SOI-STJ一体型光検出器研究開発 測定器開発室 SCD review 2014 Mar. 18th 筑波大学素粒子実験研究室 笠原 宏太 Mar. 18th 2014 SCD review 1 SOI-STJ導入の動機 Nb/Al-STJは原理的には遠赤外光1光子の観測が可能であるが、それには至ってい ない。 原因としては、冷凍機内部からの配線の引き回しを経て、常温で信号を増幅してい るため、その間に信号がノイズに埋もれてしまう。 極低温(4K程度)で動作するアンプを用いれば、冷凍機内部に設置し、STJの 信号がノイズに埋もれる前に増幅し、冷凍機外部で読み出せる。 JAXAにより、FD(Fully-Depleted)-SOIプロセスで形成されたSOIFETが4Kで動作するとの 報告。筑波大学素粒子実験研究室ではKEK測定器開発室SOIグループにも所属して いる。 SOIFETとSTJ検出器を組み合わせ たSOI-STJ検出器の導入。 AIPC 1185, 286-289 (2009) Mar. 18th 2014 SCD review 2 SOI(Silicon on Insulator)と極低温でのふるまい Silicon on Insulator • ・・・FET等の素子を絶縁膜上に形成する技術。 通常PN接合逆バイアスによる空乏層で素子間を分離するのに対し、絶縁膜 により分離されるためクロストークノイズが小さく、集積化に優れている。 極低温での動作 Bulk-CMOS 通常、極低温におけるFETはキャリアの移動度が上昇する事により、空 乏層で電荷が次々と生成されてしまう。 ・・・過電流や発生した電荷がBODY領域に帯電することによる閾電圧の 変動等の誤作動の原因となる。 FD-SOI PD-SOI SOI-CMOS チャンネル領域が薄い(空乏層領域の小さい)FD-SOIプ ロセスによって形成されたMOSFETでは上記の誤作動 が抑えられる。 また、source-tie typeを用いる事で、空乏層内で発生し た電荷がBodyに帯電することをふせぐ。 Mar. 18th 2014 SCD review 3 SOI-STJ Via(W)によるSOI回路層と STJとの電気的接触 SOI-STJ1号 Layout SOI wafer SOI-STJとは… 増幅器の形成されたSOI基板上に直接STJを形成 した極低温読み出し回路一体型検出器 SOI-STJの利点 STJ検出器からの配線の引き回しが不要 良いS/N STJのマルチチャンネル化にも対応可能 低消費電力 STJ 100um x 100um Drain Gate FET STJ 50um x 50um Mar. 18th 2014 STJ SCD review Source 導入段階として、MOSFET 単体(Channel width=10um x 100、Channel Length=1um) とNb/Al-STJによる試作 (SOI-STJ1号)の性能評価を 行った。 4 SOI-STJ1号研究開発のまとめ① Nb/Al-STJ Leak Current Ileak∝ 𝜟 𝑻𝒆−𝒌𝒃𝑻 検出器の持つノイズとして、リーク電流が挙げられる。この原因としては熱励起に よるクーパー対の破壊(緑曲線)と不完全なjunctionの形成(赤点線)が挙げられる。 遠赤外光1光子の3σ以上での観測にはリーク電流100pA以下という要求(Gal=10)。 Junctionの不完全な形成によるリーク電流はjunctionサイズを小さくする事 で達成できる見込み。 現在評価中 熱励起によるリーク電流が100pA以下になるのは，900mK程度となる。 SOI-STJはNb/Al-STJのリーク電流100pA以下を達成するためにSOIFETは900mK 以下で動作することが要求される。 690mK-720mK Mar. 18th 2014 750mK SCD review 極低温800mK以下でnch及びpchの SOIFETがどちらも正常に動作する事 を確認した。 5 SOI-STJ1号研究開発のまとめ① Nb/Al-STJ Leak Current Ileak∝ 𝜟 𝑻𝒆−𝒌𝒃𝑻 検出器の持つノイズとして、リーク電流が挙げられる。この原因としては熱励起に よるクーパー対の破壊(緑曲線)と不完全なjunctionの形成(赤点線)が挙げられる。 遠赤外光1光子の3σ以上での観測にはリーク電流100pA以下という要求(Gal=10)。 Junctionの不完全な形成によるリーク電流はjunctionサイズを小さくする事 で達成できる見込み。 現在評価中 熱励起によるリーク電流が100pA以下になるのは，900mK程度となる。 SOI-STJはNb/Al-STJのリーク電流100pA以下を達成するためにSOIFETは900mK 以下で動作することが要求される。 極低温800mK以下でnch及びpchの SOIFETがどちらも正常に動作する事 を確認した。 PMOS 相互コンダクタンスにも致命的な変化 は見られず。極低温における増幅器 として十分導入可能。 