InP半導体検出器の開発
平成18年度共同利用研究成果発表研究会
２００６年１２月１５日
宮城教育大学 福田善之、佐藤哲也＊
東大宇宙線研 森山茂栄、塩澤真人、小汐由介
東大素粒子センター 難波俊雄
浜松ホトニクス（株） 固体事業部
犬塚智也、井澤利之、朝倉雅之

目的 太陽ppニュートリノを用いたθ12の精密観測

Sub-MeV以下の太陽νの測定がθ12を制限
Y.Suzuki@ν2004
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115Inによる太陽ニュートリノ検出
R.S.Raghavan Phs.Rev.Lett37(1976)259

Nuclear Physics A 748 (2005) 333-347

νe + 115In → 115Sn* + e－
115Sn*(4.76μs) → 115Sn +γ1(115keV) + γ2(497keV)
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Real-time measurementν energy measurable(Ee=Eν-125keV)3 fold coincidence toextract neutrino signal
115In
β−decay from(τ1/2=6.4×1014yr)
Correlated chancecoincidenceBremsstrahlungCorrelated chancecoincidence- line γ

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太陽ニュートリノ観測用プロトタイプ検出器案

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4半絶縁性InP半導体を用いた検出器

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5Vertical Gradient Freeze (VGF) 基板

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VCZ製法のInP基板による検出器
http://www.sei.co.jp/sc/technical/inp.html

 InP結晶成長法
¾ LEC
¾ VGF
¾ VCZ

格子欠陥密度（EPD）

比抵抗高(~50,000㎝-2)
低(~5,000㎝-2)
中(~5,000㎝-2)>107Ω㎝>107Ω㎝>107Ω㎝

一般的従来用いたもの

世界初の試み２００６年１２月１５日

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7半導体特性の評価
ＩｎＰデバイス Ｖ－Ｉ特性

２５℃

15.010.0

電流 [μ A]

5.00.0３㎜□
６㎜□-5.0-10.03mm□ 27V3mm□ -27V6mm□ 27V6mm□ -27V

1.122 [μA]-0.9615 [μA]6.903 [μA]-4.339 [μA]4060-15.0-100-80-60-40-2002080100

Dark current can be
reduced by lowering thetemperature.
I[A]=T2/3exp(-Eg/2kBT)

電圧 [V] 温度特性ＩｎＰデバイス
1000.00

0.02μA for 6mm InP@100V and -40degree

素子抵抗 [MΩ]

100.0040-2 3㎜□
44-3 3㎜□
49-3 3㎜□
40-3 6㎜□
44-2 6㎜□
49-3 6㎜□

10.00

1.00

0.100.01
0102030405060708090

100（presented by Hamamatsu Photonics）

温度 [℃]

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8ペルチェ冷却によるInP半導体検出器

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9ドライアイス冷却によるInP半導体検出器

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10温度依存性
 -10℃以下でγ線を観測可能
 低温とともに電荷量が増大している。つまり、電荷収集効率(CCE)が増大している ドリフト長が延びていると考えられる
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11バイアス電圧依存性
 バイアス電圧の増加により電荷収集効率(CCE)が劇的に変化する ドリフト長が電圧に比例するためと考えられる(cf Ld=μτV0/d)

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12ドライアイス冷却（VGF)によるγ線応答性

コンプトン端光電ピーク

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13ペルチェ冷却(VCZ)によるγ線応答性（１）81keV?

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122keV γp.e. peak

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ペルチェ冷却(VCZ)によるγ線応答性（２）Log scale

60keV γp.e. peak

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15ドライアイス冷却(VCZ)によるγ線応答性（１）81keV gp.e peakBackscattering

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16ドライアイス冷却(VCZ)によるγ線応答性（２）122keV gp.e. peak

5~10XSi
Backscattering

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VCZ検出器とVGF検出器との比較

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18ガンマ線のスペクトル解析

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平成18年度共同利用研究成果発表研究会19μτ product値の比較

VGF基板の２倍程度のμτ値を持つ

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制動輻射BG測定実験

 3cmX3cmX0.3mm VCZ InP検出器
 ドライアイス冷却
 自己β崩壊スペクトル観測(0.11Bq~10,000事象／日） 制動輻射バックグラウンド測定（β線の1%が制動輻射）
平成18年度 検出器試作＋セットアップ
平成19年度 βスペクトル観測@宮教大
神岡坑内にてBG実験
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21９ｃｈピクセル型検出器の開発

 ３㎜×３㎜×２００μｍ×９ｃｈのピクセルInP検出器を開発
 性能測定中
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22９ｃｈピクセル型検出器の測定

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まとめ
平成18年度 VCZ基板による検出器を制作し、ガンマ線のスペクトル解析を行った結果、従来のVGF基板の２倍の電荷収集効率(>90%@400V)
 電子・ホール対生成エネルギーε≦3.0eV
 81keVと122keVの光電ピークを観測(エネルギー分解能 σ : 5%@122keV)
目標の10%@100keV(FWHM)にほぼ到達
平成19年度 宮教大にて3cmX3cmX300μm検出器の性能評価（自己β崩壊スペクトル観測を含む）
 神岡抗内にて115Inβ崩壊からの制動放射BG測定
実験を開始
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制動輻射BG実験設計図

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