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X線天文学向け SOIピクセル検出器の開発 武田 彩希 (総研大) atakeda post.kek.jp SOIPIX Group : http://rd.kek.jp/project/soi/ 2013.08/04 - 07 原子核三者若手夏の学校 @ ホテルたつき

X線天文学向け SOIピクセル検出器の開発 - 東京大学oka_s/ss2013/slides/Summer...MPW (Multi Project Wafer) run Xwâ ² B åt sîª シリコン結晶内での粒子の反応

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  • X線天文学向け SOIピクセル検出器の開発

    武田 彩希 (総研大)atakeda @post.kek.jpSOIPIX Group : http://rd.kek.jp/project/soi/

    2013.08/04 - 07 原子核三者若手夏の学校 @ ホテルたつき

    mailto:[email protected]:[email protected]://rd.kek.jp/project/soi/http://rd.kek.jp/project/soi/

  • Outline- SOIピクセル検出器について- X線天文学向けSOIピクセル検出器(XRPIX)の紹介

    - SOIピクセル検出器の開発に必要なこと

    - これからとまとめ

    2

    - XRPIXの試験結果

    どのようなものを開発しているかという話が中心

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • SOIピクセル検出器について

    3

  • 4

    現在最先端の放射線用ピクセル検出器(Hybrid Pixel)

    - センサ部と読み出し回路を別々に作り,金属バンプにより接合. -> Siウェハの抵抗率が異なるため(センサ部:高抵抗,回路部:低抵抗)- 位置分解能はバンプサイズで制限- 余分な物質がたくさん- 寄生容量によるスピードの低下

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 5

    次世代のピクセル検出器への要求- 位置分解能を上げたい(~ 10 um)- 検出効率・感度を上げたい- 同時にエネルギー測定も行いたい- ピクセル毎に高度な信号処理を行いたい(intelligent)- 測定レート・読み出し速度を上げたい(~ frame / 100 ns)- 価格を下げたい(産業界のプロセスを応用)- 余分な物質を減らしたい(厚さ 50 - 600 um)

    まとめて言うと,全てにおいてより良い検出器.

    -> これらの要求を満たし,半導体放射線検出器の中でも 理想の形として実現可能なものが「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(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 6

    Bulk & SOI Wafer- Silicon-on-Insulator (SOI) ウェハとは,埋込み酸化膜を介して 2枚のSiウェハを貼付けた構造をもつもの- 一般的な半導体産業では,LSI (CMOS)のプロセスに使われる. -> 高速な回路動作が可能であることが特徴.

    ∼650 µm

    BOX(埋込み酸化膜)Top Si (SOI Layer)

    20-200 nm50-400 nm

    circuit circuit

    PhysicalSupport

    通常の半導体ウェハ(Bulk Wafer)

    SOI ウェハ

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 7

    SOIピクセル検出器

    基本構成 Circuit Layer : ~40 nm Buried Oxide (BOX) : 200 nm Sensor Layer : 100 - 725 μm

    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.

    - 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0.2μm FD - SOIピクセルプロセス- 世の中のセンサのカテゴリでいうと,CMOSイメージングセンサの一種.

    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

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 13

    MPW (Multi Project Wafer) run

    多くのユーザーを集め年に2回実施

  • シリコン結晶内での粒子の反応

    信号量可視光: ~ 1 e-h / photonX線: ~ 3000 e-h / X-ray @ 10 keV荷電粒子: ~ 3000 e-h / track @ 40 μm放射線は計数することができる.

    9

    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、Moターゲット(17.5 keV)ならば4800 e-h程度( = 17500 / 3.65)

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • X線の検出効率

    空乏層厚350 µm時(計算値)

    10

    薄く安くできるので,複数枚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できる.

    ~20 keVまでのX線は30 % 程度で検出.確率は下がるがより高いエネルギーも検出可.

