Development of Semiconductor Tracking detectors with precise timing resolution

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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。