積分型SOI検出器INTPIX3の 研究 東北大学４年素粒子加速器実験 葛山 浩教 1 目次 ・SOI技術 ・SOI(INTPIX3)について ・実験概要（ペデスタル平均 vs RSTV） ・実験概要 (ペデスタル平均 vs VL2及びVLD) ・実験結果 ・まとめ ・今後について 2 SOI (Silicon On insulator)技術 SOI バルクCMOS 絶縁層 Silicon wafer SOI (Silicon on Insulator) ２枚のSi基板を絶縁層を介して張り合わせた基板 絶縁層でトランジスタ間が完全に分離 →高速動作 →低消費電力 従来のバルクCMOSに比べ高性能 3 SOI (Silicon On insulator)技術 SOI バルクCMOS 絶縁層 Silicon wafer SOI (Silicon on Insulator) すべてのCPUでSOIが ２枚のSi基板を絶縁層を介して張り合わせた基板 絶縁層でトランジスタ間が完全に分離 →高速動作 →低消費電力 従来のバルクCMOSに比べ高性能 使用されている 4 SOI pixel検出器について 一つのSOI waferに回路とセンサーを形成 →一体型検出器 SOI検出器の利点 bump bonding が不要 →回路の高集積化 →低物質量化 SOI検出器の主な課題 ・Back gate効果の抑制 ・放射線耐性（小野君の研 究参考） 読み出し回路 絶縁層 従来の半導体 検出器 センサー層 回路 センサー bump bonding部 5 Back gate 効果とBPW back gateに高い電圧をかけると、その影響で回路が正常 動作しなくなる効果。 バックバイアス back gate 6 Back gate 効果とBPW back gateに高い電圧をかけると、その影響で回路が正常 動作しなくなる効果。 バックバイアス back gate BPW Back gate効果を抑えるためにBPW (Buried P Well)を導入 7 SOI検出器(INTPIX3) 回路の 性能評価 INTPIX INTPIX３ INTPIXの読み出し画面 一定時間中にヒットしたシグナル のパルスを積分し、その値を読み 出す検出器（積分値は電圧） 領域1 領域2 領域3 領域4 読み出し時はADCとして読み出す ピクセルサイズ20 μm×20 μm ピクセル数128×128 個 初めてBPWを導入 領域5 領域6 領域7 領域8 領域4：BPWなし それ以外：BPWあり （それぞれでBPWの構造が異なる） INTPIX3の性能評価を行っている。 8 INTPIX3の構造 内部拡大 読み出し用SEABUS board(奥) 及びINTPIX専用sub board（手前） パッケージ概観 拡大 INTPIX3 9 INTPIX３の内部構造 ピクセルと周辺回路から構成されている。 デコーダー （行指定） Row addressとColumn addressを指定し、 指定されたピクセルの出力を、 アンプを介して読み出す。 128×128 pixel アンプ 出力 デコーダ－（列指定） 10 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst STORE=Hi V Q シグナル１ Vin o Vst o Vstore Qo Vin Vst Cst 11 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst STORE=Hi V Q シグナル１ シグナル 1 Vin o Vst o Vstore Qo Vin Vst Cst 12 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst STORE=Hi V Q シグナル シグナル 1 1 Vin o Vst o Vstore Vin Vst Qo Cst 13 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst V STORE=Hi シグナル2 Q シグナル１ シグナル シグナル 1 1 Vin o Vst o Vstore Vin Vst Qo Cst 14 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst V STORE=Hi シグナル2 シグナル 2 シグナル シグナル 1 1 Vin o Vst o Vstore Vin Vst Q シグナル 1 Qo Cst 15 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst STORE=Hi V シグナル シグナル 2 2 シグナル シグナル 1 1 Vin o Vst o Vstore Vin Vst Q シグナル 1 Qo Cst 16 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst V STORE=Hi シグナル2 シグナル シグナル 2 2 シグナル シグナル 1 1 Vin o Vst o Vstore Vin Vst Q シグナル 1 Qo Cst 17 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst