2015 Fiscal Year Annual Research Report
SOI技術を用いた極低ノイズ・高速イメージングデバイスの研究
| Project Area | Interdisciplinary research on quantum imaging opened with 3D semiconductor detector |
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25109003
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
川人 祥二 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40204763)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池辺 将之 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (20374613)
香川 景一郎 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (30335484)
安富 啓太 静岡大学, 電子工学研究所, 助教 (50621661)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子イメージング / 電荷収集構造 / イベント駆動型量子エネルギー計測 / 広ダイナミックレンジ / 時間デジタル変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電荷収集型高感度量子線ディテクタによる新構造SOIピクセルであるBPSPIX (Backgate Pinned SOI Pixel)に関し、まず裏面空乏・電子検出型の基本素子の特性評価を行い、微小検出容量の実現による30uV/e-の変換利得と、外部での多重サンプリングによるノイズ低減処理を用いて4.4電子のノイズレベルを得た。従来のSOIピクセルによる最も良い値である35電子に比べて大幅な改善が見られた。裏面空乏型では、チップ側壁起因及び裏面pn接合部起因のリーク電流が大きく、改善の必要があることが分かった。裏面や側面の電界強度を低くできる表面空乏型・ホール検出型のBPSPIXを考案し、試作を行った。次年度詳細評価を行い、裏面空乏型に対するリーク電流低減効果を明らかにする。
高ゲインによる低ノイズ化と可変ゲインによる広ダイナミックレンジ化を可能とするイベント駆動型検出回路を提案し、試作により、ピクセル内増幅動作と、8×8画素からなるプロトタイプアレイセンサとしての動作を確認した。BPSPIXを用いた高近赤外感度ロックイン時間分解ピクセルに関し、光飛行時間(TOF)距離センサとしての動作を確認し、長距離用TOFセンサとして、40mまでの距離計測が行えることを確認した。
生体内分子イメージング質量分析用ION到達速度検出ピクセルに関しては、ダイナミック型SRAMにより、1ns解像度で全ピクセル同時イベントを記録する構造の動作実証を確認した。また、新規読み出し機構の特許出願を行った。量子イメージング用3次元設計環境構築に関しては、確立した検証方式に則して3次元積層試作チップの実装を行いデバイスの正常動作を確認した。
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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
電荷収集型高感度量子線ディテクタによるBPSPIXと称する新構造SOIピクセルの試作に成功し、30uV/e-の高変換利得と、4.4電子のノイズレベルを得て、その有効性が実証された。
イベント駆動超高感度・低ノイズ・高ダイナミックレンジフォトン検出回路についても、8×8画素アレイの試作により、そのイベント駆動動作と画素内信号増幅器の動作の確認を行った。ノイズ性能の改善が必要であることが測定によって示されたが、次年度の試作による改良によって低ノイズ・高ダイナミックレンジフォトン検出が実現される見込みである。
高時間分解ロックインピクセルについては、1次元アレイ(120画素)、4タップ出力型を試作し、50nsの駆動パルスにより時間分解計測が行えることが示され、本センサを用いて試作したプロトタイプTOF距離センサを用いて、室内暗時での計測で40mまでの距離計測が行えることが示された。
D02班(物質科学)との連携に基づくサイエンス応用SOIピクセルセンサの共同開発にも着手し、目標機能の実証を行っている。新規提案技術の特許出願を2件行っている。
以上の成果を得ていることから、当初計画に対して研究は概ね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
電荷収集型高感度量子線ディテクタによるBPSPIX(Backgate Pinned SOI Pixel)に関し、高速応答性能において有利な電子検出型について、ディテクタ部の基本構造を完成させる。裏面から空乏化させる方式と表面から空乏化させる方式の両者について、パンチスルーを避ける電位障壁の形成と、高速なキャリアドリフトを可能にする横方向電界分布の形成を両立する形成条件の最適化をデバイスシミュレーションと、テストピクセルの試作により行う。さらなる低ノイズ化にむけて、より高い電荷変換利得を実現するディテクタ部の構造最適化と、ピクセル内回路の低ノイズ設計を行い、8×8画素アレイを用いたイベント駆動読み出しによる量子線イメージングデバイスを試作し、低ノイズ化(目標：10電子以下)による高エネルギー分解能を実証する。
高感度(低ノイズ)と広ダイナミックレンジを両立し、高エネルギー分解能と広いエネルギー計測範囲を実現するピクセル回路については、次年度の試作(16×16画素アレイ)により、その性能実証を目指す。
高近赤外感度ロックインSOIピクセルについては、量子効率を80%以上に高めるフォトディテクタの構造的最適化を図り、1次元画素アレイ(50画素以上)により、940nm帯での高分解能TOF距離計測と長距離計測における有用性を実証する。
生体内分子イメージング質量分析用ION到達速度検出ピクセルにおいて、デジタル型と同時に解像度を高めるためにアナログ積分型センサを設計し、時間情報を連続時間A/D変換器（特許出願済み）の構成の設計試作を行う。また、3次元設計用チップについて、TEG試作評価結果に基づき、センシング部とロジック機能を有するピクセル回路の3次元設計試作を行う。
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[Journal Article] Improvement of Spectroscopic Performance using a Charge-sensitive Amplifier Circuit for an X-Ray Astronomical SOI Pixel Detector2015
