Transcript SOI - KEK 測定器開発室

SOI技術を用いた
pixel検出器の開発(1)
日本物理学会第62回年次大会
小野峻，三枝裕司，石野宏和，新井康夫，田内一弥，坪山透,
Gary Varner, Elena Martin, Michael Cooney
その他 ＳＯＩ検出器開発グループ
東京工業大学, 高エネルギー加速器研究機構(KEK),
University of Hawaii
SOI Pixel Detector R&D group
[参加メンバー]
• KEK: 海野義信、寺田進、池上陽一、坪山透、羽澄
昌史、高力孝、新井康夫
• 新潟大学： 川崎健夫
• 筑波大学： 原和彦、三宅秀樹、望月亜衣
• 東京工業大学： 石野宏和、小野峻、三枝裕司
• JAXA： 池田博一
• U. of Hawaii: Gary Varner, Elena Martin, James
Worley Kennedy
• SLAC : Hiro Tajima
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
2
目次
•
•
•
•
•
•
•
研究目的
SOI、SOI pixel detector
INTPIX pixel detector
COBI interface board
DAQ システム
データ収集
Summary
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
3
研究目的
•
INTPIX SOI pixel detectorの評価
1. COBIを使用したUSBによる検出器制御
2. DAQシステムの構築
3. データの読み出し、撮像
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
4
Silicon On Insulator (SOI)
• ２種類の抵抗値の異なるシリコンウェハを絶縁膜を通して張
り合わせる技術
• 一方にトランジスタを形成し、浮遊容量を減らして回路の高
性能化を図る
• 長所
– 回路の高速化、低消費電力、latch upを防ぐ、低いleak
current、低コスト
2種のウェハそれぞれをセンサー・回路部分
として、一体型pixel検出器を開発
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
SOI トランジスタ
5
SOI pixel detector
SOI pixel detectorの特徴
1. Monolithic(一体型)検出器
•
センサーそのものの厚みを薄くできる
センサー、回路部で異なる抵抗のシリコンウェハを使用
2.
•
完全空乏化による高い電荷収集効率と複雑なCMOS回路の両立
センサー、回路間の浮遊容量が少ない
3.
•
S/Nの向上
トランジスタが完全分離
4.
•
•
Leak currentの減少
高い放射線耐性
Super Bなどの次世代の
加速器実験における有望な候補
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
6
INTPIX
INTPIX detector
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
SOI 0.15mm process
Chip size: 5.0mm X 5.0mm
Pixel size: 20mm X 20mm
128 X 128 pixels
Bulk: n-type、
厚み 350mm
Readout: 電荷積分型
INTPIX block diagram
•今回はINTPIXのback側から8Vの
bias電圧を印加(空乏層:約20mm)
•pixelのaddress指定を行いひとつの
ラインからシリアルで読み出していく
•Resetシグナルを送ることでpixel出力
INTPIX 断面図
をresetさせる
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
7
COBI
• Compound Operational Board Interface
– Hawaii大学で開発
– PC側とINTPIX検出器の間を接続する。
– PC側との接続はUSBを経由し、検出器の制御および信号の読み出
しが可能。
– FPGAを搭載、制御部分をVHDLにて記述
INTPIX
USB
FPGA
• 今回は検出器の制御(address指定、reset)のみをVHDLに
て記述し、実験を行っている
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
8
DAQ system
• PCより、INTPIXのresetを送り、その後pixelのアドレスを順
次変えて(128 x 128)、ph-ADCを使用しシリアルで読み出す。
• Signalの読み出しタイミングはPCから、CAMACのoutput
registerを使用して送り出す。
CAMAC crate
(PH-ADC, Output reg)
Output signal
PC
USB
2007/9/22
COBI
INTPIX
日本物理学会第62回年次大会
9
Readout signal (Oscilloscope)
1つのpixelからの読み出し信号をoscilloscopeで観測
Readout signal (光源無し)
Readout signal (光源あり)
reset
reset
飽和状態
Pixel output
offset
Pixel output
各pixelからのoutput確認
リセットにより、outputがoffsetへ戻る
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
10
Readout signal (ph-ADC)
Pixel output (光源無し)
Offset 2D plot
Offset 分布
飽和状態
Pixelが未調整であるため
Preliminaryなデータを表示
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
11
Readout signal with mask
• Pixel output with mask(光源:レーザーポインタ)
Raw data signal
(Raw data – offset) signal
Offset signal
Pixelが未調整であるため
Preliminaryなデータを表示
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
12
Summary
• INTPIX pixel detectorの評価
• COBIを使用しUSB経由で検出器の制御を行い、
DAQシステムを構築
• INTPIXのデータ読み出し、maskを使用した撮像
• 今後の予定
– DAQシステムの改良、高速化(USBによる読み出し等)
– KEK富士ビームラインでのビームテストによる評価
(位置分解能、S/N等)
2007/9/22
日本物理学会第62回年次大会
13