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • X線天文学向けSOIピクセル検出器について

    11

  • - 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(宇宙線)の影響が大きい. -> 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

    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 (2015年打ち上げ予定)

    12

    すざく

    ASTRO-HASTRO-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 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • - 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(宇宙線)の影響が大きい. -> 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

    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 (2015年打ち上げ予定)

    13

    すざく

    ASTRO-H

    - 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

    空間分解能 エネルギー分解能低バックグラウンド-> SOIピクセル検出器

  • 14

    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)

  • XRPIXシリーズ

    15

    2011 2012 2013

    XRPIX2

    XRPIX1 XRPIX1b

    5A-R-Tec PROPRIETARY/CONFIDENTIAL !"#$$

    !"#$$

    XRPIXΔΣ-type

    ADC

    2.4 mm 2.4 mm

    2.4 mm

    6.0 mm

    1.0 mm1.0 mm 4.0 mm

    X-ray imaging area

    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信号のみを読み出す -> 低バックグランド&高速X線分光(高エネ実験では低速 ...)

    6.0 mm

    4.3 mm

    XRPIX2b卒業制作!

    D1 D2 D3

    代表作&今回紹介するチップ

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • XRPIX Series - Road Map -

    16

    2013 2014

    XRPIX

    X-ray Imaging area

    256 x 256 pixels

    Pixel Selection

    Analog Signal Output

    HitDetect

    &PositionOutput

    ADC

    XRPIX3b

    2.9 mmXRPIX3で一部バグを発見.急遽XRPIX3bとして修正版を製作.(2013.07 サブミット)

    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信号のみを読み出す -> 低バックグランド&高速X線分光(高エネ実験では低速 ...)

    在学中にXRPIX1b, 2, 2b, 3, 3b をデザイン

    ? ?D4XRPIX3

    2.9 mm新しい回路&機能を搭載さらなる飛躍が期待!(2013.06 納品)D論書きつつ評価を.

    2015 ? ? ?

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 17

    XRPIX1/1b Design : 仕様

    2.4 mm

    2.4 mm

    XRPIX1bの試験結果を見せるため,そのチップ仕様を以下に示す.チップサイズ: 2.4 mm□ (有感領域: 1.0 mm□) ピクセルサイズ: 30.6 µm□ ピクセル数: 32 x 32 (= 1,024)ピクセル回路: Correlated Double Sampling (CDS),トリガ情報出力回路センサ層: 260 µmセンサ層ウェハの種類:    Czochralski (CZ) -> 700 Ωcm Floating Zone (FZ) -> 7 kΩcm照射タイプ : Front / Back illumination

    他のチップについては時間があれば.

    1.0 mm

    1.0 mm

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • ANALOGOUT

    VTH TRIG OUT

    ROW_READ COL_READ

    COL_AMP OUT_BUF

    SFCD

    S_RS

    T

    CDS Cap.

    Sam

    ple

    Cap.

    STORE

    SF

    PD_R

    ST

    CDS_RSTVPD_RSTV

    Prote

    ctio

    n D

    iod

    e

    VDD18VB_SF

    PDSense-node

    GND

    Pixel Circuit

    Column Readout

    CDS + Trigger Circuit

    TRIG_COL (SR)

    TRIG_ROW (SR)

    TRIG_OUT (OR)Trigger Info. Output

    ComparatorGND

    &

    XRPIX Design : ピクセル回路

    18

    X-ray

    Blue : Sensor Signal (with CDS)Magenta : Trigger Signal

    kT/C NoiseSave & Cancel

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 19

    Event-Driven Readout Mode- トリガ情報の読み出しについて

    Row

    Add

    ress

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 20

    ( i ) ピクセルにX線が入射Event-Driven Readout Mode

    Row

    Add

    ress

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray(i)

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 21

    Event-Driven Readout ModeRo

    w A

    ddre

    ss

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    (ii)XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    (ii)TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal

    ( ii ) もしX線による信号がコンパレータの閾値を超えたら,  Row・Column方向の射影が出力される.

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 22

    Event-Driven Readout Mode( iii ) Row方向の全OR信号 (TRIG_OUT)がトリガ信号となり出力.

    Row

    Add

    ress

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal

    (iii)

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 23

    Event-Driven Readout ModeRo

    w A

    ddre

    ss

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal

    (iv)(iv)

    ( iv ) トリガ信号を受けることで,USER-FPGAはシフトレジスタの  読み出しを開始し,どのアドレスがヒットしたかを把握する.

