インジウムを用いた太陽ニュートリノ半導体検出器の開発Ⅲ
日本物理学会 第５９回年次大会
３月３０日
宮城教育大学 福田善之、千葉芳明、太田忠之
東大宇宙線研 森山茂栄、塩澤真人、小汐由介、竹内康雄、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

インジウムによる太陽ニュートリノの検出原理
R.S.Raghavan Phs.Rev.Lett37(1976)259

Real-time measurement
ν energy measurable(Ee=Eν-125keV)3 fold coincidence to extract
neutrino signal
115In
β−decay from(τ1/2=6×1014yr)
Correlated chance coincidenceBremsstrahlungCorrelated chance coincidence
impuritiesnνe + 115In → 115Sn* + e−
115Sn*(3.26µs) → 115Sn +γ1(116keV) + γ2(497keV)
２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

2InP Semi-Insulating (SI) hybrid detector
6QRXKGYQH+P25+J[DTKFFGVGEVQTEO

5KFGXKGYQH+P25+J[DTKFFGVGEVQT

OQFWNG
EO

0C+UEKPVKNNCVQT
EO:EO:EO +P25+FGVGEVQT
EO:EO:µO

EO

5KRJQVQFKQFG
EO:EOEKTEWKVUWDUVTCKVHigh energy resolution, high granularity
High speed read out, No quenching+P2RJQVQFKQFG
0C+UEKPVKNNCVQTEOVJKEMPGUUYKVJ EO:EO:µO
5KRJQVQFKQFG

High BG reduction could be done
２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

3

InP SI proto-type 検出器

6mm
世界最大級の大きさ
体積：0.018cm3

D=450±25µm（ presented by Hamamatsu photonics）
２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

4 米国ＡＸＴ社 VGF製法
 半絶縁型 InP(Fe) 非抵抗値 0.5-5×108Ωm
 転位密度 2,000以下
 ウエハー径 50.0±0.3㎜
 ウエハー厚450±25µm
 表面・裏面処理 鏡面 暗電流のバイアス電圧に対する特性

Leakage current [µΑ]半導体特性40353025201510500¾ 半絶縁型なので極性がない
２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

100

200

300

400

500

Bias voltage [V]5241Am α線による応答

 測定のセットアップ

 改良点¾ 前置増幅器をクリアパルス製581Kに変更¾ バイアス電圧を最大3kVまで印可
２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

6241Am α線による応答
1500
1500

 観測データ

1000

1000

500

500

0

¾ クリアなsingle peakが観測された¾ バイアス電圧の増加により電荷収集効率(CCE)が明らかに上昇している

00.02

0.04

0.06

0.08

0.1-11x 100

bias 1000V

1000

500

500

00.02

0.04

0.06

0.020.08

bias 1400V

0.1-11x 10 =%?

0.040.06

0.080.1-11x 10 =%?

0.080.1-11x 10

bias 1200V

1000

00=%?

000.020.040.06=%?

bias 1600V

1000

1000

750
500

500

250000.020.040.060.08

bias 2000V

01000

750

750

500

500

250

25000.020.040.06

bias 2600V

日本物理学会 第５９回年次大会

0.08

0.1-11x 10 =%?

00.02

0.04

0.06

0.08

0.1-11x 10 =%?

0.08

0.1-11x 10 =%?

bias 2200V

1000

0２００４年３月３０日

0.1-11x 10 =%?

000.020.040.06

bias 3000V7検出電荷量のキャリブレーション
 Siダイオード(300µm)による検出電荷量キャリブ
レーション¾¾¾¾57Co(122keV γ)
133Ba(356keV γ)

MG8104103102MG8104103102MG810101100.02

0.04

0.06

0.08

137Cs(662keV γ)

0.1-12x 10=%?

00.02

0.04

0.06

0.08

0.1-12x 10=%?

241Am(5.486MeV α)

検出電荷量＝エネルギー／キャリア対生成の平均エネルギー×
素電荷
cf Siの平均生成エネルギーは3.6eV103102

前置増幅器のテストパルスによる検出電荷量のキャリブレーションと一致

10

100.02

0.04

0.06

0.08

0.1
-12x 10=%?

