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 akai@vbl.tut.ac.jp http://www.vbl.tut.ac.jp/
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
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
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
本研究室におけるチップ開発例
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
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
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 KS701 460 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
イメージセンサ もっとも高集積, 洗練化されたセンサ
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.1846-1849 (1999)
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
超高感度 ph 測定 OUTPUT SIGNAL [V] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 ph6.86 ph6.94 0 10 20 30 40 50 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] 1.0 20times : 1439mV/pH 0.8 100times : 5048mV/pH 0.6 50times : 3240mV/pH 0.4 10times : 667mV/pH 0.2 5times : 294mV/pH 1time : 60mV/pH 0.0 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0 ph
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
32x32 ph Image Sensor
Diffusions ph6.86 solution was dropped in a ph 9.18 solutions, which was fill on a sensor area.
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]
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
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
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
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.552-555, (1994) [2] T. Kotani et al. Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32, pp.6297-6300, (1993)
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
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) 202906.
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
Polarization (μc/cm 2 ) all-epi の効果 60 40 20 0-20 -40 厚さ :240 nm sol-gel 法にて作製 -60-400 -200 0 200 400 Electric Field (kv/cm) D. Akai et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 86 (2005) 202906. Pyroelecric coefficient (10-8 C/cm 2 K) (111) 菱面体晶 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 PZT(001) PZT(111) poly-pzt X ceramics 菱面体晶 [111] X 80 70 60 50 40 30 20 Zr content(%) 焦電特性 [001] (001) 正方晶 正方晶
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. 130-131 (2006) 111.
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
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 =-1.2V 0-5 -4-3 -2-1 0 V GS [V] 20 15 10 [V DS =50 mv] I D [μa] Polarization [μc/cm 2 ] I D [A] 60 40 20 0-20 -40 P S =-13 μc/cm 2-60 -400-200 0 200 400 Electric Field [kv/cm] 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 300 nm PZT NMOS V TH =1.8V 0 0 1 2 3 4 5 V GS [V] 20 15 10 5 [V DS =50 mv] I D [μa]
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