ワイドギャップ半導体センサーとサブミクロンASICによる耐放射線計測システム開発

Research Project

Project/Area Number	22K03657
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	藤田陽一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, 専門技師 (80391720)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	深尾祥紀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, 准教授 (80443018)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	半導体センサー / 放射線検出器 / ダイヤモンド / SiC / ASIC / COMET実験
Outline of Research at the Start	本研究ではシリコンよりバンドギャップの大きいワイドギャップ半導体を軸とする放射線耐性の高いセンサーおよびエレクトロニクスの開発技術を確立し、ミューオン電子転換過程探索実験 COMET における前方ミューオン計測システムへと応用する。 COMET 実験は大強度陽子ビームから大量のミューオンを生成するため、測定器の上流では電離性放射線量として 10 MGy、非電離性放射線量として 10**14 neutron/cm2 もの放射線耐性が要求される。そこで本研究では、センサー材料としてダイヤモンドとシリコンカーバイドに着目し、その大面積化に向けた開発を行う。
Outline of Annual Research Achievements	本年度の研究実績として、予定通りワイドギャップ半導体の耐放射線センサーとしての有効性を明らかにするため、１）SiC の基本特性および耐放射線性の評価を行った。その結果、シリコンと比較して小さいリーク電流であること、中性子線照射でリークに変化が見られないことが確認できた。加えて、前方ミューオン検出器のプロトタイプ製作に向けた開発に着手した。具体的には以下の２点となる。２）センサー読み出し用 ASIC の試作を行った。構成は 8ch Amplifier - Shaper - Discriminator + 8-bit ADC であり、内部に PLL を実装する。ADC のサンプリングレートは 10MS/s ないし 12.5MS/s である。その結果、基本動作の確認ができた。３）前方ミューオン検出器のプロトタイプ製作に着手した。ビームチャンバーの直径は 250mm であり、プロトタイプは高さ 220mm の８角形の形状で試作した。プロトタイプは 5mm 角サイズの SiC 256 個を２次元アレイに実装するための薄い 100um 厚のセンサー基板とセンサー読み出しの ASIC 基板からなり、両者の製作を行った。センサー基板はセンサーを実装するビームのあたる中心部と読み出し ASIC 基板の接続用の周辺部に分かれているが、前方ミューオン検出器後段への検出器へ与える影響を最小限にするべく物質量を小さくする必要があり、基板の厚さを 100um で製作している。このため基板のハンドリングを含めて強度が十分であるかなどについては今後評価が必要となる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason １）SiC の基本特性および耐放射線性の評価試作 SiC センサーの I-V 特性測定を行い、センサーの完全空乏化に必要な 1kV の逆バイアスを印加した際のリーク電流の評価を行った。耐放射線の評価については京都大学複合原子力科学研究所の原子炉において二つのサンプルを 10^12 neutron/cm2 の中性子線照射を行い、リーク電流の変化を調べた。リーク電流については nA オーダーとシリコンと比較して小さい値が得られた。中性子線照射においてもリーク電流はやはり nA オーダーのままで大きな変化が無いことが確認された。２）センサー読み出し用 ASIC の試作評価用基板を製作して ASIC のテストを行った。その結果、ASIC 内アナログ部およびデジタル部の各々について基本動作を確認済みである。アナログ部については前方ミューオン検出器が必要とするダイナミックレンジ 20 MIP の直線性が得られた。デジタル部については、基準クロック 80MHz で駆動する PLL（Phase Locked Loop）および ADC のデバッグモード、デバッグ目的で実装したシフトレジスタの動作などを確認済みである。３）前方ミューオン検出器のプロトタイプ製作 SiC センサーを２次元アレイに実装するセンサー基板およびその基板に接続するための ASIC 基板の製作を行った。基板面における導通試験および高電圧印加試験を行い、問題ないことを確認済みである。
Strategy for Future Research Activity	2023 年度は前方ミューオン検出器のプロトタイプを製作してビームテストを実施することが目標である。そのために、２）センサー読み出し用 ASIC の試作引き続き ASIC 評価を進める。与えた入力信号を取り込み内部 ADC 処理による出力データより入力信号の再構築を行うテストに向けて準備を進めている。このためにテストに用いる FPGA のファームウェアを開発する。続いてこれまでのテストで得られた知見をもとに、また、ミューオンモニターの仕様に適合するよう出力パルス幅の最適化を行うべく、今年度に次の試作を行う。３）前方ミューオン検出器のプロトタイプ製作センサー基板に SiC センサーの実装を行い、ASIC 基板との接続によりセンサーの読み出しテストに着手する。前方ミューオン検出器としての動作確認ができた段階でビームテストを計画する。