鶴 剛（京大）tsuru@cr.scphys.kyoto-u.ac.jp

森浩二（宮崎大），幸村孝由（工学院），田中孝明（京大）中島真也，松村英晃（京大），武田彩希，新井康夫（KEK）

20131213_SOI新学術WS_B01_XRPIX_v0.key

計画研究 B01

宇宙最初期ブラックホールの探査研究を実現する衛星搭載

X線精密イメージングの開拓

1

Neal Jackson, STScI and NASA

電波

Chris Carilli and NRAO/AUI Ｘ線A. Wilson & A. Young, P. Shopbell, CXC, NASA

白鳥座A

50万光年

超巨大ブラックホール（太陽の100万倍から10億倍）

銀河の中心のブラックホール

銀河とブラックホールの共進化

銀河:地球BH :砂粒

2

最も暗いのが初期BH

SOIPIX

CCD

ざらざらは全て背景ノイズ

学術的背景 3宇宙初期

現在

宇宙最初期BH = 中質量BH

第１世代の星恒星質量BHや星の合体

原始BH

これを発見する

超巨大BH

Trajectory of particles inside the CCD

Irradiation of 1-MeV electrons onto the CCD

Non X-ray background of Suzaku XIS (BI)

Due to high energy particles on orbit.

4

Ｘ線SOIPIX素子 (スタック)

視野

非X線バックグラウンド

(宇宙線が作る2次的放射線)

アクティブシールド

硬X線 軟X線

衛星搭載のFPGA・計算機 ● イベント駆動読み出し ● 非同時計数 (非X線BGDの除去) ● Ｘ線エネルギー・位置・時刻計測

１分

SOIPIX：イベント駆動読み出し型

• 反同時計数 ⇒ 背景ノイズ２桁下げる．

• X線が到達した瞬間にトリガ出力．

• アクティブシールドが同時に信号出力⇒宇宙線だと判断し，捨てる．

• アクティブシールドが同時に信号無し⇒Ｘ線だと判断し，アナログ信号処理

• 他の性能：撮像，分光（読み出しノイズ），検出感度はCCDと同等（以上）．

5

XRPIX Series - Road Map -6

XRPIX1 XRPIX1b

2.4 mm 2.4 mm

1.0mm1.0mm

XRPIX2b

4.5mm

6.0 mm

XRPIX2

6.0 mm

4.0mm

First ModelTrigger Output

2.9 mm 2.9 mm

XRPIX3 XRPIX3b

5A-R-Tec PROPRIETARY/CONFIDENTIAL

� �� ������������

2.4mm

2.4mm XRPIXΔΣ-type

ADC

2.4 mm

Middle Size ButtableCharge

Sensitive AMP

1.0mm 1.0mm

2010 2011 2012 2013 2014

10μsec

7５年間の目標：衛星搭載品を直ちに製造開始項目 目標 現状 テクノロジ

超低BGD5e-5 c/s/

keV/10mm角

不明トリガ出力: OK

アクティブシールド: 未

広帯域 0.3 - 40keV 1.5 ? - 40keV>300μm: OK　

裏面不感層0.1μm: 未

精密分光要求 <10e-

ゴール < 3e-

64e- (rms)XRPIX2 SmallPix

True-CDS: 未　　　プリアンプ: 未Built in ADC: 未　　裏面のCCE

暗電流 <2pA/cm2200pA/cm2

(-40℃)回路からの(?)リークを下げる

精密撮像 30-60μm30.6μm, 61.2μm

ピクセル内のCCE

広視野 20mm角 3.9mm角モザイク可能(XRPIX2b)

デッド領域は出来るだけ小さく．

裏面CCE: A01班，二重活性層によるイベント駆動True-CDS: A02班

１分

チーム（cf. 申請書）• 全員Ｘ線天文分野，Ｘ線CCDの経験あり

• 鶴 剛（京大）：総括，Ｘ線素子開発

• 森浩二（宮崎）：硬X線性能評価

• 幸村孝由（工学院）：軟X線性能評価

• 田中孝明（京大）：イベントドリブン読み出し，バックグラウンド評価

• 中嶋大（阪大:連携）：ADC

• FY2014から，KEK 武田彩希さんをPDとして雇用（京大)素子・回路等の設計・製作，性能評価

• 各大学での大学院生．修論1本/年（京大）を目指す．

• B01チームで，投稿論文2本/年を目指す．

8

１分

難しいと思っている事

• 最大の難関：低ノイズ化．要求=10e-(rms)，ゴール=3e- (rms)

