COBAND実験のためのSOI−STJの研究開発 I

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1 COBAND実験のためのSOI−STJの研究開発 I
八木 俊輔、金 信弘、武内 勇司、武政 健一、永田 和樹、笠原 宏太、若狭 玲那、先崎 蓮、森内 航也、 美馬 覚A、木内 健司A、新井 康夫B、倉知 郁生B、羽澄 昌史B、石野 宏和C、吉田 拓生D、加藤 幸弘E、松浦 周二F、 川人 祥二G、池田 博一H、和田 武彦H、長瀬 晃一H、馬場 俊祐H、志岐 成友I、浮辺 雅宏I、藤井 剛I、 大久保 雅隆I、Erik;RambergJ、Mark KozlovskyJ、Paul RubinovJ、Soo-Bong KimK 筑波大数理、理研A、KEKB、岡山大C、福井大D、近畿大E、関西学院大F、静岡大G、 JAXAH、AISTI、FermilabJ、Seoul Nat'l. Univ.K 講演番号 : 18pA12-7

2 ニュートリノ崩壊 ニュートリノ : レプトンに分類される中性粒子 既存の半導体検出器では検出不可 (Egap~数eV程度)
ニュートリノ振動実験では世代ごとの質量自乗差が測定され、有限質量があることが判明している 現在知られている素粒子標準模型の中で唯一質量未決定 ニュートリノ崩壊を利用すれば質量を決定できる ニュートリノ崩壊図 ニュートリノ崩壊光のエネルギー m3= 50meV , m2=10meV を仮定すると Neutrino oscillation measure precisely！ 既存の半導体検出器では検出不可 (Egap~数eV程度) 遠赤外領域(〜数meV)にも感度を持つ 超伝導トンネル接合素子光検出器(STJ検出器)を用いる 2019年4月12日(金) 日本物理学会

3 COBAND実験 (COsmic BAckground Neutrino Decay Search)
ニュートリノ崩壊の寿命 : ※L-R対称模型を仮定 宇宙背景ニュートリノ(約110νi/cm3)崩壊光*未発見を探索 COBAND実験概要図 回折格子で分光してエネルギースペクトルを観測 地上200km〜300km , 約５分間のロケット実験 COBAND実験の目的 ニュートリノ絶対質量の決定 宇宙背景ニュートリノの存在の証明 ニュートリノの異常磁気モーメント 本実験で、ニュートリノ崩壊寿命測定下限値を、 に引き上げる 2019年4月12日(金) 日本物理学会

4 超伝導トンネル接合素子光検出器(STJ検出器)
超伝導トンネル接合素子 (Superconducting Tunnel Junction : STJ) Nb/Al - STJ検出器 超伝導体 / 絶縁体 / 超伝導体 のサンドイッチ構造 Nb Al Al2O3 SiO2 Si Ge Nb Al TC[K] - 9.23 1.20 Δ[meV] 1100 670 1.550 0.172 エネルギーギャップがSiやGeに比べて非常に小さい 磁場を印加することで クーパー対のトンネリングを抑制 動作原理 入射粒子が超伝導体中のクーパー対を破壊 このときに生成される準粒子のトンネル電流をSTJ検出器の信号として観測 クーパー対のトンネル電流(ジョセフソン電流)は 磁場を印加して抑制 超伝導体 超伝導体 2019年4月12日(金) 日本物理学会

5 リーク電流の温度依存性 産総研 藤井氏による測定
検出器への要求と極低温増幅器の導入 STJ検出器への要求 リーク電流 : < 100 pA 現状 : 50 pA (20μm□ Nb/Al-STJ) リーク電流の要求値は達成 しかし、測定系の雑音により、 遠赤外１光子観測達成には至っていない 検出器直近(冷凍機内部 : < 3K)に増幅器を設置し、信号に雑音が乗る前に増幅 リーク電流の温度依存性　産総研 藤井氏による測定 極低温増幅器に対する要求 300mK環境下でも動作可能 STJ検出器の信号増幅が可能 (※信号幅 : 数μsec) 冷凍機の配線容量負荷(〜数百pF)の環境下でも 信号伝送が可能 低消費電力 冷凍機の冷却能力 , Nb/Al-STJ(50μm□) M.Ukibe et al., Jpn. J.Appl. Phys. 51, (2012) M.Ohkubo et al., IEEE Trans. Appl. Super, 24, (2014) 2019年4月12日(金) 日本物理学会

6 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
FD-SOI-MOSFET FD-SOI (Fully Depleted – Silicon On Insulator)-MOSFET SiO2絶縁膜上にMOSFETを形成 チャネル層が非常に薄く形成されている 4K以下でも動作可能 Channel Width : W ~50nm FD-SOI-MOSFETの電流電圧特性 Channel Length : L 1.4 10-3 1.2 10-4 1.0 極低温環境下での特性 ドレイン電流値の上昇 閾電圧の上昇 10-6 ドレイン電流 Ids[mA] 0.8 室温環境 ３Ｋ環境 室温環境 ３Ｋ環境 0.6 10-8 0.4 0.2 10-10 冷却中(後)での性能劣化は見られない 特性変動を考慮して電圧をコントロールすれば 極低温環境下でも増幅器として用いることは可能 0.5 1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5 2.0 ドレイン電圧 Vds[V] ゲート電圧 Vgs[V] 2019年4月12日(金) 日本物理学会

