X 線偏光観測を目指した SOI ピクセル検出器の放射線耐性の評価
東京理科大学大学院 理工学研究科
物理学専攻 幸村研究室

6221517 角町駿
2023 年 2 月 1 日

ii

概要
近年、宇宙 X 線観測の中でも偏光 X 線の観測が注目されている。例えば、2022 年に X 線偏光観測衛星 Imaging X-ray Polarimetry Explorer（IXPE）により、ベラ中性子星雲からの X
線偏光を観測した。星雲の外側での偏光度は約 60% と、これまでに最も X 線偏光が観測されていたかに星雲の約 3 倍の偏光度であった。60% の偏光度は理論的限界に近いことから、ベラ星雲中の電子は均一な磁場の中で加速されていることが判明した。このように、X 線偏光の観測は天体の磁場構造を解明する手がかりとなる。

IXPE はガス検出器を利用して X 線偏光を観測している。光電効果により生じた光電子の異方性を検出するためには長い飛程を測定できるガス検出器は長けている。しかしガス検出器
はエネルギー分解能が悪いと言う欠点がある。異なるエネルギーで測定することができれば、電子のエネルギー分布を求めることができる。そこで、高いエネルギー分解能をもつ半導体検出器の SOI ピクセル検出器で X 線偏光観測を考えている。SOIPIX ピクセル検出器の中でもピクセルサイズが 16 µm 小さい「INTPIX」に着目している。本論文では、INTPIX が偏光観測利用に適しているかを調査した。まず初めに INTPIX シリーズの最新の INTPIX8 で基礎性能評価を行った。また半導体検出器は宇宙空間で使用する場合、宇宙線による放射線による性能の低下に注意する必要がある。そこで、INTPIX8 に陽子線を照射することで、照射前後での性能の変化を確認した。その結果、放射線耐性に関しては問題ない範囲の性能の劣化であった。しかしエネルギー分解能が 6.4 keV の X 線に対して約 860 eV とあまり良くない。現在、さらに高いエネルギー分解能と放射線耐性が期待される PDD 構造を持つ INTPIX9 を開発中である。

INTPIX9 に先がけて、同じ SOI ピクセルピクセル検出器で PDD 構造を持つ XRPIX8.5という検出器で放射線耐性を評価した。その結果、照射前では 5.9 keV の X 線に対して約200 eV と INTPIX8 と比べて良いエネルギー分解能を有し、400 年分の陽子線を照射してもエネルギー分解能の増加は約 40 eV ほどであった。また TCAD シミュレーションで性能劣化の原因を調査した。TCAD シミュレーションは半導体検出器をシミュレーション上で再現することで、電場やポテンシャル分布、電子正孔密度などを計算することができる。シミュレー
ションの結果、放射線照射で SiO2 に蓄積する正電荷により Si と SiO2 の界面が空乏化することで暗電流が増加していることを確認した。また SiO2 に蓄積した正電荷が寄生容量を増加させ、ゲイン低下に寄与していることを確認した。

PDD 構造を持つ SOI ピクセル検出器は高いエネルギー分解能と放射線耐性を有していることが分かった。高エネルギー粒子が多く存在する宇宙環境でも性能劣化しにくいことから、X線偏光観測にも適した検出器と考えている。

iii

目次

第1章

X 線偏光について1

1.1

X 線偏光の基礎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

天体からの偏光 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.3

X 線偏光計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5半導体検出器92.1

半導体の基礎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92.2

MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.3

放射線損傷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

SOI ピクセル検出器

19

3.1

SOI 技術 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.2

SOI ピクセル検出器の種類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.3

SOI ピクセル検出器のピクセル構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.4

SOI ピクセル検出器 INTPIX の宇宙偏光観測に向けて . . . . . . . . . . . .

27

INTPIX8 の基本性能評価

29

4.1

Single SOI 構造の INTPIX8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

4.2

実験セットアップ30

4.3

フレーム読み出しの解析方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.4

性能指標 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.5

基本性能評価実験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.6

高エネルギー粒子線を使用した空乏層厚測定実験 . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.7

INTPIX8 の検出効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

INTPIX8 の放射線耐性評価実験

53

衛星軌道上の放射線環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

第2章

第3章

第4章

第5章

5.1

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

目次

iv
5.2

実験セットアップ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

5.3

照射量の計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

5.4

実験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

5.5

ピクセル間のゲインのばらつき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.6

INTPIX8 の宇宙 X 線偏光観測での利用について . . . . . . . . . . . . . . .

61

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

63

6.1

XRPIX8.5 ついて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

6.2

放射線損傷実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

6.3

照射量の計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

6.4

実験結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

6.5

PDD 構造を持つ SOI 検出器の宇宙 X 線偏光観測での利用について . . . . .

69

6.6

XRPIX8E の暗電流増加のメカニズムの調査 . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

6.7

暗電流の更なる低減に向けた新構造の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

6.8

放射線損傷によるゲイン低下. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

6.9

放射線損傷によるノイズ増加. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

第6章

第7章
引用文献

結論

83
87

v

図目次

1.1

光電吸収の模式図. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2

コンプトン散乱の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.3

ジェットの偏光状態 [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.4

観測者の方向によって異なる散乱光の偏光 [1] . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.5

IXPE に搭載されたガス検出器の模式図、 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.6

散乱型偏光計の例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72.1

Si 結晶の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2

PN 接合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.3

NMOS の構造の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.4

SF 回路と入出力特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.5

ソース接地増幅回路と CSA 回路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.6

バルク損傷の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.7

すざく衛星搭載の X 線 CCD のエネルギー分解能の経年劣化 [2] . . . . . . .

16

2.8

TID 効果の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.9

SEE のイメージ図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.10

ラッチアップの様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.1

SOIPIX の断面の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.2

Bulk CMOS と SOI CMOS の断面の模式図 [3] . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.3

INTPIX8 の写真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.4

FORCE 衛星の外観と検出器として搭載予定の XRPIX の写真 . . . . . . .

22

3.5

イベント駆動読み出しの流れ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.6

SOFIST version 2[4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.7

Single SOI 構造のピクセル中心の断面の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.8

Double SOI 構造のピクセル中心の断面の模式図 . . . . . . . . . . . . . . .

25

図目次

vi
3.9

Single SOI 構造の XRPIX2b と Double SOI 構造の XRPIX6C の陽子線照
射量依存のエネルギー分解能の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.10

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

27

3.11

Double SOI 構造の XRPIX6C と PDD 構造の XRPIX6E の陽子線照射量依存のエネルギー分解能の比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

4.1

Single SOI 構造の INTPIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

4.2

恒温層と恒温層内に設置した INTPIX8 と読み出しボード . . . . . . . . . .

30

4.3

INTPIX8 と SEABUAS2 の写真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.4

INTPIX8 と SEABAS2 を接続した写真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.5

DAW Software の画面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

4.6

INTPIX8 の回路層の回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

57

Co と

241

4.7

放射線源

Am の写真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.8

イベントセレクションのイメージ図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.9

ソースフォロア回路の出力の VRST−CDS 依存性 . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.10

SF 回路の入力と出力の線形性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.11

INTPIX8 の 1 ピクセルイベントのエネルギースペクトルとエネルギーと波高値の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

4.12

マルチピクセルイベント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.13

バックバイアスと 22 keV の X 線カウント数の関係. . . . . . . . . . . . .

42

4.14

空乏層厚測定の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.15

検出器内での電子の飛程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.16

HIMAC の全体像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.17

実験セットアップ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.18

陽子線の飛跡の様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.19

飛跡の長さの決定方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

4.20

入射角度のずれの測定での飛跡の長さ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

4.21

各 VBB での陽子イベント毎に求めた飛跡の長さのヒストグラム . . . . . . .

49

4.22

空乏層厚のバックバイアス依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.23

検出効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

5.1

軌道上の陽子線の分布シミュレーション結果 . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

5.2

軌道上の陽子線のエネルギー. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

5.3

陽子線が XRPIX に落とすエネルギー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

5.4

実験セットアップ56. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii
5.5

ファラデーカップと APD のカウントレートの相関 . . . . . . . . . . . . . .

56

5.6

各照射量でのエネルギースペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

5.7

暗電流とゲインの照射量依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

5.8

暗電流のショットノイズとその他のノイズ成分の読み出しノイズへの寄与 . .

59

5.9

ゲインとエネルギー分解能の照射量依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

5.10

読み出しノイズの増加とエネルギー分解能の増加の比較 . . . . . . . . . . .

60

5.11

ピクセル間のゲインのばらつき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

6.1

XRPIX8 の BPW から裏面側に流れる電流の低減のイメージ図 [5] . . . . .

64

6.2

実験セットアップ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

6.3

100 MeV の陽子線のプロファイル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

6.4

55

66

6.5

55

Fe、 Co の 1 ピクセルイベントのエネルギースペクトル . . . . . . . . . .

67

6.6

暗電流と読み出しノイズの照射量依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

6.7

ゲインの照射量依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

6.8

エネルギー分解能の照射量依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

6.9

ピクセル間のゲインのばらつき . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

6.10

中間準位を介したキャリアの生成/再結合過程。[?] . . . . . . . . . . . . . .

70

6.11

2 次元シミュレーション用に作成した XRPIX8.5 の構造 . . . . . . . . . . .

73

6.12

γ 線を照射したときに BOX 層に蓄積する正電荷の照射量依存性 . . . . . . .

73

6.13

XRPIX8.5 の実測の暗電流に対するシミュレーションのパラメータチューニ

Fe、57 Co の 1 ピクセルイベントのエネルギースペクトル . . . . . . . . . .
57

ング。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

6.14

XRPIX8.5 での Si/SiO2 界面付近のホール密度分布 [?] . . . . . . . . . . .

75

6.15

BPW1 の濃度を 10 倍に上げた場合の Si/SiO2 界面付近のホール密度分布 [?]

75

6.16

3 次元シミュレーション用に作成した XRPIX8.5 の構造 . . . . . . . . . . .

76

6.17

3 次元シミュレーション用に作成した XRPIX8.5 の 2 次元で模式的に表した図。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

6.18

3 次元シミュレーションで計算した CSN の QBOX 依存性 . . . . . . . . . .

78

6.19

熱ノイズと 1/f ノイズのセンサー容量 ND 依存性 [6] . . . . . . . . . . . . .

80

6.20

読み出しノイズの増加文とゲインから計算されるノイズの比較 . . . . . . . .

81

ix

表目次

3.1

SOIPIX シリーズの仕様 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

4.1

DAQ Software で設定できるパラメーター . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.2

HIMAC で使用可能なビーム条件の一例 [7][8]. . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.3

バックバイアスが −200 V のときの INTPIX8 の空乏層厚 . . . . . . . . . .

50

6.1

SRH モデルのキャリア寿命のモデルパラメータ . . . . . . . . . . . . . . .

71

6.2

式 6.15 のノイズ計算に使用するパラメータ。コンフィデンシャルな情報を含
むため、具体的な数値は載せていない。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

1

第1章

X 線偏光について
1970 年代に Riccardo Giacconi らにより初めて太陽系外からの放射される X 線を観測して以来、観測については宇宙の撮像と分光の観測が主になされてきた。撮像では天体の幾何学的な構造が分かり、分光では元素由来の輝線の観測により天体を構成する元素を知ることが可能である。2023 年度中にも、これらの観測に特化した X 線分光撮像衛星 XRISM が打ち上げ予定である。しかし近年、粒子加速の現場での天体の磁場構造を把握できるとして、X 線偏光観測が近年注目されている。例えば、2022 年 Imaging X-ray Polarimetry Explorer(IXPE) での観測でベラ星雲から X 線偏光が確認された。星雲の外側の偏光度は約 60% と、かに星雲で見られた偏光度の 20% の約 3 倍であった。60% は偏光の理論的限界に近いため、ベラ中性子星雲中の電子は均一な磁場の中で加速されていることが分かる。このように、X 線偏光の観測
は天体の磁場構造を解明する手がかりとなる。そこで本論文では、半導体検出器の SOI ピク
セル検出器を用いて X 線偏光観測を考えている。
本章では X 線偏光の基礎、天体からの偏光、X 線偏光計について説明する。

1.1 X 線偏光の基礎
光は波の性質として電場と磁場が互いに垂直に振動しながら媒質中を進む。電場ベクトルに着目すれば、その振動方向が進行方向に対して常に直線上にある場合と回転して楕円を描く場
合が存在する。前者の場合を直線偏光と言い、後者を楕円偏光とよぶ。楕円偏光のうち特に円を描く場合を円偏光と呼ぶ。X 線天文学では直線偏光のみを取り扱うため、以降 “偏光” とは
直線偏光のことを表す。
個々の光はそれぞれ偏光しているが、集団になるとその状況は変わる。集団での光の偏光の程度を表す量として偏光度がある。集団で全ての光が完全に偏光の向きが揃っていた場合完全偏光と呼び偏光度は 100% である。一方で、全ての光の偏光の向きが不揃いであった場合無偏光と呼び偏光度は 0% である。一部だけの光が偏光していた場合は部分偏光とよび、その時の

第1章

2

X 線偏光について

偏光度は全体の光の強度に対する偏光した光の強度の比で表され、

p=

Ipol
Ipol + Iunpol(1.1)とかける。Ipol は偏光成分の強度、Iunpol は無偏光成分の強度である。

1.1.1 光電吸収
光電吸収は光子が原子に全てのエネルギーを渡し、入射光子が消失する相互作用である。光
電吸収の模式図を図 1.1 に示す。入射した X 線のエネルギー E から吸収原子の束縛エネル

図 1.1 光電吸収の模式図

ギー Eb を引いたエネルギー Ee− を持つ光電子が放出される。

Ee − = E − Eb(1.2)

この光電子は入射 X 線の偏光方向に依存した異方性をもって放出される。非相対論的エネル
ギーの場合 、散乱断面積は

dσpsin2 θ cos2 ϕ∝dΩ(1 − β cos θ)4(1.3)

で表せられる。θ は光電子の放出方向と入射 X 線の進行方向とがなす角、ϕ は光電子の放出方向と入射 X 線の偏光方向とのなす角、β は光速に対する電子の速度である。ϕ = 0 のときに最大となるため、入射 X 線の偏光方向に光電子が放出しやすいことが分かる。

K 殻の電子が入射 X 線によって弾き飛ばされて空席が生じると、K 殻の空席を埋めるように電子が L、M 殻などから落ちてくる。その際に、準位差に応じた X 線 (特性 X 線)、または
そのエネルギーを受け取った外殻の電子（オージェ電子）が放出される。特性 X 線が放出される確率を蛍光収率と呼び、Si の K 殻電子が弾き飛ばされた場合の蛍光収率は 0.047 である。
そのため多くの場合はオージェ電子が放出される。光電吸収によって生じた電子は、運動エネ
ルギーを周囲の原子に与え、電子正孔対を生成する。その際、発生する電荷の個数はエネル

1.1 X 線偏光の基礎

3

ギーに比例する。したがって、この電荷を収集すれば、入射 X 線 (X 線のエネルギー) を知ることができる。しかし一部の特性 X 線は検出器外に逃げてしまい観測できない事象も発生する。その場合は、特性 X 線を引いたエネルギーしか検出できないため、エネルギースペクト
ル上で全吸収ピークよりもエネルギーの低い位置にエスケープピークを作る。

1.1.2 コンプトン散乱
コンプトン散乱は、高エネルギー光子と電子の非弾性散乱である。コンプトン散乱の模式図を図 1.2 に示す。静止した電子にエネルギー E の光子が入射し、角度 θ の方向に散乱される

図 1.2 コンプトン散乱の模式図

場合を考える。エネルギーと運動量の保存則から、散乱後の光子のエネルギー E ′ と弾き出された電子（反跳電子）のエネルギー Ee はそれぞれ、

E′ =

E
1+

Ee − = E − E

′

(1.4)

E
m0 c2 (1 − cos θ)E
m0 c2 (1 − cos θ)=E
1 + mE0 c2 (1 − cos θ)

(1.5)

と表せる。
散乱光子の微分断面積は、クライン仁科の公式より、

dσ
re2
=
dΩ
2

(

E′
E

)2 (

E
E′
+
− 2 sin2 θ cos2 ϕ
E
E

)
(1.6)

と表せる。re = e2 /me c2 は古典電子半径、θ は散乱 X 線の放出方向と入射 X 線の進行方向とがなす角、ϕ は散乱 X 線の放出方向と入射 X 線の偏光方向とのなす角である。ϕ = π/2 のときに最大となるため、入射 X 線の偏光方向と垂直に散乱光子が放出しやすいことが分かる。

第1章

4

X 線偏光について

1.1.3 シンクトロン放射
シンクロトロン放射は、磁場中の電子がローレンツ力を受けるときに放射される電磁波である。この放射では、磁場の向きと垂直方向に直線偏光する。従って偏光を観測することで磁場の向きが分かり、偏光度から磁場の均一性が分かる。

1.2

天体からの偏光

天体からの偏光は以下の 2 つの生成過程に分類される。

1.2.1 磁場による偏光
高エネルギーの電子が磁場中でローレンツ力を受けるときにシンクロトロン放射が放出される。この放射による電磁波は磁場方向に垂直な方向に偏光とするので、X 線の偏光を観測する
ことで天体の磁場構造を知ることができる。例えば、降着円盤から放出されるジェットの磁場構造を推定することができる可能性がある。ジェットの磁場がランダムではなく、ある一定の構造を持っている場合はその磁場の方向と垂直な方向に偏光した光が観測される。[1]図 1.3 ジェットの偏光状態 [1]1.3 X 線偏光計

