ニュートリノ崩壊光探索のための
STJ及びSOI-STJの
開発の状況
ニュートリノ研究会 2014年12月23日
筑波大学 奥平琢也
奥平琢也,金信弘,武内勇司,武政健一、木内健司、笠原宏太、先崎蓮、森内航也、金丸 昌弘、市村龍
哉, 八木俊輔, 美馬覚 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 , 広瀬龍太 D , 加
藤幸弘 E , 松浦周二 F ,池田博一 F , 和田武彦 F , 長勢晃一 F , 志岐成友 G , 浮辺雅宏 G , 藤井剛 G , 大
久保雅隆 G
1
筑波大数理,理研 A ,KEK B ,岡山大 C ,福井大学 D , 近畿大学 E , JAXA F , 産総研 G
ニュートリノ崩壊光探索 ニュートリノ質量は素粒子の中で唯一質量測定できていない
ニュートリノ崩壊: ! 3 ! ! 2 + "
ニュートリノ崩壊光のエネルギー
m32 ! m22
m32 ! m22
E! =
m3
は測定済みなので E! がわかれば m3 が決定
m3=50meV m2=10meVとすると
ニュートリノは重い質量固有状態から
軽い質量固有状態へと光を出して崩壊
E! = 25meV
遠赤外光!
宇宙空間にて1時間測定した際のエネルギースペクトル
標準模型でのニュートリノの寿命は1043year
L-R対称模型を仮定した場合のニュートリノ
寿命は1017yearまで短くなりうる
Zodiacal emission
(現在の寿命の下限は3×1012year)
Photons from Neutrino decay
大量のニュートリノ源が必要!
宇宙背景ニュートリノの崩壊光を観測する
Energy resolution =5%
Energy resolution =0%
エネルギー分解能が高い
超伝導検出器
2
しかし..遠赤外領域は半導体検出器では検出不可能
超伝導トンネル接合素子光検出器(STJ)
ニュートリノ崩壊光測定のための超伝導検出器
STJ(Superconducting Tunneling Junction)光検出器
~100
Nb
Al
AlOx
um
超伝導膜/絶縁膜/超伝導体の三層構造を持つ検出器
~400nm
動作原理
上部超伝導膜と下部超伝導膜に電圧を印加
酸化膜に並行に磁場を印加
1.  上部超伝導膜に光子が侵入
2.  光子がクーパー対を解離、準粒子を生成
3.  準粒子が酸化膜をトンネルし、下部で電流として観測
!
q = GAl p
1.7!
GAl trapping gain of Al (~10)
! p 光子のエネルギー (eV)
!
magnetic field
cooper pair
quasiparticle
photon
エネルギーギャップ(eV)
Δ
Δが小さいほどたくさんの電荷が発生
Si
Nb
Ta
Al
Hf
Tc [K]
9.23
4.39
1.20
0.165
Δ [meV] 1100
1.550
0.6733 0.172
0.020
upper layer
insulator
under layer
磁場を印可することでジョセフソン電流を抑制
(クーパー対はトンネルできない)
3
発生電荷量が多いためエネルギー分解能に優れる
STJの動作原理
ジョセフソン電流(磁場なし)
V=0V
2Δ
STJのIVカーブ(磁場なし)
current
IJ
RNormal
Ileak
クーパー対のトンネル電流が流れる
0Vでも~mAの電流が流れてしまうため、
この領域では検出器としては動作しない
磁場の印加によって抑制できる
voltage
4
2Δ/e
STJの動作原理
ジョセフソン電流(磁場なし)
V=0V
2Δ
STJのIVカーブ(磁場あり)