• 逐次読み出しではなく，イベントドリブン読み出しで実現．

• トリガも低い閾値ではなければいけない．目標 = 0.3keV．

• 裏面の不感層と電荷収集効率(CCE)

• いくつか有望な方法を試す

• 1keV以下のＸ線の評価

• 実験室で手軽に強く質の良い軟X線を得る方法．

• まだ手を付けていない事への不安（暗電流，BGD，大型化）

9

XRPIXの紹介と現在

10

XRPIX1: Pixel Circuit

STORE

CDS C100fF

Sample C100fF

Sensor

Triggeroutput

Trigger

CDS

Comparator

CDS _VRST VTH

VDD18

PD_VRST

COL_AMP OUT_BUFSF2

SF1

VDD18

GND18

GND18

Sample/Store

Sensor C

Analogoutput

Analog Readout

G=1 G=1

TEST_ECA EOXX

11ピクセル回路

XRPIX1b-CZ : Event Driven Readout

・

COL Hit Add. Resister

Row H

it Add.

Resister

COL Readout ADDRCOL Amp

ROW

Rea

dout

AD

DR

TRIG_OOR

TRIG_COL

TRIG_ROW

A_OUT

①① ②

X-ray !

FPGA

ADC

Takeda et al., IEEE Accepted (2012)

③

④

④

⑤

12イベント駆動

TRIG_OUT

SCLK

CA[151-0]

RA[151-0]

Trigger !

Address of Triggered Pixel

Trigger Address Readout Clock

Row Column

4μsec

Takeda et al., IEEE (2013)

- Event-driven mode basically operates.- Capacity of event rate >1kHz.- The gain is different. There is offset.- Due to interference between analog and digital circuits

XRPIX2b-CZ : Event-driven Readout Mode 13

Puls

e H

ight

(ch

)

X-ray Energy (keV)

Event-Driven5.4 μV/e-

Offset

Frame-Mode7.0 μV/e-

Fe-55 (5.9keV)

Pulse Hight (ch)

Note: Pixel gain is not calibrated.

Preliminary

Preliminary

22keV X-ray detectionCd-109

イベント駆動

XRPIX1b-FZ(2012)-FI (7kΩcm) : Depletion Depth

back_bias� 200V�

• Counting Rate of 22keV X-ray (Cd-109) as a function of VBB.(Attenuation Length = 1200μm > Physical Thickness = 500μm.)

• The data follow the expected slope of depletion ∝ VBB^1/2.

• Full Depletion of 500μm is reached at VBB=200V. 20130502_matsumura.pdf

Depletion ∝ VBB^1/2

14

Preliminary

Physical Thickness 500μm (not 260μm)Counting Rate of 22keV X-ray

200V

空乏層

QE of LBNL’s BI-SOIPIX / SOImager-2-CZ-BI

Deplation 73±2μm

Dead Layer 0.6±0.2μm

Battaglia+12 NIM-A

※ これは我々の素子ではなく，同じウェハを使用した別の素子です．

15LBNL “Pizza Process”裏面照射

XRPIX2-CZ-FI (Small Pixel) : Spectrum in the frame mode

Nakashima et al., 2012, NIM A submitted

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)

Puls

e H

ight

(ch)

XRPIX2 Gain 6.5 µV/e-

XRPIX1 Gain 3.6 µV/e-

Observed Readout Noise

FanoNoise

Pixel-Pixel GainDispersion 1%

Sum

Cu Kα 656 eV 548 eV (FWHM)64 e-(rms)

139 eV 255 eV 620 eV

Mo Kα 800 eV

548 eV (FWHM)64 e-(rms) 205 eV 553 eV 805 eV

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 160Pulse Hight (ch = 244 µV)

1000

500

1500

Cu C

ount

100

200

00

Mo

Coun

t

Cu Kα (8.0 keV) Mo Kα (17.4 keV)

Mo Kβ(19.6 keV)

656 eVFWHM

800 eVFWHM

Readout Noise 100→64e-

16エネルギー分解能

Charge AmpFeedback Capacitance 1fF

Sensor Node

Reset SW

XRPIX3/3b : Pre Amp in Each Pixel 17

• A charge sensitive amp (CSA) in every pixel in order to increase the

gain and improve energy resolution.

• CSA is basically the same that developed in another SOIPIX (PIXOR).

• Readout noise = 64e (rms) → ....

Protection Diode

エネルギー分解能

IEEE NSS/MIC2013ソウル前日... 　2013/10/26 13:38

1 2 3 4 5 6 7 80

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Energy (keV)

Coun

ts55Fe Spectrum

5.9 keV

FWHM : 8 % (470 eV)

FWHM : 14 % (830 eV)

6.4 keVCSA Pixel

Normal Pixel

(solid) : fitting line(dot) : data.

