2019年度宇宙史センター運営協議会

光量子計測器開発部門

http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/index.html

2020年3月24日

部門長
今年度より2名の外部(KEK)連携教員が参加

活動報告

原 和彦

1

2

http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/TCHoU/LDPPD/index.html

1号炉の観測結果:10.1093/ptep/ptaa027

3

TIA (Tsukuba Innovation Arena) 活動2019
光・量子計測（TIA-ACCELERATE）
3回のMG会議を経て研究会を企画＝＞今年はコロナでキャンセル”３次元積層半導体量子イメージの調査研究”
グループ（グループリーダーKEK倉知教授）＝＞2020.1.27 エポカルでの研究会

http://rd.kek.jp/project/soi/TIA20/2001_TIA3D.html
はじめに: TIAかけはし 3D活動 4年を振り返って

倉知 郁生 (高エネ研)

素粒子実験用SOFISTピクセルセンサーの３D積層

原 和彦 （筑波大）

3次元実装におけるウエハレベルハイブリッドボンディング

藤野 真久 （産総研）

SABを使用した高精度アライメント接合方法及び装置

山内 朗（ボンドテック(株)3次元積層のための表面活性化常温接合

須賀 唯知 （明星大学）

低温接合技術に基づく異種材料集積技術とセンサ・マイクロシス
テム応用

日暮 栄治 （産総研）

ディスカッション

倉知 郁生 (高エネ研)まとめ新井 康夫 (高エネ研）

原、倉知SOI (silicon-on-insulator) 活動報告2019
TIAかけはし ”３次元積層半導体量子イメージの調査研究” 15万円
日米科学技術協力 ~50万円
センター光量子から~50万円

SOFIST3＆4 for ILC vertex

PDD構造の放射線耐性
Pinned depleted diodeゲインvs照射量

SOFIST3 時間分解能~1.9us

SOFITS4(μバンプによる3次元接合）＝＞高機能化、異種材料•HSTD12(M2 村山) proceedings

第２回量子線イメージング研究会
ポスター発表 (M2 村山, M2 岩波)• Electrochemical Society 倉知• Linear Collider WS2019 発表 原
• TIAかけはし講演 原、倉知
⇒SOFIST4のFNALテストビーム（村山、岩波、原）E分解能vs照射量

従来の範囲(0.6kGy)を大きく超えた評価（M2安部、B4岡田）⇒ELPH, FNALテストビーム

4

原、中村

LGAD (low-gain avalanche detector) 活動報告2019
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」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」410万円
中村・原 日米科学技術事業 500万円

2019.2 FNAL Testbeam
2020.3 FNAL Testbeam
ベータ線を用いた時間測定(M2大鳴, B4植田)
FNAL Artur Apresyan (CMS) アンプ設計

細分化の研究AC-LGADによる分割
Trenchによる分割(M2大鳴）(D1和田）
HSTD12国際会議
Vertex2019国際会議

AC-LGAD sensors
fabricated by HPK

5

原、中村

6

HL-LHC 用シリコン検出器 活動報告2019
受川 新学術～150万円
花垣 KEK運営交付金
中村・原 日米科学技術事業 ~50万円 中村・原 日仏25万円

strip型センサー(barrel部/2=5,000枚)製造
QC
Cassette内の25センサーを順次取り出し、写真撮影およびたわみ測定するシステムを浜松ホトニクスに設置（B4勝又）

形状測定例

今年度250枚を製造し(Preproduction)検査済み

QA

センター光量子~15万円

pixel型センサー開発・製造
最新RD53A ASICを搭載したピクセ
ルモジュールの評価(M2 原田、大鳴、M1佐藤、谷野)Vertex2019 中村 ”hybridation of….”
HSTD12 M1佐藤 ”1e17 irradiated sensor”

FNAL testbeam(原、中村、佐藤、谷野）
DESY testbeam(中村、佐藤、谷野）

テストストラクチャ測定
ミニ電荷収集測定←site Qual.済み（B4斉藤）

FDR(final design review)を予定
その後preproductionへ

PRRを経て今年度中に大量生産に入る～3年間
FDR, HSTD12 原 ”charge collection of….”

