2020年度宇宙史センター運営協議

光量子計測器開発部門の活動報告

2021年3月29日
部門長

原和彦

1

http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/index.html✓ センター活動計画中間評価調書から「ロードマップの状況」• KEK ARへのテストビーム整備
コミュニティによる議論が開始された• 新型検出器開発基盤の整備
SOI-SOFISTで初めての３Dセンサー
細分型LGADの試作の成果をもとに基盤整備を進める✓ SDGsへの取り組み

TIA光量子計測テーマ
STJ/新型半導体(LGAD)/SOI
TIAかけはしテーマ
究極の広帯域量子イメージセンサ実現を目指して(代表 倉知)日米科学技術協力(LGAD/SOI： 代表 中村)

個別には全て取り組んでいるが有機的融合は未整備

センター構成員会議・研究会での報告
2020年06月15日（月） 構成員会議
原 和彦
4次元飛跡検出器の開発
近藤剛弘

紫外線照射で水素放出が誘起されるホウ化水素シート

2020年11月30日（月） 構成員会議
中村浩二

高時間分解能検出器(LGAD)の細密電極化に関する開発

原 和彦

ATLAS ITkストリップ型シリコン検出器の初期量産

2

原、倉知

TIA (Tsukuba Innovation Arena) 活動2020

3

2020年度より”究極の広帯域量子イメージセンサ実現を目指して”
グループ（グループリーダーKEK倉知教授）（KEK/100万円、産総研/20万円、筑波大/10万円）

KEK 先端加速器推進室 倉知郁生：
筑波大学 数理物質系 原和彦：
産総研 エレクトロニクス・製造領域集積マイクロシステム研究センター 松前貴司 ：東京大学 環境学研究系 高松 誠一：
異種材料を表面活性化技術で接合し広い波長帯域の光の検出
1.E-03no anneal

表面活性化接合1.E-04I (A)1.E-05

1.E-06• 試作（産総研）を開始• 研究会の開催

1.E-07#01#02
1.E-08
-0.5

00.5

11.5

V (V)

2

2.5

第5回研究会＝＞2021.2.24
WEBEXによるリモート開催
95名の参加33

3次元積層技術を用いた新たなSOI
量子イメージセンサの創出 原・倉知

KEK AR-TB用のテレスコープシステムの構築 4
センター光量子から~10万円

KEK新井先生からの支援~20万円

鈴木(M1)

Au μ-Bumpを用いた高機能イメージセンサ
昨年度までのTIAかけはし課題

拡散効果

ILC用Vertex Detectorに適用
Pixel内でヒットのアナログ値・時間を記憶（3ヒット情報）[実施状況]
0次試作・評価終了
90Srからのβ線トラック確認、Pixel歩留 > 99%
1次試作終了（不具合改良試作）
動作評価待ち断面構造解析中
Upper Au Cylinder μ-Bump
Chip

Lower
Chip

3D Structure

β-ray

SOI-INTPIX4NA
sensitive area: 14x9mm
pixel size: 17x17 umμ-Bump

Β-ray Track

発表論文 Vertex2020にて発表
Ikuo Kurachi, Toru Tsuboyama, Makoto Motoyoshi, Miho Yamada, KazuhiroHara, and Yasuo Arai, “Intelligent Three-Dimensional Chip-Stacking Process
for Pixel Detectors for High Energy Physics Experiments,” Vertex2021.

4放射線耐性のあるSOI検出器
連携教員 倉知郁生

5

γ線照射によるSOI損傷の定量的評価 +原
極低温で作動するSOI-MOSFET ＋武内
陽子線照射によるPDD構造ピクセルリーク電流の増加現象の検討＋鈴木(M1)/原PDD構造とピクセルリーク電流
1.E-042018 諏訪賞

1.E-04
1.E-06

1.E-07

来年度より(株)D&S 社長
引きつづき光量子連携教員を快諾

1.E-08リーク電流は界面準位起因とバルク欠陥起因と想定される。

Sub-MOSFET

ピクセルリーク電流の陽子線照射とアニールによる変動
900

1.E-05

1.E-06

1.E-07800

1.E-08

700

100
600

S (mV/dec)

今年度でKEK特別教授を退任

Leakage Current @ -50 V (A/cm2)

