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第3回CRAVITYシンポジウム
2015年3月18日
ニュートリノ物理のための
半導体‐超伝導複合遠赤外光子検出器
金 信弘 (筑波大学数理物質系)
他 Neutrino Decay Collaboration
Neutrino Decay Collaboration
金 信弘,武内勇司,武政健一,木内健司,永田和樹,笠原宏太,奥平琢也,市村龍哉,金丸昌弘,先崎蓮,
森内航也,八木俊輔 (筑波大学) ,池田博一,松浦周二,和田武彦,長勢晃一(JAXA/ISAS) ,新井康夫,倉知郁生,
羽澄昌史 (KEK) ,石野宏和, 樹林敦子 (岡山大学) ,美馬 覚 (理化学研究所) ,吉田拓生,廣瀬龍太,浅野千沙,
加藤圭騎,辻 紘也 (福井大学) ,加藤幸弘 (近畿大学) ,大久保雅隆,浮辺雅宏,志岐成友,藤井剛 (産総研) ,
Erik Ramberg , Jeonghee Yoo, Mark Kozlovsky, Paul Rubinov,,Dmitri Sergatskov (Fermilab) ,
Soo-Bong Kim (Seoul National University)
● はじめに
動機
宇宙背景ニュートリノ崩壊探索実験
● 遠赤外光子検出器(超伝導トンネル接合素子STJ)の開発
ニュートリノとは
宇宙の基本構成要素 素粒子 のひとつ
例えば,中性子の β 崩壊において生じる
 物質粒子(クォーク・電子と同類)
 電荷を持たない
 弱い相互作用のみ行う
長い間、質量が零であると思われてきたが,
1998年にニュートリノ振動現象が確立された
→ 小さいながら,零でない質量 を持つ
 他の物質粒子と比べて格段に軽い
なぜ? 特別な理由がある?
 質量が零でないことは判ったが,その絶対値
は測定されていない
「素粒子標準理論」の素粒子
 物質を構成する粒子(クォークとレプト
ン)
 力を伝える粒子(グルオン・光子・W,Z
2
素粒子の質量階層の問題
 素粒子の質量がなぜ11桁以上違うのか?
 同じ性質の(質量のみ異なる)粒子の繰り返し:
なぜ?
ニュートリノ質量の理解が先決
 まだ測定されていない
 質量二乗差 Dm2 はニュートリノ振動実験によ
り既知
本事業:ニュートリノ崩壊を観測し,質量を決定
重いニュートリノ  軽いニュートリノ + 光子
光子(赤外線領域)のエネルギーを測定
→ ニュートリノ質量の決定
W
3
,
   
3
2
2

 ニュートリノ: 寿命が長く、まれにしか崩壊しない。現在の寿命の下限 = 1012年
探索には大量のニュートリノが必要
加速器で作るのは不十分
宇宙に大量に存在するはずの 宇宙背景ニュートリノ が唯一の探索方法
宇宙論で予言されるが未観測  その観測は宇宙論検証の意義を持つ
ニュートリノ崩壊発見によるニュートリノ質量の測定
宇宙背景ニュートリノ の発見
それぞれが
非常に重要な発見
3
ビッグバン宇宙論と宇宙背景ニュートリノ
(CνB)
• ビッグバン宇宙誕生の数秒後→ 宇宙背景ニュートリノ CνB
• ビッグバン宇宙誕生の30万年後→宇宙背景マイクロ波輻射 CMB
CνB :
宇宙の極初期の情報を持つ 
約100個/cm3 と大量に存在 
宇宙起源の理解の重要な鍵
ニュートリノ崩壊探索のニュートリノ源
現行のν研究: 加速器ニュートリノ、大気ニュートリノ、原子炉ニュートリノを
用いた研究
4
宇宙背景ニュートリノの研究は世界でも未だ着手されていない。筑波大グループが
現行のニュートリノ研究
加速器ニュートリノ
大気ニュートリノ
原子炉ニュートリノ
KamLand
KamLand実験(東北大)
T2K実験(KEK/東京大/京都大)
OPERA実験(名古屋大/INFN(イタリア))
Super-Kamiokande
(東京大/KEK/京都大)
Double Chooz実験
(IN2P3(フランス)/東北大/東工大)
宇宙背景ニュートリノ
Neutrino Decay実験
(筑波大/JAXA ISAS/KEK/FNAL(米))
世界初の宇宙背景ニュートリノ観測研究
ニュートリノ崩壊で生成される光子のエネルギー
ニュートリノ2体崩壊
 → , + 
 
3
2
2
32 − 1,2
 =
23
•
ニュートリノ振動実験結果
–
2
Δ23
= |32 − 22 | ~ 2.4 × 10−3  2
2
– Δ12
~ 7.65 × 10−5  2
•
宇宙観測結果
( Planck+WP+highL+BAO)
– ∑ < 0.23 eV
 50meV<3 <87meV
 =14~24meV ( =51~89m)
m3=50meV
E =24.8meV
(50)
m2=8.7meV
m1=1meV
E =24meV
(52)
E =4.4meV
(282)
dN/dE(a.u.)