51.2.2 散乱による偏光
天体が放出する光が無偏光な場合でも物質との散乱で X 線が偏光することもある。例えば、ブラックホールからの放射が降着円盤により散乱される場合、偏光方向が打ち消しあい、降着円盤の軸上から観測すると無偏光が観測される。しかし、降着円盤の軸上以外から観測することで偏光を観測できる可能性がある。直接成分と散乱成分の比は、X 線エネルギーによっても変わるため、偏光度と偏光方向を X 線エネルギー毎に測定することで、ブラックホール周辺の降着円盤の見込み角や、中心ブラックホールからみた立体角を推定できる [?]。その様子を
図 1.4 に示す。

図 1.4 観測者の方向によって異なる散乱光の偏光 [1]1.3 X 線偏光計
X 線偏光計には、光電吸収後の散乱電子の放出方向から偏光を観測する検出器と、コンプト
ン散乱の散乱 X 線の放出方向から偏光を観測検出器が存在する。本節では、それぞれの偏光の測定で使用される検出器の違いについて説明する。

1.3.1 光電子追跡型偏光計
光電吸収で偏光を観測する場合は、光電子の飛跡を追跡する必要があるため、光電子の飛程が長いガス検出器が主に用いられる。2021 年に打ち上げられた IXPE にも 2–8 keV の軟 X

第1章

6

X 線偏光について

線偏光を観測するためにガス検出器が搭載された。ガス中では光電子の飛程が数 mm と長いため数 100 µm のピクセルサイズで偏光を観測することができる。しかし既存の半導体検出器に比べてエネルギー分解能が 6.4 keV の X 線に対して約 1 keV と悪い [?]。また光電子の飛程が長いメリットがある一方で、その分大きな体積が必要になる。
光電子追跡型偏光計の例として、図 1.5(a) に IXPE に搭載されたガス検出器の模式図を示す。入射した X 線はベリリウム窓を通り、DME と He が封入された検出部で光電吸収により光電子が作られる。光電子が周囲を電離しながら進み、高電圧を印加したガス電子増幅フォイル（Gas Electron Multiplier, GEM）で増幅される。増幅することでノイズと分離しやすくなる。図 1.5(b) に図 1.5(a) のガス検出器で測定された 5.9 keV の X 線の光電子の飛跡の様子を示す。緑の点と線が光子の入射位置と光電子の飛跡を表し、青い点と線は落とした電荷の重
(a)

(b)

図 1.5 (a)IXPE に搭載されたガス検出器の模式図、(b) ガス検出器で測定された 5.9 keVの X 線の光電子の飛跡

心と光電子の飛跡を表している。

1.3.2 散乱型偏光計
コンプトン散乱で偏光を観測する場合は、散乱体でコンプトン散乱させ、散乱光子を吸収体
で光電吸収させることで、コンプトン散乱が発生した位置と散乱光子の入射位置から偏光を観測する。光電吸収の確率は原子番号 z の 4–5 乗に比例するため、散乱体にはシリコン半導体検出器やプラスチックシンチレータなど軽元素を使用した検出器が用いられ、吸収体には CdTe
検出器などが主に用いられる。入射 X 線のエネルギー E は、散乱体で落とすエネルギー Ee−と吸収体で得られるエネルギー E ′ を用いて、

E = Ee − + E ′(1.7)

1.3 X 線偏光計7で求めることができる。また、式 1.5 を変形すると、

cos θ = 1 −m0 c2
m0 c 2+E′
Ee − + E ′(1.8)

つまり図 1.6 に示すように散乱体と吸収体に落としたエネルギーから入射 X 線の入射方向を
角度 θ に制限することができる。

図 1.6

散乱型偏光計の例。入射 X 線が散乱体と吸収体に落としたエネルギーから入射角度を θ に制限することができる。[9]1.3.3 半導体検出器
光電子の放出方向から偏光測定する場合、エネルギー分解能、小型化の観点から半導体検出器は優れている。2023 年度打ち上げ予定の XRISM 衛星に搭載される CCD のエネルギー分
解能は 5.9 keV の X 線に対して約 130 eV とガス検出器に比べて良い性能を有している。光電子の飛跡も数 µm のため大きな体積の検出器を必要としない。しかし、電子の飛跡が短い分、電子の飛跡を測定するには、数 µm 単位のピクセルサイズが必要である。

1.3.4 本論文の目的
本論文では、半導体検出器である SOI ピクセル検出器を用いて軟 X 線帯域で偏光観測を考えている。SOI ピクセル検出器の中でも、宇宙用途ではなく汎用用途で開発が進められており、ピクセルサイズが細かいという特徴を持つ「INTPIX」に着目している。まずは、INTPIX
が X 線偏光観測に適した検出器であるかを調べるために、INTPIX の基本的性能を調べた。
その後、宇宙空間で検出器を使用する際に必須である放射線耐性について評価を行った。

9

第2章

半導体検出器
我々が宇宙 X 線観測用に開発している検出器は、シリコンを使用した半導体検出器である。
本章では、X 線と物質の相互作用について、半導体検出器の基礎、半導体検出器の放射線損傷について説明する。

2.1

半導体の基礎本論文で扱う SOI ピクセル検出器は半導体検出器であるため、本節では半導体の基礎について説明する。
半導体とは導体と絶縁体の中間の性質を持つ物質である。例えば Si のような 4 価の半導体
結晶に、P のような 5 価の元素をドープする。5 個の価電子のうち 4 個で Si と共有結合を作るが、残りの 1 個の価電子が結合されずに余り、自由電子として振る舞う。このような半導体
を n 型半導体と呼ぶ。逆に B のような 3 価の原子を Si にドープすると、3 個の価電子で共有結合を作り、価電子が 1 つ足りなくなる。このような電子の空孔のある半導体を p 型半導体と呼ぶ。図 2.1(a)、2.1(b) に n 型半導体と p 型半導体の Si 結晶の模式図を示す。

2.1.1

pn 接合

n 型半導体と p 型半導体を接合したときの模式図と、エネルギーバンド図を図 2.2(a)、2.2(b)に示す。n 型の多数キャリアである電子が p 型半導体側に拡散し、p 型の多数キャリアである
正孔が n 型半導体側に拡散する。その際、n 型に正にイオン価したドナーイオン ND が残り、p 型には負にイオン価したアクセプターイオン ND が残る。その結果、n 型には正の空間電荷ができ、p 型には負の空間電荷できる。この空間電荷が作る電場により、拡散とは逆方向にキャリアがドリフトされる。最終的に、拡散とドリフトが釣り合う平衡状態となる。pn 接合の接合面には電位差 Vbi が発生し、これを内蔵電位（ビルトインポテンシャル）と呼ぶ。また

第 2 章 半導体検出器

10
(a)

(b)

図 2.1 Si 結晶の模式図 (a)n 型半導体、(b)p 型半導体

この領域はキャリアが存在せず、空乏層と呼ぶ。
(a)

(b)

図 2.2 (a)PN 接合の模式図、(b) エネルギーバンド図

2.1.2 空乏層厚とバックバイアス電圧
空乏層内は、理想的にはキャリアは存在せず、印加された電圧により電場が発生している。
そのため空乏層内に X 線が入射すると、生成された電荷は再結合せず電場でドリフトされる。
全ての電荷を回収することができれば、発生した元の電荷量が見積ることができ、X 線のエネ
ルギーを知ることができる。つまり空乏層を X 線の検出領域として利用できる。全ての電荷を回収するには強い電場が必要になるため、実際に半導体を放射線検出器として用いる時は、

p 型半導体にマイナス電圧、n 型半導体にプラス電圧 (バックバイアス電圧) を印加して使用する。外部からバックバイアス電圧 VBB を印加すると、接合面のポテンシャル差は Vbi + VBB

2.2 MOSFET

11とさらに大きくなり、空乏層も広がる。
空乏層厚は計算によって求めることが出来る。空乏層にはキャリアがゼロで、印加電圧が全て空乏領域にかかっているという理想的な場合を考える。アクセプタ濃度を NA 、ドナー濃度
を ND とすると、p 型、n 型 Si 半導体それぞれの空乏層厚 Dp , Dn は、√D=√
2εSi (Vb + Vbi ),eNA (1 + NA /ND )Dn =2εSi (Vb + Vbi )eND (1 + ND /NA )(2.1)と表せる。εSi は Si の誘電率、e は電気素量を表している。本論文で扱う検出器は、低濃度のp 型 Si の一部に、高濃度でドープした n 型半導体を作成している。つまり ND ≫ NA である。
この場合、式 2.1 より主に p 型半導体が空乏化する。ND ≫ NA での空乏層厚は、√
D = Dp + Dn ≃ Dp ≃2εSi (Vb + Vbi )=eNA√
2εS µh ρp (Vb + Vbi )(2.2)と表せる。比抵抗 ρp = 1/eµh NA を用いて表しており、µh はホールの移動度を表す。式 2.2より、空乏層厚は電圧の平方根に比例することが分かる。

2.2 MOSFET
INTPIX に使われる読み出し回路は、Metal Oxide Semiconductor Field Eﬀect Transistor(MOSFET) で構成された CMOS 回路である。以下に、MOSFET の構造と動作原理を
示す。

2.2.1

MOSFET の構造

MOSFET は金属 (Metal)、酸化物 (Oxide)、半導体 (Semiconductor) から構成される電界効果トランジスタ (Field Eﬀect Transistor) の一種である。MOSFET の模式図を図 2.3(a)に示す。MOSFET は電流に寄与するキャリアの違いによって、 NMOS(N-channel MOS)、PMOS (P-channel MOS) の 2 種類に分けられる。

2.2.2

MOSFET の動作原理

NMOS の場合、ゲート電圧を印加することで、p 型半導体のキャリアが下方に追いやられて、酸化膜下に空乏層が形成される。この状態を弱反転状態と呼ぶ。さらにゲート電圧を上げると図 2.3(b) のように電子がゲート酸化膜下に誘起され、n 型半導体のように振る舞う。この状態ではソースとドレイン間が n 型で繋がっているため電流が流れる。この状態を強反転状態と呼ぶ。つまり、ゲート電極に印加する電圧を変化させることで、ソースとドレイン間に

第 2 章 半導体検出器

12流れる電流を制御することが出来る。この性質を利用すれば、MOSFET をスイッチの ON、

OFF として用いることも可能である。
(a)

(b)

図 2.3 NMOS の構造の模式図 [3] (a) ゲート電圧印加前、(b) ゲート電圧印加後

2.2.3 ソースフォロア回路
ソースフォロア回路は後段のインピーダンスの影響による素子からの出力電圧の変化を防ぐバッファ回路である。Vin の変化に Vout の変化が追随する動作をする。図 2.4(a) に NMOSを用いたソースフォロア回路、図 2.4(b) にソースフォロア回路の入出力特性を示す。
(a)

図 2.4

(b)

(a)NMOS を用いたソースフォロア回路、(b) ソースフォロア回路の入出力特性 [10]この動作を式を使って確認する。トランジスタ Tr.1 に注目すると、

VGS1 = Vin − Vout

(2.3)

VDS1 = VDD − Vout

(2.4)

2.2 MOSFET

13が成り立つ。Tr.1 の閾値電圧を VT1 とした場合、VGS1 − VDS1 − VT1 = Vin − Vout − (VDD − Vout ) − VT1= Vin − VDD − VT1(2.5)

Tr.1 は飽和状態で動作させることから、Tr.1 に流れる電流 ID1 は、
ID1 ≃

1
1
2
2
β1 (VGS1 − VT1 ) = β1 (Vin − Vout − VT1 )
2
2

(2.6)

と書ける。ここで、β1 = µCox W
L である。次に Tr.2 に注目する。Tr.1 の飽和状態で動作させることから、Tr.1 に流れる電流 ID1 は、

ID2 ≃

1
1
2
2
β2 (VGS2 − VT2 ) = β2 (VSF − VT2 )
2
2

(2.7)

となる。出力側に電流が流れ出さなければ、ID1 = ID2 が成り立つので、式 2.6, 2.7 から Vout
について解くと、√(
Vout = Vin −

VT1 −

β2
VT2
β1

√

)
−

β2
VSF
β1

(2.8)

となる。Tr.1 と Tr.2 で同じ MOSFET を使用している場合、β1 ∼ β2 、VT1 ∼ VT2 (= VT ) が成り立つ。また VSF ∼ VT2 を仮定しているので、式 2.8 は、

Vout = Vin − VT

(2.9)

となり、Vin の変化に Vout が一定の電位差 VT を保ちながら動作することがわかる。

2.2.4

CSA 回路

電荷有感増幅回路（Charge Sensitive Amplifer,CSA）は、ソース接地増幅回路にフィー
ドバックキャパシタンスを加えたもので、電極で回収した電荷を電荷量に比例する電圧に変換して増幅する回路である。INTPIX シリーズでは INTPIX8 以降、XRPIX シリーズでは

XRPIX3 以降で導入された。図 2.5(a) にソース接地増幅回路の回路図を示す。入力電圧の変化を vin 、出力電圧の変化 vout とすると、ソース接地増幅回路の電圧利得 ACS は、−ACS ≡

r1 r2
vout= −gm Reﬀ = −gmvinr 1 + r2

(2.10)と表せられる。gm は相互インダクタンス、r1 、r2 は PMOS、NMOS の出力抵抗である。式2.10 には符号にマイナスがついていることから、入力電圧が反転増幅される。次に CSA 回路について考える。図 2.5(b) に CSA 回路の回路図を示す。

Ccen はセンスノードの静電容量、Cf はフィードバックキャパシタを表す。vin の電圧は、
vin =Q
Csen + (ACS + 1)Cf

(2.11)

第 2 章 半導体検出器

14
(a)

(b)

図 2.5 (a) 信号入力部に NMOS を用いたソース接地増幅回路。(b)XRPIX に搭載している、ソース接地増幅回路による電荷有感型増幅器 [10]よって、出力される電圧 vout は式 2.10 より、

vout = −ACS vin = −

Q
(
)
1
1
ACS Csen + 1 + ACS Cf(2.12)と表せられる。A が十分大きいという理想的な場合、

vout ≃ −Q
Cf(2.13)と近似できる。式 2.13 より、センサー層で発生した電荷はフィードバックキャパシタ Cf に集められる。そのためセンスノード容量 CSN に電荷は溜まらず、センスノードの電圧は変化しない。また、ゲイン G′ [µV /e− ] はセンスノード容量によらずフィードバックキャパシタによって決まる。SOI 検出器では、バックゲート効果の抑制のためにセンスノードの周りに横長の BNW を導入している。しかしその影響でセンスノード容量が増加しゲイン G′ が低下するという問題があった。ゲインが下がると入力電圧の出力が低下するため、回路後段で乗るノイズを無視できなくなる。CSA 回路は出力電圧 vout がセンスノード容量 Cf に依らないため、横長の BNW でバックゲート効果を抑制しつつ高いゲインを維持することができる。

2.3

放射線損傷

半導体検出器中に高エネルギーの粒子や X 線が入射すると、物質との相互作用の影響で検出器が放射線損傷を受ける。放射線損傷は、バルク損傷と TID 損傷の 2 つに分けられる。

2.3 放射線損傷

152.3.1 バルク損傷
バルク損傷は、高エネルギーの粒子が半導体検出器を構成する Si の原子核を弾き飛ばすことで結晶特性の変化が起こる損傷である。バルク損傷の模式図を図 2.6 に示す。これにより Si
結晶中に格子欠陥が作られ、中間準位の生成を引き起こす。

図 2.6

バルク損傷の模式図

中間準位の生成により、伝導体の電子が熱などで励起されやすくなり、X 線由来ではない電
荷 (暗電流) が発生する。暗電流は X 線により生成された電荷と見分けがつかないため、暗電流のショットノイズが分光性能の劣化に寄与する。また、X 線由来の電荷が格子欠陥部を通過する際、電荷のトラップによる電荷損失が起こり、X 線のエネルギーを正確に測定することができなくなる。
実際にすざく衛星に搭載された X 線 CCD では、格子欠陥により CTI(charge transfer

ineﬃciency) が増加することで分光性能が劣化している。図 2.7 に、1 年程度で分光性能が約16% 劣化した様子を示す。

2.3.2 イオン損傷
イオン損傷は、物質に高エネルギー粒子や X 線が入射した際の電離で作られる電荷により、

CMOS 回路層やセンサー層の特性が変化する損傷である。Total Ionizing Dose Eﬀect(TID)と Single Event Eﬀect(SEE) に分けられる。

第 2 章 半導体検出器

16

図 2.7

すざく衛星搭載の X 線 CCD のエネルギー分解能の経年劣化 [2]TID 効果TID は、入射する放射線により生成された電荷の蓄積による損傷である。TID 効果の様子を図 2.8 に示す。半導体検出器は基本的に X 線を検出する Si のセンサー層と、SiO2 の絶縁層で構成される。入射する放射線により、どちらの層でも電離し電子正孔対を作る。センサー層
では、電子正孔は電場により電極に回収されるが、絶縁層では、正孔の移動度が低いため絶縁層にトラップされ空間電荷を作る。これにより、回路層の MOSFET の特性を変化せたり、センサー層の電荷分布を変化させる。また一部のホールは絶縁層とセンサー層の境界にドリフトし、Si と SiO2 の結合を切り、界面準位を増加させる。