NMOS Mar. 18th 2014 SCD review 6 SOI-STJ1号研究開発のまとめ② 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 x 50um)の性 能評価を行った。 測定回路 Wire Bonding 1K Ohm Refrigerator 2.9mm角 SOI-STJ Layout 1 mA /DIV. 1 mA /DIV. 2mV /DIV. Mar. 18th 2014 約150 Gauss印加 50uA /DIV. 2mV /DIV. SOI上の形成したNb/Al-STJ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) 2mV /DIV. 同時にVia(W)によるSTJとSOI回路層の電気 的接触を確認した。 10 nA /DIV. 500uV /DIV. SCD review 7 SOI-STJ1号の問題点とSOI-STJ2号の導入 STJの光応答信号を増幅するとしたら、試作機としてのSOI-STJでは難しい。 STJの発生電荷量に対してGateのキャパシタンス(8pF)が大きすぎるため、電 圧変化ΔVgsが得られない。 STJのバイアス電圧とFETの適切なGate電圧を独立に決められない。 SOI-STJ2号 Drain Gate C Source STJの光応答の増幅作用を見るため、SOI-STJ2号を設計。 STJとFETのゲートをCにより電位を分離し、独立にバイアス電圧を設定できる ように変更。 同じ発生電荷量でもΔVgsが大きくなるように、Gateのキャパシタンスを小さく。 SOI-STJ2 Layout a c i k b e d g j l m o Mar. 18th 2014 波長50um1光子の入射に対して 予想される出力(Gal=10を仮定) CELL名 Capacitance FETの大きさ Cgate f h a, b, c, d 60 pF w = 4 x 10um, l = 1 um 320 fF e, f, g, h 18 pF w = 4 x 1um, l = 1um 32fF 2photon n p I, j, k, l 1.5 pF w = 1.42 um , l = 0.4um 4.5fF 1photon m, n, o, p なし w = 1.42 um , l = 0.4um 4.5fF SCD review 3photon 8 SOI-STJ2号研究開発の現状 w=10um×4, l = 1um @830mK w=1um×4, l = 1um @830mK w=1.42um, l = 0.4um @830mK 極低温におけるSOIFETの 電流電圧特性 各FETにおいてNb/Al-STJ温度 動作領域での正常な動作を 確認することができた。 Ampとしての動作電圧(飽和領域)における消費電力は 𝟏. 𝟖 𝑽 × 𝟏𝟒 𝝁𝑨 = 25.2[𝜇𝑊] 飽和領域での電流値は14uA CMOSアンプとしてのSOIの典型的なバイアス 飽和領域におけるFETのドレイン-ソース間電流 このFETを用いた場合には8×50ピクセル全てのSTJの読み出しに使った場合 10mWとなってしまう(3He減圧冷凍機のcooling powerは400uW)。 • W/Lを小さくする事で、電流値を小さくする。 • ピクセル数を減らす。50×4ピクセル等。 Mar. 18th 2014 SCD review 9 増幅器としてのふるまい 増幅器としての周波数応答性 極低温において、STJを形成したSOIFET が増幅器として正常に動作する事を確 認した。 設定した増幅率26.7 実測値 27 Mar. 18th 2014 SCD review 高周波に対する応答性の評価を行っ たが現状ではSTJの信号をevent by eventに決められない。現在測定系に 問題ないか確認中。 10 SOI-STJ3号導入 SOI-STJ2の性能評価を現在行っているが、これより安定した動作が実 際の実験では要求される。 読み出し回路のテストのため、SOI-STJ3を設計。(導入段階として 3He sorption冷凍機の典型的な冷却能力である400uW以下になる 様にW/Lを選択) SOI-STJ2との違い ①前回までは負荷抵抗を用いていたが、PMOSに変更。飽和領域で動作させ、 O(107~8)Ohm ②増幅に用いるNMOSのバイアス電圧がかなりふらつく。抵抗のフィードバックを 入れる事で適切なバイアス点で落ち着かせる。波形はこの抵抗と増幅のための NMOSゲートキャパシタンスのRCで決まる。 ③不可抵抗をPMOSにしてGAINは100程度に設定できたが、出力インピーダンス が非常に高くなってしまっている。出力前にバッファを入れる。 現在Lapis semiconductorにて成膜中、完成後，性能評価 をおこなう。 Mar. 18th 2014 SCD review 11 まとめ Nb/Al-STJを用いて遠赤外光1光子の観測を目指し，SOI-STJ一体型光検 出器の研究開発を行っている。 