光子エネルギー分布
Red Shift effect
 →  + 
3 = 50 meV
Sharp Edge with
1.9K smearing
 [meV]
(波長)
6
宇宙赤外線観測による宇宙背景ニュートリノ崩壊の探
索
宇宙赤外線光のエネルギースペクトル
可視光
遠赤外線
近中赤外線
黄道放射
電波
CMB
黄道光
銀河進化
モデル
高エネルギー
カットオフ
(25meV)
エネルギー連続スペクト
ル(=黄道放射+宇宙背
景ニュートリノ崩壊光)
を測定
ニュートリノ崩壊の信号
=高エネルギーでの急激
なカットオフ
宇宙背景ニュートリノ
崩壊光
これまでは離散的な測定の
み:
宇宙背景赤外線輻射CIB の
測定結果
( AKARI衛星,  COBE衛星)
天文観測としての重要性
 初代天体収縮時の水素分子線
 残骸ブラックホールの降着円盤
 初代重元素ダスト熱放射
ニュートリノの現在の寿命下限は 3 ×1012年。
ロケット実験で100倍の検出感度(寿命1014年まで観測可能)
左右対称模型の理論予言値は~1017年(衛星実験で検出可能) *宇宙遠赤外線は大気で吸収され
るので,大気圏外での観測が不可
宇宙背景ニュートリノ崩壊探索ロケット実験・衛
星実験
ロケット実験計画: 2018年に高度200 kmで5分間データ収集
ニュートリノ寿命が1014年以下なら観測可能。(現在の寿命下限は 3×1012
年).
»超伝導トンネル接合素子 (STJ) 赤外線検出器を開発
50 Nb/Al-STJ ピクセルアレイと回折素子で遠赤外線エネルギー測定
遠赤外線
望遠鏡
JAXA Rocket
CIB Experiment
(Feb 2, 1992)
毎秒光子数/ピクセル~300Hz
2020以降に衛星実験 → 寿命τ(ν3) ~1017年なら観測可能
˃
Hf-STJ 赤外線検出器で衛星実験 ( S. H. Kim et al. JPSJ 81,024101 (2012))
8
  =  : ハフニウムの超伝導エネルギーギャップが小さいので、回折格子な
しでエネルギー測定。
遠赤外光子検出器(超伝導トンネル接合素子STJ)の
開発
超伝導トンネル接合素子検出器
STJ (Superconducting Tunnel Junction)Detector
• 超伝導膜 / 絶縁膜 / 超伝導膜 ジョセフソン結合
入射粒子によって、超伝導体のエネルギーギャップの上
に励起された準粒子はトンネル効果でトンネル障壁を通
過。そのトンネル電流を測定することによって、個々の
入射粒子のエネルギーを測定。
励起電子(準粒子)
入射粒子
STJ I-V曲線
ジョセフソン電流
Critical current Ic
2Δ
Normal resistance
Rn in |V| > 2Δ/e
クーパー対
S
I
S
エネルギーギャップΔが、通常の検出器(半導
体検出器等)に比べて桁違いに小さい
リーク電流
( Dynamic resistance
Rd in |V| < 2Δ/e)
低エネルギー放射線を高エネルギー
分解能で一光子ごとに測定できる
Nb/Al-STJ光子検出器
バックトンネル効果→ トラッピング・ゲイン
300nm
Nb/Al-STJ中の準粒子数
 トンネルバリアの近傍の準粒子は,次々とトン
ネル効果を引き起こし電荷を増幅する
– トンネルバリアの近傍の準粒子の存在確率を上げる
ためトラップ層を置く
– Nb/Al-STJ
Nb(200nm)/Al(10nm)/AlOx/Al(10nm)/Nb(100nm)
• 近接効果によりAlの超伝導転移温度はNbの転移
温度に近づく
 増幅効果 2~200倍
GAl : Alのトラッピングゲイン(~10)
E0 : 入射光子エネルギー
Δ : エネルギーギャップ
25meVの一光子に対して
Si
Tc[K]
Δ[meV]
1100
Nb
Al
9.23
1.20
1.550
0.172
11
ニュートリノ崩壊探索実験からの要請
