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SOI-STJ一体型光検出器研究開発
測定器開発室 SCD review
2014 Mar. 18th
筑波大学素粒子実験研究室
笠原 宏太
Mar. 18th 2014
SCD review
1
SOI-STJ導入の動機
Nb/Al-STJは原理的には遠赤外光1光子の観測が可能であるが、それには至ってい
ない。
原因としては、冷凍機内部からの配線の引き回しを経て、常温で信号を増幅してい
るため、その間に信号がノイズに埋もれてしまう。
極低温(4K程度)で動作するアンプを用いれば、冷凍機内部に設置し、STJの
信号がノイズに埋もれる前に増幅し、冷凍機外部で読み出せる。
JAXAにより、FD(Fully-Depleted)-SOIプロセスで形成されたSOIFETが4Kで動作するとの
報告。筑波大学素粒子実験研究室ではKEK測定器開発室SOIグループにも所属して
いる。
SOIFETとSTJ検出器を組み合わせ
たSOI-STJ検出器の導入。
AIPC 1185, 286-289 (2009)
Mar. 18th 2014
SCD review
2
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。
極低温での動作
Bulk-CMOS
通常、極低温における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。
・・・過電流や発生した電荷がBODY領域に帯電することによる閾電圧の
変動等の誤作動の原因となる。
FD-SOI
PD-SOI
SOI-CMOS
 チャンネル領域が薄い(空乏層領域の小さい)FD-SOIプ
ロセスによって形成されたMOSFET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。
Mar. 18th 2014
SCD review
3
SOI-STJ
Via(W)によるSOI回路層と
STJとの電気的接触
SOI-STJ1号 Layout
SOI wafer
SOI-STJとは…
増幅器の形成されたSOI基板上に直接STJを形成
した極低温読み出し回路一体型検出器
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のマルチチャンネル化にも対応可能
 低消費電力
STJ
100um x 100um
Drain
Gate
FET
STJ
50um x 50um
Mar. 18th 2014
STJ
SCD review
Source
導入段階として、MOSFET
単体(Channel width=10um
x 100、Channel
Length=1um)
とNb/Al-STJによる試作
(SOI-STJ1号)の性能評価を
行った。
4
SOI-STJ1号研究開発のまとめ①
Nb/Al-STJ Leak Current
Ileak∝

−
検出器の持つノイズとして、リーク電流が挙げられる。この原因としては熱励起に
よるクーパー対の破壊(緑曲線)と不完全なjunctionの形成(赤点線)が挙げられる。
遠赤外光1光子の3σ以上での観測にはリーク電流100pA以下という要求(Gal=10)。
 Junctionの不完全な形成によるリーク電流はjunctionサイズを小さくする事
で達成できる見込み。
現在評価中
 熱励起によるリーク電流が100pA以下になるのは,900mK程度となる。
SOI-STJはNb/Al-STJのリーク電流100pA以下を達成するためにSOIFETは900mK
以下で動作することが要求される。
690mK-720mK
Mar. 18th 2014
750mK
SCD review
極低温800mK以下でnch及びpchの
SOIFETがどちらも正常に動作する事
を確認した。
5
SOI-STJ1号研究開発のまとめ①
Nb/Al-STJ Leak Current
Ileak∝

−
検出器の持つノイズとして、リーク電流が挙げられる。この原因としては熱励起に
よるクーパー対の破壊(緑曲線)と不完全なjunctionの形成(赤点線)が挙げられる。
遠赤外光1光子の3σ以上での観測にはリーク電流100pA以下という要求(Gal=10)。
 Junctionの不完全な形成によるリーク電流はjunctionサイズを小さくする事
で達成できる見込み。
現在評価中
 熱励起によるリーク電流が100pA以下になるのは,900mK程度となる。
SOI-STJはNb/Al-STJのリーク電流100pA以下を達成するためにSOIFETは900mK
以下で動作することが要求される。
極低温800mK以下でnch及びpchの
SOIFETがどちらも正常に動作する事
を確認した。
PMOS
相互コンダクタンスにも致命的な変化
は見られず。極低温における増幅器
として十分導入可能。
NMOS
Mar. 18th 2014
SCD review
6
SOI-STJ1号研究開発のまとめ②
I- V- I+ V+
16個のpatternの内、SOIFETの形成されていないpatternを使用し
て、希釈冷凍機による700mKでのNb/Al-STJ(50um x 50um)の性
能評価を行った。
測定回路
Wire
Bonding
1K
Ohm
Refrigerator
2.9mm角 SOI-STJ Layout
1 mA /DIV.