current
RNormal
クーパー対のトンネル電流が流れる
Normal Resistance 領域
V<2Δ/e
magnetic field
Ileak
voltage
2Δ
5
2Δ/e
クーパー対が準粒子となり電流が流れる
常に~mAの電流が流れているため、
この領域は検出器としては適さない
STJの動作原理
ジョセフソン電流(磁場なし)
V=0V
2Δ
STJのIVカーブ(磁場あり)
current
RNormal
クーパー対のトンネル電流が流れる
Normal Resistance 領域
V<2Δ/e
magnetic field
Ileak
voltage
2Δ
クーパー対が準粒子となり電流が流れる
2Δ/e
Dynamic resistance領域
0≦V≦2Δ/e
magnetic field
2Δ
リーク電流以外の電流は流れない
6
光が入ると電流が流れるようにしたい
→Dynamic Resistance領域に電圧をあわせる
→信号検出の為にリーク電流をできるだけ小さくしたい
ニュートリノ崩壊光探索ロケット実験
ニュートリノ崩壊光探索実験の予備実験として、ニュートリノ寿命の下限を更新
するための実験を考える
ロケットで検出器を地上200km上空に飛ばし、約5分間の測定を行う
Nb/Al-STJをarray化し、入射してくる赤外光を
回折格子によって分光、スペクトルを得る
赤外光
8pixel
検出レート
400Hz/pixel
測定領域
E=16 31meV
50pixel
回折格子
この方法ではSTJがE=16∼31meV(λ=40
の光子を1photonずつ検出する
80um)
Nb/Al-STJ array
7
この実験によりニュートリノ寿命の
下限が1014year程度まで更新する
STJの信号とリーク電流への要求
KEKで作製した100um×100umのSTJに近赤外光(λ=1320nm)レーザーを照射し、
電圧変化を観測
入射光として50psのパルス光を1回 複数回をまとめて照射
近赤外光10パルスをまとめて照射した時の電圧の変化
信号の幅:1.5us
信号の幅
1.5us
たち下がり時間
0.3us
立ち上がり時間
1.2us
200ns
リーク電流の揺らぎがsignalよりも大きいダメ
300uV
800ns/div
信号の幅を1.5us程度とすると100e
の信号を3σで観測するためには
(Ileakx1us)1/2≦100e x 3
リーク電流の要求は100pA以下
→STJを小さくする、クオリティの高いSTJを作る
8
50uV/div
single 25meV photonにより
発生する電荷は100e程度
SOI-STJの導入
遠赤外光1光子観測のためにはリーク電流以外にも電磁的ノイズとの分離も必須!!
p  冷凍機内部から非常に長い配線(5m強)の引き回しを経て信号を増幅せざるを
得ないため、 Noiseとの分離が難しい。
p  低温(4K以下)で動作するアンプがあれば、冷凍機内部に設置し、STJの
信号がNoiseに埋もれる前に増幅し、冷凍機外部で読み出せる。
p  JAXAにより、FD(Fully depleted)-SOIプロセスで作成されたSOIFETが4Kで動
作するとの報告。
SOI(Silicon On Insulator)-FET
SOI CMOS
Bulk CMOS
NMOS
PMOS
NMOS
PMOS
Gate
Gate
Gate
Gate
Source
Drain
Source
N type
N type
P type
P type
Drain
N type
P type
Source
Drain
Source
N type
P type N type
P type
Drain