• Nb/Al-STJで25meV(=50m)の光子をS/N>5で一光子計数
– 出力100e程度 
増幅器に対する要請





ノイズ20e 以下
STJと同じ温度で動作(0.3K程度)
1MHz 以上の帯域
STJ 50x8 pixel array に対し合計
電力消費< 400μW
500V/DIV

ノイズ20e以下、リーク電流ゆらぎ20e以下
1s/DIV
STJに対する要請

STJのリーク電流0.1nA以下
波長465nmの短レーザーパルスに対
する応答
SOI上に形成したNb/Al-STJ の光応答
STJの応答時間は,1s程度
12
目標: 遠赤外光子(エネルギー 15 – 30 meV ,波長λ= 40 -80μm) の一光子検出
2014年度の改良
at 1.8K in 2013
 測定装置
4He 減圧冷凍機 (1.8K)
→ 3He ソープション冷凍機 (0.3K)
- より速いテストサイクル( 2日 )
 Nb/Al-STJの構造
Nb/Al/Al2O3/Al/Nb膜厚
(エネルギーギャップΔ)
100nm/10nm/1nm/10nm/200nm
(Δ=1.2meV )
KEK先端計測開発棟プロセス
装置で作成(~2013)
→100nm/70nm/1nm/70nm/120nm
(Δ=0.57meV ))
産総研CRAVITYプラット
フォーム で作成(2014~)
信号ノイズ比を10倍改善した。
Signal for 465nm laser light at 0.4K in 2014
For N(photon)~10
2V/DIV
40us/DIV
Charge amplifier output
For N(photon)~10
13
Nb-Al/STJ検出器のリーク電流
 リーク電流に対する要求値 0.1nA以下:遠赤外一光子 (λ= 40 -80μm)の検
出.
リーク電流 vs 温度
リーク電流
vs
温度
by T. Fujii (AIST)
50μm x 50μm
100μm x 100μm
Ileak∝ 


−
2014年
リーク電流0.2nA
(300μV)
2013年
リーク電流 10nA
(500μV)
2014年に
産総研グループが参加しCRAVITYプラット
フォームを用いてNb/Al-STJ を作成
STJ の大きさ
サンプル数
Ileak at 0.3mV
50 x 50μm2
18
224±29 pA
リーク電流は我々の要求値 0.1nA以下を 20 x 20 μm2
満した .
2
7
10 x 10 μm
20
39±13 pA
14
14±7 pA
半導体‐超伝導複合遠赤外光子検出器
SOI-STJ一体型検出器の開発

SOI-STJの開発
 SOIは,極低温(4K)で増幅器が動作し
た実績がある.


FD-SOI -MOSFET
Nagata et al., AIPC 1185, 286-289 (2009)
~
50nm
SOI-STJは,SOI基板の上に直接STJ
を形成する野心的な試み→STJ ピク
セル検出器の可能性
STJ
SiO2
16
SOIとSTJのVia
を介した接触部
SOI pre-Ampへ
試作SOI-STJ-v1,v2
640 um
via
STJ
FET
SOI基板上へのNb/Al-STJプロセスは,
KEK先端計測開発棟プロセス装置を使用
G
D
D
G
STJ
C
S
SOI-STJ1号回路図
S
SOI-STJ2号回路図
700 um
capacitor
SOI-STJ2号機パターン(STJプロセス後)
SOI-STJの利点
STJ検出器からの配線の引き回しが不要
 良いS/N
 STJアレイ化が容易
 低消費電力
17
SOI-STJ一体型検出器上のNb/Al-STJの性能
SOI基板上にプロセスしたNb/Al-STJ (50 x 50μm2 )のI-V
曲線を測定。
700mK (希釈冷凍機を用いた)
 Nb/Al-STJのI-V 曲線
1 mA /DIV.