1 mA /DIV.
2mV /DIV.
Mar. 18th 2014
約150 Gauss印加
50uA /DIV.
2mV /DIV.
 SOI上の形成したNb/Al-STJでジョセフソン接
合素子特有のI-V特性を確認。Leak Current
at 0.5mV ~6nA(Si wafer上に形成したものと
ほぼ同じquality)
2mV /DIV.
 同時にVia(W)によるSTJとSOI回路層の電気
的接触を確認した。
10 nA /DIV.
500uV /DIV.
SCD review
7
SOI-STJ1号の問題点とSOI-STJ2号の導入
 STJの光応答信号を増幅するとしたら、試作機としてのSOI-STJでは難しい。
 STJの発生電荷量に対してGateのキャパシタンス(8pF)が大きすぎるため、電
圧変化ΔVgsが得られない。
 STJのバイアス電圧とFETの適切なGate電圧を独立に決められない。
SOI-STJ2号
Drain
Gate
C
Source
 STJの光応答の増幅作用を見るため、SOI-STJ2号を設計。
 STJとFETのゲートをCにより電位を分離し、独立にバイアス電圧を設定できる
ように変更。
 同じ発生電荷量でもΔVgsが大きくなるように、Gateのキャパシタンスを小さく。
SOI-STJ2 Layout
a
c
i
k
b e
d g
j
l
m
o
Mar. 18th 2014
波長50um1光子の入射に対して
予想される出力(Gal=10を仮定)
CELL名
Capacitance
FETの大きさ
Cgate
f
h
a, b, c, d
60 pF
w = 4 x 10um, l = 1
um
320 fF
e, f, g, h
18 pF
w = 4 x 1um, l =
1um
32fF
2photon
n
p
I, j, k, l
1.5 pF
w = 1.42 um , l =
0.4um
4.5fF
1photon
m, n, o, p
なし
w = 1.42 um , l =
0.4um
4.5fF
SCD review
3photon
8
SOI-STJ2号研究開発の現状
w=10um×4, l = 1um
@830mK
w=1um×4, l = 1um
@830mK
w=1.42um, l = 0.4um
@830mK
極低温におけるSOIFETの
電流電圧特性
各FETにおいてNb/Al-STJ温度
動作領域での正常な動作を
確認することができた。
Ampとしての動作電圧(飽和領域)における消費電力は
.   ×   = 25.2[]
飽和領域での電流値は14uA
CMOSアンプとしてのSOIの典型的なバイアス
飽和領域におけるFETのドレイン-ソース間電流
このFETを用いた場合には8×50ピクセル全てのSTJの読み出しに使った場合
10mWとなってしまう(3He減圧冷凍機のcooling powerは400uW)。
• W/Lを小さくする事で、電流値を小さくする。
• ピクセル数を減らす。50×4ピクセル等。
Mar. 18th 2014
SCD review
9
増幅器としてのふるまい
増幅器としての周波数応答性
 極低温において、STJを形成したSOIFET
が増幅器として正常に動作する事を確
認した。
設定した増幅率26.7
実測値 27
Mar. 18th 2014
SCD review
 高周波に対する応答性の評価を行っ
たが現状ではSTJの信号をevent by
eventに決められない。現在測定系に
問題ないか確認中。
10
SOI-STJ3号導入
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。(導入段階として
3He sorption冷凍機の典型的な冷却能力である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。
Mar. 18th 2014
SCD review
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まとめ
Nb/Al-STJを用いて遠赤外光1光子の観測を目指し,SOI-STJ一体型光検
出器の研究開発を行っている。
