共同開発研究の中核として 研究開発を進めている 研究内容と成果 2 種類のシリコン結晶をひとつのウエハー内に持つという SOI 構造 ( 図 1) の特長を最大限に活かした 高い放射線検出効率を持った信号処理回路一体型の微細ピクセルセンサーを実現した ( 図 2 図 3) 開発した SOI ピクセル

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全文

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平 成 2 9 年 6 月 2 3 日 報道 関係 者 各位 大 学 共 同 利 用 機 関 法 人 高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構 国 立 大 学 法 人 筑 波 大 学

世界最高精度の放射線測定センサーを開発

【 概 要 】 大 学 共 同 利 用 機 関 法 人 高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構 ( KEK)、 筑 波 大 学 、 大 阪 大 学 、 東 北 大 学 の SOI ピ ク セ ル 共 同 開 発 研 究 チ ー ム が 、世 界 で 初 め て 1μ m( 1000 分 の 1mm)以 下 と い う 超 高 精 度 の 位 置 測 定 が 可 能 な SOI ピ ク セ ル セ ン サ ー の 開 発 に 成 功 し た 。 従 来 の シ リ コ ン 半 導 体 セ ン サ ー に 比 べ 、 位 置 測 定 精 度 が 1 桁 改 善 。 素 粒 子 反 応 の 正 確 な 観 測 に は 欠 か せ な い 技 術 と な る 。 こ の セ ン サ ー を 使 っ た 放 射 線 検 出 器 の 性 能 評 価 の 結 果 が 、 北 京 で 開 か れ た 国 際 会 議 「素 粒 子 物 理 学 の た め の テ ク ノ ロ ジ ー と 測 定 器 2017 (Technology and Instrumentation in Particle Physics, TIPP2017) 」 で 5 月 23 日 に 発 表 さ れ た 。

【 背 景 】

加 速 器 を 使 っ た 素 粒 子 実 験 で “ 素 粒 子 反 応 が 起 き た 場 所 ” の 正 確 な 観 測 は 研 究 す る 上 で 重 要 で あ る 。 KEK 測 定 器 開 発 室 で は 基 幹 プ ロ ジ ェ ク ト の ひ と つ と し て 、 従 来 数 μ m で あ っ た 検 出 器 の 位 置 測 定 精 度 の 大 幅 な 向 上 を 目 指 し て 、 次 世 代 型 検 出 器 「 SOI ピ ク セ ル 技 術 を 使 っ た 放 射 線 測 定 セ ン サ ー 」 の 開 発 研 究 を 2005 年 に 開 始 し た 。

「 SOI※ 1」と は“ Silicon-On-Insulator” と 呼 ば れ る 半 導 体 技 術 の 略 称 で 、CMOS 集 積 回 路 デ バ イ ス を 二 酸 化 ケ イ 素( SiO2)の 絶 縁 膜 の 上 に 形 成 す る 技 術 だ 。従 来 は CMOS 回 路 を 基 板 上 に 直 接 形 成 し て い た が 、 絶 縁 膜 を 挟 む こ と で 基 板 内 に 流 れ る 漏 れ 電 流 が 小 さ く な る た め 、 高 機 能 化 や 高 速 化 、 省 電 力 化 が 可 能 と な る ( 図 1 ) 。 SOI ピ ク セ ル セ ン サ ー※ 2は 、 SOI 基 板 の 絶 縁 膜 の 下 に あ る シ リ コ ン 層 に も 注 目 し 、 厚 み を ピ ク セ ル 型 放 射 線 検 出 用 に 最 適 化 、信 号 処 理 用 CMOS 回 路 と 一 体 化 す る こ と で 微 細 ピ ク セ ル 化 を 実 現 し た 。 こ れ ら に よ り 、 放 射 線 粒 子 が 生 成 す る 信 号 量 を 最 大 化 し 、 電 気 的 ノ イ ズ も 抑 え る こ と で 信 号 対 雑 音 比※ 3が 向 上 し 、こ れ ま で よ り 1 桁 高 い 精 度 で 位 置 測 定 が 可 能 と な っ た 。 研 究 チ ー ム は SOIPIX コ ラ ボ レ ー シ ョ ン( 代 表:新 井 康 夫・KEK 教 授 )と い う 世 界 展 開 の

