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

yasuo.arai@kek.jp 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))