2 mV /DIV.
Ic~200μA
1 mA /DIV.
2 mV /DIV.
 0.5mVでのリーク電流は6nA。
通常のNb/Al-STJ (100um 角) の
リーク電流 10nA.に近い。
B=35 G
10 nA /DIV.
500μV /DIV.
 SOI-STJ 一体型検出器の
Nb/Al-STJの可視光
( 465nm )パルスへの応答
信号
50μA /DIV.
2mV /DIV.
 Quality Factor
(Rdynamic/Rnormal)
Si 基板上 : 5 x 105
SOI基板上 : 3 x 105
18
SOI-FET の極低温下での動作
 SOI基板上にNb/Al-STJを形成後のFETのI-V曲線
 希釈冷凍機で測定
pMOS(750mK)
-Ids [A]
Ids [A]
nMOS(690-750mK)
1mA
1A
Width = 1000um
Length = 1um
Width = 1000um
Length = 1um
1nA
1pA
Vgs[V]
 800mK以下でnMOSもpMOSもFETとして動作
Vgs[V]
19
-Ids [A]
nMOS
pMOS
Vgs[V]
Vgs[V]
gm [S]
gm [S]
Ids [A]
SOI-FET性能 の温度依存性
Vds[V]
Width = 1000um
Length = 1um
温度が下がるほど
スレッシュホール
ド電圧の絶対値が
大きくなり、立ち
上がりも急になる。
温度が下がるほど
gmが少し大きくなる。
Vds[V]
20
SOI-FET の極低温下での動作
極低温 100mKでも
SOIFETは正常に動作.
Ids [A]
●
Vgs[V]
● 680mKでの動作時の消費電力
Vds = 0.5 V (red line)
:saturation region
Ids = 0.09 μA at Vgs = 0.8V
消費電力 = 0.5 V ×0.09 μA
= 45 nW/FET for W/L=1.42μm/0.42μm
400FET’s → 18μW
Ids [A]
W/L=1.42μm/0.42μm
V21
ds[V]
Channel W/L 依存性
SOI-FET
Channel
Width(w)
Channel
Length(L)
W=1um×4
L = 1um
W=1.42um
L = 0.4um
W=10um×4
L = 1um
@830mK
@830mK
@830mK
これらの極低温でのI-V曲線データを回路シミュレー
ターの入力パラメーターとして,今後の回路設計に用
いる
22
先崎・2014年秋季大会トラぺより
低温での増幅動作
測定回路
 = 0.9V
入力:
10m
1.8V
Ids [μA]
 − @ 950mK,  =0.5V
 =0.145mS
R=100k
= 100kΩ
出力
 =0.5V
NMOS
W=1.42μm
L =0.4μm
冷凍機
Ids [μA]
SOI-STJ
  @ 950mK,  =0.9V
Vgs [V]
 =132k
⇒ 予想される増幅率
 =  × (|  ~. 
Vds [V]
23
先崎・2014年秋季大会トラぺより
低温での増幅動作
測定された波形 @ 950mK
期待される値  ~. 
増幅率の周波数依存性
1kHz 10kHz
 期待された通りの信号増幅を確認
•
周波数応答は 極低温で~1kHzまで
– 出力インピーダンスが数百kΩと高いため同軸ケーブルで読み出そうとすると周
波数応答が悪くなる
– 低温時の周波数耐性悪化は,長い冷凍機配線によるケーブルキャパシタンスの
24
ため
SOI-STJ 3号機の開発
Nb/Al-STJ の信号の増幅器として、
SOI-STJ-v3 試作器を設計試作.