本 研 究 成 果 の ポ イ ン ト

1 ) SOI 技 術 を 使 っ て 、 超 微 細 ピ ク セ ル の 放 射 線 セ ン サ ー を 開 発 2 ) 世 界 で 初 め て 1μ m 以 下 の 位 置 測 定 器 精 度 を 達 成 3 ) 素 粒 子 ・ 原 子 核 実 験 、 更 に は 放 射 光 実 験 で の 活 躍 が 期 待

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共 同 開 発 研 究 の 中 核 と し て 、 研 究 開 発 を 進 め て い る 。

【 研 究 内 容 と 成 果 】

2 種 類 の シ リ コ ン 結 晶 を ひ と つ の ウ エ ハ ー 内 に 持 つ と い う SOI 構 造( 図 1 )の 特 長 を 最 大 限 に 活 か し た 、高 い 放 射 線 検 出 効 率 を 持 っ た 信 号 処 理 回 路 一 体 型 の 微 細 ピ ク セ ル セ ン サ ー を 実 現 し た ( 図 2 、 図 3 ) 。 開 発 し た SOI ピ ク セ ル セ ン サ ー を 、昨 年 12 月 に 米 国 フ ェ ル ミ 国 立 加 速 器 研 究 所( FNAL) に 持 ち 込 み 、 120GeV 陽 子 ビ ー ム を 照 射 、 性 能 試 験 を 行 っ た ( 図4 ) 。 前 後 の ビ ー ム 位 置 モ ニ タ ー か ら 予 測 さ れ る 通 過 位 置 と 実 際 に セ ン サ ー で 測 定 し た 位 置 を 比 較 し た 結 果 、実 験 グ ル ー プ の 期 待 を 上 回 る 0.7μ m の 精 度 を 達 成 し て い た ( 図 5 ) 。 素 粒 子 実 験 で 使 う セ ン サ ー に は 高 い 放 射 線 耐 性 も 必 要 だ 。今 回 の 測 定 で は 高 い 放 射 線 量 下 で 性 能 が 劣 化 し な い こ と も 確 か め た( 図 6 )。SOI ピ ク セ ル セ ン サ ー は 将 来 の 素 粒 子 実 験 の 測 定 器 シ ス テ ム の 中 核 に な り う る 。国 際 リ ニ ア コ ラ イ ダ ー( ILC)や Belle II の 将 来 の ア ッ プ グ レ ー ド な ど 、 崩 壊 点 検 出 器※ 4の 性 能 向 上 の 切 り 札 に な る 。 ま た 、高 性 能 の X 線 イ メ ー ジ 検 出 器 と し て の 応 用 も 可 能 で 、放 射 光 を 使 っ た 物 質 生 命 科 学 の 実 験 装 置 、X 線 天 文 学 な ど の 基 礎 科 学 は も と よ り 、医 療・産 業 な ど へ の 幅 広 い 応 用 が 見 込 ま れ る 。 こ の 研 究 は 、科 学 研 究 費・新 学 術 領 域 研 究「 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 」に よ る サ ポ ー ト で 推 進 さ れ て お り 、TIA※ 5光・量 子 計 測 領 域 の プ ロ ジ ェ ク ト で も あ る 。

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図 1 : 従 来 構 造 の ト ラ ン ジ ス タ と SOI 構 造 の ト ラ ン ジ ス タ の 比 較 。 従 来 の 半 導 体 構 造 は 、 ト ラ ン ジ ス タ と 基 板 の 極 性 を 変 え る こ と で 絶 縁 し て い た た め 寄 生 容 量 が 大 き い こ と か ら 、 ト ラ ン ジ ス タ の 制 御 性 が 悪 く 余 分 な 電 力 を 必 要 と し た 。 SOI 構 造 は 、 ト ラ ン ジ ス タ が 基 板 か ら 絶 縁 さ れ て い る た め 効 率 よ く 制 御 で き 、 消 費 電 力 と 漏 洩 電 流 が 抑 え ら れ る 。 図 2:SOI ピ ク セ ル セ ン サ ー の 断 面 図 。SOI 構 造 下 部 の シ リ コ ン 層 は 集 積 回 路 か ら 絶 縁 さ れ て お り 素 粒 子 セ ン サ ー と し て 利 用 で き る 。 セ ン サ ー か ら の 電 気 信 号 を 基 板 上 部 の 集 積 回 路 に 直 接 伝 え る こ と で 損 失 や 雑 音 の 少 な い シ ス テ ム を 実 現 。 集 積 回 路 は 現 代 の エ レ ク ト ロ ニ ク ス を 支 え る 高 度 な 技 術 で 、 セ ン サ ー の 信 号 処 理 に は う っ て つ け の 組 み 合 わ せ 。 こ う し た セ ン サ ー と 信 号 処 理 回 路 が 一 体 と な っ た 構 造 は 「 モ ノ リ シ ッ ク ・ ピ ク セ ル 」 と 呼 ば れ る 。 今 回 開 発 し た セ ン サ ー は 放 射 耐 性 を 強 化 す る た め 、 通 常 の SOI 構 造 に 加 え 、 中 間 に さ ら に も う 1 層 の シ リ コ ン 層 を 加 え て い る 。 ( 画 像 提 供 Rey.Hori)

