2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of new imaging technology based on superconducting single-photon camera
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18H05245
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| Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
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Principal Investigator |
寺井 弘高 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 室長 (10359094)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山森 弘毅 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (00358293)
竹内 尚輝 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00746472)
清水 亮介 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50500401)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 超伝導ナノワイヤ / 単一光子検出器 / 超伝導ディジタル集積回路 / 極低温信号処理 / モノリシック集積化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
R3年度は、R2年度に引き続き超伝導ナノワイヤの作製歩留まりの改善に取り組んだ。電子線レジストの現像時に、現像液に溶解するはずのレジストの一部が、ナノワイヤ間のギャップに残留しており、ナノワイヤの電気的なショートを引き起こしていることがわかった。この問題は、現像時にウェハを上向きではなく、縦置きにすることで大幅に軽減することができた。ただし、走査電子顕微鏡でも確認できない極薄のレジストがギャップ部に残留している場合もあり、エッチング条件の最適化も重要であることがわかった。有効な方法としては、エッチング前のデスカム（酸素やアルゴンプラズマによる前処理）、もしくはこれまで10 Paとしていたエッチング時のガス圧を1.5 Paとして、物理的なエッチング効果を高めることが有効であることを確認した。現在、最適化したナノワイヤの作製条件で、32x32ピクセルSSPDアレイの作製を進めている。SSPDアレイとSFQ信号処理回路のモノリシック集積化については、チップ面積を10 mm x 10 mmに大面積化し、32x32ピクセルSSPDアレイをバイアス供給用のオンチップインダクター（大きなインダクタンスが必要であるため専有面積が大きい）を含めて、SFQ信号処理回路と１チップに集積化することができた。残念ながらこの試作においては超伝導ナノワイヤのバイアス電流が設計値よりも大幅に小さく、出力電流が10 μA程度であったため、完全動作には至っていないが、SFQ信号処理回路については部分動作を確認することができた。AQFP/RSFQハイブリッドエンコーダについては、32x32ピクセルSSPDアレイ用エンコーダー回路の設計・作製が完了した。また、単一光子分光の実現に向けて、実装スペースの限られた極低温環境でSSPD1次元アレイと結合可能な小型分光器の検討を行った。
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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
これまで懸案だった超伝導ナノワイヤの作製歩留まりについて解決の目途がついてきており、SFQ信号処理回路へのバイアス電流供給によるジュール熱の問題についても、極低温環境下で接触抵抗が1 mΩ以下であるマイクロD-subコネクタを使用すれば、1 A近いバイアス電流供給に対して、冷却ステージ温度を3 K以下に保つことができることを確認済みで、32x32ピクセルSSPDアレイの動作実証に向けた個別課題については着実に課題をクリアしている。また、モノリシック集積化においても、最も懸念していたチップ上での局所的な温度上昇は、少なくとも150 mA程度のバイアス電流量では問題とならず、SSPDの光子検出動作への影響はほぼないことを確認できた。すでに、SFQ回路とモノリシックに集積化した16ピクセルおよび64ピクセルSSPDアレイの動作を確認しており、少なくともSFQ回路については、ジョセフソン接合の臨界電流や配線インダクタンス等のパラメータのばらつきは、ほぼ通常のNbファンドリープロセスと遜色ないことが確認できている。モノリシック集積化した32x32ピクセルSSPDアレイチップを設計済みであり、臨界電流が設計値近傍の超伝導ナノワイヤを試作できれば、動作実証が可能と考えている。また、AQFP/RSFQハイブリッドインターフェイスについても、32x32ピクセルSSPDアレイ用エンコーダー回路の設計・作製が完了しており、R4年度中には動作テストを実施できる見通しである。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度に設計・作製したマイクロD-subコネクタを用いたサンプルパッケージを用いて、SFQエンコーダー回路+行列読出型32x32ピクセルSSPDアレイの評価を進めていく。また、モノリシック集積化については、41 psという低ジッタでの動作に成功したモノリシック集積型の16ピクセルSSPDアレイについて、ダブルサイドキャビティ構造を実装して再度設計・作製を行い、低ジッタに加えて、高検出効率、高最大計数率を兼ね備えたSSPDアレイシステムとしての動作実証を目指す。行列読出型32 x 32ピクセルSSPDアレイについては、令和3年度に10 mm□チップ上に設計・作製したものの、超伝導ナノワイヤの臨界電流が設計値を大きく下回ったため、動作実証には至っていない。令和4年度はモノリシック集積化チップの試作を10月以降に1回予定しており、後段のSFQ信号処理回路で検出できる十分な出力電流を確保しつつ、漏れ電流を抑制するための大きなカイネティックインダクタンスを持つ超伝導ナノワイヤが得られる膜厚、ピクセルサイズについて、これまでの評価結果を踏まえて再度検討し、設計・作製・評価を進めていく予定である。SFQ/AQFPハイブリッド読み出し回路についても、32x32ピクセルSSPDアレイ用AQFP/RSFQハイブリッドインターフェイスについて、行列読出型32x32ピクセルSSPDアレイとの接続試験を実施し、単一光子イメージャーとしての動作実証を目指す。令和3年度に検討した、単一光子分光システムについても、実際に分光器を試作し、SSPD1次元アレイとの組み合わせにより、単一光子分光の実証実験に挑戦する予定である。
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