図 2.8 TID 効果の模式図

2.3 放射線損傷

17

SEE

SEE は、単発の高エネルギー粒子や重粒子線が CMOS 回路層での電離で確率的に引き起こす損傷である。SEE のイメージ図を図 2.9 に示す。MOSFET のシリコンバルク部に重粒子線が入射すると高密度の電離を起こし、電荷は電極に回収される。これが電極に対して擬似的な電気信号になり、主に Single Event Upset(SEU) と Single Event Latch-up(SEL) の 2 つの現象を起こす。

図 2.9

SEE のイメージ図 [7]SEU は、メモリ素子やフリップフロップ等で発生し、重粒子の電離で生成された電荷がメモリ回路に流れ込むことで誤作動を引き起こし、記憶されていた情報が反転する現象である。

SEL は、主に Bulk CMOS 構造の MOSFET で発生する。Bulk CMOS ではサイリスタ構
造 (pnpn 接合) が含まれているため、重粒子の電離による電流によりサイリスタがオン状態になってしまい大電流が流れ続ける現象である。図 2.10 に Bulk CMOS でのラッチアップの様子を示す。
これにより、動作不良や素子の破壊が起きる。INTPIX に使われる SOI CMOS 構造では、

pnpn 接合は存在せず、SEL は原理的に起こらない

第 2 章 半導体検出器

18

図 2.10 ラッチアップの様子 [11]

19

第3章

SOI ピクセル検出器
本論文で研究を行っている SOI ピクセル検出器は、高エネルギー実験、天文衛星、医療機器等などで実用化を目指す汎用の放射線検出器として 2005 年 7 月にプロジェクトが始まった。

SOI ピクセル検出器は、Silicon On Insulator(SOI) 技術を用いることで、X 線を検出するセンサー層と検出した X 線、電気信号として処理する CMOS 回路層を SiO2 層 (BOX 層) で挟み一体化させたモノリシック検出器である。SOI ピクセル検出器の模式図を図 3.1 に示す。本章は SOI 技術の特徴について述べ、年々改良を続けたピクセル構造の違いついて説明する。

図 3.1

SOIPIX の断面の模式図 [12]

第 3 章 SOI ピクセル検出器

20

3.1 SOI 技術
従来の CMOS 回路に使われてた Bulk CMOS は、n 型半導体と p 型半導体を複雑に組み合わせて作られる。一方 SOI CMOS は、回路部と基板のシリコン部の間に絶縁層を挟み込む。
図 3.2(a)、3.2(b) に Bulk CMOS と SOI CMOS の断面の模式図を示す。
(a)

(b)

図 3.2 Bulk CMOS と SOI CMOS の断面の模式図 (a)Bulk CMOS (B)SOI CMOS

SOI CMOS は半導体検出器として使用する上で以下の多くの利点がある。
高集積性

SOI CMOS では、トランジスタ間同士が絶縁されているため、互いに干渉せずに高密度に配置することができる。またそれによりピクセルサイズを小さくすることも可能である。
厚いセンサー領域の実現

X 線を検出するためのセンサー領域を広げるためには、厚い空乏層が必要である。式 2.2 より厚い空乏層を実現するには高比抵抗のシリコンと高電圧が必要である。高比抵抗の Si ウェ
ハーは Smart Cut 法を用いた SOI 技術により実現可能である。また CMOS 回路層とセンサー層が絶縁体で分離されているため、数 100V の高電圧も印加可能である。
低消費電力

SOI CMOS は周りを絶縁体で囲まれているため、基板に漏れ出すリーク電流が少ないため、
低電力消費である。
低コスト
素子は産業用の汎用プロセスを用いることができるため、低コストである。

3.2 SOI ピクセル検出器の種類

21

放射線耐性

SOI CMOS 構造には、pnpn 接合は存在しないため、CMOS 回路に大電流が流れる SEL は
原理的に起こらない。

3.2 SOI ピクセル検出器の種類
SOI ピクセル検出器は、汎用用途目的で開発されている INTPIX、2030 年台打ち上げ予定の FORCE 衛星に搭載予定の XRPIX、高エネルギー物理実験用途の SOFIST が存在する。
本節ではそれぞれの特徴について説明する。

3.2.1

INTPIXINTPIX は汎用目的の検出器として開発が進められており、例えば線路の応力測定などに実際に使用されてた citeSASAKI2020。図 3.3、表 3.1 に最新構造の INTPIX8 の写真とその仕様を示す。特徴として、XRPIX と比べてセンサー層が厚い、細かなピクセルサイズ、大面積、広いダイナミックレンジを持つ。INTPIX データの読み出し方法は、全ピクセルで一斉に露光を開始し、その後ピクセル毎に電荷を読み出し、電圧がリセットされる。これをフレーム読み出しと言い、一般的なピクセル検出器の読み出し動作である。
表 3.1 SOIPIX シリーズの仕様

項目

INTPIX8XRPIX8.5

SOIFST version2

センサー面積18.4 × 12.2 mm2

3.5 mm × 3.5 mm2

4.45 mm × 4.45 mm2ピクセルサイズ

16 × 16 µm2

36 × 36 µm2

25 × 25 µm2

ピクセル数1024 × 640 pix

96 × 96 pix

80 × 64 pix

センサー層厚500 µm300 µm75 µm

センサー層の比抵抗25 kΩcm∼ 6 kΩcm

3.2.2

XRPIX

2030 年代打ち上げ予定の FORCE 衛星に搭載予定の SOI ピクセル検出器である。図 3.4(b)に FORXE 衛星の外観、図 3.4(b) に最新構造の XRPIX8.5 の写真、表 3.1 に XRPIX8.5 の仕様を示す。
特徴としては、各ピクセル毎の回路にトリガー回路が搭載されており、X 線が入射したタイ
ミングにのみ、X 線が入射したピクセルの周囲 8 × 8pix のデータ取得を行う。これをイベン

第 3 章 SOI ピクセル検出器

22

図 3.3 INTPIX8 の写真。右側のフィルムで覆われた部分が INTPIX8 の検出部（素子部）である。

(a)

(b)

図 3.4

(a)FORCE 衛星の外観 (b)FORCE 衛星に搭載予定の XRPIX の写真

ト駆動読み出しと言う。イベント駆動読み出しの流れを図 3.5 に示す。

i. あるピクセルに X 線が入射し、電荷が生成される。
ii. 生成電荷による信号レベルが、予め設定していたトリガー閾値電圧を超えると、ピ クセ
ル内の比較器回路のロジックが反転する。その際、Column と Row 方向の射影 にトリガー信号が出力される。

3.2 SOI ピクセル検出器の種類

図 3.5

23

イベント駆動読み出しの流れ [13]iii. 全ラインのトリガー信号の OR が FPGA に出力される。その後、Column と Row のAND を取得する。
iv. 信号を FPGA が検出すると、DAQ を開始してからの時間と露光時間をそれぞれ記録する。また、ヒットしたピクセルのパターン (複数ピクセルでヒットがあるかどうか)も記録する。

v. ヒットしたピクセルの座標をスキャンし記録する。
vi. FPGA で読み出しを行うイベントと判断した場合、読み出すアドレスを指定する。
vii. 出力されたアナログ信号を外部の ADC でデジタル変換する。デジタルのデータは 一
時的に FPGA のレジスタに保存される。

viii. 得られたデータをネットワーク経由で PC へ転送する。
露光時間中に X 線の入射がなければ、一度リセットを行い再度露光を行う。

3.2.3

SOFIST電子、陽電子の衝突実験 (International Linear Collider,ILC) 実験の高精度の空間、時間の測定を目的に開発された SOI ピクセル検出器である。図 3.6(a)、3.6(b) に SOFIST の素子概要と全体のレイアウトを示す。SOFIST の特徴としては、各ピクセルにタイムスタンプメモリとアナログシグナルメモリを搭載することで位置、時間を同時記録できる。

第 3 章 SOI ピクセル検出器

24
(a)

(b)

図 3.6

SOFIST version 2[4](a) チップ概要、(b) 全体レイアウト

3.3 SOI ピクセル検出器のピクセル構造
SOI ピクセル検出器は、エネルギー分解能、電荷収集効率、放射線耐性などを向上させるた
めに、ピクセル構造を改良してきた。本節では、ピクセル構造の変遷と問題点について説明
する。

3.3.1

Single SOI 構造

Single SOI 構造は、SOI ピクセル検出器の最も基本的な構造である。図 3.7 に Single SOI
構造のピクセル中心の断面図を示す。センサー層は空乏層を形成するために薄くボロンをドープした Si 基板を使用している。ピクセル構造としては、X 線が入射し生成された電子を回収する電極 (Sense Node) と、センサー層を広げるための電圧 (バックバイアス) の影響を CMOS
回路層に伝わるのを防ぐための BNW、横方向の電場を作るための p-stop が存在する。Single

SOI 構造では、回路層と BPW の間で寄生容量が存在し、分光性能が劣化することが分かっている [14]。

3.3.2

Double SOI 構造

Double SOI 構造は、Single SOI 構造で問題となった回路層と BPW の干渉を防ぐために、BOX 層にシリコン層 (ミドルシリコン) を入れた構造である。図 3.8 に Double SOI 構造のピ
クセル中心の断面図を示す。BOX 層のシリコン層 (ミドルシリコン) に印加する電位を固定す3.3 SOI ピクセル検出器のピクセル構造

図 3.7

Single SOI 構造のピクセル中心の断面の模式図

図 3.8

Double SOI 構造のピクセル中心の断面の模式図

25ることで回路層とセンサー層の干渉を防ぐことができる。また、Single SOI 構造では放射線損傷に対する対策をしていなかったが、Double SOI 構造はミドルシリコンに負の電圧を印加することで、BOX 層に蓄積する負の電圧を打ち消すことができる。図 3.9 に Single SOI 構造の XRPIX2b と Double SOI 構造の XRPIX6C で陽子線を照射したときのエネルギー分解能の照射量依存性を示す。Double SOI 構造を導入した XRPIX6C でエネルギー分解能の増加を抑制できていることが分かる。しかし Double SOI 構造では、Si/SiO2 界面での電荷損失によるテール問題や電荷収集時間の問題が新たに見つかった [10]。

Energy resolution of XRPIX6C @5.9 keV [eV]XRPIX6C (D-SOI)

6.89

XRPIX2b (S-SOI)

6.88

000

6.87
6.86
6.85
6.84
6.83

Gain of XRPIX2b [µ V/e−]

6.9

6.82
6.81
2000

3000 4000
Dose (rad)

5000

6000

340
1050
320

XRPIX6C (D-SOI)
1000

XRPIX2b (S-SOI)

950

300

900

280

850
260
800
240
220

750
1000

2000

3000 4000
Dose (rad)

5000

700
6000

Energy resolution of XRPIX2b @22.1 keV [eV]

第 3 章 SOI ピクセル検出器

26

図 3.9 Single SOI 構造の XRPIX2b と Double SOI 構造の XRPIX6C の陽子線照射量依存のエネルギー分解能の比較
Degradation of chip
output gain (left panel) and energy resolution (right panel)
X6C (D-SOI device), compared with those of XRPIX2b (S-SOI). The results ofd the fitted functions are overplotted in the same manner as in Fig. 3.

3.3.3 Pinned Depleted Diode 構造
ment of the FORCE satellite.
PDD 構造は、Double SOI 構造で問題となっていた、回路層と BPW の間の寄生容量と、

ussion onDouble
the Degradation
Mechanism
SOI 構造で問題となっていたテール問題と電荷回収時間の問題を同時に解消する構造である。図 3.10(a) に PDD 構造のピクセル中心の断面図を示す。PDD 構造の特徴は、階段
vice Simulation上に形成した BPW1 と BPW2 である。図 3.10(b) に PDD 構造の 3 次元ポテンシャル図を
proton irradiation experiment of the D-SOI device revealed that the示す。この部分に負の電圧を印加しポテンシャルのバリアを作ることで、センサー層で生成さtion of spectral
performance does not exhibit a significant improveれた電荷は界面付近までドリフトした後、横方向の電場でセンスノードに回収される。つまn particular, the gain degrades by a few tens of eV for the S-SOI
り、電荷はテール問題と電荷回収時間の問題の原因であった
Si/SiO2 界面に触れることなくs well as the
D-SOI device. In addition, the gain of these devices
収集できる。また
BNW2を一面に形成することで、センスノードを小さくしても電荷が回収
s in opposite
directions, which
would
be an insightful feature. Thus,
ection, we discuss
the degradation mechanism of the chip output gain
可能である。これによりセンスノードの静電容量も小さくなるためゲインの高い素子を実現で
D-SOI device.
きる。
nvestigate theまた図
mechanismof gainSOI
degradation,
we calculated
the XRPIX6E
elec3.9 に Doulbe
構造の XRPIX6Cと PDD 構造ので陽子線を照射しstructure andcarrier
distributionsin
XRPIX6C
using
thesemiconたときのエネルギー分解能の照射量依存性を示す。PDD 構造では、Double SOI 構造に比べ
device simulator HyDeLEOS, which is a part of the TCAD systemてエネルギー分解能の増加を抑制できていることが分かる。エネルギー分解能を低減できた
XSS [17]. The implementation of the device structure was identi理由として、BNW2 や BPW で界面を覆うことで BOX 層とセンサー層の界面準位由来の暗hat in Hagino et al. [18]. The sense nodes, p-stops, BPWs, BNWs,
電流を低減させたことが考えられる。またに印加する負電圧により、TID 効果によるddle Si layers
were implemented based on the BPW
parametersprovided
BOX 層に蓄積する正電荷の影響を打ち消したことが考えられる。
IS Semiconductor
Co. Ltd. In the simulation, the TID effect wasced by setting the positive fixed charges of ∼ 1011 cm−2 in the BOX
ased on the previous studies on SOI pixel devices [8].

10

3.4 SOI ピクセル検出器 INTPIX の宇宙偏光観測に向けて
(a)

27

(b)

図 3.10 (a)PDD 構造のピクセル中心の断面の模式図 (b)PDD の構造でシミュレーションを行なった際の 3 次元ポテンシャル図 [10]3.4 SOI ピクセル検出器 INTPIX の宇宙偏光観測に向けて
第 1 章で述べたように、SOI ピクセル検出器の持つ高い放射線耐性、SOI ピクセル検出器の中でも INTPIX のピクセルサイズ約 16µm という細かさから、INTPIX を用いて、撮像、分
光だけでなく X 線偏光までを行う検出器の開発を考えている。その利用に向け、本論文ではINTPIX シリーズの最新構造である INTPIX8 の基本性能評価、宇宙空間で半導体検出器を使用する際問題となる放射線耐性を調べた。

of FORCE, i.e., 300 eV at 6 keV. Therefore, we conclude that the PDD XRPIX has sufficientradiation hardness.

4 Discussion
4.1 Comparison with DSOI
Figure 12 shows a comparison of the energy resolutions between PDD
previous
第XRPIX
3 章 andSOItheピクセル検出器
XRPIX, DSOI XRPIX, which was introduced in Sec. 1. For a comparison under the same condition, data from PDD XRPIX are plotted only below 6.5 krad, which is the maximum total doseof the proton irradiation experiment of DSOI XRPIX.9 Both results of PDD and DSOI are fittedwith linear functions in this dose range. According to the fitting, after the 4-krad irradiation, theenergy resolution of the DSOI device is degraded by 7 ! 2.5 %, whereas that of the PDD device
remains constant within 1%. Therefore, the radiation hardness is improved in the PDD XRPIX,
at least in the aspect of energy resolution.
One possible reason for this improvement is related to structural differences near the
Si–SiO2 interface between PDD and DSOI. The problems with the DSOI XRPIX are dark current and charge loss at the Si–SiO2 interface. Because, in the DSOI structure, a significant fraction of the interface region is exposed to the depletion region in the sensor layer, electrons are
generated through the interface state, resulting in a large dark current. Furthermore, becausesignal charges are trapped at the interface during charge collection, charge loss occurs, and theenergy resolution deteriorates.4
In the PDD structure, on the other hand, the interface is covered with the BPW, which is asufficiently high doped p-well; therefore, the dark current is reduced by the recombination ofEnergy resolution @5.9 keV ∆E [eV]

28

280

Double SOI (6 MeV proton)

270

PDD

( 6 MeV proton)

PDD( 100 MeV proton)

260∆E =(5±1)D +(233± 3)

250
240
230
220

∆E =(0.7± 0.5)D +(212± 2)

210
200
0

1

2

3

4

5

6

Dose D [krad]of PDDXRPIX (red)
DSOI
XRPIX
(blue) as a の陽子線照射量依存
function of total dose
図Fig.
3.1112 Energy
Doubleresolution
SOI 構造のXRPIX6C
とand
PDD
構造の
XRPIX6E
below 6 krad. Best fit linear functions and 95% confidence regions are overplotted similarly asのエネルギー分解能の比較
in Fig. 5.