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図 3:SOI ピ ク セ ル セ ン サ ー の 断 面 構 造 写 真 。透 過 型 電 子 顕 微 鏡( TEM)で 撮 影 。【 画 像 提 供 : ラ ピ ス セ ミ コ ン ダ ク タ ー 株 式 会 社 】

図 4 : フ ェ ル ミ 国 立 加 速 器 研 究 所 で の ビ ー ム テ ス ト の 様 子 。 写 真 中 央 の 緑 の 回 路 基 板 の 中 心 が 、今 回 開 発 し た SOI ピ ク セ ル セ ン サ ー 。120GeV の 陽 子 ビ ー ム は 写 真 の 左 手 奥 か ら 入 射 す る 。

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図 5:SOIピ ク セ ル セ ン サ ー の 位 置 測 定 精 度 を 示 す グ ラ フ 。陽 子 ビ ー ム を 1 万 回 ほ ど 照 射 し 、 各 回 の セ ン サ ー の 実 測 値 と ビ ー ム 位 置 モ ニ タ ー の 予 想 位 置 と の ズ レ を 記 録 し た 。 横 軸 は ズ レ の 大 き さ 、 縦 軸 は そ の ズ レ が 観 測 さ れ た 回 数 。 上 流 の ビ ー ム モ ニ タ ー の 測 定 精 度 に よ る 予 想 位 置 の ば ら つ き を 考 慮 す る と 、セ ン サ ー の 位 置 測 定 精 度 は 1μ mを 下 回 る と 計 算 で き る 。 図 6:SOIピ ク セ ル セ ン サ ー の 放 射 線 耐 性 を 測 定 し た グ ラ フ 。赤 三 角 が 照 射 前 、黒 丸 が 100kGy の 放 射 線 照 射 後 の セ ン サ ー 。 横 軸 は セ ン サ ー に 与 え た バ イ ア ス 電 圧 で 、 縦 軸 は 検 出 し た 信 号 の 大 き さ 。 放 射 線 照 射 の 前 後 で 検 出 性 能 の 劣 化 は 見 ら れ な い 。

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【 お 問 い 合 せ 先 】 < 研 究 内 容 に 関 す る こ と > 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 坪 山 透 Tel: 029-864-5327 国 立 大 学 法 人 筑 波 大 学 数 理 物 質 系 准 教 授 原 和 彦 Tel: 029-853-4270 < 報 道 担 当 > 大 学 共 同 利 用 機 関 法 人 高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構 広 報 室 長 引 野 肇 Tel: 029-879-6046 Fax: 029-879-6049 E-mail: press@kek.jp

