Development of an ultra-low energy threshold detector based on superconducting devices and expansion towards drak matter search in the sub-GeV region

开发基于超导器件的超低能量阈值探测器并扩展到亚GeV区域的暗物质搜索

• 批准号: 20H01927
• 负责人: 武内 勇司
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H01927/
• 关键词: 超伝導トンネル接合素子; SOI極低温増幅器; Sub-GeV暗黒物質探索; 暗黒物質探索

本研究課題は，超伝導体素子STJと半導体の技術であるSOI回路を組み合わせることにより，既存の検出器の概念を超える低エネルギー閾値検出を可能とする検出器の開発・実用化，更にその応用例として暗黒物質探索におけるsub-GeV探索領域の新規開拓が主目的である。2021年度の実績として，超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJの可視光～近赤外域単一光子に対する応答信号の増幅が可能なSOI極低温増幅回路の設計・作製をSOIのMulti-Project Wafer(MPW)ランに参加して行った。STJは２つの超伝導電極を数nm厚の酸化膜絶縁層で接合した構造を持っており，数10～数100pFと比較的大きな静電容量を持つ。更に超伝導ギャップエネルギー（Nb/Al-STJの場合1meV程度）相当の定電圧を印加して運転する必要があり，読出しのための増幅器は1kΩ以下の入力抵抗である必要がある。更に1MHz程度までの周波数帯域を要求する。これらの要求を満たす増幅回路として，初段に500Ωのシャント抵抗を持つゲート接地増幅回路とした電流-電圧変換型増幅の回路を新たに設計した。またカスコード接続の差動増幅回路を直列接続し開ループゲイン及び周波数特性を向上した増幅回路に容量性負帰還を掛けた電荷積分型回路も設計した。これらの回路は，3K以下の極低温下でのSOI MOS-FETの特性変化を考慮した回路シミュレーションにおいて，室温下及び，極低温で動作することが確認された。超伝導トンネル接合素子Nb/Al-STJに関しても，素子自体を暗黒物質探索の検出体として使用するために最大1μm厚の素子の作製を行った。

这项研究任务是开发出来的，并且可以通过将超导元素STJ和SOI电路组合来超过现有检测器的概念，从而超过了现有检测器的概念，这是一个半导体技术。黑暗物质搜索中的一个新的子GEV搜索区域。由于2021年，超级导体隧道工作电动机NB/AL-STJ的可见hikari - SOI的设计和生产极低温度放大电路，可以将响应信号扩增到近红外区域单光子（MPW） ）我参加了比赛。 STJ具有一个结构，其中两个超导电极与几个NM厚度的氧化物绝缘层连接在一起，并且具有相对较大的静态容量，即10至几个100 pf。此外，有必要应用超导间隙能（对于NB/Al-STJ）等效电压等效于恒定电压，并且用于读取的放大器的输入电阻必须为1kΩ或更低。另外，需要一个频率带宽约为1MHz。作为满足这些请求的放大电路，新设计的电流转换类型电路具有栅极生长的放大器电路，在第一阶段具有500Ω分流电阻。此外，电荷集成电路，其中CassCode连接以串联连接，并且已打开环路增益和频率特性的放大电路旨在增加容量和负电路。据证实，这些电路在低室温下在电路模拟中在非常低的温度下运行，考虑到SOI MOS-FET在3K或更低以下的特征。对于超导隧道键合元件NB/AL-STJ，使最大1μm厚的元素将元素本身用作深色物质搜索的检测器。

项目成果

COBANDプロジェクトにおけるSTJ信号読出のための極低温SOI増幅器の開発

COBAND 项目中开发用于 STJ 信号读出的低温 SOI 放大器

• 发表时间: 2020
• 作者: 篠原 育;三谷 烈史;寺本 万里子;浅村 和史;大野木 瞭太;高島 健;前谷佳奈・森本昭彦・大西秀次郎・郭新宇・美山透;武内勇司
• 通讯作者: 武内勇司

COBAND実験のためのSOI-STJの研究開発 XII

用于COBAND实验的SOI-STJ的研发XII

• 发表时间: 2021
• 作者: Chandra;N.;P. K. Patra;J. S. H. Bisht;A. Ito;T. Umezawa;N. Saigusa;S. Morimoto;S. Aoki;G. Janssens-Maenhout;R. Fujita;M. Takigawa;S. Watanabe;N. Saitoh;J. G. Canadell;中原瑳衣子
• 通讯作者: 中原瑳衣子

COBAND実験のためのSOI-STJの研究開発 XIII

用于COBAND实验的SOI-STJ的研发十三

• 发表时间: 2022
• 作者: 金谷和至;A. Okumura;守屋佑希久
• 通讯作者: 守屋佑希久

Development of FD-SOI cryogenic amplifier for application to STJ readout in COBAND project

开发 FD-SOI 低温放大器，用于 COBAND 项目中的 STJ 读出

• DOI: 10.1109/vlsi-tsa51926.2021.9440090
• 发表时间: 2021
• 期刊: 2021 International Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications (VLSI-TSA)
• 作者: Yuji Takeuchi;他31名(COBAND collaboration)
• 通讯作者: 他31名(COBAND collaboration)

COBAND実験のための極低温増幅器の研究開発

COBAND实验用低温放大器的研发

• 发表时间: 2022
• 作者: Kurosawa Kosuke;Ono Haruka;Niihara Takafumi;Sakaiya Tatsuhiro;Kondo Tadashi;Tomioka Naotaka;Mikouchi Takashi;Genda Hidenori;Matsuzaki Takuya;Kayama Masahiro;Koike Mizuho;Sano Yuji;Murayama Masafumi;Satake Wataru;Matsui Takafumi;篠原 育;杉村昂;守屋佑希久
• 通讯作者: 守屋佑希久