黒田研究室
東北大学工学部 電気情報物理工学科 電子工学コース 極限知能デバイス工学分野
東北大学大学院 工学研究科 技術社会システム専攻 実践技術経営融合講座 技術適応計画分野
未来科学技術共同研究センター 研究開発プロジェクト

2023 黒田研究室紹介冊子

1

研究室の概要
センサ・ネットワーク社会を支えるイメージセンサ
光を電気信号に変換し映像情報をとらえるイメージセンサは、他の物理量に比べ、圧倒的な情報量を有することから、近未来のセンサ・ネットワーク社会で中心的な役割を担うコアデバイスとして期待されています。
黒田研究室では、イメージセンサの従来技術を凌駕する先進イメージセンサ技術を研究開発・実用化してきました。
今後はそれぞれの技術をさらに発展させていくと共に融合・応用を進めることで、持続可能で安心・安全な社会を支える究極性能イメージセンサの創出を目指しています。

高感度・広ダイナミックレンジイメージセンサ
真暗闇から明るい所まで広いレンジで撮影
1光子検出の感度・7ケタ以上の広ダイナミックレンジ

医用・医薬・健康

高速イメージセンサ
超高速現象の可視化
撮影速度1億コマ/秒

発展・融合

広光波長帯域イメージセンサ

ライフサイエンス

農業・食品

究極性能イメージセンサ

材料

環境・安全・安心

紫外から近赤外まで撮影 190～1100nm
S/N比 70dB超
農業・医療・環境モニタ等に応用

産業計測

車載

宇宙・資源探索

近接容量イメージセンサ
0.1aF精度で容量を動画撮影
配線検査、変位センサ、農業・生命科学等に応用

半導体の総合技術を結集し、高付加価値を生み出す
感度、ノイズ、解像度、ダイナミックレンジ、撮影速度、感度光波長帯域、消費電力、体積などの基本性能を向上させ、高い付加価値をもった究極性能イメージセンサ技術を創出していくためには、尖った性能だけでなく、半導体に関する総合技術を結集することが不可欠です。

黒田研究室では、クリーンルーム・ユーティリティから、材料、装置、プロセス、回路、デバイス、光学・実装、信号処理、計測・評価、システムに至るまでの総合的な基礎的研究を基盤とし、基礎・応用研究から実用化まで一貫して取り組んでいます。

社会ニーズを的確にとらえた、 先進半導体センサ･デバイス・システムの創出
分野を横断した総合技術を結集し、 基礎・応用研究から実用化まで

シス
テム

信号
処理

光学・実
装

回路

計測・制御

2023 黒田研究室紹介冊子

デバ
イス
装置

2プ
ロセス

材料

クリーンルーム・ユーティリティ

研究室の概要
高度かつ深遠な工学的知識を身に付ける
黒田研究室は、学部は電気情報物理工学科、大学院は工学研究科電子工学専攻に所属しています。元は技術社会システム専攻に所属していましたが、電子工学専攻としては、2022年度に誕生した研究室です。学生の皆さんは、研究室においてはイメージセンサ・半導体分野における専門知識を習得・研究し、授業においては電子工学に関わる広範な知識を学ぶことになります。
黒田研究室では、学生の皆さんは以下のスキルを身に付けることができます。
⚫ 先進の集積回路設計・製造技術に関わる広範な知識と実験力⚫ トータルシステムを理解し、技術の本質をとらえ、課題を発見し解決していく能力⚫ 研究を製品へつなげるまでのプロセスと実行力⚫ 先進の国際会議で発表・議論するコミュニケーション力⚫ 共同研究や学内外の方々との交流を通じた人間力
そして、いずれは以下のような人材になってもらうことを念頭において教育しています。
⚫ 不確実性とリスクを踏まえ、責任ある意思決定を行うことができる人材⚫ 開発した技術の強みを活かしつつ、勝てる商品を提供しつづけることができる人材⚫ 事業視点から有望な技術を抽出し、強化することができる人材⚫ 高度なすり合わせによる高い付加価値製品を実現する企画・製造ができる人材

