンパレータの動作がアナログ信号に影響を与えていると考えられる。また、同構造を持つ XRPIX7 と XRPIX6c で輝線中心波高値の変化の傾向が違う理由はわからないが XRPIX7 における 241 Am の輝線中心波高値の ∆VTH 依存性の変化の幅の絶対値は XRPIX6c と比べて大きいことがわかる。このことから、大型化によって中間 Si 層による干渉の抑制効果が低下したことがわかった。よって、ゲインの劣化の低下として大型化による中間 Si 層による干渉の抑制効果の低下があると考えられる。

5.2.2 読み出しノイズとエネルギー分解能の劣化の要因分析
5.1.3.2 より XRPIX7 の暗電流の影響が XRPIX6c と比べて大きいことがわかった。読み出しノイズとエネルギー分
解能の劣化はこの暗電流に起因すると考えられる。本論文では XRPIX7 と XRPIX6c の暗電流の測定を行っていない
ため、実際にどの程度の影響を与えているかを推定するために今後も調査が必要である。また、エネルギー分解能に位置依存性が見られなかったことから、アナログ信号の応答速度劣化は直接の要因でないと考えられる。しかし中間 Si 層の抑制効果が低減したことによりゲインが低下したことは、イベント駆動読み出しにおけるエネルギー分解能の劣化と直接的に繋がると考えられる。

55

第6章

まとめ
本論文では Double-SOI 構造を有する大型素子である XRPIX7 を用いて、同構造を有する小型素子 XRPIX6c との比較をおこないながら、大型化に伴う応答劣化の要因分析をおこなった。まず、性能劣化の項目を整理し、その度合いを定量的に評価した。

• XRPIX7 の性能評価– アナログ信号の評価∗ RST CDS が High になってから信号が安定するまでに XRPIX6c がおよそ 2 µsec に対し、XRPIX7ではおよそ 24 µsec 必要であり、応答速度の遅延があることがわかった。

∗ RST PD、RST CDS が Low になるタイミングでアナログ信号が揺らぎ、それに伴いアナログ信号の電圧レベルが低下することがわかった。

∗ 露光中にアナログ信号の電圧レベルが徐々に低下していることがわかった。
∗ RST VTH 中のセットリング時間に依存性があり、RA 方向よりも CA 方向の依存が大きいことがわかった。また、RST CDS 中のセットリング時間についても位置依存性があり、RA 方向よりも CA 方向の依存性が大きいことがわかった。

– 分光性能評価∗ フレーム読み出しのゲインは XRPIX6c と同等の性能であることがわかった。また、イベント駆動読み出しのゲインは劣化していることがわかった。

∗ 読み出しノイズ、エネルギー分解能は読み出し方法に関わらず、劣化していることがわかった。
続いて、応答劣化の要因分析のまとめを示す。

• 応答劣化の要因分析– アナログ信号の劣化の要因分析∗ 応答速度遅延の主要因は大型化に伴う配線抵抗の増大が引き起こした、ピクセル内の電圧降下と VCDSと VTH の配線の時定数の増大に起因すると考えられる。ピクセル内の電圧降下については今後も調査が必要である。VCDS と VTH の配線の時定数はピクセルアレイの左右の配線幅を太くし、配線抵抗を小さくすることで改善すると考えられる。

∗ RST PD、RST CDS が Low になることでアナログ信号が揺らぐ現象は、貫通電流がアナログ信号に影響を与えた結果だと考えられる。現在のピクセル毎に論理回路を用意する設計をあらためる必要がある。