J. Astron. Telesc. Instrum. Syst.

036001-9

Jul–Sep 2021 • Vol. 7(3)

29

第4章

INTPIX8 の基本性能評価
第 1 章、3 章で述べたように、INTPIX の特徴である約 16 µm というピクセルサイズの細かさ、6–60 keV の広いダイナミックレンジから、宇宙 X 線の偏光観測での検出器利用を考えている。本章では、それらに向けて、INTPIX の動作、性能指標、基礎性能評価の結果について説明する。

4.1 Single SOI 構造の INTPIX8
INTPIX8 は SOI ピクセル検出器の中で最も基本的な Single SOI 構造を持つ素子である。
図 4.1(a)、4.1(b)、表 3.1 にピクセル中心の断面の模式図素子の実物の写真、仕様をまとめた表を示す。INTPIX8 センサー層を完全空乏化するには、500 µm のセンサー層には比抵抗
(a)

(b)

図 4.1 (a)Single SOI 構造の INTPIX8 の断面図、(b) 素子の実物の写真が 25 kΩ · cm の P 型 Si が使われていることから、式 2.2 より約 −100 V のバックバイアス

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

30(VBB ) の印加が必要である。

4.2

実験セットアップ実験を行う際のセットアップを図 4.2(b) に示す。INTPIX8 を SEABAS2 と呼ばれるデー
タ読み出し基板を接続し恒温層内に設置している。本節では、冷却系、電源系、X 線源、デー
タ取得システムなどの実験環境について説明する。
(a)

(b)

図 4.2 (a) 恒温層、(b) 恒温層内に設置した INTPIX8 と読み出しボード

4.2.1 冷却系
半導体検出器は温度が高いと電子の熱励起により暗電流が増加する。また INTPIX8 は可視光にも感度を持つため、可視光が入射するとノイズとなってしまう。そこで冷却、遮光用にエ
スペック社の恒温槽 MC-812（図 4.2(a)）を用いて基本性能評価を行った。

4.2.2 データ取得システム
INTPIX8 のデータ取得は、汎用の読み出しボード SEABAS2 (Soi EvAluation BoArd with
Sitcp) を INTPIX8 に物理的に接続して行う。図 4.3(a)、4.3(b) に ITNPIX8 と SEABAS2の写真、図 4.4 に SEABAS2 と INTPIX8 に基板を接続したときの写真を示す。 SEABAS2にはユーザ自身でデジタル回路の書き換えを行うことができる素子制御用の User FPGA とデータ転送用の SiTCP FPGA を搭載している。また素子から出力されたアナログ信号をデジ
タル信号に変換するために、2V の電圧を 4096 チャンネルに分割する 12 bit（488µV/ADU）の Analog Digital Converter（ADC）を搭載している。ADC から出力されたデジタル信号

4.2 実験セットアップ
(a)

31
(b)

図 4.3 (a)INTPIX8 の写真。フィルムで覆われ、ピンク色で囲んでいる部分が INTPIX8の検出部（素子部）である。(b)SEABUS2 の写真。

図 4.4

INTPIX8 と SEABAS2 を接続した写真。INTPIX8 は基板の裏側が上向きとなっている。黄色のシールが貼ってある部分が INTPIX8 の素子部である。

は、SiTCP FPGA を通り、イーサネット経由で PC にデータが送られる。
素子の動作は PC 上で、DAQ (Data AcQuisition system) Software を用いて行う。図4.5(a)、4.5(b) に DAQ Software のホーム画面、INTPIX8 の回路層の回路の動作パラメータを設定する画面を示す。DAQ Software の画面で SEABUS2 で設定した IP を入力し、検出器と PC 間とで通信を行う。また取得フレーム数もこの画面で設定可能である。また表 4.1 に図

4.5(b) の回路の動作パラメータの詳細を示す。

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

32

表 4.1 DAQ Software で設定できるパラメーター

設定項目

動作

Integration time

1 フレーム中にセンサー層で発生する電荷を回収する時間。

RST High Time

図 4.6 の RST が ON の時間。

CDS RST High Time

図 4.6 の CDS が ON の時間。

Scan Timeあるピクセルのアドレスを指定してからそのピクセルのアナログ信号がバッファで出力されるまでの待ち時間。
図 4.6 の VRST−CDS に印加する電圧。

CDS RST Voltage
IIN ABUF Voltage

アンプ回路に印加する電圧を設定する。
アンプの入力に対する応答性能はこの電圧によって決まる。

1 回の DAQ のサイクルが終わった後に

DAQ Interval

次のサイクルに入るまでの待ち時間。
通常の Scan Time に加えてRA Delay

追加の待ち時間を設定するためのパラメータ

Gain 0xオンで図 4.6 の G0 を閉じて CSA 回路のゲイン下げる。

Gain 1xオンで図 4.6 の G1 を閉じて CSA 回路のゲイン下げる。
オンでグローバルシャッターではなく、

ROLL
AOUTAxInvert ADU value

ローリングシャッターで撮像する。
すべてのピクセルアレイを 1ch で読み出す用の出力バッファ。

DAQ Software 内で検出器から出力の極性を反転する。

4.2.3 電源系
SEABAS2 の主電源は 3.3 V の電圧を印加する必要があり、TEXIO 社の直流安定化電源を用いて印加している。素子のバックバイアスの電源は、数 100 V の高電圧を必要とし、バッ
クバイアスに流れる電流は数 µA から数 10 µA と非常に小さいことから数 100 V の高電圧を印加でき、µA オーダで電流の測定が可能な KEYTHLEY 社のソースメータ (Model 2410

1100V SourceMeter) を用いた。

4.2 実験セットアップ
(a)

33
(b)

図 4.5 (a)DAQ Software のホーム画面。(b)INTPIX8 を動作させるパラメータを設定する画面。入力されているパラメータで動作させた。

4.2.4

X 線源

INTPIX8 が X 線の観測が可能かどうかを調べる必要がある。また INTPIX8 から出力された電圧（ADU）をエネルギーに変換するエネルギー較正を行い、INTPIX8 の分光性能を調べる必要がある。そこで、X 線のエネルギーが既知である X 線源である 57 Co、241 Am を用いて性能評価を行った。図 4.7 に 57 Co、241 Am の放射線源の写真を示す。57 Co は電子捕獲により6.404 keV、7.058 keV、14.413 keV の X 線を放射する。エネルギースペクトルで 6.404 keV、7.058 keV の 2 つの輝線を分離可能かを分光性能で評価するのに有用である。241 Am は α 崩壊で放出される 13.946 keV や 17.751 keV の軟 X 線に加えて、59.541 keV に X 線を放射する
ため、検出器の測定可能エネルギーを知る際に有用である。

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

34

図 4.6 INTPIX8 の回路層の回路図 [15]。

図 4.7 放射線源 57 Co と 241 Am の写真。241 Am は α 線も放出する。本章で行う性能評価
では α 線はノイズとなるため、α 線が放出されないようにカプトンテープを巻いている。

4.3

フレーム読み出しの解析方法

節 3.2.1 で説明したように、INTPIX はフレーム読み出しでデータを取得する。その際、検出器から出力される生データは、ピクセル特有のノイズが含まれていたり、X 線で生成された電荷が複数のピクセルに分割されたデータが含まれる。そのため、正確な X 線エネルギーを得るためにはそれらを補正する必要がる。本節では波高値の算出とイベントセレクションについて説明する。

4.3 フレーム読み出しの解析方法

35

4.3.1 波高値の算出
INTPIX、XRPIX はピクセル毎に読み出し回路を搭載している。そのため検出器からの生の出力信号 P d[x][y]f は、X 線の信号 P dX-ray [x][y]f にあるピクセル特有のオフセットとノイズ P dnoise+oﬀset [x][y]f が足した信号が出力される。それぞれを寄与を分解すると、

P d[x][y]f = P dX-ray [x][y]f + P dnoise+oﬀset [x][y]f(4.1)と 書 け る 。f は フ レ ー ム 数 を 表 す 。つ ま り あ る ピ ク セ ル 特 有 の オ フ セ ッ ト と ノ イ ズ

P dnoise+oﬀset [x][y]f を求めて、検出器の出力 P d[x][y]f から引くことで、ピクセル毎の特有のノイズに依らない X 線の出力 P dX-ray [x][y]f を求めることができる。各々のピクセル特有のオフセットとノイズは、X 線が高計数率で入射していない場合に、各フレーム各ピクセルの出力の前後 50 フレームの平均から、

1
P doﬀ [x][y]f ≃ P d[x][y]f ≡
101

f∑
+50

P d[x][y]fi(4.2)

fi =f −50として求めることができる。したがってピクセルによらない X 線の波高値は、式 4.1、4.2
より、

P dX-ray [x][y]f = P d[x][y]f − P d[x][y]f(4.3)と求めることができる。

4.3.2 イベントセレクション
INTPIX や XRPIX のようなピクセル検出器では、X 線により生成された電荷がピクセル毎の電極で回収するまでに電荷が拡散し、複数のピクセルにまたがることがある。このようなX 線イベントでは、X 線のエネルギーを正確に見積もるためには、またがった複数のピクセルの出力を足し合わせる必要がある。イベントセレクションのイメージを図 4.8 に示す。

X 線のイベントの判定は、あるピクセルの出力が、全ピクセルの出力のばらつきの 10 倍を超え、周囲 8 pix よりも出力が大きい場合に X 線イベントと判定する。その後、周囲 8 pix に
全ピクセルの出力のばらつきの 3 倍を超えるピクセルが無ければ、シングルピクセルイベントと判定し、10 倍を超えた 1 pix のみでエネルギーを見積もる。また、周囲 8 pix に、ピクセルの出力のばらつきの 3 倍を超えたピクセルがあるとき、X 線で生成された電荷が複数ピクセルに跨ったマルチピクセルイベントと判定する。そのピクセルの出力を中心ピクセルの出力に足し合わせた出力から X 線のエネルギーを見積もる。

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

36

図 4.8

4.4

イベントセレクションのイメージ図 [3]

性能指標

検出器の性能指標は主に、ゲイン、暗電流、読み出しノイズ、エネルギー分解能、検出効率である。本節では、それぞれの意味と導出方法について述べる。

4.4.1 ゲイン
ゲイン G は、横軸を既知の X 線のエネルギー [keV]、縦軸を検出器からの X 線の出力チャ
ンネル [ADU] としたときの傾き [ADU/keV] である。ゲイン G が大きければ、検出器からの出力を精度よく測定でき、小さければ測定可能なエネルギー範囲（ダイナミックレンジ）が大きくなる。また、生成された電子 1 つが何 V の信号電圧として出力されたか、[][]
G′ µV/e− = G [ADU/keV] × ORADC [µV/ADU] × WSi eV/e−(4.4)の 関 係 式 で 表 す こ と が で き る 。ORADC は 基 板 に 搭 載 さ れ て い る ADC の 分 解 能 (488µV/ADU)、WSi はシリコンの平均電離エネルギー (3.65 eV/e− ) である。

4.4 性能指標

37

4.4.2 暗電流
暗電流は、X 線が照射されていないときに電極に流れる単位時間あたりの電荷数である。X
線が入射していない時でも、界面準位や格子欠陥により電荷が生成され、その電荷数のショットノイズがエネルギー分解能を増大させる。暗電流の導出は、まず各露光時間で全ピクセルの出力をガウス関数でフィットし中心値を求める。その後、横軸に露光時間、縦軸に求めた中心値とし、直線フィットしたときの傾き [ADU/ms/pix] が暗電流である。また、ゲイン

G[ADU/keV] を用いて暗電流を [e− /ms/pix] や [fA/pix] に変換できる。
[][]
I ′ e− /ms/pix = I[ADU/ms/pix] ÷ G[ADU/keV] ÷ WSi eV/e−[]I ′ [fA/pix] = I ′ e− /ms/pix × 1.6 × 10−19 [C/e− ]

(4.5)
(4.6)

4.4.3 読み出しノイズ
読み出しノイズは、暗電流と CMOS 回路層で発生するノイズを足し合わせたものである。
全ピクセルの出力をガウス関数でフィットしたときの標準偏差 [ADU] から求められる。ゲイン [ADU/keV] を使って電子数 [e− ] に変換できる。

[ −]
[
]
′
σreadoute = σreadout [ADU] ÷ G [ADU/keV] ÷ WSi eV/e−(4.7)

4.4.4 エネルギー分解能
エネルギー分解能はエネルギーの決定精度を表す指標である。一般にエネルギー分解能は基線の半値幅 (Full Width Half Maximum,FWHM) で表される。輝線が細ければエネルギー分
解能は小さくなり、分光性能が良いと言える。エネルギー分解能（FWHM）は以下の式 4.8で求めることができる。

√
EFWHM [keV] = 2 2 ln 2 × σline [ADU] ÷ G[ADU/keV](4.8)

また基本的にエネルギー分解能は以下の 3 つの成分で分解できる [6]。

√∆E = 2 2 ln 2WSi

√(

FE
WSi

)

(
2
+ σinde+σgain E
WSi

)2
(4.9)

E は X 線のエネルギー、F はポアソン統計からのずれを表すファノ因子 (0.12)、σinde は読み
出しノイズなどのエネルギー非依存成分、σgain はピクセル間のゲインのばらつきを表す。

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

384.4.5 検出効率
検出器に入射した全ての X 線が有感領域で反応するわけではない。不感層と呼ばれる回路
層や絶縁層などで X 線が反応すれば、X 線との相互作用で発生する電荷を回収できず X 線を検出することができない。検出器に入射した X 線のうち検出できた X 線の割合を検出効率(Quantum Eﬃciency, QE) と言う。検出効率は、
(
) [
(
)]
tdead
tSi
QE = exp −× 1 − exp −λdead (E)λSi (E)(4.10)と表せる。tdead は不感層の層の厚さ、tSi は Si の空乏層の厚さ、λdead は不感層材質の侵入長、λSi は Si の侵入長を表す。式 4.10 より、不感層の厚さとセンサー層シリコンの厚さを得ることで検出器の検出効率を知ることができる。

4.5

基本性能評価実験

図 4.2(b) の恒温層を使った実験セットアップで、INTPIX8 の基礎性能評価実験行った。まずは INTPIX8 の回路後段にあるソースフォロア回路の出力の線形性を調べた。その後、ゲイン、エネルギー分解能、暗電流、読み出しノイズ、センサー層が完全空乏化する電圧を調べた。

4.5.1 ソースフォロア回路の出力の線形性
図 4.6 に示したように、INTPIX8 の回路層の読み出し回路には、前段には節 2.2.4 で説明した CSA 回路を搭載している。また読み出し回路の後段には、バッファ回路として節 2.2.3
で説明したソースフォロア回路を搭載しており、後段のインピーダンスの影響により、素子からの出力電圧の変化を防いでいる。図 4.6 より、SF 回路のゲート電圧である VRST−CDS を変化させることで、SF のゲート電圧と出力の線形性が最も良い VRST−CDS の印加電圧を調べた。より線形であるほど、エネルギー較正する際に検出器からの出力を正確にエネルギーに変換可能である。ソースフォロア回路の出力の VRST−CDS 依存性を図 4.9 に示す。図 4.9 より、約 700–1500 ADU（∼63 keV）の範囲を、SF 回路の入力を線形に出力する範囲と見なす
ことができる。また図 4.10 のように、700–1500 ADU を 700–900 ADU、1000–1200 ADU、1200–1400 ADU、1400–1600 ADU の 4 つの領域に分け詳細に線形性を調べた。図 4.10 の結果から、700–900 ADU では VBB が大きくなるにつれて、フォースフォロア回路の入力と出力の傾きが低下している。これはセンサー層に印加する高電圧（バックバイアス）が回路層に影響するバックゲート効果が見られていると考えている。本論文では、最も残差率のばらつきが小さく、傾きが大きい VRST−CDS = 1200–1400mV の範囲で INTPIX8 を動作させている。

4.5 基本性能評価実験

図 4.9

39

ソースフォロア回路の出力の VRST−CDS 依存性。VBackBias が −25、−150、−400 Vで測定している。

(a)

(b)

(c)

(d)

図 4.10 SF 回路の入力と出力の線形性。(a)700–900 ADU (b)1000–1200 ADU (c)1200–

1400 ADU (d)1200–1400 ADU

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

40

4.5.2 エネルギースペクトルとゲイン
INTPIX8 に 57 Co、241 Am を照射したときの 1 ピクセルイベントのエネルギースペクト
ルを図 4.11(a) に示す。黒線が 57 Co、赤線が 241 Am のエネルギースペクトルである。また、
図 4.11(b) に 1 ピクセルイベントのエネルギースペクトルをもとに、エネルギーと波高値の関係を示す。図 4.11(b) のデータ点は、57 Co の 6.4 keV、14.4 keV と、241 Am の 13.9 keV、

17.8 keV、21.5 keV の輝線を使用している。X 線源から求めたゲイン G[ADU/keV] からチャンネル [ADU] をエネルギー [keV] に変換してエネルギースペクトルを求めた。
(a)

(b)

図 4.11 (a)INTPIX8 の 1 ピクセルイベントのエネルギースペクトル。 (b) エネルギーと波高値の関係。データ点の統計誤差はデータのマークより十分小さい。

図 4.11(a) より、241 Am の 13.9 keV と 17.8 keV の分光ができており、241 Am の窓に使用される金パラジウムの 9.7 keV と 11.4 keV の輝線を確認できる。しかし、57 Co の 7.1 keVが 6.4 keV の輝線に埋もれてしまい分光できていない。3.5–4 keV のピークは X 線が入射していないときのピクセル間のノイズである。したがって、ノイズが 6 keV の X 線の出力とほぼ変わらない値を出力するため、6 keV より低エネルギーの X 線はノイズに埋もれてしまう。

6 keV 以下の X 線を測定するには、さらに冷却やピクセル構造を改良しノイズを低減させる必要がある。また、57 Co の 6.4 keV のエネルギー分解能は 855 ± 46 eV であった。
図 4.11(b) より、直線との残差は 3 ADU 以内であり、エネルギーに変換すると約 110 eVほどである。つまり、6–21 keV で良い線形性を示していることが分かる。ゲインは 11.76 ±0.02 ADU/keV、ゲイン G′ [µV/e− ] は式 4.4 より、20.95 ± 0.04 µV/e− と求まった。また

