宇宙総合学研究ユニット
NEWS 2024 年 4・5 ⽉号
宇宙倫理学教育プログラム（⼈⽂社会委託費）のお知らせ
2021 年 10⽉に発⾜した⼈⽂社会委託費プロジェクト「倫理学を基盤とした宇宙⼈材育成プログラムの開発と実践」について、定期的に、準備状況や活動内容などをお知らせしています。
1. 受講⽣の決定「宇宙倫理学教育プログラム」 受講⽣募集は 2024 年 4 ⽉ 14 ⽇に締め切られ、たくさんのご応募をいただきました。複数の審査員による精査の結果、学部コース 1 名、⼀般コース 4 名の受講者が新たにプログラムに加わることが決まりました。多くの⽅にご関⼼を持っていただき、誠に感謝しております。しかしながら、受け⼊れ可能な⽣徒数に限りがあるため、残念ながら多くの⽅のご要望にお応えできない形となってしまいました。来年度も受講⽣の募集を⾏うかは未定ですが、もし来年度も募集を⾏う場合は、ぜひ皆様のご応募をお待ちしております。
2. 授業開始について
宇宙倫理学教育プログラムに関連した講義が次々と開講されています。基幹講義である 「宇宙倫理学⼊⾨」（京⼤⽂学部提供科⽬）及び 「宇宙倫理学ゼミ」（宇宙ユニット提供科⽬）は 4⽉24⽇から開始いたしました。

SOI 技術を⽤いた⼤⾯積シリコンピクセル X 線検出器の開発
上ノ町 ⽔紀（東京⼯業⼤学 科学技術創成研究院）
2022 年 5 ⽉〜2024 年 3 ⽉まで京都⼤学・宇宙総合研究ユニットに特定助教として在籍しておりました上ノ町⽔紀と申します。2024 年 4 ⽉から東京⼯業⼤学・科学技術創成研究院の特任助教に着任しました。本稿では、宇宙ユニットに在籍していた間に⾏っていた研究について簡単に紹介させていただきます。

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研究背景
私は宇宙ユニット在籍時、理学系研究科・物理学第⼆教室・宇宙線研究室と協⼒して、SOI(Silicon-on-insulator) 技術による超微細シリコンピクセル X 線検出器 “XRPIX” [1] の開発研究を主に⾏なっていました。XRPIX は 2010 年頃から、X 線天⽂衛星への搭載を⽬指し、京都⼤学、KEK、宮崎⼤学を中⼼に、多くの研究機関と共同で⻑年開発されています。広帯域(0.5-79 keV)での低バックグラウンドな X 線観測のため、10 電⼦ rms (root mean square) 以下のノイズレベルかつ 300 eV FWHM（Full width at half maximum) 以下@ 6 keV の⾼エネルギー分解能を有する⼤⾯積素⼦（15.3 mm × 49.2 mm）を⽬指しています。
SOI 技術とは、図 1 のようにシリコン基板の上に絶縁の酸化膜(SiO2)を形成し、その上に MOS(Metal-oxide-semiconductor)トランジスタを作製する技術で、XRPIX は、放射線を検出するシリコンセンサと読み出し回路が⼀体型となった Monolithic な X 線 SOI ピクセル検出器です。センサからの電気信号を直接回路に届けることができるので、損失を抑え、雑⾳を低減することができます。
XRPIX の⼤きな特徴としては、各ピクセルの回路にトリガー信号を出⼒するデジタル回路が搭載されていることです。⻑年、数 µm ~ 数⼗ µm のピクセルサイズを有するシリコン X 線検出器としては、CCD(Charge coupled device) が⽤いられています。CCD では、フォトダイオードで受光した光を電荷に変換して蓄積し、隣のピクセルにバケツリレーで電荷を転送します。そのため、CCD では 1 回の電荷の読み出しに 1~10 秒程度の時間を要しますが、XRPIX は⼀定の閾値以上の電荷がピクセルに⼊ってきた際にトリガー信号が出てくるので、トリガーピクセル周辺の必要なピクセルの電荷だけを読み出すこと（以後、イベント読み出しと呼ぶ）ができます。この独⾃の機能によって、約 10 µs 以下の⾼速読み出し時間を達成しています。XRPIX の開発は、有感⾯積 1 mm × 1 mm 程度の⼩さい素⼦から始まり、回路やデバイス構造の改善を経て、現在は有感⾯積 21.9 mm × 13.8 mm の⼤⾯積素⼦も開発中です。本稿では最新の⼤⾯積素⼦ “XRPIX-X” について紹介します。

