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。

在这项研究中，我们采用绝缘体上硅（SOI）技术，将绝缘氧化膜夹在CMOS读出电路层和传感器层之间，以创建X射线探测器，这是一种集成了探测部分和读出部分的半导体像素探测器我们正在开发CMOS传感器。今年，我们采取了减少暗电流的措施，旨在提高X射线光谱性能。迄今为止开发的X射线CMOS传感器中，当背偏压增大时，注入绝缘氧化膜层下方的p阱（BPW）的势垒降低，微弱的电流从BPW流向背面结果，存在高暗电流的问题。因此，为了提高势垒，我们设计了一种增加BNW（埋入n阱）浓度的方法，并使用选择了最佳BNW浓度的测试装置来评估暗电流，结果发现暗电流。通过增加 BNW 的浓度可以保持较低的电流。此外，在国立放射线科学技术研究院量子生命科学与医学部门的癌症治疗设备（HIMAC）的测试装置上模拟宇宙射线的质子照射实验结果表明，相比之下，与传统的 X 射线 CMOS 传感器相比，它被发现是抗 TID 效应最好的一种。尽管今年试制的测试装置的TID电阻足以在太空中使用，但人们发现，当质子照射量超过10 krad时，暗电流会增加。通过TCAD模拟，我们调查了其原因，发现由于绝缘氧化膜中带电空穴的影响，在绝缘氧化膜和传感器层之间的界面处促进了耗尽，并且在耗尽区域中界面态增加。结果发现，这是由于暗电流增加造成的，暗电流增加更容易产生。因此，发现为了进一步降低暗电流，需要抑制界面处的耗尽。

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.

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

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）

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.