Development of Semiconductor Tracking detectors with precise timing resolution

开发具有精确定时分辨率的半导体跟踪探测器

• 批准号: 21H01099
• 负责人: 中村 浩二
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: High Energy Accelerator Research Organization
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01099/
• 关键词: LGAD; 半導体検出器; 飛跡検出器; AC-LGAD; 時間分解能; 半導体; 高時間分解能

現在、我々が開発中の増幅機能付き半導体検出器(LGAD)は、世界最高レベルの検出時間分解能(約30ps)が達成可能な半導体検出器である。本研究課題はこの検出器に検出位置分解能を持たせること、放射線耐性を改善させることを目的としている。検出位置分解能に関しては、検出位置による一様性を担保したまま電極を細密化することが可能となる静電容量型LGAD検出器(AC-LGAD)を開発した。AC-LGAD検出器はセンサー全体で一つの増幅層を配置し、細密化されたアルミ電極から信号をAC 的に読み出すことで位置分解能を得る。増幅層の不純物濃度が高いと抵抗が小さいため、隣接する電極間への信号のクロストークが予想されるため、抵抗値を大きくする必要があるが、不純物濃度が低すぎると空乏層がシリコン表面に到達し降伏電圧が下がる。条件振りを繰り返した末、電極の細密化が可能な最適な不純物濃度を発見した。この結果、ストリップ型検出器ではストリップ間隔が80umまで、ピクセル型検出器ではピクセル間隔が100umまでの細密化に成功した。さらに、放射線耐性の改善に関しては、放射線損傷による増幅層のp型半導体部のアクセプタリムーバルと呼ばれる現象が致命的な影響を及ぼすことを突き止め、1)補償型および2)部分不活性型の2つの解決策のアイデアを試す試作を行った。1)は増幅層にドナーとアクセプタを両方注入する方法で損傷係数の違いがあると放射線耐性に違いが出ることを期待した試作であり、2)は損傷を受けたアクセプタ不純物が酸素と結合してドナー準位を持つことを避けるため不活性不純物であらかじめ酸素を除去する方法である。本試作は照射試験を行い放射線耐性の試験を継続しており、特に2)の方法に改善が見られることが分かった。

Now, I am 々が developing a <s:1> amplituder that can support the <s:1> semiconductor 検 output (LGAD) 検, and the world 's highest レベ 検 検 output time decomposition energy (about 30ps)が to achieve the possible な semiconductor 検 output である. This research topic は こ の 検 extractor に 検 out position can decompose を hold た せ る こ と, radiation tolerance を improve さ せ る こ と を purpose と し て い る. 検 out position can decompose に masato し て は, 検 position に よ る a others in sexual を guarantee し た ま ま electrode を fine chemical す る こ と が may と な る type electrostatic capacity LGAD 検 extractor (AC - LGAD) を open 発 し た. AC - LGAD 検 extractor は セ ン サ ー all で a つ を configuration し の raised picture layer, fine さ れ た ア ル ミ electrode か ら signal を AC に 読 み out す こ と で decomposition can を る position. Rights of layer の high concentration of impurity content が い と resistance が small さ い た め, 隣 す る electrodes へ の signal の ク ロ ス ト ー ク が to think さ れ る た め, large resistance numerical を き く す る necessary が あ る が, low concentration of impurity content が す ぎ る と depletion layer が シ リ コ ン surface に reach し yield electricity 圧 が under が る. Under certain conditions, the vibration of を, the return of to た, and the densification of the electrode, が, may な optimal な impurity concentration を occur in た. Type こ の results, ス ト リ ッ プ 検 extractor で は ス ト リ ッ プ interval が 80 um ま で, ピ ク セ ル type 検 extractor で は ピ ク セ ル interval が 100 um ま で の fine chemical に success し た. さ ら に, radiation tolerance の improve に masato し て は, radiation damage に よ る raised image layer の p-type semiconductor department の ア ク セ プ タ リ ム ー バ ル と shout ば れ る phenomenon が deadly な influence を and ぼ す こ と を tu き check め type, 1) compensation お よ び 2) part no active type の 2 つ の solving strategy の ア イ デ ア を try す set を っ た. 1) は raised image layer に ド ナ ー と ア ク セ プ タ を struck side injection す る damage coefficient is で の violations い が あ る と radiation tolerance に violations い が out る こ と を expect し た attempt で あ り, 2) は damage を け た ア ク セ プ タ impurity content が acid element と し て ド ナ ー quasi a を hold つ こ と を avoid け る た め not active impurity で あ ら か じ め acid を remove す Youdaoplaceholder0 method である. This attempt は exposure test line を い radiation tolerance の test を 継 続 し て お り, に 2) の way に improve が see ら れ る こ と が points か っ た.

项目成果

新型LGAD検出器(AC-LGAD)の放射線耐性の不純物濃度依存性の研究

新型LGAD探测器（AC-LGAD）辐射电阻杂质浓度依赖性研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Sakurai Hiroshi;Takahashi Manabu;Suzuki Kosuke;Tamura Takuro;Homma Satoshi;Tsuji Naruki;Sakurai Yoshiharu;森浩二他;S. Kita;市川裕大;Maho Kurasawa;黄 開，中新 信彦，近藤 康太郎，桐山 博光，神門 正城;植田樹
• 通讯作者: 植田樹

新型LGAD検出器(AC-LGAD)の光検出器への応用に関する研究

新型LGAD探测器（AC-LGAD）在光电探测器中的应用研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 紅林 佑弥;石川 健治;田中 宏昌;秋山 真一;橋爪 博司;堀 勝;五屋郁美
• 通讯作者: 五屋郁美

新型LGAD飛跡検出器(AC-LGAD)の電極細密化と時間分解能の研究

新型LGAD轨迹探测器（AC-LGAD）的电极精细化和时间分辨率研究

• 发表时间: 2023
• 作者: S. Wada;K. Onaru;K. Hara;Y. Unno;K.Nakamura;Kazuhiko Hara;北彩友海
• 通讯作者: 北彩友海

IJClab(フランス)

IJClab（法国）

Optimization of capacitively coupled Low Gain Avalanche Diode (AC-LGAD) sensors for precise time and spatial resolution

优化电容耦合低增益雪崩二极管 (AC-LGAD) 传感器以实现精确的时间和空间分辨率

• DOI: 10.1016/j.nima.2022.168009
• 发表时间: 2023
• 期刊: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment
• 作者: Kita Sayuka;Nakamura Koji;Ueda Tatsuki;Goya Ikumi;Hara Kazuhiko
• 通讯作者: Hara Kazuhiko