積分型SOIピクセル検出器の開発 武田 彩希 (総研大) atakeda ＠post.kek.jp

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1 積分型SOIピクセル検出器の開発 武田 彩希 (総研大) atakeda ＠post.kek.jp
〜次世代のX線天文衛星搭載へ向けたSOIピクセル検出器〜 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート＠ホテルエバーグリーン富士 / 03 FRI 武田　彩希　(総研大) atakeda ＠post.kek.jp SOIPIX Group :

2 Outline - SOIピクセル検出器のX線天文学への応用 - 積分型SOIピクセル検出器の開発現状
- X線天文学向けSOIピクセル検出器(XRPIX)の紹介 - XRPIXの試験状況 - まとめ 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

3 X線天文衛星の現状 日本の代表的なX線天文衛星 - 現在の衛星：すざく - 次期衛星：ASTRO-H (2014年打ち上げ予定)
- CCD，DEPFET，両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル検出器 - 軟X線から硬X線の範囲を複数の検出器により 　カバーしている． - CCD，DEPFETは非X線バックグラウンドが高い （分光性能は高いが・・・） --> 10 keV以上で顕著 - 両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル 　検出器は分光性能が低い --> 軟X線の観測が困難 すざく ASTRO-H ASTRO-Hの観測領域 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

4 X線天文衛星の現状 日本の代表的なX線天文衛星 - 現在の衛星：すざく - 次期衛星：ASTRO-H (2014年打ち上げ予定)
- CCD，DEPFET，両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル検出器 - 軟X線から硬X線の範囲を複数の検出器により 　カバーしている． - CCD，DEPFETは非X線バックグラウンドが高い （分光性能は高いが・・・） --> 10 keV以上で顕著 - 両面シリコンストリップセンサ，CdTe/CdZnTeピクセル 　検出器は分光性能が低い --> 軟X線の観測が困難 すざく - 次世代のX線分光器は，軟X線から硬X線の範囲を 　同時に観測，分離可能であるものが求められる． 　--> 広エネルギー帯域・精密撮像・精密分光性能 ASTRO-H 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

5 次世代のX線天文衛星搭載へ向けたSOIピクセル検出器
目標性能 X-ray SOIPIX with Active Shield (1) FWHM ≤140 eV at 6 keV (Readout Noise ≤ 10 electrons) (2) <100 μm pitch pixel (3) ∼10 μs per event readout (Trigger, Direct Pixel Access) (4) Wide energy range : 0.5– 40 keV (Thick Depletion Stacks) X-ray Cosmic Ray (Non-Xray-BG) Hard Soft Field of View XRPIX Active Shield Scintillation counter 目標性能を達成するために， SOIピクセル検出器の技術を基盤に 新たな検出器を開発 (XRPIX). XRPIXはトリガ情報出力機能を持つ！ Onboard Processor ・Anti-coincidence (NXB rejection) ・Hit-pattern Selection (NXB rejection) ・Direct Pixel Access (X-ray Readout) 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

6 SOIピクセル検出器 - Silicon-on-Insulator (SOI) 技術によるセンサ部・読み出し部一体型検出器
- SOIピクセル検出器(SOIPIX) ： KEKの測定器開発室を中心に開発が進む． --> ラピスセミコンダクタ(株)による0.2 mm FD - SOIピクセルプロセス 基本構成 Circuit Layer : ~40 nm Buried Oxide (BOX) : 200 nm Sensor Layer : mm SOIピクセル検出器の特徴 - 金属バンプボンディングがない --> 高密度・低寄生容量・高感度 - 一般的なCMOS回路により構成 - 一般的な産業技術を基盤とする SOIピクセルプロセス ラピスセミコンダクタ(株)と共同開発 しているSOIピクセル検出器をプロセス するための新しい技術． 実用レベルでは世界唯一． 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

7 UNIBONDTM Process (1995, France LETI) -> SOITEC
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8 SOIピクセルプロセス 725 50-725 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

9 The Buried p-Well (BPW)
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10 The Buried p-Well (BPW)
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11 シリコン結晶内での粒子の反応 信号量 可視光： ～ 1 e-h / photon
X線：　～ 3000 e-h / 10 keV 荷電粒子： ～ 3000 e-h / 40 mm 放射線は計数することができる． X線が生成する e-h ペアの数 1 e-h 生成するのに必要なエネルギーは3.65 eV 例えば、17.5 keVならば4800 e-h程度( = / 3.65) 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012 11

12 X線の検出効率 数keVから~20 keV までのX線を検出！ 空乏層厚350 mm時(計算値） 荷電粒子、中性子等も検出可能．
薄く安く出来るので，複数毎重ねて検出効率を上げたり， さらに高エネルギー側まで感度を上げる事も出来る． 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012 12

