2017 Fiscal Year Research-status Report
半導体SOI回路と超伝導検出器STJの融合による革新的高感度検出器の開発
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16K13797
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
武内 勇司 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (00375403)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 超伝導トンネル接合素子 / 極低温増幅器 / FD-SOI |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度においてFully-depleted Silicon-On-Insulator (FD-SOI)技術によるMOSFETを使用した実証試験用の信号増幅器が超伝導トンネル接合素子(STJ)の動作する300mKの極低温において動作することを確認した．当該年度は，実際にこの増幅器を用いてSTJの光パルス照射に対する応答信号を冷凍機内部のSTJが設置された最低温ステージ上において増幅する試験を行い，SOI極低温増幅器が超伝導体素子の信号を増幅可能であることを実証した．
また前年度に設計・製作されたSTJのパルス応答信号増幅に適した低入力インピーダンスの電荷積分型増幅器の試験も行った．増幅器に定電流を供給するバイアス回路が異常動作する不具合があったが，極低温におけるFETのドレインアバランシェによる異常電流が原因であることを特定し，バイアス回路を用いない測定系による回路特性評価を行い，3Kの極低温下でも室温動作時と同じく約0.1mV/fCの電荷積分出力を確認した．以上の試験結果を踏まえ，バイアス回路の異常動作への対策，利得の向上など改良を加え，設計上は25meVの光子に対するSTJの応答信号への感度を持つ増幅回路設計を行った．
超伝導体素子一体型SOI増幅回路に関しても研究を行っている．SOI基板上に形成した超伝導接合素子でシリコン基板上に形成したものと同程度の品質のものが得られた．しかしながら素子によっては品質の良くないものも見られ，品質のばらつきが予想よりも大きい可能性があることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度における第一目標であった極低温下での超伝導接合素子(STJ)の信号の増幅読出しの実証テストは成功した．但し目標としていた可視光一光子検出には至っていない．これはSTJ信号の読出しに高入力インピーダンスのソース接地増幅回路を使用したためである．
STJの信号の時定数は，約1μ秒程度であり超伝導体検出器としては比較的速く，STJ素子自身が1nF程度の比較的大きな静電容量を持つ．このためSTJで一光子信号を高い信号雑音比で検出するために増幅器はMHzの帯域を持ち，入力インピーダンスが低い(100Ω以下)である必要がある．この要求を満たす増幅回路としてカレントミラー回路を持つ差動入力増幅器を負帰還回路付きで使用する増幅器を前年度に設計した．
この増幅器を今年度に極低温における動作を評価し，カレントミラー回路に定電流を供給するバイアス回路に不具合が見つかったものの，室温とほぼ同様に動作することが分かった．測定系の雑音のため可視光一光子検出まで至っていないが，増幅器の性能としては十分に可視光一光子検出が可能である．
また利得をバイアス回路の不具合の対策，更なる利得の向上を目指した増幅器を設計・製作中であり，可視光一光子および更に低エネルギーの一光子の検出が期待される．以上から概ね研究計画通りに進捗していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導体素子と増幅器間，および増幅器内部で発生する雑音は原理的に非常に小さいと考えられるため，可視光～近赤外域一光子検出に対する現在の主な課題は超伝導体素子および極低温増幅器へのバイアスラインから来る雑音である．極低温冷凍機に敷設されているバイアス用配線，コネクタ，電源モジュールなどの徹底的な見直しを行い，これらの除去を可能な限り行うと共に増幅器の利得増による信号雑音比の向上を図る．
また超伝導体素子一体型SOI増幅回路に関しても研究を行っているがSOI基板上に形成した超伝導接合素子の品質のばらつきが予想よりも大きい可能性があることが分かったため，一体型から超伝導素子と増幅回路別基板の方式をとる方針とした．これにより多素子化に対する利点は薄められてしまうが，消費電力の制限は緩和される．多素子化に関しては超伝導接合素子の直列接続など別な方法を模索する．
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| Causes of Carryover |
当該年度に設計し年度末に製作完了を予定していたSOI基板の Multi-project Waferプロセスのスケジュールが次年度始めに変更された．これによる研究の遅れなどの影響はほとんどないが，当該年度内に使用する予定であったSOI基板購入代および次年度に元々SOI基板購入代と合わせて約120万円を次年度において使用ということになった．このため意図的に当該予算をほぼ次年度使用とした．次年度における物品購入費および成果発表のための国際会議出張費でほぼ残額を使用する予定である．
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Research Products
(13 results)