SOI-STJ1号の性能評価により、SOI基板上に形成されたNb/Al-STJが正常
に動作すること、STJ形成後のSOIFETがNb/Al-STJの温度動作領域である
900mK以下で動作する事を確認した。これにより、SOIプロセスによる極
低温読み出しの可能性を示した。
SOI-STJ一体型光検出器としての動作を確認するために、SOI-STJ2号及び
SOI-STJ3号の設計を行った。SOI-STJ2号に関しては現在性能評価を行って
いる。
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Back Up Slides
Mar. 18th 2014
SCD review
13
Motivation
ニュートリノ崩壊光の探索
 ニュートリノ質量
ニュートリノ振動実験により質量二乗差は既に
測定されているがニュートリノの質量は未測定。
ニュートリノ崩壊測定によりニュートリノ振動
とは独立な量が測定できるため、これと合わせ
て質量が求められる。
 ニュートリノ崩壊(ν3 → ν1,2 + γ)の寿命
ニュートリノの寿命は非常に長く、標準理論(ニュートリノの混合を含
む)では τ ~ O(1043 year)、LR対称モデル(SU(2)L⊗SU(2)R⊗U(1))でも
τ ⪎ O(1017 year)。
宇宙初期から存在すると予言される宇宙背景ニュートリノを用いてニュー
トリノ崩壊を探索。
14
遠赤外光探索ロケット実験
遠赤外線背景放射スペクトル(COBE)
80um(16meV)
40um(31meV)
ニュートリノ崩壊
スペクトル
質量固有状態ν3=50meVとすると、
ニュートリノ崩壊光はEγ~25meV、
λ~50μm (遠赤外領域)。
通常の半導体検出器等では検出不
可能。
Nb/Al-STJと回折格子を組み合わせた検出器で、宇宙空
間中の遠赤外光スペクトルを測定予定。
 Nb/Al-STJ+回折格子及び冷凍機をJAXA/ISASロケットに搭
載。
Nb/Al-STJ検
出器の導入
宇宙空間中の
遠赤外光
回折格子(40um80umをカバー)
 宇宙空間中の遠赤外光を回折格子(λ=40um~80um)で分光。
 遠赤外光1photonに対してカウンティングデバイスとして動作
可能なNb/Al-STJをマルチピクセル化し、エネルギースペクト
ルを測定。
・・・・・・
STJ array 8 x 50 pixels
15
STJ(Superconducting Tunnel Junction)
STJ検出器とは…
超伝導体 / 絶縁体 / 超伝導体
のジョセフソン接合素子
動作原理
Nb/Al-STJの準粒子生成数
 = Gal 0 1.7∆
GAl : Alによるトラッピングゲイン(~10)
E0 : 放射線のエネルギー
Δ : 超伝導体のギャップ
Nb/Al-STJの
25meVの1photonでの準粒子発生数
25 
Nq = 10
1.7 ∗1.550 
1. 超伝導状態のSTJ検出器に放射線
が入射。
2. 超伝導体層のクーパー対が破壊さ
れ、エネルギーに応じて準粒子が
生成。
3. Upper layer, Under layer間に電
圧をかけておく事で準粒子のトンネ
ル電流を観測。
Si
Tc[K]
Δ[meV]
1100
Nb
Al
9.23
1.20
1.550
0.172
= 95 e (約10pA)
16
SOI上のNb/Al-STJの光応答信号
50um角のSTJに可視光レーザー(465nm)を20パ
ルス(50MHz)照射し、STJの電圧変化を確認した。
2
Nγ = 2 2
σ −σ
0.12682
=
0.030332 −0.029012
このときの発生電荷量の
パルス波高分布からphoton数
を見積もると、
SOI上に形成したSTJ検出器の
可視光(465nm)に対しての応答
を確認した。
For
Current
1kOhm1k
Refrigerator
STJ
~ 206±112
For
Voltage
M : Mean
σ : signal RMS
σp : pedestal RMS
Noise Signal
(2uS) (2uS)
Pedestal
Signal
500uV /DIV.
1uS /DIV.
