Ｓ／Ｎ比８０ｄＢ超・広光波長帯域ＣＭＯＳ撮像素子による吸光・発光イメージング

• Project/Area Number: 18J20657
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 藤原 康行 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2020: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 電子デバイス・機器 / センシングデバイス / 撮像素子 / 吸光イメージング / 横型オーバーフロー蓄積トレンチ容量 / 近赤外光 / 高飽和

Outline of Annual Research Achievements

高精度な吸光分析を2次元画像として実現するために、高いSNRと、紫外から近赤外の広光波長帯域における高い量子効率を同時に実現するCMOSイメージセンサを開発すること、また、その応用として非侵襲での血糖値測定の基礎技術を確立する研究に取り組んだ。

１次試作センサの追加測定を行い、10フレームを平均化することでSNR80dBが達成できること及び紫外から近赤外の広光波長帯域での高量子効率を確認した。また、測定対象物質の要求測定濃度の吸光度から測定に必要となるSNR及びCMOSイメージセンサの設計パラメータを算出するフローを提案し、要素技術を集積化し、具現化する手法を確立した。これらの結果を、『IEEE Transactions on Electron Devices』やオンラインセミナー講演他にて報告した。2次試作センサでは、飽和電子数を1億個以上とするために、画素内容量部を2枚のウエハに分割する積層構造を提案、設計し、単一露光で飽和電子数1億個超、裏面照射化により開口率100％を達成する見込みを得た。以上の結果より、紫外光から近赤外光までの広い波長範囲で高い量子効率を持ち、最高SNRが80dB以上を有し、高精度吸光分析に適用できるCMOSイメージセンサが創出できたと結論づける。

