2016 Fiscal Year Annual Research Report
Ultra Highly Time Resolved Imaging Devices Using Lateral Electric Field Controlled Charge Modulators and Their Applications
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25220905
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
川人 祥二 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40204763)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
香川 景一郎 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (30335484)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 電子デバイス・機器 / 先端機能デバイス / 撮像デバイス / 時間分解撮像 / バイオイメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
極微弱蛍光に対して高時間分解計測を可能とする2タップラテラル電界制御電荷変調素子(LEFM)に関して、これまでの課題であった飽和電子数を7000電子と大きく改善した撮像デバイスを開発した。また、ピクセル内において多数の高速時間窓による電荷変調を行うことで時間分解能の向上を図ることを目的とした8タップLEFMピクセルの試作に成功し、最短で3.3ナノ秒の窓幅で8つの連続した時間窓を用いて蛍光寿命計測が行えることを示した。さらに、4タップLEFMピクセルにおいて、近赤外領域での時間応答を大きく改善することができる基板バイアス印加を可能とする新しい構造を考案し、30万画素以上の有効画素数を有する時間分解撮像デバイスの設計と試作を行った。8タップ方式についても近赤外応答を改善する構造的改良を加えた8タップLEFMピクセルを用いた80×128画素からなる時間分解撮像デバイスの設計と試作を行った。LEFM時間分解撮像素子がバイオイメージングに広く活用できることを実証することを目的として、インフルエンザウイルスやノロウイルスの検出に有用な新しい量子ドット材料の開発のための蛍光寿命計測に試作撮像デバイスを応用し、有用性を確認した。極微弱なバイオイメージングに広く応用するためには、時間分解撮像デバイスの読出しノイズの低減が重要な課題であり、先に考案した超高感度光電荷検出構造と組み合わせて極低ノイズを実現するための相関多重サンプリングを用いた極低ノイズ読み出し回路のノイズモデルを構築するとともに、実際に試作した超高感度デバイスで、0.29電子の極低ノイズを実現し、従来の1.1電子相当のノイズレベルに対する優位性を実際に撮像した画像によって実証した。
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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
前年度の試作素子の課題であった、飽和電子数の課題を克服することができ、またこれまで全く試みられたことのない8点の時間窓を有する時間分解ピクセルの試作にも成功している。さらに、試作した時間分解撮像デバイスが、バイオイメージングに用いる蛍光体材料の開発に有用であることを示す等実用的価値のある研究であることを実証している。また、極低ノイズで時間分解撮像を行う上で重要な0.3電子未満の極低ノイズを実現するピクセル構造と信号処理方式、モデリングに関しても重要な成果を得ている。
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| Strategy for Future Research Activity |
時間分解撮像デバイスの応用分野を拡大する上で、超高速応答と高感度化(開口率の拡大)を両立させること、また応用範囲の広い近赤外光に対する超高速応答を実現することが重要である。本研究を進める過程で、埋込ダイオードのピニング層を基板から分離して電極化する新しい電荷変調素子の構造を着想し、これによって基板やピニング層に負バイアス印加が可能となり、高開口率かつ近赤外光に対する超高速応答を実現できる可能性が見いだされた。今後は、本構造を適用することで、当初計画よりも感度や時間分解能に関して優れた性能をもった光電荷変調ピクセルとこれを用いた時間分解撮像デバイスが実現される可能性があり、本素子構造によって時間分解撮像デバイスとその応用分野をさらに発展させるべく、研究を進めていきたい。
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