N type
P type
ü 
ü 
ü 
ü 
寄生容量低
低消費電力
高速動作可能
低温動作可能
SiO2 (Insulator)
SOIFETとSTJ検出器を組み合わせたSOI-STJ検出器の導入。
3.4
SOI ΞϯϓҰମ‫ܕ‬௒఻ಋτϯωϧ઀߹ૉࢠʢSOI-STJʣ
SOI-STJ
SOI ΞϯϓҰମ‫ܕ‬௒఻ಋτϯωϧ઀߹ૉࢠʢSOI-STJʣ͸ɼ‫ۃ‬௿ԹԼͰͷಈ࡞͕ใࠂ͞Ε
ͨ FD-SOI MOSFET ‫ج‬൘্ʹ Nb/Al-STJ Λ௚઀‫ܗ‬੒ͨ͠ΞϯϓҰମ‫ܕ‬ͷޫ‫ݕ‬ग़‫͋Ͱث‬Δɽ
Nb/Al-STJ ͷ৴߸Λͨͩͪʹ૿෯͢Δ͜ͱͰɼNb/Al-STJ ͷ໰୊఺Ͱ͋ͬͨϊΠζͷܰ‫ݮ‬
͕‫ظ‬଴͞ΕΔɽ·ͨɼूੵԽʹ༏Εͨ SOI ͱ૊Έ߹Θ͍ͤͯΔ͜ͱͰɼকདྷͷ STJ ΞϨΠ
Խʹ΋ରԠՄೳͰ͋Δɽ
*+,-.,/012-
!"#$%&'()
SOIのLSI化の技術
SOIにより極低温で読み出し構築可能
エネルギー分解能の高いSTJ検出器
'45&67(
0809:;
3.2
'.4<
SOI-STJとは…
アンプが形成されたSOIの回路層
に直接STJを形成した検出器
SOI-STJの利点
SOI上に作製されたSTJ
ਤ 3.8: SOI-STJ ͷߏ଄
普通のSTJはシリコンウエハー上に作製される
SOI-STJ ͷߏ଄Λਤ 3.8 ʹࣔ͢ɽSOI-STJ ͸૿෯ճ࿏͕‫ܗ‬੒͞Εͨ SOI ‫ج‬൘ͱ Nb/Al-STJ
͔ΒͳΔɽճ࿏‫ج‬൘͸‫ࣜג‬ձࣾϥϐεηϛίϯμΫλʹ࡞੒Λґཔ͠ɼग़དྷ্͕ͬͨ‫ج‬൘্
ʹ Nb/Al-STJ Λ௚઀‫ܗ‬੒͢Δɽ૿෯ճ࿏෦͸ SOI ٕज़ʹΑΓɼσόΠε૚ͱઈԑ૚Λަ‫ޓ‬
ʹੵΈॏͶͨ 3 ࣍‫ݩ‬తͳूੵճ࿏ͱͳ͍ͬͯΔɽ֤૚ͷσόΠε͸ϏΞͱ‫ݺ‬͹ΕΔ W ͔Β
Ͱ͖ͨۚଐபͰ઀ଓ͞ΕΔɽͦͷճ࿏૚্ʹ௚઀ Nb/Al-STJ Λ‫ܗ‬੒͢ΔɽSTJ ‫ܗ‬੒৔ॴʹ
͸૿෯ճ࿏͔ΒͷϏΞ͕৳ͼ͓ͯΓɼSTJ ͷԼ෦௒఻ಋମͱ૿෯ճ࿏෦෼͸ి‫ؾ‬తʹ઀৮͞
ΕΔɽճ࿏ͷ֤୺ࢠ͸ૉࢠද໘ʹΉ͖ग़͠ʹͳͬͨϘϯσΟϯάύουʹ઀ଓ͞Ε͓ͯΓɼ
৴߸ͷಡΈग़͠౳͸͔ͦ͜Βߦ͏ɽ
p  良いS/N比
p  STJのマルチチャンネル化に対応可能。
SOISTJ2(STJ形成後)
700um
STJ
SOI-STJ1
SOI部分は設計を行い
Lapis Semiconductor に発注
C
FET
640um
ຊ‫ڀݚ‬άϧʔϓͰ͸ SOI-STJ ͷ‫ڀݚ‬։ൃͷಋೖஈ֊ͱͯ͠ɼNb/Al-STJ ͱ SOIFET ͷΈ͔
ΒͳΔ SOI-STJ Λ࡞੒͠ɼͦͷ SOIFET ͱ STJ ͷಈ࡞֬ೝΛߦͬͨɽ͜ͷࢼ࡞Λ SOI-STJ1
ͱ‫͢ͱͱ͜Ϳݺ‬Δɽਤ 3.9 ʹ SOI-STJ1 ͷϨΠΞ΢τͱ౳Ձճ࿏Λࣔ͢ɽ1 ͭͷ 2.9×2.9mm ͷ
νοϓ্ʹ 640×700µm ͷ SOIFET ͕ 16 ύλʔϯ‫ܗ‬੒͞Ε͍ͯΔɽಡΈग़͠഑ઢ͸ɼSOIFET
ͷήʔτɼιʔεɼυϨΠϯ୺ࢠͱ Nb/Al-STJ ͷ্෦௒఻ಋମʹ઀ଓ͞Ε͍ͯΔɽSTJ Լ
෦௒఻ಋମͱ SOIFET ͷήʔτ୺ࢠ͸‫͓͕ͯͬܨ‬ΓɼSTJ ͷిྲྀมԽΛήʔτ͕‫ײ‬஌ͯ͠
STJ部分はKEKで作製
10
3.5
STJ検出器から配線の引き回しが不要。
KEK 超伝導検出器開発システム
SOIwafer側の読み出し回路は設計後Lapis
Semiconductorに発注、Wafer受け
取り後KEKクリーンルームでSTJの形成。
アライナー
11
イエロールーム
SOI上に形成したSTJの特性評価
SOI上に形成したSTJの特性評価を行った
2mV /
DIV.
