2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of an ultra-low energy threshold detector based on superconducting devices and expansion towards drak matter search in the sub-GeV region
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20H01927
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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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 剛 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 (30709598)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 超伝導トンネル接合素子 / SOI極低温増幅器 / Sub-GeV暗黒物質探索 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は，超伝導体素子STJと半導体の技術であるSOI回路を組み合わせることにより，既存の検出器の概念を超える低エネルギー閾値検出を可能とする検出器の開発・実用化，更にその応用例として暗黒物質探索におけるsub-GeV探索領域の新規開拓が主目的である。
2021年度の実績として，超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJの可視光～近赤外域単一光子に対する応答信号の増幅が可能なSOI極低温増幅回路の設計・作製をSOIのMulti-Project Wafer(MPW)ランに参加して行った。STJは２つの超伝導電極を数nm厚の酸化膜絶縁層で接合した構造を持っており，数10～数100pFと比較的大きな静電容量を持つ。更に超伝導ギャップエネルギー（Nb/Al-STJの場合1meV程度）相当の定電圧を印加して運転する必要があり，読出しのための増幅器は1kΩ以下の入力抵抗である必要がある。更に1MHz程度までの周波数帯域を要求する。これらの要求を満たす増幅回路として，初段に500Ωのシャント抵抗を持つゲート接地増幅回路とした電流-電圧変換型増幅の回路を新たに設計した。またカスコード接続の差動増幅回路を直列接続し開ループゲイン及び周波数特性を向上した増幅回路に容量性負帰還を掛けた電荷積分型回路も設計した。これらの回路は，3K以下の極低温下でのSOI MOS-FETの特性変化を考慮した回路シミュレーションにおいて，室温下及び，極低温で動作することが確認された。
超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJに関しても，素子自体を暗黒物質探索の検出体として使用するために最大1μm厚の素子の作製を行った。
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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
当該年度の計画としては，超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJの可視光～近赤外域単一光子に対する応答信号の増幅が可能なSOI極低温増幅回路の設計を行い， SOIのMulti-Project Wafer(MPW)ランに参加して作製を行うことであり，これらの計画は達成された。
今回開発されたSOI極低温増幅回路は，500Ωのシャント抵抗を持つ電流読出し型と直列接続差動増幅回路に容量性負帰還を加えた電荷積分型増幅回路の２種類を用意したが，極低温下でのSOI MOS-FETの特性変化を考慮した回路シミュレーションにおいて300meV のSTJへのエネルギー入射に対応する信号を増幅し冷凍機外へ1mV程度の信号として出力可能であることが確認された。暗黒物質探索の検出体として使用する超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJも最大1μm厚の素子を従来と同程度の品質で作製することが出来た。
以上から概ね研究計画通りに進捗していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJの可視光～近赤外域単一光子に対する応答信号を増幅が可能なSOI極低温増幅回路の試作機が作製できたので，実際に冷凍機を用いてNb/Al-STJの可視光～近赤外域単一光子に対する応答信号の読み出し試験を行う。これにより，信号に対する雑音の評価を行い，雑音を低減するための研究を行う。雑音を低減するための方針としては，STJ及びSOI極低温増幅器に電磁波シールドを導入，STJのバイアス用電流源・SOI極低温増幅器の電源の乾電池駆動化，STJジョセフソン電流抑制用超伝導コイルの永久電流化，等が考えられる。計画通りのエネルギー閾値が達成した後は，1μm厚のNb/Al-STJを用いた暗黒物質探索を行う。また，更にエネルギー閾値を下げるための新たな増幅器の設計課初に取り組む。
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