SOI-STJ1号の性能評価により、SOI基板上に形成されたNb/Al-STJが正常 に動作すること、STJ形成後のSOIFETがNb/Al-STJの温度動作領域である 900mK以下で動作する事を確認した。これにより、SOIプロセスによる極 低温読み出しの可能性を示した。 SOI-STJ一体型光検出器としての動作を確認するために、SOI-STJ2号及び SOI-STJ3号の設計を行った。SOI-STJ2号に関しては現在性能評価を行って いる。 Mar. 18th 2014 SCD review 12 Back Up Slides Mar. 18th 2014 SCD review 13 Motivation ニュートリノ崩壊光の探索 ニュートリノ質量 ニュートリノ振動実験により質量二乗差は既に 測定されているがニュートリノの質量は未測定。 ニュートリノ崩壊測定によりニュートリノ振動 とは独立な量が測定できるため、これと合わせ て質量が求められる。 ニュートリノ崩壊(ν3 → ν1,2 + γ)の寿命 ニュートリノの寿命は非常に長く、標準理論(ニュートリノの混合を含 む)では τ ～ O(1043 year)、LR対称モデル(SU(2)L⊗SU(2)R⊗U(1))でも τ ⪎ O(1017 year)。 宇宙初期から存在すると予言される宇宙背景ニュートリノを用いてニュー トリノ崩壊を探索。 14 遠赤外光探索ロケット実験 遠赤外線背景放射スペクトル（COBE) 80um(16meV) 40um(31meV) ニュートリノ崩壊 スペクトル 質量固有状態ν3=50meVとすると、 ニュートリノ崩壊光はEγ～25meV、 λ~50μm (遠赤外領域)。 通常の半導体検出器等では検出不 可能。 Nb/Al-STJと回折格子を組み合わせた検出器で、宇宙空 間中の遠赤外光スペクトルを測定予定。 Nb/Al-STJ＋回折格子及び冷凍機をJAXA/ISASロケットに搭 載。 Nb/Al-STJ検 出器の導入 宇宙空間中の 遠赤外光 回折格子(40um80umをカバー) 宇宙空間中の遠赤外光を回折格子(λ=40um～80um)で分光。 遠赤外光1photonに対してカウンティングデバイスとして動作 可能なNb/Al-STJをマルチピクセル化し、エネルギースペクト ルを測定。 ・・・・・・ STJ array 8 x 50 pixels 15 STJ(Superconducting Tunnel Junction) STJ検出器とは… 超伝導体 / 絶縁体 / 超伝導体 のジョセフソン接合素子 動作原理 Nb/Al-STJの準粒子生成数 𝑁𝑞 = Gal 𝐸0 1.7∆ GAl : Alによるトラッピングゲイン(~10) E0 : 放射線のエネルギー Δ : 超伝導体のギャップ Nb/Al-STJの 25meVの1photonでの準粒子発生数 25 𝑚𝑒𝑉 Nq = 10 1.7 ∗1.550 𝑚𝑒𝑉 1. 超伝導状態のSTJ検出器に放射線 が入射。 2. 超伝導体層のクーパー対が破壊さ れ、エネルギーに応じて準粒子が 生成。 3. Upper layer, Under layer間に電 圧をかけておく事で準粒子のトンネ ル電流を観測。 Si Tc[K] Δ[meV] 1100 Nb Al 9.23 1.20 1.550 0.172 = 95 e (約10pA) 16 SOI上のNb/Al-STJ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 2 σ −σ𝑝 0.12682 = 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。 For Current 1kOhm1k Refrigerator STJ ~ 206±112 For Voltage M : Mean σ : signal RMS σp : pedestal RMS Noise Signal (2uS) (2uS) Pedestal Signal 500uV /DIV. 1uS /DIV. 17 SOIFETの増幅器としてのふるまい FET単体で最も単純に増幅作用を得られるソース接地 増幅回路としてのふるまいを極低温にて確かめた． この回路における増幅率は Gain =gm*R W=10um*4 , L=1um Gm=0.003769 W=1um*4 , L=1um Gm=0.0003469 18 SOIFETの増幅器としてのふるまい 設定した増幅率26.7 実測値 27 設定した増幅率17.0 実測値 18 ニュートリノ崩壊光探索 におけるNb/Al-STJ1pixe lに対して予想される 検出レートは200-300Hz 19 SOI-STJ3 回路 SOI-STJ3 Chip ③ ① ② SOI-STJ2Chip上回路との違いを点 線で示す。 ①前回までは負荷抵抗を用いて いたが、PMOSに変更。飽和領域 で動作させ、O(107~8)Ohm Vout ②増幅の用いるNMOSのバイアス 電圧がかなりふらつく。