ダストに隠された宇宙の物質進化を暴く 極低温SOI赤外線イメージングの開拓

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Interdisciplinary research on quantum imaging opened with 3D semiconductor detector
• Project/Area Number: 25109005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: Japan Aerospace Exploration Agency
• Principal Investigator: 和田 武彦 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (50312202)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金田 英宏 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30301724)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: 遠赤外線検出器 / 極低温 / 集積回路 / 画像センサー / テラヘルツ / CMOS / 天文学

Research Abstract

本年度は、25素子読みだし集積回路、2x5素子読みだし集積回路の開発と、側面入射型検出器の評価を行なった。また、翌年度以降の評価に必要となる測定装置の開発を行なった。
読みだし集積回路開発に関しては、画素選択のために必要となるCMOSアナログスイッチの開発を行ない、Vdd/Vss=(+3/-3V)の条件で、+/-1.5Vの信号振幅、ON抵抗10-20Kohm、そしてOFF抵抗1E14ohmと、画像センサーの画素選択には十分な性能を達成した。これらの成果を国際学会"10th International Workshop On Low Temperatures Electronics"(WOLTE-10)と"International Conference on Space, Aeronautical and Navigational Electronics 2013"(ICSANE 2013)にて発表した。また、その成果も採り入れて、25素子、2x5素子読みだし集積回路の設計を行なった。また、読みだし回路評価用にパルスチューブ冷凍機式のクライオスタットの開発を行なった。冷却時間は33時間(要求値48時間以内)、到達温度は1.4K以下(要求値2.0K以下)と設計通りのスペックを満足した。また、来年度行なう表面入射検出器開発にむけ、MBE装置の調整をおこなった。
検出器に関しては、ブロッキング層を薄層化した側面入射素子を開発に成功した。薄膜化し、効率良く光吸収層に電場が印加されるようにした結果、キャビティー無しで15A/Wと高い光電流変換効率を達成した。その結果を、国際学会"10th International Workshop On Low Temperatures Electronics" (WOLTE-10)にて発表した。また、来年度以降の検出器の評価のために、液体ヘリウム式のクライオスタットを購入した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画どおり、読み出し回路評価用のパルスチューブ冷凍機式クライオスタットの開発に成功した。また、読み出し集積回路の設計・評価や、側面入射型検出器の開発も順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画どおり、着実に研究を進める。

Research Products

• [Presentation] 遠赤外線画像センサーのための極低温読み出し回路～CMOSアナログスイッチ～ (2014)
  • Author(s): 長勢晃一, 和田武彦, 池田博一, 新井康夫, 大野守史
  • Organizer: 日本天文学会2014年春季年会
  • Place of Presentation: 国際基督教大学（東京都三鷹市）
  • Year and Date: 20140319-20140322
• [Presentation] 表面活性化常温ウェハ接合技術を用いたGe p+-i接合型遠赤外線検出素子開発のための各層の物理特性の評価 (2014)
  • Author(s): 田中琴未、金田英宏、大薮進喜、服部和生、木幡洸大、花岡美咲、和田武彦、鈴木仁研、渡辺健太郎、長勢晃一、公地千尋、馬場俊介
  • Organizer: 日本天文学会2014年春季年会
  • Place of Presentation: 国際基督教大学（東京都三鷹市）
  • Year and Date: 20140319-20140322
• [Presentation] MEMS技術を用いた赤外線・テラヘルツ単一材料光学干渉フィルターの研究 (2014)
  • Author(s): 山本啓太, 和田武彦, 三田信
  • Organizer: 日本天文学会2014年春季年会
  • Place of Presentation: 国際基督教大学（東京都三鷹市）
  • Year and Date: 20140319-20140322
• [Presentation] ダストに隠された宇宙の物質進化を暴く 極低温SOI赤外線イメージングの開拓 (2013)
  • Author(s): Takehiko Wada
  • Organizer: 新学術研究領域研究「３次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開」研究会
  • Place of Presentation: 京都大学(京都府京都市)
  • Year and Date: 20131213-20131214
• [Presentation] Cryogenic CMOS analog switch for far-infrared image sensors (2013)
  • Author(s): Koichi Nagase, Takehiko Wada, Hirokazu Ikeda, Yasuo Arai, Morifumi Ohno
  • Organizer: International Conference on Space, Aeronautical and Navigational Electronics 2013
  • Place of Presentation: Vietnam National Satellite Center (VNSC), Melia Hotel, Hanoi, Vietnam
  • Year and Date: 20131202-20131203
• [Presentation] Development for germanium FIR image sensors (2013)
  • Author(s): Takehiko Wada, Hidehiro Kaneda, Yasuo Arai, Yasuki Hattori, Hirokazu Ikeda, Koudai, Kobata, Koichi Nagase, Toyoaki Suzuki, Kotomi Tanaka, Kentaroh Watanabe, Hidehiko Nakaya, Morifumi Ohno, Shunsuke Baba, Chihiro Kochi
  • Organizer: 10th International Workshop On Low Temperatures Electronics
  • Place of Presentation: Universite Paris Diderot, Paris, France
  • Year and Date: 20131014-20131017
• [Presentation] Development of cryogenic readout circuit for far-infrared image sensors with fully-depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) CMOS process (2013)
  • Author(s): Koichi Nagase, Takehiko Wada, Hirokazu Ikeda, Yasuo Arai, Morifumi Ohno
  • Organizer: 10th International Workshop On Low Temperatures Electronics
  • Place of Presentation: Universite Paris Diderot, Paris, France
  • Year and Date: 20131014-20131017