[論文レビュー] Development of a highly pixelated direct charge sensor, Topmetal-I, for ionizing radiation imaging

Yan Fan, C. Gao+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、標準的な 0.35 μm CMOS 技術を用いて作製された 64×64 ピクセル、ピクセルピッチ 80 μm の Topmetal-I を提示する。このセンサーは、イオン化放射線画像化における直接的電荷収集を目的として設計されており、等価ノイズ電荷（ENC）が 330 e⁻ に達し、近似的に熱雑音性能を示し、単一のアルファ粒子イベントの直接検出を可能にした。これにより、気体および液体イオン化検出器における高空間分解能画像化が実現された。

ABSTRACT

Using industrial standard 0.35μm CMOS Integrated Circuit process, we realized a highly pixelated sensor that directly collects charge via metal nodes placed on the top of each pixel and forms two dimensional images of charge cloud distribution. The first version, Topmetal-I, features a 64x64 pixel array of 80μm pitch size. Direct charge calibration reveals an average capacitance of 210fF per pixel. The charge collection noise is near the thermal noise limit. With the readout, individual pixel channels exhibit a most probable equivalent noise charge of 330e-.

研究の動機と目的

• 気体および液体イオン化検出器に適した、高ピクセル密度かつ低ノイズの CMOS 電荷センサーの開発。従来、解像度とスケーラビリティの制限に直面していた。
• マルチワイヤ型や PCB ベースの従来の読み出し方式における空間分解能とノイズ性能のトレードオフを克服すること。
• 後処理やハイブリッド接合を必要とせず、トップレイヤーの金属ノードによる直接的電荷収集を実現し、システムの複雑さとコストを低減すること。
• 大面積検出器における高解像度電荷画像化に、標準的な CMOS 工藝を用いることの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 工業的 0.35 μm CMOS 技術を用いて 64×64 ピクセルアレイをプロセスし、80 μm のピクセルピッチと、トップレイヤーに 25×25 μm² の金属ノードを設け、直接的電荷収集を実現した。
• 4 つの 64×16 ブロックからなるサブアレイ構造を採用し、各ブロックに専用のアナログ出力バッファと、同期された行・列マルチプレクシングを用いて効率的な読み出しを実現した。
• 各ピクセルにソースフォロワー回路を設け、ノード電圧変化を読み取り可能な信号に変換した。ピクセルあたりの静電容量は 210 fF で測定された。
• 単一アルファ粒子源を用いて電荷収集を特性化し、ピーク応答のガウスフィッティングによりピクセル静電容量を補正した。
• ベースラインノイズを、ピクセル間の RMS 電圧フラクチュエーションを計算することで測定し、測定された静電容量を用いて等価ノイズ電荷（ENC）に変換した。
• 熱雑音限界の妥当性を検証するため、測定された ENC を理論的熱雑音（192 e⁻）と読み出しノイズ（254 e⁻）と比較し、それらの二乗和が 318 e⁻ に達することを示した。これは観測された 330 e⁻ に非常に近い値であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な 0.35 μm CMOS 技術を用いた高ピクセル密度の CMOS センサーが、イオン化放射線画像化に十分な信号対ノイズ比を達成し、直接的電荷収集を可能にするか。
• RQ2 実用的で最適化されていない構成において、センサーのノイズ性能がどの程度熱雑音限界に近いか。
• RQ3 外部増幅や後処理を一切用いずに、空気中で直接的に単一アルファ粒子イベントを解像可能か。
• RQ4 サブアレイごとのアナログ読み出し回路の統合が、高密度ピクセルアレイにおけるノイズとクロストークにどのような影響を与えるか。
• RQ5 この手法を、サブミリメートル級の空間分解能と低 ENC を備えた大面積検出器にスケーリング可能か。

主な発見

• Topmetal-I は、空気中で単一アルファ粒子からの直接的電荷収集に成功し、エネルギースペクトルに明確なピークが観測された。
• 平均ピクセル静電容量は 207 fF で測定され、12% の不確実性を伴い、アレイ全体で一貫した電荷収集挙動を示した。
• メインピクセルアレイの等価ノイズ電荷（ENC）は 330 e⁻ に達し、最も確実な値は 0.253 mV の RMS 電圧フラクチュエーションであった。
• 測定された ENC は、熱雑音（192 e⁻）と読み出しノイズ（254 e⁻）の二乗和である 318 e⁻ と非常に良好に一致しており、熱雑音限界に近い動作であることを示した。
• 固定電圧を印加したテストピクセルにより、アナログ読み出しシステムが 254 e⁻ の ENC を寄与することが確認された。一方、ピクセル静電容量の熱雑音限界は 192 e⁻ であった。
• センサーは 57 °C で安定して動作し、後処理やハイブリッドボンディングが不要なため、従来のハイブリッド検出器と比較して統合が容易でコストが低減された。