COBANDプロジェクトにおけるSTJ信号読出のための極低温SOI増幅器の開発
R&D of Cryogenic SOI amplifier for STJ signal readout in COBAND project

2020年11月30日
TCHoU 構成員会議・成果報告&交流会

武内 勇司
1

COBAND (COsmic BAckground Neutrino Decay)
宇宙誕生数秒後に自由になったニュートリノ（宇宙背景ニュートリノ）は現在も宇宙全体に一様に存在し続ける．しかし極わずかに崩壊して光を出すものがいる．
➔ この宇宙背景ニュートリノからの微弱な光を捕える

in

𝜈2
𝜈1
𝜈3
𝜈2
𝜈3

𝜈3

𝜈1

𝜈3
𝜈1
𝜈3𝜸𝜸
𝜈2

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索の意義標準模型での寿命予想 𝜏~1043 年（c.f. 宇宙年齢 1010年）

実験的寿命下限値 𝜏 > 1012 年
もし，宇宙背景ニュートリノからの輻射崩壊光が標準模型予想よりもずっと短い
1012 年 < 𝜏 ≪ 1043 年で観測されたら➔標準模型を超える物理の発見!!!
➔宇宙背景ニュートリノの直接検出!!!
2➔ニュートリノ質量の絶対値測定!!! 𝑚3 = 𝑚32 − 𝑚1,2ൗ2𝐸𝛾3

期待されるニュートリノ崩壊光とノイズ光の波長分布
表面輝度 I [MJy/sr]

CIB summary from Matsuura et al.(2011)

ZE

CMB
AKARI
COBE

ノイズ光 at λ＝50μm
黄道光𝐼𝜈 ～8 MJy/sr
宇宙赤外線背景放射(CIB)𝐼𝜈 ～0.1-0.5 MJy/sr

ZL

ISD
DGL

宇宙背景ニュートリノ崩壊光(予想)SL

波長 [m]1Jy=10-26W/m2・Hz

E [meV]

λ＝50μmE=25meV𝜏 = 3 × 1012 年
𝐼𝜈 ~ 0.8MJy/sr
𝜏 = 1 × 1014 年
𝐼𝜈 ~ 25kJy/sr超伝導トンネル接合素子 Superconducting Tunnel Junction (STJ)
超伝導体/絶縁層/超伝導体の構造（ジョセフソン接合）
超伝導体
絶縁膜

300nm

試作極低温SOI電荷積分型増幅器回路
STJチップ
産総研
CRAVITY製

SOIチップ
光ファイバ

超伝導体センサー(STJ)からの光応答信号を極低温下で増幅• 超伝導ギャップ(Δ)は遠赤外フォトンのエネルギーよりもずっと小さい(＜1meV)➔原理的には遠赤外域一光子を検出可能• 極低温で動く電荷アンプでの STJ 信号読出し➔信号雑音比(S/N)の著しい向上が期待

COBAND ロケット実験へ向けて

望遠鏡光学系の設計

ロケット搭載 He3吸着式冷凍機試作

STJへの集光用ウィンストン
コーン型ライトガイドの設計

JAXA 観測ロケット S-520

校正用遠赤外レーザ光源の開発

7

COBAND(COsmic BAckground Neutrino Decay)
Collaboration Members (2020年3月)
金信弘，武内勇司，飯田崇史, (武政健一)，浅野千紗，(若狭玲那，笠島誠嘉，中原瑳依子，前川群，
山根 綾太，(大塚洋一) (筑波大学)
松浦周二 (関西学院大学)，
池田博一，和田武彦，長勢晃一 (JAXA/ISAS)，
吉田拓生，鈴木健吾，竹下勉，浅胡武志(福井大学) ,石野宏和，樹林敦子 (岡山大学)，
美馬覚 (理化学研究所), 木内健司(東京大学)，
加藤幸弘 (近畿大学) ,羽澄昌史,新井康夫，倉知郁生 (高エネルギー加速器研究機構) ，浮辺雅宏，志岐成友，藤井剛，大久保雅隆 (産業技術総合研究所)，川人祥二 (静岡大学)
Erik Ramberg, Paul Rubinov, Dmitri Sergatskov (Fermilab)，
Soo-Bong Kim (SKKU) ，
Yong-Hamb Kim, Hyejin Lee (IBS/Center for Underground Physics)

COBAND 実験の要求する光検出器• ニュートリノ崩壊を同定するため ～50m域スペクトル測定による崩壊光子
エネルギー端検出が重要• 光強度測定の系統誤差 << 光子数の統計誤差．

～50m (E=25meV)単一光子検出が可能な性能• Dark count rate が到達可能な光強度測定の感度を決める• Superconducting Tunnel Junction (STJ) sensor• Cryogenic amplifier readout

Superconducting Tunnel Junction (STJ) Detector• Superconductor / Insulator /Superconductor
Josephson junction device

Superconductor
Insulator

E2
300nm

Ns(E)
Superconductor
Superconductor
Insulator

Δ: Superconducting gap energy• 遠赤外光(25meV)よりも小さな超伝導ギャップエネルギー (Δ)➔ 遠赤外光の一光子検出が可能• 比較的高速な応答(~s) ➔ 光子計数に有利

