将来のコライダー実験にむけた高位置分解能・高放射線耐性をもつピクセル検出器の開発

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K13571
• Research Institution: Tokyo Metropolitan College of Industrial Technology
• Principal Investigator: 山田 美帆 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 助教 (90714668)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ピクセル検出器 / 崩壊点検出器 / SOI / ILC / 高位置分解能 / 高放射線耐性 / MOSFET

Outline of Annual Research Achievements

現在，国際共同実験として計画されている国際リニアコライダー（ILC）での実用化に向けて高位置，高放射線耐性を持つ崩壊点検出器の開発を行っている．Silicon-on-Insulator（SOI）CMOS技術を用いたセンサー部信号処理回路部一体型ピクセル検出器により要求を達成する．ILC実験における崩壊点検出器はヒットの位置の他にヒットのタイムスタンプも記録する必要があり，ピクセル内に高機能信号処理回路を実装する必要がある．またこれら回路は，高放射線環境であっても正しく動作する必要がある．
ピクセル内に保持する情報としては，ヒットとアナログ信号，タイムスタンプの3つであり，センサー内のヒット占有率を考慮して1ピクセルあたり各メモリ3ヒット分まで実装してある．
プロトタイプとして作成したセンサーSOFIST3に外部から一定間隔で赤外線レーザーを照射し，ヒットとアナログ信号，タイムスタンプが3ヒット分記録されていることが確認できた．
また120GeV陽子ビームを用いた試験により時間分解能を測定した結果1.92usであった．ILCのバンチ衝突は554nsを予定しており，設計上はこの程度の時間分解を有するものであったが，見積もりよりも回路の負荷が大きく回路動作が一部遅いことがわかった．この点について修正を行ったセンサーはすでに作製済みで2020年度に試験を行う．
ILCの放射線レベルは1kGy/年である．複数種類のMOSFETが搭載されているテストチップに対して100kGyまで放射線照射を行ったところ，ドレイン電流特性の変化はわずかであり，SOFISTのピクセル回路動作への影響はほぼ無視できるレベルであった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

位置分解能評価がやや遅れている．評価試験そのものは既に実施済みであり，現在はデータ解析を行っている．ビーム位置再構成のためのテレスコープのデータ解析が難航している．ペデスタルやノイズが時間的に変動しており，バッググラウンドと信号の弁別アルゴリズムを検討中である．

Strategy for Future Research Activity

位置分解能評価を完了させる．テレスコープのペデスタル，ノイズの時間的変動をイベントごとに見積もり，ヒットによる信号と弁別する．ペデスタルの変動はフレーム全体がシフトするコモンモードノイズが原因であることがすでにわかっており，減算すればよい．ノイズについても系統的な時間的変位であればオフセットとして減算すれば容易に取り除くことが可能でありS/N向上が見込まれる．
また，ピクセル部の回路負荷を減らしたプロトタイプSOFIST3は既に納品済みであるため，時間分解能評価を行う．赤外線レーザーにより擬似的にピクセル内へヒットを与えタイムスタンプを計測する．554ns以内に必要なピクセル回路動作が完了するか測定を行う．

Causes of Carryover

所属グループで所持している測定機器類を組み合わせることにより効率的な測定を行うことができたので，新たに高額な機器の購入が必要でなくなった.また所属機関にて獲得している他予算により旅費を捻出したため予定していた旅費支出額を下回った.

Research Products

• [Journal Article] 3D Integrated Pixel Sensor withSilicon-on-Insulator Technology for theInternational Linear Collider Experiment (2020)
  • Author(s): Miho Yamada, Shun Ono, Yasuo Arai, Ikuo Kurachi, Toru Tsuboyama, Masayuki Ikebe, Makoto Motoyoshi
  • Journal Title: IEEE 3DIC 2019 Volume: N/A Pages: 1-4
  • DOI: https://doi.org/10.1109/3DIC48104.2019.9058850
• [Journal Article] R&D status of SOI-based pixel detector with 3D stacking readout (2019)
  • Author(s): Toru Tsuboyama,Shun Ono,Miho Yamada,Yasuo Arai,Manabu Togawa,Ikuo Kurachi,Yoichi Ikegami,Kazuhiko Hara,Akimasa Ishikawa,Masayuki Ikebe,Makoto Motoyoshi
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 924 Pages: 422-425
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.08.089
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 3D Integrated Pixel Sensor with Silicon-on-Insulator Technology for the International Linear Collider Experiment (2019)
  • Author(s): Miho Yamada
  • Organizer: IEEE 3DIC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of monolithic SOI pixel sensors capable of fine measurements of space and time (2019)
  • Author(s): Hitoshi Murayama
  • Organizer: HSTD12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation the first SOI pixel detector with 3D integration technology (2019)
  • Author(s): Toru Tsuboyama
  • Organizer: HSTD12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3D integration of readout chip for the SOI pixel sensors (2019)
  • Author(s): Toru Tsuboyama
  • Organizer: VERTEX2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三次元積層技術を用いた高エネルギー加速器実験における次世代ピクセル検出器の研究開発 (2019)
  • Author(s): 山田美帆
  • Organizer: 第3回 「3次元積層半導体量子イメージセンサ研究会」
• [Patent(Industrial Property Rights)] RADIATION-DAMAGE-COMPENSATION-CIRCUIT AND SOI-MOSFET (2018)
  • Inventor(s): I. Kurachi et al.
  • Industrial Property Rights Holder: I. Kurachi et al.
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: US10418985B2
  • Overseas