２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

8InP SI素子のキャリアー生成エネルギー 過去の文献
キャリアー生成の平均エネルギー ： 4.2eV
cf NIM A458 (2001) 400¾ Siの測定から予想される電荷量は1.42×10-13[C]¾ 観測された電荷量は4.6×10-13[C]

1000

800

600

２００４年３月３０日

/G8G8ZGZ%

400

2000

キャリア生成エネルギーが異なっている？

0.46 x%00.010.02

日本物理学会 第５９回年次大会

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1
-11x 109α線に対する電荷収集効率

Charge Collection Efficiency (%)

 電荷収集効率の測定と過去のデータとの比較
10090

H.El-Abbassi et.al,
NIM A 466 (2001) 47

807060This work50403020
100010000

20000

30000

4000050000

60000

Electric Field (V/cm)

3kVバイアスで80%のCCEが達成
２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

10events/sec/bin

InP SI検出器によるγ線の測定
 137Csによる観測¾ 明らかなγ線事象を観測¾ 但し、コンプトン端が見えない¾ 電荷収集効率(CCE)が低い可能性
137-1

10-210-310-4

1000.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

0.1-12x 10

Detected charge (C)events/sec/bin

10 4

1Cs gamma-ray spectroscopy-210103-3

1010210-410100.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1-12x 100

Detected Charge (C)２００４年３月３０日

日本物理学会 第５９回年次大会

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1x 10-12

Detected charge (C)11InP検出器における電荷収集効率α particledx0µ : mobility [m2v-1s-1]
v : carrier velocity [ms-1]
E : electric field [vm-1]
V0[volts] d : thickness of SI InP
x0 : range of α particle
E=V0/d v=µE=µV0/d

average length L=τv=µτV0/dτ : carrier lifetime [s]µτ is measured by H.El-Abassi et al. NIMA466(2001)47µτ = 5 - 8 x 10-7 [cm2V-1] (@-21 to 19 degree)Thus L=5x10-7[cm2V-1] x 1000[V]/500[µm]=0.01 [cm] >> x0 (~16µm in InP 4MeV α)
However, it means that average length is not enoughto collect all charge
２００４年３月３０日

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12

events/sec/bin-2-3-4-2-3-4

1000.02 0.04 0.06 0.08

0.1
-12x 100

events/sec/bin

10-20.02 0.04 0.06 0.08

0.1
-12x 10Detected charge (C)Detected charge (C)10-3-2-31010-4-410

1000.02 0.04 0.06 0.08

0.1-12x 10

0Detected charge (C)0.02 0.04 0.06 0.08

0.1-12x 10

Detected charge (C)events/sec/bin-210-210-3-31010-4-410

1000.02 0.04 0.06 0.08

0.1-12x 10

Detected charge (C)２００４年３月３０日

101010events/sec/bin¾ L=µτV/d（有効領域）をパラメーターとして変化させる¾ スペクトルの形状が有効領域に依存している¾ χ2検定 0.150.8×10-13 [c]の範囲で数でnormalize

1010events/sec/bin

 137Csのコンプトンによるスペクトラムをシミュレーション

events/sec/bin

シミュレーションによるγ線のスペクトラム

日本物理学会 第５９回年次大会

00.02 0.04 0.06 0.08

0.1-12x 10

Detected charge (C )

13

χ2分布
 有効領域を変化させたときのχ2の変化

２００４年３月３０日

χ 2 with 65 D.O.F¾ L=25mm @χ2minimum¾ 各々の有効領域を使ってα線のシミュ
レーションを行う¾ キャリア対生成の平均のエネルギー
1.03+0.26-0.11eV

500

450

400

350

300

250

90% C.L.

200

150

100

50

0025µm50

日本物理学会 第５９回年次大会

100

150

200

250

300
µEffective length ( m)14

結果
 測定装置の改良によりα線のシングルピークを観測した
 137Csのγ線を検出したがコンプトン端は観測されなかった
 シミュレーションの結果、有効領域は25+48-7µm (90%C.L.)であり、検出器全体(500µm)には到達していない キャリア対生成の平均エネルギーは1.03eVの値が得られ、これまで知られていた4.2eVより小さい結果であった 以上の結果から、バイアス3kVにおけるα線の電荷収集効率は80%が得られた。
今後の予定 有効領域の拡大を図るため¾ -40℃程度に冷却する¾ バイアスを5kVで印可し電場を上げる¾ µτが100倍大きいと言われているInP(Mn/Ti) SI基板の使用(Semicond.Sci.Techno. 16(2001)1002)
 電極の効果（ノイズの減少、CCE増加等）を確認する
 冷却によるノイズ減少を再確認する
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15

ペルチェ冷却型SI InP半導体検出器

２００４年３月３０日

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16低温時の137Csガンマ線のスペクトル ペルチェ冷却型SI InP検出器による137Csγ線(662keV)の測定
counts/20ch/100sec

36mm SI InP detector with peltier cooler
137

Cs γ−ray

Temp : -20 deg

137Csのγ線は観測しているが、コンプトン端(440keV)が見えない

counts/20ch/100sec

cf Range ~ 300µm in InP
BG subtracted

有効領域はまだ十分広がっていないch

２００４年３月３０日

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17

スペクトラムの温度依存

counts/ch/100sec

 ペルチェ冷却型SI InP 検出器による137Csγ線の波高分布の温度依存性
FGI

０℃以下でガンマ線の信号が観測されている

FGI
FGI
FGI
FGI

CCEの改善が観測されている

FGI
FGI

ch
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18