SOI技術を用いた新しいX線イメージセンサーの開発
高エ研, ISAS/JAXAA, 筑波大B, 岡山大C, 大阪大D, 沖電気工業(株)E

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

CNTPIX2

2008年9月21日(日)日本物理学会岩手大学

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

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

40nm

SiO2

200nm

pmos

nmos

(厚さ)

p+n+X線eSi50-350 m（センサー部）
高抵抗基板

hn-SOIピクセル検出器で期待されること・高速化（寄生容量が小さい）
・高分解能化（bump bonding型pixel検出器と比べて）・多機能化（回路部に複雑な信号処理回路形成）

回路・センサー一体型検出器
2SOI検出器開発の経緯
2005. 7: 沖電気とSOI ピクセル検出器の開発をスタート
2005.10: 東大VDEC(VLSI Design Education Center)の0.15 m Multi Project Wafer (MPW)ランに同居して試作2006. 3: 最初の試作チップ完成

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

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イメージセンサーの種類・用途
MPW run 参加大学・研究所 : LBNL, FNAL, Hawaii, JAXA, KEK…
用途 ： 高エネルギー物理実験用バーテックス検出器、宇宙観測用Ｘ線イメージセンサー、
高強度Ｘ線検出用ピクセル検出器、耐放射線性エレクトロニクス、etc…
<本発表で紹介:２種類>
1：積分型ピクセル検出器（INTPIX2）
電荷積分値/pixel オンボードADC データ出力
Pixel size
20 m x 20 m
# of pixels
128 x 128
Effective area
2.56 mm x 2.56 mm
2：計数型ピクセル検出器（CNTPIX2）
新しいX線ピクセル検出器の開発を目指す
Pixel size
60 m x 60 m
# of pixels
128 x 128
Effective area
7.68 mm x 7.68 mm
・High/Low threshold エネルギー弁別・カウンター機能
高ダイナミックレンジ（次回以降追加機能）
・メモリー機能
高速・時分割測定

CNTPIX2
SOI技術による時間・空間X線イメージセンサー
JST先端計測・機器開発プロジェクト（要素技術開発）(H19.10-H23.3)
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SOIイメージセンサー測定装置

Subboard(INTPIX2用、CNTPIX2用)

Main board

SEABAS (Soipix EvAluation BoArd with Sitcp)
・2個のFPGA（データ収集コントロール用・TCP/IP通信用）、ADC、DAC搭載
・電源 +/-5V (subboardに1.8V、3.3Vを供給)
・subboard : 逆バイアス電圧Vdet
・TCP/IPでデータ収集 Ethernetでデータ収集可能（簡単）・小型・軽量5

試作センサーの動作試験概要
1:可視光レーザー照射試験 : 動作確認
2:X線照射試験(2008年9月) : 空間分解能・感度テスト

X線発生装置Rigaku FR-D ＠KEK-PF
ターゲット
X線管出力

Cu (CuK ~8keV)
30-35kV, 10-30mA(最大50kV,60mA)
X線強度 ~104/photons/pixel/sec
for CNTPIX2@30kV,10mA

X線管

SOI
ピクセル
検出器
X線

※Si PIN photodiodeによる見積もり
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動作テスト1：可視光レーザー照射試験結果
可視光用マスク使用

INTPIX2

CNTPIX2

2.56mm

7.68mmVdet=1.5V, 積算時間 480ns/pixel

Vdet=1.5V, 積算時間80ns/pixel※Vdet=逆バイアス電圧動作を確認・正しいマスクパターン画像を取得

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簡単な応用試験：SOIピクセルカメラ（モノクロ）
手持ちのレンズを装着

動画（白熱灯）小型・軽量・高速カメラの製作も可能

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動作テスト2-1:X線照射試験結果(感度確認)
INTPIX2

検出器の前にマスクを置く

2.56mm10mm
真ちゅうマスクCNTPIX2

Vdet=1.5V,
積算時間 480ns/pixel

7.68mmVdet=1.5V, 積算時間 1.6ms/pixel

マスク画像：X線ONの時のみ見える
X線に反応していることを確認

SOI pixel検出器によるはじめてのX線像

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動作テスト2-2:空間分解能評価結果
INTPIX2 (pixel size=20 m x 20 m)

12.5[lp/mm]16

CNTPIX2 (pixel size=60 m x 60 m)

205
6.3[lp/mm]8

1012.5 1620

X線テストチャート

それぞれのスペックに相当する空間分解能を確認

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問題点

I(A)

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

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

理想的には、
電圧0~5Vでは電流は A以下であまり変化しない

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

Vdet-Vbias(V)・定量的感度評価（現在進行中）にて、以下の問題を確認：
・残像が残る（CNTPIX2, INTPIX2）
・CNTPIX2 の画像 --- 均一性に乏しい
カウンターの動作不良 （カウント数がX線強度を強くしてもあまり増えない）
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まとめ
KEK主催の2回目のMPWランが終了。チップの動作試験を開始した。
INTPIX2, CNTPIX2（積分型、計数型ピクセル検出器）

・可視光レーザー照射試験 画像取得・動作確認
・Ｘ線照射試験 はじめてのX線画像を取得・X線感度確認
空間分解能は、各スペックに相当する値を得た・また、いくつかの不具合も確認… （原因調査中）

今後の予定
・マスクエラーとカウンター動作不良対策を施したチップを試作中（１１月に完成）
・第3回のMPWラン 年末〜来年早々
保有チップ動作テスト
・テストパルス、X線管、放射光による基本特性・動作テスト
・データ収集システムのOptimization(ユーザーフレンドリーなGUIに)興味のある方はKEK-SOIのＨＰへ応用試験に向けて

http://rd.kek.jp/project/soi/
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