検出器開発
新学術領域研究「ニュートリノフロンティア」研究会
クロス・ウェーブ府中
笠原 宏太 筑波大学
1

SOI-STJ検出器導入の動機
SOI-STJ検出器の紹介
SOI-STJ研究開発の現状
SOI-STJ2検出器の導入
まとめ
2

の導入
 ニュートリノ崩壊光探索ロケット実験でのへの要求は遠赤外光 光子の観測。しかし、未だそれに至っていない。
 測定系の構築、及び の光応答性の考察については次の奥平君
筑波大学 のトーク。
 原因としては、冷凍機内部から非常に長い配線
強 の引き回しを経て信号を増幅している事が考えられる。
 低温
以下 で動作するアンプがあれば、冷凍機内部に設置し、の信号がに埋もれる前に増幅し、冷凍機外部で読み出せる。

により、動作するとの報告。

SOIFETとSTJ検出器を組み合わせたSOI-STJ検出器の導入。

プロセスで作成されたがでAIPC 1185, 286-289 (2009)3

STJ検出器のノイズに対する読み出し系の改善方法
SOI技術
絶縁膜上にFET等のデバイスを形成

ViaによるSOI回路層とSTJの電気的接触

SOI-STJ Layout
STJ
100um x 100um

STJ
50um x 50um

SOIのLSI化の技術
SOIにより極低温で読み出し構築可能
エネルギー分解能の高いSTJ検出器
SOI-STJとは…
アンプが形成されたSOIの回路層に直接STJを形成した検出器。

Si02

SOI-STJの利点
STJ検出器から配線の引き回しが不要。
 良いS/N比 STJのマルチチャンネル化に対応可能。

Gate

FET

STJ

Drain

Source導入段階として、MOSFET単体(w=1000um,L=1um)とNb/Al-STJによる試作を性能評価を行った。
4

超伝導検出器開発システム
SOIwafer側の読み出し回路は設計後Lapis Semiconductorに発注、Wafer受け取り後
KEKクリーンルームでSTJの形成。

イエロールームアライナー
5

研究開発の現状
Nb/Al-STJ Leak Current
STJ leak currentは熱励起によるもの、不完全なJunctionの形成によるものの2つあると考えられる。
現在使用しているSiwaferに直接Nb/Al-STJを形成したものでは左図のleak currentの温度依存性が見られた。
SOI-STJはリークの最も小さくなる1K以下での動作を目指すため、SOIFETは1K以下で動作することが要求される。

STJを形成した
SOIFETが1K以下で正常に動作する事を確認した。

6

研究開発の現状
I- V- I+ V+16個のpatternの内、SOIFETの形成されていないpatternを使用して、希釈冷凍機による700mKでのNb/Al-STJ(50um x50um)の性能評価を行った。

WireBonding
1K
Ohm
Refrigerator

2.9mm角 SOI-STJ Layout
1 mA /DIV.

1 mA /DIV.
2mV /DIV.

約150 Gauss印加

50uA /DIV.
2mV /DIV.

2mV /DIV.

SOI上の形成したNb/AlSTJでジョセフソン接合素子特有のI-V特性を確認。
Leak Current at 0.5mV~6nA(Si wafer上に形成したものとほぼ同じquality)
10 nA /DIV.
500uV /DIV.
7

上のの光応答信号

50um角のSTJに可視光レーザー(465nm)を20パルス(50MHz)照射し、STJの電圧変化を確認した。

𝑀2
Nγ = 2 2σ −σ𝑝0.12682=0.030332 −0.029012

このときの発生電荷量のパルス波高分布からphoton数を見積もると、SOI上に形成したSTJ検出器の可視光(465nm)に対しての応答を確認した。

ForCurrent

1kOhm1k
Refrigerator

STJ~ 206±112

ForVoltage

M : Meanσ : signal RMS
σp : pedestal RMSNoise Signal(2uS) (2uS)
Pedestal

Signal500uV /DIV.
1uS /DIV.

