測定器開発室 SCD review 2014 Mar. 18 th 筑波大学素粒子実験研究室笠原宏太

測定器開発室 SCD review2014 Mar. 18th

筑波大学素粒子実験研究室笠原宏太

SOI-STJ 一体型光検出器研究開発

Mar. 18th 2014 1SCD review

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。

AIPC 1185, 286-289 (2009)

SOIFET と STJ 検出器を組み合わせた SOI-STJ 検出器の導入。


SOI(Silicon on Insulator) と極低温でのふるまい・・・ FET 等の素子を絶縁膜上に形成する技術。Silicon on Insulator

• 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

SOI-CMOS

極低温での動作通常、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。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。

FD-SOI PD-SOI


SOI-STJ

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。

STJ

SOI-STJ1 号 Layout

FET

STJ 100um x 100um

STJ 50um x 50um

SOI waferVia(W) による SOI 回路層とSTJ との電気的接触 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

GateDrain

Source


SOI-STJ1 号研究開発のまとめ①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) 。

Nb/Al-STJ Leak Current

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。

Ileak∝

690mK-720mK 750mK

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。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。

現在評価中

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。


SOI-STJ1 号研究開発のまとめ①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) 。

Nb/Al-STJ Leak Current

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。

Ileak∝ 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。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。

現在評価中

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。

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

PMOS


SOI-STJ1 号研究開発のまとめ②

2.9mm 角 SOI-STJ Layout

Wire Bonding

V+I+V-I-

Refrigerator

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)

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。

約 150 Gauss 印加2mV /DIV.

1 mA /DIV.

500uV /DIV.10 nA /DIV.2mV /DIV.

50uA /DIV.

2mV /DIV.

1 mA /DIV.

1K Ohm

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


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

CELL 名 Capacitance FET の大きさ

Cgate

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

I, j, k, l 1.5 pF w = 1.42 um , l = 0.4um

4.5fF

m, n, o, p なし w = 1.42 um , l = 0.4um

4.5fF

SOI-STJ2 Layout

a bc

ed

fg h

i jk l

mo p

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。

C

Drain

Source

Gate

n1photon

2photon

3photon

波長 50um1 光子の入射に対して予想される出力 (Gal=10 を仮定 )


SOI-STJ2 号研究開発の現状w=1.42um, l = 0.4um

@830mK

w=1um×4, l = 1um@830mK

w=10um×4, l = 1um

@830mK

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。

極低温における SOIFETの電流電圧特性

Amp としての動作電圧 ( 飽和領域 ) における消費電力は𝟏 .𝟖 [𝑽 ]×𝟏𝟒 [𝝁𝑨 ]=25.2 [𝜇𝑊 ]CMOS アンプとしての SOI の典型的なバイアス

飽和領域での電流値は 14uA

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。


増幅器としてのふるまい

設定した増幅率 26.7実測値 27 　

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。

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。

増幅器としての周波数応答性


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 )

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。

SOI-STJ2 との違い

現在 Lapis semiconductor にて成膜中、完成後，性能評価をおこなう。


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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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。

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遠赤外光探索ロケット実験

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。

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。

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 検出器の導入

遠赤外線背景放射スペクトル（ COBE)

ニュートリノ崩壊スペクトル

80um(16meV) 40um(31meV)

・・・・・・

宇宙空間中の遠赤外光回折格子 (40um-80um をカバー )

STJ array 8 x 50 pixels

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STJ(Superconducting Tunnel Junction)

超伝導体 / 絶縁体 / 超伝導体のジョセフソン接合素子

STJ …検出器とは

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。

動作原理

Si Nb Al

Tc[K] 9.23 1.20

Δ[meV] 1100 1.550 0.172

Nb/Al-STJ の準粒子生成数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

𝑁𝑞=Gal 𝐸01.7∆

Nq = 10 = 95 e ( 約 10pA)

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SOI 上の Nb/Al-STJ の光応答信号

500uV /DIV.

1uS /DIV.

Pedestal Signal

1kOhm

　 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。　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、

Nγ = = ~ 206±112

Noise(2uS)

Signal(2uS)

M : Mean σ : signal RMS σp : pedestal RMS

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。

1k

STJ

Refrigerator

For Current

For Voltage

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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

gm*R

W=10um*4 , L=1umGm=0.003769

W=1um*4 , L=1umGm=0.0003469

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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-STJ1pixel に対して予想される検出レートは 200-300Hz

SOI-STJ3 回路SOI-STJ3 Chip

SOI-STJ2Chip 上回路との違いを点線で示す。

②

①③ 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。

Vout

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、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。

Ia Ib

Vout

FET 電流電圧特性から分かる。今後極低温でこれも測っとくべき。確実に ON にするために 0.2とした。

飽和領域でのドレイン電流C = 18 pF

SOI-STJ3 Simulation 回路

バッファ回路の利得～ 0.85出力インピーダンス : 1.3 K Ohm

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。

16nA

1 photon

2 photon

3 photon

1.5 uS

この大きさを変えながら

STJ の疑似信号

5.8nA

1 photon

2 photon

3 photon

1.6nA

1 photon

2 photon

3 photon

750pA

1 photon

2 photon

3 photon 1310nm までは 1光子測定が可能。

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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

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、

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。

28

Background

29

SOI-STJ2 研究開発の現状w=1.42um, l = 0.4um

@830mK

w=1um×4, l = 1um@830mK

w=10um×4, l = 1um

@830mK

W/L の異なる SOIFET においても極低温下で正常に動作する．

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

回路設計

SOI-STJ

Vgs をモニターC1

R1

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。• 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 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

SOI-STJ


R1

C2

• 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。

• 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 Gal = 200 とした時の電流変化

32nA(2x105e) に対しての D 電流

1photon : 1 mV2photon : 2.1 mV3photon : 3.2 mV

1photon : 30 mV2photon : 60 mV3photon : 120 mV

For 1310nm 1photon 用

SOI-STJ


R1

C2

• 観測できる電荷量は3.6x103e(Gal=10)～21.6x104e(Gal=200 で 3photon) 程度と設定。

• 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

• 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 Gal = 200 とした時の電流変化

36nA(21.6x104e) に対しての Drain 電流1photon : 900 uV2photon : 1.95 mV3photon : 3.2 mV


For 10um 1photon 用

SOI-STJ


R1

C2

• 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。

• 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。• 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

Gal = 200 とした時の電流変化4.5nA(28.2x103e) に対しての D 電流

1photon : 300 uV2photon : 700 uV3photon : 1 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 Gal = 200 とした時の電流変化

960pA(6x103e) に対しての D 電流1photon : 300 uV2photon : 700 uV3photon : 1.1 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。

38

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 : 200uV2photon : 400uV3photon : 600uV

39

FET の周波数応答

FD-SOI-CMOS

SOI-STJ

10kHz

40

Trapping GAIN

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。

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。

41

Energy Resolution

)FE7.1(35.2E FWHMエネルギー分解能

F : Fano FactorΔ : 超伝導体のギャップE : 放射線のエネルギー

42

リフトオフ法、エッチング法フォトレジストSi waferNb

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。

AZ5214TMSR8900CF4 プラズマを基板に衝突させ、削る。

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化。ネガレジストは光を未照射部分が硬化。

43

FET の温度依存性

NmosRMS : 0.02318V

PmosRMS : 0.004714V3.3% 0.69%

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