ピクセル検出器：
測定器開発室KEKDTPの取り組み
Junji Haba
KEK Detector Technology Project
放射線の精密測定

Precision is necessary for
 崩壊点測定
 運動量の測定
原子核乾板が現在でも最も
高精細な検出器である。




1968: Georges Charpak revolutionizes detection
In the 1960s, detection in particle physics mainly involved examining
millions of photographs from bubble chambers or spark chambers. This
was slow, labour intensive and not suitable for studies into rare phenomena.
However, the revolution in transistor amplifiers was to trigger new ideas.
While a camera can detect a spark, a detector wire connected to an
amplifier can detect a much smaller effect. In 1968, Georges Charpak
developed the 'multiwire proportional chamber', a gas-filled box with a
large number of parallel detector wires, each connected to individual
amplifiers. Linked to a computer, it could achieve a counting rate a
thousand times better than existing detectors. The invention revolutionized
particle detection, which passed from the manual to the electronic era.
29-Sept. 2010
(CERN archive)
Passed away (Age 86)
ご冥福をお祈りいたします。
リアルタイムで処理したい
高輝度（Bファクトリー、J-Parc, LHC・・）での検
出器
大強度の素粒子が通過（高占有率occupancy）
Higher rate, high occupancy
 １次元の検出器は容易に飽和
 ２次元へ
chamber Wireless MPGD
 Silicon strip  pixel
 To distribute hits in 2D elements
 Wire
ALICE
TPC Web page
X

Wireless chambers, MPGD
MPGD
MWPC
3.106 Hz mm-2
F. Sauli TIPP09
２次元化の波はシリコン検出器に
も
Strip  Pixel
50mm
Photo from Stapnes, Nature 448
２次元の代償：莫大な処理チャン
ネル
ALICE
ATLAS
CMS
LHCB
# channels
9.8M
80M
66M
# modules
240
1788
1440
# channels
2.6M
3.2M
9.3M
86k
# modules
1698
4088
15148
43
Pixel
Strips
Impact parameter resolution
（崩壊点測定精度）
Alice
Belle
ILD
ATLAS
LHC detectors は素晴らしいで
も・・・
A重すぎる
bit heavy!?!?
What’s wrong ?

検出器が厚すぎる（重すぎる）
信号処理
エレキ
金属バンプ
Typical LHC hybrid pixel detector
The thinner, the more beautiful !

Monolithic detectors （LSIとして一体化できない
か）



Sensors and readout chip fabricated on single wafer
MAPS, DEPFET, SOI…
No bumps, high pixel density, thinnest electronics
MAPS : Monolithic Active Pixel Sensors
CMOS pixel in digital camera
DEPFET:DEPleted FET
新技術の登場
SOI (Silicon On Insulator) technology
50-400 nm
circuit
20-200 nm
Topcircuit
Si (SOI Layer)
BOX(埋込み酸化膜)
mm
Physical
Support
通常の半導体ウエハー
(Bulk Wafer)
SOI Wafer
SOI Pixel検出器
Proposed by SOIPIX group 2005 (leader 新井康夫（KEK)
• 高抵抗率Si基板と低抵抗率Si基板を絶縁層を介して張合わせ。
• 高抵抗率部にp-n junctionを生成し、センサーとする。
• 絶縁層(BOX: Buried Oxide)に穴を開けセンサーと回路を接続。
• 余分な物質が少なく、多重散乱
をおさえられる。
Monolithic Radiation Sensor
として理想的な構造
• 電極容量が小さく、少ない電荷
で大きなS/Nが得られる。
• 複雑な信号処理回路を各ピクセ
ルに持たせられる。
• 高レート、高速読み出しが可能。
• 機械的接合がなく、高分解能化、
低価格化が望める。
• 産業界の標準プロセスを基本に
開発。
13
13
Comparison of Pixel Performance
Position Resolution
Energy Resolution
Charged Particle
Tracking Efficiency
X-ray Detection
Efficiency
Production Cost
Hybrid Pixel
SOI Pixel
MAPS
DEPFET
△
◎
○
○
(limited by bump size)
(small pixel size)
○
○
△
◎
(small depletion vol.)
(low noise)
◎
△
◎
△
(large material budget)
(very thin detector)
(large material budget)
◎
○
X
(Hi-Z material bonding)
X
(small depletion vol.)
○
(high cost for bump
bonding)
In-Pixel Signal
Processing
◎
Readout Speed
○
○
◎
◎
○
(standard CMOS
process)
(special lab. process)
○
X
(no internal logic)
◎
△
△
(slow thermal drift)
Radiation Tolerance
○
Power Consumption
○
○
○
◎
○
(small parasitic
capacitance)
Operation
temperature
○
◎
(4K ~ 600k)
○
△
(need high voltage
peripheral IC)
○
○
高性能X線検出器として
高精度
Direct Detection
Indirect Detection
シンチレータ + 光検出器
（高感度だが位置・エネルギー
分解能に難）
高機能
On-Chip Logic
No On-Chip Logic
X線用CCD...
(読出し速度に制限）
小型、安価
Monolithic
高感度
SOI CMOS
SOI Pixel !
Hybrid
Medipix, Pilatus ...
(Mechanical Bondingで性能
に制限）
Bulk CMOS
CMOS APS...
(空乏層が薄く、感度が悪い）
15
Metal contact & p+ implant
18
1st Al
Handle Wafer
Copyright 2007 Oki Electric Industry Co.,Ltd
SOI Pixelを実用化
する上での課題
センサーと回路が非常に近い
Front Gate と Back
Gate が結合する。
Back Gate Effect
C
g_
a
ote
x id e

