利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.25】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT1129

利用課題名 / Title

赤外MEMSデバイスの研究

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

表面プラズモン共鳴、SPR,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ダイシング/ Dicing,光学顕微鏡/ Optical microscope,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,センサ/ Sensor,エレクトロデバイス/ Electronic device,メタマテリアル/ Metamaterial


利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

菅 哲朗

所属名 / Affiliation

電気通信大学大学院情報理工学研究科機械知能システム学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

宇梶 尚弥,野口 瑛矢,山内 貴弘,今井 雄貴,大室 和志,小澤 徹也,Eslam Abubakr

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-


利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-500：高速大面積電子線描画装置
UT-900：ステルスダイサー
UT-604：高速シリコン深掘りエッチング装置
UT-511：レーザー直接描画装置DWL66+2024


報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

表面プラズモン共鳴（SPR）を用いた化学量センサは、有望なラベルフリー測定方法として盛んに研究されている。金属表面に単色光が入射すると、特定の条件を満たしたとき金属/誘電体界面において光と金属中の自由電子との間で共鳴が起こる。これがSPRである。SPRの発生条件は、金属に接する誘電体の屈折率に依存するため、SPRの発生条件の変化を読み取ることで物質の特定を行うことができる。従来、この読み取りには光学的な反射測定が用いられていたが、黒木らはSPRが生じる金属（Au）をn-Si上に形成することで、Au/n-Si界面に生じるSchottky接合の障壁を利用してSPRを電流検出する方法を開発し、SPRセンサの小型化の可能性を提示した(1)。しかし、このセンサの性能検証を進めるうえで、センサ性能が経時的に低下する現象に遭遇した。センサの安定性向上は重要なので、本研究ではこの原因の追究と対策方法の策定、その評価に取り組んだ。

実験 / Experimental

黒木らの提案したSPRセンサは簡易にSchottky障壁を形成するためにAuをn-Si上に直接成膜していたが、Au/Si界面において常温でSi原子がAu中に拡散することは知られている(2)。この拡散が界面の電気的特性およびAuの誘電率変化を引き起こし、センサの性能低下をもたらしていると推察した。そこで、拡散係数が低い金属材料をAu/n-Si界面に挿入し、センサの経時的性能変化を検証した(Fig. 1)。このとき、特に拡散係数が低く、200℃以下ではAu/金属界面と金属/Si界面の両方で中間層を形成しない密着層金属であるMoを用いた(3)。

結果と考察 / Results and Discussion

まず、Mo密着層によるSi原子のAu膜への拡散の抑制を確認するため、Mo密着層のあり、なしで二つのデバイスを製作し、30日間大気中に放置した後、Au膜表面の元素分析を行った。Mo密着層のないデバイスでは、Au表面にSiの存在が確認されたが、Mo密着層のあるデバイスでは、Au表面にSiの存在は認められなかった。これにより、Mo密着層によるSi原子のAu膜への拡散抑制が確認できた。次に、Mo密着層によるセンサの経時的性能低下が抑制されるか確認するため、製作直後から1日毎に計10日間SPR電流計測実験を行い、Mo密着層の有無の効果を確かめた。Mo密着層のないデバイスは、日が経つ毎にピーク角度がシフトし、発生電流量（応答性）も同時に低下した。一方で、Mo密着層を有するデバイスは、両者ともに大幅な抑制がみられ、ピーク角度の変化が1/15に、応答性の低下を1/4に改善できた。これにより、Mo密着層によりAu/n-Si界面の拡散を防ぎ、同時にSPRセンサの時間経過による性能低下を抑制できることを実証した。電流検出型SPRセンサは、従来SPRセンサに必要であった光学系を大幅に簡易化可能とする技術なので、本研究の薄膜構成最適化を進めることにより、小型で実用性の高いラベルフリーセンサの実現につながる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


FIg. 1. デバイス概要


その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

(1) R. Kuroki, et al., IEEE Sens. J., vol. 22, no. 23, pp. 22557-22563, 2022.
(2) A. Hiraki, et al., Surface Science Reports., vol. 3, no. 7, pp. 357-412, 1983.
(3) M. A. Nicolet, Thin Solid Films., vol. 52, pp. 415-443, 1978.


