2013 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Interdisciplinary research on quantum imaging opened with 3D semiconductor detector |
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25109006
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原 和彦 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 准教授 (20218613)
石川 明正 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (40452833)
外川 学 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 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)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 素粒子物理学実験 / 半導体デバイス / 放射線測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の主な目的は、将来のILC/高輝度LHC/SuperKEKB等の素粒子加速器実験で使用可能な高い機能をもつ粒子軌跡検出用のピクセルセンサーをSOI技術を用いて開発することである。そのためには、(1)各実験に最適なピクセル検出器仕様の決定 (2)集積するピクセル構成・データ処理回路の最適化 (3) 放射線耐性の向上 が必要となる。本年度はこれらの基礎研究を行った。
(1)/(2)に関してはピクセルセンサーの形状・読み出し方式・必要な放射線耐性が実験毎に異なるため、センサー開発を始めるに際し、どの方式を採用するかを決定する。SuperKEKB用の「PIXOR型」センサーは既に概念設計が始まっており、それに基づいた試験チップ（TEG)を製造する。そこにはピクセル・読み出し回路を個別に試験するための試験構造と、センサーとして動作するピクセルセンサー構造を集積する。TEGの設計と半導体プロセスを今年度行い、完成後に評価を行う。
(3)放射線耐性に関しては、高輝度LHCにおいて線量が100kGyを越えることから、100kGy照射後も十分な性能を持つピクセルセンサーが必要なる。そのため、SOI層を２重に持つDSOI構造が提案され、評価が開始された。DSOIは二つあるSOI層の第２層に電圧を印加することによりSOI トランジスタの放射線による特性変化を補正するものである。その結果極めて高い放射線耐性をもつ読み出し回路を構成することが可能である。本年度はDSOIを用いた、試験チップ（TEG）を製造する。製造後は、照射試験を行い、MOSトランジスタの特性の放射線への影響と、第２層へ与えた電圧による、特性の回復状況などの評価を開始する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究を推進するにあたり、半導体デバイス設計やシミュレーション等の専門知識を有する研究者を雇用し、ピクセル検出器の概念設計と試験チップの設計を開始する予定であったが、候補者となっていた研究者が別な職を得たため、本年度の研究補助員の雇用が不可能になった。その結果、ピクセル検出器の概念設計は開始できたが、専門知識を必要とする試験チップの設計開始には至らなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２５年度の検討の結果、本研究班では SuperKEKB と ICLで、検出器建設の際に提案できる、実用レベルのそれぞれのピクセルセンサーを開発することに決定した。平成２６年度にはまず協力研究者の公募・選考を行い、雇用する研究者とともに、ILC用ピクセル検出器の概念設計を継続し試験チップの設計および評価を開始する必要が有る。
ILCのビーム衝突は特殊な時間構造をもつため、ピクセルセンサーの設計を続ける上では、その時間構造に最適な読み出し方式を検討する必要が有る。
SuperKEKB用のセンサー（「PIXOR」）はこれまでに行われてきた研究開発を継承し試験チップ(TEG)の製造を行う。TEGの設計に際しては、デバイスならびに回路シミュレーションを行うことで、必要な性能を持つことを確認してから最終デザインをおこない、チップを製造する。
ILC用ピクセルセンサーの仕様に近いFPIXという既存のSOIセンサーと、PIXORのTEGの読み出しを準備し陽子または電子のビームを用いて、ビーム試験を行う。これらのセンサーの粒子ビームに対する応答を測定することで、仕様の確認と、次回のピクセルセンサーのデザインに反映することになる。
放射線耐性に関してはDSOI（２重SOI）を用いた試験デバイスが入手可能になるので、その放射線耐性を測定する。特に第二層SOIに加える電圧による、SOIトランジスタの特性の変化は将来の高放射線耐性ピクセルセンサーの開発には欠かせない要素である。
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