図 1 シリコンセンサ・回路一体型の X 線検出器である SOI ピクセル検出器の構造。X 線が高抵抗 Si のセンサ層で相互作用し、生成された電荷はセンスノードに集められ、CMOS 回路層で信号処理が行われてエネルギー情報などが出力される。

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XRPIX-X の概要と PDD 構造
XRPIX-X は PDD (Pinned depleted diode) 構造を有する⼩型素⼦ XRPIX8 (有感⾯積 3.4mm × 3.4 mm) を⼤⾯積化した素⼦ (有感⾯積 21.9 mm × 13.8 mm) です。PDD 構造とは、図 2 のように、Si センサと SiO2 の間に階段状に形成された BPW (Buried p-well) と BNW(Buried n-well) を組み込んだ構造のことです [2]。図１のような従来の Single SOI 構造では、センサ層と回路層/絶縁層間の⼲渉や寄⽣容量の影響により、想定のゲインが得られず、読み出しノイズが増⼤し、また、CCD のようなトリガー機能を⽤いないフレーム読み出しで取得した X 線スペクトルと⽐べ、トリガー機能を動作させるイベント読み出しではスペクトル性能（分光性能）が⼤幅に劣化する問題が発⽣していました。⼩型素⼦ XRPIX8 では PDD 構造を組み込むことで、センサ層と回路層の⼲渉や寄⽣容量を抑え、低ノイズ化、イベント読み出しでの分光性能の改善、さらに電荷収集効率の構造、暗電流の低減、放射線耐性の向上が可能となりました [3]。

図 2 PDD 構造を組み込んだ SOI ピクセル検出器の断面図。Si センサと SiO2 の間に階段状に形成された BPW (Buried p-well) と BNW (Buried n-well)が組み込まれている。

図 3 に XRPIX-X の概要を⽰します。XRPIX-X は PDD 構造を組み込んだ⼤⾯積素⼦で、チップサイ
ズ 24.6 mm × 15.3 mm、有感⾯積 21.9 mm × 13.2 mm、ピクセルサイズ 36 µm × 36µm、センサ厚約 300 µm の SOI ピクセル検出器です。ピクセル数以外の基本構成は XRPIX8 と同じですが、アナログ信号の出⼒チャンネルは従来の 1ch から 8ch に増やし、将来的な読み出し時間の改善を図っています。チップの制御やアナログ信号処理は、ADC (Analog to digital converter) やFPGA (Field programmable gate array) を搭載した読み出しボードを⽤いて⾏います。イベント
読み出しでは、トリガー信号を出⼒したピクセルを中⼼とした 8 × 8 のピクセルの電荷（エネルギー情報）を順次読み出します。

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図 3 XRPIX-X の概要。ピクセルサイズ 36 µm × 36 µm、有感面積 21.9 mm × 13.2 mm(ピクセル数 608 × 368)、センサ厚約 300 µm の大面積素子。

