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

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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。