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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
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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 ? ? ?
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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
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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
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X-ray
Blue : Sensor Signal (with CDS)Magenta : Trigger Signal
kT/C NoiseSave & Cancel
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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
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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
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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.
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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)
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.)
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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
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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