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 24

    Event-Driven Readout ModeRo

    w A

    ddre

    ss

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal

    (v)(v)

    ( v ) X線と判定したらUSER-FPGAはヒットしたピクセルにアクセスし,  信号を出力させる.

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 25

    Event-Driven Readout ModeRo

    w A

    ddre

    ss

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal(vi)

    ( vi ) USER-FPGAは外部 ADC を通すことでアナログ信号(信号と  ペデスタル値)を読み出す.

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 26

    Event-Driven Readout Mode( vii ) 最後に,取得したデジタルデータをDAQ-PCに転送する.

    (vii)

    Row

    Add

    ress

    Trig

    ger

    Det

    ectio

    n (O

    R)

    USERFPGA

    Column Address

    ADC

    DAQ-PC

    XRPIX

    Row

    Shi

    ft R

    egis

    ter

    Column Shift Register

    TRIG_OUT

    Column Amp.

    TRIG_COL

    TRIG_ROW

    X-ray

    ROW_ADDR

    COL_ADDR

    ANALOG_OUT

    Dig

    ital D

    ata

    Analog Signal

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 27

    DAQ システム

    Sub Board for XRPIX

    SEABAS

    Data TransferviaEthernet

    ADC & DAC

    300mm

    Power Supply : ± 5 VClock : 25 MHzNetwork : 100 MbpsADC, DAC, NIM IN x2, NIM OUTx 2

    SiTCP

    XRPIX2Setup Parameter

    Digital DataAnalog Signal

    Control Signal

    - 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.(XRPIX1/1bは小さいので写真はXRPIX2)

    USERFPGA

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • Software

    28

    レーザーポインタ

    - ROOTのGUIで作成

    - 保存データもROOT形式- XRPIX2にレーザーポインタを当てた絵

    (あくまでも参考の画面なので,細かい絵の内容は触れないでください.)

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • XRPIXの試験結果(XRPIX1b)時間が余ればXRPIX2も見せます...

  • 30

    XRPIX1->XRPIX1b: 性能改善点

    Kβ 24.9 keV

    109CdAg-Kα 22.2 keVFWHM=810 eV

    PH (ADU)

    Cou

    nts

    Spectrum in Frame Mode

    XRPIX1(T=-50C, VBB=100V)

    XRPIX1b(T=-50C, VBB=100V)

    x 1.7

    # 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-ray Energy Calibrationレイアウトデザインの改良-> sense-nodeのサイズを小さくする.-> センサ部寄生容量が低減.

    測定環境は -50 ℃以後,同じ.原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 31

    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 - Base Level X線のエネルギー

    Signal Level

    Base Level

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 32

    XRPIX1b: Single Pixel Readout Mode

    ΔE = 278 eV @ 8.0 keV (FWHM)Readout Noise = 14.6 e- (rms)

    - 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)

    ADU

          Readout Noise : 14.6 e- (rms)

    Counts

    Readout Noise : 18 e- (rms)

    FWHM=190 eV@ 1.49 keV

    Al-Kα

    Soft X-ray-> First Result !

    Energy [eV]

    Counts

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 33

    トリガ情報出力試験

    22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

    31 30 29 28 27 26 25 24 23 22

    30.6 um

    30.6

    um

    PIXEL [23][24]

    Laser Spot

    CA

    RA

    Column Address (CA) -> 23 Row Address (RA) -> 24

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 34

    トリガ情報出力試験

    Laser Light in 1 Pixel

    23

    24

    2D Image of Aout (1Frame)

    TRIG_COL (Hit Pattern)

    TRIG_ROW (Hit Pattern)

    SCLKTRIG

    ADR=

    TRIG_O

    0 5 10 15 20 25 31 23

    24

    1Pixel Hit Pattern @OSCRst

    STORE

    TRIG_O

    Laser_INPUT

    Rst Rst

    1 Frame Scan

    On

    TRIG_O @OSC

    Scan

    TRIG Signal Diagram

    VPD>VTH ?

