積分型 SOIピクセル検出器の開発

Report
積分型SOIピクセル検出器の開発
〜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
2012. 08 / 03 FRI
武田 彩希 (総研大)
atakeda @post.kek.jp
SOIPIX Group : http://rd.kek.jp/project/soi/
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 彩希) @ ホテルエバーグリーン富士 - Aug. 3, 2012
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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 すざく
検出器は分光性能が低い
--> 軟X線の観測が困難
ASTRO-H
ASTRO-Hの観測領域
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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 すざく
検出器は分光性能が低い
--> 軟X線の観測が困難
- 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
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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
(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 SOIPIX with Active Shield
X-ray
Field of View
Hard
Soft
Cosmic Ray
(Non-Xray-BG)
XRPIX
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!
Scintillation counter
Onboard Processor
・Anti-coincidence (NXB rejection)
・Hit-pattern Selection (NXB rejection)
・Direct Pixel Access (X-ray Readout)
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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
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
基本構成
Circuit Layer : ~40 nm
Buried Oxide (BOX) : 200 nm
Sensor Layer : 100 - 725 mm
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.
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UNIBONDTM Process (1995, France LETI) -> SOITEC
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SOIピクセルプロセス
725
50-725
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The Buried p-Well (BPW)
Buried p-Well (BPW)
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The Buried p-Well (BPW)
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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 / X-ray @ 10 keV
荷電粒子: ~ 3000 e-h / track @ 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( = 17500 / 3.65)
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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.
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Double SOI Layer Wafer
Increase radiation hardness by compensating
Oxide/Interface Trap charge with middle layer bias.
circuit
sensor
additional
conduction layer
Shield sensors
from circuit
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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)
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XRPIX シリーズ
2010
2011
1.0 mm
1.0 mm
XRPIX1
XRPIX1b
本発表 !
2.4 mm
2012
4.0 mm
XRPIX2
Mar. 2012
2.4 mm
X-ray Imaging area
2.4 mm
2013
2014
XRPIX
Hit
Detect
&
Position
Output
X-ray Imaging area
256 x 256 pixels
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
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XRPIX1/1b Design : 仕様
1.0 mm
2.4 mm
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
1.0 mm
2.4 mm
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XRPIX1/1b Design : ピクセル回路
Trigger Info. Output
Pixel Circuit
TRIG_CA
IN
Blue : Analog Signal (with CDS)
Magenta : Trigger Signal
PD_RSTV
外部FPGAによる制御
TRIG_RA
SF
RA_READ
CA_READ
ANALOG
OUT
CDS Cap.
COL_AMP
CDS_RSTV
OUT_BUF
Column Readout
VTH_RST
CDS_RST
GND
PD_RST
PD
H/L OUT
STORE
Sample Cap.
Protection Diode
Sense-node
SF
TRIG_OUT
Comparator
kT/C Noise
Save & Cancel
VDD18
VB_SF
X-ray
VTH
TRIGGER
VTH
-> 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
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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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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
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DAQ System
- 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
XRPIX
Control Signal
Analog Signal
USER
FPGA Setup Parameter
Data Transfer
via
Ethernet
Digital Data
SiTCP
ADC & DAC
Sub Board for XRPIX
300mm
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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.
-> 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)
XRPIX1b
(T=-50C, VBB=100V)
x 1.7
Spectrum in Frame Mode
Counts
Ag-Kα 22.2 keV
FWHM=810 eV
109Cd
Kβ 24.9 keV
XRPIX1
(T=-50C, VBB=100V)
PH (ADU)
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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
X線のエネルギー
-> Signal Level - Base Level
Base Level
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XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode
- single pixel readout modeによるX線スペクトル.
ΔE = 190 eV @ 1.49 keV (FWHM)
Readout Noise = 18 e- (rms)
ΔE = 278 eV @ 8.0 keV (FWHM)
Readout Noise = 14.6 e- (rms)
Readout Noise : 18 e- (rms)
Readout Noise : 14.6 e- (rms)
Counts
Counts
Al-Kα
FWHM=190 eV
@ 1.49 keV
Soft X-ray
-> First Result !
ADU
Energy [eV]
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XRPIX1b : Trigger-Driven Readout Mode
Dead Time : ~100 μs/event
Future -> ~10 μs
COL ADDR
ROW ADDR
TRIG COL ADDR
COL Hit ADDR Resister
(HIT POSITION) 3
TRIG ROW ADDR
1
OR
1
ROW Hit ADDR
Resister
ROW ADDR DECODER
4
TRIG (TIMING)
F
P
G
A
2
6
PC
0 X-ray
5
ANALOG OUT
ADC
COL ADDR DECODER
Trigger Info. Output
Direct Pixel Access
Analog Signal Output
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トリガ情報出力試験
Column Address (CA) -> 23
Row Address (RA) -> 24
CA
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Laser Spot
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RA
30.6 um
PIXEL [23][24]
31 30 29 28 27 26 25 24 23 22
30.6 um
25
トリガ情報出力試験
2D Image of Aout (1Frame)
TRIG Signal Diagram
24
Laser Light
in 1 Pixel
VPD>VTH ?
23
TRIG_O @OSC
Rst
Rst
STORE
Scan
1 Frame
Laser_INPUT On
TRIG_O
Rst
1Pixel Hit Pattern @OSC
TRIG_O
SCLK
TRIG
Scan
ADR= 0
5
10
15
20
25
31
23
TRIG_COL (Hit Pattern)
TRIG_ROW (Hit Pattern)
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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.
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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
XRPIX1b :
Sense-node Cap. = 24 fF
Noise = 74 e (rms)
Sensitivity = 6.1  V/e
ΔE = 0.8 keV (FWHM) @ 22 keV
- 軟X線のスペクトルを取得.
ΔE = 190 eV @ 1.5 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.
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Backup
LAPIS 0.2 μm FD-SOI Pixel Process
Process
0.2 m 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 mm , 725 um thick
Top Si : Cz, ~18 -cm, p-type, ~40 nm thick
Buried Oxide: 200 nm thick
Handle wafer: Cz(n) ~700 -cm,
FZ(n) ~7 k-cm, FZ(p) ~40 k-cm
Backside
Mechanical Grind, Chemical Etching, Back side Implant,
Laser Annealing and Al plating
M5
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X線の検出効率
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MPW (Multi Project Wafer) run
多くのユーザーを集め年に2回実施
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XRPIX Control Diagram
Analog
Readout
One Frame
1) Reset
2) Integration
≈
PD_RST
≈≈
CDS_RST
XXX
≈≈ ≈
≈
STORE
Pix (CA, RA)
3) Readout
32 x 32 Pix
XXX
Hit Pattern
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XRPIX1/1b Design : ピクセル回路
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X線イメージ検出器
高精度
Direct Detection
Indirect Detection
シンチレータ + 光検出器
(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
小型、安価
Monolithic
高感度
SOI CMOS
SOI Pixel !
Hybrid
X線用CCD...
(読出し速度に制限)
Medipix, Pilatus ...
(Mechanical Bondingで性能
に制限)
Bulk CMOS
CMOS APS...
(空乏層が薄く、感度が悪い)
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Bulk and SOI Wafer
50-400 nm
circuit
20-200 nm
Topcircuit
Si (SOI Layer)
BOX(埋込み酸化膜)
mm
通常の半導体ウエハー
(Bulk Wafer)
Physical
Support
SOI Wafer
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