STJ特有のIVカーブ!!
1 mA /DIV.
1 mA /DIV.
150 Gauss
印加
• 
2mV /
DIV.
SOI上にSTJを正常に
形成することができた
Leakage Current : 6nA
•  SOI上のViaとSTJの接続
ができている
50uA /DIV.
2mV /DIV.
10 nA /DIV.
500uV /DIV.
SOI上に形成したSTJのIVカーブ
STJの光信号!!
• 
SOI上に形成されたSTJで
光に対する応答を確認した
SOI上に作製したSTJの可視光に対する信号
SOI-FETに関しては…次に先崎が発表
12
SOI上に作製したSTJには問題なし
産総研との共同研究&3He減圧冷凍機の導入
•  2014年5月から産業総合研究機構(AIST)と共同研究を開始
•  産総研はSTJの専門家がそろっており、Nb/Al-STJの自動作製をすること
ができるため、より品質がよいSTJが効率的に作製可能
→AISTで作製するためのSTJ、SOI-STJの設計
•  2014年度から新たに3He減圧冷凍機が導入
13
•  今までの希釈冷凍機(マニュアル運転)から全自動3He減圧冷却機を導入
→新たな測定系の構築
3He減圧冷凍機の導入
60Kステージ
3He減圧冷却器を用いて300mK程度まで冷却して測定
3Heは最も沸点が小さい物質→低温でも蒸発熱を奪い続ける
60K→3K→300mKと熱勾配をつけて冷却
読み出し配線
3Kステージ
コンスタンタン線(熱伝導率が小さい)×24本
超伝導コイル
超伝導物質に電流を流し、発熱なく磁場を印加(100Gauss)
光ファイバー
XYステージ
光ファイバー
室温から光ファイバーを通してSTJに光を照射
300mKステージ
STJへ光を照射する位置を正確に決定
超伝導コイル
14
XYステージ
産総研でのSTJのデザイン
Nb/Al-STJ用のフォトマスクをデザイン
2.9mm
Division 1
100um×100um STJ array
Division 2
ジャンクション分離型STJ
Division 3
サイズ依存性測定用
Division 5
SiO2反射率測定用
Division 4
拡散長測定用
15
角STJ
100um
を 測定
Leakage : 500nA
1uA/Div
リーク電流が異常に大きい!
0.2mV/Div
16
2.9mm
産総研で作製したSTJの測定
2.9mm
産総研で作製したSTJの測定
角STJ
100um
を 測定
Leakage : 500nA
1uA/Div
リーク電流が異常に大きい!
0.2mV/Div
Leakage : 20nA
•  冷凍機内の磁性体を除去
•  磁気シールドにより地磁気を除去
•  グラウンドループを解消
20nA/Div
0.2mV/Div
産総研の測定系では1nA程度のリーク電流
50um角では200pAのリーク電流
17
測定系を改善したことにより
リーク電流が500nA→20nAまで減少
産総研でのSOI-STJ design
新たな回路を設計し、回路部にあわせてSTJのフォトマスクをデザイン
8 inch
18
SOIウエハー
設計したSOI回路をLapis Semiconductor に発注
産総研でのSOI-STJ design
新たな回路を設計し、回路部にあわせてSTJのフォトマスクをデザイン
8 inch
2.9mm
Cell
1Chipに16個の増幅回路
1Cell に4個の増幅回路
1Chipに16個のSTJ
Circuit
100um x100um50um
x50um
150um
Pad
300um
19
20um x 20um 10um x 10um
STJ
2.9mm
産総研で作製したSOI-STJ
circuit
C
Bonding Pad
STJ
20
STJを形成したSOI
2.9mm
産総研で作製したSOI-STJ
circuit
C
Bonding Pad
STJ
SOI上に形成したSTJのIVカーブ
STJ特有のIVではない
→STJが形成できていない
Josephson Current
Josephson Current
が見えない
2Δ/e=1mVでバンド
ギャップ構造が無い
2Δ/e=1mV
5mA/Div
0.5mV/Div
1mA/Div
0.5mV/Div
原因と考えられるもの
•  回路中に含まれる磁性体?
