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，我们正在开发一个X射线CMOS传感器，这是一种具有集成检测部分和阅读电路的半导体像素探测器，通过将隔热电路层和CMOS的传感器层之间的绝缘氧化物膜夹在上面，并在绝缘子（SOI）上使用硅在CMOS的层之间。今年，我们采取了减少深色电流的措施，目的是改善X射线的光谱性能。随着X射线CMOS传感器到目前为止的发展，如果背部偏置增加，则在绝缘氧化物层下植入的P区域（BPW）的潜在屏障减小，从而导致从BPW流向背面的弱电流，从而导致高黑暗电流。因此，为了增加潜在的屏障，使用一种方法来使用选择BNW的最佳浓度的测试装置来评估BNW的浓度（埋入n井），并发现通过增加BNW的浓度，可以保持暗电流低。此外，我们在日本量子科学技术研究所的癌症治疗装置（HIMAC）的测试装置（HISAC）上进行了质子辐照实验，该研究所模拟了宇宙射线，并发现与常规X射线CMOSS X射线传感器相比，它对TID效应具有最佳的阻力。至于在外层空间的使用，尽管今年生产的测试设备具有足够的触孔性，但已经发现，当质子辐射的量超过10krad时，暗电流会增加。因此，当我们使用TCAD模拟研究原因时，发现对绝缘氧化物膜充电的孔的影响促进了绝缘氧化物膜和传感器层之间的界面的耗竭，并且界面状态在耗尽的区域中增加，从而使其更容易产生黑暗的电流。因此，已经发现，为了进一步减少暗流，有必要抑制界面的耗竭。

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.