SEUを利用した高位置分解能型半導体検出器の開発

• Project/Area Number: 21K18631
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 津野 総司 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (30451834)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田窪 洋介 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (50423124) ; 武田 彩希 宮崎大学, 工学部, 准教授 (40736667)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 半導体検出器 / メモリチップ / SEU / 放射線 / 高エネルギー荷電粒子

Outline of Research at the Start

本研究は、Single Event Upset (SEU)を利用した全く新しい動作原理で作動する半導体検出器の開発を行うものである。本来、悪玉であるSEUを積極的に引き起こすメモリ回路を利用する。これは従来の半導体検出器ではできなかった微細化を可能とし、従来の検出器に比べて100倍以上の位置分解能と安価な検出器が可能となる。高額な半導体の実験機材に限られていた研究の裾野を大きく広げるという点でも画期的である。本研究の目的は、このアイデアに基づいた新規検出器開発の原理実証試験を行う萌芽期の研究である。

Outline of Annual Research Achievements

当該研究の目的は、商用のSRAMメモリチップを応用して、荷電粒子に対する新しい放射線検出器を開発することである。当該年度は、単層のSRAMメモリチップの荷電粒子に対する検出効率を測定した。先行研究により、SRAMに印加する動作電圧を大きく下げるとSEUによるビットフリップの確率(つまり、検出効率)が冪乗で上昇することが報告されている。200Mbqのストロンチウム線源を用い、印加電圧を変えながら、SRAMチップに照射を繰り返し、印加電圧に対して、約1%の検出効率を測定した。1%の検出効率では測定器として機能しない。しかしながら、印加電圧を大きく下げると自然にビットフリップを起こす確率も必然的に増加する事を利用して、印加電圧の代わりに、この自然にビットフリップを起こす事象をノイズと規定し、ノイズに対する検出効率を算出すると、おおよそ、20%まで検出効率が上昇することを確認した。これは、つまり、ノイズの量を制御するフィードバック回路などを駆使すれば、最大20%の検出効率が達成できることを示している。
今後は、多層のSRAMチップで同様の測定を行うこと、さらには、当該研究費を使って、具体的な検出器の製作に取り掛かる。第一段階の検出器の製作は、既存の半導体検出器の電極の四方周りに、SRAMチップを配置するものである。これにより、電極のサイズよりもさらに１桁小さい空間分解能を得ることが可能になる。最終的には、SRAMを多層に配置することによって、100倍以上の空間分解能を得ることを目的としている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究に於ける原理実証試験は、概ね実証したが、当該研究費の使途に関しては、大幅に遅れている。我々は、学術系の半導体プロセスを利用しているが、昨年に予定していたプロセスが延期されため、予定委通り研究費を使用できなかった。半導体の供給遅れによるものと思われる。

Strategy for Future Research Activity

昨年度の予定であった半導体検出器の製作プロセスを本年度後半に行うこととなった。それまでは、商用の多層構造SRAMチップの検出効率の測定を行いたい。また、シミュレーションによる簡易計算を行い、実質的のどれくらいの層で、どれくらいのノイズレベルであれば、当該検出器で、荷電粒子に対する飛跡再構成が可能であるか見積もる。