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S/N比80dB超・広光波長帯域CMOS撮像素子による吸光・発光イメージング

Research Project

Project/Area Number 18J20657
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Electron device/Electronic equipment
Research InstitutionTohoku University
Research Fellow 藤原 康行  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords電子デバイス・機器 / センシングデバイス / 撮像素子 / 吸光イメージング / 横型オーバーフロー蓄積トレンチ容量 / 近赤外光 / 高飽和
Outline of Annual Research Achievements

高精度な吸光分析を2次元画像として実現するために、高いSNRと、紫外から近赤外の広光波長帯域における高い量子効率を同時に実現するCMOSイメージセンサを開発すること、また、その応用として非侵襲での血糖値測定の基礎技術を確立する研究に取り組んでいる。

本年度は、高いSNRと紫外から近赤外の広光波長帯域における高い量子効率を同時に実現する為の要素技術である高密度容量かつ低リーク電流な画素内光電荷蓄積キャパシタを導入したイメージセンサの1次試作及び測定を行い、単一フレームでSNR70dB超、ダイナミックレンジ120dB超を実測で得た。また、10フレームを平均することで、80dB以上のSNRを達成した。低照度から高照度までの全域で高いSNRを達成する為、画素構造を見直し、全信号切り替え点で35dB以上のSNRを実測で得た。また、基板を300μmまで薄化し、裏面処理を行ったイメージセンサを試作し、基板裏面にバイアス電圧を印加することで、近赤外光に対してさらなる感度向上とクロストークの抑制が出来ることを確認した。これらの結果を、『IS&T International Symposium on Electronic Imaging 2020, Imaging Sensors and Systems 2020』及び『IEEE Transactions on Electron Devices』にて報告した。1次試作センサの測定結果と構築した構造を基に、2次試作センサの設計に着手した。

非侵襲血糖値測定に向けた取り組みとして、模擬生体を用いた測定系を構築し、検量線の測定を行った。光源及びレンズを改良し、測定手順も見直すことにより測定精度を向上し、検量線を取得した。また、生体を用いた吸光イメージングにも着手した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

高いSNR、紫外から近赤外の広光波長帯域における高い量子効率を同時に実現する為の要素技術である高密度容量かつ低リーク電流な画素内光電荷蓄積キャパシタを導入したイメージセンサの1次試作及び測定を行った。単一フレームでSNR70dB超、10フレーム平均で目標とする80dB超を達成した。1次試作センサの測定結果と構築した構造を基に、2次試作センサの設計に計画通り着手した。分光手段に関しては、実験を進めていく中で光の利用効率を高める必要があったので、LEDの発光波長を切り替える方式を検討した。血糖値測定に関しては、模擬生体を用いた測定系を構築し、検量線を測定した。計画に先駆けて生体での実験にも着手した。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度に試作を行った1次試作センサの測定結果と構築した構造を基に、2次試作センサの設計、試作を行う。分光手段に関しては、LEDの発光波長を切り替える方式を検討していく。非侵襲血糖値測定に向けては、模擬生体を用いた検量線測定及び生体での実験を引き続き進めていく。以上の内容をまとめ最終年度として研究の総括を行う。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(12 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] A High Near-Infrared Sensitivity Over 70-dB SNR CMOS Image Sensor With Lateral Overflow Integration Trench Capacitor2020

    • Author(s)
      Maasa Murata, Rihito Kuroda, Yasuyuki Fujihara, Yusuke Otsuka, Hiroshi Shibata, Taku Shibaguchi, Yutaka Kamata, Noriyuki Miura, Naoya Kuriyama, Shigetoshi Sugawa
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Electron Devices

      Volume: 67 Pages: 1653-1659

    • DOI

      10.1109/ted.2020.2975602

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A CMOS image sensor with dual pixel reset voltage for high accuracy ultraviolet light absorption spectral imaging2019

    • Author(s)
      Yusuke Aoyagi, Yasuyuki Fujihara, Maasa Murata, Hiroya Shike, Rihito Kuroda, Shigetoshi Sugawa
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 58