4.5 基本性能評価実験

41

図 4.11(b) の直線の傾きから、式 4.7 を用いて読み出しノイズを求めると 78.4 ± 0.1 e− であった。

4.5.3 マルチピクセルイベント
X 線が入射により生成された電荷が複数ピクセルにまたがりマルチピクセルイベントとなることがある。図 4.12(a) に 241 Am の 1 ピクセルイベントとマルチピクセルのエネルギース
ペクトルを示す。赤線が 1 ピクセルイベント、青線が 2 ピクセルイベント、緑線が 3 ピクセル
イベント、マゼンダが 4 ピクセルイベント、黒色が 4–9 ピクセルイベントを示す。2、3、4 ピ
クセルイベントとなるにつれて低エネルギー側で観測できるエネルギー範囲が狭まる。これはピクセルの出力が X 線イベントとしての閾値を超えたピクセルの周囲 3 × 3 で、前節で求めた読み出しノイズの 3 倍を超えたピクセルの出力を足し合わせるため、観測できる最低エネル
ギーが増加してしまうためである。図 4.12(a) より、1 ピクセルイベントに比べて、2、3、4 ピ
クセルイベントはピークが低エネルギー側にシフトしていることが分かる。2、4 ピクセルイ
ベントのピークは 13.6 keV で 1 ピクセルイベントの 13.9 keV と比べて、約 0.3 keV ほどの低下に収まっていることが分かる。3 ピクセルイベントの 13.4 keV にピークが存在する。この
ピークシフトは、ピクセルアレイには 3 ピクセル境界は存在しないため、4 ピクセルのイベン
トの一部が読み出しノイズの 3 倍の閾値を超えず、数え落とされたためである。
(b)
1400
1200
1000
800

Branch ration [%]Counts / bin(a)N pix event
1
2
3
4
5~9

60
50
N pix event
1
2
3
4
5~9

40
30

600
20

400
10

200
0
0

5

10

15

20

25

Energy [keV]0

14 15 16 17 18 19 20 21 22

Energy [keV]

図 4.12(a)1 ピクセルイベントとマルチピクセルイベントのエネルギースペクトル (b) あるエネルギーの全 X 線のイベント数に対するマルチピクセルイベントの割合

図 4.12(b) にあるエネルギーの全 X 線のイベント数に対するマルチピクセルイベントの割

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

42合を示す。高エネルギーの X 線になるにつれて 4pix のようなマルチピクセルイベントの割合が増加していることが分かる。これは、高エネルギーの X 線はセンサー層の深い領域で反応する確率も高く、電極まで電荷がドリフトする間に電荷の拡散しピクセルをまたがるようになったためと考えられる。

4.5.4 完全空乏化電圧の調査
センサー層に印加する電圧 (バックバイアス) を大きくしていくと、センサー層が式 2.2 に従い空乏化した領域が広がる。式 2.2 から、INTPIX8 の比抵抗 25kΩ · cm を用いてセンサー
層厚 500µm が空乏化する電圧を計算すると、約 100 V のバックバイアスが必要であることが分かる。そこで本小節では 100 V でセンサー層の全領域が空乏化するかどうかを調査した。
完全空乏化となればそれ以上バックバイアスを大きくしてもセンサー領域が広がらないた
め、同時間照射した X 線カウント数はある一定値以上のバックバイアスで飽和するはずである。そこで X 線のカウント数の飽和を確認するために、22 keV 付近にのみ X 線を出す 109 Cd
を用いて、バックバイアスを変化させたときの X 線カウント数を測定した。図 4.13 に 22 keVの X 線のカウント数のバックバイス依存性を示す。図 4.13 より、バックバイアスが −200 V

図 4.13 バックバイアスと 22 keV の X 線カウント数の関係

以上でカウント数が飽和していることから、完全空乏化電圧は約 −200 V と分かった。式 2.2から予測される完全空乏化電圧は約 −100 V である。つまり実験と理論で完全空乏化電圧に
約 −100 V のずれが存在することが分かった。

4.6 高エネルギー粒子線を使用した空乏層厚測定実験

4.6

43

高エネルギー粒子線を使用した空乏層厚測定実験

完全空乏化電圧の追認のため、高エネルギー粒子線を用いた空乏層厚測定を行った。小節

4.5.4 より、完全空乏化電圧を測定したが、式 2.2 から求められる空乏化電圧と約 −100 V のずれが確認された。あるバックバイアス以上で空乏層厚が一定となれば、完全空乏化したと判断できる。加えてセンサー層厚が表 3.1 にある設計値の 500µm と矛盾がないかも確認した。

4.6.1 空乏層厚の測定方法
検出器の受光面に対し、角度をつけて高エネルギー粒子を斜入射させることで、飛跡の長さから空乏層厚を求めることができる。図 4.14 に高エネルギー粒子を斜入射させたときの模式図を示す。中性領域は電場も弱いため、全ての高エネルギー粒子の通過により発生したキャリアを正確に回収することができない。そのため高エネルギー粒子が検出器を通過した後、検出器から得られる飛跡は、大部分が空乏層中を走る飛跡のみとみなせる。このとき、空乏層厚 W

図 4.14 空乏層厚測定の模式図

は、

W =

Nt
tan θ

(4.11)

で求めることができる。このとき N 、t、θ はそれぞれ、飛跡の長さ [pix]、ピクセルサイズ[µm / pix]、検出器の受光面に対する法線と高エネルギー粒子の入射方向とのなす角である。

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

444.6.2 粒子線の選択
電子線を放出する 137 Cs を用いた空乏層厚測定実験を大学の恒温層で行った。137 Cs は連続的なエネルギーを持つ電子線の他に内部転換により 624 keV や 656 keV の単一のエネルギーの電子を放射する放射線源である。図 4.15 にバックバイアスが −5 V のときの電子線の飛跡

400
460

350
300

440

250
200

420

150
400

100

380

50
0
360

380

400

420

440

Pulse Height [ADU]

Row Address [pix]を示す。図 4.15 から分かるように、電子は軽いためその飛跡は曲がったイベントが非常に多

460

Column Address [pix]図 4.15 検出器内での電子の飛程。波高値の高い点が電子の入射位置。

い。また検出器で測定できるデータは 2 次元の情報しかない。図 4.15 では見た目上直線のイベントでも、z 方向から見ると飛跡が曲がっている場合がある。空乏層厚測定には直線の飛跡が必要であるが、このようなイベントは真に直線のイベントと見分けるのが非常に難しいため誤検出が多くなってしまう。
そこで、本実験では電子線より約 1800 倍の重さを持つ陽子線を用いて空乏層厚測定を行った。完全空乏した際の空乏層厚を測定するには、INTPIX8 のセンサー層 500 µm を陽子線が貫通する必要がある。陽子線が 500 µm のシリコンを貫通するには、最低でも 8.5 MeV*1 のエ
ネルギーを照射可能な施設が必要である。そこで、本実験では、100 MeV の陽子線を照射可能な放射線医学総合研究所のがん治療装置 HIMAC を用いて完全空乏化電圧の調査と空乏層厚測定を行った。

*1 NIST Pstar[16] で計算した。8.5 MeV の陽子の CDSA range の 0.1257 × 10−1 [g/cm2 ] にシリコンの密度

2.33g/cm3 で割ることで飛程を求めた。

4.6 高エネルギー粒子線を使用した空乏層厚測定実験

454.6.3 放射線医学総合研究所の HIMAC について
放射線医学総合研究所の HIMAC は、陽子線に限らず最大 100 MeV の重粒子線を照射可能な装置である。図 4.16 に HIMAC の全体図、表 4.2 に使用可能な条件の一例を示す。
表 4.2 HIMAC で使用可能なビーム条件の一例 [7][8]照射室名
中エネルギー照射室
物理・汎用照射室
二次ビーム照射室

生物照射室

核種

He
H, C, N, O, Ne, Si, Ar, Fe
He
H, C, N, O
Ne
He
H, C
Ne

エネルギー [MeV/u]

6100, 180, 230
同上及び, 290, 350, 400, 430
同上及び, 600
150
同上及び, 135, 290, 350, 400
230, 400

最大強度 [個/s]

2.0 × 1012
1.0 × 1012
1.2 × 1010
1.8 × 109
7.8 × 108
1.2 × 1010
2.0 × 109
8.5 × 108

図 4.16 HIMAC の全体像 [7][8]HIAMAC では、線形加速器で加速させた 6 MeV の重粒子と、線形加速器で加速させた後シンクロトロン加速器で加速させた 100–800 MeV を照射できる。6 MeV の粒子は中エネルギー
照射室で照射が可能で、100–800 MeV は物理・汎用照射室、二次ビーム照射室、生物照射室で照射が可能である。また照射できる核種は、H、He、C、N、O、Ne、Si、Ar、Fe、Kr、Xeなど多種多様な核種を選択できる。本実験では、物理・汎用照射室で利用できる 100 MeV の第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

46
陽子線 H を選択した。

4.6.4 実験セットアップ
2022 年 7 月 26 日から 28 日に、Single SOI 構造である INTPIX8 の空乏層厚測定実験を行った。図 4.17(a) に実験セットアップの写真を示す。陽子線の入射角度は、受光面に対する法線と高エネルギー粒子の入射方向とのなす角で定義している。図 4.17(b) に例として 45◦ 、−60◦ の角度での実験セットアップの模式図を示す。陽子線は INTPIX8 の回路層側から斜入
(a)

(b)

図 4.17 (a) 下流側から上流側を見たときの実験セットアップ、(b) 素子を 45◦ 、−60◦ 傾
けたときの実験セットアップの模式図射させた。入射角度は小さいと検出器に入射する陽子の数が減り、大きいと飛跡が複数のピクセルを跨がず空乏層厚の精度が落ちるため、45◦ 、−60◦ の 2 つの角度に設定した。完全空乏化
電圧を知るために、この 2 つの角度でをバックバイアスを細かく変化させ飛跡の長さ（空乏層厚）を求めた。またなす角が 0◦ のとき、陽子線に対して検出器が垂直であることが望ましい。
しかし必ずしも垂直ではないため、角度を 15◦ ずつ変化させ、陽子線の入射角度のずれの測定した。

4.6.5 実験結果
45◦ で、バックバイアスが −25、−200 V のときの陽子線の飛跡を図 4.18(a)、4.18(b) に示
す。バックバイアスが −25 V は −200 V に比べて飛跡が短いことが分かる。−25 V では約

150 ADU の一部球状に広がった領域が存在する。これは、裏面側の電場が弱い中性領域で生成された電荷であるため、電極で回収するまでに時間がかかり電荷が広がったとと考えられる。飛跡の長さを波高値に閾値を設定し求めた場合、この球状部分を飛跡に含んでしまい飛跡の過大評価となる。そこで、あるバックバイアスでの正確な空乏層厚を求めるには、空乏化し4.6 高エネルギー粒子線を使用した空乏層厚測定実験

350

410

300

400

250

390

200

380

150

370

100

360

50

350

0
320

330

340

350

360

370

Column Address [pix]

600
390

500

380
370

400

360

300

350

200

340

Pulse Height [ADU]

Row Address [pix]420

Row Address [pix](b)Pulse Height [ADU]

(a)

47

100

330
0
510

520

530

540

550

560

Column Address [pix]図 4.18 陽子線の飛跡の様子 (a)VBB = −25 V、(b)VBB = −200 V、陽子線は横方向は一定で、縦方向は値が小さいピクセルから大きいピクセルに向かって入射している。

た領域で生成された電荷を回収したピクセルと裏面側の空乏化していない領域で生成された電荷を回収したピクセルを切り分け、前者でのみで陽子線の飛跡を求めるアルゴリズムが必要である。
飛跡の長さの決定方法
正確に空乏層厚を求めるには、空乏化した領域で生成された電荷を回収したピクセルのみで陽子線の飛跡を求める必要がある。そのため以下のような方法で陽子線の飛跡の長さを決定した。

1. 波高値を RA 方向に微分し、極大値 (CA1 ,RA1 ) を探す。極大値は陽子の入射位置に相当する。

2. 極大値と同じ列 (CA1 ) から、極小値 (CA1 ,RA2 ) を探す。これは列に並行に陽子が進入していると仮定している。また陽子線で生成された散乱電子による極小値の誤検出を減らす目的がある。

3. 波高値から極小値の行 (RA2 ) の重心 (CA2 ,RA2 ) を求める。
4. CA1 = CA2 となった陽子のイベントのみで飛跡の長さ N = RA2 − RA1 を求める。
この決定の方法について、図 4.19 に示す。
陽子線の入射角度のずれの測定
バックバイアスを −200 V で固定し、素子の角度を 15◦ ずつ変えることで、陽子線の入射角度のずれを測定した。図 4.20(a) に各角度での飛跡の長さの分布、図 4.20(b) に飛跡の長さの角度依存性を示す。陽子線のシリコン中での飛跡はガウス分布でばらついていると仮定し、各バックバイアスでの飛跡の長さの分布をガウス関数でフィットしたときの中心値を飛跡の長さ

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

48
(a)

(b)

(c)

図 4.19 飛跡の長さの決定方法 (a) 陽子線の飛跡、(b) (a) を RA 方向に微分した図、(c) (a)(b) の CA1 を RA 方向に投影した図と定義した。図 4.20(b) で陽子線の入射角度のずれを求めるために、以下の式 4.12 でフィッ

Proton event [Counts / bin]

(a)

(b)

2000
1800

Angle [deg]

1600

-45

1400

-30

1200

-15
0

1000

15

800

30
600

45

400
200
0
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Range [pix]図 4.20 (a) 各角度での飛跡の長さの分布、(b) 飛跡の長さの角度依存性

トした。

′

|
W tan |θ−θ
180π
N=
t

(4.12)

このとき、N は飛跡の長さ [pix]、W は空乏層厚 [µm]、t はピクセルサイズ [µm/pix]、θ は検出器の受光面に対する法線と陽子線の入射方向とのなす角、θ ′ は陽子線の入射角度のずれである。フィッティングの結果、θ ′ = −(1.7 ± 0.2) ◦ と求まった。これは、45◦ で測定していた場
合は 46.7◦ 、−60◦ 測定していた場合 −58.3◦ で測定していたことを示している。
また式 4.12 より入射角度のずれと同時に空乏層厚も求めることができる。空乏層厚は、

W = 502.8 ± 3.2 µm と求まった。この空乏層厚は図 3.1 に示した設計値の厚さと矛盾のない

4.6 高エネルギー粒子線を使用した空乏層厚測定実験

49

厚みであることが分かった。

4.6.6 陽子線の入射角度のずれを考慮した空乏層厚
角度を 45◦ 、−60◦ に固定し、バックバイアスを細かく変化させた際の飛跡の長さを求めた。
図 4.21(a)、4.21(b) に 45◦ 、−60◦ での飛跡の長さのヒストグラムを示す。バックバイアスの
(a)

(b)

Proton event [Counts / bin]

1200
1000
800
600
400

Proton event [Counts / bin]45 deg1400
V bb [V]
-5
-10
-20
-25
-30
-40
-50
-75
-100
-125
-150
-175
-200
-250

600
500
400
300
200

200

-60 deg

700
V bb [V]
-5
-10
-20
-25
-30
-40
-50
-75
-100
-125
-150
-175
-200

100

0
0

5

10

15

20

25

30

35

0
0

40

10

20

30

40

Range [pix]図 4.2150

60

Range [pix]

各 VBB での陽子イベント毎に求めた飛跡の長さの分布 (a)45◦ (b)−60◦

絶対値が大きくなるにつれてヒストグラムが右にシフトし、陽子線の飛跡が長くなっていることが分かる。図 4.21(a)、4.21(b) に 45◦ 、−60◦ での空乏層厚のバックバイアス依存性を示す。
空乏層厚は式 4.11 を利用して、各バックバイアスで求めた陽子のシリコン中での飛跡の長さから求めた。
(b)
600

Depletion layer thickness [µm]Depletion layer thickness [µm]

(a)

500

400

300

45deg

200

100
0

100

150

200

250

-V bb [V]図 4.22

500

400

300

-60deg200

46.7deg
50

600

100
0

-58.3deg
50

100

150

200

250

-V bb [V]空乏層厚のバックバイアス依存性 (a)45◦ (b)-60◦ 赤いデータ点は陽子線の入射角度のずれを考慮した空乏層厚である。

空乏層厚はバックバイアスが −200 V でほぼ一定値となっている。つまり、小節 4.5.4 で

50

第 4 章 INTPIX8 の基本性能評価

109

CdX 線のカウント数から求められた求められた完全空乏化電圧 −200 V と一致した。また、バックバイスが −200 V のとき、空乏層厚は 45◦ では 500.2 ± 0.2 ± 3.5 µm、−60◦ では

504.5 ± 0.2 ± 3.9 µm と求まった。1 つ目の不確かさが統計誤差、2 つ目が系統誤差を表す。この空乏層厚も表 3.1 に示した設計値の厚さ 500 µm と矛盾のない厚みであることが分かった。
表 4.3 に空乏層厚が飽和し、完全空乏化したと考えられるバックバイアスが −200 V のとき
空乏層厚のまとめを示す。どの結果も設計値である 500 µm とほぼ一致する結果となった。
表 4.3