抵抗の フィードバックを入れる事で適切な バイアス点で落ち着かせる。波形 はこの抵抗と増幅のためのNMOS ゲートキャパシタンスのRCで決ま る。 ③不可抵抗をPMOSにしてGAINは 100程度に設定できたが、出力イ ンピーダンスが非常に高くなってし まっている。出力前にバッファを入 れる。 SOI-STJ3 回路 SOI-STJ3 Chip 1.8V 1.8V 消費電力は OXFORD[Helium 3 Refrigerator with sorption pump - HelioxVL] のCooling powerが 400uW at < 290mK for > 10 hrs と書いてあったので、 Vout Ia : 10 uA Ib : 50 uA 電流値の要求が決まればFETのW/L の比を決められる。 C = 18 pF 飽和領域でのドレイン電流 Ia Ib FET電流電圧特性 確実にONにす から分かる。 るために0.2とし 今後極低温でこれ た。 も測っとくべき。 SOI-STJ3 Simulation回路 STJ生成電荷量によって抵抗値を調節。で きるだけ抵抗を小さくしたいけど、電荷量が 少ないと抵抗を大きくしないとダメ。 あと、このGATE電圧だけは ±25mVくらいの精度で決めたい。 100mVくらいずれても信号は見れるけど Voutも大きく変わる。 バッファ回路の利得 ～0.85 出力インピーダンス : 1.3 K Ohm 16nA STJの疑似信号 3 photon この大きさを 変えながら 1.5 uS 2 photon 1 photon 5.8nA 3 photon 2 photon 1 photon 1.6nA 3 photon 2 photon 1 photon 750pA 3 photon 2 photon 1 photon 1310nmまでは1 光子測定が可能。 Nb/Al-STJ Leak current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 = 1089𝑒 1089 × 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。 27 Background 28 SOI-STJ2研究開発の現状 W/Lの異なるSOIFETにおいても極低温下で正常に動作する． w=1.42um, l = 0.4um @830mK w=1um×4, l = 1um @830mK w=10um×4, l = 1um @830mK 相互コンダクタンスの温度依存性 w=1.42um, l = 0.4um w=1um×4, l = 1um w=10um×4, l = 1um 29 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 C2 C1 R1 SOI-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 C2 C1 • 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= = ≈ 18𝑝𝐹 Δ𝑉 2 × 10−3 R1 SOI-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 C2 C1 • 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 R1 SOI-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 1photon : 300 uV 2photon : 700 uV 3photon : 1 mV Gal = 200 とした時の電流変化 4.5nA(28.2x103e)に対してのD電流 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。 SOI-STJ1光応答simulation 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 38 FETの周波数応答 10kHz SOI-STJ FD-SOI-CMOS 39 Trapping GAIN 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。 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。 40 Energy Resolution 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 41 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。 42 FETの温度依存性 Nmos RMS : 0.02318V 3.3% Pmos RMS : 0.004714V 0.69% 43
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