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] [Papers] A Multi Spectral Imaging System with a 71dB SNR 190-1100 nm CMOS Image Sensor and an Electrically Tunable Multi Bandpass Filter2018

    • Author(s)
      Yasuyuki Fujihara, Yusuke Aoyagi, Maasa Murata, Satoshi Nasuno, Shunichi Wakashima, Rihito Kuroda, Kohei Terashima, Takahiro Ishinabe, Hideo Fujikake, Kazuhiro Wako and Shigetoshi Sugawa
    • Journal Title

      ITE Transactions on Media Technology and Applications

      Volume: 6 Issue: 3 Pages: 187-194

    • DOI

      10.3169/mta.6.187

    • NAID

      130007387396

    • ISSN
      2186-7364
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] An Over 120dB Dynamic Range Linear Response Single Exposure CMOS Image Sensor with Two-stage Lateral Overflow Integration Trench Capacitors2020

    • Author(s)
      Yasuyuki Fujihara、Maasa Murata、Shota Nakayama、Rihito Kuroda、Shigetoshi Sugawa
    • Organizer
      IS&T International Symposium on Electronic Imaging 2020, Imaging Sensors and Systems 2020
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A 24.3Me- Full Well Capacity CMOS Image Sensor with Lateral Overflow Integration Trench Capacitor for High Precision Near Infrared Absorption Imaging2019

    • Author(s)
      黒田理人、村田真麻、藤原康行、大塚雄介、柴田寛、柴口拓、鎌田浩、三浦規之、栗山尚也、須川成利
    • Organizer
      電気学会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 高SN比吸光イメージングによる真空チャンバー内ガス濃度分布計測2019

    • Author(s)
      髙橋圭吾、シパウバ カルバリオダシルバ イヤンギリカルド、沼尾直毅、黒田理人, 藤原康行, 村田真麻, 石井秀和、森本達郎、諏訪智之、寺本章伸、須川成利
    • Organizer
      映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 横型オーバーフロー蓄積トレンチ容量を有するSNR70dB超CMOS吸光イメージセンサ2019

    • Author(s)
      藤原康行
    • Organizer
      VDECデザイナーズフォーラム2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 高SN比CMOS吸光イメージセンサによる半導体プロセスチャンバー内ガス濃度分布計測2019

    • Author(s)
      髙橋圭吾、Yhang Ricardo Sipauba Carvalho da Silva、黒田理人、藤原康行、村田真麻、石井秀和、森本達郎、諏訪智之、寺本章伸、須川成利
    • Organizer
      シリコン材料・デバイス研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 横型オーバーフロー蓄積トレンチ容量を有する飽和電子数2430万個・近赤外高感度CMOSイメージセンサ2019

    • Author(s)
      村田真麻,黒田理人,藤原康行,大塚雄介,柴田寛,柴口拓,鎌田浩,三浦規之,栗山尚也,須川成利
    • Organizer
      映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 高紫外光感度・高飽和CMOSイメージセンサを用いたサブppmオーダのオゾン水対流のイメージング2018

    • Author(s)
      村田真麻, 藤原康行, 青柳雄介, 黒田理人, 須川成利
    • Organizer
      映像情報メディア学会技術報告・情報センシング研究会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Dual Pixel Reset Voltage CMOS Image Sensor For High SNR Ultraviolet Light Absorption Spectral Imaging2018

    • Author(s)
      Yusuke Aoyagi, Yasuyuki Fujihara, Maasa Murata, Hiroya Shike, Rihito Kuroda, and Shigetoshi Sugawa
    • Organizer
      2018 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A 24.3Me- Full Well Capacity CMOS Image Sensor with Lateral Overflow Integration Trench Capacitor for High Precision Near Infrared Absorption Imaging2018

    • Author(s)
      M. Murata, R. Kuroda, Y. Fujihara, Y. Aoyagi, H. Shibata, T. Shibaguchi, Y. Kamata, N. Miura, N. Kuriyama and S. Sugawa
    • Organizer
      2018 IEEE International Electron Devices Meeting
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2018-05-01   Modified: 2021-01-27  

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