MEMSで作るシリコン製赤外線受光素子
電気通信大学大学院情報理工学研究科
機械知能システム学専攻
准教授 菅 哲朗

2021.05.13

自己紹介：MEMS薄膜構造を利用した光の操作
 波長以下の極薄MEMS構造で光の状態制御・計測
 偏光状態、屈折方向、強度

波長 λ

入射光レンズSurface
Micromachining
薄膜界面

波長板

λ >> 厚さ t

通常、波長よりも大きなバルク構造で光状態制御
コンパクト・機能集積光学デバイス
ロボットのビジョンなどの出口を狙う

透過光
波長より薄い界面で光の状態制御

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①MEMSシリコン赤外センサの研究

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赤外光検出器（量子型）

InGaAsフォトダイオード（インジウムガリウムヒ素）
0.9～1.7µm対応

InAsSb光起電力素子（インジウムヒ素アンチモン）～5µm対応InSb光起電力素子（インジウムアンチモン）
3~5 µm対応

 化合物半導体の基板の価格はシリコンの10倍 シリコンデバイスとの一体形成困難
 シリコンで赤外光ディテクタができれば、CMOS可視光
ディテクタやMEMSと混在可能
 シリコン単体では1.1µm以上の赤外波長を検出不可
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表面プラズモン共鳴に着目
 伝搬型表面プラズモン (SPR)
誘電体

 局在型表面プラズモン(LSPR)

伝搬方向
https://en.wikipedia.org/wiki/Localized_surface_plasmon

金ガラス・
Si
低屈折率
高屈折率

銀ナノ粒子の散乱光の暗視野像
共鳴波長は粒子のサイズ
周辺屈折率で変化、物質検出に使える

鋭い共鳴特性により高感度な屈折率変化の検出が可能

SPRは物質と光との強い相互作用をもたらす
しかし、応答計測に光学機器が必要MEMSのメリットを必ずしも享受できない
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表面プラズモン共鳴を電気的検出
先行研究
Knight, et al.,Science, 2011.

プラズモニック
ナノアンテナ＋ショット
キー接合によるプラズモン検出
近赤外光検出が可能

光の検出の原理詳細

表面プラズモン共鳴を光学によらず電気的に検出可能

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アンテナの構造の検討

空気側から光を入れると電子がショットキー到達前に散乱を受ける理念モデル

赤外光であればSi透過裏側から照射する構成で感度も増大可能
実現構造

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実現した光検出構造
俯瞰図
Device No.

123w

70 nm

150 nm

240 nmd240 nm

410 nm

700 nmp

Area B

1000 nm2000 nmArea C

500 nm1000 nmArea D

250 nm

500 nm

t

拡大図

50 nm

 FDTDシミュレーションであたりをつけて、構造パラメータ設計
 Siは屈折率が高く（3.4程度）、媒質中での波長が短い⇒空気側入射より共鳴寸法微小化
S. Yasunaga, T. Kan, et al., Transducers 2019.
S. Yasunaga, T. Kan, et al., Advanced Materials Interfaces, 2020.

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電子線リソグラフィ＋垂直RIE
斜め蒸着で製作

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赤外線応答感度 背面照射により表側照射と比較して、感度 2.72 - 28.7 倍の増大
 ナノアンテナは波長1.76µmにおいて、最大15.4倍 の感度向上の貢献
 2020の確認では、ショットキー型で最高レベルの応答感度

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感度ベンチマーク

現在、S/N向上構造に関する出願を進めている

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②MEMSウイルスセンサ～赤外センサの具体的アプリケーション～

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小型化学量センサへの展開
検出技術：表面プラズモン共鳴（SPR）化学量センサ

全反射入射でエバネッセント光発生
SPRを励起、反射ディップ角度から化学物質計測
敏感なのでラベルフリーで計測でき、連続リアルタイム計測可能
従来型イムノセンサより高感度
しかし光学部分が大型・小型化できず
本研究で解決、可搬型に技術展開

