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

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。

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。