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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Development and Application of high timing resolution semiconductor detectors

Publicly Offered Research

Project AreaToward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
Project/Area Number 21H00173
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

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)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2023-03-31
Keywords半導体 / 高時間分解能 / LGAD / 医療応用 / 分子イメージング / 飛跡検出器
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、荷電粒子による最小電離作用で生成する電気信号だけでなく、可視光や赤外光に感度のある検出器を開発することを目的とした。
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、可視光や赤外光に感度のある電極を開発するため、電極の透明化に取り組んだ。アルミ電極の代わりに300nm厚のポリシリコンを使うことで可視光および赤外光の透過率60%以上を実現した。製造したストリップ型ポリシリコン電極(80um間隔)を持つ静電容量型LGAD検出器は、アルミ電極と同等の性能を示すことを確認したが、ストリップ長が数ミリメートル以上の長さになる場合、信号の減衰が観測されることも明らかになった。以上のことから、この検出器を生命イメージング、医療、産業での利用が可能となった。また、応用する検出器の要求に応じたポリシリコン抵抗値の調整をすることで減衰率の調整が必要があることも明らかとなった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (13 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] フェルミ国立加速器研究所/ブルックヘブン国立研究所/カリフォルニア大サンタクルーズ校(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      フェルミ国立加速器研究所/ブルックヘブン国立研究所/カリフォルニア大サンタクルーズ校
  • [Int'l Joint Research] IJClab(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      IJClab
  • [Int'l Joint Research] ジュネーブ大(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      ジュネーブ大
  • [Journal Article] Optimization of capacitively coupled Low Gain Avalanche Diode (AC-LGAD) sensors for precise time and spatial resolution2023

    • Author(s)
      Kita Sayuka、Nakamura Koji、Ueda Tatsuki、Goya Ikumi、Hara Kazuhiko
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      Volume: 1048 Pages: 168009~168009

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.168009

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of AC-LGAD detector with finer pitch electrodes for high energy physics experiment2023

    • Author(s)
      S. Kita, K. Nakamura
    • Journal Title

      JPS Conference Proceeding

      Volume: - Pages: -

  • [Journal Article] Characterization of BNL and HPK AC-LGAD sensors with a 120 GeV proton beam2022

    • Author(s)
      Heller R.、Madrid C.、Apresyan A.、Brooks W.K.、Chen W.、D'Amen G.、Giacomini G.、Goya I.、Hara K.、Kita S.、Los S.、Molnar A.、Nakamura K.、Pe?a C.、San Mart?n C.、Tricoli A.、Ueda T.、Xie S.
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 17 Pages: P05001~P05001

    • DOI

      10.1088/1748-0221/17/05/P05001

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新型LGAD飛跡検出器(AC-LGAD)の電極細密化と時間分解能の研究2023

    • Author(s)
      北彩友海
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] 新型LGAD検出器(AC-LGAD)の放射線耐性の研究2023

    • Author(s)
      今村友香
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] Development of AC-LGAD detector with finer pitch electrodes for high energy physics experiment2022

    • Author(s)
      S. Kita
    • Organizer
      The 31st International Workshop on Vertex Detectors (VERTEX)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 新型LGAD検出器(AC-LGAD)の放射線耐性の不純物濃度依存性の研究2022

    • Author(s)
      植田樹
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [Presentation] 新型LGAD検出器(AC-LGAD)の性能評価とその改良に向けた研究2022

    • Author(s)
      北彩友海
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [Presentation] 新型LGAD検出器(AC-LGAD)の光検出器への応用に関する研究2022

    • Author(s)
      五屋郁美
    • Organizer
      日本物理学会 第77回年次大会
  • [Presentation] 新型LGAD検出器(AC-LGAD)の電極細密化に関する研究2022

    • Author(s)
      北彩友海
    • Organizer
      日本物理学会 2022年秋季大会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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