13 Double SOI Layer Wafer Increase radiation hardness by compensating Oxide/Interface Trap charge with middle layer bias. circuit additional conduction layer sensor Shield sensors from circuit 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012 13

14 基本的な積分型SOIピクセル検出器 Chip Size: 10.3 x 15.5 mm2 (Effective Area: 8.7 x 14.1 mm2)　 Pixel Size: 17 mm□ Number of Pixel: 512 x832 (= 425,984) Pixel Circuit: Correlated Double Sampling (CDS) Thick of Sensor Layar: 260 mm Sensor Wafer: Czochralski (CZ) -> 700 Ωcm Floating Zone (FZ) -> 7 kΩcm Irradiation Type : Front / Back illumination 44mm 煮干しのX線画像（３枚を合成） 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012 14

15 XRPIX シリーズ 2010 2011 2012 2013 2014 XRPIX シリーズの特徴 トリガ情報出力機能：X線到来の時間と位置
1.0 mm 1.0 mm 4.0 mm XRPIX1 XRPIX1b Hit Detect & Position Output X-ray Imaging area 256 x 256 pixels 本発表 ! XRPIX2 Mar. 2012 2.4 mm 2.4 mm X-ray Imaging area 2.4 mm 現在評価中 XRPIX ΔΣ-type ADC Pixel Selection 6.0 mm ADC Analog Signal Output XRPIX シリーズの特徴 トリガ情報出力機能：X線到来の時間と位置 -> X線が入射したピクセルのみを読み出す --> 低バックグラウンド & 高速X線分光 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

16 XRPIX1/1b Design : 仕様 Chip Size: 2.4 mm□ (Effective Area: 1.0 mm□)
Pixel Size: 30.6 mm□ Number of Pixel: 32 x 32 (= 1,024) Pixel Circuit: Correlated Double Sampling (CDS), Trigger Function Thick of Sensor Layar: 260 mm Sensor Wafer: Czochralski (CZ) -> 700 Ωcm Floating Zone (FZ) -> 7 kΩcm Irradiation Type : Front / Back illumination 2.4 mm 1.0 mm 1.0 mm 2.4 mm 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

17 XRPIX1/1b Design : ピクセル回路
VTH IN TRIG_CA TRIG_RA TRIG_OUT TRIGGER H/L OUT RA_READ CA_READ ANALOG OUT COL_AMP OUT_BUF SF VTH_RST CDS_RST CDS Cap. Sample Cap. STORE PD_RST CDS_RSTV PD_RSTV Protection Diode VDD18 VB_SF PD Sense-node GND XRPIX1/1b Design : ピクセル回路 Trigger Info. Output Pixel Circuit Blue : Analog Signal (with CDS) Magenta : Trigger Signal Comparator kT/C Noise Save & Cancel Column Readout X-ray -> 回路のリセット (PD_RSTV, CDS_RSTV, VTH) -> 露光 -> X線の検出 -> アナログ信号の読み出し 外部FPGAによる制御 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

18 ピクセルレイアウトの例(XRPIX) BPWの領域 PSUB (電極) ピクセルの領域
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19 ピクセルレイアウトの例(計数型) CNTPIX5 Pixel Layout 64x64 um2 ~600 Tr/pix
x 72列 x 212行  1千万 Transistor 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

20 DAQ System USER FPGA Data Transfer via Ethernet SiTCP
- Soi EvAluation Board with Sitcp (SEABAS) - （SOIピクセル検出器用）汎用データ読み出しボード - FPGAにより検出器を制御. - EthernetによりPCへデータを転送. Power Supply : ± 5 V Clock : 25 MHz Network : 100 Mbps ADC, DAC, NIM IN x2, NIM OUTx 2 SEABAS USER FPGA XRPIX Setup Parameter Control Signal Data Transfer via Ethernet Analog Signal Digital Data SiTCP ADC & DAC Sub Board for XRPIX 300mm 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

21 XRPIX1->XRPIX1b: 性能改善点
レイアウトデザインの改良 X-ray Energy Calibration -> sense-nodeのサイズを小さくする. XRPIX1 (T=-50C, VBB=100V) XRPIX1b -> センサ部寄生容量が低減. # Sense-node Cap. = 41 -> 24 fF # • Sensitivity = 3.6 -> 6.1 μV/e- • Noise = 120 -> 74 e- (rms) • ΔE = 1.5 keV -> 0.8 keV (FWHM) x 1.7 Kβ 24.9 keV 109Cd Ag-Kα 22.2 keV FWHM=810 eV PH (ADU) Counts Spectrum in Frame Mode 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

22 XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode
- 分光性能の限界を求めるための試験. (cf. Prigozhin et al., 2009) - １ピクセルを固定しアナログ出力の波形を読み出し観測 - オフライン解析でX線のヒットポイントを探す. Signal Level -> Signal Level - Base Level X線のエネルギー Base Level 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