1. 負荷抵抗の代わりにFETを用い飽和領域で動作。
定電流源として使用。 高抵抗→高い増幅率
2. バイアス電圧をFETの耐圧以下で使用可→ 省電力
3. 出力インピーダンスを下げるため→バッファ段.
消費電力が 120μW以下になる (W/L)比が小さいFETを
用いた.
2014年夏より産総研グループがSOI-STJ開発の共
同研究に参加し,CRAVITYプラットフォームを用
いて,SOI基板上にSTJを作成中.
25
先崎・2014年秋季大会トラぺより
SOI-STJ-v3 バッファ回路の導入
増幅率の周波数依存性 @室温
~5kHz ~100kHz
OUT
増幅率
IN
増幅段のみ
増幅段+バッファ段
増幅段
バッファ段
出力インピーダン
スを下げる
入力信号の周波数 [Hz]
⇒ 室温で、バッファ段による周波数応答の改善を確認.
26
SOI-STJ-v3 のFETの低温での動作確認
⇒ 極低温0.36Kで、FETが正常に動作.
27
Hf-STJ検出器の開発
Hf-STJ検出器の エネルギー分解能
マイクロカロリメータ: Hf-STJでは, 25meVの光子はクーパー対を壊して,エネルギーを2%の
精度で測定するのに十分な数の準粒子を生成する。Δ(Hf)=0.021meV
STJ 検出器エネルギー分解能
 E  1.7D( FE)
Δ:
F:
E:
エネルギーギャップ
Fano factor (= 0.2)
入射粒子エネルギー
ハフニウム Hfを超伝導体として用い ると ,
 E / E  1.7%
Material
Niobium
at E  25meV
9.20
Aluminum 1.14
Hafnium
0.13
1.550
0.172
0.021
Tc : 転移温度
Tcの1/10程度の温度で運転
我々がHf-STJ のSIS構造を
世界で初めて観測(TIPP2011で報告)
目標: ニュートリノ崩壊探索実験のために遠赤外一光子のエネルギーを2%の分解
能で測定する。
Hf-STJ (100x100m2 )のI-V曲線
• T~40mK, Ic=10μA, Rd=0.6Ω
B=10 Gauss
B=0 Gauss
STJ size
# of samples
Rd
200 x 200μm2
3
0.22±0.01 Ω
100 x 100 μm2
3
0.60±0.10 Ω
30
Hf-STJ の光応答信号
光応答 ( 可視光レーザー 456nm 100kHz)
電流電圧曲線
Hf(250nm)
Hf(350nm)
Si wafer
HfOx:20Torr,1hour 1.5nm
陽極酸化膜:45nm
100×100μm2
T=39~53mK
Rd=0.6Ω
赤;光照射
黄:光照射なし
電流増加10μA
at 20 μV
Hf-STJの光応答信号を
世界で初めて観測
V : 20μV/div
実用化には、リーク電流の減少が大きな課題。STJサイズを小さくして試験中。
まとめ






ニュートリノ崩壊探索のための検出器開発
 分光素子 + Nb/Al-STJによる遠赤外線光子計数
 SOI-STJによるSTJ信号の超低ノイズ読出し
SOI-STJ上のSTJ: 正常動作を確認
SOI-STJのSOI基板中の nMOS, pMOS: 極低温 <0.8K で正常動作を
 温度依存性:閾値電圧は移動,急激な立ち上がり,gmは若干増加
 極低温下での増幅を確認
STJに関して産総研と共同研究(産総研のCRAVITYプラットフォームで
STJ形成)
 Nb/Al-STJ試作機は実験要求のリーク電流0.1nA以下を満たす。
 新しいSOI-STJ-v3は,現在SOI基板上にSTJ作成中。
今後の予定
STJ信号のSOI-FETによる増幅の確認
SOI電荷積分増幅器部の回路設計
32
Backup
33
Publications and Talks on STJ R&D in JFY2014 (1)
Papers and Proceedings
1.
2.
3.
