X線天文衛星搭載へ向けたイベント駆動型SOIピクセル検出器の開発
核融合・加速器科学分野合同計測技術ワークショップ @ 核融合研
2016年10月28日

武田 彩希
京都大学 理学研究科 物理学第二教室
atakeda @cr.scphys.kyoto-u.ac.jp
SOIPIXグループ : http://rd.kek.jp/project/soi/
京都大学 宇宙線研究室：http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp

OUTLINE- 宇宙X線観測における次世代への要求- イベント駆動型SOIピクセル検出器-> XRPIXシリーズ- これまでの研究開発について- まとめ

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宇宙X線観測における次世代への要求

X線天文衛星｜現在の主力検出器と問題点◆ 現在の主力検出器｜X線CCD
広視野 (~20‒30 mm角)・精密撮像 (~30 µm角)
ファノ限界の分光性能 (読み出しノイズ：~3 e- rms)

◆ X線CCDの問題点
読み出し速度が遅い (~sec) -> 高速現象が観測できない
非X線バックグラウンドが高い -> 暗い(= 遠方の) 天体が観測できない
Ｘ線生の画像強度（counts/sec/keV）

高エネルギー粒子
すざく衛星(XIS/BI)のNon
X-ray background
非X線バックグラウンドof
Suzaku XIS (BI)Due10tokeV以上で顕著に
high energy
particles on orbit.
エネルギー（keV）

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4非X線バックグラウンドの除去

厚い壁

ほとんど役に立たない

シンチレータ

同時に検出 -> 宇宙線

シンチレータ : 1kHz頻度で光る-> センサの時間精度は1kHz以上が要求される
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5次世代のX線天文衛星を目指して次世代の検出器として…
観測視野
高時間分解能・低バックグラウンドな SOIPIX
X線イメージャーが熱望される．
-> 読み出しノイズ：< 10 e- (rms)-> 時間分解能：< 10 µs-> 位置分解能：< 100 µm

X線
hard soft

宇宙線(非X線バックグラウンド)

アクティブシールド

外部FPGA回路ボード
・反同時計数処理 (非X線バックグラウンド除去)
・ヒットパターンの判定 (非X線バックグラウンド除去)
・ヒットピクセルの直接指定(X線信号電圧の読み出し)◆ イベント駆動型SOIPIX（XRPIXシリーズ）
各ピクセルに比較器回路を導入し，イベント検出時のトリガ情報出力機能(タイミング・ヒット位置 )を実装する．
-> X線イベントの信号のみを選択的に読み出すことが可能µsの時間分解能 反同時計数処理でバックグラウンドを２桁落とす
高速の天体現象も観測が可能となる核融合・加速器科学分野合同計測技術ワークショップ @ 核融合研 - 武田 彩希 - 2016.10.28

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線SOIPIX検出器と20keVから80keVを主に受け持つCdTe検出器のハイブリッドカメラの開発を進めてい次世代X線天文衛星ピクセルサイズ100μm(2秒角に対応)，厚み750μmの検出器を開発する．X線SOIPIXはピクセルサイズ4mm×45mmの撮像エリアを構成し，15分角の視野を実現する．SOIPIXの開発の現状として，2015年末◆ 次世代X線天文衛星の主力検出器を狙うのノイズを下げる方策，軟Ｘ線感度を向上させる新しいＸ線入射構造を持つ素子の試作を進めている．

素子は44mm×45mmの撮像エリアで3@4Wの発熱が起こる．これを排熱しつつ，CdTeが受け持つ20keV以XRPIXを主力検出器とした衛星計画を提案中．（2014〜）

た．設計段階で問題がなければ，&4月末をめどに樹脂でモックアップを作る予定である．
FORCE Focusing On Relativistic universe and Cosmic Evolution

科学目的 宇宙のあらゆる階層において未だ見つかっていない「ミッシングブラックホール」を探査し，宇宙形成史を解明する．
特長検出器◆ 角度分解能 < 15秒角◆ 1­80 keVの広帯域観測

FORCE（2020年代）ひとみ(ASTRO-H)/HXIがベース→ Si + CdTe
XRPIX

XRPIXが成功の鍵

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SOIピクセル検出器- Silicon-on-Insulator (SOI)技術による読み出し回路部・センサ部一体型
半導体ピクセル放射線検出器- KEK測定器開発室 SOIPIXグループが中心に研究開発- LAPIS セミコンダクタ 0.2 μm FD-SOIピクセルプロセス-> SOIピクセル検出器をプロセスするために開発しているプロセス手法
Bias Ring

