| 研究課題/領域番号 |
22K12676
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分80040:量子ビーム科学関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
志岐 成友 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 (50342796)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2025年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
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| キーワード | 超伝導検出器 / フォノン / Ｘ線検出器 / モンテカルロシミュレーション / 機器分析 / 放射光 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
「SPA-STJ検出器において、SPAのフォノンの閉じ込め効率を上げ、STJ内に励起される準粒子数を増やせば、エネルギー分解能が改善するか？」という問いに対して、試作・評価・シミュレーションの三つの側面から迫る。試作は産総研の超伝導デバイス専用クリーンルーム（CRACITY）を用いて行う。試作した素子の評価は、現有する機器を用いて、0.3K における電流電圧特性およびＸ線検出特性の評価を通じて行う。シミュレーションは購入したマルチコアＰＣを用い、Ｘ線吸収に引き続いて起こる電子・フォノン・準粒子の挙動を Geant4 / G4CMP を用いたモンテカルロシミュレーションにより行う。
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| 研究実績の概要 |
エネルギー分散型X線検出器には、感度、エネルギー分解能、計数率が優れていることが求められる。一般には半導体検出器が用いられるが、エネルギー分解能が100eV程度であるため、微量元素の分離検出は難しいことが多い。ここで超伝導トンネル接合(STJ: superconducting tunnel junction)検出器を用いると、15eV 程度の優れたエネルギー分解能、1 mm2 の大面積、1Mcps の高計数率により、元素ごとの特性X線を分離して超高感度分析が可能となる。
STJ検出器にシリコンピクセル吸収体(SPA: Silicon pixel absorber)を付与すると、Ｘ線吸収スペクトルが測定できる帯域を従来の 1 keV 以下から 15 keV 付近にまで拡大でき、分析できる元素が大幅に拡大する。しかし、SPAを有するSTJ検出器についての研究は、動作原理や最適な形状など、基礎的な部分についてさえ不十分であり、過去に試作されたSPA-STJ検出器のエネルギー分解能は半導体検出器と同等で、実用の一歩手前である。
そこで本研究は、SPA-STJ検出器のエネルギー分解能を向上させることを目的として、SPAの形状がエネルギー分解能に与える影響を、試作とシミュレーションの両面から研究する。
SOI(Silicon-on-Insulator)基板を用いたSTJ検出器の試作に成功した。より高度な検出器ピクセルの設計を可能としX線分光器の性能を高めるとともに、半導体や導波路などと超伝導デバイスを組み合わせたモノリシックな量子デバイスの発展に寄与すると期待される。
またアプリケーションとして、PIXEに用いた際に、Si基板が吸収体としてX線検出特性に与える影響について研究した。ピクセル吸収体を用いたSTJ検出器のバックグラウンド除去法についての指針を与える結果が得られた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
申請時に計画していた内容は、ピクセル吸収体を有するSTJ検出器の試作と評価、および、ピクセル形状がエネルギー分解能に与える影響を明らかにすることである。試作は、超伝導薄膜成膜装置の不具合と試作依頼先(QuFAB)担当者に１年間の出向があり、マスクパターンの作成が進んでいない。試作依頼先担当者に頼らずに試作を進めるため、既にあるマスクパターンを流用し別機関の加工サービスを利用すること、SOI基板を用いたSTJ検出器を従来のマスクパターンを用いて試作することを検討した。SOI基板を用いたSTJ検出器の製作は難易度が高い課題であるが、SOIを用いるとピクセル加工する場合と似たフォノン収集効果がある。
別機関でのピクセル吸収体加工は、過去の科研費の課題の際に可能であったNIMSの微細加工プラットフォームでの技術代行の仕組みが無くなっていたため、今年度は諦めた。
SOI基板を用いたSTJ検出器の試作に成功した。SOIを用いたSTJ検出器試作の成功は、より高度な検出器ピクセルの設計を可能としX線分光器の性能を高めるとともに、半導体や導波路などと超伝導デバイスを組み合わせたモノリシックな量子デバイスの発展に寄与すると期待される。
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| 今後の研究の推進方策 |
SPA-STJ検出器の試作と評価、およびモンテカルロ法を用いたフォノン伝搬ミュレーションを継続する。
従来STJ検出器の一画素の大きさは100ミクロン角程度が上限であった。2022年度、本課題とは別に進めている研究の中で、ゼロ磁場中で冷却することにより、画素の大きさを200ミクロンと従来の４倍の面積にしても良好な電流電圧特性が得られることが明らかになった。この結果を踏まえ、本課題の試作内容の中に、ピクセルサイズを大きくすることにより梁の断面積の相対的な割合を減らすことを含めた。
新たな試作については、試作担当者が出向から復帰するまでの間、共用の試作装置を自力で利用することの検討、大面積STJ素子の試作、SOIを用いた製造プロセスの再現性の確認、X線検出特性とシミュレーションの比較を進める。試作担当者が出向から復帰した後は、試作とシミュレーションの結果をフィードバックしてピクセル吸収体を備えた素子の設計と製作を行う。
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