定温制御したプラズモニックボロメータの高度集積による超小型中赤外分光器の開発

Research Project

Project/Area Number	22K20424
Research Category	Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	0302:Electrical and electronic engineering and related fields
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	安永竣東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80963628)
Project Period (FY)	2022-08-31 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	中赤外線 / 分光 / プラズモニクス / ボロメータ / フィードバック制御
Outline of Research at the Start	物質固有の光吸収にもとづいて物質の種類を可視化するする分光技術は，装置（分光器）の小型化によって実験室外での幅広い応用が期待できる．小型化に適した方法として，波長によって応答の異なる受光器を複数用いてもとの光吸収特性を推測する方法がある．しかし，分光分析に最も有用な光の波長帯域である中赤外領域で動作する分光器は，光を熱に変換して計測する原理により，熱伝達を抑える真空パッケージと，波長を選択的に受光器に導くフィルタが必要で，これらが小型化を制約している．本研究ではこれらを不要とする，受光器を一定温度に保つ制御と，金属ナノ構造による波長選択性をあわせた小型中赤外分光器の実現可能性を検証する．
Outline of Annual Research Achievements	化学結合に由来する吸収ピークが現れる電磁波領域である中赤外領域において，可用性の高い小型分光器を実現するため，本研究では，プラズモニック構造をもつボロメータ (赤外線を熱，抵抗変化と変換して電気的に測定する受光器) の定温制御により，常温・常圧で高速に動作するワンチップ中赤外分光器の実現可能性を検証することを目的とした．本研究により，高度に集積したボロメータ間の相互の熱的な干渉 (クロストーク) が排除できるようになれば，現代の発展した半導体技術に親和性の高い，かつ集積度の高い撮像素子アレイを実現でき，可視光では得られない情報を用いたイメージング技術によって高度情報化社会のセンシングを力強く支える技術となる．シリコンを用いて作製した熱抵抗素子アレイによって隣接するボロメータの熱的なクロストークを評価した結果，距離に応じて減衰するクロストークが観測されたが，外部から電気エネルギーにより発熱を適切に補うことで，素子を一定温度に保ち，隣接素子からのクロストークを相殺することができることが確認された．また，マイクロコンピュータによってリアルタイムで素子の定温制御が可能なシステムを構築できた．そのうえで，中赤外光への応答性の異なる，ナノ金属構造 (プラズモニック構造) をもつボロメータを実際に設計・製作した．デバイスの製作プロセスを構築し，隣接素子間で光の吸収性の異なる構造をもつようなボロメータアレイの光応答を確認した．プロセス条件が不完全であったため素子の電気的特性が理想的でなく，前述の定温制御システムへ直接適用するには至らなかったものの，前述のシステムの一部を変更することで対応できると考えられる．以上，プラズモニックボロメータアレイの構築と，隣接素子間の熱的クロストーク解消が実証でき，不可視光領域を可視化する小型デバイスの実現に資する知見が得られた．