非侵襲血糖値測定に向けた取り組みとしては、血液を用いた検量線取得の高精度化及び生体を用いた吸光イメージングに取り組んだ。検量線取得に関しては、血液分析装置を新たに用い、血液成分と吸光度の関係を詳細に解析することで、より高精度な検量線を安定的に測定する方法を明らかにし、特願2021-025482及び特願2021-025483の2件を共同発明者として特許出願した。生体の吸光イメージングに関しては、可搬性を有する小型プロトタイプ機の設計に着手した。以上より、非侵襲での血糖値測定の基礎技術を確立したと結論づける。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] An Over 120 dB Single Exposure Wide Dynamic Range CMOS Image Sensor With Two-Stage Lateral Overflow Integration Capacitor (2021)
  • Author(s): Yasuyuki Fujihara, Maasa Murata, Shota Nakayama, Rihito Kuroda, and Shigetoshi Sugawa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Electron Devices Volume: 68 Issue: 1 Pages: 152-157
  • DOI: 10.1109/ted.2020.3038621
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Global Shutter Wide Dynamic Range Soft X-Ray CMOS Image Sensor With Backside- Illuminated Pinned Photodiode, Two-Stage Lateral Overflow Integration Capacitor, and Voltage Domain Memory Bank (2021)
  • Author(s): Hiroya Shike, Rihito Kuroda, Ryota Kobayashi, Maasa Murata, Yasuyuki Fujihara, Manabu Suzuki, Shoma Harada, Taku Shibaguchi, Naoya Kuriyama, Takaki Hatsui, Jun Miyawaki, Tetsuo Harada, Yuichi Yamasaki, Takeo Watanabe, Yoshihisa Harada, and Shigetoshi Sugawa
  • Journal Title: IEEE Transactions on Electron Devices Volume: 68 Issue: 4 Pages: 2056-2063
  • DOI: 10.1109/ted.2021.3062576
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A High Near-Infrared Sensitivity Over 70-dB SNR CMOS Image Sensor With Lateral Overflow Integration Trench Capacitor (2020)
  • Author(s): Maasa Murata, Rihito Kuroda, Yasuyuki Fujihara, Yusuke Otsuka, Hiroshi Shibata, Taku Shibaguchi, Yutaka Kamata, Noriyuki Miura, Naoya Kuriyama, Shigetoshi Sugawa
  • Journal Title: IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES Volume: 67 Issue: 4 Pages: 1653-1659
  • DOI: 10.1109/ted.2020.2975602
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A CMOS image sensor with dual pixel reset voltage for high accuracy ultraviolet light absorption spectral imaging (2019)
  • Author(s): Yusuke Aoyagi, Yasuyuki Fujihara, Maasa Murata, Hiroya Shike, Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 58
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] [Papers] A Multi Spectral Imaging System with a 71dB SNR 190-1100 nm CMOS Image Sensor and an Electrically Tunable Multi Bandpass Filter (2018)
  • Author(s): Yasuyuki Fujihara, Yusuke Aoyagi, Maasa Murata, Satoshi Nasuno, Shunichi Wakashima, Rihito Kuroda, Kohei Terashima, Takahiro Ishinabe, Hideo Fujikake, Kazuhiro Wako and Shigetoshi Sugawa
  • Journal Title: ITE Transactions on Media Technology and Applications Volume: 6 Issue: 3 Pages: 187-194
  • DOI: 10.3169/mta.6.187
  • NAID: 130007387396
  • ISSN: 2186-7364
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 45μm厚裏面照射型フォトダイオード・2段LOFICを有する広ダイナミックレンジ軟X線検出グローバルシャッタCMOSイメージセンサ (2021)
  • Author(s): 四家寛也, 黒田理人, 小林諒太, 村田真麻, 藤原康行, 鈴木学, 原田将真, 柴口拓, 栗山尚也, 初井宇記, 宮脇淳, 原田哲男, 山崎裕一, 渡邊健夫, 原田慈久, 須川成利
  • Organizer: 映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
• [Presentation] CMOS FOR AUTOMOTIVE, MEDICAL, AND INDUSTRIAL APPLICATIONS (2020)
  • Author(s): Yasuyuki Fujihara
  • Organizer: IS&T SEMINAR SERIES Best Student Research, Society for Imaging Science and Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] トレンチ型2段 LOFICを有する単一露光・線形応答・ 120dB超広ダイナミックレンジCMOSイメージセンサ (2020)
  • Author(s): 藤原 康行, 村田 真麻, 中山 翔太, 黒田 理人, 須川 成利
  • Organizer: 映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
• [Presentation] A Study on High Full Well Capacity Wide Dynamic Range Wide Spectral Response CMOS Image Sensor and its Applications (2020)
  • Author(s): Yasuyuki Fujihara, Maasa Murata, Shota Nakayama, Rihito Kuroda and Shigetoshi Sugawa
  • Organizer: 第32回マイクロエレクトロニクス研究会
• [Presentation] A Global Shutter Wide Dynamic Range Soft X-ray CMOS Image Sensor with BSI Pinned Photodiode, Two-stage LOFIC and Voltage Domain Memory Bank (2020)
  • Author(s): H. Shike, R. Kuroda, R. Kobayashi, M. Murata, Y. Fujihara, M. Suzuki, T. Shibaguchi, N. Kuriyama, J. Miyawaki, T. Harada, Y. Yamasaki, T. Watanabe, Y. Harada and S. Sugawa
  • Organizer: 2020 IEEE International Electron Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Over 120dB Dynamic Range Linear Response Single Exposure CMOS Image Sensor with Two-stage Lateral Overflow Integration Trench Capacitors (2020)
  • Author(s): Yasuyuki Fujihara、Maasa Murata、Shota Nakayama、Rihito Kuroda、Shigetoshi Sugawa
  • Organizer: IS&T International Symposium on Electronic Imaging 2020, Imaging Sensors and Systems 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A 24.3Me- Full Well Capacity CMOS Image Sensor with Lateral Overflow Integration Trench Capacitor for High Precision Near Infrared Absorption Imaging (2019)
  • Author(s): 黒田理人、村田真麻、藤原康行、大塚雄介、柴田寛、柴口拓、鎌田浩、三浦規之、栗山尚也、須川成利
  • Organizer: 電気学会
  • Invited
• [Presentation] 高SN比吸光イメージングによる真空チャンバー内ガス濃度分布計測 (2019)
  • Author(s): 髙橋圭吾、シパウバ カルバリオダシルバ イヤンギリカルド、沼尾直毅、黒田理人, 藤原康行, 村田真麻, 石井秀和、森本達郎、諏訪智之、寺本章伸、須川成利
  • Organizer: 映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
• [Presentation] 横型オーバーフロー蓄積トレンチ容量を有するSNR70dB超CMOS吸光イメージセンサ (2019)
  • Author(s): 藤原康行
  • Organizer: VDECデザイナーズフォーラム2019
• [Presentation] 高SN比CMOS吸光イメージセンサによる半導体プロセスチャンバー内ガス濃度分布計測 (2019)
  • Author(s): 髙橋圭吾、Yhang Ricardo Sipauba Carvalho da Silva、黒田理人、藤原康行、村田真麻、石井秀和、森本達郎、諏訪智之、寺本章伸、須川成利
  • Organizer: シリコン材料・デバイス研究会
• [Presentation] 横型オーバーフロー蓄積トレンチ容量を有する飽和電子数2430万個・近赤外高感度CMOSイメージセンサ (2019)
  • Author(s): 村田真麻，黒田理人，藤原康行，大塚雄介，柴田寛，柴口拓，鎌田浩，三浦規之，栗山尚也，須川成利
  • Organizer: 映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
• [Presentation] 高紫外光感度・高飽和CMOSイメージセンサを用いたサブppmオーダのオゾン水対流のイメージング (2018)
  • Author(s): 村田真麻, 藤原康行, 青柳雄介, 黒田理人, 須川成利
  • Organizer: 映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
• [Presentation] Dual Pixel Reset Voltage CMOS Image Sensor For High SNR Ultraviolet Light Absorption Spectral Imaging (2018)
  • Author(s): Yusuke Aoyagi, Yasuyuki Fujihara, Maasa Murata, Hiroya Shike, Rihito Kuroda, and Shigetoshi Sugawa
  • Organizer: 2018 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A 24.3Me- Full Well Capacity CMOS Image Sensor with Lateral Overflow Integration Trench Capacitor for High Precision Near Infrared Absorption Imaging (2018)
  • Author(s): M. Murata, R. Kuroda, Y. Fujihara, Y. Aoyagi, H. Shibata, T. Shibaguchi, Y. Kamata, N. Miura, N. Kuriyama and S. Sugawa
  • Organizer: 2018 IEEE International Electron Devices Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 須川・黒田研究室 研究業績
  • URL: http://www.sgw.most.tohoku.ac.jp/achievement.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 血糖値測定器 (2021)
  • Inventor(s): 河尻幸治、黒田理人、藤原康行、中山翔太、長谷川英明
  • Industrial Property Rights Holder: 河尻幸治、黒田理人、藤原康行、中山翔太、長谷川英明
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-025482
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] 生体情報測定装置 (2021)
  • Inventor(s): 河尻幸治、黒田理人、藤原康行、中山翔太、他
  • Industrial Property Rights Holder: 河尻幸治、黒田理人、藤原康行、中山翔太、他
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-025483
  • Filing Date: 2021