目次
メンバー紹介

……

4-5

研究内容

……

6 – 10

学会・進路

……

11

アクセス・連絡先……

122023 黒田研究室紹介冊子

3メンバー紹介教授
黒田 理人 くろだ りひと

黒田教授は半導体分野において日本を2001年 東北大学工学部電子・応物・情報系入学
2002年 カルフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）
文部科学省短期派遣留学（1年間）
2007年 日本学術振興会特別研究員
2010年 東北大学大学院工学研究科
技術社会システム専攻博士課程修了
2010年 東北大学大学院工学研究科助教
2014年 東北大学大学院工学研究科准教授
2022年 東北大学大学院工学研究科教授

代表する研究者の1人であり、 数多くの研究実績から2022年度より教授に就任されました。
学生1人ひとりに親身になってアドバイス頂き、また研究室イベントでは学生が最大限楽しめるように参画される、とても優しく頼りになる先生です。

助教
間脇 武蔵 まわき たけぞう

間脇助教は2022年度より博士の学位を2013年 東北大学工学部情報知能システム総合学科
2022年 東北大学大学院工学研究科
技術社会システム専攻
博士課程修了2022年 東北大学未来科学技術共同研究センター助教

取得して助教に就任され、その研究背景から主に半導体製造プロセスに精通しています。
学生との距離が非常に近いため研究面・生活面問わず相談しやすく、イベントの企画等で研究生活を活動的なものにしてくれる、とても親しみやすい先生です。

学術研究員
竹本 良章

社会人博士学生
福田 浩一

宮内 健

蔦野 恭平

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4メンバー紹介
博士学生
D2 齊藤 宏河
小型大容量コンデンサの製造技術・アレイテスト回路技術の研究に取り組んでいます。
よく一人でコストコに行きます。

修士学生
M2 相澤 遼太郎

M2 鈴木 達彦

スマートな広ダイナミックレンジイメージセンサの研究をしています。趣味はラーメン屋巡りとフットサルです。

先進半導体デバイスの微小リーク電流の高速・統計的計測に関する研究をしています。趣味はバイクツーリン
グとゲームです。

M2 塚田 一成

M2 濱谷 碧軟X線検出のCMOSイメージセンサの研究をしています。趣味はフットサ
ルと旅行です。

ガスや液体の濃度分布を測定できるイメージセンサについて研究しています。趣味は野球観戦です。

M2 光田 薫未M1 西林 寛大

新規メモリ材料の抵抗を統計的に測定する技術について研究しています。
趣味はゲームと漫画です。

三次元距離画像イメージセンサの研究をしています。ゲームや音楽鑑賞が好きですが、仙台に来てからアウトドアの趣味が増えてきました。

M1 野崎 翼M1 林 博経

近接容量CMOSイメージセンサの研究をしています。趣味は映画鑑賞や読書です。

軟X線検出のCMOSイメージセンサの研究をしています。趣味はドラマ鑑賞とドライブです。

M1 平井 嘉人M1 村冨 孝輔

高飽和CMOSイメージセンサの研究を行っています。趣味は旅行や写真などです。

ガスや液体の濃度分布を測定できるイメージセンサの研究をしています。
趣味は料理とドラマ鑑賞です。

学部学生
B4 小倉 洋人

B4 瀧澤 康平

容量センサチームに所属しています。
バドミントンとゲームが好きです。

高ダイナミックレンジCMOSイメージセンサの研究をしています。ラーメン二郎が好きでよく行きます。

B4 本郷 天広ダイナミックレンジイメージセンサに関する研究を行っています。趣味はゲームと模型製作です。
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5主な研究内容 [回路・システムグループ]
超高速・高時間分解能CMOSイメージセンサ

2012年9月 製品化
2015年7月 高感度版製品化

毎秒2000万コマの撮影速度で256コマの記録ができます。

研究学生
修士1年 西林 寛大
0s(1コマ目)