成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
  1. Yuuki Kaneda, Plasmonic photodetector with submicron grating for reconstructive spectroscopy of low-intensity broadband light, Optics and Lasers in Engineering, 183, 108501(2024).
    DOI: 10.1016/j.optlaseng.2024.108501
  2. Eslam Abubakr, Advanced Room-Temperature NIR Plasmonic Photodetection and Reconstructive Spectroscopy, IEEE Transactions on Electron Devices, 72, 301-305(2025).
    DOI: 10.1109/ted.2024.3509385
  3. Eslam Abubakr, High-selectivity NIR amorphous silicon-based plasmonic photodetector at room temperature, Sensors and Actuators A: Physical, 379, 115925(2024).
    DOI: 10.1016/j.sna.2024.115925
  4. Eslam Abubakr, Optimizing geometry and metal-dependent performance of Si-based Schottky plasmonic photodetectors, Optical Materials, 150, 115175(2024).
    DOI: 10.1016/j.optmat.2024.115175
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. 小澤徹也, Eslam Abubakr, 菅哲朗: 薄型Si層を用いた背面照射型SPR化学量半導体センサの研究, 第15回 マイクロ・ナノ工学シンポジウム 2024年11月25日
  2. 野口瑛矢, イスラム・アブバクル, 金田裕喜, 大下雅昭, 菅哲朗: チタンを用いた低障壁化表面プラズモン共鳴式光検出器による分光法における応答性の定量検証, ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2024 in Utsunomiya
  3. Masaya Ukaji, Yuki Imai, Eslam Abubakr, Tetsuo Kan: Responsivity Dynamics of Au-Si Interdiffusion Effects in Surface Plasmon Resonance Sensors, The 11th Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology (APCOT2024)
  4. Yuki Imai, Masaya Ukaji, Tetsuya Ozawa, Eslam Abubakr, Masumi Taki, Tetsuo Kan: APPLICATION OF CURRENT DETECTION SURFACE PLASMON RESONANCE SENSOR USING SILICON AND GOLD GRATING FOR BIOMOLECULAR MEASUREMENT, The 11th Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology (APCOT2024)
  5. Yuuki Kaneda, Eslam Abubakr, A. Abadi, Shun Yasunaga, Masaaki Oshita, Tetsuo Kan: Reconstructive Spectrometer Using Plasmonic Photodetector, 14th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2024)
  6. Eslam Abubakr, Tetsuo Kan: Advancing Near-Infrared Photodetection and Spectroscopy Through Interlayer Integration, JCK MEMS/NEMS 2024
  7. 宇梶 尚弥, 今井 雄貴, Eslam Abubakr, 菅 哲朗: 電流検出型表面プラズモン共鳴センサの Au/n-Si Schottky 界面における拡散の影響, 第41回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
  8. 今井 雄貴, 宇梶 尚弥, 小澤 徹也, 瀧 真清, 菅 哲朗: 金回折格子構造による電流検出型表面プラズモン共鳴センサの生体分子計測への適用, 第41回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム 2024年11月25日
  9. Abubakr Eslam, Shiro Saito, Hironori Suzuki, Tetsuo Kan: 常温での界面特性を改善した近赤外光検出の強化, 第15回 マイクロ・ナノ工学シンポジウム 2024年11月25日
  10. 小澤徹也, Eslam Abubakr, 菅哲朗: 薄型Si層を用いた背面照射型SPR化学量半導体センサの研究, 第15回 マイクロ・ナノ工学シンポジウム 2024年11月25日
  11. 野口瑛矢, Abubakr Eslam, 大下雅昭, 菅哲朗: 2次元回折格子を備えたSPR式光検出器, 第15回 マイクロ・ナノ工学シンポジウム 2024年11月25日
  12. 大室和志, 宇梶尚弥, 菅哲朗: 電流検出型表面プラズモン共鳴センサのアレイ化の検討 , 第15回 マイクロ・ナノ工学シンポジウム 2024年11月25日
  13. 山内貴弘, 野口瑛矢, 大下雅昭, 菅哲朗: 電流検出型表面プラズモン共鳴センサを利用した分光器の小型化検討, 第15回 マイクロ・ナノ工学シンポジウム 2024年11月25日
  14. Eslam Abubakr, Hironori Suzuki, Shiro Saito, Tetsuo Kan: Advanced Room-Temperature NIR Plasmonic Photodetection and Reconstructive Spectroscopy, 2024 MRS Fall Meeting & Exhibit 2024年12月6日
  15. Tetsuya Ozawa, Abubakr Eslam, Tetsuo Kan: SUB-MICRON-THICK SI MEMBRANE SURFACE PLASMON COUPLING STRUCTURE FOR REDUCING UNWANTED PROPAGATION MODES INSIDE SI, The 38th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE MEMS 2025) 2025年1月19日
特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件

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