7 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
SOI増幅器 回路デザイン SOI - STJ4 (the 4th prototype) ソース接地増幅回路 電流源としてMOSFETを使用 フィードバック回路 自己バイアス電圧を印加可能 ソースフォロア回路 アウトプットインピーダンスの低下 Vdd1 Vdd2 V2 Type W [μm] L [μm] M1 Nch-source tie 40 1 M2 Pch-source tie 10 M3 Nch-body tie 1.6 M4 70 M5 60 C1 MIM cap. 100 fF V3 OUTPUT INPUT Vb Vss1 V5 Vss2 2019年4月12日(金) 日本物理学会

8 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
測定項目 SOI増幅器を用いた正弦波増幅試験 STJ検出器信号速度 : 〜1μsec(1MHz) 非常に速い信号に対しても十分増幅可能であるかを検証 Nb/Al-STJ検出器の電流電圧特性 STJ信号増幅の際にNb/Al-STJの動作電流の決定 SOI増幅器を用いたSTJ信号増幅試験 2019年4月12日(金) 日本物理学会

9 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
100Hz正弦波に対する入出力波形 INPUT (Vpp = 1mV , 100Hz) 512Ave. OUTPUT 512Ave. 1mV 100mV 1MHz正弦波に対する入出力波形 75.5 Gauss 入力波形 1mV 1mV 出力波形 0.4μs 25mV STJの信号速度(~1MHz)のような高速な信号に対しても、 300mK環境下において増幅可能！ 冷凍機配線容量負荷 : 0.5 nF 0.4μs 10mV 2019年4月12日(金) 日本物理学会

10 正弦波増幅試験@300mK Gain Frequency [Hz] STJの信号速度(~1MHz)のような高速な信号に対しても、
Frequency characteristic of cold Bias Voltage Vdd1 = 1.8V Vss1 = 0V Vdd2 = 1.1V Vss2 = -0.7V V2 = 0.4V V3 = 1.5V Input Vpp = 1mV 1 MHz Gain 75.5 Gauss STJの信号速度(~1MHz)のような高速な信号に対しても、 300mK環境下において増幅可能！ 冷凍機配線容量負荷 : 0.5 nF Frequency [Hz] 2019年4月12日(金) 日本物理学会

11 SOI増幅器を用いたSTJ光応答信号増幅試験 @300mK
オシロスコープ (AC結合 , 1 MΩ) GND 4.7 uF STJ 10MΩ Vdc ~ 0.43V Differential amplifier Differential amplifier Laser Inside the refrigerator STJの動作点電流40nAに設定するために 室温環境下から直流電圧を印加 SOI増幅器を動作させながらSTJに 可視光レーザーを照射 レーザーパルスからの信号をトリガーにし、 SOI増幅器の入出力波形を観測する ~40nA 可視光レーザー STJ光応答信号がSOI増幅器の方へ 伝送されたかどうか 伝送された光応答信号がSOI増幅器で増幅されたかどうか Wave length : 465nm Pulse width : 59psec を検証する 2019年4月12日(金) 日本物理学会

12 Flaser pulse=20kHzに対するSOI増幅器の応答
SOISTJ4への入力波形 入力が負の信号 STJ信号がSOI増幅器の方へ 伝送されたことを確認 70 60 Amp.IN [μV] 50 18μV 40 time [μsec] -100 -80 -40 -40 -20 20 40 60 80 100 SOISTJ4への出力波形 1600 64倍の反転増幅を観測 300mK環境下において SOI増幅器を用いた信号増幅は 可能であることが実証された 1200 1.2mV Amp.OUT [μV] 800 400 time [μsec] -100 -80 -40 -40 -20 20 40 60 80 100 2019年4月12日(金) 日本物理学会

13 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
まとめ COBAND実験(ニュートリノ崩壊光探索実験)に用いる検出器として、 超伝導トンネル接合素子光検出器(Nb/Al-STJ検出器)の研究開発を行っている しかし、読み出し系での雑音により遠赤外光１光子観測には至っていない STJ動作温度(~300mK)環境で動作可能なFD-SOI-MOSFETを用いた 極低温前置増幅器の研究開発を行っている SOI増幅器を用いて、Nb/Al-STJ検出器の信号増幅試験を行った 正弦波増幅試験により400kHzまで利得100程度の増幅を確認(配線負荷容量:0.5nF) Nb/Al-STJ検出器に可視光レーザーを照射し、 SOI増幅器を用いてSTJ検出器信号を増幅することに成功した 300mK環境下においてSOI増幅器を用いた信号増幅が可能であることを実証 素粒子実験分野に留まらず、低温読み出しを行う他分野への応用も期待できる 2019年4月12日(金) 日本物理学会