8現在のSOI-STJのdesignの問題点
 STJのBias電圧及び、Gate電圧の調節が難しい。
 Gate Capacitance が非常に大きいFETを使用しているため、STJの生成電荷数に対するGate電圧変化が十分に得られない。

SOI-STJ2 Layout

Simulation回路 100k
Gate
50M

Drain
SourceC

Gal = 10 とした時の10um1photonに対して予想される電流変化75pA(4.7x102e)に対してのDrain電流のシミュレーション結果
STJの疑似信号

75 pA

1.5 uS
3M

STJ
SOI-STJ2C

Drain
Gate

1photon : 300 uV
2photon : 700 uV
3photon : 1 mV

SourceSTJ[uS]
9研究開発の現状
SOISTJ2(STJ形成後)
700um
STJ

FET

640um

C

w=1.42um, l = 0.4um
NMOS@830mK SOIwafer上のFETがW/Lが変わってもNb/Al-STJ動作領域(1K以下)で正常に動作する事を確認。

w=1.42um, l = 0.4um
PMOS@981mK STJ形成作業が終了。今後はこれを用いて光応答測定を行い、遠赤外1光子の観測を目指す。

10

まとめ
ロケット実験では遠赤外光1光子の検出可能な検出器が要求される。
Nb/Al-STJを導入したがまだ観測に至っておらず、低温での動作可能なSOIアンプを導入。
SOIによる読み出し回路及び光検出器であるNb/Al-STJ
によるSOI-STJ一体型検出器の作成及び性能評価を行い、Nb/Al-STJとSOIFETがそれぞれSTJ温度動作領域で正常に動作する事を確認した。
今後はSOI-STJ検出器を用いて1光子検出を目指す。
11

12増幅器としてのSOIFET @ 1.32K測定したFETは3種類

1M OhmV1

SOIFET増幅回路• Soistj2_E3_Na (nmos pattern a)
Vds = 0.2V, V1 = 0.59V
線形領域は0.8V~0.9V
Gm = 0.00126(GAIN = 1260)• Soistj2_E3_Nk (nmos pattern k)
Vds = 0.2V, V1 = 0.5V
線形領域は0.8V~0.9V
Gm = 3.89E-5 (GAIN = 38.9)• Soistj2_E3_Pp (pmos pattern p)
Vds = -0.2V, V1 = -0.58V
線形領域は-0.9V~-0.78V
Gm = 1.73E-5 (GAIN = 17.3)

入力信号は線形領域に合わせた位置でVpp = 100mVのサイン波で周波数応答を測定増幅器としてのSOIFET @ 1.32K
Soistj2_E3_Na(設定GAIN = 1260)

Soistj2_E3_Nk (設定GAIN = 38.9)

測定結果GAIN : 約3倍

測定結果GAIN : 約1.5倍

Input : 100mV/Div Output : 100mV/DIV

Input : 100mV/Div Output : 100mV/DIV

Soistj2_E3_Pp (設定GAIN = 17.3)

測定結果GAIN : 約2倍

どれも設定したGAINが得られなかった。
よく考えたらV1＝0.59Vに設定していたため、それ以上の電圧変化が得られるわけがない。
Input小さくしてまたやりますすいません。

Input : 100mV/Div Output : 100mV/DIV

とりあえず、低温での増幅は確認できたので、応答速度を調べました！

増幅器としてのSOIFET @ 1.32K

Soistj2_E2_Na
Soistj2_E2_Nk

Soistj2_E2_Pp

1ピクセルにつき一つSOIFETで200Hzに対応できるかもだけど一番小さいNkとかPpのFETだと周波数応答が悪すぎて実験には使えないかもしれない。

SOI-STJ2 Layoutbaced gf

SOI-STJ2ChSTJij mnklpo

現在あるフォトマスクで作成可能なSTJ• 100um x 100um
Drain• 50um x 50um
Gate
• 10um x 50um
• 2um x 50um
Source • 100um2(丸型)• 1200um2(丸型)• 10um x 10um x2(under layer 共通にして上部にSIS構造を2つ)

