Development of X-ray CMOS sensor with high sensitivity and wide energy coverage in X-ray for the space use

航天用X射线高灵敏度、宽能量覆盖X射线CMOS传感器的研制

• 批准号: 22H01269
• 负责人: 幸村 孝由
• 金额: $ 10.48万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01269/
• 关键词: X線; X線天文学; CMOSセンサー; SOI; 放射線耐性; X線CMOSSOI; 放射線損傷; TID; X-ray; CMOS sensor; X-ray Astronomy

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。

This study で は, Silicon On Insulator (SOI) technology を with い て, CMOS の 読 み out し circuit layer と セ ン サ ー layer between の に never try acidification membrane を carry み 込 ん で 検 out department, 読 み out し loop shape の semiconductor ピ ク セ ル 検 extractor で あ る X-ray CMOS セ ン サ ー の open 発 を line っ て い る. This year, the <s:1> X-ray <s:1> spectral performance を is expected to reach the させる とを とを とを target に, and the dark current を is expected to decrease する and を is expected to improve った. こ れ ま で open 発 し た X-ray CMOS セ ン サ ー で は, バ ッ ク バ イ ア ス を high く す る と, never try acidification membrane layer under の に イ ン プ ラ ン ト し た p areas (BPW; Buried p well) の ポ テ ン シ ャ ル barrier under が が り, BPW か ら inside side に weak れ が な current flow, そ の results, dark current, high が く な る problem が あ っ た. Youdaoplaceholder0 げるために で, ポテ シャ シャ げるために on the を barrier げるために, BNW(buried n Well), high concentration of の を く す る method し を test case, そ の BNW の concentration を optimum な も の を selected し た テ ス ト デ バ イ ス を with い て dark current の review 価 を line っ た と こ ろ, BNW の high concentration を く す る こ と で low dark current を く え suppression ら れ る こ と が points か っ た. Youdaoplaceholder0, quantum science and technology research and development institution Quantum medicine department life の が ん treatment unit (HIMAC) に お い て, そ の テ ス ト デ バ イ ス に し seaborne cosmic ray を simulation し た プ ロ ト ン irradiation be 験 を line っ た results, 従 to の X-ray CMOS セ ン サ ー に than べ, dar working fruit へ の patient が も good い も の で あ る こ と が points か っ た. Space で using す る も の と し て は, try our し た テ ス ト デ バ イ ス の dar patience は very で は あ る も の の, プ ロ ト ン の exposure が 10 krad を super え た あ た り で, dark current high が く な る こ と が points か っ た. そ こ で TCAD の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を with い て reason の, Ming し た と こ ろ, never try acidification membrane に 帯 electric し た ホ ー ル の influence で, never try acidification membrane と セ ン サ ー の boundary layer surface で empty が promoting さ れ, そ の empty turn し た field で interface must が raised plus し, dark current が generated し や す く な っ た こ と が reason で あ る こ と か が points Youdaoplaceholder0. そ こ で, さ ら に low dark current を reduction す る た め に は, interface の empty turn を inhibit す る こ と が necessary で あ る こ と が points か っ た.

项目成果

X線分光撮像衛星XRISM搭載軟X線撮像装置Xtendの開発の状況 (10)

X射线光谱成像卫星XRISM搭载的软X射线成像仪Xtend的研制现状（10）

• 发表时间: 2022
• 作者: 鈴木寛大;小林翔悟;森浩二 et al.
• 通讯作者: 森浩二 et al.

Xtend, the soft x-ray imaging telescope for the x-ray imaging and spectroscopy mission (XRISM)

Xtend，用于 X 射线成像和光谱任务 (XRISM) 的软 X 射线成像望远镜

• DOI: 10.1117/12.2626894
• 发表时间: 2022
• 期刊: Proceedings of the SPIE
• 作者: Mori Koji;Tomida Hiroshi;Nakajima Hiroshi;（他52名）
• 通讯作者: （他52名）

A broadband x-ray imaging spectroscopy in the 2030s: the FORCE mission

• DOI: 10.1117/12.2628772
• 发表时间: 2022-08
• 作者: K. Mori;T. Tsuru;K. Nakazawa;Y. Ueda;S. Watanabe;Takaaki Tanaka;M. Ishida;H. Matsumoto;H. Awaki;H. Murakami;M. Nobukawa;A. Takeda;Y. Fukazawa;H. Tsunemi;Tadayuki Takahashi;A. Hornschemeier;T. Okajima;Will Zhang;B. Williams;T. Venters;K. Madsen;M. Yukita;H. Akamatsu;A. Bamba;T. Enoto;Yutaka Fujita;A. Furuzawa;K. Hagino;K. Ishimura;M. Itoh;T. Kitayama;S. Kobayashi;T. Kohmura;A. Kubota;M. Mizumoto;T. Mizuno;H. Nakajima;K. Nobukawa;H. Noda;H. Odaka;N. Ota;Toshiki Sato;M. Shidatsu;Hiromasa Suzuki;H. Takahashi;A. Tanimoto;Y. Terada;Y. Terashima;H. Uchida;Y. Uchiyama;H. Yamaguchi;Y. Yatsu

X線分光撮像衛星(XRISM)搭載軟X線撮像装置(Xtend)の開発状況

X射线光谱成像卫星（XRISM）搭载的软X射线成像仪（Xtend）的发展现状

• 发表时间: 2023
• 作者: 村上弘志;冨田洋;石田学 et al.
• 通讯作者: 石田学 et al.

X 線分光撮像衛星 (XRISM) 搭載軟 X 線撮像装置 (Xtend) の開発の現状 (9)

X射线光谱成像卫星（XRISM）搭载的软X射线成像仪（Xtend）的开发现状（9）

• 发表时间: 2023
• 作者: 信川久実子;森浩二;冨田洋 et al.
• 通讯作者: 冨田洋 et al.