V

V
TH
_
fr
ont
G
_
ba
C
BOX
19
19
対策 : Buried p-Well (BPW)
(a) PSUB Implantation
Buried
Oxide
(BOX)
(b) BPW Implantation
SOI Si
Pixel
p+(PSUB)
• Cut Top Si and BOX
• High Dose
Peripheral
p(BPW)
• Keep Top Si not affected
• Low Dose
• Suppress the back gate effect.
• Shrink pixel size without loosing sensitive area.
• Increase break down voltage with low dose region.
• Less electric field in the BOX which may improve radiation
hardness.
20
Ids-Vgs Measurement without/with BPW
w/o BPW
with BPW=0V
NMOS
back channel open
shift
Back gate effect is suppressed by the BPW.
21
Radiation Tolerance and BPW (cont.)
By adding the BPW layer, Electric field in the BOX is reduced and possibility of
charge recombination will increase.
X-ray Irradiation
22
22
FZ-SOI Wafer Depletion
FZ法
(誘導加熱により
シリコンを溶融し
単結晶化する)
CZ法
(石英ルツボからの
引き上げ。ルツボから
の酸素混入あり)
コバレントマテリアル株式会社Webより画像を引用
http://www.covalent.co.jp/jpn/products/wafer/crystal.html
Full Depleted @22V
23
b. Wafer Thinning :TAIKO process
Back side process still
can be done after
thinning.
24
Thinned to 110 um and diced
I-V Characteristic
Before & After Thinning
No difference seen after
thinning
25
Infrared Laser (1064 nm) Response of Thinned Chip
Full Depleted around 100V
26
Integration Type Pixel (INTPIX4)
Largest Chip so far.
15 mm
10 mm
17x17 mm, 512x832 (~430k）pixels、13
Analog Out、CDS circuit in each pixel.
27
Counting Type Pixel (CNTPIX5)
9bit x 8
Time
Resolved
Imaging
Energy selection and Counting
in each pixel
5 x15.4 mm2
72 x 272 pixels
64um x 64 um pixel
28
もっと高機能をもっと微細なピクセ
ルに

2D LSI だけでは、ムーアの法則は向こう１０年間で破綻する
微細技術の物理的限界
開発コストの巨大化
さらなる高機能追求
LSIチップの“３次元化”
3D (Vertical Intgrattion) technology
driven by industry
HEP community has
organized to explore
•3DIC collaboration by Fermilab
• SOI collaboration by KEK
• EU funded AIDA project
Close communication
VIPS Facilitation Group
ASET
•Bridge among the collaborations,
The 1st workshop, VIPS2010 held in Pavia.
•Interface with industry
•Provide an inventory of various processes with
their requirements
•Get support from Labs and communities.
網膜と3D LSI


光信号の(化学的)増幅
水平の連絡
3D LSIとTSV
２０１０秋物理学会
小柳教授(東北大)
Vertical (3D) Integration
T-micro + OKI Semi
+ KEK/LBNL
T-Micro(ZyCube)社 のm-bump bonding (~5 um pitch) 技術を用い、さらに
高集積化へ.
34
T-Micro
m-bumps fabrication
最小ピッチ5um
Copyright 2009 OKI semiconductor Co. Ltd.
35

高輝度加速器では2D検出器が必須



微細化、高機能化、低物質化 Monolithic


Pixel sensor with SOI technology
さらなる高機能をめざして


Wire chamber  MPGD
Silicon strip Silicon Pixel
センサー構造の３D化
多くの参入を期待。
Vertical Integration
38
Other SOI
Pixels
Fermilab - MAMBO
Riken - MVIA
LBNL-AChip
Kyoto Univ.
- XRPIX
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