Development of New Circuit for X-ray Astronomical SOI Pixel DetectorAyaki Takeda (SOKENDAI / KEK)

Y.Arai (KEK / IPNS)T.G.Tsuru, T.Tanaka, S.Nakashima, and H.Matsumura (Kyoto Univ.)

For X-ray AstronomySOI Pixel Detector (SOIPIX)

Design Specification of XRPIX3

2013 IEEE NSS @ COEX, Seoul, Korea - 2013.10.30 WED -

Summary- We have been developing SOIPIX for future X-ray astronomical satellite mission.- A new device, “XRPIX3” was designed in order to improve energy resolution.- By CSA pixel circuit, we succeeded in the improvement of energy resolution. Normal -> 14 % (FWHM) , CSA -> 8 % (FWHM) @ 5.9 keV (55Fe)- We will optimize CSA circuit for the next design.

Please contact us if you are interested. -> http://rd.kek.jp/project/soi/mail: yasuo.arai @ kek.jp (Yasuo Arai (PL)), atakeda @ post.kek.jp (Ayaki Takeda)

X-rays

New Circuit

First prototype of XRPIX CSA circuit. Comparison of Normal and CSA pixel.(Fabricated Jun, 2013)Components- Chip Size : 2.9 mm sq. (Effective Area : 1.0 mm sq. )- Pixel Size : 30 µm sq.- # of Pixel : 32 x 32 (= 1,024)- Thickness of Sensor Layer : 260 µm- Sensor Wafer : 700 Ω cm -> Czochralski (CZ)

The performance required of a future X-ray astronomical satellite is the following ...- FWHM ≤ 140 eV @ 6 keV (Readout Noise ≤ 10 e-)- ≤ 100 µm pitch pixel- ~10 µs per event readout- Wide energy range : 0.3 - 40 keVIn order to achieve these requirement,we have been developing the SOIPIXwith a trigger information output function.(Event-Driven Readout mode) -> XRPIX SeriesWe aim at realization with a spectroscopysystem as shown in the right figure.

- A monolithic pixel detector with silicon-on-insulator (SOI) Technology -> 0.2 µm fully-depleted (FD)-SOI pixel process Processed by LAPIS Semi. Co. Ltd.

NP02-124

SOIPIX Advantages- No mechanical bump bonding -> High density, Low parasitic capacitance, High sensitivity- Standard CMOS circuits can be built- Based on industrial standard technology

Basic Components -> Tr Si Layer : 40 nm, BOX : 200 nm, Sensor Layer : 100 ~ 725 µm

Column Amp. (COL_AMP)Column Address Decoder

Row

Addr

ess D

ecod

er

0

31 Column Shift Register (32 bit)

Row

Shift

Reg

ister

(32

bit)

TRIG

_OUT

OR

31

ANAL

OGOU

T

TRIG_ROW

TRIG

_COL

32 x 32 Pixel Array1Pixel = 30 µm x 30 µm

NormalCharge

Sensitive Amp.

0 5 10 15 20 25 300

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Energy (keV)

Pulse

Hei

ght (

ADU)

Normal Pixel5.3 µV/e-

CSA Pixel18.2 µV/e-

Energy Calibration

Our Works with XRPIX

First Results of XRPIX with CSA

The difference between Normal and CSA pixel is a circuit configuration of preceding stage.- Normal : Source Follower (SF) by Common-Drain of a PMOS transistor- CSA : CSA by Common-Source of a NMOS transistor and a feedback capacitance (1 fF)The signal charge can overcome the circuit noiseof following stage electronics by CSA.Then, the readout noise decreases.

We have been developing 4 devices and shown some basic performances.- X-ray responsivity of XRPIX (SOIPIX) -> XRPIX1/1b [1], [2]- Difference in pixel size or structure -> XRPIX2 [3]- Event-Driven readout mode -> XRPIX1b [4]

The basic function of XRPIX is realized by our previous works.Next step is improvement in spectroscopy performance.

x 3.4Note : Pixel gain was not calibrated.

ANALOGOUT

VTH TRIG OUT

ROW_READ COL_READ

COL_AMP OUT_BUF

SF

CDS_

RST

CDS Cap.

Sam

ple

Cap.

STORE

SF

PD_R

ST

CDS_RSTVPD_RSTV

Prot

ectio

n Di

ode

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

&

Normal Pixel

ANALOGOUT

CDS_RSTV

TRIGGERH/L OUT

ROW_READ COL_READ

COL_AMP OUT_BUF

SFCD

S_RS

T

CDS Cap.