STORE=Hi V シグナル シグナル 2 2 シグナル シグナル 1 1 Vin o Vst o Vstore Vin Vst シグナル 2 シグナル 1 Q Qo Cst 18 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst STORE=Low V シグナル シグナル 2 2 シグナル シグナル 1 1 Vin o Vst o Vstore Vin Vst シグナル 2 シグナル 1 Q Qo Cst 19 ピクセル回路の内部構造 Vin Vst Cst V STORE=Low LST=Hi リセット Q Vin o Vst o Vstore Qo Vin Vst Cst 20 INTPIX3の読み出し回路の性能評価 INTPIX3の読み出し回路の性能評価を行った。 以下の３つのパラメータを変化させてペデスタルを 観測した。 – リセット電圧 – 積分率制御電圧VLD – 増幅アンプ制御電圧VL2 読 み 出 し 値 シグナルの 積分値 Offset信号 ペ デ ス タ ル 21 RSTV（リセット電圧）の最適化 Vin Vst リセット スイッチ Cst リセット電圧 リセット電圧によってVinのリセット後の電圧が決まる。 Vinを回路が作動する範囲内の最小の値に設定する 22 NMOSの特性 1.8 V drain current NMOS gate drain Drain current source 閾値 Gate電圧 23 RSTV(リセット電圧)の最適化 1.8 V Drain current シグナルに対応した 電流が流れる RSTVが最適値のとき Drain current Vo の最適値 Vo RSTVが最適値より低いとき シグナル Vin シグナルに対応した drain currentが流れる Vo シグナル Vin シグナルに対応したdrain currentが流れない 24 積分率制御電圧VLD VLDによってコンデンサーにたまる電荷量が変化する。 今回の試作機ではVLDを 変化させても積分値は ほとんど変わらない VLDは抵抗（NMOS） の値を制御する VLDを変化させても積分値がほとんど変わらないことを確認する 25 増幅アンプ制御電圧VL2 VL2は読み出し速度及び増幅率を制御する 増幅アンプ VL2を大きくすると積分値が増えることを確認する 26 実験結果 27 ペデスタルのRSTV依存 ペデスタル(ADC) RSTVを400 mV～1200 mVまで設定しそれぞれの領域のペデスタルの大き さを測定した。 黒領域１ 赤領域２ 緑領域３ 700mV 青領域４ 紫領域５ 水領域６ 金領域７ 黄領域８ リセット電圧(mV) NMOSの閾値が約700 mVであることが確認できた。 8つの領域で若干特性が異なることがわかった。 →領域による違いを確認した。 28 各領域の700 mV付近の傾きの比較 700 mV付近での ADC/mV 上 750 mV付近 下 650 mV付近 立ち上がりの様子を調べた 傾き 領域No 領域1の立ち上がりが他に比べて緩やかなのが分かる。 29 ペデスタルのVLD依存 ADC VL2 MAX(0.863V) VL2 MID(0.828V) VL2 MIN(0.792) VLD mV VLD を上げてもほとんど変化しないことが確認できた。 30 ペデスタルのVL2依存 ADC VLD MID(0.807) VLD MIN(0.759) VLD MAX(0.856) VL2 mV VL2を上げると読み出し量が増加することを確認できた。 31 まとめ ・SOIを利用した一体型ピクセル検出器の開発を進めている。 ・BPWを導入した試作機（INTPIX3）の性能評価を行った。 ・3つのパラメータを変化させ、ペデスタルの大きさを測定した。 RSTV:約700 mV以上で回路が動作することを確かめ、８つの領域 で若干動作が異なることを確認した。 VL2 ,VLD:増幅アンプ制御電圧VL2、積分率制御電圧VLDを変える ことによって定性的に期待通りの出力変化を得られた。 32 今後について 今回解析しきれていないピクセル領域、電圧 もあったので、それらを改善し回路の最適化 の指標となるようまとめる。 今回のペデスタル測定をもとに回路のパラ メータの最適化を行い、今後の最小荷電粒子 の飛跡再構成の研究へとつなげる。 33 バックアップ 34 Belle2実験におけるビーム衝突点最近傍 での検出器 ストリップ型検出器 VS ピクセル型検出器 ストリップ型検出器 センサー部分のサ ～5 ｃｍ×～100 μm×300 μm イズ（一つ当り） 占有率 10 %以上 ピクセル型検出器（INTPIX3） 20 μm×20 μm 1 %以下 構造 35 Belle2 pixel 崩壊点検出器 36 ペデスタル平均 ペデスタル平均 各領域でガウシアンフィット。 その中心値をペデスタル平均とする。 イベント数 ADC 37 ペデスタル平均 ペデスタル平均の定義 各領域でガウシアンフィット。 その中心値をペデスタル平均とする。 イベント数 この場合ペデスタル平均 は771.8 ADC 38
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