バックバイアスが −200 V のときの INTPIX8 の空乏層厚

測定方法

空乏層厚 [µm]45deg での測定

500.2 ± 0.2 ± 3.5−60deg での測定

504.5 ± 0.2 ± 3.9

角度スキャン502.8 ± 3.2

4.6.7 放射線損傷による性能への影響
次章で詳しく説明するが、半導体検出器は陽子線などの放射線の影響を受け、暗電流、読み出しノイズ、ゲイン、エネルギー分解能などの性能が劣化する。そこで、本実験で照射した照射量を計算し、性能劣化の影響を調べた。
陽子線は高計数率で陽子の飛跡が重なるのを防ぐために、約 3000 Counts/pulse で照射した。陽子線ビームは 3.3 秒周期で 1 pulse として照射される。本実験では、入射する陽子線ビームのサイズは 25 mm × 25 mm に設定したため、照射量は以下の式で計算できる。
照射量 =カウントレート [Counts/pulse] × Al 阻止能 [MeV · cm2 /g]
ビームサイズ [mm2 ]× 1.6 × 10−19 [J/eV] × 100 [rad/Gy]
3000 [Counts/pulse] × 5.678 [MeV · cm2 /g]=
252 [mm2 ](4.13)

× 1.6 × 10−19 [J/eV] × 100 [rad/Gy]= 0.000045 [rad/pulse]
測定時間はそれぞれ、45 度のとき約 7 時間、60deg のとき約 4 時間、角度スキャン中に約 2時間だった。つまり、1 pulse = 3.3 sec より、計 13 時間で約 7 rad が INTPIX8 に照射されたことになる。同じ SOI ピクセル検出器の Single SOPI 構造を持つ XRPIX2b では、約 100

rad の陽子線の照射し性能評価を行なっている [17]。暗電流、読み出しノイズ、ゲイン、エネ

4.7 INTPIX8 の検出効率51

ルギー分解能は照射前と比較して全て変化しておらず、今回の INTPIX8 も約 7 rad の損傷は無視できる程度である。

4.7 INTPIX8 の検出効率
節 4.6 で得られた INTPIX8 の空乏層厚をもとに式 4.10 から検出効率を求めることができる。図 4.23 に、45 度で測定した場合の空乏層厚 500.2 µm のときの検出効率を示す。黒線は

図 4.23 空乏層厚が 500.2µm のときの検出効率。表面照射は回路層 8 µm と BOX 層

0.2 µm の不感層を考慮している。裏面照射は可視光遮光用 Al の 0.2 µm の不感層を考慮している。

X 線を回路層のある表面から入射させた場合、赤線は裏面から入射させた場合の検出効率を示している。表面照射では回路層の 8 µm の SiO2 と BOX 層の 0.2 µm の SiO2 が不感層となる。そのため、1–10 keV の軟 X 線帯域で検出効率が大きく低下する。特にシリコンの K 吸収
端以上のエネルギーでは最大で約 98% 検出効率が低下している。裏面照射では、可視光遮光用の 0.2 µm のアルミニウムが不感層となる。しかし不感層は非常に薄いため、検出効率は軟X 線帯域でも約 85% 以上である。

53

第5章

INTPIX8 の放射線耐性評価実験
半導体検出器は高エネルギー粒子や X 線や γ 線などの光子により損傷を受け性能が劣化する。衛星に検出器を搭載した場合、軌道上ではさまざまな放射線が降り注ぐ。そのためどの程度の放射線量を照射すれば性能が劣化するのか評価する必要がある。本章では、衛星の軌道上で受ける放射線の影響についての先行研究、SOI 構造の INTPIX8 の放射線耐性の結果につい
て述べる。

5.1

衛星軌道上の放射線環境

一般的な X 線天文衛星の周回する軌道では、あらゆる高エネルギー粒子や X 線 ·γ 線が存在する。荷電粒子は地球磁場により地球内部に侵入することができない一方で、地球磁場に荷電粒子の一部が捕獲された放射線帯が存在する。この帯域の一部は、地軸と地磁気軸の傾斜によりブラジルの上空では高度 200km まで下がっており、この帯域を衛星を通過する際に、検出器が高い強度の陽子線に晒されることで性能劣化を引き起こす。この帯域は南太平洋磁気異常帯（South Atlantic Anomaly : SAA）と呼ばれる。
そこで軌道上での陽子線の照射量を見積もるために、欧州宇宙機関 (ESA) が公開している
宇宙環境情報システム (SPENVIS[18]) で、宇宙線や太陽風などの環境が検出器に与える影響を計算した [19]。図 5.1 に SPENVIS で計算した FORCE 衛星の軌道 (ひとみ衛星の軌道と同条件、高度:550 km、 軌道傾斜角:31 度、厚さ 20 mm の Al のカメラボディ) 上での陽子フラックスの分布を示す。ブラジル南部の上空付近で陽子のフラックスが非常に高いことがわ
かる。
また、図 5.2 に、20mm のアルミニウムのカメラボディに入射する前のエネルギースペク
トル、図 5.3(a)、5.3(b) にアルミニウムのカメラボディに入射した後の陽子線が INTPIXと同じ SOI ピクセル検出器である XRPIX に垂直に入射したときに Single SOI 構造を持つ

XRPIX2b、Double SOI 構造をもつ XRPIX6C に落とすエネルギーを示す。

第 5 章 INTPIX8 の放射線耐性評価実験

54

図 5.1

軌道上の陽子線の分布シミュレーション結果

軌道上での Si に対する吸収線量は Single SOI 構造の XRPIX2b の場合、図 5.3(a) の縦軸
をエネルギーで積分することで求めることができる。0.05 MeV から 400 MeV の陽子による吸収線量は、∫ 400 MeV
Edep ≃ 19.04 MeV/cm2 /s ≃ 82.64 rad/year(5.1)

0.05 MeVとなる。したがって、XRPIX は軌道上で約 100 rad/year の吸収線量を受ける。

5.2

実験セットアップ2021 年 12 月 10 日から 18 日にかけて、放射線医学総合研究所のがん治療装置 HIMAC の中エネルギー照射室で、6 MeV の陽子線を Single SOI 構造の INTPIX8 に照射し放射線耐性評価実験を行った。図 5.4(a)、5.4(b) に実験セットアップ、実験の模式図を示す。金の薄膜は陽子線を 45◦ 散乱させるために設置した。ファラデーカップは散乱されなかった陽子線を測定
し、ビーム強度の変化をモニターした。INTPIX8 の照射量を見積もるためには、あらかじめファラデーカップとの陽子線強度の相関を測定する必要がある。

5.3

照射量の計算まず INTPIX8 の照射量を見積もるために、あらかじめ INTPIX8 の位置にアバランシェ
フォトダイオード（APD）を設置し、APD に入射した陽子線のカウント数を測定した。図5.3 照射量の計算

55

図 5.2 軌道上の陽子線のエネルギー、点線 : Al のカメラボディに入射前、実線 : Al のカ
メラボディに入射後

(a)

(b)

図 5.3 陽子線が XRPIX に落とすエネルギー (a)XRPIX2b、(b)XRPIX6C

5.5 に陽子線のファラデーカップのカウントレートに対する APD のカウントレートを示す。
APD とファラデーカップの相関を求めることができれば、APD の照射量を INTPIX8 の照射量に変換し、ファラデーカップから INTPIX8 の照射量を推測することができる。しかし、図 5.5 より、APD は高計数率になるにつれて数え落としが発生しカーブ描いているため、APD は麻痺型検出器であると考えられる。そこでファラデーカップの陽子線で APD のカウ第 5 章 INTPIX8 の放射線耐性評価実験

56
(a)

(b)

APD [Counts / pulse]

図 5.4 (a) 下流側から上流側を見たときの実験セットアップ、(b) 実験セットアップの模式図

12000
10000
8000
6000
4000
2000
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

×109

FC [Counts / pulse]

図 5.5

ファラデーカップと APD のカウントレートの相関

ントレートの補正を行う。図 5.5 を以下の式でフィットを行った。

APD = A · F C exp (−A · F C · τ )(5.2)

A が APD の数え落としがないときのファラデーカップと APD の傾き、τ は APD の不感時間を表す。フィットの結果、A は 5.79 × 10−7 であった。これを用いて INTPIX8 に入射した陽子線の強度に補正する。
例えば、INTPIX8 を D [rad] の照射をしたい場合を考える。そのとき必要な単位面積あたりの陽子数 [cm−2 ] は、
単位面積あたりの陽子数 [cm−2 ] =

目的照射量 D [rad]1.6 × 10−19 [J/eV] × 阻止能 [MeV cm2 /g](5.3)となる。この結果から APD に入射した陽子数 [Counts] は、APD の面積が 0.5 cm × 0.5 cm

5.4 実験結果

57

より、APD に入射した陽子数 [Counts] = 単位面積あたりの陽子数 [cm−2 ] × 0.52 [cm2 ](5.4)

ファラデーカップに入射した陽子数 [Counts] は、式 5.2 で求めた APD の数え落としがない
ときのファラデーカップと APD の傾き A を用いて、FC に入射した陽子数 [Counts] = APD に入射した陽子数 [Counts] ÷ A(5.5)と求めることができる。したがって、ファラデーカップに入射した陽子数をモニターすること
で、目的の照射量を INTPIX に照射することができる。本実験では、0、500、1000、2000 rad
照射したときに性能評価を行った。式 5.1 より 500 rad は、衛星の平均運用年数の 5 年に対応
する。

5.4

実験結果

図 5.6 に、各照射量でのエネルギースペクトルを示す。照射量が増えるにつれて、輝線が

図 5.6

各照射量でのエネルギースペクトル低波高値側にシフトしていることがわかる。21.5 keV の X 線に対して、1000 rad 照射後は0 krad と比較して 1–3 ADU のシフトであったが、2000 rad 照射後は約 10 ADU ほどシフトしていることがわかる。
また、陽子線照射後の INTPIX8 の性能評価として、暗電流、読み出しノイズ、ゲイン、エ
ネルギー分解能を評価した。第 4 章は露光時間は 1 ms に設定していたが、本章の性能評価で第 5 章 INTPIX8 の放射線耐性評価実験

58

は、施設を使用できる時間との兼ね合いで露光時間を 10 ms に設定した。また暗電流と読み出しノイズが、ゲインやエネルギー分解能などの分光性能の劣化にどのように寄与しているかを調べた。

5.4.1 暗電流と読み出しノイズ
図 5.7(a) に暗電流の照射量依存性を示す。暗電流は照射量に比例して増加し、衛星の平均運用年数の 5 年分の照射量に相当する 500 rad で 239 ± 43 % 増加した。20 年分の照射量に相当する 2000 rad 以降は 957 ± 172 % に増加した。
図 5.7(b) に読み出しノイズの照射量依存性を示す。読み出しノイズは放射線量に比例して増加し、500 rad では 9 ± 1% の増加であった。2000 rad 照射後では 38 ± 3% 増加している。

-

Readout noise [e ]

(b)

500

-

Dark current [e / ms / pix]

(a)

400

300

125
120
115
110
105
100

200

95
100
90
0

200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

0200

Dose [rad]

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Dose [rad]図 5.7 (a) 暗電流の照射量依存性。(b) 読み出しノイズの照射量依存性。赤線は直線でフィッティングした結果で、影は 95% 信頼区間を示す。

照 射 前 の 読 み 出 し ノ イ ズ 90 e− に 対 す る 暗 電 流 の シ ョ ッ ト ノ イ ズ の 寄 与 は 、√

55 e− /ms/pix × 10 ms = 23 e− と 小 さ く 無 視 で き る 。10 ms は 露 光 時 間 で あ る 。

図 5.8 に読み出しノイズとその暗電流との残差の照射量依存性を示す。2000 rad 照射後、読み出しノイズに対するショットノイズの寄与は約 60% であった。つまり照射による読み出し
ノイズの増加は、暗電流だけでは説明することができないことが分かった。暗電流以外の読
み出しノイズの増加の原因として、SOIPIX の先行研究で、センスノードの寄生容量の増加[20]、BOX 層に蓄積する正電荷によるトランジスタ特性の変化が示唆されている [21]。

5.4.2 ゲインとエネルギースペクトル57

Co と 109 Cd の 2 つの放射線源を用いてゲインとエネルギー分解能を評価した。

ゲインは、57 Co の 6.4 keV と 14.4 keV、109 Cd の 22.2 keV と 24.9 keV の輝線をガウス関59-

Noise [e ]5.4 実験結果

120

100

80

60
Readout noise

40

Shot noise of dark current
200

σ2Readout noise - σ2Shot noise
200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Dose [rad]図 5.8 暗電流のショットノイズとその他のノイズ成分の読み出しノイズへの寄与。

数でフィットしたときの中心値と放射線源の既知のエネルギーとの関係から求めた。図 5.9(a)にゲインの照射量依存性を示す。500 rad 照射後、ゲインは 1.7 ± 0.4% しか減少していないが、2000 rad に達すると、6.9 ± 1.7% 減少した。
エネルギー分解能は、スペクトルの輝線をガウス関数でフィットし、その半値全幅 (FWHM)で評価した。図 5.9(b) に 57 Co の 14.4 keV のエネルギー分解能の照射量依存性を示す。エネ
ルギー分解能は照射量に比例して増加し、57 Co の 14.4 keV の X 線では 500 rad で 8 ± 1% の増加であったが、2000 rad では 31 ± 3% 増加した。
(b)
Energy resolution at 14.4 keV [eV]-Gain [µV/e ]

(a)
19
18.8
18.6
18.4
18.2
18
17.8

1700
1600
1500
1400
1300

17.6
0

200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

1200
0

200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Dose [rad]Dose [rad]図 5.9 (a) ゲインの照射量依存性。(b) エネルギー分解能 (FWHM) の照射量依存性。赤線は直線でフィッティングした結果で、影は 95% 信頼区間を示す。

第 5 章 INTPIX8 の放射線耐性評価実験

60

図 5.10 に各照射量での照射前との二乗の差の平方根の値を示す。赤い信頼領域で示した照
射量依存の読み出しノイズの増加と、黒、赤、緑で示される各エネルギーでの照射量依存のエ
ネルギー分解能がほぼ一致していることが分かる。したがって、読み出しノイズの増加がエネ-(noise @each dose)2 - (noise @0 rad)2 [e ]ルギー分解能の増加を説明できることが分かった。
150

100

50
6.4 keV014.4 keV
22.0 keV
Readout noise

−50
0

200

400

600

800

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Dose [rad]図 5.10 読み出しノイズの増加とエネルギー分解能の増加の比較

5.5

ピクセル間のゲインのばらつき

X 線偏光観測では、複数のピクセルを跨ぐ信号を観測するため、ピクセル毎の性能の一様性が重要である。ゲインの一様性を調べるためにピクセル毎の性能を評価する必要があるが、統計量を必要としてしまう。そこで、照射前後でのピクセル間のゲインと読み出しノイズのばら
つきを調べた。ピクセル毎でのゲインのばらつきは、ノイズのエネルギー依存性を用いて評価した。エネルギー分解能は式 4.9 より 3 つの成分に分解できる。一般にエネルギー分解能は、エネルギー依存性の観点から 2 つの成分に分けることができる。1 つ目が、第 1 項目のエネル
ギーの平方根に比例するファノノイズ、2 つ目が、第 2 項目の読み出しノイズのようなエネル
ギーに依存しない成分である。しかし全ピクセルを加算したスペクトルのエネルギー分解能を考えるとき、第 3 項目のピクセル間のゲインのばらつきによるエネルギー比例成分が寄与する。
図 5.11(a)、5.11(b) に各照射量におけるエネルギー分解能のエネルギー依存性と、式 4.9 のフィットで得られた σgain の照射量依存性を示す。2000 rad の照射では、ピクセル間のゲインのばらつきは 0.1% 以内で一定であり、照射前後で、ピクセル間のゲインのばらつきはほぼ変5.6 INTPIX8 の宇宙 X 線偏光観測での利用について
(b)
2000
1900

0 rad

1800

500 rad17001000 rad1600

2000 radNon-uniformity of gain (σgain) [%]Energy resolution [eV]

(a)

61

1500
1400
1300
1200

2.8
2.6
2.4
2.2
2
1.8

1100
1000

3

1.6
6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

0

500

1000

1500

X-ray Energy [keV]

2000

Dose [rad]図 5.11 (a) 各照射量におけるエネルギー分解能のエネルギー依存性。(b) ピクセル間のゲ
インのばらつきの照射量依存性。

化しないことが分かった。

5.6 INTPIX8 の宇宙 X 線偏光観測での利用について
INTPIX8 は軌道上での衛星の平均運用年数である約 5 年で約 500 rad の損傷を受ける。
500 rad の陽子線の照射で、エネルギー分解能の増加は約 8%、ピクセルごとの読み出しノイズとゲインのばらつきは損傷前と比較して約 0.1% 以下の差であった。つまり陽子線損傷における性能劣化は問題ない範囲であった。しかし、式 5.1 に示す 82 rad/year は 20 mm のアルミボディに囲われた状況を想定しているため、検出器のセットアップ次第ではさらに陽子線の入射量が増加する可能性がある。また、Single SOI 構造の SOI ピクセル検出器のエネルギー
分解能はそもそも 6.4 keV の X 線に対して約 850 eV とあまり良いとは言えない。コンプトン
再構成を行う場合、エネルギーの決定精度が入射 X 線の入射方向を決定するため、より良いエ
ネルギー分解能を持つピクセル構造が必要である。そこで現在、より良いエネルギー分解能、高い放射線耐性を持つことが期待される PDD 構造を持つ INTPIX9 を開発中である。