∗ 露光中におけるアナログ信号レベルの低下は暗電流に起因する現象と考えられる。実際の動作環境では冷却して用いるため、改善すると考えられる。

– 分光性能の劣化の要因分析∗ イベント駆動読み出しにおけるゲインの低下は大型化により中間 Si 層による干渉の抑制効果が低下した

第 6 章 まとめ

56
ことに起因すると考えられる。

∗ 読み出しノイズとエネルギー分解能の劣化は暗電流が大きいことに起因すると考えられる。暗電流がどれほど寄与しているかは今後の調査が必要である。

57

参考文献
[1] K. Mori, T. G. Tsuru, K. Nakazawa, et al., A broadband x-ray imaging spectroscopy with high-angularresolution: the FORCE mission, 2016, in: Proc. SPIE, 9905, 99051O.
[2] K. Nakazawa, K. Mori, T. G. Tsuru, et al., The FORCE mission: science aim and instru- ment parameter forbroadband x-ray imaging spectroscopy with good angular resolution, 2018, in: Proc. SPIE, 10699, 106992D.
[3] 林 秀輝. Ｘ線天文用 SOI ピクセル検出器の大面積化とイベント駆動読み出しの評価 2018, 修士論文
[4] S. Ohmura et al. Reduction of cross-talks between circuit and sensor layer in the Kyoto s X-ray astronomy
SOI pixel sensors with Double-SOI wafer 2016, NIM A, 831, 61.
[5] 松村 英晃. 宇宙 X 線観測用 SOI ピクセル検出器における電荷収集効率の改善 2015, 修士論文.
[6] A. Takeda et al. Design and Evaluation of an SOI Pixel Sensor for Trigger-Driven X-Ray Readout 2013,
IEEE TNS, 60, 586.
[7] Y. Lu et al. First results of a Double-SOI pixel chip for X-ray imaging 2016, NIM A, 831, 44

59

付録 A

最適化した制御信号のリセット時間

図 A.1: アナログ信号読み出しの際のタイミングチャート [3]図 A.1 にアナログ信号読み出しの際のタイミングチャートを示す。図 2.24 では、緑色両矢印で示している RST CDSのリセット時間を CDS T と表記しているが、図 A.1 では SET T と表記していることに留意されたし。

付録 A 最適化した制御信号のリセット時間60

表 A.1: 制御信号における従来のリセット時間と最適化したリセット時間
制御信号のリセット時間

従来のリセット時間 [µs]最適化したリセット時間 [µs]

PD T

100

30

CDS T

120

40

VTH T

100

40

COMP1 T

110

45

COMP2 T

120

46

SET T

19.84

30

SCAN T

4

2

PHI R T

50

10

PHI SS T

49.84

29.8

PHI SR T

49.84

29.8

PHI RR T

4

2

SET SIG T

5030

図 A.1 に制御信号における従来のリセット時間と最適化したリセット時間を示す。制御信号のリセット時間は図 2.22、
図 A.1 での緑色両矢印で示した各制御信号のリセット時間と対応している。SET SIG T は PHI SS T、PHI SR T に相当する時間である。

61

謝辞
本論文を執筆にあたり、ご指導を頂いた森浩二教授に感謝いたします。また、研究に携わって頂いた研究室の皆様にも御礼を申し上げます。
森教授には本論文に関連する知識や言葉遣いなどをご教授頂いただけでなく、日頃の生活態度に至るまで丁寧かつ熱心など指導を賜りました。研究室に配属される前と比べると少なからず成長を感じています。学部の成績が振るわず配属されるか不安ではありましたが、第一希望に森研究室を希望した選択は間違っていませんでした。これ以降に研究室に配属される学生にも、変わらぬご指導をよろしくお願いします。改めて感謝を申し上げます。
武田彩希助教なしでは本論文は完成しなかったと言っても過言ではありません。実験方法から実験結果の解釈まで、学部の頃からずっとお世話になりました。今後の XRPIX と武田研究室の発展を心より願っております。来年以降も