電流

STJ I-V 特性2Δ

DC光照射ありなし-2/e2/e
リーク電流ジョセフソン電流

磁場印加により抑制

電圧
B field

CRVAVITY製Nb/Al-STJ
I

100nA

T~300mKw/ B field
500pA/DIV

Leakage

V10nA

Leakage

産総研CRAVITY で作製された50m角 Nb/Al-STJ

0.1nA

1nA
100pA

Temperature(K)0.2mV/DIV
0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

• 50m 角でリーク200pA@0.4V，20m 角ならリーク50pA@0.4V を達成• =0.6meV, Al層でのバックトンネルゲインを10とすると 25meV光子に対する信号は，Nq.p.=25meV/1.7Δ10～250• 50pA のリーク電流をSTJ信号幅(～10s)で積分：50pA×10s～(3100±60)e• 素子そのものは，25meVの一光子検出の要件を満たす性能

FD-SOI-MOSFET at cryogenic temperature
FD-SOI : Fully Depleted – Silicon On Insulator
 Very thin channel layer in MOSFET on SiO2
 No floating body effect caused by charge accumulation inthe body FD-SOI-MOSFET is reported to work at 4K

ChannelWidth : W
Channel Length : L~50nm

JAXA/ISIS AIPC 1185,286-289(2009)
J Low Temp Phys 167, 602 (2012)

Id-Vg curve of W/L=10m/0.4m at |Vds|=1.8V

Ids

1mA1mA̶ ROOM
̶ 3K

1nA-Ids

1Ap-MOSVgs (V)-2-1.5-1-0.5

01A̶ ROOM
̶ 3K1nA

n-MOS

1pA

Vgs (V)
00.5

11.5

2

Both p-MOS and n-MOS show excellent performance at 3K and below.

STJ 光パルス信号読み出し(定電流モード)

パルス光照射1M～100M

V0
V0=V+RI～1mV VV
CSTJ

STJ

I=I(V)

I

高入力インピーダンス
電圧アンプ

STJ I-V curve w/light w/o light• STJに比べて大きな抵抗を直列接続– STJから見るとほぼ電流源– 冷凍機の外から容易にSTJへ定電流バイアスを印加可能• 光応答信号は，STJの電圧降下として見える– 高入力インピーダンス電圧アンプで読み出し

STJのキャパシタンスが問題
STJは比較的大きな静電容量を持つ• 50μm角 STJ で ～0.1nF

10mV

SOI prototype amplifier for demonstration test

1nFＶ

TestpulseAmplifier
stageBuffer
stage

150mV

8mV

T=350mK
INPUT

100sOUTPUT

Test pulse input through C=1nF at
T=3K and 350mK• Power consumption: ~100μW• Output load: 1M and ~0.5nF

We can compensate the effect of shifts in the thresholds by adjusting bias voltages.

STJ response to laser pulse amplified by Cold amplifier
10M

STJ

Vdd

4.7F

cold stage
T~350mK

Vss

465nm laser
pulse throughoptical fiber

3He sorption

GND

STJ SOI
Cold amp.
output4.7FCold amp.
input monitor

Connect 20m sq. Nb/Al-STJ and SOI amplifier on the cold stage through a capacitanceSTJ response to laser pulse amplified by Cold amplifier
Laser pulse(=465nm)
Input to SOI amp. from STJ

Voltage [μV]70

T=350mK

60
50

18μV

40

Voltage [μV]1600

Output from SOI amp.
1.2mV

1200
800
4000-100-80-40-40-20

020

40

60

80

100

time [μs]Demonstrated to show amplification of Nb/Al-STJ response to laser
pulse by SOI amplifier situated close to STJ at T=350mKSTJ定電流モード読出しのシミュレーション

CSTJ=1pF

CSTJ=0.1nF

CSTJ=0.5nF

CSTJ=1nF• Operation voltage: ~1mV
• Signal: ~100nA*2s•𝑑𝑉
RSTJ =𝑑𝐼~25.5k, Rref=1Mの場合

STJ応答は，CSTJRSTJの時定数を持ち，時定数に応じて波高は低くなる．

STJ 光パルス信号読み出し(定電圧モード)

パルス光照射1M～100M

V0

低入力インピーダンス
電荷積分アンプ～1mV V

C
CSTJ

STJ

I=I(V)I

STJ I-V curve w/light w/o light• STJは比較的大きな静電容量を持つ– 50μm角 STJ で ～0.1nF• 低入力インピーダンスアンプでAC的に接地して STJを定電圧でオペレート– STJで発生する電荷を読み出す

SOI prototype charge sensitive amplifier
テスト入力電荷室温

負帰還バッファー
差動増幅回路

室温と3Kでほぼ同じ動作が確認された

3K

0.49fC電荷積分型増幅器によるSTJ光応答信号の増幅
STJチップ産総研CRAVITY製

T=350mK

SOIチップ

光ファイバ

超伝導体センサー(STJ)からの光応答信号(波長465nmパルス光)を極低温下で電荷積分型増幅器による増幅に成功• 但し，開ループゲインが設計値より小さくかったため，入力インピーダンスが高く，STJからの電荷は十分に増幅できていないかった．

極低温におけるD-SOIによるFETの閾値電圧制御

室温での pMOS-FET

3Kでの pMOS-FET• 極低温における閾値電圧のシフトを補償可能• V=0のドレイン電流の急峻な立ち上がり（室温のSubthreshold swing の理論限界値[60mV/桁]を超える）➔超低消費電力実現の可能性

まとめ• 光検出器となる STJ素子は要求値を満たすものが産総研CRAVITYにて作製可能であるが，この潜在性を十分に引き出すためには極低温増幅器の開発が不可欠．

• SOI 技術を用いた極低温回路は STJ 信号の極低温増幅器を実現する手段として実証され，実用に向けての設計開発を進めている．
• SOI 極低温回路は，室温から極低温までカバーし，さらに極低温において急峻な電流の立ち上がりなどの特徴を用いた幅広い応用への潜在性を秘めている．