【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0053
利用課題名 / Title
バイオセンシングに利用する新規構造を有する光共振器の開発
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
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）-
【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
光デバイス/ Optical Device,電子線リソグラフィ/ EB lithography,センサ/ Sensor,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,光導波路/ Optical waveguide,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
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)
チューン ホアン アン
所属名 / Affiliation
東北大学大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
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
TU-064：エリオニクス 130kV EB描画装置
TU-201：DeepRIE装置#1
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
生体分子を高感度かつリアルタイムで検出するために、光バイオセンサの研究が重要となる。特に、光リング共振器型バイオセンサは、付着する物質の屈折率の微小な変化を検出できるため、光モードバイオセンサとして応用される。 本研究では、生体分子を高感度に検出するため、ナノ構造を有するリング共振器の同心円状光共振モードによる電磁界増強現象を用いて、バイオセンサの構造について研究する。SOI基板上に数µm半径のSiリング共振器を作製し、溶液濃度による共振波長の変化を評価する。デバイスの作製には、東北大学試作コインランドリに設置された電子線(EB)描画装置および深掘り反応性イオンエッチング(DeepRIE)装置を利用する
実験 / Experimental
Si回折共振器は、Siデバイス膜厚250 nmのSOI基板(20 mm□)上に構築する。ピラニア溶液（濃硫酸：過酸化水素水の7:3の混合物）を用いて基板を洗浄し、EBレジスト（maN-2403）を成膜した後、EB描画装置を用いてEB露光を行い、レジストパターンを作成する。EBのビーム電流値を1nA、ドーズを150～600 μC/cm²に設定する。その後、DeepRIEを用いてSiをエッチングする。
結果と考察 / Results and Discussion
FDTD法を用いた解析によって、共振器の半径およびグレーティング構造の周期を最適化することで、リング円周方向への光伝搬だけでなく、中心対称性を持つ動径方向に光を閉じ込める光モードが生成され、Q値および検出感度などのセンシング性能を向上させる結果を得る。本実験では、リング半径が4 μmのグレーティング構造型共振器をSOI基板上に作製する。Fig. 1は、EB電流値1nA、50,000ドット、400 μC/cm²でEBリソグラフィーを実施した後のナノグレーティング構造共振器（NGRR）の設計およびSEM図を示す。グレーティング構造が形成され、設計上のナノ構造50 nmギャップは40 nmとなり、導波路の幅は500 nmから520 nmに変化し、本構造による光導波路として機能でき、光共振を確認することができた。本構造の検出感度の評価を進めた結果、従来のリング型光共振器より感度が5倍向上することをシミュレーション結果で得られた。2025年度には、引き続きNGRRの性能を検討する予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 ナノグレーティング共振器（NGRR）の設計図（左）およびSEM図（右）
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
謝辞：本研究はJSPS若手研究K22K14580、および井上科学振興財団の助成を受けたものです。
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)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- A. Igarashi, Y. Ohtera, and H. Yamada, "High-Q Nanograting Ring Resonator Coupled with Grating Waveguides," in 2024 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR), Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2024), paper Th2E_3., 4th-8th, August, 2024.
- 五十嵐 アン, 山田 博仁, 吉信 達夫,"ナノグレーティングリング共振器を用いた導波モード共鳴に基 づく屈折率センサーの数値解析 ", 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
- 張侑泰, 吉信達夫, 山田博仁, 五十嵐アン, "高感度屈折率センサに向けたナノ構造リング共振器の数値解析", 令和7年東北地区若手研究者研究発表会「音・光・電波・エネルギー・システムとその応用」, 令和7年3月8日, 東北学院大学
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