XRPIX-X の基礎性能と課題
図 4 に XRPIX-X のイベント読み出しにおける 241Am のエリア毎のエネルギースペクトルを⽰します。
放射線の有感領域を作るためのバックバイアス (VBB) が-10 V、20℃の⼀定温度下という測定条件で取得した結果です。縦軸はカウント数、横軸はチャンネル[ADU: Analog to digital unit]で、チャンネル値は X 線のエネルギー値と⽐例しています。241Am からは主に 13.9 keV, 17.8 keV, 20.8keV 等のエネルギーを有する X 線が放出されています。例えば⿊のラインに着⽬すると、280 [ADU]、350 [ADU]、430 [ADU]のあたりにピークがあり、それぞれ 13.9 keV、17.8 keV、20.8 keV に対応しています。ピークの広がりは計測したエネルギーのばらつきの程度を反映し、この広がりが狭ければ狭いほど、エネルギー分解能が⾼いことになります。図 4 に⽰す分光性能は、図 5 の左図に⽰す⼩型素⼦XRPIX８の分光性能（94×94 ピクセル）と⽐較すると⾮常に悪い結果となりました。図 4 では有感⾯積を 6 分割したエリア毎に分けた時のスペクトルを⽰していますが、エリア⑥の 13.9 keV のピークはエリア①の 13.9 keV のピーク値と⽐べて約半分のチャンネル値に位置しています。XRPIX-X では、ピクセル間のピーク位置のずれが⼩型素⼦と⽐べて⼤きく、特に RA (Row address) が⼤きいピクセルほど（エリア①よりエリア⑥の⽅が）ピーク位置が⼩さいチャンネル値にシフトしていました。
図 5 の右図に 1 ピクセルの XRPIX-X の 241Am のエネルギースペクトルを⽰します。測定条件は図 5
左図の XRPIX8 の測定と異なりますが、1 ピクセルの分光性能⾃体は⼩型素⼦に⼗分匹敵するエネルギー分解能を有することがわかりました。XRPIX-X はピクセル毎にエネルギー較正することで全体として⼩型素⼦ XRPIX8 と同等のエネルギー分解能が得られる可能性がありますが、ピクセル数は 223,744と⾮常に莫⼤であり、1 ピクセル毎のエネルギー較正を⾏うことは現実的ではありません。私たちはさらに、
XRPIX-X のピークシフトの原因を調査、原因を推定し、改善策を盛り込んだ⼤⾯積素⼦ XRPIX-11を開発しました。現在読み出し基板を作成中で、今年度評価予定です。
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図 4 エリアごとの XRPIX-X の分光性能。RA (Row address) が大きいピクセルほど、つまり、エリア①よりエリア⑥の方が、13.9 keV のピーク位置が小さいチャンネル値に位置している。

図 5 小型素子 XRPIX8 の分光性能[3]（左図）と大面積素子 XRPIX-X の１ピクセルの分光性能（右図）。右図はチャネル値をエネルギー値に校正し、横軸はエネルギー[keV]としている。測定条件は異なるが、XRPIX-X の 1 ピクセルの分光性能を調べると、小型素子のXRPIX8 に匹敵する分光性能を有している。

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まとめ
本稿では SOI 技術を⽤いた⼤⾯積シリコンピクセル検出器”XRPIX-X”の開発と性能評価について簡単に紹介させていただきました。XRPIX の開発は、多くの研究機関や研究者の協⼒のもと、デバイス構造や回路の改善を経て、現在は⼤⾯積素⼦ XRPIX-X の開発まで⾄っています。⼤⾯積化では配線抵抗などの影響により、⼩型素⼦では起きなかった問題が発⽣するなど、素⼦開発は⼀筋縄ではいかない難しい部分も改めて実感しました。⼀⽅で、XRPIX-X は PDD 構造により、”常温で”⾼バイアスを印加することができます。もともとは X 線天⽂衛星への搭載を⽬指して始まった開発ですが、トリガー出⼒機能を有する常温動作可能な⾼エネルギー分解能の XRPIX は、宇宙だけでなく、医学や原⼦⼒などの分野にとっても魅⼒的な素⼦です。私は実際に、XRPIX を⽤いた医⽤応⽤に向けたガンマ線イメージングの開発も⾏っており、XRPIX を⽤いることで、シンチレータ検出器を⽤いたシステムでは難しかった
100-200 keV の低エネルギーガンマ線のコンプトンイメージングが可能になりました。
XRPIX-X では 1 ピクセルの分光性能は⼩型素⼦に匹敵するものでしたが、⼤⾯積化によってピクセル全体ではピークシフトの問題が発⽣していました。次の⼤⾯積素⼦ XRPIX-11 ではこの問題に対処し、全ピクセルで⼀様の性能が得られると期待されています。私は今後も XRPIX の基礎開発研究に携わり、医⽤応⽤の研究へつなげていきたいです。

参考⽂献[1] T. G. Tsuru et al., “Development and performance of Kyotoʼs x-ray astronomical
SOI pixel (SOIPIX) sensor.”, Proc. SPIE, 9144, (2014) 914412[2] H. Kamehama et al., “A Low-Noise X-ray Astronomical Silicon-On-Insulator Pixel
Detectors Using a Pinned Depleted Diode Structure”, Sensors, 18, (2018) 27[3] 児⽟ 涼太 (2021) 「次世代 X 線天⽂⽤ SOI ピクセル検出器の軟 X 線性能及びノイズ性能の定量的研究」京都⼤学⼤学院理学系研究科 修⼠論⽂------------------------------------------------------------------------------------------宇宙ユニットの活動やイベントについては、下記サイトをご覧ください。また、宇宙ユニットや本 NEWSに関する皆さんのご意⾒等も気軽に下記メールアドレスまでお送りください。

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