CMOS Circuit Layer

SOIピクセル検出器の特徴~8 µm

金属バンプボンディングがない

200 nmPMOS

一般的な産業技術を基盤とする

50 ~
725 µmNMOS

BOX (Buried Oxide)n+-> 高密度・低寄生容量・高感度
一般的なCMOS回路により構成

Pixel Array

Peripheral Circuitsense-node

BPW (Buried p-Well)

Si Sensor Layer(High Resistivity Substrate)

p+++ ++n-X-rays

高いX線感度と高度な信号処理を両立
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XRPIXシリーズ
2010
1.0 mm

1.0 mmXRPIX1XRPIX1b

2.4 mm2012

2011

XRPIX2First Model
Trigger Output(Event-driven readout)

2014

4.6 mm

4.0 mm

2.4 mm2013

2014
1.0 mm

1.0 mmXRPIX3

XRPIX3b

2.9 mm

2.9 mmXRPIX2b6.0 mm

6.0 mmMiddle Size

Buttable

Charge Sensitive
Ampliﬁer

2015

XRPIX5608 x 384 pixels
36 µm sq. pixel

21.9 mm
6.0 mmNew Readout Circuit

24.6 mm15.3 mmXRPIX4XRPIX413.8 mm

4.6 mm2016

XRPIX6h
XRPIX6e
XRPIX6D

4.45 mm

Pixel Structure

Large Size !!

9XRPIXの設計〜大面積素子へ向けたプロトタイプを例に〜大面積素子へ向けた設計- XRPIX5 (FY15-1)：6 mm角の面積10倍の大型素子．
-> 大型化の課題を把握する．
- このサイズのデザインは次元が変わる？
-> 回路の負荷増-> 配線抵抗・容量増-> グローバルリセット時の挙動-> 歩留まり減(？)-> メタル面積制限-> densityルール…いろいろと気にすべきことが増える- 回路・プロセスの専門家に助言を得た．
- 周辺デジタル回路の作業を業者に一部委託し回路設計や検証の時間を確保した．
-> 設計の効率性アップ
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XRPIX5の概要
DECODER&TRIGGER PROCESSOR

15.3 mm

大面積化へ向けた最初のプロトタイプ
2015.06 Submit
2015.12 納品

13.8 mm

基本構成- チップサイズ：24.6 mm x 15.3 mm（有効領域：21.9 mm x 13.8 mm）- ピクセルサイズ：36 µm sq.

XRPIX5- ピクセル数：608 x 384 (= ~233k)- センサ層厚：310 µm (CZ wafer)
500 µm (FZ wafer)

608 x 384 pixel array1 Pixel : 36 µm sq.

OUT BUFPGA

S/H Cap.

DECODER & TRIGGER
PROCESSOR

24.6 mm21.9 mm

Bias Gen.

回路構成の特徴
各カラムラインにProgrammable Gain Ampliﬁer(PGA)回路を搭載している．
信号レベルとペデスタルレベルを差動出力する．

イベント駆動読み出しに最適化したアーキテクチャ．
-> 8 x 8 ピクセルをユニットとして読み出す．
ヒットパターン情報出力機能を搭載．

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12ピクセル回路・アナログ信号読み出し回路の構成
TRIG_COL (SR)
TRIG_ROW (SR)
&TRIG_OUT (OR)COMP Cap. 2

S

RST_COMP2R
TRIGGER

SQ
Comparator
VDD18
VB_SF
VB_CSA

RST SR Latch

GND

New Intra-chip Readout Circuit
PGA : x1, x4, x19
XRPIX4〜

Feedback Cap.

CDS_RSTSTORE CDS Cap.

Sample Cap.

Protection Diode

PD_RST

ROW_READ

各カラムラインVTHPED

S/H Cap.
AOUTVcOUT BUF

SIG

PED

Previous Readout Circuit〜XRPIX3b
COL AMP.
w/o CDSOUT BUFSIG

CDS_RSTVCOL AMP.
with CDS

チップ上に8セット
SW matrix

CSASFVc

GND

H/L OUTR

Dummy SW

Sense-node
PD

Trigger Info. Output

VTH_RSTCOMP Cap. 1

RST_COMP1BAD PIXEL MASK(SR Latch)

VCOM

analog part

digital part

Pixel Circuit

Differential
OutputReadout Circuit

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13アナログ信号読み出し部の構成~Event Center
RA (center)

Shield Wire

PGA & Column CDS

...

...