63

第6章

XRPIX8.5 の放射線損傷実験
Single SOI 構造の INTPIX8 に軌道上での運用の約 5 年分の陽子線の照射で、エネルギー
分解能の増加は約 8% し、ピクセルごとのゲインのばらつきは損傷前後で 2.5% で一定であった。しかし、検出器のセットアップ次第ではさらに照射量が増加し、大幅に性能が劣化する可能性もある。またそもそも Single SOI 構造の INTPIX8 のエネルギー分解能が 6.4 keV の X線に対して 855 ± 46 eV と大きい点も分光の観点から問題である。そこで現在、Single SOI構造の INTPIX よりも良いエネルギー分解能、高い放射線耐性を持つことが期待される PDD構造を持つ INTPIX9 を開発中である。本研究では、INTPIX9 の開発に先んじて、SOI ピク
セル検出器で最新の PDD 構造を持つ XRPIX8.5 で放射線耐性の評価を行った。

6.1 XRPIX8.5 ついて
XRPIX シリーズは PDD 構造を持つ XRPIX6E で放射線耐性が調べられた後 [7]、同じ PDD 構造を持つ XRPIX8、XRPIX8.5 でピクセル構造のアップデートを行ってきた。

XRPIX8 では XRPIX6E で問題となっていた低いバックバイアスで暗電流が増加する問題を解決した。しかし XRPIX8 では新たに、バックバイアスを大きくするにつれて BPW に流れる電流が増大することが判明した。この影響により、XRPIX8 では絶縁破壊の影響を考えて高いバックバイアスを印加できず完全空乏化できないという問題があった [6]。この原因は、バックバイスを大きくすることで BNW2 のポテンシャル障壁が下がり、BPW から裏面側に大電流が流れているためと判明した [5]。そこで最新構造の XRPIX8.5 では BNW2 の濃度を2 倍にすることでポテンシャル障壁を上げることができ、電流の低減を実現した。図 6.1 に、
XRPIX8 の BPW から裏面側に流れる電流の低減のイメージ図を示す。
放射線損傷に関して、XRPIX8.5 で BNW2 の濃度を 2 倍に上げたことにより、放射線耐性が変化している可能性がある。そこで、本章では XRPIX8.5 を用いて放射線耐性の評価を
行った。

第6章

64

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

図 6.1

XRPIX8 の BPW から裏面側に流れる電流の低減のイメージ図 [5]。n-well1 がBNW2 に対応する。n-well2 は XRPIX8 にのみ採用されたドープ。

6.2

放射線損傷実験

2022 年 11 月 17 日から 24 日にかけて、小節 4.6.3 で説明した放射線医学総合研究所のがん治療装置 HIMAC の物理・汎用照射室で、100 MeV の陽子線を PDD 構造の XRPIX8.5 に照射し放射線耐性評価実験を行った。図 6.2(a) に下流側から上流側を見たときの実験セット
アップ、6.2(b) に実験セットアップの模式図を示す。6 MeV エネルギーを照射した中エネル
(a)

(b)

図 6.2 (a) 実験セットアップの写真 (b) 実験セットアップの模式図

ギー実験室と異なり、100 MeV では空気中でビームのエネルギーの低下は無視できるため、加速器上流の配管を真空槽を繋がずに直接陽子線を XRPIX8.5 に照射している。ただし、陽子線を真空槽内に入射させる際、ステンレス製フランジではビーム強度が低下するため、アルミニウム窓のフランジを使用している。また、暗電流を低減させるために、XRPIX は約-55◦ Cに冷却した。40 krad まで照射を行い、0, 6, 10, 40 krad の照射量で性能評価を行った。分光
性能評価、エネルギー較正用の X 線源は 55 Fe と 57 Co を用いた。

6.3 照射量の計算

6.3

65

照射量の計算XRPIX8.5 の照射量を見積もるために、あらかじめ XRPIX8.5 の位置に APD を設置
し陽子線強度を測定した。まず、APD を XZ ステージで細かく動かしながら陽子線強度を測定し 100 MeV の陽子線のビームプロファイルを取得した。これは XRPIX8.5 のサイズ

(3.3mm×3.3mm) でもビームは一様分布していないためである。図 6.3(a) に、6.3(b) に APDで取得した X、Y 方向のビームプロファイルを示す。この結果から得られるカウント数は
(a)

(b)

図 6.3

100 MeV の陽子線のプロファイル (a)x 方向 (b)z 方向

APD の面積で積分されるため、単位は [Counts/APD/pulse] である。そのため、XRPIX8.5の面積に入射するカウント数 [Counts/XRPIX/pulse] に変換するには、単位面積あたりのカウント数 [Counts/µm2 /pulse] を求めて XRPIX 面積に変換する必要がある。APD で取得する前の陽子線のビームプロファイルを x, z の 2 次元のガウス関数と仮定する。APD で得られるカウント数はガウス関数を APD 面積で積分でしたものであるため、誤差関数でフィットすることで、単位面積あたりのカウント数 [Counts/µm2 /pulse] を求めることができる。このとき誤差関数は、∫ x+2500 µm(= A erf(x−2500 µm

x + 2500 − x0√
2σgaus(x′ )dx′

)

(
− erf

x − 2500 − x0
√
2σ

(6.1)
))
(6.2)

と表せる。また、APD 面積が 5 mm であるため、x − 2500 µm から x + 2500 µm を積分範囲としている。式 6.2 でフィットしたときのビームプロファイルのばらつき σ は、x 方向は

σx = 2312 µm、z 方向は σz = 2021 µm であった。
次に XRPIX サイズ（3.456 mm × 3.456 mm）が x, z 方向で何 σ に対応するかを求め、その範囲内の確率が何 % であるかを求める。x 方向は 3456/(2 × 2312) = 0.747σ

第6章

66

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

で、0.747σ は約 54.6% に対応する。z 方向は 3456/(2 × 2021) = 0.855σ で、0.855σ は約61.0% に対応する。その後、HIMAC の上流で電離箱で測定してるビームのカウントレート[Counts/pulse] に、その 2 つの確率を掛けることで、XRPIX に入射する陽子線のカウント
レート [Counts/XRPIX/pulse] を求めることができる。単位時間あたりの照射量 [rad/pulse]
は、
照射量 [rad/pulse] =カウントレート [Counts/XRPIX/pulse] × Al 阻止能 [MeV · cm2 /g]
XRPIX サイズ [mm2 /XRPIX](6.3)
× 1.6 × 10−19 [J/eV] × 100 [rad/Gy](6.4)
で求めることができる。

6.4

実験結果

0, 6, 10, 40 krad 照射したときのエネルギースペクトルを図 6.4 に示す。小節 6.7(a) で求めたゲイン G[ADU/keV] でエネルギー較正した。図 6.4 を見ると 40krad 照射後でも 5.9、6.4、

7.1 keV の輝線を分光できていることが分かる。

図 6.4

55

Fe、57 Co の 1 ピクセルイベントのエネルギースペクトルまた図 6.5(a) に低エネルギー側を拡大したエネルギースペクトル、6.5(b) に 57 Co の14.4 keV を付近を拡大したエネルギースペクトルを示す。図 6.5(a) より照射前後で輝線が左

6.4 実験結果

67にシフトする傾向が確認できる。14.4 keV でそのような傾向は見えていない。
(a)

図 6.5

(b)

55

Fe、57 Co の 1 ピクセルイベントのエネルギースペクトル (a) 低エネルギー側 (b)14.4 keV

6.4.1 暗電流と読み出しノイズ
図 6.6(a) に Single SOI 構造の INTPIX8 と PDD 構造の XRPIX6E、XRPIX8.5 の暗電流の照射量依存性を示す。3 つを比較すると、XRPIX8.5 が最も暗電流の増加を抑制できている
ことが分かる。INTPIX8 は、2 krad の照射で暗電流は 957 ± 172% 増加したが、XRPIX8.5は、軌道上での運用の 400 年分に相当する 40 krad の陽子線を照射した後でも暗電流は、

140 ± 10% の増加に抑えられた。
図 6.6(b) に、INTPIX8、XRPIX6E、XRPIX8.5 の読み出しノイズの照射量依存性を示す。暗電流と同様に XRPIX8.5 が最も読み出しノイズを低減できていることが確認できる。

INTPIX8 は、2 krad の照射で 38 ± 3% 増加したが、XRPIX8.5 では 40 krad まで陽子線を照射しても 3.0 ± 0.9% に抑えられた。

6.4.2 ゲインとエネルギー分解能
図 6.7(a) に XRPIX8.5 のゲイン G′ [µV/e− ] の照射量依存性と、図 6.7(b) に INTPIX8、

XRPIX8、XRPIX8.5 の照射前のゲイン G′0 krad で規格化したゲイン G′N krad の照射量依存性を示す。XRPIX8.5 では、ゲイン G′ は 0 から 6 krad ではゲインは低下しているが、6 krad以上は不確かさの範囲内ではゲインの低下は見られていない。
また図 6.8(a) に XRPIX8.5 の 55 Fe の 5.9 keV のエネルギー分解能と、図 6.8(b) に 57 Coの 14.4 keV で INTPIX8、XRPIX6E のエネルギー分解能を比較した図を示す。5.9 keV の X
線のエネルギー分解能は、照射する前と 40 krad 照射した後で 15 ± 6% 増加した。14.4 keV

第6章

68
(b)
-

Readout noise [e ]Dark current [e / ms / pix](a)

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

INTPIX8XRPIX6E

3-10XRPIX8.5

INTPIX8XRPIX6E
XRPIX8.5
102

102

10
10
1
10−1

1

10−1

10

1

10

Dose [krad]

Dose [krad]

図 6.6(a) 暗電流の照射量依存性。(b) 読み出しノイズの照射量依存性。INTPIX8、
XRPIX6E、XRPIX8.5 で比較した。照射前を 0.1 krad としている。直線でフィットし、影は 95% 信頼区間を示す。
(b)(Gain at each Dose)/(Gain at 0 krad) [%]Gain [µV / e-]

(a)
45.8

45.7

45.6

45.5

45.4
10−1

104

10

XRPIX6E

102

XRPIX8.5
100
98
96
94
92
90

1

INTPIX8

10−1

1

Dose [krad]

10

Dose [krad]

図 6.7 (a) ゲインの照射量依存性 (b) 照射前のゲインで規格化したゲインの照射量依存性。

INTPIX8、XRPIX6E、XRPIX8.5 で比較した。直線でフィットし、影は 95% 信頼区間を示す。

のエネルギー分解能は約 360 eV で一定値で、有意な変化は見られなかった。

6.4.3 ピクセル間のゲインのばらつき
節 5.5 と同様にピクセル間のゲインのばらつきを確認した。図 6.9(a)、6.9(b) に各照射量でのエネルギー分解能のエネルギー依存性と、式 4.9 のフィットで得られた σgain の照射量依存性を示す。図 6.9(b) より、XRPIX8.5 に軌道上での運用の 400 年分の陽子線を照射したとしても、ピクセル間のゲインのばらつきは十分小さく、INTPIX8 の結果と比べて約 1.5% ゲイ

6.5 PDD 構造を持つ SOI 検出器の宇宙 X 線偏光観測での利用について(b)
Energy resolution at 14.4 keV [eV]

Energy resolution at 5.9 keV [eV]

(a)

69

250
240
230
220
210

INTPIX8XRPIX6E
XRPIX8.5
103

200
190

102

10−1

1

10

10−1

1

10

Dose [krad]

Dose [krad]

図 6.8 (a)55 Fe の 5.9 keV エネルギー分解能の照射量依存 (b)14.4 keV の X 線のエネ
ルギー分解能の照射量依存性。INTPIX8、XRPIX6E、XRPIX8.5 で比較した。直線でフィットし、影は 95% 信頼区間を示す。

ンのばらつきを低減できていることが分かる。XRPIX6E とはほぼ同等のばらつきであった。

6.5 PDD 構造を持つ SOI 検出器の宇宙 X 線偏光観測での利用について
陽子線照射前、PDD 構造を持つ XRPIX8.5 は 5.9 keV の X 線に対しエネルギー分解能は201 ± 8 eV で、INTPIX8 の 6.4 keV の 855 ± 46 eV に比べて良いエネルギー分解能を持つことが分かった。XRPIX8.5 に軌道上での運用 400 年に相当する陽子線を照射したところ、エ(b)Non-uniformity of gain (σgain) [%]Energy resolution [eV](a)0 krad400

6 krad10 krad350

40 krad

300

250

4
3.5

INTPIX8XRPIX6E

3XRPIX8.5

2.5
2
1.5
1
0.5

200
6

8

10

12

14

0
10−2

10−1

1

X-ray Energy [keV]

10

Dose [krad]

図 6.9 (a) 各照射量におけるエネルギー分解能のエネルギー依存性。(b) ピクセル間のゲ
インのばらつきの照射量依存性。INTPIX8、XRPIX6E、XRPIX8.5 で比較した。

第6章

70

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

ネルギー分解能は照射前と比べて 15 ± 6% と増加傾向が見られた。ピクセル毎のゲインのば
らつきは陽子線照射前後で特に変化は見られなかった。従って、PDD 構造を持つ SOI ピクセ
ル検出器は良いエネルギー分解能と非常に高い放射線耐性を有している。高エネルギー粒子が多く存在する宇宙環境でも性能劣化しにくいことから、X 線偏光観測にも適した検出器と考えている。

6.6 XRPIX8E の暗電流増加のメカニズムの調査
PDD 構造を持つ XRPIX6E でも、陽子線照射後に暗電流の増加が確認された。シミュレー
ションをつかった実測の暗電流の再現により、Si/SiO2 の界面準位の増加が暗電流の増加に寄与していることが分かった [3]。図 6.6(a) より、XRPIX8.5 でも陽子線照射により暗電流の増加を確認できる。そこで XRPIX8.5 の暗電流増加の寄与は XRPIX6E と同様に Si/SiO2 界面準位が増加することによるものかを、シミュレーションを用いて確認した。

6.6.1 キャリア生成再結合モデル

図 6.10 中間準位を介したキャリアの生成/再結合過程 [3]。Et は伝導帯の下端、Ev は価電子帯の上端、Ei は真性フェルミ準位、Et は中間準位である。仮に真性フェルミ準位と中間準位が一致した Ei = Et の場合についてのキャリアの遷移を表している。

XRPIX の暗電流の増加は主に格子欠陥で説明でき、エネルギーギャップ中にある中間準位を介してのキャリアの生成、再結合に依るものである。中間準位を介したキャリアの遷移は、
図 6.10 に示すように電子捕獲、電子放出、ホール捕獲、ホール放出の 4 つのプロセスで説明6.6 XRPIX8E の暗電流増加のメカニズムの調査

71

できる。
デバイスシミュレータはキオクシア株式会社によって開発が進められている HyDeLeOS[22]を 用 い た 。HyDeLeOS に は 格 子 欠 陥 の 中 間 準 位 を 介 し た キ ャ リ ア の 生 成 モ デ ル で あ る

Shockley-Read-Hall(SRH) モデルと、Si/SiO2 などの界面準位を介したのキャリアの生成モデルである Surface Recombination(SUR) モデルが実装されている。本節ではそれらの式について説明する。また本小節は 2021 年度北島正隼修論 [3] を参考にしている。

Shockley-Read-Hall(SRH) モデル
格子欠陥の中間準位を介したキャリアの生成モデルである。SRH モデルは、[ −3 ]
n2i − pn
U=
cm /s
(6.5)
τp (n + ni ) + τn (p + ni )]][[と表せられる。ni cm−3 は真性キャリア密度、n, p cm−3 は電子と正孔の密度を表す。また電子のキャリア寿命は、

1(6.6)
σn Nt vth[]と表せられる。vth [cm/s] はキャリアの熱速度 Nt cm−3 は格子欠陥などの中間準位の密度τn =を表す。ただし、使用したデバイスシミュレータ HyDeLEOS では、キャリア寿命 τn,p は、(
τn,p = An,pと 定 義 し て い る 。N

[

n,p
τmin
+

n,p
n,p
− τminτmax)

B

1 + (N/Ntn,p ) n,p

[s]

(6.7)

]
cm−3 は 不 純 物 濃 度（ ド ナ ー と ア ク セ プ タ 濃 度 の 和 ）を 表 す 。

n,p
n,p
τmin
, τmax, Ntn,p , An,p , Bn,p はモデルパラメータであり、それぞれの標準値は表 6.1 に示した通りである。n, p はそれぞれ電子と正孔に対応する。
表 6.1

SRH モデルのキャリア寿命のモデルパラメータ

モデルパラメータ

標準値

n
p
τmax
, τmax1.370 × 10−5 , 3.707 × 10−7 s

p
n
τmin
, τmin3.0 × 10−7 , 1.0 × 10−7 s

Ntn , Ntp

2.5 × 1015 cm−3

An , A p

1.0

Bn , B p

0.5

したがって、式 6.7 の An,p を標準値の 1.0 から変更し、キャリア寿命 τn,p を調整すること
で、格子欠陥由来の暗電流成分が実測と合うように調整が可能である。

第6章

72

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

Surface Recombination(SUR) モデル

Si/SiO2 などの界面でのキャリアの生成再結合を表す指標としては、次式の表面再結合速度
Sn,p [ cm/s] が使用される。電子と正孔の表面再結合速度は以下の式で表せる。
(6.8)

