超微弱画像高速検出用超高感度固体素子の実用化研究

本研究では、光子を一個二個と数えることができるような微弱な映像を高速にとらえるための固体素子システムの実用化を試み、ほぼ実用のレベルまで到達することができた。開発の対象とした素子は半導体中での光電子の電子雪崩増幅を利用したアバランシェフォトダイオード(APD)のアレーである。従来のAPDはその構造上、可視光特に青色の光に対して感度が悪かったが、受光部を最表面に持ってくる構造を採用する事によって量子感度で50%を越える感度を持たせることが可能となった。また可視光域を重点対象とした事により受光部を薄くすることが可能になり、電子雪崩を起こさせる高電場領域を置く位置に幅がでて、検出器の容量を小さく保ちつつなおかつバックグラウンドとなる暗電流を減少させる事にも成功し、常温近い温度での低雑音動作が可能となった。信号の読みだしのためにはアレーサイズのコンパクトな低雑音プリアンプが必要であるが、32チャンネルのプリアンプを1チップに搭載した並列-直列変換読みだし方式のチップの開発を行い、アンプの雑音にして1光電子相当レベル(APDゲイン500倍)の実用的な物とすることができた。またこれらを用いて我々が開発済みであった多層シンチレーティングファイバー放射線検出器の読みだしシステムを構築し、最小電離粒子の信号を信号対雑音比20という高性能で検出できることを実証する事ができた。

本研究では、光子を一個二個と数えることができるような微弱な映像を高速にとらえるための固体素子システムの実用化を試み、ほぼ実用のレベルまで到達することができた。開発の対象とした素子は半導体中での光電子の電子雪崩増幅を利用したアバランシェフォトダイオード(APD)のアレーである。従来のAPDはその構造上、可視光特に青色の光に対して感度が悪かったが、受光部を最表面に持ってくる構造を採用する事によって量子感度で50%を越える感度を持たせることが可能となった。また可視光域を重点対象とした事により受光部を薄くすることが可能になり、電子雪崩を起こさせる高電場領域を置く位置に幅がでて、検出器の容量を小さく保ちつつなおかつバックグラウンドとなる暗電流を減少させる事にも成功し、常温近い温度での低雑音動作が可能となった。信号の読みだしのためにはアレーサイズのコンパクトな低雑音プリアンプが必要であるが、32チャンネルのプリアンプを1チップに搭載した並列-直列変換読みだし方式のチップの開発を行い、アンプの雑音にして1光電子相当レベル(APDゲイン500倍)の実用的な物とすることができた。またこれらを用いて我々が開発済みであった多層シンチレーティングファイバー放射線検出器の読みだしシステムを構築し、最小電離粒子の信号を信号対雑音比20という高性能で検出できることを実証する事ができた。