•  SOIの表面状態が悪い?
•  プロセス、デザインのミス?
21
通常のSTJのIVカーブ
まとめ
•  KEKでSOI上にSTJを作製
•  STJとしての動作を確認!!
•  産総研でSTJ,SOI-STJを作製
•  STJに関しては産総研の測定系でリーク電流200pAを達成 (我々の目標値は100pA以下)
•  SOI上に作製したSTJはうまく形成されていない
•  現在問題を探索中
3He減圧冷却系を導入
•  磁気シールドなどを設置することにより測定系を改善
• 
もう少し改善が必要
産総研で作製したSTJはリーク電流の要求をほぼ達成
産総研でSOI-STJを完成させ、遠赤外光一光子検出を目指す
22
• 
23
BUCK UP
JAXA CIB observatory rocket FIR results
宇宙背景赤外輻射
㯤㐨ග䠄๓ᬒᨺᑕ䠅
CMB
⫼ᬒᨺᑕ
DGL
⣔እ㖟Ἑ
➨୍ୡ௦䛾ᫍ?
JAXA CIB observatory rocket experiment FIR results (1994)
24
FIR-rocket
CIB Experiment for Neutrino Decay Search with JAXA Rocket
ロケット実験のための装置
5 minutes DAQ at 200km height in 2016
Secondary
mirror
Grating
Preamplifiers(4K)
Tertiary
mirror
Superconducting
Tunnel Junction
(STJ) Detector Array
(50 x 8 channels)
1.7K Cryostat
>1W
Main
Mirror
FPij
F=1m
120cm
Focal plane
Instruments
Liq-He tank Vibration
Post-Preamplifier
1.7K
DAQ system
Damper Star Sensor
>1W
50cm
Weight 100kg
25
Focal plane
Instruments
IR Light
STJ ARRAY PROTOTYPE FOR NEUTRINO
DECAY SEARCH
We processed STJ at AIST and KEK,
and measured distribution of infrared(1310nm) laser with STJ array
2.9mm
The distribution of laser from fiber is
expected to be Gaussian
STJ chip
carrier
laser fiber
STJ illuminated with blue laser 1.4mm
STJ Output[AU]
The distribution of infrared light with STJ array STJ array on the chip
Black : Output from each STJ
Red : Gaussian fit
Position[mm]
26
The number of STJs : 10
The size of each STJ : 100um x100um
以前の測定系
磁場があるとSTJのリーク電流が増えるらしい
近くにある磁性体からの磁場?
3Kステージ
問題と思われるところ
•  XYステージに使われている磁性体
•  チップキャリアを固定している
ステンレスねじ
XYステージ
•  室温に繋がっている光ファイバー
からの赤外輻射
STJ & chip carrier
ステンレスねじで
ねじ止め
室温から伸びて
いる光ファイバー
改善した測定系
3Kステージ
改善したところ
•  XYステージを除去
•  チップキャリアを固定している
ステンレスねじをプラスチックねじ
に変更
•  室温に繋がっている光ファイバー
を除去
プラスチックねじで
ねじ止め
STJ & chip carrier
測定方法
STJ測定回路 : 定電圧回路
I
shunt resistance
differential amplifier
1MΩ
Function Generator
(Sin curve) V
faber head
oscilloscope
STJs
He3 sorption refrigerator
4端子法でSTJの抵抗値を測定
フォトンが入射すると電圧が変化
