2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Semiconductor Tracking detectors with precise timing resolution
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21H01099
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
中村 浩二 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, 助教 (00554479)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原 和彦 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20218613)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 半導体 / 飛跡検出器 / LGAD / 高時間分解能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在、我々が開発中の増幅機能付き半導体検出器(LGAD)は、世界最高レベルの検出時間分解能(約30ps)が達成可能な半導体検出器である。本研究課題はこの検出器に検出位置分解能を持たせること、放射線耐性を改善させることを目的としている。
検出位置分解能に関しては、検出位置による一様性を担保したまま電極を細密化することが可能となる静電容量型LGAD検出器(AC-LGAD)を開発した。AC-LGAD検出器はセンサー全体で一つの増幅層を配置し、細密化されたアルミ電極から信号をAC 的に読み出すことで位置分解能を得る。増幅層の不純物濃度が高いと抵抗が小さいため、隣接する電極間への信号のクロストークが予想されるため、抵抗値を大きくする必要があるが、不純物濃度が低すぎると空乏層がシリコン表面に到達し降伏電圧が下がる。条件振りを繰り返した末、電極の細密化が可能な最適な不純物濃度を発見した。この結果、ストリップ型検出器ではストリップ間隔が80umまで、ピクセル型検出器ではピクセル間隔が100umまでの細密化に成功した。さらに、放射線耐性の改善に関しては、放射線損傷による増幅層のp型半導体部のアクセプタリムーバルと呼ばれる現象が致命的な影響を及ぼすことを突き止め、1)補償型および2)部分不活性型の2つの解決策のアイデアを試す試作を行った。1)は増幅層にドナーとアクセプタを両方注入する方法で損傷係数の違いがあると放射線耐性に違いが出ることを期待した試作であり、2)は損傷を受けたアクセプタ不純物が酸素と結合してドナー準位を持つことを避けるため不活性不純物であらかじめ酸素を除去する方法である。本試作は照射試験を行い放射線耐性の試験を継続しており、特に2)の方法に改善が見られることが分かった。
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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
本課題の研究計画である、電極細密化、放射線耐性、大型化とASIC開発の3段階の開発計画のうち、最初の2つに関して一定の成果を上げることができた。これは当初の計画通りであり、今後、大型化の試作サンプルの試験及び改良を進めていく。一部、新型コロナウィルス感染拡大の影響で、海外施設を利用するテストビーム実験等が行えず、一部予算の繰越を行ってきたが、国内の代替施設を用いるなど工夫を行い、研究の遅れを最小限にとどめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は、1)放射線耐性を改善する2つのアイデアの最適化、2)検出器の大型化の試作を進める。1)に関しては、2022年度までに行った試作で改善の可能性が見られた部分不活性型の最適化を最優先で行い、1MeV中性子換算の放射線損傷で5e15/cm2相当の損傷まで耐えうる検出器を作る。また、現状改善の見られない補償型に関しても、炭素ドープを行うことで改善がみられる可能性がある。この試作も並行して行う予定である。2)に関しては、2023年3月に大型センサーの試作が完了しており、評価を開始したところである。大型化に伴う歩留まりの低下がみられたため、その改善を行うこと、増幅率の一様性を試験することを計画している。大型センサーの読み出しには集積回路(ASIC)が必要であり、現在、ジュネーブ大と共に開発中のASICや、ATLAS/CMS/EIC実験用に開発されているASICを用いた読み出し試験を行うことも計画している。
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