ダストに隠された宇宙の物質進化を暴く 極低温SOI赤外線イメージングの開拓

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 3次元半導体検出器で切り拓く新たな量子イメージングの展開
• 研究課題/領域番号: 25109005
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 和田 武彦 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (50312202)
• 研究分担者: 金田 英宏 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30301724) ; 渡辺 健太郎 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任講師 (30523815) ; 石丸 貴博 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (30788857)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 赤外線検出器 / 極低温動作集積回路 / FD-SOI CMO

研究実績の概要

最終開発目標である32x32素子BIB型ゲルマニウム遠赤外線画像センサーと5x5素子BIB型ゲルマニウム遠赤外線検出器の開発を行なった。また、評価に必要となる、32x32画素を1ms読み出せる画像センサー評価ボードの開発を行なった。
まず、雑音特性と動作電圧範囲を改善した改良型 32x32素子 FD-SOI CMOS CITA 読み出し集積回路(ROIC)の開発を行なった。次に、開発済みのシリコン支持型32x32素子Ge:Ga BIB型ゲルマニウム遠赤外線検出器とのバンプを行ない、32x32素子遠赤外線画像センサーを作成した。また、シリコン支持型5x5素子Ge:Ga BIB型ゲルマニウム遠赤外線検出器の極低温での光応答と暗電流評価を行ない、光応答として3.1 A/W、暗電流として50nAが得られた。光応答は期待どおりであったが、暗電流が大きいことが問題である。暗電流はピクセル間の印加電圧に依存しており、結晶表面でのリーク電流が存在している可能性がある。今後、表面処理の工夫等が必要である。
加えて、25素子FD-SOI CMOS TIA ROICの評価を行ない、設計通りの動作を行なっていることを確かめた。さらに、32x32素子FD-SOI CMOS CTIA ROICの評価を行ない、画素選択回路が設計通りの動作を行なっていることを確かめた。
読みだし集積回路に利用しているFD-SOI CMOSは支持基板部分に高純度のSiliconを用いているものである(Arai, Wada et al. 2011, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 636, S31-S36)。その支持基板部分に不純物層を形成できることに着目し、ROICのみ、バンプ無しで、128x128素子Si:B BIB型中間赤外線画像センサーを製造できることを実証した。
得られた結果は国際学会SOIPIX2017で発表した。また、結果の一部を査読論文として出版した(Suzuki, Wada et al. 2018, Japanese Journal of Applied Physics 57, 116701)。

現在までの達成度 (段落)

平成29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] “Evaluation of the compensation ratio of heavily-Ga doped Ge for far-infrared detectors in astronomy (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, Toyoaki; Kaneda, Hidehiro; Wada, Takehiko; Ukai, Souta; Hanaoka, Misaki; Shichi, Kazuyuki; Maeda, Hiroki; Oyabu, Shinki; Watanabe, Kentaroh
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 ページ: 116701
  • DOI: 10.7567/JJAP.57.116701
  • 査読あり
• [学会発表] 宇宙・天文とMEMS 技術:遠赤外線天文学で使われるMEMS 光学素子/検出器 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和田武彦
  • 学会等名: JOEM 光部品生産技術部会見学講演会 JAXA 宇宙科学研究所、2018 年7 月20 日
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙・天文とMEMS 技術 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和田武彦
  • 学会等名: 『共用施設から生まれるイノベーション』～ナノテクが 拓く未来～(2018/3/9);文部科学省 平成29 年度 微細加工ナノプラットフォームコンソーシアムシンポジウム、東京大学武田先端知ビル、2018 年3 月9 日
  • 招待講演
• [学会発表] Cryo-SOI 極低温集積回路とGe:Ga 遠赤外線検知器を用いた3D 積層遠赤外線イメー ジセンサーの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和田武彦
  • 学会等名: TIA 連携プログラム探索推進事業「かけはし」第2 回3 次元積層半導体量子 イメージセンサ研究会、つくば国際会議場、Monday, January 29, 2018
  • 招待講演
• [学会発表] Si支持型Ge BIB検出器とFD-SOI集積回路による遠赤外線画像センサの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石丸貴博，和田武彦，金田英宏，鈴木仁研，長勢晃一，池田 博一，磯部 直樹，山本 啓太，馬場 俊介，大薮 進喜，渡部 豊喜，花岡 美咲，志知 和幸，前田 浩希，齋藤 太志，新井 康夫，渡辺 健太郎，中屋 秀彦，宮地 晃平，大野 守史
  • 学会等名: 第62回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] Development of a far-infrared image sensor with Si-supported Ge BIB detector and FD-SOI cryo-CMOS ROIC hybritized by nano-particle deposition Au-bump (2017)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Wada, Yasuo Arai, Shunsuke Baba, Misaki Hanaoka, Takuma Hirose, Hirokazu Ikeda, Takahiro Ishimaru, Naoki Isobe, Hidehiro Kaneda, Akihira Miyachi, Koichi Nagase, Hidehiko Nakaya, Morifumi Ohno, Shinki Oyabu, Futoshi Saito, Kazuyuki Shichi, Toyoaki Suzuki, Toyoki Watabe, Kentaroh Watanabe, Keita Yamamoto
  • 学会等名: 2nd Workshop on SOI Pixel Detectors (SOIPIX2017) at OIST, Okinawa, Japan 10-15 December 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of silicon-supported germanium blocked impurity band detectors for infrared astronomy (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahiro ISHIMARU, Takehiko WADA, Akihira MIYACHI, Kentaroh WATANABE, Hidehiro KANEDA, Toyoaki SUZUKI
  • 学会等名: 2nd Workshop on SOI Pixel Detectors (SOIPIX2017) at OIST, Okinawa, Japan 10-15 December 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a cryogenic readout circuit based on FD-SOI CMOS for a far-infrared astronomical image sensor (2017)
  • 著者名/発表者名: Koichi Nagase, Takehiko Wada, Yasuo Arai, Hirokazu Ikeda, Shunsuke Baba, Toyoaki Suzuki, Morifumi Ohno, Takahiro Ishimaru
  • 学会等名: 2nd Workshop on SOI Pixel Detectors (SOIPIX2017) at OIST, Okinawa, Japan 10-15 December 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a Fabry-Perot spectrometer with high-spatial and spectral resolutions aboard a balloon-borne telescope for far-infrared astronomy (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Maeda, Toyoaki Suzuki, Takehiko Wada, Hidehiro Kaneda, Shinki Oyabu, Takahiro Ishimaru, Misaki Hanaoka, Kazuyuki Shichi, Hiroki Maeda, Kouichi Nagase, Toyoki Watabe, Futoshi Saito, Takuma Hirose, Kentaroh Watanabe
  • 学会等名: 2nd Workshop on SOI Pixel Detectors (SOIPIX2017) at OIST, Okinawa, Japan 10-15 December 2017
  • 国際学会
• [学会発表] A monolithic mid-infrared image sensor with SOI technology (2017)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Wada, Koichi Nagase, Yasuo Arai
  • 学会等名: 2nd Workshop on SOI Pixel Detectors (SOIPIX2017) at OIST, Okinawa, Japan 10-15 December 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Development of optical devices with Subwavelength Structure (2017)
  • 著者名/発表者名: Keita Yamamoto, Takehiko Wada, Makoto Mita, Akihira Miyachi
  • 学会等名: 2nd Workshop on SOI Pixel Detectors (SOIPIX2017) at OIST, Okinawa, Japan 10-15 December 2017
  • 国際学会