４２年を振り返って○

渡部豊喜 A)A)

教育・研究技術支援室

装置開発技術系概要
昭和５０年３月、名古屋大学に採用され、早川研（理学部物理Ｕ研）に配属となりました。

Ｕ研は宇宙物理を研究しているグループですが、地上から観測できない波長域のＸ線、赤外線をロケットなどの飛翔体を用いて観測しますが、この観測装置開発は大きな比率をしめておりました。
回路開発を主な業務としておりました。

私は検出器とその読み出し

当時はＯＰＡＭＰなどのＩＣが出始めた頃で、それ以来積極的にＩＣを用いた回路設計をしておりましたが、ＡＳＴＲＯ－Ｆではそれまでの「動くＩＣを使う」から民生のＬＳＩ技術を基に「動くＩＣを開発する」ことを担当しました。

これまでいろいろな業務を担当して来ましたが、特に印象の強い「動くＩＣを開発する」業務の紹介をして、４２年のまとめとさせていただきます。

1

ＡＳＴＲＯ－Ｆとは

ＡＳＴＲＯ－Ｆは、ＦＩＳと呼ばれる遠赤外線観測装置とＩＲＣと呼ばれる近・中間赤外線カメラを搭載した本格的な赤外線天文衛星として開発されました。

この衛星は２００６年２月２２日鹿児島内之浦町のロケット発射試験場からＭ５ロケットにより打ち上げられ「あかり」と命名されました。

搭載されている

ＦＩＳ検出器は約－２７１℃（４Ｋ）に、ＩＲＣ検出器は約－２４０℃に冷却されますが、そのために液体ヘリウム（LHe）と冷凍機が搭載されており、観測時間は LHe の持ち時間で決まります。

また、全天カタログ作成をするために衛星は極軌道となっています。
ＡＳＴＲＯ－Ｆに関する詳細は宇宙科学研究所のホームページを参照してください。
http://www.jaxa.jp/projects/sat/astro f/index j.html

2「動くＩＣ」について

ＦＩＳの検出器はゲルマニウムにガリウムを少量ドープした結晶（Ge:Ga）です。

図 1 Ge:Ga のバイアス電圧対感度特性

赤外線が入射すると、光量に比例した電子が励起され、電流が流れます。
しかし Ge:Ga は、光量と電流（感度）がバイアス電圧で変化するため、バイアス電圧を一定にする必要があります。 図 1 に Ge:Ga のバイアス電圧対感度変化を示します。

また、読み出すためには電流を積分し、変化量を見ることでより暗い領域の観測が可能となります。

これがＣＴＩＡと呼ばれる手法です。

これにより電流積分とバイアス電圧安定化が可能となりますが、実現するためには、反転アンプが必要となります。

検出器を高感度で使用するには「動くＩＣ」

が必要なのです。

また、この「動くＩＣ」を検出器の最も近くに配置するためにお互いを直接貼り合わせる方法を取りました。

これで配線距離は最短となります。

ーの特許となっています。

これはバンピングと呼ばれる技術で、メーカ当然両者を張り合わせた状態で検出器を動作させるとＩＣも４Ｋ以下となりますが、ＩＣ動作で検出器温度が変化しては困ります。

ちなみに Ge:Ga 検出器は２０ｘ５と１５ｘ５の１７５ピクセルあり、それぞれにＣＴＩＡアンプが接続されるため、ＩＣの総発熱量も問題となります。に「動くＩＣ」に求められる性能を示しますと、ｈ当たりの消費電力が１０μＷ以下、Ｖ／√Hz @1Hz、１）検出器と同じ温度（４Ｋ以下）で動作、３）アンプの増幅率は１０００程度、などの目標が上げられます。

以下

２）１ｃ

４）等価入力雑音電圧１μ

当然外部からの熱流入を減らすため、マンガニン線やステンレスシールド線などを用いて配線されますがＩＣの動作環境は厳しくなります。

残念ながらこのような条件を満たす「動くＩＣ」は市販されておりませんので開発が必要です。

33.1

単体素子の評価、改良

ＭＯＳＦＥＴ

今回、民生ＬＳＩ製造技術

図2

改良前の静特性

図3

改良後の静特性をベースとして、極低温読みID
ID2ID3ID4ID5ID6ID7ID8ID9出し回路を開発します。 メーカーの協力を得ながら、Ｍ

5 10-7

ＯＳＦＥＴの LHe 温度での、

5 10-700-5 10-7-5 10-7iv

IDID

特に１μＷ程度の消費電力

LHEIV

ID
ID3ID2ID4ID5ID6ID7ID8ID9時における特性測定を実施-1 10-6-1 10-6しました。 多くのタイプの-1.5 10-6-1.5 10-6

特性測定とＭＯＳ構造の改-2 10-6-2-1.5-1良等を繰り返すことで、図３-0.50-2 10-6-1.50.5VDの特性を持つトラジスタが開発できました。

-1-0.500.5VD

図２は改良前の特性で、飽和領域の改善が見られます。

図４

改良型ＭＯＳＦＥＴの構造

図４は、この改良型トランジスタの構造を示します。 この構造を実現するには、ＢｉＣＭＯＳ技術を用いましたが、この手法も半導体メーカーの特許となっています。

3.2

抵抗

基本回路素子である抵抗、コンデンサもＭＯＳＦＥＴ同様に温度特性を測定しました。

コンデンサは室温において１３０ｐＦであったものが４Ｋでは１２６ｐＦと３％程度の容量変化が有りましたが、製造上のバラつき程度であることわかりました。 抵抗も測定したところ室温と LHe における変化率は約１．８倍程度となりました。

数回の試作においてもこの値に大きな変化は無く安定していることがわかりました。

4

ＣＴＩＡ回路設計と評価

単体素子評価試験を基にｐＭＯＳＦＥＴのみによる差動アンプ回路の設計、試作を行いました。

図６

４Ｋにおけるアンプ回路の入出力波形

基

本的な回路構成として、差動入力回路、レベルシフト回路と２段増幅回路、出力はソースフォロア回路と電源供給の為の定電流回路で構成されています。
このＩＣでフィードバック回路を構成し、10 倍の増幅回路を製作し、４Ｋの測定結果を図６に示します。
試験では１２Ｈｚの信号を用い、入出力電圧を精度よく測定し、計算によりＩＣの増幅率を求めます。

図７にこのＩＣと検出器ダミー抵抗（６４Ｇ）によるＣＴＩＡの４Ｋにおける試験結果を示します。

使用したバイア

ス電圧は１２ｍＶです。
図85４ＫにおけるＣＴＩＡ動作試験

まとめ
Integration curve (Vin=+12mV, R =64G)ＡＳＴＲＯ－Ｆ衛星に搭載される検出器の読み出し

det

0.050ＩＣ開発を行い、４Ｋで動作するＩＣの試作に成功
以下の動作条件において増幅率３００倍、消費電飾９．６μＷを達成できました。

Vmeas (V)しました。

-0.05-0.1
-0.15
-0.2

また、ノイズレベルは～３μＶ／√Ｈｚ＠１Ｈｚが得られた。

ＩＣの動作条件特に低温下ではバラ-0.25
-0.3
-0.35

つきが大きく期待通りの性能とならないＩＣも見-20246810121416182022

Lapsed time from reset (sec)られた。
・ 動作条件
電源電圧：±１．８Ｖ
調整電源

6[1]

ＶＢ１：＋０．３０６Ｖ、ＶＢ２：＋０．４０２Ｖ、ＶＢ３：－２．９Ｖ

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