3s(61コマ目)

6s(121コマ目)

9s(181コマ目)

超高速ビデオカメラで撮影したガラス破壊の様子
画素アレイとメモリアレイを1チップ上に分離配置し、画素毎に複数のメモリを接続した構造を新開発することにより、撮影速度・記録コマ数・画素数を両立させた世界最高性能のイメージセンサを実現しました。
研究室で開発された高速ビデオカメラは2012年に初めて製品化され、改良を重ねて大幅に高感度化したカメラが2015年7月に製品化されました。現在はさらなる性能向上を目指し、毎秒1億コマを超える高速化や多画素化へ向けた研究に取り組んでいます。
また、超高速センサの技術を応用した高時間分解能センサと距離イメージングの研究も行っています。

高感度・広ダイナミックレンジCMOSイメージセンサ

従来感度センサによる撮影

超高感度センサによる撮影(平均信号電子数3電子)

イメージセンサの各画素内にフォトダイオードから溢れた光電荷を蓄積する容量を追加することで、一回の露光で強い光から微弱光までを捉えることができるイメージセンサを創出し、2008年より防犯カメラ等で実用化され、安心安全な社会の実現に貢献しています。
この技術を発展させて、現在は、強い光を犠牲にすることなく、高感度化の物理限界である光子1つ1つを計測するフォトンカウンティ
ング感度を実現する、極限を目指したイメージセンサ技術とその応用研究の開発を行っています。

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6主な研究内容 [回路・システムグループ]
近接容量CMOSイメージセンサ
VSR
1センサ画面サイズ

4.8mmV

Pixel array
Pixel pitch : 2.8μm
Number of pixels :1,408H×1,280VCS
S/H circuits
HSR
O/P
Counter electrode

欠陥無指紋

十円硬貨

4.8mmHオープン

ショート左：光学画像
右：容量画像

研究学生
修士1年 野崎 翼
学部4年 小倉 洋人

オー・エイチ・ティー株式会社 提供
CMOSイメージセンサの低ノイズ信号読み出し技術を応用し、センサ近傍に形成される静電容量の2次元分布を可視化するイメージセンサを開発しています。透明電極やnmオーダーの凹凸など、光学イメージセンサでは見ることが難しい対象物も、このセンサを用いることで見ることが出来ます。また、配線のオープン／ショート欠陥の可視化も可能です。
現在は、ディスプレイ検査装置や高精度圧力計等への応用に向けて実証実験を行っています。また、チップ性能のさらなる向上とセンサの製品化に向けた技術開発を進めています。

高飽和・広光波長帯域CMOSイメージセンサ
従来のイメージセンサ(可視光のみ)
紫外光
近赤外光開発したイメージセンサの感度帯域 (190nm～1100nm)

200300波長[nm]

400

高感度信号

500600700

高飽和信号800900 1000 1100

超高飽和信号

近赤外光

生理食塩水
中を対流するグルコース

研究学生
修士2年 相澤 遼太郎
修士1年 平井 嘉人
学部4年 瀧澤 康平
学部4年 本郷 天

画素毎に高い飽和信号量を実現することでわずかな吸光等による微小光信号変化を高い精度で捉えると共に、人の目には見えない紫外光から近赤外光までの光情報を可視化できるイメージセンサを開発しています。血管中の血液成分やその流れを可視化することで、非侵襲血糖値測定などへの応用が期待されます。また、開発技術では、明暗差の激しい被写体を単一露光で撮像可能です。
現在は、チップ性能のさらなる向上やスマートな信号読み出しによる機能拡大に向けた技術開発を進めております。これらの技術を用いたセンシング技術は、車載、認証認識、製造業、農業、医療など、幅広い分野への応用が期待されています。
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7主な研究内容 [回路・システムグループ]
流体濃度分布可視化CMOSイメージセンサ

