Development of X-ray CMOS sensor with high sensitivity and wide energy coverage in X-ray for the space use
Project/Area Number |
23K22540
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Project/Area Number (Other) |
22H01269 (2022-2023)
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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Allocation Type | Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2022-2023) |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 16010:Astronomy-related
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Research Institution | Tokyo University of Science |
Principal Investigator |
幸村 孝由 東京理科大学, 創域理工学部先端物理学科, 教授 (20365505)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
萩野 浩一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (70762061)
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Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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Budget Amount *help |
¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
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Keywords | X線 / SOI / X線天文学 / CMOSセンサー / 放射線耐性 / X線CMOSSOI / 放射線損傷 / TID / X-ray / CMOS sensor / X-ray Astronomy |
Outline of Research at the Start |
本研究では以下の性能を有する新型の裏面のX線CMOSを開発する。 1. 1ピクセルサイズが10-30um四角、200umを超える厚い空乏層を持ち、1-30keVの広いX線のエネルギー帯域で高い検出効率を持つこと。 2. パイルアップを回避するために1msec以上の高い時間分解能を持つこと。 3. 高エネルギー宇宙線によるTotal Ionization Dozeによる分光性能の劣化を抑えること。 4. X線CCDと同程度のエネルギー分解能を持つこと。
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Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、Silicon On Insulator (SOI) 技術を用いて、CMOSの読み出し回路層とセンサー層の間に絶縁酸化膜を挟み込んで検出部・読 み出し回路一体型の半導体ピクセル検出器であるX線CMOSセンサーの開発を行っている。今年度はX線の分光性能を向上させることを目的に、暗電流を低減する対策を行った。 これまで開発したX線CMOSセンサーでは、バックバイアスを高くすると、絶縁酸化膜層の下にインプラントしたp領域(BPW;buried p well)のポテンシャル障壁が下がり、BPWから裏面側に微弱な電流が流れ、その結果、暗電流が高くなる問題があった。そこで、ポテンシャル障壁を上げるために、BNW(buried n well)の濃度を高くする方法を考案し、そのBNWの濃度を最適なものを選定したテストデバイスを用いて暗電流の評価を行ったところ、BNWの濃度を高くすることで暗電流を低く抑えられることが分かった。また、量子科学技術研究開発機構 量子生命・医学部門のがん治療装置(HIMAC)において、そのテストデバイスに対し宇宙線を模擬したプロトン照射実験を行った結果、従来のX線CMOSセンサーに比べ、TID効果への耐性が最も良いものであることが分かった。 宇宙空間で利用するものとしては、今年度試作したテストデバイスのTID耐性は十分ではあるものの、プロトンの照射量が10kradを超えたあたりで、暗電流が高くなることが分かった。そこでTCADのシミュレーションを用いて、原因の究明したところ、絶縁酸化膜に帯電したホールの影響で、絶縁酸化膜とセンサー層の境界面で空乏化が促進され、その空乏化した領域で界面準位が増加し、暗電流が生成しやすくなったことが原因であることが分かった。そこで、さらに暗電流を低減するためには、界面の空乏化を抑制することが必要であることが分かった。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、宇宙空間で実用化することを目的に、国産のX線CMOSセンサーの開発を行っている。 開発の課題は、X線CCDに匹敵するX線の分光性能を実現すること、また、宇宙空間で使用するためにTID効果への耐性を確立することがなどが挙げられる。2022年度は、暗電流の抑制方法としてBNWの濃度を高くする改良に加え、BPWの濃度についても10倍程度高くすることで、さらなる暗電流の低減を実現できる見通しを得た。一方、分光性能については、CMOSセンサーのピクセル間のゲインのバラツキの補正、表面照射より裏面照射の方が光電吸収で生成する光電子の回収率が低いことなど、継続して取り組むべき課題がある。
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Strategy for Future Research Activity |
TID効果の抑制方法について、すでにBPWの濃度を10倍まで高くしたテストデバイスを試作してあり、2023年度には高強度のX線や、重粒子線を照射し、TID効果による暗電流の増加をさらに抑制できるか検証を行い、TID効果の抑制方法を確立する。 一方、CMOSセンサーのピクセル間のゲインのバラツキの補正、並びに、表面照射より裏面照射の方が光電吸収で生成する光電子の回収率が低いことについては、前者は照射するX線のエネルギーによってゲインのバラツキがどう変わるか評価実験を行い、バラツキの補正方法を確立する。後者については、センサー層のシリコンの内部での光電子の振る舞いを理解するために、TCADシミュレーションとGeant4シミュレーションを組み合わせたシミュレーションを行い、光電子がどのような理由で失われているか原因を究明する。
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Report
(1 results)
Research Products
(41 results)
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