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • 35

    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,デザインを改善した.(試験は今後)

    原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • - XRPIX2bの評価試験,及び,D論の執筆.- D論を執筆しつつ,XRPIX3の評価試験を行う.XRPIX3 -> 大きな飛躍が期待できるプロトタイプ- ピクセルのセンサ部にチャージアンプ(信号増幅回路)を組み込んだ. -> S/Nの向上(~ 10 倍)により,エネルギー分解能が良くなる.- ヒットパターン出力回路にアドレスエンコーダ回路を組み込んだ. -> シフトレジスタからヒットパターンを読み出すことなく, ヒットしたアドレスを知ることができる. 10 us以内で信号転送まで終了という目標を容易に達成できる. 複数ヒットがあれば(知るための信号線有)パターンを読み出す.

    - ADCを内蔵したXRPIXの設計- 分光システムの製作と試験

    これから

    36原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

  • - 次世代のX線天文衛星搭載に向けトリガ出力機能を持つ検出器を SOIピクセル検出器の技術を基盤とし研究開発している.- SOIピクセル検出器は,センサ部・読み出し回路部一体型の 半導体ピクセル検出器であり,理想的な構造から世界でも 注目されている検出器の一つである.

    - X線天文衛星搭載用SOIピクセル検出器(XRPIX)の基本機能は 実証できている. - X線到来タイミング・位置を出力するトリガ情報出力回路 (このような機能を持ち動作している検出器は世界でも唯一)

    SOIピクセル検出器で一緒に新たな世界を見ませんか?  -> [email protected] / SOIPIX Group : http://rd.kek.jp/project/soi/

    まとめ

    37原子核三者若手夏の学校 - 高エネルギーパート(武田 彩希) @ ホテルたつき - Aug. 5, 2013

    mailto:[email protected]:[email protected]://rd.kek.jp/project/soi/http://rd.kek.jp/project/soi/

  • Backup

  • 39

    Large Pixel 236 x 18 pix

    Small Pixel64 x 144 pix

    Large Pixel 136 x 18 pix

    - We developed a new detector to improve the spectroscopic performance.- There are 4 types pixel structure.

    Basic Components - Chip Size : 6.0 mm sq. (Effective Area : ~4.0 mm sq.)- Pixel Size : 30 µm sq.(Small Pixel) 60 µm sq. (Large Pixel)- Thickness of Sensor Layer : 260 µm- Sensor Wafer : Czochralski (CZ) 700 Ωcm- Irradiation Type : Front/Back illumination

    XRPIX2 Design : Specifications

    Pixel Structure- Small Pixel : Reference (XRPIX1b)- Large Pixel 1 : Same layout of Small Pixel Twice pixel pitch- Large Pixel 2 : Multi-via structure- Large Pixel 3 : Different circuit

    Large Pixel 336 x 36 pix

  • XRPIX2 : Small Pixel

    40

    0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    0 20100

    150

    50

    100

    X-ray Energy (keV)

    Pulse

    Hei

    ght (

    ch)

    XRPIX2 Gain 6.5 µV/e-

    XRPIX1 Gain 3.6 µV/e-

    x 1.8

    - The sense-node capacitance is reduced by shrinking the area size (-> Gain becomes high)- X-ray event selection -> discard multi-pixel (charge sharing) events and pick up only single-pixel events

    PH [ADU]

    40 60 80 100 120 140 160

    PH [ADU]

    40 60 80 100 120 140 1600

    200

    400

    600

    800

    1000

    1200

    1400

    1600

    1800

    40 80 120 160

    Pulse Height (244 µV/ch)

    1000

    500

    1500

    Cu C

    ount

    s100

    200

    00

    Cu Kα (8.0 keV) Mo Kα (17.4 keV)

    Mo Kβ(19.6 keV)

    Mo

    Coun

    ts

    660 eVFWHM

    800 eVFWHM

    1 pixsinglepixel multi

    pixel

    sense-node

    # All the tests were performed at -50 oC #

  • XRPIX2 : Large Pixel 1

    41

    multi pixel event

    - Decreasing charge sharing and increasing single-pixel events by having large pixel size- When X-ray is injected, a single event ratio increases in Large Pixel 1 compared with Small Pixel.