"Development of Superconducting Tunnel Junction Detectors as a far-infrared single photon detector for
neutrino decay search", Y. Takeuchi et al. To be published as Proceedings of Science(TIPP2014)155
"Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detector on SOI Preamplifier Board to Search for
Radiative decays of Cosmic Background Neutrino", K. Kasahara et al. , Proceedings of Science(TIPP2014)074
"Search for Cosmic Background Neutrino Decay", S. H. Kim et al., JPS Conf. Proc. 1, 013127 (2014)
Talks in International Conferences
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
"Development of Superconducting Tunnel Junction Detector Using Hafnium for Neutrino Decay Search"
K.Takemasa IEEE nuclear science symposium and medical imaging conference 2014@Seattle, USA, Nov. 8-15,
2014
“Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detector with SOI Preamplifier Board to Search for
Radiative Decays of Cosmic Background Neutrino", T. Okudaira, (Poster ), IEEE nuclear science symposium
and medical imaging conference 2014, Seattle, USA, Nov. 8-15, 2014
"Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detectors for Cosmic Background Neutrino Decay
Search" S.H. Kim 2nd International Workshop on Superconducting Sensors and Detectors
(IWSSD2014)@Shanghai, China, Nov. 5-8, 2014
”Experimental search for the cosmic background neutrino decay in the cosmic far-infrared background", Y.
Takeuchi Tsukuba Global Science Week 2014(TGSW2014) @Tsukuba, Japan Sep.28-30, 2014
”Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detector with SOI Preamplifier board to Search for
Radiative decays of Cosmic Background Neutrino", T.Okudaira TGSW2014@Tsukuba, Japan Sep.28-30, 2014
"Development of Superconducting Tunnel Junction Detectors as a far-infrared single photon detector for
neutrino decay search" Y. Takeuchi Technology and Instrumentation in Particle Physics 2014 (TIPP
2014)@Amsterdam, the Netherlands, Jun. 2-6, 2014
"Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detector on SOI Preamplifier Board to Search for
Radiative Decays of Cosmic Neutrino Background" K.Kasahara Technology and Instrumentation in Particle
Physics 2014 (TIPP 2014)@Amsterdam, the Netherlands, Jun. 2-6, 2014
Publications and Talks on STJ R&D in JFY2014 (2)
Master Theses
1.
2.
3.
4.
笠原宏太「ニュートリノ崩壊からの遠赤外光探索のためのSOI-STJ一体型検出器の開発研究」修士論文(筑
波大)2014年2月 数理物質科学研究科長賞受賞