14 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
BACKUP 2019年4月12日(金) 日本物理学会

15 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
STJ エネルギー分解能 F : Fano Factor (Nb/Al-STJ検出器の場合は0.1〜0.2程度) E : 入射粒子のエネルギー エネルギー分解能を上げるには、エネルギーギャップが小さな超伝導体を用いる必要がある エネルギーギャップが小さな超伝導体は転移温度が低い だから、より低温の測定系構築が要求される 2019年4月12日(金) 日本物理学会

16 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
Nb/Al-STJ 準粒子生成個数の計算 　Nb/Al-STJ検出器 準粒子生成個数 Gal : trapping gain E0 : Energy of photon Δ : energy gap The number of quasi-particles generated by 25meV single photon (Al layer : 70nm) 2019年4月12日(金) 日本物理学会

17 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
バックトンネリング効果 上部伝導体に入射した粒子がクーパー対を壊し、２つの準粒子が生成 ２つの準粒子の内、１つは上部超伝導体のAl層の上伝導体中にトラップ もう１つは絶縁膜をトンネルして下部超伝導体のAl層の常伝導体にトラップ 下部超伝導体にクーパー対を作ろうと、上部伝導体の別のクーパー対が壊されて新たに２つの準粒子が生成 先に絶縁膜をトンネルした粒子同士が再結合してクーパー対をなす 残された準粒子は上部超伝導体のAl層上伝導体でトラップ 2019年4月12日(金) 日本物理学会

18 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
Nb/Al-STJ検出器 信号幅 200nsで10パルスの光が入射してきた場合、 STJの信号幅は1.5us 2019年4月12日(金) 日本物理学会

19 SOI増幅回路一体型STJ検出器(SOI-STJ)
SOI回路基板上にNb/Al-STJ検出器を 直接形成した増幅器一体型検出器 STJ検出器 SOI回路基板 冷凍機配線を介さずに増幅可能 SN比向上が期待される 2019年4月12日(金) 日本物理学会

20 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
SOISTJ4 擬似パルス応答試験 Nb/Al-STJ検出器の信号を模した擬似信号をSOI増幅器に入力. 入力信号と増幅器の出力信号のそれぞれの信号雑音比を測定 積分時間 : 60μsec Bias [V] Vdd1 = 1.8 Vss1 = 0.0 V2 = 0.55 V3 = 1.5 Vdd2 = 1.1 Vss2 = -0.7 V5 = 0.2 INPUT OUTPUT 極低温増幅器を導入することにより、S/Nの向上を確認 極低温環境下においても冷凍機内からの信号読み出しにSOI増幅器は有効！ 2019年4月12日(金) 日本物理学会

21 SOI-STJ4 消費電力 バッファ段 : 120uA 増幅段 : 3uA バッファ段の消費電力が 支配的
増幅段とバッファ段、 それぞれの消費電力を 足し合わせると、230uW 測定開始時のHe3potは、 300mKであったのに対し、 測定終了時の温度は、 700mK程度まで上昇 Frequency characteristic of cold 230uW Bias Voltage Vdd1 = 1.8V Vss1 = 0V Vdd2 = 1.1V Vss2 = -0.7V V2 = 0.4V V3 = 1.5V V5 = 0.4V Input Vpp = 1mV 消費電力P [μW] 周波数f [Hz] 2019年4月12日(金) 日本物理学会

22 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
STJ検出器の動作原理 (拡大図) 磁場を印加することで クーパー対のトンネリングを抑制 準粒子 クーパー対 超伝導体 絶縁膜 超伝導体 2019年4月12日(金) 日本物理学会

23 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
SOISTJ4 レイアウト TypeA 増幅段とバッファ段が一体型 TypeB 増幅段とバッファ段が別 それぞれ個別に性能評価を行った(先崎修論) Cap. + Resi. 各素子の低温特性を評価 2019年4月12日(金) 日本物理学会

24 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
測定環境(冷凍機) He3 Sorption冷凍機 (Oxford Instrument製) 読み出し配線 光ファイバー ヘルムホルツコイル サンプル 中を見ると He3減圧冷凍機　冷却能力一覧 ステージ 最低到達温度[K] 冷却能力 60Kステージ 60 3Kステージ 2.8 最低温ステージ 0.3 各ステージには 熱輻射を防ぐために シールドがある 2019年4月12日(金) 日本物理学会

25 日本物理学会 第７２回年次大会@大阪大学豊中キャンパス
Nb/Al-STJ検出器の電流電圧特性 STJの電流を測定 磁場 : 75.5 Gauss レーザーに反応して、 0.1mV程度電圧変動が見られる Rref 40nA 冷凍機内部 Function Generator 10nA STJ 0.5mV STJの電圧を測定 Wave length : 465nm Pulse width : 59psec SOI増幅器を用いたNb/Al-STJ検出器信号増幅試験の際には、 Nb/Al-STJの動作点電流を40nAに設定してレーザーを照射する 2019年4月12日(金) 日本物理学会