Author(s)
A. Takeda, T. Go Tsuru, T. Tanaka, H. Uchida, H. Matsumura, Y. Arai, K. Mori, Y. Nishioka, R. Takenaka, T. Kohmura, S. Nakashima, S. Kawahito, K. Kagawa, K. Yasutomi, H. Kamehama, S. Shrestha
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Journal Title
Journal of Instrumentation (JINST)
Volume: vol.10
Pages: C06005
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] A low-noise wide-dynamic-range event-driven detector using SOI pixel technology for high-energy particle imaging2015
Author(s)
S. Shrestha, H. Kamehama, S. Kawahito, K. Yasutomi, K. Kagawa, A. Takeda, T. Go Tsuru, Y. Arai
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Journal Title
Proc. SPIE 9593, Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics XVII
Volume: 9593
Pages: 95930X
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] 低ノイズイメージセンサ2016
Author(s)
川人祥二
Organizer
映像情報メディア学会,情報センシング研究会
Place of Presentation
NHK放送技術研究所 技研講堂(東京都世田谷区)
Year and Date
2016-03-11
Invited
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[Presentation] Event driven type of SOI pixel sensors for future X-ray astronomy satellites2016
Author(s)
T.G.Tsuru, A.Takeda, H.Matsumura, T.Tanaka, S.Ohmura, M.Itou, Y..Arai , K.Mori, Y.Nishioka, R.Takenaka, T.Kohmura, S.Nakashima, T.Hatsui, T.Kameshima, Y.Kohmura, D.Takei , S.Kawahito, S.Shrestha, H.Kamehama, K.Kagawa, K.Yasutomi, C.S.Tindall
Organizer
International Forum on Detectors for Photon Science (IFDEPS)
Place of Presentation
Fuji View hotel(山梨県富士河口湖町)
Year and Date
2016-03-01
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Low-Noise Image Sensors2016
Author(s)
S. Kawahito
Organizer
2016 International Solid-State Circuits Conference（ISSCC 2016)
Place of Presentation
San Francisco Marriott Marquis(San Francisco, USA)
Year and Date
2016-02-04
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Recent progress in the development of Kyoto’s x-ray astronomical SOI pixel sensor2015
Author(s)
T-G. Tsuru, H. Matsumura, A. Takeda, T. Tanaka, S. Nakashima; Y. Arai, K. Mori, R. Takenaka, Y. Nishioka, T. Kohmura, T. Hatsui, Y. Koumura, T. Kameshima,D. Takei, S.Kawahito, K. Kagawa, K. Yasutomi, H. Kamehama, S. Shrestha
Organizer
SPIE Optics and Photonics
Place of Presentation
San Diego Convention Center(San Diego, USA)
Year and Date
2015-08-09
Int'l Joint Research
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[Presentation] Kyoto's X-ray Astronomical SOI pixel sensor - XRPIX2015
Author(s)
T.G.Tsuru, A.Takeda, H.Matsumura, T.Tanaka, S.Ohmura, M.Itou , Y..Arai, K.Mori, Y.Nishioka, R.Takenaka, T.Kohmura , S.Nakashima , T.Hatsui, T.Kameshima, Y.Kohmura, D.Takei , S.Kawahito, S.Shrestha, H.Kamehama, K.Kagawa, K.Yasutomi , C.S.Tindall
Organizer
International Workshop on SOI Pixel Detector (SOIPIX2015)
Place of Presentation
片平さくらホール(宮城県仙台市)
Year and Date
2015-06-03
Int'l Joint Research
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