奥平琢也「ニュートリノ崩壊光探索のためのニオブとアルミニウムを用いた超伝導トンネル接合素子光検出
器の開発研究」修士論文(筑波大) 2015年2月
市村龍哉「ニュートリノ崩壊光探索のためのハフニウムを用いた超伝導トンネル接合素子光検出器の研究開
研究開発」修士論文(筑波大) 2015年2月
金丸昌弘「ニュートリノ崩壊探索ロケット実験の設計のためのシミュレーション解析」修士論文(筑波大) 2015
年2月
Talks in JPS and Domestic Workshops
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
"Development of STJ detector for cosmic background neutrino decay search", K. Takemasa, 新学術領域
研究「ニュートリノフロンティア」研究会 2014, 山梨県,2014年12月21-23日
"R&D status of the SOI-STJ detector", T. Okudaira, 新学術領域研究「ニュートリノフロンティア」研究会
2014
"R&D status of the cold preamplifier", R. Senzaki, 新学術領域研究「ニュートリノフロンティア」研究会 2014
"Far-Infrared source R&D", R. Hirose, 新学術領域研究「ニュートリノフロンティア」研究会 2014
"宇宙背景ニュートリノ輻射崩壊探索実験に向けたSOI-STJ一体型遠赤外光検出器開発", 武内勇司, 第4回
可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2014年12月3-4日
"ニュートリノ崩壊光子探索用STJ検出器の較正に用いる遠赤外線源の開発", 廣瀬龍太, 日本物理学会
2014年秋季大会, 2014年9月18日
"ニュートリノ崩壊光探索のためのNb/Al-STJの研究開発V", 森内航也, 日本物理学会2014年秋季大会
,2014年9月19日
"ニュートリノ崩壊からの遠赤外光探索のためのSOI-STJ検出器の研究開発", 先崎蓮, 日本物理学会2014
年秋季大会,2014年9月19日
宇宙背景ニュートリノ崩壊探索実験計画
2015
(H27)
2016
(H28)
実験設計
2017
(H29)
2018
(H30)
2019
(H31)
2020
(H32)
人工衛星による実験設計
ロケット実験設計
超伝導STJ検出器
極低温1Kエレクト
ロニクス、読み出し
回路
分光素子・光学系
極低温冷凍機
測定+解析
Nb/Al-STJ
(SOI-STJ)
設計・開発
製作
遠
赤
外
Hf-STJ設計・開発
Nb/Al-STJ設計・開発
線
観
設計・開発
製作
測
ロ
ケ
製作
設計・開発
ット
実
設計・開発
製作
験
解析プログラム作成
(衛星実験に向けて)
シミュレーション
*本特別経費による実施項目は
で示す。
設計・製作
設計・製作
設計・製作
解析
Expected Photon Energy Spectra
Cosmic Infrared Background
Neutrino Decay (τ=1.5 x 1017year)
Sharp edge with 1.9K smearing
with detector resolution of 0% to 5%
Red shift effect
信号検出の可能性
宇宙赤外線背景輻射 +
ニュートリノ崩壊からくる光子の
エネルギー分布(E0=25meV,
τ=1.5 x 1017年)
宇宙赤外線背景輻射
ニュートリノ崩壊光
直径20cm、視野0.1度の望遠鏡
10時間の測定、検出効率100%
(衛星実験)
dN/dEγ
d2Nγ/dEγ2
6.7σ
● 2%以下のエネルギー分解能が必要。
● 質量50meV, 寿命1.5 x 1017年のν3の崩壊
は6.7σで観測可能。
● 現在の寿命下限(AKARI) 3 x 1012年
S.H. Kim et al. JPSJ 81 (2012) 024101
宇宙大規模構造の起源
Planck衛星によって観測し
た
宇宙背景輻射の温度ゆらぎ
宇宙背景輻射の温度ゆらぎを表す角
度相関のパワースペクトルの理論予
言(ニュートリノ質量に依存)
ニュートリノなし
no
’s
質量が0
m  0
質量の和が1eV Sm  1eV
高温部分の
角度相関
温度ゆらぎの決定要因:
暗黒物質、暗黒エネルギー、
ニュートリノ
↓
物質密度の高低を決める
即ち宇宙大規模構造を決定する
大
角度スケール (180°/l)
小
温度が高い所 = 銀河物質密度の高い所
宇宙背景ニュートリノが存在し、質量が大きくな
るほど
大角度部分のゆらぎが大きくなる
ニュートリノの質量の決定は宇宙大規模構造の形成理解に必須。
↓
宇宙物質起源の解明
STJバックトンネリング増幅効果
• トンネルバリアの近傍の準粒子は,次々とトンネル効果を引き起こし
電荷を増幅する
– トンネルバリアの近傍の準粒子の存在確率を上げるためトラップ層を置く
– Nb/Al-STJ Nb(200nm)/Al(10nm)/AlOx/Al(10nm)/Nb(100nm)
• 近接効果によりAlの超伝導転移温度はNbの転移温度に近づく
• 増幅効果 2~200倍
放射線(光子)
Nb
Al
Al
Nb
40
Nb/Al-STJ光応答信号