17
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
Gain =gm*R
W=10um*4 , L=1um
Gm=0.003769
W=1um*4 , L=1um
Gm=0.0003469
18
SOIFETの増幅器としてのふるまい
設定した増幅率26.7
実測値 27
設定した増幅率17.0
実測値 18
ニュートリノ崩壊光探索
におけるNb/Al-STJ1pixe
lに対して予想される
検出レートは200-300Hz
19
SOI-STJ3 回路
SOI-STJ3 Chip
③
①
②
SOI-STJ2Chip上回路との違いを点
線で示す。
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
Vout
②増幅の用いる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。
SOI-STJ3 回路
SOI-STJ3 Chip
1.8V
1.8V
消費電力は
OXFORD[Helium 3 Refrigerator
with sorption pump - HelioxVL]
のCooling powerが
400uW at < 290mK for > 10 hrs
と書いてあったので、
Vout Ia : 10 uA
Ib : 50 uA
電流値の要求が決まればFETのW/L
の比を決められる。
C = 18 pF
飽和領域でのドレイン電流
Ia
Ib
FET電流電圧特性 確実にONにす
から分かる。
るために0.2とし
今後極低温でこれ た。
も測っとくべき。
SOI-STJ3 Simulation回路
STJ生成電荷量によって抵抗値を調節。で
きるだけ抵抗を小さくしたいけど、電荷量が
少ないと抵抗を大きくしないとダメ。
あと、このGATE電圧だけは
±25mVくらいの精度で決めたい。
100mVくらいずれても信号は見れるけど
Voutも大きく変わる。
バッファ回路の利得 ~0.85
出力インピーダンス : 1.3 K Ohm
16nA
STJの疑似信号
3 photon
この大きさを
変えながら
1.5 uS
2 photon
1 photon
5.8nA
3 photon
2 photon
1 photon
1.6nA
3 photon
2 photon
1 photon
750pA
3 photon
2 photon
1 photon
1310nmまでは1
光子測定が可能。
Nb/Al-STJ Leak currentへの要求
現在のNb/Al-STJの0.5mVでのleak currentは1K以下で10nA。
STJからの信号は1.5uS程度と予想されるので、leakcurrentにおける発生電荷数は
 = 10 × 10−9 × 1.5 × 10−6 
= 10000
 = 100
これでは遠赤外光1photonに対しての発生電荷数として期待される100eは見えないた
め、leak Currentは現在以上に低減させなければならない。
遠赤外光の信号がleakcurrentによる発生電荷数のゆらぎより3倍大きく観測されるた
めには、
 = 33
 = 1089
1089 × 1.6 × 10−19
 =
= 108 
1.5 × 10−6
STJのleakcurrentとしては108pA以下が要求される。
STJのleakcurrentはほとんど側面からのものとすれば、STJを現在の100umx100umより
100倍小さくすれば良い。
27
Background
28
SOI-STJ2研究開発の現状
W/Lの異なるSOIFETにおいても極低温下で正常に動作する.
w=1.42um, l = 0.4um
@830mK
w=1um×4, l = 1um
@830mK
w=10um×4, l = 1um
@830mK
相互コンダクタンスの温度依存性
w=1.42um, l = 0.4um
w=1um×4, l = 1um
w=10um×4, l = 1um
29
回路設計
Vgsをモニター
C2
• C1は出来るだけ大きいほうが良い
が大きすぎると応答速度遅くなる。
今chip上で余っている面積から最大
100pFくらいまで。最低は1fFくらい。
C1
• C2(Gateキャパシタンス)は小さけれ
ば小さいほどVgs変化は大きくなる。
LAPISが作ってくれるのは最低3.2fF
まで。
R1
SOI-STJ
• R1はC2が小さくなればなるだけ大き
くする必要があるが大きすぎると速
度遅くなる。
STJの発生電荷に応じて適切な
C1,C2,R1は異なる。
470nm 1photon用
• 観測できる電荷量をは104e(Gal=10)
~6x105e(Gal=200のときの3photon)
程度と設定。
Vgsをモニター
C2
C1
R1
SOI-STJ
• STJの電圧降下は最大でも2mVまで
なので2mVの電圧変化で最高6x105e
放出できるようにC1は48pFに設定。
• 上の生成電荷数に対して最低でも
1mV弱のOutputが得られるように
GateCは800fF(W=10 x 10 um, L=1um)
に設定。
• R1はGateキャパシタンスのインピー
ダンスよりも非常に高い500kOhm。
• STJの信号を左図右下のような電流
変化としてシミュレーションを実行。