Sam

ple

Cap.

STORE

AMP.

PD_R

STPr

otec

tion

Diod

e

VDD18VB_SF

PDSense-node

GND

Pixel Circuit

Column Readout

# AMP. # + CDS + Trigger Circuit

TRIG_COL (SR)

TRIG_ROW (SR)

TRIG_OUT (OR)Trigger Info. Output

GND

&

Feedback Cap.

VTH

Comparator

CSA

CSA Pixel Circuit

CSA Pixel LayoutMIM Cap. (comp. 1) MIM Cap. (comp. 2)

MIM Cap. (sample) MIM Cap. (CDS)

1 pi

xel a

rea

trigger circuittrigger circuit

trigger circuit

14 μm

30 µ

m

PD

BPW

Feedback Cap. (1 fF)

analog signal circuit

Charge sensitive amplifier (CSA) in each pixel in order to increase the gain and improve energy resolution.

Energy Calibration 55Fe Spectrum

(1 ADU = 244 µV)

Reference

[1] S.G.Ryu et. al., IEEE TNS., Vol.58, Issue:5, pp.2528-2536, 2011. [2] S.G.Ryu et. al., IEEE TNS., Vol.60, Issue:1 , pp.465-469, 2013.[3] S.Nakashima et. al., Phys. Procedia, Vol.37C, pp.1392-1399, 2013. [4] A.Takeda et. al., IEEE TNS., Vol.60, Issue:2, pp.586-591, 2013.

Our New Device -> “XRPIX3”

- The pixel circuit with CSA works good. (3.4 times higher gain) Gain (from left fig.) : Normal -> 5.3 µV/e- , CSA -> 18.2 µV/e-

- The CSA Pixel succeeded in improvement of energy resolution. Comparison of 55Fe energy spectrum at Normal and CSA (right fig.) @ 5.9 keV : Normal -> 14 % (FWHM) , CSA -> 8 % (FWHM)- However, the experimental value of a gain differs from a design value. Gain : Design value -> 50 µV/e- , Experimental value -> 18.2 µV/e- It has influence of parasitic capacitance.

(-50 oC)

These results are reflected on the next design.

X-rayhard soft cosmic ray

(non-X-ray BG)field of view

active shield

onboard processor・anti-coincidence (NXB rejection)

・hit-pattern selection (NXB rejection)

・direct pixel access (X-ray readout)

XRPIX

エネルギー分解能

18

IEEE NSS/MIC2013ソウル前日... 　2013/10/27 05:30

1 2 3 4 5 6 70

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5 6 70

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5 6 70

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5 6 70

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1 2 3 4 5 6 70

20

40

60

80

100

120

140

160

180

遂に時は来た！

33e (rms), 300eV (FWHM)

エネルギー分解能

19

さらなる展開

図4:製作するカメラの模式図．PINダイオードで構成するアンチカウンタの中にSOIPIXを入れる．高エネルギー粒子PINとSOIPIXの両方に同時に信号を作るので，非Ｘ線として除去可能(非同時計数).

２次元符号化マスク入射Ｘ線

SOIPIX

PINダイオード

PINダイオード

PINダイオード

非Ｘ線バックグラウンド(高エネルギー電子等)5cm

大立体角Ｘ線監視観測宇宙の爆発現象を捉え，即時通報する

暗黒物質探査実験

XRPIX 1kg

シンチレーター

1-10GeVの低質量 : 探査不十分

神戸大 身内さんと共同研究

20

まとめ

��

SOI Pixel Project : General View�

Feb. 28, 2011

SOI International Review Meeting

Yasuo Arai, KEK

yasuo.arai@kek.jp

http://rd.kek.jp/project/soi/�

��

È�;ŔÀ�þýĀÈ;þ¥o�kÿEòúň)`ķĚłĎĵŅġÿėġĤĹ©¨ʼn

T óČĐĬłě&²ńŋŌ,U%ńŌŋ,U%ń¿ÁĐŃĴńĐĬłěIJđŀĤńÔÚÛÞĒĺŅĠģŃĝńģŃĝŅĒŃĤIJĔŅġńàÔÛÌÉÚ×áÌÉÜÙÙńĒŃĥĚĤ�$&²