【 用 語 解 説 】

※ 1 . SOI( Silicon-On-Insulator) 2枚 の シ リ コ ン ウ エ ハ ー を 薄 い 酸 化 膜( 主 に 二 酸 化 ケ イ 素;SiO2)を 挟 ん で 貼 り 合 わ せ た ウ エ ハ ー お よ び そ の 関 連 技 術 を 指 す 。 酸 化 膜 が 絶 縁 層 と な る た め 、 寄 生 容 量 を 小 さ く 抑 え る こ と が で き 、高 速・低 消 費 電 力 化 が 可 能 と な る 。任 意 の 2種 類 の ウ エ ハ ー を 選 択 で き る こ と と 、貼 り 合 わ せ た 後 は 1枚 の ウ エ ハ ー と し て 既 存 の 半 導 体 形 成 プ ロ セ ス に か け ら れ る こ と も 特 長 。 製 造 方 法 は 1991年 に フ ラ ン ス の LETI研 究 所 の Michel. Bruelが 考 案 し た SmartCutTM 法 が 現 在 の 主 流 。 放 射 線 検 出 器 の 作 成 で 、任 意 の 2種 類 の ウ エ ハ ー 材 質 を 選 べ る こ と は 大 き な 利 点 。信 号 読 み 出 し の た め の CMOS集 積 回 路 を 実 装 す る ウ エ ハ ー 層 に は 小 さ な 抵 抗 率 、 放 射 線 を 検 出 す る た め の ウ エ ハ ー 層 に は 大 き な 抵 抗 率 の 材 質 を 選 ぶ こ と で 、 厚 い セ ン サ ー 部 と 薄 い 回 路 層 を 一 体 化 す る こ と が で き 、 信 号 対 雑 音 比 が 向 上 す る 。 ※ 2 . SOIピ ク セ ル セ ン サ ー 微 細 な SOIセ ン サ ー を デ ジ タ ル カ メ ラ の 撮 像 素 子 の よ う に 格 子 状 に 並 べ 、素 粒 子 が 通 過 し た 位 置 を 測 定 す る 装 置 。 今 回 使 っ た セ ン サ ー は 、 8μ m角 の ピ ク セ ル を 128×128個 の 正 方 形 状 に 並 べ た 。 ピ ク セ ル セ ン サ ー に 発 生 す る 信 号 パ タ ー ン を 解 析 す る と 測 定 精 度 が 向 上 す る 。 な お SOIPIX コ ラ ボ レ ー シ ョ ン で は 現 在 、X 線 検 出 用 と し て は 200 万 ピ ク セ ル 程 度 の 大 口 径 セ ン サ ー ま で 実 用 化 し て い る 。 ※ 3 . 信 号 対 雑 音 比 放 射 線 粒 子 が セ ン サ ー 内 を 通 過 し た 際 に 検 出 さ れ る 信 号 と 、 雑 音 な ど の 信 号 と の 比 率 。 比 率 が 大 き い ほ ど 正 確 に 測 定 で き る 。 ※ 4 . 崩 壊 点 検 出 器 素 粒 子 反 応 が ど の 場 所 で 起 き た の か を 測 定 す る 検 出 器 。 高 エ ネ ル ギ ー な 素 粒 子 反 応 で 生 成 さ れ る 2次 粒 子 の 多 く は 、 非 常 に 短 い 寿 命 し か 持 た ず 、 数 〜 数 十 μ m程 度 の 短 い 距 離 を 飛 行

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後 、 他 の 粒 子 に 崩 壊 す る 。 ど の よ う な 現 象 が 起 こ っ た の か を 解 析 す る 上 で 、 崩 壊 点 の 高 精 度 測 定 は 最 重 要 課 題 の ひ と つ 。 ※ 5 . TIA (つ く ば ・ イ ノ ベ ー シ ョ ン ア リ ー ナ ) 国 立 研 究 開 発 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 ( 産 総 研 )、 国 立 研 究 開 発 法 人 物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 ( NIMS)、 国 立 大 学 法 人 筑 波 大 学 ( 筑 波 大 )、 大 学 共 同 利 用 機 関 法 人 高 エ ネ ル ギ ー 加 速 器 研 究 機 構( KEK)と 国 立 大 学 法 人 東 京 大 学( 東 大 )の 5 研 究 機 関 と 、一 般 社 団 法 人 日 本 経 済 団 体 連 合 会 ( 経 団 連 ) と で 運 営 す る 研 究 拠 点 で あ り 、 内 閣 府 、 文 部 科 学 省 、 経 済 産 業 省 の 支 援 を 得 て オ ー プ ン イ ノ ベ ー シ ョ ン に 繋 が る 研 究 開 発 を 推 進 し て い る 。 そ の プ ラ ッ ト フ ォ ー ム の 一 つ と し て 、 光 ・ 量 子 計 測 が あ る 。 https://www.tia-nano.jp/core/research/measure.html

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