2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Interdisciplinary research on quantum imaging opened with 3D semiconductor detector |
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| Project/Area Number |
25109006
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
坪山 透 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, 講師 (80188622)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原 和彦 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 准教授 (20218613)
石川 明正 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40452833)
外川 学 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (50455359)
幅 淳二 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, 教授 (60180923)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 素粒子実験 / ピクセル検出器 / SOI CMOS技術 / サブミクロン / 耐放射線性能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究の目標は、将来の衝突型素粒子実験で使用可能なピクセルセンサーを開発することである。ピクセルセンサーには(a)位置分解能 (1-2μm), (b)時間分解能 (100ナノ秒程度), (c)耐放射線性 (1-10 MGy)、(d)センサー薄化(50-100μm)が要求される。SOI技術はこれらの要求を満たすため、開発を推進してきた。この方針に基づき、平成２７年度は以下の研究を行った。
(1) DSOI技術でによる耐放射線性能の向上：SOI技術はSiO2の上にCMOS回路を形成するが、そのSiO2が放射線により電荷を捕獲することが耐放射線性を制限する。しかし、シリコン層を追加したDSOI技術を用いることでその影響を除去することが可能である。本研究では高崎量子応用研究所でコバルト60の照射をおこない、ピクセルセンサーFPIX2は高輝度LHCに相当する1 MGy以上の照射後も十分な性能を示すことを実験的に示した。
(2) SOFIST1チップの製造と評価：H27年度に設計したSoifst１チップはピクセルごとに電荷保持回路を設けその情報から、粒子が通過した軌跡を高い位置分解能で測定することを目指している。製造したチップの受領後ただちに評価を開始し、センサーがβ線の信号を検出することが確認できた。現在も読み出しの電子回路の評価を続けている。
(3) H28年度５月に製造を行うピクセルセンサーの検討と設計：Soifst1は時間分解能機能をもたなかったが、高い時間分解能をめざすSofist2ピクセルセンサーの設計を開始した。(１）の結果を受けて、Sofist2はDSOI技術を用いて設計・製造することになった。また、Fpixに関しては、DSOIの使用方法を改善し、耐放射線性を高めたCMOSトランジスタをもちいることで、さらに高い放射線耐性をめざしている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1)平成26年９月にピクセルセンサーのシミュレーションをおこなったところ、信号処理回路の改善が必要になることが分かり、ピクセルセンサー設計をしなおした。その結果、開発計画に約５ヶ月の遅延が生じ、H27年2月には予算の繰越申請をおこなった。その後は設計が順調に進行し、平成２７年５月にはピクセルセンサー試験チップの製造を開始することができた(名称SOFIST1)。センサーの受領後パッケージングを行いその評価を開始した。評価は現在も継続しているが、β線源の信号がピクセルアナログ回路から観測できた。この結果を、平成２８年度に製造を開始する、より高機能のSOFIST2ピクセルセンサーの設計に反映することができた。また(2)述べるDSOI技術がピクセルセンサーの性能を向上させることが明らかになったので、その技術を導入してsofist2 設計が続いている。
(2)耐放射線性能の評価に関しては、DSOI技術をもちいた Fpix2 ピクセルセンサーの評価を徹底的に行った。高崎量子応用研究所コバルト60ガンマ線照射施設で照射実験をおこない、DSOI技術により１0MGy照射後も素粒子イメージセンサーの性能を維持していることが確認できた。
一方、ピクセルセンサーの素粒子測定器としての性能評価のためのビーム試験の準備を開始し、読み出し回路・データ収集系の設計・製造、構造体等の検討を開始した。
H26年度の研究の遅延があったため、総括班 A01から、本計画研究のピクセルセンサーの評価ならびに設計に対して、助力をうけることができた。これらの結果、本計画研究は、研究が順調に進行した。H28年５月に予定されている次のチップ製造開始にむけた準備のため、H27年9月には研究前倒し申請の必要が生じた。
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| Strategy for Future Research Activity |
H２８年度以降の予定は以下のとおりである。
(1)H28年5月には、H27年度から設計を継続しているSOFIST2ならびにFPIX3ピクセルセンサーの製造を開始する。H27年度の評価に基づき、DSOI技術を活用した設計の高度化をおこない、より高い機能と高い耐放射線性能を含めたデザインになっている。12月にはこのピクセルセンサーが完成・納品される予定で、納品後は評価を開始する。
(2)評価を継続してきた SOFIST1・FPIX2 ピクセルセンサーを用いて、ビーム試験をおこなう。素粒子イメージセンサーとして必要な、高レート読み出し・位置分解能・粒子軌跡再構成等を評価する。６月には東北大学電子光理学研究センターの電子ビームを用い、ピクセルセンサーの基礎性能ならびに読み出し方式の評価を行う。11月には、FERMI研究所あるいはCERNでは高エネルギーπ中間子ビームが使用し、粒子検出効率、数μm以下の位置分解能の測定が可能を行う。
(3)さらに(1)と(2)の評価結果に基づき、最終年度に製造するピクセルセンサーの仕様を決定し、設計を開始する。Sofist1/Sofist2は、機能ブロックの評価を行ったが、ここで設計するSofist3チップにはこのチップに必要なすべての機能を含む設計を行う。
H28年度（最終年度）には、既存のピクセルセンサーの評価を継続する。さらに、H28年度に設計したSofist3ピクセルセンサーの製造を行い、完成後にその評価を行う。
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