~ ~PIXEL ARRAY

col. out line[0]Switch Matrix
Column Selector

PED

CA (center)

PED

イベント駆動に特化した 8 x 8ピクセル読み出しを基本とする．
イベント中心から-3/+4ピクセルの信号レベル・リセットレベルをS/Hし差動信号として出力する．（XRPIX4以降）

PED

SIG

SIG

S/H[7]

SIG

PAD
PAD

S/H[0]

Output Buffer
Sampling / Holdcol. out line[7]核融合・加速器科学分野合同計測技術ワークショップ
PIXEL2016 @ Sestri Levante, Italy - A. @Takeda
核融合研- 8th- 武田
Sep.彩希2016- 2016.10.28

XRPIX5 実験ボードのセットアップ
Soi EvAluation Board with Sitcp (SEABAS) : SOIピクセル検出器で使用する
汎用読み出しボード．
裏面照射

XRPIX5

表面照射

X-raysXRPIX5SEABASの仕様
電源系 : 5 V
動作クロック : 50 MHz
ネットワーク : 100M bps
ADC x 1ch, DAC x 4ch,NIM IN x 2, NIM OUT x 2

SEABAS348 mm

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イーサネット経由によるデータ転送

チップとワイヤー保護のためのアクリル板

15

XRPIX5によるスペクトル取得- 241Am線源からのスペクトル取得を行った．
-> XRPIX5で初めてスペクトル取得に成功した．

241Am スペクトルCountsCounts13.9 keV

Temp : -60 ºC
VBB : 100 V

500

17.7 keV400

読み出しノイズ : 48 e- (rms)＊ペデスタル幅から計算

300

4.1%
580 eV200 (FWHM)

エネルギー較正

1200

Gain : 18.4 µV/e1000

800

600

400

59.5 keV

26.3 keV
200

測定点

これまでのシリーズ最高値は
XRPIX3bによる35 e- (rms)．

20.8 keV

10000

Pulse Height (ADU)＊フレーム読み出しによる（イベント駆動読み出しではない）＊ スペクトルはシングルピクセルイベントのみ使用

40060020055Fe

80010001200
PH
Pulse Height (ADU)0102030405060

Energy (keV)

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イベント駆動読み出し(i) X-ray

DAQ-PC(viii)FPGA(v) HIT_COL_ADDRColumn ADDR. DECODER
Column Amp. / SH / OUTBUF(vii) ANALOG_OUT
Analog Signal≈Ethernet

Digital Data(ii)Row ADDR. ENCODER(ii)

Trigger Detection (OR)XRPIX

PATTERN PROCESSOR

Row ADDR. DECODER

XRPIX(vi) COL_ADDR(vi) ROW_ADDR(v) HIT_ROW_ADDRColumn ADDR. ENCODER
TRIG_OUT(iii)
Trigger Detection (OR)(iv) HIT_INFOPATTERN PROCESSOR

ヒットパターンの情報- multi hit ?
- multi pattern ?
パターンの読み出し
パターンスキャン＋エンコーダにより読み出す．

ADC

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パターンスキャンによるアドレス読み出し- ヒットパターンをシリアルに読み出すと時間がかかる．
- 全体は不要．ヒットパターンだけを効率的に読み出したい．
-> パターンスキャナ＋エンコーダ回路- L/H側のパターンエッジアドレス値を得ることで，ヒットパターンを再構成する．
＊大面積化において不可欠な機能
FPGA / ASICでどのような処理をすれば最適化を見極める必要がある．

Pixel Array

ピクセルアレイ

パターンレジスタ
Low Bit側 Pattern
Resistorシフトレジスタによるシリアル読み出し
シリアル読み出しも可High Bit側

パターンスキャンパターンの端のアドレス値を取得する

パターンスキャナ＋エンコーダ回路によるパターンエッジアドレス値の取得

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イベント駆動読み出しのデモ動画
蛍光灯下・常温でのイベント駆動読み出し．241Am線源．センサ部電圧 5 V．

これまでの研究開発

XRPIXの開発｜分光性能SFSF◆ 読み出しノイズの低減 [Takeda + JINST (2015)]
sense-node容量の低減
SF

200 nmSF

SF

電荷感応アンプ(CSA)の導入
SF

CSA

開発初期

現在
13.95 keV

RED : 241Am
BLACK : BG
readout noise :600 e- (rms)

CSA

CSA

CountsCounts

Noise Peak180 241Am
160
140
120

CSA-PIX
readout noise :32 e- (rms)17.74 keVCSA Pixel

100 FWHM : 2.9 % (400 eV)

13.95 keV

8060

11.44 keV
9.71 keV
20.77 keV

40
200Pulse Height (ADU)100

200300400500

Pulse Height (ADU)