青 : NMOS 赤 : PMOS
小文字アルファベットはchip上のcell名

CapacitanceやFETの大きさはcellによる。

CELL名

Capacitance

FETの大きさCgatea, b, c, d60 pF

w = 4 x 10um, l = 1 um

320 fFe, f, g, h

18 pF

w = 4 x 1um, l = 1um

32fF

I, j, k, l

1.5

w = 1.42 um , l = 0.4um

4.5fFm, n, o, pなし

w = 1.42 um , l = 0.4um

4.5fF

FETは全てsource tie type

への要求
現在のNb/Al-STJの0.5mVでのleak currentは1K以下で10nA。

STJからの信号は1.5uS程度と予想されるので、leakcurrentにおける発生電荷数は𝑁𝑞𝑙𝑒𝑎𝑘 = 10 × 10−9 × 1.5 × 10−6 𝐶= 10000𝑒
𝛿𝑁𝑞𝑙𝑒𝑎𝑘 = 100𝑒
これでは遠赤外光1photonに対しての発生電荷数として期待される100eは見えないため、leak Currentは現在以上に低減させなければならない。
遠赤外光の信号がleakcurrentによる発生電荷数のゆらぎより3倍大きく観測されるためには、
𝛿𝑁𝑞𝑙𝑒𝑎𝑘 = 33𝑒
𝑁𝑞𝑙𝑒𝑎𝑘 = 1089𝑒1089 × 1.6 × 10−19
𝐼𝑙𝑒𝑎𝑘 == 108 𝑝𝐴
1.5 × 10−6
STJのleakcurrentとしては108pA以下が要求される。
STJのleakcurrentはほとんど側面からのものとすれば、STJを現在の100umx100umより100倍小さくすれば良い。
17

18

相互コンダクタンス

gm(Vds=0.2のとき)
Nmos1 : 0.01327(0.56～0.64Vgs)
Nmos2 : 0.01369(0.6～0.7Vgs)
gm(Vds=-0.2Vのとき)
Pmos : -0.007819(-0.7～-0.5Vgs)
19

を増幅器として使用
Input : 100mV/DIV.
Output : 500mV/DIV.

1 kHz( N )Input : 100mV/DIV.
Output : 200mV/DIV.

50 kHz( N )Input : 200mV/DIV.
Output : 200mV/DIV.

1 kHz( P )Input : 200mV/DIV.
Output : 200mV/DIV.

400 kHz( P )

20

回路設計
Vgsをモニター
C2• C1は出来るだけ大きいほうが良いが大きすぎると応答速度遅くなる。
今chip上で余っている面積から最大100pFくらいまで。最低は1fFくらい。

C1• C2(Gateキャパシタンス)は小さければ小さいほどVgs変化は大きくなる。
LAPISが作ってくれるのは最低3.2fFまで。

R1

SOI-STJ• R1はC2が小さくなればなるだけ大きくする必要があるが大きすぎると速度遅くなる。

STJの発生電荷に応じて適切なC1,C2,R1は異なる。

470nm 1photon用• 観測できる電荷量をは104e(Gal=10)～6x105e(Gal=200のときの3photon)程度と設定。

Vgsをモニター
C2C1
R1SOI-STJ• STJの電圧降下は最大でも2mVまでなので2mVの電圧変化で最高6x105e放出できるようにC1は48pFに設定。

• 上の生成電荷数に対して最低でも1mV弱のOutputが得られるように
GateCは800fF(W=10 x 10 um, L=1um)に設定。
• R1はGateキャパシタンスのインピーダンスよりも非常に高い500kOhm。
• STJの信号を左図右下のような電流変化としてシミュレーションを実行。
発生電荷数によってΔIを変化させていった。立ち上がり0.5uS。立下り
1.5uS。

470nm 1photon用
Gal = 10 とした時の電流変化
1.6nA(104e)に対してのD電流

1photon : 1 mV
2photon : 2.1 mV
3photon : 3.2 mV

Gal = 200 とした時の電流変化32nA(2x105e)に対してのD電流

1photon : 30 mV
2photon : 60 mV
3photon : 120 mV

For 1310nm 1photon用• 観測できる電荷量は3.6x103e(Gal=10)～
21.6x104e(Gal=200で3photon)程度と設定。

Vgsをモニター
C2C1• STJの電圧降下は最大でも2mVまでなので2mVの電圧変化で21.6x104e
放出可能なC1は
Δ𝑄 21.6 × 104 𝑒
C==≈ 18𝑝𝐹Δ𝑉
2 × 10−3

R1SOI-STJ• 上の生成電荷数に対して最低でも1mV弱のOutputが得られるように
GateCは40fF(W=1 x 5 um, L=1um)に設定。
• R1はGateキャパシタンスのインピーダンスよりも非常に高くRC=10uSとなる5MOhm。