武内・金

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
Nb/Al-STJ のSOI極低温増幅回路読出••

SOI技術を用いた容量性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．
H型ゲート構造を持つSOI-MOS FET が極低温で発生するドレインアバランシェ現象を抑制できることを確認

Hf-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）

SOI電荷積分型増幅器出力 (入力電荷0.49fC)
3K
室温

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

Mar. 10, 2020
高エネルギー加速器研究機構
先端加速器推進部 測定器開発室
倉知 郁生

2019年度 活動報告より高性能な検出器実現を目指して

μ-BumpによるPixelレベル
3Dスタッキング技術

金先生との共同研究

２．極低温動作の実現

3Dプロセス構築
イメージャー動作確認

kink-less MOSFETの発案
3Kでのkink抑制効果確認

極低温でのkink-less
MOSFETの開発
Body

1 PixelDrain
W = 6w

Lw

Gate

β-ray

Pixel Array内μ-Bump

Source

観測したβ-ray tracking

Body-tie H-gate
T = 3K(Active)
00.5

2FD-SOIでの特性変動改善
自動補正回路の検討

特性変動予測技術の創出
ドーズ量を変数としたSPICE Model
Id-Vg Log(Id)-Vg

Vds = -0.1 V-0.00004-0.00003

1.E-06
1.E-07

Ids (A)Ids (A)

0.000025

1.E-09
1.E-100.000020.000015

Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
0 kGy(Si)

1.E-110.00001

1.E-12-0.00001

1.E-13

meas.

meas.

1.E-14sim.
00.000005-0.5-1-1.5Vgs (V)

-2

sim.
0

10-1-20-0.00003-0.5-1

Vgs (V)-1.5-2Vgs (V)

1.E-04

Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
1 kGy(Si)-0.000035

meas.

sim.

1.E-150-0.00004

0.000035

Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
1 kGy(Si)

1.E-05
1.E-06
1.E-070.000030.000025

1.E-08Ids (A)-0.000025
Ids (A)

0.00003

1.E-08-0.00002-0.000015-0.000005

PD-SOI MOSFET

0.000035

Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
0 kGy(Si)

1.E-05-0.000025

1 kGy(Si)gm-Vg

1.E-04

Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
0 kGy(Si)-0.000035

gm (S)

原先生との共同研究

0 kGy(Si)-0.00002-0.000015

1.E-09
1.E-100.00002

Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
1 kGy(Si)0.000015

1.E-110.00001

1.E-12-0.00001

1.E-13meas.

-0.000005

meas.

1.E-14sim.
0-0.5-1-1.5Vgs (V)

-2

sim.
010-1-20-1-1.5-2

Vgs (V)

1.E-04-0.000025-0.5

Vgs (V)

Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
10 kGy(Si)-0.00003

meas.

0.000005

sim.

1.E-150-0.000035

特性変動物理モデルの発案
実測・SPICE
Sim.での一致性を確認

0.000035
Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
10 kGy(Si)1.E-05
1.E-06
1.E-070.000030.000025

gm (S)

Ids (A)

1.E-09
1.E-10

Pcore LVt ST2W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
10 kGy(Si)0.00001

1.E-12-0.000005

meas.

1.E-13sim.

1.E-140meas.

0.000005-0.5-1-1.5
Vgs (V)-2

sim.
010-1-2-0.000025-0.5-1-1.5
Vgs (V)

1.E-06
1.E-070-0.5-1-1.5
Vgs (V)

0.000025

0.00002

1.E-09gm (S)-0.00002-0.000015

1.E-101.E-11-0.00001

0.000015
Pcore LVt ST2W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
100 kGy(Si)0.00001

1.E-12
1.E-13meas.

-0.000005

0.000005

meas.

1.E-14sim.
0-0.5-1-1.5
Vgs (V)

-2

meas.

sim.

sim.