Sn,p = vth σn,p Nit [cm/s]
[

]

[

]

ここで、Nit cm−2 は界面準位密度である。式 6.5 中の中間準位密度 Nit cm−2 を界面準[]位密度 Nit cm−2 に置き換え、式 6.8 を代入して整理すると、界面準位を介したキャリアの生成再結合率を表す SUR モデルは次式のように表せる。

U=[ −2 ]
n2i − pncm /s(n + ni ) /Sp + (p + ni ) /Sn(6.9)

したがって、暗電流の増加に格子欠陥が効くのか界面準位が効くのかで An,p 、S n,p のパラメータの値が変わるため、各照射量において実測の暗電流を再現するようにパラメータチュー
ニングを行った。

6.6.2

2 次元シミュレーションの実装

シミュレーションで実測の暗電流を再現するために、図 6.11 に PDD 構造の XRPIX8 を

HyDeLeOS 上で作成した。横幅は 1 ピクセルサイズの 36 µm に設定し、奥行き方向も 36 µmを設定している。青色は n 型シリコンで、赤色は p 型シリコンを示し、それぞれリン、ボロンをドープしている。BPW1、BPW2、BNW2 の深さのドープファイルは、ラピスセミコン
ダクタ社（株）からいただいたデータを使用している。電極は黄色で示しており、実測と同じ条件の VBPW = −2.0 V、VSN = 0.8 V、VBB = −300 V を印加している。初期電荷 Qﬁx
は BOX 層にウェハプロセスで生成される電荷である。照射前に、SOI CMOS での Si/SiO2
界面での電荷量は、Qﬁx = −1.0 × 1010 cm2 とした [23]。シミュレーションではこの電荷をSi/SiO2 界面にシート上に配置している。また陽子線損傷後の再現を行うために、BOX 層の0.145 µm に正電荷 QBOX を配置した。損傷量に対して配置する QBOX は図 6.12 を参考にした [23]。直線は 70 kGy 以上の γ 線を照射したときの実測の電荷量を 40 krad まで外挿したものである。40 krad(0.4 kGy) の照射を再現する場合は QBOX = 2.0 × 1011 cm2 の 電荷を配置した。またシミュレーションを動作させる温度は実測と同じ −55◦ C に設定した。

6.6.3 パラメータの決定
実測とシミュレーションの暗電流の再現性の指標として、以下の式を用いて評価した。

√
∆I =

∑−300

VBB =−0 (Iexpt (VBB ) − Isim (VBB ))62[fA/pixel](6.10)

6.6 XRPIX8E の暗電流増加のメカニズムの調査

73

図 6.11 2 次元シミュレーション用に作成した XRPIX8.5 の構造

図 6.12 γ 線を照射したときに BOX 層に蓄積する正電荷の照射量依存性

Iexp (VBB ) は各バックバイアス −50, −100, −150, −200, −250, −300 V での実測の暗電流、Iexp (VBB ) は各バックバイアスでのシミュレーションの暗電流である。複数のバックバイアス
で実測との暗電流の差を評価しているのは、格子欠陥、界面準位どちらが効くかにより、バッ
クバイアスを変化させたときの暗電流の増加傾向が変わるためである。
図 6.13(a)、6.13(b) に 0 krad、40 krad のときのパラメータチューニングの結果を示す。実測とシミュレーションの暗電流の差の小さい領域が斜めに広がっている。これは、An,p はキャリア寿命に係数のかけたパラメータのため An,p が大きいほど暗電流は低下し、Sn,p は界面準

第6章

74
(a)

XRPIX8.5 の放射線損傷実験(b)

図 6.13 XRPIX8.5 の実測の暗電流に対するシミュレーションのパラメータチューニン
グ。(a)0 krad (b)40 krad。白色で囲んだパラメータが実測の暗電流をもっと良く再現するパラメータである。

位密度に係数のかけたパラメータのため大きいほど暗電流が増加するためである。図 6.13(a)より、0 krad の実測を最もよく再現するパラメータは、Sn,p ∼ 0 cm/s であった。Sn,p は界面準位に対応するパラメータのため、PDD 構造の XRPIX8.5 では、陽子線を照射前は界面準位の寄与を抑制できていることが分かった。40 krad で実測を最もよく再現するパラメータは
図 6.13(b) より、Sn,p ∼ 1.2 × 104 cm/s であった。したがって、An,p のパラメータは変化せず、Sn,p は増加したことから、XRPIX8.5 で陽子線照射後の暗電流の増加は界面準位の増加によるものであると考えられる。これは XRPIX6E で行ったシミュレーションと同様の傾向である。

Sn,p の増加から暗電流源と考えられる Si/SiO2 界面の様子をシミュレーションで確認した。図 6.14(a)、6.14(b) に 0krad、40krad での Si/SiO2 界面付近のホール密度分布を示す。

0 krad では BPW により界面が埋められているが、40krad では BOX 層の正電荷により界面が空乏化している。この空乏化を防ぐことが放射線損傷で暗電流を低減する鍵となると考えられる。

6.7 暗電流の更なる低減に向けた新構造の開発
(a)

75

(b)

図 6.14 XRPIX8.5 での Si/SiO2 界面付近のホール密度分布 [?](a)0 krad (b)40 krad。

6.7

暗電流の更なる低減に向けた新構造の開発

界面の空乏化を防ぐには、BOX 層に蓄積する正電荷の影響で界面が空乏化しないほどまでホール濃度を上げることが必要である。そこで BPW1 の濃度を 10 倍に上げることが提案された??。図 6.15(a)、6.15(b) に 0 krad、40 krad で BPW1 の濃度を 10 倍に上げた場合のSi/SiO2 界面付近のホール密度分布を示す。Si/SiO2 の界面付近の空乏化を防ぐことができて
(a)

(b)

図 6.15 BPW1 の濃度を 10 倍に上げた場合の Si/SiO2 界面付近のホール密度分布[?](a)0 krad (b)40 krad。

いることが分かる。つまり BPW1 の濃度の上昇は、界面準位由来の暗電流増加の抑制に有効

第6章

76

XRPIX8.5 の放射線損傷実験だと考えられる。

6.8

放射線損傷によるゲイン低下

図 6.7(a) より、陽子線照射前後で XRPIX8.5 はゲインの低下が見られている。XRPIX6Eの陽子線損傷でもこの傾向は見られており、損傷を模擬した 3 次元のシミュレーションを行った結果、電極間での寄生容量の増加が放射線損傷によるゲイン低下に寄与していることが判明した [3]。そこで XRPIX8.5 でも同様のシミュレーションを行い、放射線損傷の影響でゲインの低下を説明できるかを確認した。

6.8.1

3 次元シミュレーションの実装

図??に 3 次元シミュレーションで実装した XRPIX8.5 の断面構造を示す。計算コストの関係上、図 6.16、6.17 のように 1/4 ピクセルを実装し、シミュレーションで得られる容量を 4倍することで 1 ピクセルの容量とした。

図 6.16 3 次元シミュレーション用に作成した XRPIX8.5 の構造

基本的な構造配置は 2 次元シミュレーションと同じである。電極には VSN = 0.8 V、

VBPW = −2.0 V、VBB = −300 V 印加した。ウェハプロセスで生成される初期電荷 Qﬁx =6.8 放射線損傷によるゲイン低下

77

図 6.17 3 次元シミュレーション用に作成した XRPIX8.5 の 2 次元で模式的に表した図。
濃く描かれている部分のみをシミュレーション上で再現した。

−1.0 × 1010 cm2 を BOX 層とセンサー層の界面にシート状に配置している。

6.8.2 容量成分の計算
XRPIX8.5 のの寄生容量の成分は Sense Node とバックバイアスとの電極間の CSN−BB 、
Sense Node と BPW との電極間の CSN−BB の 2 種類がある。陽子線損傷の TID 効果を再現するために、3 次元シミュレーションを行い BOX 層に設定する正電荷の量を変化させたときの寄生容量 CSN (CSN−BB + CSN−BB ) を図 6.18 に示す。BOX 層に配置する電荷を増やすことで、寄生容量 CSN が増加していることが確認できる。ここで、XRPIX のゲイン G′ [µV/e− ]は式 2.12 の CSA 回路のゲイン GCS 、回路後段でバッファ回路として使われている SF 回路のゲイン GSF ≃ 0.82、CSA 回路の出力をサンプリングするサンプルホールド回路のゲイン

GSH ≃ 0.8 を用いて、
1
1
CSN + (ACS + 1) Cf==
G′
GCSA GSF GSH
ACS GSF GSH(6.11)と表せる [24]。放射線損傷により sense node の寄生容量が CSN から CSN + ∆CSN に増加す
るとき、XRPIX のゲインの変化分 ∆CNS は、

(
∆

1
G′

)
=

1
∆CSN
ACS GSF GSH(6.12)

第6章
C SN [fF]78

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

4.2
4
3.8
3.6
3.4
3.2
3
0

100

200

300

400

500

600

700

Q

800
BOX

×109
900

[cm-2]

図 6.18 3 次元シミュレーションで計算した CSN の QBOX 依存性。赤線は実測から計算した 40 krad のときの寄生容量と表せる。式 6.12 を用いて、陽子線を照射前から 40 krad での実測のゲインの変化を寄生容量の変化に変換すると、

1
1
1
−
=
∆CSN
−
−
45.53 µV/e
45.69 µV/e
108 × 0.82 × 0.8(6.13)∆CSN ∼ 0.9 fF(6.14)となる。図??より、損傷前を再現した QBOX を配置していないときの容量は CSN = 2.9 fFであるため、40 krad 照射後の寄生容量は CSN = 3.8 fF まで増加することが分かった。

CSN = 3.8 fF のときの QBOX = 5.0 × 1011 cm3 は、図??の先行研究で調べられた照射量依存の BOX 電荷量の結果と比較しても桁で値がずれてはいない。したがって、陽子線照射による QBOX の蓄積が寄生容量を増加させゲイン低下に寄与することが確認された。

6.9

放射線損傷によるノイズ増加

INTPIX や XRPIX の読み出し回路に搭載されている CSA 回路は PMOS、NMOS が使われているため熱ノイズや 1/f ノイズの影響を受ける。これらのノイズが陽子線照射後のノイズの増加に寄与しているかを調べた CSA 回路のノイズの理論式は、[ ]Noise e− ≃

√

√
2

GCSA

1

1
Nf−n
γth kB T ξn
+ γf 22
gmn βF τCSAβF{(
ϵ + ln

tint
τCSA

)}
(6.15)

6.9 放射線損傷によるノイズ増加79と表せる [6]。tint は露光時間、T は温度、kB はボルツマン定数を表す。CSA 回路のゲインである GCSA は、

GCSA =Q
1
ACS (CD + Ci ) +(1 + A1CS)(6.16)
Cf

表せる。CD はセンサー容量、Ci は CSA 回路の入力容量である。その他のパラメータは表6.2 に示している。
表 6.2

式 6.15 のノイズ計算に使用するパラメータ。コンフィデンシャルな情報を含むため、具体的な数値は載せていない。

項目

パラメータ

単位面積当たりのゲート酸化膜容量

COX

NMOS と PMOS のゲート長

Ln , L p

NMOS と PMOS のゲート幅

Wn , W p

電子と正孔の移動度µe , µ h

NMOS と PMOS の過剰熱ノイズ係数

ξn , ξ p

NMOS と PMOS の 1/f ノイズ係数

KFn , KFp

フィードバックキャパシタ

Cf

サンプルホールドキャパシタ

CSH

オイラー定数

1.0 ϵ

NMOS と PMOS の相互コンダクタンス
NMOS と PMOS のノイズ指数Wpn
gm−n = W
Ln µe COX , gm−p = Lp µh COXn
Nf−n = 2µe CKF
2 L W
n
n
OX

PMOS のノイズ考慮時の熱ノイズ増加率
PMOS のノイズ考慮時の 1/f ノイズ増加率

ξ gγth ≡ 1 + ξpn qm−pm−1
2
Nf−p gm−pγth ≡ 1 + Nf−n g2
m−n

フィードバック定数

βF ≡ Ci +CCDf +Cf

CSA 回路の時定数

f +CSHτCSA ≡ (Ci +CβDF)∥C
gmn

式 6.15 の第一項が熱ノイズで、第二項が 1/f ノイズの項である。図 6.19 に、式 6.15 から計算される各ノイズの容量依存性を示す。赤線が熱ノイズ、青線が 1/f ノイズ、黒線が熱ノ
イズと 1/f ノイズを足し合わせた値を示す。センサー容量 CD が大きくなるにつれてどちらのノイズも増大していることが確認できる。これは、式 6.15 に含まれるフィードバク定数 βF

第6章

80

XRPIX8.5 の放射線損傷実験

図 6.19 熱ノイズと 1/f ノイズのセンサー容量 ND 依存性 [6]。赤線が熱ノイズ、青線が1/f ノイズ、黒線が熱ノイズと 1/f ノイズを足し合わせた値を示す。

にセンサー容量 CD が含まれるためである。
前節 6.8.2 では、陽子線照射により BOX 層に蓄積する正電荷で寄生容量 CSN（CD ）が増加することを確認した。また式 6.15 より寄性容量 ∆D の増加がノイズに寄与すると考えられる。そこで式 6.12 で各照射前後でのゲインの変化 ∆ (1/G′ ) から寄生容量の変化 ∆CSN に変換し、式 6.15 でノイズの増加分に変換した値と、実測のノイズの増加分との比較を行った。
その結果を図??に示す。
実測のノイズの増加が、寄生容量の増加分から求められる信頼区間 68% の範囲で一致していることが分かる。したがって、陽子線損傷における寄生容量の増加でノイズがすることを確
認できた。

-

∆ Noise [e ]6.9 放射線損傷によるノイズ増加

81

6from Gain (68% CI)
5from Readout noise
4
3
2
1
0
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Dose [rad]図 6.20 読み出しノイズの増加文とゲインから計算されるノイズの比較。ゲインから計算されるノイズは 68% の信頼区間を示している。

83

第7章

結論
SOI ピクセル検出器が X 線偏光観測に適した検出器であるかを調べるために、基本的な性
能評価と陽子線耐性を評価した。

1. Single SOI 構造の INTPIX8 の基本性能評価• X 線源でエネルギー分解能を評価したところ、6.4 keV に対して 855 ± 46 eV であった。

• ノイズが大きいため 6.4 keV 以下の X 線はノイズに埋もれてしまい検出できない
ことが分かった。

• 陽子線を斜入射させることで完全空乏化電圧とセンサー層厚を調べたところ、完
全空乏電圧は比抵抗から計算される完全空乏化電圧の 100 V と異なり約 200 V であった。センサー層厚は設計値通りの約 500 µm であることを確認した。

2. Single SOI 構造の INTPIX8 の陽子線耐性の評価• 軌道上での運用の 5 年に対応する 500 rad の陽子を照射してもエネルギー分解能の増加は約 8% ほどの増加で、宇宙空間の使用に関して問題ない範囲であることが分かった。

3. PDD 構造の XRPIX8.5 の陽子線耐性の評価• 照射前のエネルギー分解能は 5.9 keV の X 線に対して 201 ± 9 eV であった。軌道上での運用の 400 年分に相当する 0 krad まで陽子線を照射してもエネルギー分解能の増加は約 30 eV ほどで 15 ± 6% の増加にとどまった。

• したがって、PDD 構造を持つ SOI ピクセル検出器は良いエネルギー分解能と非常

第7章

84

結論

に高い放射線耐性を有している。高エネルギー粒子が多く存在する宇宙環境でも性能劣化しにくいことから、X 線偏光観測にも適した検出器と考えている。

• TCAD シミュレーションの結果、暗電流の増加の原因は Si/SiO2 界面付近が空乏化し、界面準位を介したキャリアの生成によって暗電流が増加したことが分かった。

• さらなる放射線耐性の向上に向けて、BPW を濃くドープすることで BOX 層に正電荷が蓄積しても Si/SiO2 界面の空乏化せず、界面準位由来の暗電流を抑制できることが判明した。

• 3 次元シミュレーションの結果、BOX 層に蓄積する正電荷が寄生容量を増加させることが分かった。

• 寄生容量の増加でノイズの増加を説明できることが分かった。

謝辞
本論文を書き上げるまでに多くの方々にご指導ご支援をいただきました。幸村孝由教授には4 年生から修士の卒業まで大変お世話になりました。研究だけでなく、研究への姿勢、プレゼ
ンテーションの指導など研究者として多くのことを指導してくださいました。萩野浩一助教
は、私が研究で行き詰まったときにいつも的確なアドバイスをいただきました。また学会発表
資料作成時には妥協せず良い文章になるように何度も修正をいただきました。内田悠介助教は関わったのは修士 2 年の間だけでしたが研究に関してたくさんのアドバイスをいただきました。研究室の皆様にも大変お世話になりました。特に同期の土居くんはいつでも気軽に研究について議論できる仲間が近くにいたことは非常に心強かったです。同じ企業に入社するということで社会人になってもよろしくお願いします。修士 1 年の青木くん、清水くん、武居くん、
藤澤くん、B4 の伊藤くん、阿部くんとは、よく夕食を一緒に食べたりたわいもない雑残をしたりと楽しい時間を過ごすことができました。他の修士 1 年や学部 4 年生も外部実験のなどを手伝っていただきました。外部実験は自分 1 人では絶対やり遂げることはできません。本当にありがとうございました。
最後に快く修士まで送り出していただいた家族に深く感謝します。

87

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