SOI Pixel 放射線イメージング検出器 2012年7月20日@筑波大医学系 新井康夫 高エネルギー加速器研究機構 [email protected] http://rd.kek.jp/project/soi/ 1
SOI Pixel
放射線イメージング検出器 2012年7月20日@筑波大医学系
新井康夫 高エネルギー加速器研究機構
[email protected] http://rd.kek.jp/project/soi/
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KEK (http://www.kek.jp) Established in 1971.
~2 km 2
高エネルギー加速器を
使った素粒子・原子核・
物質の研究。
職員̃700人
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東海 高エネルギー加速器研究機構(KEK)
ATLAS検出器@LHC (Large Hadron Collider)
全長46m、高さ25m、重量7,000ton 建設費540億円、研究者37ケ国 ~2,200人
半導体検出器
現在の最先端Pixel放射線検出器(Hybrid Pixel)
• 検出器と読出しエレクトロニクスを別々に作り、金属バンプにより接合する。
• 位置分解能に制限。 • 余分な物質が大量にある。 • 寄生容量によるスピ-ドの低下。
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Silicon-On-Insulator (SOI) 張合わせウエハ
3次元半導体検出器の基盤技術 産業界のトレンド
高速・ 低消費電力
Bulk CMOS
SOI CMOS
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半導体放射線センサの高分解能と、集積回路の高機能を併せ持つ、3次元構造のイメージング検出器。
3次元半導体放射線検出器 (SOIPIX)
JST 先端計測分析技術・手法開発事業(2007~2011)で最高評価(S)。 6
• 機械的接合がなく、半導体微細加工のみ。 高信頼性、高分解能、低価格が望める。
SOI Pixel検出器の特徴
• センサーが薄くても充分なS/N。 逆に厚くする事で、高エネルギーX線に高い感度。
• 高度信号処理回路やメモリーを持つインテリジェント・ピクセルが可能に。
• 過酷な環境(極低温、放射線)への耐性。
• 基本技術は産業界の標準。 技術発展の取り込みが容易。
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SiによるX線の検出効率
主な参加研究機関
• 高エネルギー加速器研究機構 (素核研、物構研)、筑波大学、 • 京都大学、大阪大学、東北大学、京都教育大学、東京大学、.. • 宇宙航空研究開発機構、宇宙科学研 (JAXA/ISAS) 、産総研、 • 高輝度光科学研究センター(Spring-8, JASRI)、理化学研究所 • Lawrence Berkeley National Laboratory • Fermi National Accelerator Laboratory • Univ. of Hawaii、BNL、Univ. of Heidelberg • IHEP, China • :
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• JST 先端計測分析技術・手法開発事業(要素技術プログラム) (2007.10~2011.3) 評価S。
• 科研費基盤A(2009.4~2013.3) • 日米科学技術協力、アジア加速器検出器協力、他 • (株)Lapis Semiconductor、(株)リガク等の企業と共同研究。
東北大学
京都大学 筑波大学
宇宙科学研 産総研
SOIPIX技術は、日本が世界をリードし、国際的にも注目されている
大阪大学
• 海外では研究所内プロセスに留まる。
• 量産ラインを利用した信頼性の高いプロセスは我々のみ。
• 現在、国内外を含めたユーザ数は~150名。
• 海外から多数のビジター、共同研究申込。
0.2 µm Fully-Depleted SOI Pixel Process (ラピスセミコンダクタ社と共同開発)
SOIPIX ウエハーマスク
理研
Fermi Nat'l Accl. Lab.
Lawrence Berkeley Nat'l Lab.
MPI
U. Heidelberg U. of Hawaii
Louvain-la-Neuve Univ.
IHEP China
INP Krakow
KEK
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KEK でのSOI Pixel 検出器開発 0.64 mm
2006 32x32
2008~9 2.56 mm
128x128
14.1 mm
2010
832x512 Vbias~10V Vbias~100V
Vbias~250V
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X線スペクトル測定@-50℃ Compton Electronsの軌跡
SOIPIXによる測定例
noise 18e- rms
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積分型SOI検出器
INTPIX5
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素子領域
大面積検出器の開発:スティッチング露光 ◆マスクレイアウト
◆露光レイアウト 吭
呀叻呉吠
吭呀叻呉吠
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大面積検出器(SOPHIAS,理研) Preliminary!
18 18
0 < Z < 10 orange (low) 10 < Z < 18 green (medium) 18 < Z < 40 blue (high)
SOI Pixelの可能性….
• 超高速時分割X線撮影: 物質にレーザー光等の刺激を与えた後
の急速な変化を捉える等。
• エネルギー弁別による識別: 原子識別を行ったカラー撮影が可能に。
• 時間測定機能: 到達時間測定による、バックグラウンド
の低減、飛行時間測定等への応用。
• 無線回路を内蔵し、体内への埋込み。
• ...
(from Dr. B. Dierickx (caeleste))