1.E-150-20.00003
Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
100 kGy(Si)1.E-05

1.E-08Ids (A)

0Vgs (V)

1.E-04
Pcore LVt ST2
W = 2.0 m
L = 0.4 m
Vds = -0.1 V
100 kGy(Si)-0.00003

meas.

sim.

1.E-150-0.000035

100 kGy(Si)0.000020.000015

1.E-11-0.00001

自動補正回路初期特性確認：想定通り
ɤ線照射、検出用MOSFET不良発覚
不良原因調査中-0.00002-0.000015

Ids (A)

検出用MOSFET

10 kGy(Si)Ids (A)

1.E-08PD化によるTID改善
PD化によるTID改善確認
PD化プロセス条件設定⇒試作実験中

2.5

Kinkの抑制効果

gm (S)

PD化による究極の耐放射
線MOSFETを目指して

1
1.5
Drain Voltage (V)kink-less MOSFET

I. Kurachi, T. Tsuboyama, Y. Arai, and M. Motoyoshi, “Application of Three Dimensional Chip
Stacking Technology for Fully Depleted Silicon-on-Insulator Quantum Beam Imager,” ECS
Transactions, vol. 92, No. 5, pp. 29-38, 2019.

３．放射線耐性の改善

Ncore Low Vt
W = 10 mL = 10 m

Source-tie(P+)

Normalized Drain Current (A.U)

１．画素Pixelの高機能化

原先生との共同研究

010-1
Vgs (V)-2-2

実測（Symbol)・SPICE Sim.（Line）
比較

9

10

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 Iversen（ユニット招致）
2019年2月 採択決定
Number of detector modules
2x5
2019年4月～実験開始
2CdTe検出器の性能評価

Sensitive area (width x height) [mm ]168.7 x 179.4

Pixel size [µm2]172 x 172

Total number of pixels (horiz. x vert.)

981 x 1043 = 1,023,183

Gap between modules (horiz./vert.)[pixel], *plus 1 pixels horizontal gap
on each module

7* / 17

Inactive area [%]7.8%

Defective pixels< 0.1%

Maximum frame rate [Hz]500

Readout time [ms]0.95

Point-spread function

1 pixel (FWHM)

Threshold energy [keV]

8 - 40Maximum count rate [phts/s/pixel]

1 · 107

Counter depth

20 bits (1,048,576 counts)

Power consumption [W]165

Dimensions (WHD) [mm3]265 x 286 x 455

Weight [kg]25

Module cooling

Water-cooled

Electronics coolingAir-cooled

External trigger / gate

5V TTL判明した問題点

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オーフス大グループポスドクによる問題点の国際会議での発表

販売前のCdTe Eiger検出器のSPring-8における試行利用
2020年1月～2月のSPring-8マシンタイムでDectrisの技術者が西堀の長期課題にCdTe Eiger検出器とともに参加

近藤研究室 2019年度研究成果

近藤剛弘

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（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（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光機能を見出した（論文：Nature Commun. 2019）
軽量で安全な水素キャリア材料を開発 －室温・大気圧において光照射のみで水素を放出－

・共同プレスリリース: 筑波大学，東京工業大学，東京大学物性研, 高知工科大学

・新聞報道など：日経新聞（2019年10月25日），
fabcross for エンジニア（2019年10月28日），環境ビジネスオンライン（2019年10月28日），日刊工業新聞（2019年11月1日）化学工業日報（2019年10月28日），日経産業新聞（2019年11月12日）, つくばサイエンスニュース（2019年10月24日）, ナノテクノロジープラットフォーム（2019年11月8日）,日刊ケミカルニュース（2019年12月3日）,OPTRONICS Online（2019年10月28日），FuelCellsWorks（2019年11月9日）,CHEMEUROPE（29-Oct-2019），
ScienceDaily（25-Oct-2019），SciTechDaily（25-Oct-2019），
nano werk（25-Oct-2019），PhysOrg（25-Oct-2019）

・発表論文：５件
・招待講演：９件

・特許：３件

室温でも紫外線照射で分解が起きて水素分子を放出
R. Kawamura et al.,Nature Communications 10 (2019) 4880.

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国際会議企画
Vertex2020

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。