研究学生
修士2年 濱谷 碧
修士1年 村冨 孝輔
チャンバー内NO2ガスの濃度分布変化
強い光や幅広い光波長においても撮像を可能とする技術に加え、動く被写体に対してもブレや歪みの少ない高速グローバルシャッ
タ方式を導入したセンサを開発しています。この技術を応用してガスや気体による光の吸収をイメージングし、リアルタイムに流体の濃度分布の可視化する技術の創出に取り組んでいます。本技術は半導体製造チャンバー内のガス分布や農作物の品質、河川や大気における有害物質の可視化・測定等への応用が期待されています。

軟X線検出CMOSイメージセンサ

研究学生
修士2年 塚田 一成
修士1年 林 博経
表面に薄く急峻な不純物濃度プロファイルを適応したSiフォトダイオード技術を用い、紫外光から近赤外光までの光情報を画像化するイメージセンサ技術を開発しました。この技術を応用・発展させて、波長が紫外線よりも短い軟X線を検出する裏面照射型のCMOSイメージセンサを開発しています。
導入技術の原理確認用に開発したセンサチップでは概ね良好な特性が確認出来ています。現在は、改良を加えながら東北大青葉山キャンパスに建設中の次世代放射光施設での利用を目指した大判のセンサチップの開発や更なる発展版の開発を進めています。
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8主な研究内容 [デバイス・プロセスグループ]～半導体製造の特徴～
半導体基板上に大量に製造!

電子機器

プリント基板

半導体集積回路

身の回りの電子機器のほとんどは半導体集積回路(IC)によって構成され動作します。イメージセンサなどの半導体集積回路は、様々な工程(プロセス)を経て製造されます。半導体基板上に微細な素子や回路を作り込むには、パターンを形成するリソ工程、材料膜を形成する成膜工程、材料膜を削るエッチング工程など、膨大な数の工程が必要になります。また、最先端の量産現場では数nmと原子レベルのサイズで複雑な回路を形成することに加え、一度に大量のチップを製造します。そのため、半導体製造プロセスでは良品が得られる割合である歩留りや、特性の誤差を考慮するばらつきといった考えが非常に重要になります。
デバイス・プロセスグループでは、半導体製造の考えに基づき、ばらつき原因の解明、新デバイス開発などの研究に取り組んでいます。

アレイテスト回路素子が形成されたセル 50万個の抵抗値をプローブ(針)0.5秒以内に測定素子

大量の素子を5mm×5mm
高速・高精度に測定 サイズのチップ
一般的な測定方法
アレイテスト回路

研究学生
博士2年 齊藤 宏河
修士2年 鈴木 達彦
修士2年 光田 薫未

より良い半導体集積回路を創出するには、半導体素子のノイズ・ばらつきを含めた電気的特性の評価が必要不可欠です。一般的な測定方法
では素子1個ずつにプローブ(針)を当てて測定することから、大量の素子を測定しようとすると長い時間がかかってしまいます。そこで、我々の研究グループでは大量の素子の高速・高精度な測定および統計的な解析を実現するために、アレイテスト回路の開発に取り組んでいます。
アレイテスト回路はCMOSイメージセンサの読み出し技術を応用展開することで、アレイ状に並んだ大量の素子を高速・高精度に測定することができます。抵抗・電流などの特性を測定できるアレイテスト回路を設計・測定し、統計的な視点で未知の特性の原因解析を目指しています。

粗面ディープトレンチキャパシタ
14.3μm 粗面絶縁膜

平面構造

表面積を拡大し、高容量密度を実現
粗面ディープトレンチ構造

絶縁膜

研究学生
博士2年 齊藤 宏河
修士2年 鈴木 達彦

キャパシタ(コンデンサ)は電荷を蓄え放出することができる受動素子であり、身の周りのほとんどの電子デバイスに使用されています。構造自体は電極の間に絶縁膜を形成するシンプルなものですが、小さな面積で大容量を実現するために様々な技術が開発されています。