For 1310nm 1photon用Gal = 10 とした時の電流変化
580pA(3.6x103e)に対してのDrain電流

1photon : 900 uV
2photon : 1.95 mV
3photon : 3.2 mV

Gal = 200 とした時の電流変化
36nA(21.6x104e)に対してのDrain電流

1photon : 18 mV
2photon : 50 mV
3photon : 85 mV

For 10um 1photon用• このパターンで観測できる電荷量は4.7x102e(Gal=10)～
28.2x103e(Gal=200で3photon)程度と設定。

Vgsをモニター
C2C1• 最大電荷量28.2x103eでSTJが2mVの電圧変化を起こすように設定。
Δ𝑄 28.2 × 103 𝑒
C1 ==≈ 1.4𝑝𝐹
Δ𝑉
2 × 10−3

R1SOI-STJ• 上の生成電荷数に対して最低でも1mV弱のOutputが得られるように
GateCは3.2fF(W=1 um, L=0.4um)に設定。
• R1はGateキャパシタンスのインピーダンスよりも非常に高くRC=70uSとなる50MOhm。

For 10um 1photon用
Gal = 10 とした時の電流変化
75pA(4.7x102e)に対してのD電流

Gal = 200 とした時の電流変化
4.5nA(28.2x103e)に対してのD電流

1photon : 300 uV
2photon : 700 uV
3photon : 1 mV

1photon : 7 mV
2photon : 14 mV
3photon : 22 mV

For 50um 1photon用
Gal = 10 とした時の電流変化
16pA(102e)に対してのD電流

1photon : 300 uV
2photon : 700 uV
3photon : 1.1 mV

Gal = 200 とした時の電流変化
960pA(6x103e)に対してのD電流

1photon : 8 mV
2photon : 15 mV
3photon : 23 mV

Vds電圧を3倍程度（678mV）まで上げれば1mVくらいの変化として50um1photonの信号も検出できる。LAPISが保障するVds電圧は常温では1.98Vまで。

光応答

Gal = 100とした場合470nm1photonに対して以下の応答が期待できる。

1photon : 200uV
2photon : 400uV
3photon : 600uV

29の周波数応答SOI-STJ

FD-SOI-CMOS

30

31

STJ Back tunneling トンネルバリアの近傍に生成された準粒子がトンネルバリアを通過すると、逆のレイヤーのクーパー対を壊して準粒子を得て、クーパー対を作る。

Alの転移温度は近接効果によってNbの転移温度に近づく。
トンネルバリア付近に準粒子の存在確立をあげるためにAlのトラップ層を形成。
トラップ層に準粒子が侵入する際に出すギャップエネルギーの差分のエネルギーを持つフォノンによってさらにトラップ層のクーパー対が破壊され準粒子が生成される。
32

エネルギー分解能EFWHM  2.35 (1.7  )FE
F : Fano Factor
Δ : 超伝導体のギャップ
E : 放射線のエネルギー33

リフトオフ法、エッチング法
フォトレジスト 塗布、露光、現像することで硬化する樹脂。ポジレジストは光を照射部分が硬Si wafer化。ネガレジストは光を未照射部分がNb
硬化。
AZ5214
TMSR8900

スパッタリング①成膜したい金属を上部に、膜を作るウェハを下部に配置する。
②Arガスをプラズマ化させ、高電圧をかけてターゲットに衝突させる。
③ターゲットが飛散する。
④基板にターゲットが付着。

34

SOI-STJ研究開発の現状
SOI wafer上にSTJを形成。
WireBonding

Via
STJ
under

STJ
upper

Viaを介してのSOIの回路層とSTJの電気的接触を確認。
半導体パラメータ
アナライザ

STJ形成後のMOSFETのHe4減圧
冷却による1.8K、室温ともに正常な動作を確認した。

SOI-STJ

GSTJ

DS

Refrigerator

35

FETの温度依存性

Nmos
RMS : 0.02318V 3.3%

Pmos
RMS : 0.004714V 0.69%
36

ピンク : 液体窒素接地。
緑 : 常温で接地。
赤 : 常温で接地しない。

RMS : 18.1157
RMS : 20.1661
RMS : 16.892

37