Ileak (A/cm2)

1.E-05

500
400
300

S値によってBOX-Si基板界面準位の増減を観測

1000

S (mV/dec)

200

100fresh aft rad 80C 100C 120C 140C 160C 180C 200C 220C 240C 260C 280C 300C

S値の陽子線照射とアニールによる変動

S値に依存しない成分はバルク欠陥。
増加したピクセルリーク電流の95%が界面準位起因、5%がバルク欠陥起因と推定。

原、中村
植田(M1)、北(B4)6LGAD (low-gain avalanche detector) 活動報告2020

原 科研B「高時間分解能を併せもつ高位置分解能4次元半導体検出器の実現」/325/430万円
中村 新学術応募「医療機器TOF-PETに用いる半導体検出器の開発」 410/410万円
中村・原 日米科学技術事業 500/500/50万円

AC-LGADによる細分化の研究

昨年度末にHPKで最初の試作
パッド型で正常動作を確認
ストリップも動作(波高~1/3）
ch1

ch3

120 GeV p (FTBF)

ch0
ch2

Pulse heightunder US-Japan

90Sr
Positive overshootfor highest signal only

Typical Event :Particle through ch2
Detected cross talk in ch0,1,3

Vertex2020に論文投稿

secondaryprimary6

原、中村、 廣瀬
斉藤(M1),石井(B4)
花垣

KEK運営交付金

HL-LHC 用ATLAS ITk strip検出器 活動報告2020
センター光量子~15万円

PRR＝production
readiness review

strip型センサー(barrel部/2=6,350枚)製造
👉2020年度：318 preproduction＋評価＋PRR (Feb.17/18)

7Main
10x10cm

評価：QC:全数のたわみ、表面状態、strip test
QA:バッチ毎(39 batches/1,041 BA+EC sensors)にサンプルした(TC,MD8,Mini) 試験

廣瀬：QC results with Barrel sensors - KEK delivery
KEK/TsukubaはTest siteとしてqualify, PRRも合格

QC system@HPK

本生産の計画形状測定例

QA
QCおよびQA(東北大CYRICで陽子照射)を継続

原、中村、 廣瀬、池上(クロスアポ)佐藤(M2)、村田(M1), 熊倉(B4)
花垣

KEK運営交付金

HL-LHC用ATLAS ITk pixel検出器

中村・原 日仏25万円

FDR＝final
design review

活動報告2020 8

ATLAS-J大学の共同研究✓ HPKのセンサーがFDR(2020 Sep18)に合格
👈 FNAL testbeam 解析
K. Nakamura “(sensor) Layout”✓ HPK/T-Microのflip-chip方法がFDR(2020 Nov26)に合格
👈 品質管理法の確立

K. Nakamura “Dual module measurements at KEK”

HPKHPK

T-micro

HPK

Bias抵抗付きのpixel

実機 QUADセンサー4x4cm ASIC 2x2cm

林栄精機
FC試験用
1x4cm

ITkpix (TSMC 65nm)
今後

Module FDR(Jun-) /Sensor preproduction(Apr-)✓ FCの品質管理✓ FC(bare)module試験👉組立武内、金吉田(クロスアポ)

宇宙背景ニュートリノ崩壊光探索(COBAND)に向けた
遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発

9Nb/Al-STJ のSOI極低温増幅回路読出•SOI技術を用いた負帰還差動増幅回路による電荷積分型増幅器が極低温で室温と同様に動作することを確認．超伝導体デバイスの冷凍機内信号増幅を実証．

– 今年度60fFの負帰還容量により室温・3K共に約20mV/fC の利得をもつ増幅器の性能を確認

Discharge Current (V)

•H型ゲート構造を持つSOI-MOS FET で極低温で発生するドレインアバランシェ現象の抑制を確認
ESD保護回路の極低温での動作の確認

200Input charge: 3fC
7200-200-20
Input Voltage(V)

2Voltage(mV)•

680
640-40基盤研究(C)「ニュートリノ崩壊光子検出器較正用超低エネルギー光子パルス照射システムの開発」，
吉田拓生（代表），2016～2020，2020年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
基盤研究(B)「 超伝導体素子による極低閾値検出器開発とsub-GeV領域暗黒物質探索への展開」，
武内勇司(代表), 2020～2022, 2020年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)-2002040Time(s)武内、金吉田(クロスアポ)

