| 研究領域 | 3次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開 |
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| 研究課題/領域番号 |
25109006
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
坪山 透 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, 講師 (80188622)
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| 研究分担者 |
原 和彦 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20218613)
石川 明正 東北大学, 理学研究科, 助教 (40452833)
外川 学 大阪大学, 理学研究科, 助教 (50455359)
幅 淳二 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, 教授 (60180923)
池上 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, 講師 (20222862)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | 素粒子実験 / 放射線 / 粒子線 / 電子デバイス / ピクセルセンサー / 耐放射線性能 / ビームテスト / サブμｍ測定精度 |
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| 研究実績の概要 |
本研究はSOI技術を用いて、現在計画中の衝突型素粒子加速器実験で用いる高性能シリコンピクセルセンサーを作ることを目的にしている。SOIとはシリコンウエファ上に酸化膜層を形成し、その上でCMOS回路をつくる半導体技術である。個々のMOSトランジスタ(MOSFET)がシリコンウエファや他のMOSFETと独立しているため、浮遊容量が少なく回路性能が向上する。ここで、シリコンウエファ中に放射線が入射したときに発生する電荷を直上のCMOS回路で処理することにより、放射線検出回路が構成できる。本研究ではLapisセミコンダクター社の0.2μmプロセスを用いて、素粒子軌跡検出のためのピクセルセンサを作ることを目的としている。
H27年度には２つのピクセルセンサーの設計と製造を行った。一つは国際リニアコライダー(ILC)のビーム衝突方式に適合するSOIFST1、他方は高輝度ハドロン衝突機（HL-LHC）で使用可能な高放射線耐性を持つFPIX2である。FPIX2は高放射線耐性に加え、位置分解能の限界解明を目指し微細ピクセルサイズ（8μmｘ8μm)となっている。
H28年度には、粒子ビームを用いて、素粒子の軌跡検出性能の評価を行った。一回目は東北大学ELPH施設で、センサーの応答測定とデータ収集系の確立をおこなった。H29年２月には米国フェルミ研究所で２回めの評価をおこなった。SOFISTでは、ILCピクセルセンサーに必要な高い信号雑音比が確認できた。FPIX2からは0.8μmという空間分解能を確認した。これは現存するピクセルセンサーでは最高性能のものである。FPIX2はガンマ線照射試験をおこない、500kGy 照射後にもピクセル動作が確認できた。
これらの結果に基づき、H28年度の終わりに更に性能を上げたチップの設計を開始した。H29年度初旬に製造を開始、評価を行う予定である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究は、現在計画中の高輝度衝突型加速実験（ILC/HL-LCH）で使用可能な、モノリシックピクセルセンサーをSOI技術で開発するもので、その開発項目として(1)ILCのために必要な、高い空間分解能・時間分解能をもつピクセルセンサーの確立 (2)HL-LHCに求められる高い放射線耐性 (3)ビーム試験によるデザインの検証と性能確認 (4)大型センサの試作と評価、が挙げられる。
研究開始後、調査・基礎データを蓄積し、H27年度にはsofist1/fpix2チップの設計を行った。ここで、本科研費の統括班A01で開発された２重SOI技術が高度なピクセルセンサー開発の鍵となっており、本新学術科研費の連携の重要さが確認された。製造後、実験室レベルの評価を行い、電気信号・光学応答・β線などを用いて動作確認をおこなった。H28年度には、二回のビーム試験と放射線耐性試験を行った。これらにより、項目(1)/(2)/(3)に相当する項目を達成することができた。
ビーム試験で得られた 0.8 μmという空間分解能は、既存のピクセルセンサーではこれまで得られておらず、素粒子物理学実験で新たな分野を開く可能性がある画期的な成果である。
項目(4)に関してはH28年度内に大型センサーの設計を開始し、H29年には製造ならびに評価を行う予定である。
こうした成果に加え、本科研費に関わる研究者は、ピクセルセンサの方式決定・設計技術・製造技術・評価方法・読み出し方式などを熟知し・高度なスキルを身に着けた。そのことが、ビーム試験の計画・実施・結果を通じて示された。本科研費の重要な成果だと考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
H29年度は本科研費の最終年度であることを念頭に以下のような計画を立てている。
研究計画 (1) Sofist/Fpix型チップの大型化。H28年度に用いたセンサーは有感面積が 1mmx1mm と小さいものだったが、これを3mmx3mmまで大型化する。センサーの設計はH28年度から開始し、H29年５月には製造開始、１２月頃には完成したチップの評価を開始する。基礎試験終了後、ビーム試験を実施し、最終評価をおこなう。(2) 加速器実験で本格的に用いるためには、さらに高速読み出し電子回路をチップに実装する必要がある。このためには、現在用いている、0.2 μmCMOS技術では実装できる回路が足りない。SOIセンサーの特長を活かしたまま、この問題を克服するためには、ピクセルセンサー上に別のCMOS回路を直接取り付ける「3次元積層技術(3DSOI)」が重要である。ここ数年で3DSOI技術が熟成したので、H29年には3DSOIによるSOFISTチップの設計・試作を行う。(3) H28年度の評価でDSOI技術により500kGyという放射線耐性を確認したが、本科研費統括班A01が開発した(a)半導体プロセスの改善・(b)放射線ダメージの軽減化にもとづき、H29年度に製造するFPIXに実装する。これをもちいることで、HL-LHCの仕様に適合する放射線耐性 (>1MGy) をもつピクセルセンサーの実現が期待できる。(4) Sofistピクセルセンサー基本性能はH28年に確認できているので、ILC検出器グループとさらに連携をして、実験装置に適合する仕様をもつ最終デザインの検討を開始する。
国内外の学会・研究会で成果を公表し、普及に務めている。この研究が十分有望で、実用化の必要性が明確になったので、さらに研究を継続するため、国内外の研究者との連携を行い、引き続き研究費を獲得の努力を行う。
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| 備考 |
(1)は本新学術研究のための公開ページ（２）はKEK SOIPIXグループのページ（３）は素粒子実験用SOIPIX開発に関連する資料・記録のためのもの。(1)-(3)で非公開情報や開発に関する詳細情報・未公表の結果等は非公開となっている。
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