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従来技術：大型・光学系が必要
GE biacore 市販大型SPR装置
スタンダード技術
高感度だが、大型、プリズム方式

小型化の制約小型化向き近年研究が盛んなLSPR
高機能だが、検出に光学系が必要

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214180416300034

光学系が必要14/25

小型表面プラズモンセンサの提案
 表面プラズモンの励起に回折格子によるエバネッセント光 シリコンをロスなく透過する近赤外光を利用
 背面垂直照射で、光学系は実質ゼロに小型ワンチップ化が可能な技術
現在半導体デバイス部分の研究開発に注力
菅哲朗, 石原拓哉, 下山勲, 野田堅太郎,
塚越拓哉, “計測用デバイス及び計測センサ,” 出願番号 2017-092710, 特開2018-189523（出願中、大学単独）

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プロトタイプデバイス

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SPR計測による化学量センシングの確認

T. Tsukagoshi, et al., Sensors, 2018.

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SPR計測による化学量センシング

エタノール濃度に応じた屈折率変化で波形変化
表面照射の問題点



液体種に関わらず、屈折率変化に対して応答することを確認
SPRセンサとして利用可能と確認完了
ただし試料内部を光が通る波面の乱れなどの懸念
基板側を通る背面照射型が望ましい
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環境中の有害物質モニタ
装着可能小型ウイルスセンサ

動作概要

装着可能
半導体で超小型・大量生産可能

SPRのメリット：時系列データ

情報提示
多点計測で高精度マップ認識
詳細

ウイルスや花粉など環境中の化学物質を多点検出可能な技術になるのでは?

VR専門家と協力

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これができれば、ウイルスの空間分布モニタ
現状の検出法によるマップ化技術

リアルタイムでウイルス検出
小型可搬センサを研究開発

人が計測ノード
現状のインフルエンザ流行マップ
分解能は県単位、更新は週ごと統合

 分布を連続リアルタイム高分解マッピング
 従来不可能な迅速・ピンポイントさで対策可能
JST A-STEP 産学協同（育成型）「半導体SPRセンサによるコロナウイルスのリアルタイム分布可視化技術開発」 2021～採択
実用化にご興味のあるパートナーをさがしています

街中の濃度分布可視化
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想定される用途
赤外検出器のポイント
シリコン製なので安価小形な分光器への展開も可能
近赤外分光器MEMSで構成可能

ウイルスセンサのポイント
 ラベルフリーで計測可能
 ウイルスのみならず、一般的な化学量のスクリーニングに利用可能なシーズ技術

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実用化に向けた課題
赤外検出器の課題
近赤外～中赤外において、検出技術を確立しているが、単画素アレイ化の場合、読み出し回路の検討が必要
ウイルスセンサの課題
 A-STEP 育成型、本年度中にデバイスの実用可能性見極め 半導体ライン上での試作検討
 集塵機構など、周辺部分を含めたセンサ設計が今後の課題
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企業への期待赤外検出器について
赤外検出器・分光器に関して独自デバイス開発のシーズ技術は有しているが、応用面について知見が少ない
デバイスの応用ニーズ・シーンのご提案を期待しています
ウイルスセンサの課題
 パートナーを探している 製造パートナー 空気清浄機など、ユーザーのパートナー

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本技術に関する知的財産権

発明の名称
出願番号
出願人
発明者

：赤外線検出素子およびその製造方法：特願2019-106235：東京大学、電気通信大学：下山勲、高畑智之、塚越拓哉、高橋英俊、安永竣、菅哲朗

これ以外に、光検出器に関して、S/Nを高める機構の出願を現在準備中です
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お問い合わせ先

国立大学法人電気通信大学
産学官連携センター
産学官連携ワンストップサービス
ＴＥＬ
042-443-5871
ＦＡＸ
042-443-5725
e-mail onestop@sangaku.uec.ac.jp
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