    single pixel event60 μm30 μm

    X-rayX-ray

    Small Pixel Large Pixel 1

    Charge sharing

  • XRPIX2 : Large Pixel 1

    42

    Single pixel event fractionSingle pixel event fraction

    Small Pixel Large Pixel 1

    Cu Kα 86.1% 96.4%Mo Kα 66.5% 86.3%

    Charge collection inefficiency at the pixel edge

    PH [ADU]

    4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

    Co

    un

    ts

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    8 12 16 204

    100

    200

    300

    Energy (keV)

    Coun

    tsPH [ADU]

    4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

    Co

    un

    ts

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    8 12 16 204

    100

    50

    Coun

    ts

    Mo-Kα

    Mo-Kα

    - Large Pixel 1 -

    - Small Pixel -

    Energy (keV)

    -> Single pixel events is increased in Large Pixel 1-> However, Spectral shape is obviously worse than Small Pixel

  • PH [ADU]

    4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

    Counts

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    8 12 16 204

    100

    200

    300

    PH [ADU]

    4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

    Counts

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    8 12 16 204

    100

    50

    PH [ADU]

    4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

    Counts

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    8 12 16 204

    200

    400

    800

    Peak / Tail= 2.9

    Peak / Tail= 6.7

    Peak / Tail= 20.2

    Coun

    ts

    - Large Pixel 2 -

    Coun

    ts

    Energy (keV) Energy (keV) Energy (keV)

    - Large Pixel 1 -- Small Pixel -

    Coun

    ts

    - Multi-Via structure instead of a single via- Multi-Via structure successfully improves the charge collection efficiency- More optimization is required

    low charge collection efficiency at the pixel edge

    Multi-via can improve efficiency

    sense-node

    43

    XRPIX2 : Large Pixel 260

    μm

  • XRPIX2 : Gain Uniformity (Small pixel)

    44

    0 10 20 30 40 50 600

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    140

    5

    5.2

    5.4

    5.6

    5.8

    6

    6.2

    6.4

    6.6

    6.8

    7

    0 6030Column

    0

    140

    70

    Row

    5.0

    7.0

    6.0

    5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 6.2 6.4 6.6 6.8 7

    1

    10

    210

    310

    5.0 7.06.0

    RMS (>6 µV/e)= 1.35 %

    10

  • LAPIS 0.2 μm FD-SOI Pixel Process

    45

    Process 0.2µm Low-Leakage Fully-Depleted SOI CMOS (LAPIS)1 Poly, 5 Metal layers, MIM Capacitor (1.5 fF/um2), DMOSCore (I/O) Voltage = 1.8 (3.3) V

    SOI wafer Diameter: 200 mmφ, 725 um thickTop Si : Cz, ~18 Ω-cm, p-type, ~40 nm thick Buried Oxide: 200 nm thickHandle 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

  • X線の検出効率

    46

  • 47

    XRPIX Control Diagram

    PED_READ50 x 1µsVTH

    XXX

    TRIG-DRV Timing Diagram

    0 31

    TRIG_WAIT (exposure=1ms) SIG_READ50 x 1µs

    Hit Pixel ADDR

    X-ray Injection

    TRIG Address

    HIT Pixel ADDRXXX

    Hit Timing of TRIG

    XXX

    One Circle in Trigger AssertOne Circle in Trigger Not Assert

    X-ray Signal Amplitude

    DATA_TRANSFER

    TRIG_ROW

    TRIG_COL

    SCLK (ADD_RD)TRIG_O

    Pixel ADDR (CA, RA)

    STORE

    RST @ PD, CDS, VTH

    Analog Voltage @ Sense-node

  • 48

    XRPIX Control Diagram

    Trigger Info. ReadoutReset Timing Diagram

    X-ray Injection

    Hit Timing of TRIG

    Comparator Reset

    X-ray Signal Amplitude

    TRIG_OUT

    VTH_RST

    PD_RST

    Analog Voltage @ Sense-node

    CDS_RST

    RST_COMP1

    RST_COMP2

    STORE

    ExposureReset

    VTH