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しげじろうこいたばし
5 years ago
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1 LSI 技術とセンサー技術の融合によるインテリジェントスマートマイクロチップ豊橋技術科学大学赤井大輔澤田和明

2 高性能独創的なデバイスの実現 - イメージセンサの例 - CCD 型高性能特殊プロセス CMOS 型低性能, 安価 CMOS 周辺回路との融合高性能化のためにプロセスの特殊化材料の特殊化インテリジェントイメージセンサデバイスの材料製作プロセスからのオリジナリティデバイスの物理がわかる技術者独創的なデバイス

3 固体機能デバイス研究施設集積回路の設計試作評価が可能な統合型研究設備ウェハプロセスの例 ( 酸化工程 ) 設備の概要 LSI 設計用 CAD 電子ビーム描画装置集積回路製造プロセスライン MEMS 加工装置ウェハレベル評価システム学生による実験作業風景

4 スマートマイクロチップ不揮発メモリ無線給電 etc 通信用回路デバイス信号処理回路各種センサ Si 基板半導体 1 チップにあらゆる機能を集積化

5 本研究室におけるチップ開発例

6 スマートマイクロチップ機能材料磁性体強誘電体圧電体 LSI 技術 MEMS センサ化合物半導体通信光デバイス強誘電体薄膜スマートセンサイオンイメージセンサ OEIC

7 スマートマイクロチップ実例イオンイメージセンサ水素イオン濃度 (ph) センサ LSI 技術ベース強誘電体薄膜スマートセンサ熱型赤外線センサ機能 ( 焦電 ) 材料の集積化

8 従来の ph 測定技術一様な溶液中の ph 測定 ISFET ph METER 二次元 ph 測定 light-addressable potentiometric sensor 140 (LAPS) 780 KS 新電元工業株式会社単位 [mm] 大阪大学岩崎研究室株式会社堀場製作所

9 イメージセンサもっとも高集積, 洗練化されたセンサ

10 電荷転送型 ph センサ提案型 ph センサのセンシング部等価回路 Chemical Potential, φ C Δφ S 電荷転送技術を用いて電気信号に変換 * * K. Sawada et al., "Novel CCD based ph Imaging Sensor", IEEE Trans. ED Vol.46(9) pp (1999)

11 電荷転送型 ph センサの特徴累積読み出しによる効果 C SENS C FD 見かけ上の感度が高い SN 比の向上 Q sig Q sig V out = nq sig /C FD Q sig

12 超高感度 ph 測定 OUTPUT SIGNAL [V] ph6.86 ph Accumulation Cycle [times] 0.08pHの差を300mVの出力差 (0.001pH 分解能, 従来製品 0.1) OUTPUT SIGNAL [V] times : 1439mV/pH times : 5048mV/pH times : 3240mV/pH times : 667mV/pH 0.2 5times : 294mV/pH 1time : 60mV/pH ph

13 CCD/CMOS 技術によるイオンイメージセンサ本学固体機能デバイス研究施設にて作製

14 32x32 ph Image Sensor

15 Diffusions ph6.86 solution was dropped in a ph 9.18 solutions, which was fill on a sensor area.

16 米飯と酢飯 ph10 米飯 ph10 酢飯 ph9 ph7 ph9 ph9 ph7 ph2 ph 0 time [sec] ph 0 time [sec]

17 History of ph Image Sensor 10x10 pixels (Sensing area is 140μm square) 32x32 pixels (Sensing area is 40μm square) 128x128 pixels (Sensing area is 10μmx25μm) 原理検証プロトタイプ製品

18 スマートマイクロチップ実例イオンイメージセンサ水素イオン濃度 (ph) センサ LSI 技術ベース強誘電体薄膜スマートセンサ熱型赤外線センサ機能 ( 焦電 ) 材料の集積化

19 強誘電体薄膜スマートセンサ Si-based センサー : 低コスト, 高い拡張性非 Si 系材料 : 高感度, 単機能圧電材料 : 超音波センサ焦電材料 : 赤外線センサ赤外線センサの例 D*: 比検出能

20 焦電材料を用いた赤外線センサ L. PHAM et al. [1] T. KOTANI et al. [2] Si 基板を用いたセンサ集積回路とセンサが一体化多結晶強誘電体 MgO 基板を用いたセンサ配向制御された強誘電体集積回路との融合が困難 [1] L. Pham et al. IEEE Trans. Electron Devices, vol. 41, pp , (1994) [2] T. Kotani et al. Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32, pp , (1993)

21 強誘電体薄膜スマートセンサ絶縁層への Al 2 O 3 適用強誘電体薄膜センサ + シリコン集積回路高感度, 多機能

22 Al 2 O 3 による Epi 積層構造 PZT = Pb(Zr,Ti)O 3 On Pt(001)/γ-Al 2 O 3 (001)/Si(001) On Pt(111)/Al 2 O 3 (111)/Si(111) D. Akai et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 86 (2005)

23 all-epi の利点単結晶材料結晶の向きが揃っている非単結晶材料 ( セラミックスなど ) 結晶の向きがバラバラ薄く, 小さくても大きな信号が得られる大きな固まりが必要向きをそろえるための処理が必要

24 Polarization (μc/cm 2 ) all-epi の効果厚さ :240 nm sol-gel 法にて作製 Electric Field (kv/cm) D. Akai et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 86 (2005) Pyroelecric coefficient (10-8 C/cm 2 K) (111) 菱面体晶 PZT(001) PZT(111) poly-pzt X ceramics 菱面体晶 [111] X Zr content(%) 焦電特性 [001] (001) 正方晶正方晶

25 センサへの応用焦電型赤外線センサ D. Akai et al., Sensor. Actuat. A-Phys., Vols (2006) 111.

26 スマートアレイセンサ Pyroelectric IR Sensor Array with Circuitry: - 8x8 and 32x32 Array - Au/PZT(001)/Pt(001) detector - Surface maicromachined thermal isolation - JFET Source follower - NMOSFET selector Sensor Element Au/PZT/Pt

27 スマートアレイセンサ : イメージセンサ Sensor njfet nmosfet

I D [A] Operation of pixel components 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 JFET 5 V TH =-1.

28 I D [A] Operation of pixel components JFET 5 V TH =-1.2V V GS [V] [V DS =50 mv] I D [μa] Polarization [μc/cm 2 ] I D [A] P S =-13 μc/cm Electric Field [kv/cm] nm PZT NMOS V TH =1.8V V GS [V] [V DS =50 mv] I D [μa]

29 まとめ機能材料磁性体強誘電体圧電体 LSI 技術 MEMS センサ化合物半導体通信光デバイス強誘電体薄膜スマートセンサイオンイメージセンサ

支援財団研究活動助成生体超分子を利用利用した 3 次元メモリデバイスメモリデバイスの研究奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科小原孝介

支援財団研究活動助成生体超分子を利用利用した 3 次元メモリデバイスメモリデバイスの研究奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科小原孝介 2009.3.10 支援財団研究活動助成生体超分子を利用利用した 3 次元メモリデバイスメモリデバイスの研究奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科小原孝介研究背景研究背景研究背景研究背景データデータデータデータの種類種類種類種類データデータデータデータの保存保存保存保存パソコンパソコンパソコンパソコンパソコンパソコンパソコンパソコンデータデータデータデータデータデータデータデータ音楽音楽音楽音楽音楽音楽音楽音楽写真写真写真写真記録媒体記録媒体記録媒体記録媒体フラッシュメモリフラッシュメモリフラッシュメモリフラッシュメモリ動画動画動画動画