2023 Fiscal Year Research-status Report
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
| Project/Area Number |
22K03657
|
|---|
| 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
|
| Keywords | 半導体センサー |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究実績として、前方ミューオン検出器のプロトタイプを制作してビームテストを実施するため、ミューオンモニターに実装する全 SiC の良品検査と昨年度より実施しているサンプルの中性子線照射の継続を行った。
１）SiC ダイの良品検査を行った。SiC ダイをウェハーレベルで I-V 特性測定を行い、良品率 95% の歩留まりを得た。２）SiC サンプルの中性子線照射を昨年度に引き続き継続した。1E+12 n/cm^2 オーダーの中性子線照射を複数回にわたり行い、リーク電流に大きな変化の無いことを確認した。
加えて、前方ミューオン検出器の読み出し ASIC の開発を進めた。最初の試作で得られた知見より COMET 実験で要求される仕様を満たすよう改善した ASIC の試作に着手した。
３）センサー読み出し用 ASIC の評価を進めた。テストに用いる FPGA のファームウェアを更新して、内部 ADC による入力信号の再構成、デジタル出力のケーブルドライブ、低温となる実験環境下での３点について動作試験を行い、いずれも大きな問題のないことを確認した。４）新型 ASIC の開発に着手した。COMET 実験で要求されるダイナミックレンジや時間分解能等を得るために、応答速度など改善した新型 ASIC を試作した。応答速度は Charge Sensitive Amplifier (CSA) の TransImpedence Amplifier (TIA) への置き換えにより実現した。本 ASIC の評価を行い、アナログ部の基本動作試験によりパルス幅 100ns 以下を確認した。
|
| 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）SiC ダイの良品検査： セミオートプローバを用いてダイシング前の SiC ウェハーにプローブ針をあて、240 チップについて I-V 特性測定を行った。良品率 95% の歩留まりが得られた。良品検査を終えたウェハーは実装のためダイシングを行った。
２）SiC センサーの中性子線照射： 昨年度に引き続き、京都大複合原子力科学研究所の原子炉（KUR）において二つの SiC サンプルに 1E+12 n/cm^2 オーダーの中性子線照射を複数回にわたり行った。リーク電流は nA オーダーのままで大きな変化が無いことが確認できた。
３）センサー読み出し ASIC の評価続き： 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ために FPGA のファームウェアを開発した。これにより、a) 外部入力信号の復元 b) デジタル出力のケーブルドライブ c) COMET 実験環境で予想される低温下における動作 の３点についてチェックを行った。その結果、いずれのテストにおいても期待される動作を確認することができている。前者は外部のパルスジェネレータより任意の信号を ASIC に印加して PC において入力信号の復元を確認した。中者はカテゴリ８の LAN ケーブル 10m 以上において、サイン波の復元に成功した。低温試験では -120 度までの正常動作を確認した。
４）新型 ASIC の開発： COMET 実験で要求されるミューオンモニターの仕様に合わせたダイナミックレンジや 100ns の時間分解能、サンプリングを外部クロックで駆動させる、それに伴うデジタル部の仕様変更など、ゲインや応答速度、デジタル部の仕様を更新した新型 ASIC を試作した。本 ASIC の評価を行い、アナログ部の基本動作確認によりパルス幅 100ns 以下を確認した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
最終の 2024 年度は昨年度中に実施予定だった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、成果発表を行うことが目標である。そのために、
１）前方ミューオン検出器のビームテスト
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実施する。
２）時間分解能を高めた改善版 ASIC の開発
ミューオンモニターの仕様に適合する出力パルス幅が実現できたので、引き続き内部 ADC による入力信号波形の復元作業に着手する。
|
| Causes of Carryover |
COMET 実験の環境が具体的になり、センサーの読み出しは ASIC の出力を 20m 離れた FPGA 基板に転送することになった。このため、ケーブルドライブの観点から ASIC 基板と FPGA 基板の間にバッファを実装した中継ボードを用意するのが妥当と判断するに至り、新しくセンサー基板に装着する ASIC 基板、中継基板、そして FPGA 基板に装着するレシーブ基板の３点の構成で進めることにした。これに伴う費用の発生が生じている。
|