i�?JńĐĬłě×ÜĀ©¨Ŕ»�ń×ÜV´ÙÞ×Ā©¨Ŕ»�ńĐĬłěs2M£

ńÙÞ×»�ĜŃĝŀĩđŃě

ĐĬńĪĠq´ÙÞ×û«ÄüþČÌÉÞâ)bĈÀt϶ñ÷ĚłġīŅĚ¿ÁÊáßËÉϧcňª�ňN'óČM£ĎT ʼn

)bÎÀt¿ÁĀx¡M£ń¿Á§cĻĪŀ�M£ń¿ÁğĸļŁŅğĽŃM£ń¿ÁĩġīĦħĴ©¨M£ńĖŃĦħĴ¿Ás2M£ń¿Á�FĀÈ婨M£

i�?Jń§cĨŅŀ¯+ňĝĶŅīń¿Á§cĻĪŀ�Lń¿ÁğĸļŁŅğĽŃń)b¿Áª�/TEG©¨ńĖŃĦħĴ¿Ás2

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ĐĬłěńŐō&²ûā-�ĀwFĎ�Kñ÷©¨ê¥oðčãÔÓÕ¡�©¨āu{ʼn©¨Ā�ÇüįēİēêDÃʼnĖŃĞĠĽij�LÊÛØőËÿĉċ3³�ĐĬłě©¨�Ď�Lʼn

"­�Ā�Çü©¨�lüóČ&²üF�ÿEòúňńėĿĘļľĹĎėġĤķĒĢʼnń)�éĊ3³�Ąû�Lʼnń&²Ā©¨°}ćzBʼn

ÛØőĂĀ5�Ā÷Ć)�3³­<ņ.0û3[ŇćT ʼnńÔÓÕĎ~å÷ÓÕ,U%©¨ńÛÜÓÌÓÕÔĀ�Â�Ďs2ńėĤłěĎ{§óČ�Ď�B

�Ā@�ŊĐĬłě&²üÝÖ&²ÿ½óČŒ©¨Ŕª�M£Ā»�œüŒ�a�LœĎ�µüñú3[ñň\`Ā�}iü���0M£Ā�7ÿ®yóČîüʼnÍ

ĐĬłě&²Ā©¨ĐĬłě&²Ā©¨ )bńÀt¿Á§c)bńÀt¿Á§c ĐĬłě©¨�ĀŏŎőĐĬłě©¨�ĀŏŎő

È;G*�Ā)�üþČĕŁĚīłĭĚġûāĴłģħĝńĺĻĿńĐĬłěńu�ńģŃĝĎ¾��ñň

ÈF�ü�ĕĮŀęŅĎ��ðõČD¥êäċĄóʼnğġĩĹĀ6(�ňÀ�Ā÷ĆÿňîčĊĎ

ÐĦħĴ�óČîüê_�ûóêňĐĬłě&²Ā©¨āĪĠĤŀ&²ĀkþÔÓÕ�ê¸ďûèĊôň�ÇĎRù÷

M£�ĀXć�±ñúåĄóʼn

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CóČğġĩĹþýĀ»�ê¸ďûåĄóʼnģŃĝüĀĒŃĤIJĔŅġüñúňĐŃĴĈÓÕ,U%þýĀĐĬłě&

²êDÃûäċňöĀÈI;�ňÀ��ê¹¥üþùúåĄóʼn

g>�ĕĒĐŅŀĩħĚ

ıĠĮġĀ�`fıĠĮġĀ�`f

URL: http://www.a-r-tec.jpEmail: info@a-r-tec.jp

îĀĉæþ¥¬ÿEçČăìňÑÏÏÐ:Ò^ÿ.0Ā��LdĎćüÿñúň��ĐĬłě&²©¨ń»�Ďi�üóČ

ņgŇĕĒĐŅŀĩħĚĎ©�ñĄñ÷ʼnÐÏ:¼ÿrċňÈ;þÓÕ,U%þýĀĐĬłě&²©¨Āi�ňĚłġīŅ

Ě¿Á§cü¿ÁN'©¨Āi�ň3³�þĐĬłě©¨�Ā�LþýĎ�i�ñúã�5�}iÿ®yñú�

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ÑÏÐÐ:Ð^ �¤!�@�º 8 � �

A-R-TecAnalog and RF Technologies

ïSQ

•Ｘ線天文衛星用のＸ線SOIピクセル検出器(XRPIX)を開発．

•反同時計数による低非Ｘ線BGDを目指し，トリガ機能を持つ．

•4.5mm角の素子の開発に成功

•トリガ読み出しに成功

•空乏層厚み~500μm，裏面不感層~0.6μm

•読み出しノイズ33-(rms)，ΔE=300eV @ 5.9keV (FWHM)

•５年間の目標：衛星搭載品を直ちに製造開始

21