COBAND実験のためのSTJ遠赤外単一光子検出器
開発現状
R&D Status of STJ far-infrared single photon detector for COBAND

2021年11月26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

𝜈3 → 𝜈1,2 + 𝛾 in CB

NASA/WMAP Science Team

𝜈2

𝜈1

𝜈3
𝜈2
𝜈3

𝜈3

𝜈1

𝜈3𝜸

𝜈1

𝜈3𝜸
𝜈22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 − 𝑚1,2ൗ2𝐸𝛾➔ダークエネルギーの時間発展
3期待される宇宙背景ニュートリノの崩壊光の波長分布dN/d(a.u.) distribution in ν3 → 𝜈2 + 𝛾Sharp Edge with
1.9K smearing

𝒎𝟑 = 𝟓𝟎 𝐦𝐞𝐕Red Shift effect

1ℎ𝑐 𝑐𝜆𝐼𝜆 =𝜌𝜈,0 2Ω𝑚,04𝜋𝜏𝜈𝜆 𝐻0𝜆𝑠10201050𝜇𝑚(25meV)

3+ ΩΛ,0500 [m]100100 50

1−25E
[meV]

鋭いエッジを持った分布は，ある質量を持った粒子の二体崩壊によるもの➔

ニュートリノ崩壊の決定的証拠といえる

4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/sr5

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
6

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)

7

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)の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 readout8Superconducting Tunnel Junction (STJ) Detector• Superconductor / Insulator /Superconductor
Josephson junction device

E2
Ns(E)
Superconductor

Superconductor

Insulator• 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
9E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
10STJ 光パルス信号読み出し(定電圧動作)

パルス光照射1M～100M• STJは比較的大きな静電容量を持つ– 40μm角 STJ で ～60pF– 早い信号成分はCSTJへ逃げる (例えば f=1MHz に対して 60pFはZ～2.7kΩ)• 低入力インピーダンスアンプでSTJ上端電極をAC的に接地して STJを定電圧((|V|<2Δ/e)でオペレート: Nb/Al-STJ の場合 Δ～0.6meV
V0– STJで発生する電荷を読み出す
低入力インピーダンス
電荷積分アンプI

C～0.4mVSTJ I-V curve w/light w/o light

CSTJ

V

I=I(V)STJ

CSTJ～60pF for 40m角
11CRVAVITY製Nb/Al-STJ
産総研CRAVITY で作製された50m角 Nb/Al-STJ

2.92.9mm2 STJ chip

IT～300mKw/ B field
500pA/DIVLeakage

50m角 STJ の10素子配列

V0.2mV/DIV• 50m 角でリーク200pA@0.4V，20m角ならリーク50pA@0.4mV 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

12

STJ信号の電荷積分型アンプ（室温）での読み出し⚫ Illuminate 465nm laser pulse on 100x100m2 Nb/Al-STJ⚫ STJ is read with low Zin amp. STJ is in constant voltage mode.

465nm
laser pulse

10M

T～350mK(3He sorption)

Chargesensitive
pre-amp.

STJ

Laser pulse
trigger position
shaperamp.

Zin=50

Detected ～4 photons per pulse

Observed response to several VIS photons. However, to achieve FIR single photon
detection, need ultra-low noise readout➔Employ cryogenic amplifier close to STJ
13

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~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
1mA

̶ ROOM̶ 3K

1Ap-MOS
1nA-2-1.5

Vth の移動：ΔVth～0.2V

Ids-Ids

1mA-1-0.5

0Vgs (V)1A

̶ ROOM̶ 3K

1nAn-MOS

1pA

00.5

11.5

飽和領域電流の増加：1.5倍
サブスレッショルドスイング
60mV/桁 → 20mV/桁2Vgs (V)Both p-MOS and n-MOS show excellent performance at 3K and below.

14

SOI prototype amplifier for demonstration test
2.92.9mm2 SOI chip

SOI-STJ4 circuit

100fF

1nFＶTestpulse

Amplifierstage

Bufferstage
 ソース接地増幅段◆ p-MOS電流源負荷
 ソースフォロアのバッファー段
 消費電力：～100μW
Layout design is supported through the activities of VDEC, and15
SOI fabrication is done at LAPIS semiconductor in a MPW run

Test pulse injection to SOI-STJ4200

8100

400-100-4

Output (mV)

Input (mV)

350mKにて，10mV 矩形波を1nF のキャパシタンスを通して入射-200-8@350mK

Gain ～70倍-400-2000Output
saturated

400200Time (s)16STJ response to laser pulse amplified by Cold amplifier
10M

STJVdd4.7F

cold stage
T~350mKVss

465nm laser
pulse throughoptical fiber

3He sorption

GND

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

Connect 20m sq. Nb/Al-STJ and SOI amplifier on the cold stage through a capacitance17電圧アンプによる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 VVCSTJ

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
18

STJ response to laser pulse amplified by Cold amplifier

Voltage [μV]70

Voltage [μV]

Laser pulse(=465nm)

1600
1200
800
4000-100

T=350mK

60504018μV

Input to SOI amp. from STJ

Output from SOI amp.

-80-40-40-200201.2mV

406080Gain:~70100time [μs]Amplification of STJ signal by cryogenic SOI amplifier
situated close to STJ at T=350mK is demonstrated.
19

ＳOI 電荷積分型アンプの試作
差動増幅回路にキャパシタンスと抵抗(FET)による負帰還回路を加えて電荷積分型アンプを構成

テスト入力電荷0.49fC

室温

Feedback
resistance
(FET)

3K
Feedback
Differential
amplification
stage

Buffer stage

Feedback
capacitance
C~300fF
C~60fF(MIM)

室温と3Kでほぼ同じ動作が確認された

20

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，STJの応答速度を数μsとして設定した10μsの積分時間に対し，開ループゲインの周波数帯域が十分ではなかったため， STJからの電荷が十分に収集できていないかった．
• 周波数帯域を更に高周波まで確保する必要がある．
21

周波数帯域を改善した電荷積分型増幅器の設計
1st. Differential
amplification

CR negativefeedback

2nd Differential
amplification

op-amp のカスケード接続による帯域幅の増強

Buffer stage22周波数帯域を改善した電荷積分型増幅器のシミュレーション
H-Spice シミュレーション結果
極低温では， Vthの0.2V増加，飽和電流1.5倍，ポリシリコン抵抗8%増を仮定
STJからの入力電荷 1nA×2μs=2fC (～1.3eVの単一光子入力を仮定)
入力負荷 100kΩ, 1nF
出力負荷容量 1MΩ, 0.5nF
室温
7

極低温
5V(mV)••••

3100Time (μs)

23300

低入力抵抗電流検出増幅器の設計
Common gateamplification

Common source
amplification

Buffer stage

Buffer stage

500Ωのシャント抵抗でSTJからの信号電流を受けて，3段の電圧増幅出力

24低入力抵抗電流検出増幅器のシミュレーション
H-Spice シミュレーション結果
極低温では， Vthの0.2V増加，飽和電流1.5倍，ポリシリコン抵抗8%増を仮定
STJからの入力電荷 1nA×2μs=2fC (～1.3eVの単一光子入力を仮定)
入力負荷 100kΩ, 1nF
出力負荷容量 1MΩ, 0.5nF
0V(mV)

••
•
•

室温
極低温
-2-401020
Time (μs)

3025まとめ• COBAND実験の光検出器となる 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を STJ 信号の極低温増幅器を実現する手段としての実証を進めている．
• STJ信号読出し用SOI極低温増幅回路は，実用段階に向けての設計段階へと向けて大きく前進した．

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