宇宙背景ニュートリノ崩壊光探索(COBAND)に向けた
遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発

10Hf-STJ のX線応答信号
・ＫＥＫ先端計測器開発棟クリーンルームプロセス装置を用い作製されたHf-STJ で55FeからのX線信号を観測（韓国IBSのADRを用いて測定）– 200m角Hf-STJで 5.9keVエネルギーを6.7%の分解能で測定（論文執筆中）– 10μm角Hf-STJのデータは現在解析中
Hf-STJのX線応答事象候補

時間 (us)Nb/Al-STJ•

SOI

Hf-STJ•

超伝導体(STJ)と半導体(SOI)の融合
新素材STJの開発

江角

11

クォーク・核物質部門からの報告2020

検出器開発
LHC-ALICE実験 のFocal Upgradeのためのシリコンカロリメーター👈光量子セッションで報告
J-PARC E16実験用のMRPC飛行時間検出器の開発
今後、高密度核物質研究のための中性子検出器 の開発を予定
本年度 研究代表者としての外部資金のリスト小沢 顕
2018−2020 基盤研究(A) 蓄積リングでの質量測定によるハロー原子核の探索
4,290千円/総額45,760千円
江角 晋一
2019–2023 基盤研究(S) 高次ゆらぎと粒子相関による高密度クォーク核物質の１次相転移と臨界点観測への挑戦
22,750千円/総額103,350千円
中條 達也
2020-2024 基盤研究(S) LHC 超前方光子測定によるグルーオン飽和とQGP生成起源
29,250千円/総額194,740千円
中條 達也
2020-2024 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B)) ALICE 実験 前方シリコン検出器群によるカラーグラス凝縮の探索 KEK2,860千円/総額18,720千円
クロスアポ小沢 恭一郎 2020-2024 基盤研究(S) 高輝度陽子ビームによる原子核中での明確な中間子質量変化の実験的確立
50,050千円/総額194,740千円
11

連携教員

近藤研究室 2020年度研究成果

12

重要な研究成果（１） 光周波数コムと走査トンネル顕微鏡を用いた新しい原子分解能精密分光法を開発し原子像を取得（論文：査読結果の対応中）（２） 2017年に我々が世界で初めて合成に成功したホウ化水素シートの新しい機能を見出した

外部獲得資金など
・科研費 基盤B 代表（2019-2021）
・科研費 挑戦的研究（萌芽） 代表（2018-2020）
・科研費 新学術領域研究(研究領域提案型) 公募研究代表（2019-2020）
・企業との共同研究 代表（2020-2021）
・企業との共同研究 代表（2020-2021）
・企業との共同研究 代表（2020-2021）
・企業との共同研究 代表（2019-2021）
・東京工業大学 元素戦略センター 特定准教授

発表論文 7件
著書・解説記事 ３件受賞筑波大学 2020 Best Faculty Member（近藤）連携教員

SPring8 長期利用課題 高エネルギーX線2次元検出器を用いた高度物質構造科学研究代表：筑波大西堀、メンバー

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Iversen（ユニット招致）

2019年2月 採択決定
2019年4月～実験開始

CdTe検出器の性能評価

緊急事態宣言でSPring-8が4月～6月末まで休止となり、かつ、検 出器関係を進めていたオーフス大と進める課題も2021年4月以降に持ち越された。
2021年4月～8月にマシンタイムが延期された

13

原、金

14

宇宙線を用いた大型構造イメージング

残存質量

2号炉

非損傷なら

loading zone: 17~49 t/ 160t
PVC bottom: 159~197/35t

今年度に出版
1号炉の観測結果:10.1093/ptep/ptaa027
2号炉の観測結果:10.1093/ptep/ptaa137
14Vertex2020

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Vertex会議は1999年より毎年開催される半導体検出器をもちいた衝突点、飛跡検出器の国際会議。日本での開催は2005年以来。
リモートで開催 （135名、内日本人20名） 原が実行委員長

センターの宣伝をしました
Proceedings代(24論文22万)+poster(3万) はセンターの戦略イニシアティブ予算からoriginal poster

Vertex2021 はOxford大学で調整中⇒Vertex2022は日本で15