発生電荷数によってΔIを変化させて
いった。立ち上がり0.5uS。立下り
1.5uS。
470nm 1photon用
Gal = 10 とした時の電流変化
1.6nA(104e)に対してのD電流
1photon : 1 mV
2photon : 2.1 mV
3photon : 3.2 mV
Gal = 200 とした時の電流変化
32nA(2x105e)に対してのD電流
1photon : 30 mV
2photon : 60 mV
3photon : 120 mV
For 1310nm 1photon用
• 観測できる電荷量は
3.6x103e(Gal=10)~
21.6x104e(Gal=200で3photon)程度と
設定。
Vgsをモニター
C2
C1
• STJの電圧降下は最大でも2mVまで
なので2mVの電圧変化で21.6x104e
放出可能なC1は
Δ 21.6 × 104 
C=
=
≈ 18
Δ
2 × 10−3
R1
SOI-STJ
• 上の生成電荷数に対して最低でも
1mV弱のOutputが得られるように
GateCは40fF(W=1 x 5 um, L=1um)に
設定。
• R1はGateキャパシタンスのインピー
ダンスよりも非常に高くRC=10uSとな
る5MOhm。
For 1310nm 1photon用
Gal = 10 とした時の電流変化
580pA(3.6x103e)に対してのDrain電流
1photon : 900 uV
2photon : 1.95 mV
3photon : 3.2 mV
Gal = 200 とした時の電流変化
36nA(21.6x104e)に対してのDrain電流
1photon : 18 mV
2photon : 50 mV
3photon : 85 mV
For 10um 1photon用
• このパターンで観測できる電荷量は
4.7x102e(Gal=10)~
28.2x103e(Gal=200で3photon)程度と
設定。
Vgsをモニター
C2
C1
• 最大電荷量28.2x103eでSTJが2mVの
電圧変化を起こすように設定。
Δ 28.2 × 103 
C1 =
=
≈ 1.4
Δ
2 × 10−3
R1
SOI-STJ
• 上の生成電荷数に対して最低でも
1mV弱のOutputが得られるように
GateCは3.2fF(W=1 um, L=0.4um)に設
定。
• R1はGateキャパシタンスのインピー
ダンスよりも非常に高くRC=70uSとな
る50MOhm。
For 10um 1photon用
Gal = 10 とした時の電流変化
75pA(4.7x102e)に対してのD電流
1photon : 300 uV
2photon : 700 uV
3photon : 1 mV
Gal = 200 とした時の電流変化
4.5nA(28.2x103e)に対してのD電流
1photon : 7 mV
2photon : 14 mV
3photon : 22 mV
For 50um 1photon用
Gal = 10 とした時の電流変化
16pA(102e)に対してのD電流
1photon : 300 uV
2photon : 700 uV
3photon : 1.1 mV
Gal = 200 とした時の電流変化
960pA(6x103e)に対してのD電流
1photon : 8 mV
2photon : 15 mV
3photon : 23 mV
Vds電圧を3倍程度(678mV)まで上げれば1mVくらいの変化として50um1photonの信号も検
出できる。LAPISが保障するVds電圧は常温では1.98Vまで。
SOI-STJ1光応答simulation
Gal = 100とした場合470nm1photonに対して
以下の応答が期待できる。
1photon : 200uV
2photon : 400uV
3photon : 600uV
38
FETの周波数応答
10kHz
SOI-STJ
FD-SOI-CMOS
39
Trapping GAIN
STJ Back tunneling
 トンネルバリアの近傍に生成された準粒子がトンネルバリアを通過すると、逆の
レイヤーのクーパー対を壊して準粒子を得て、クーパー対を作る。
トンネルバリア付近に準粒子の存在確立をあ
げるためにAlのトラップ層を形成。
トラップ層に準粒子が侵入する際に出す
ギャップエネルギーの差分のエネルギーを持
つフォノンによってさらにトラップ層のクーパー
対が破壊され準粒子が生成される。
40
Energy Resolution
エネルギー分解能
EFWHM  2.35 (1.7)FE
F : Fano Factor
Δ : 超伝導体のギャップ
E : 放射線のエネルギー
41
リフトオフ法、エッチング法
フォトレジスト 塗布、露光、現像することで硬化する樹
脂。ポジレジストは光を照射部分が硬
Si wafer
化。ネガレジストは光を未照射部分が
Nb
硬化。
AZ5214
TMSR8900
スパッタリング
①成膜したい金属を上部に、膜を作るウェハを下部に配
置する。
②Arガスをプラズマ化させ、高電圧をかけてターゲットに
衝突させる。
③ターゲットが飛散する。
④基板にターゲットが付着。
42
FETの温度依存性
Nmos
RMS : 0.02318V
3.3%
Pmos
RMS : 0.004714V 0.69%
43