赤外線レーザー(λ=1.31μm),可視光レーザー(λ=456nm)に対する応答信号
STJ size 100 x 100μm2 Infrared light(1.32μm) 10pulses
T=1.8K (He減圧冷凍機)
Noise ~(19±2)photon相当
(
光
フ
ァ
イ
バ
ー
で
入
射
)
赤
外
線
レ
ー
ザ
ー
お
よ
び
可
視
光
レ
ー
ザ
ー
1k
I
Read
STJ
V
Read
STJ size 4μm2
Visible light (456nm) 2pulses
レーザーパルス幅 50ps
パルス間隔20ns
現在のノイズの大きさはプリアンプの
ノイズで決まっている。
41
Noise ~(2.5±0.4)photon相当
SOI(Silicon on Insulator)と極低温でのふるまい
Silicon on Insulator ・・・FET等の素子を絶縁膜上に形成する技術。
•
通常PN接合逆バイアスによる空乏層で素子間を分離するのに対し、絶縁膜によ
り分離されるためクロストークノイズが小さく、集積化に優れている。
Bulk-CMOS
極低温での動作
SOI-CMOS
通常、極低温ではFETはキャリアの移動度が上昇する事により、空乏層で電荷
が次々と生成されてしまう。 ・・・過電流や閾電圧の変動といった誤作動の原因
FD-SOI
PD-SOI
•
空乏層領域の非常に薄いFD-SOIプロセ
スによって形成されたデバイスでは上記
の誤作動が抑えられる。
•
また、source-tie typeを用いる事で、空乏
層内で発生した電荷がBodyに帯電する
ことをふせぐ。
42
SOI-STJ 2号試作機
SOI-STJ 1号試作機の問題点
 STJのBias電圧及び、Gate電圧の調節が難し
い。
 Gate Capacitance が非常に大きいFETを使用
しているため、STJの生成電荷数に対する
Gate電圧変化が十分に得られない。
波長50μmの1photonに対して予想
SOI-STJ2
される電流変化16pA(100e)に対して
のDrain電流のシミュレーション結果
STJの疑似信号
SOI-STJ2 Layout
100k
50M
STJ
Gate Drain
C Source
3M
Simulation回路
SOI-STJの2号試作機も0.8KでSOIとSTJの基
本性能が正常であることを確認。
光応答信号をSOI MOSFETで増幅して観測す
ることを目指して試験中 .
75 pA
3photon
16 pA
1.5 μs
2photon
1.5 uS
1photon : 300 μV
2photon : 700 μV
3photon : 1 mV
1photon
[uS]
43
SOIFETの増幅器としてのふるまい
FET単体で最も単純に増幅作用を得られるソース接地増幅
回路としてのふるまいを極低温にて確かめた.
この回路における増幅率は
W=10um*4 , L=1um
Gm=0.003769
W=1um*4 , L=1um
Gm=0.0003469
44
SOI-STJ 2号試作機SOIFETの性能試験結果
I-V 曲線の温度依存性
w=1.42um, l = 0.4um
設定した増幅率26.7
実測値 27
相互コンダクタンスの温度依存性
w=1.42um, l = 0.4um
増幅率の
周波数依存性
極低温における増幅器として十分使用可能。
SOI-STJ3
SOI-STJ2の性能評価を現在行っているが、これより
安定した動作が実際の実験では要求される。
読み出し回路のテストのため、
SOI-STJ3を設計。
(400uW以下になる様にW/Lを選択)
SOI-STJ2との違い
①前回までは負荷抵抗を用いていたが、PMOSに変更。
飽和領域で動作させ、O(107~8)Ohm
②増幅に用いるNMOSのバイアス電圧がかなりふらつく。
抵抗のフィードバックを入れる事で適切なバイアス点で落
ち着かせる。波形はこの抵抗と増幅のためのNMOSゲー
トキャパシタンスのRCで決まる。
③不可抵抗をPMOSにしてGAINは100程度に設定できた
が、出力インピーダンスが非常に高くなってしまっている。
出力前にバッファを入れる。
現在Lapis semiconductorにて成膜中、
完成後,性能評価をおこなう。
46
SOI-STJ4 回路
chip
10um
1.6um
STJ
16nA
130mV
10nA
100fF
ここに数式を入力します。
1nF
1.33V
1kOhm
603mV
500mV
SOI (Silicon-On-Insulator) 前置増幅器 :
極低温1Kで動作する低ノイズ前置増幅器.
Nb/Al-STJ(Superconducting Tunnel
Junction)を SOIトランジスタの基板上に一体
型で作成した.Nb/Al-STJ 赤外線検出器と
SOIトランジスタが共に750mKで正常に動作
した.世界初の検出器.
I (1mA /DIV.)
V (2mV /DIV.)
産学連携: 筑波大・KEKグ
ループが設計したSOI前置増
幅器基板をLAPISセミコンダク
ター社が製作、産総研が基板
上にSTJを作成する。試作機の
性能試験を筑波大で行ってい
る。
現在、ノイズを低減する改善を順調に進めており、今後2年間で開発を終了して実際の測定装
置の製作に着手する。製作開始の2年後の2018年に完成した測定装置をロケットに搭載して、
ロケット実験を実施。