XRPIX の近況を聞けるのを楽しみにしています。
西岡さんには実験班としても研究室としても相談をさせて頂きました。XRPIX ミーティングでは XRPIX7 の報告す
るのは自分の理解が足りていない部分もあり大変だったと思いますが大変お世話になりました。どっちが発表するのか
キャッチボールしたのも良い思い出かもしれません。体育館でちょっとだけでもバレーできたのは嬉しかったです。
金丸さんは唯一自分の好きなゲームをプレイしたことのある方でした。一緒にプレイすることは叶いませんでしたが、ダークソウルの話しをしているときが研究室で一番楽しいまであります。自分が PC を買うのが先か、金丸さんが PS5を買うのが先になるかは分かりませんがフロムのゲームをするときは呼んでください。必ずいきます。エルデンリング
もとっても面白いですが、ダークソウル 3、SEKIRO も悪魔的面白さなのでぜひプレイしてみてください。Bloodborne
は怖いです。
行元さんには何から何までお世話になりました。3 年間なんだかんだで実験班でやってこれたのは行元さんのおかげです。行元さんの守備範囲の広さには驚かされるばかりで、始めて自分の好きなものが通じました。最後の年になってからよく行元さんの家に行くようになりましたが、もっと早く行ってガンダムに搭乗すべきでした。就職先が一緒になれたらとっても嬉しいのでお待ちしてます。とりあえず来年一度は米村くんと遊びに来ると思うので、そのときはご飯をご馳走させてください。
寺田くんはマンガの趣味もよく合って話していて面白かったです。またカラオケにいって JOJO やらゲッターロボ関連を熱唱しましょう。僕は STORM が一番好きです。寺田くんは就職先が結構近いので社会人になってからも会う機会が意外とありそうですね。個人的に横浜は大好きなのでぜひとも遊びに行かせてください。
米村くんは実験班の同期としてとても頼りになる存在でした。ラブライブやバトルスピリッツなど自分の趣味の引き出しが増えたのも米村くんのおかげです。関東のライブや沼津に行くときは誘ってくれればすぐに飛んでいきます。米
村くんの今後ますますのご発展と圧倒的感謝を込めて、この言葉を贈ります。「イライラさせてしまって申し訳ありませんでした。」
石田くんは実験班唯一の M2 になるので大変かとは思いますが頑張ってください。ここまできたら GMAX と心中してもいいんじゃないかと思います。とりあえず遊びに来るときはモンスターを持参します。修論後はとあるゲームにかかり切りになったせいで一緒にゲームしたりすることはほとんどありませんでしたが、そのゲームが落ち着いたらモンハンを再開するのでまた一緒にプレイしましょう。モーラモラモラモラ。
楠くんはよく遊んだようだったけどよく考えたらあんまりプライベートで遊んでいないような気がしますね。映画の趣味とか昔読んだ漫画やらが寺田くんも含めて似通ってた感じがします。就職先が一緒になるといいですね。一足先に

62

謝辞

向こうに慣れておきます。就職したら TV と電子レンジは買った方が良いと思います。SH 社に良い感じの電子レンジがありましたよ。そういえば今年就職する人がいたような...。一緒にゲームしたいので PS4 も買ってください。うべい。
宮崎くんはガンダムを見始めたあたり、、いや宮崎くんがバトルスピリッツを本気で買い始めたあたりからもっと仲良くなった気がします。やはりカードバトルは世界の共通言語ですね。宮崎くんとも映画の趣味が合うのに、楠くんも含
めて 3 人で映画を見に行くことはありませんでしたね。それぞれとは行ったことあるのにやはり解析班の M1 は仲が悪いのかも知れない...。一緒に見たスパイダーマンが面白かったのは宮崎くんと見たおかげかもしれません。知らんけど。

B4 には一言ずつ。感謝の言葉だけは最初に伝えておきます。ありがとう。泉くん、解析ソフトのアップデート頑張ってください。アグネスタキオンはもうタオキンとしか呼べない体になりました。岩切くん、一度何かのライブの現地で会いたいですね。最近のサトノダイヤモンドの声優さんは髪が長いです。梅野くん、ゆずって食べたらおいしいんでしょうか。大塚くん、明夫 ← 麻雀強そう。横須くん、Bloodborne はマリア様の落葉とかが好きなんですよね。「だが分かるよ。秘密は甘いものだ。だからこそ...」米丸さん、総務係のことはよろしく頼みます。パワー系サイコって文字
面やばいですよね。
最後に両親を初めとする様々な人に支えられ、本論文の完成に至ることができました。修論報告会前に応援してくださった鬼頭明里さんには特別な感謝をお伝えします。3rd ライブが今から楽しみです。改めて私と関わりのある全ての方への感謝を述べ、筆を置きたいと思います。本当にありがとうございました。