2022 Fiscal Year Final Research Report

Development of an SOI pixel sensors with 3D integration for the Belle2 upgrade

Research Project

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Project/Area Number	19H00692
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	Tsuboyama Toru 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, シニアフェロー (80188622)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	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) 倉知郁生大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, その他部局等, 特別教授 (00533944) 新井康夫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, 特定教授 (90167990) 小野峻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, 研究員 (60603157)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	高エネルギー物理学実験 / SOIピクセルセンサー / 3次元回路積層 / ビームバックグラウンド低減 / センサー薄化
Outline of Final Research Achievements	We developed a pixel sensor for the SuperKEKB detector based on the 3D integration of the SOI pixel sensor. In 2019, we attached a 10-um thick SOI CMOS circuit to an SOI pixel sensor. The signal connection yield was > 99.7%. In 2020-2022, we developed the DuTiP pixel sensor for the pixel vertex detector (PXD) for the Super KEKB upgrade. The Super KEKB aims the luminosity of 6x10^35/cm^2/s. At such a high luminosity, a huge number of background particles enter the pixel sensor. The PXD suffers from 133M hits/cm^2/s background hits which overlap the physics signal and the physics performance is degraded. With DuTiP, the backgrounds can be suppressed to 1/200 of the current PXD. The concept of the DuTiP is established in 2019 and the first and second prototype chip was produced in 2020 and 2021. In 2022, the DuTiP chip was tested with a beta source and found the detection efficiency is more than 99%. DuTiP will be tested in the beam test to confirm the response to MIP.
Free Research Field	Particle physics experiment
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	SOIを用いた3次元積層技術でピクセルセンサに多彩な信号処理機能の実装が可能になる。特にSOIは約10μmの厚さで多層の積層が可能であり、センサー技術の向上に貢献可能である。 DuTiPは高ルミノシティの衝突型加速器で、大量のビームバックグラウンドがあっても、物理事象の信号を選択的に取り出す読み出し方式であり、タイマー回路／トリガ一致回路／ヒット読み出し回路を各ピクセルに実装し、読み出しに高速FIFOを組み合わせることでシミュレーションレベルでは100Mヒット/秒/cm^2の高バックグラウンド下でも物理信号の検出効率を99%以上に維持できる。将来の加速器実験でもこの方式は応用可能である。