| 研究課題/領域番号 |
26249054
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| 研究機関 | 独立行政法人情報通信研究機構 |
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研究代表者 |
寺井 弘高 独立行政法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 研究マネージャー (10359094)
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| 研究分担者 |
日高 睦夫 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門超伝導計測信号処理グループ, 上席主任研究員 (20500672)
三木 茂人 独立行政法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 主任研究員 (30398424)
牧瀬 圭正 独立行政法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 専門推進員 (60363321)
山下 太郎 独立行政法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 主任研究員 (60567254)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 超伝導単一光子検出器 / 単一磁束量子論理回路 / モノリシック集積化 / 大規模アレイ |
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| 研究実績の概要 |
H26年度は、大規模超伝導単一光子検出器（Superconducting Single-Photon Detector: SSPD）アレイを実現するため、n x nピクセルからの読み出し信号線をn^2から2nに削減する構成について検討を行った。当初、列毎にバイアスを印可する手法で検討を進める予定であったが、大規模化するほどバイアスが印可されていない領域が増加し、全体として感度が低下することから、光子１つを検出するという究極の感度のイメージングセンサとしての魅力を失ってしまうことが判明した。そこで、つねに全ピクセルにバイアスを印可した状態で読み出し信号線を大幅に削減可能な構造を検討した。その結果、列側の読み出しには直流電流を遮蔽するキャパシタが必要になるものの、情報通信研究機構でこれまでに培った単一磁束量子（SFQ）論理回路による読み出し信号処理をそのまま流用できる大規模SSPDアレイ構成法を見出し、3 x 3規模のアレイで正常動作することをSPICEシミュレーションにより確認した。それ以上の規模でのスケーラビリティについては現在確認中である。
一方、SFQ回路による読み出し信号回路については、64ピクセルSSPDアレイ用の信号処理回路について、液体ヘリウム中で正常動作を確認した。しかしながら、回路の駆動に400 mA近い直流電流を必要とするため、冷凍機で動作させた場合、バイアス電流により配線で発生する熱による冷凍機の温度上昇が問題になることがわかった。現在、この問題を克服するために、超伝導配線の導入も視野に入れ検討を進めている。
大規模SSPDアレイを作製する上で鍵となる回路平坦化プロセスについても検討を行い、カルデラ法と呼ばれる手法でほぼ所望のデバイス構造を作製できることを確認した。
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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
大規模SSPDアレイの構成法について、小規模ではあるが提案手法が有効に機能することをSPICEシミュレーションで確認できた。今後、どこまで大規模化が可能か検討が必要であるが、一括バイアスで読み出し配線数を大幅に削減できる構成法を見出したことで、大規模SSPDアレイの実現に向けて着実に進展したと考えている。
一方、大規模SFQ回路を冷凍機で動作させる場合の問題点が明らかとなったが、初年度にこの問題が浮き彫りとなったことをむしろプラスに考えている。この問題は今後必要な対策を講じていくことで解決できると考えている。
大規模SSPDアレイの作製プロセスについても、最も重要となる回路平坦化プロセスをほぼ確立できたことは大きな進展と考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
大規模SSPDアレイの構成法については引き続き検討を行っていくが、現状の提案手法での動作実証も小規模アレイで進めていく予定である。
冷凍機内での大規模SFQ回路へのバイアス供給における問題については、配線の低抵抗化が必須となる。現状の真鍮製の同軸ケーブルをさらに低抵抗な材料に変えていく予定であるが、ケーブル接続点における接触抵抗やチップ周辺の抵抗についても十分な配慮が必要と考えている。また、冷凍機の40Kステージと4Kステージ間の配線に高温超伝導ケーブルを導入することも視野に検討を進めていく予定である。
一方、冷凍機の温度上昇を抑制するために、バイアス電流量そのものを削減することも有効である。SFQ回路に替わり、最近研究が活発化している断熱型超伝導論理回路（QFP）による信号処理も検討する予定である。QFP回路は数mAの交流電流で大規模な回路を駆動可能で、SFQ回路において問題となった直流の大電流を必要としない。小型冷凍機においてもほとんど温度上昇なく大規模な回路が動作可能と考えている。このようなことから、今年度からQFP回路に精通している横浜国立大学の竹内氏に研究分担者として加わってもらった。
SSPDアレイ作製プロセスについては昨年度導入したCMP装置を早期に立ち上げ、SFQ回路とのモノリシック集積化を視野に入れたプロセス開発を進めていく予定である。
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