23 XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode
- single pixel readout modeによるX線スペクトル. ΔE = keV (FWHM) Readout Noise = 14.6 e- (rms) ΔE = keV (FWHM) Readout Noise = 18 e- (rms) Readout Noise : 18 e- (rms) FWHM=190 eV @ 1.49 keV Al-Kα Soft X-ray -> First Result ! Energy [eV] Counts ADU Readout Noise : 14.6 e- (rms) Counts 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

24 XRPIX1b : Trigger-Driven Readout Mode
Dead Time : ~100 μs/event Future -> ~10 μs COL ADDR F P G A 4 ROW ADDR TRIG COL ADDR COL Hit ADDR Resister (HIT POSITION) 3 TRIG ROW ADDR 1 ROW ADDR DECODER ROW Hit ADDR Resister PC OR TRIG (TIMING) 1 2 6 X-ray ADC ANALOG OUT 5 COL ADDR DECODER Trigger Info. Output Direct Pixel Access Analog Signal Output 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

25 トリガ情報出力試験 Column Address (CA) -> 23 Row Address (RA) -> 24 CA RA
30.6 um PIXEL [23][24] RA 30.6 um Laser Spot 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

26 TRIG_COL (Hit Pattern)
トリガ情報出力試験 Laser Light in 1 Pixel 23 24 2D Image of Aout (1Frame) TRIG Signal Diagram VPD>VTH ? TRIG_COL (Hit Pattern) TRIG_ROW (Hit Pattern) SCLK TRIG ADR= TRIG_O 23 24 1Pixel Hit Rst STORE TRIG_O Laser_INPUT 1 Frame Scan On 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

27 XRPIX1b : Trigger-Driven Readout Mode
- Trigger-Driven readout modeにより取得した初めてのX線スペクトル. - 全フレーム読み出しとゲインが異なる. --> ピクセル回路に原因があるので，デザインを改善する. 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

28 まとめ - KEKの測定器開発室を中心にSOI技術によるピクセル検出器の開発を進める．.
- 基本的な要素技術の開発には成功し，実用を目指していく段階 - そのひとつに，次世代のX線天文衛星搭載へ向けた分光器の開発がある． - X線天文衛星搭載用SOIピクセル検出器：XRPIXシリーズ Sensitivity = 6.1 μV/e XRPIX1b : Sense-node Cap. = 24 fF Noise = 74 e (rms) ΔE = 0.8 keV 22 keV - 軟X線のスペクトルを取得． ΔE = keV (FWHM) Readout Noise = 18 e- (rms) by single pixel readout mode - Trigger-Driven readoutにてX線スペクトルを初めて取得． - 今後は，面積を拡大した新チップの評価，より低ノイズな検出器の開発を行う． 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

29 Backup

30 LAPIS 0.2 μm FD-SOI Pixel Process
0.2μm Low-Leakage Fully-Depleted SOI CMOS (LAPIS) 1 Poly, 5 Metal layers, MIM Capacitor (1.5 fF/um2), DMOS Core (I/O) Voltage = 1.8 (3.3) V SOI wafer Diameter: 200 mmφ, 725 um thick Top Si : Cz, ~18 Ω-cm, p-type, ~40 nm thick Buried Oxide: 200 nm thick Handle wafer: Cz(n) ~700 Ω-cm, FZ(n) ~7 kΩ-cm, FZ(p) ~40 kΩ-cm Backside Mechanical Grind, Chemical Etching, Back side Implant, Laser Annealing and Al plating M5 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

31 X線の検出効率 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 彩希） @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012
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32 MPW (Multi Project Wafer) run
多くのユーザーを集め年に２回実施 13

33 XRPIX Control Diagram Analog Readout ≈ PD_RST One Frame CDS_RST STORE
1) Reset One Frame 2) Integration 3) Readout Hit Pattern 32 x 32 Pix XXX Analog Readout PD_RST CDS_RST STORE Pix (CA, RA) 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

34 XRPIX1/1b Design : ピクセル回路
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35 SOI Pixel ! 高精度 Direct Detection Indirect Detection シンチレータ + 光検出器 高機能
（高感度だが位置・エネルギー 分解能に難） 高機能 On-Chip Logic No On-Chip Logic X線用CCD... (読出し速度に制限） 小型、安価 Monolithic Hybrid Medipix, Pilatus ... (Mechanical Bondingで性能 に制限） 高感度 SOI CMOS Bulk CMOS CMOS APS... (空乏層が薄く、感度が悪い） SOI Pixel ! 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

36 Bulk and SOI Wafer Radiation Sensor Physical Support 20-200 nm
circuit Top Si (SOI Layer) BOX(埋込み酸化膜) Radiation Sensor Physical Support m 通常の半導体ウエハー (Bulk Wafer) SOI Wafer 原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート（武田 ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012

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