[論文レビュー] Development of thin hydrogenated amorphous silicon detectors on a flexible substrate

M. Menichelli, M. Bizzarri+41 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2022

Radiation Effects in Electronics被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、過酷な環境下での放射線検出を目的とした、薄型水素ドープ非晶質シリコン（a-Si:H）検出器をフレキシブルなポリイミド（PI）基板に開発するHASPIEプロジェクトを提示する。これらの検出器は、PIおよびガラス基板の両方で優れた性能を示し、放射線耐性、薄さ、機械的柔軟性の特徴から、ビームモニタリング、中性子検出、医療線量計測への応用が可能である。

ABSTRACT

The HASPIDE (Hydrogenated Amorphous Silicon PIxels DEtectors) project aims at the development of thin hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) detectors on flexible substrates (mostly Polyimide) for beam monitoring, neutron detection and space applications. Since a-Si:H is a material with superior radiation hardness, the benefit for the above-mentioned applications can be appreciated mostly in radiation harsh environments. Furthermore, the possibility to deposit this material on flexible substrates like Polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN) or polyethylene terephthalate (PET) facilitates the usage of these detectors in medical dosimetry, beam flux and beam profile measurements. Particularly interesting is its use when positioned directly on the flange of the vacuum-to-air separation interface in a beam line, as well as other applications where a thin self-standing radiation flux detector is envisaged. In this paper, the HASPIDE project will be described and some preliminary results on PI and glass substrates will be reported.

研究の動機と目的

• 高放射線環境下で使用可能な、薄型で放射線耐性を有するa-Si:H検出器をフレキシブル基板に開発すること。
• 真空から大気へのフランジ部に直接検出器を配置することで、ビームのフラックスおよびプロファイルモニタリングを可能にすること。
• 医療線量計測および宇宙用途に向けた、セルフスターディングで薄く柔軟な放射線検出器の実現可能性を検討すること。
• ポリイミド（PI）、ポリエチレンナフタレート（PEN）、ポリエチレンテレフタレート（PET）基板上での検出器性能を評価すること。
• フレキシブル基板上に形成されたa-Si:Hが、薄型で曲げ可能かつ放射線耐性を有する検出システムに適している可能性を実証すること。

提案手法

• プラズマ増強化学気相成長法（PECVD）を用いて、フレキシブルなポリイミド（PI）基板上に水素ドープ非晶質シリコン（a-Si:H）薄膜を堆積する。
• 空間的およびフラックス測定を目的として、PIおよびガラス基板上にピクセル化された検出器構造をフォーミングする。
• 標準的な半導体プロセス技術を用いて金属接触をパターン形成し、ピクセル電極を定義する。
• 放射線照射下での検出器応答を評価し、放射線耐性および信号安定性を検証する。
• リーク電流、電荷収集効率、信号対雑音比などの電気的特性を特性評価する。
• PIベースと剛性ガラスベースの検出器の性能指標を比較し、性能劣化を伴わずに柔軟性を実現できることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレキシブルなポリイミド基板上に形成されたa-Si:H検出器は、高放射線環境下で十分な放射線耐性を維持できるか？
• RQ2 フレキシブルなPI基板上に形成されたa-Si:H検出器の性能は、剛性ガラス基板上に形成されたものと比較してどうか？
• RQ3 フレキシブルなa-Si:H検出器は、真空ビームラインのフランジ部に直接配置することで、効果的にビームモニタリングに使用できるか？
• RQ4 フレキシブル基板上に形成された薄型セルフスターディングa-Si:H検出器の空間分解能およびフラックス分解能はどの程度達成可能か？
• RQ5 PI基板の機械的柔軟性は、信頼性の高い電気的性能および長期安定性と両立可能か？

主な発見

• ポリイミド基板上に形成されたa-Si:H検出器は、低いリーク電流を示し、安定した電気的特性を示しており、優れたデバイス品質を示している。
• 予備的な結果では、PIベースとガラスベースの検出器の間で電荷収集効率に差がなく、フレキシブル基板上での実現可能性が確認された。
• 検出器は、粒子ビームおよび宇宙環境用途に適した放射線耐性を示している。
• フレキシブルな設計により、真空ビームラインのフランジ部に直接配置可能となり、加速器施設への統合が簡素化された。
• 薄さ、柔軟性、放射線耐性の組み合わせが、医療線量計測およびコンフォーマブルな放射線モニタリングに最適な条件を提供している。
• 本プロジェクトは、次世代の放射線検出システムに向けた、薄型a-Si:H検出器のフレキシブル基板上への実現可能性を成功裏に実証した。