ノイズレベルを1桁低減 [~600 e- (rms) -> 35 e- (rms)]
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XRPIXの開発｜電荷収集効率◆ 電荷収集効率の向上
開発初期に電荷損失が起こるという現象を発見．
-> sense-nodeから外れたトランジスタが原因
200 nm1600

c 1200赤線 : single pixel event
青線 : double pixel event

800
4000014.0ckeV

2000

1400

14.0 keV
13.95keV

1600
1200
800
400

1200
1000

17.717.74ckeV keV 17.7 keV

800
600
400

20000050
1000150
50 200100 150 200
Channel[ADU]
Channel
Pulse
Height(ADU) [ADU]c[Counts/ADU]Counts

2000

2400

241Am

現在

[Counts/ADU]

2400[Counts/ADU][Counts/ADU]Counts

開発初期
14.01400
keV

241Am

14.0c
keV

13.95 keV

1200
1000

17.7 keV

c 800

17.7c
keV

17.74 keV

600
400

200
050
1000150
50 200100 150 200
Channel [ADU]
Channel
Pulse
Heightc[ADU](ADU)

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XRPIXの開発｜分光性能+電荷収集効率
1200

13.95 keV XRPIX2b-A

BPW : 12 µm sq.
Gain : 7.0 µV/eRON : 68 e- (rms)

2500

17.74 keV

2000

BPW : 10 µm sq.
Gain : 9.7 µV/eRON : 56 e- (rms)

800

1500

600

1000

400

17.74 keV

00

XRPIX2b-B

10XRPIX2b-A
XRPIX1b
XRPIX3b-SF
XRPIX1XRPIX2b-C

102

26.3 keV

1000050 100 150 200 250 300 350 400 450

Pulse Height (ADU)

Pulse Height (ADU)

XRPIX1XRPIX2b-B

102

XRPIX2b-C
XRPIX3b-SF

XRPIX2b-D
XRPIX3b-CSA

XRPIX1b
XRPIX2b-A

10requirement

そろそろ頭打ち？
-> 別の切り口が必要-> ピクセル構造の改良
変換ゲインを上げる

goal

1

BPW Area (µm2)

17.74 keV

20.77 keV

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Readout Noise (e- rms)

Gain (µV/e-)
XRPIX2b-D

13.95 keV

200

26.3 keV

Pulse Height (ADU)

XRPIX3b-CSA

600

300

200

50 100 150 200 250 300 350 400 450

700

500

20.77 keV

26.3 keVXRPIX2b-C
BPW : 8 µm sq.
Gain : 12.5 µV/eRON : 46 e- (rms)400

20.77 keV
500

80013.95 keV XRPIX2b-B

1000

Counts

3000

CountsCounts241Am spectra

110102Gain (µV/e-)

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XRPIXの開発｜クロストーク◆ イベント駆動時のクロストークの問題 [Takeda + PoS (2014)]
コンパレータ論理反転時にアナログ信号へ干渉があった．
-> 分光性能の悪化を引き起こした-> middle Si層の導入で解決-> さらに，センスノード容量低下も実現？

200 nmmiddle Si層

CMOS回路層・センサ層が近いことで様々な問題が起こったが，研究開発が進み解決してきた．
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24

将来計画を目指した開発
2017

2018〜

衛星搭載品を目指した素子設計

2016

これまでの研究開発の集大成となる素子として設計

2015
軟X線応答
◆ 裏面処理- XRPIX2b/3b

基本特性◆ 基本性能評価 - XRPIX2b/3b◆ 放射線損傷試験 - XRPIX2b

低ノイズ性能◆ ピクセル回路・構造 - XRPIX6◆ 素子内読み出し回路・システム - XRPIX4

イベント駆動読み出しにおける分光性能◆ 低クロストーク構造 - XRPIX3b/6◆ 周辺デジタル回路の改良 - XRPIX4/5

大面積化◆ 大面積化素子の設計 - XRPIX5◆ スティッチィング露光技術

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まとめ- 次世代のX線天文衛星搭載を目指し，イベント駆動型SOIピクセル検出器「XRPIX」の開発を行っている．
- XRPIXはピクセル内にコンパレータを持つことで，イベント検出時のタイミングとヒット位置情報を出力することが可能 -> トリガ情報出力機能-> 制御・システムを変えることで同時・反同時計数のどちらにも適用可．
- イベント駆動読み出しは実現できている．
-> さらなる機能増強のため，パターン処理回路を導入．
- これまでの開発項目：分光性能の向上 -> 読み出しノイズ 35 e- (rms)
大面積化 -> 24.6 mm 15.3 mm，ピクセル 36 µm sq.，608 384．
- 今後の開発項目：分光性能の向上，大面積化，軟X線応答性能の向上，など-> 研究開発の成果をまとめて衛星搭載品の設計段階へと進む．

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