本研究では、表面を凸凹にする粗面技術とSi基板に深い溝を掘るディープトレンチ構造の融合によって表面積を飛躍的に拡大し、今までにない高容量密度を実現するキャパシタ開発に取り組んでいます。現在では、このキャパシタ技術をCMOSイメージセンサやアレイテスト回路などに導入する技術の開発を進めています。

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学会発表
黒田研究室は、世界各地で開催される数多くの学会に積極的に参加しています。学生たちの論文や学会発表は高く評価されており、右に挙げた写真はごく一部のものですが、数多くの賞を頂いています。
世界トップレベルの国際会議で発表し、多くの研究者と交流するチャンスがあります。コロナ禍の影響を受けて現在はオンライン会議が多いですが、引き続き発表や聴講は積極的に行っています！学会参加にかかる費用は 2021 International Image Sensor WorkshopでBest Student Paper Awardを受賞!!
研究室が負担します。

過去の研究室学生の国際発表（抜粋）

IEDM IEEE International Electron Devices Meeting
ISSCC International Solid-State Circuits Conference
Symposia on VLSI Technology and Circuitsなどに代表される様々な国際学会で発表しています。

配属されてからの1年間の流れ
4

研究・発表

5

6

7

891011

院試勉強

研究テーマ決め

研究室イベント

学生実験D & 前期ゼミ

花見

無礼講で学年対抗戦！
B4が先輩方を圧倒しました！

フットサル大会
釣り&BBQ

1

卒論研究
中間発表

院試
研究室活動

12

研究室見学

後期ゼミ

工明会 芋煮大運動会

駅伝作並渓流釣り場でニジマス釣り！
釣った鮎と持参した肉でBBQ～

2

3

卒論発表

忘年会 新年会
スキー旅行

牛越橋で芋煮&焼き肉
10月の芋煮は最高です！

卒業式

安比高原スキー場でスノボ旅行
部屋ではマリカ大会が開催！

卒業生の進路
年

研究室卒業生の就職先 （各年50音順）

年

研究室卒業生の就職先 （各年50音順）

2016

ソニー, デンソー, 三菱電機，盛岡市

2020

キオクシア, ソニー(3), TMEIC, 浜松ホトニクス,マイクロンメモリジャパン, ルネサスエレクトロニクス

2017

オリンパス，花王，キヤノン
日本テキサス・インスツルメンツ，博士進学（3）2021ウエスタンデジタル合同会社, キオクシア,ニコン,ソニーセミコンダクタソリューションズグループ（3）,2018

日立国際電気，ヤマハ発動機，博士進学（2）2022

沖電気工業, キオクシア, サンブリッジ,ソニーセミコンダクタソリューションズ, 博士進学

2019

キヤノン, 静岡県庁, ソニー, 本田技研工業,
ローム

2023

ウエスタンデジタル合同会社(2)，キヤノン，東京ガス

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アクセス

東北大学青葉山キャンパス

至理学部・薬学部
二号館

至仙台駅

新一号館

１階
入口

青葉山
体育館
グラウンド

地下鉄青葉山駅
北1番出口

けやきダイニング

復興記念
教育研究未来館

化学バイオ

図書館
至川内

１階
入口

三号館

至青葉城跡
新建築棟

至宮教大

工学部
管理棟

地下鉄青葉山駅
南1番出口

BOOOK

あおば食堂

未来情報産業研究館
丁字路に面した白い建物 （地下鉄青葉山駅徒歩1分）

電子情報システム・応物系
2号館4階 404号室

連絡先

2023年9月8日 発行

連絡窓口

黒田 理人（教授）E-mailrihito.kuroda.e3@tohoku.ac.jp

TEL022-795-4833

住所〒980-8579
仙台市青葉区荒巻字青葉6-6-05
東北大学電子情報システム・応物系2号館 404号室

黒田研究室HP

https://felectronics.ecei.tohoku.ac.jp

Twitter

東北大学 黒田研究室@kurodalab
https://twitter.com/kurodalab

わからないことがありましたら、お気軽に研究室にご連絡ください！
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