Laser pointer
STJ
chip carrier
磁気シールド
60Kシールドをパーマロイテープ(厚さ50um)で覆う
壁面を3重、底面を1重
ガウスメータで磁気シールドの効果を確かめる
60Kシールド外 : 0.1~0.3Gauss
60Kシールド内 : 0~0.1Gauss (測定限界)
パーマロイテープ
L-R 対称模型でのニュートリノの寿命
W =W
W =W
1
L
2
L
W
sin ζ +W
cos ζ −
R
sin ζ
R
cos ζ
WL and WR はそれぞれ V-A, V+A 結合
ζ は,混合角�
M. Beg, W. Marciano and M. Rudeman Phys. Rev. D17 (1978) 1395-1401�����
ニュートリノ崩壊幅をSU(2)L�x�SU(2)R�x�U(1)模型で計算.�
����M(W2)無限大で sinζ=0が標準模型と一致。�
31
磁気モーメント
κν
2
⎡
⎛
m
G
W
= 2 F me ⎢m ⎜1 −
2
π 2 ⎢⎣ ⎜⎝ mW
1

2
⎞
⎟ sin 2ζ + 3 m
ν
⎟
4
⎠
現在の測定下限値 M (W 2) > 715GeV/c 2 ,
M (W 2) = 1TeV/c 2 ,

κν
e
1

2
ζ < 0.013 より,
ζ = 0.01を用いると, 最大で,
⎛ m ⎞
⎟
≈ 2
me m = 0.4 ×10 ⎜⎜
(1)
⎟
m
π 2
⎝ e ⎠
= 0.4 ×10 −14 µ B , κν µ = 0.8 ×10 −12 µ B , κν τ = 3.6 ×10 −8 µ B
0.02GF
κν
⎛ mW 2 ⎞⎤
⎜1 +
⎟⎥
2
⎜ mW ⎟⎥
⎝
⎠⎦
−14
e
κν < 1.3 × 10 −10 µ B , κν < 6.8 ×10 −10 µ B , κν < 3.9 ×10 −7 µ B
e
µe
µB =
32
e
: Bohr Magneton
2me
τ
STJの構造‫‏‬
—  超伝導トンネル接合素子 (Superconducting Tunnnel Junction)
—  超伝導を使った放射線検出器
—  構造: 超伝導膜/ 絶縁膜 /超伝導膜
酸化膜
Nb配線
絶縁用‫‏‬SiO2
超伝導膜
超伝導膜
Si基板
◆ 大きさ: 100μm 100μm 600nm厚
(超伝導転移するには膜厚が200nm以上必要)
◆ 絶縁膜は数nm程度。
33
金海英修論発表トラペ
STJの作製方法
1. 基板上にHfをスパッタ,酸化の後,更にHfをスパッタ
2. レジストを塗布,露光・現像しジャンクションのパターンを形成
3. ドライエッチング法でHfを適当な高さまで削る
4. レジストを除去
5. レジストを塗布,露光・現像しアンダレイヤのパターンを形成
6. ドライエッチング法でHfを基板まで削る
7. レジストを除去
8. 酸化膜(SiO2)をスパッタ
9. レジストを塗布,露光・現像しコンタクトホールのパターンを形成
10. ドライエッチング法で酸化膜(SiO2)を削り,コンタクトホールを開
ける
11. レジストを除去
12. Nbをスパッタ
13. レジストを塗布,露光・現像しワイヤのパターンを形成
14. ドライエッチングでNbをワイヤの形に削る
15. レジストを除去
: Si(基板)‫‏‬
: Nbワイヤ
: Hf超伝導膜
: Hf酸化膜(絶縁膜)
: レジスト
: SiO2(絶縁用)
34
: コンタクトホール
金属薄膜の成膜の仕組み
・ 金属薄膜の成膜にはスパッタリング法を用いる
①成膜したい金属を上部に、膜を作る試料を下部に配置する
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下の基板(試料)にターゲットが付着
Nb
Ar
基板間距離:固定 Ts=130mm
Arガス流量:固定 50cc/min.
35
投入パワー:200∼600W
Arガス圧力:0.7∼3.0Pa
金属薄膜の加工方法
反応性の気体イオン,ラジカルによってエッチングする方法
エッチングガスを電磁波でプラズマ化
同時に基板を置く陰極に高周波電圧を印加
è プラズマ中のイオンやラジカルが試料めがけて加速され衝突
加えて,独立したバイアスによってイオンを基板に導くことが可能
イオンが垂直に入射,ラジカルが削られた壁面に付着
è 横方向へのエッチングは抑制され,垂直に削れる
36
ダウンロード

STJ及びSOI-STJの 開発の状況