ピクセル化された次世代型半導体光量子センサーの研究開発

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本研究では、半導体光検出器(PPD)にキャパシタを接続することによってPPDの増倍率を向上させることを目指している。本年度はこの方策が有効であることを検証するため、回路シミュレーションを行った。回路シミュレーションでは、シミュレートしたデバイスと外部回路を組み合わせてデバイスの応答を調べることができる。理論上、PPDの増倍率はPPDとそれに並列接続したキャパシタの正味のキャパシタンスに比例すると期待される。しかし、シミュレーションの結果は増倍率に改善は見られたものの、期待していたほどの効果が得られなかった。この原因を追求して3つの問題に直面し、問題解決に取り組んだ。1つめの問題は、PPDがガイガーモードで動作していないことである。本研究ではガイガーモードで駆動するPPDを想定しているが、実際にはより増倍率の低い領域で動作していることが示唆された。「印加電圧を高める」、「不純物濃度を調整して電場強度の高い構造を設計する」という2つのアプローチを試みて、増倍率を少し改善することができた。2つめに、高い電圧を印加すると電流値の計算が収束しなくなった。この問題はデバイスシミュレーションにおいて一般的にあてはまり、本研究を挑戦的な課題たらしめている要因の1つである。デバックを進め、印加電圧を高めることができた。3つめは、ある程度より高い増倍率に至ったとき増倍が収束しなくなり、電流が流れ続けてしまうことである。シミュレーションの結果を増倍と収束の両面から精査し、原因の究明を目指した。この問題はシミュレータに実装されている物理モデルの妥当性に関わり得ると考えている。問題の解決には至らなかったものの、物理モデルの理解を深めるとともに問題の所在を絞ることができた。PPDをガイガーモードで動作させるための課題は増倍率の高い条件下で増倍が収束しないことに集約されている。