JP2000150975A - 超伝導検出器 - Google Patents
超伝導検出器Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 センサ用超伝導トンネル接合（STJ）素子のジ
ョセフソン電流を抑制するための外部磁場を正確に位置
付けし、超伝導量子干渉素子（SQUID）等他のSTJ素子集
積回路に磁気的悪影響を与えない。 【解決手段】 センサ用STJ素子と、センサ用STJ素子に
ジョセフソン電流抑制に必要な外部磁場を印加するため
の超伝導コイル若しくはスパイラル形状の超伝導インダ
クタンス線若しくは超伝導グランドプレート及びセンサ
用STJ素子の計測出力を処理するSTJ素子回路をマイクロ
ファブリケーション技術を用いて同一チップ上に集積、
作製する。
ョセフソン電流を抑制するための外部磁場を正確に位置
付けし、超伝導量子干渉素子（SQUID）等他のSTJ素子集
積回路に磁気的悪影響を与えない。 【解決手段】 センサ用STJ素子と、センサ用STJ素子に
ジョセフソン電流抑制に必要な外部磁場を印加するため
の超伝導コイル若しくはスパイラル形状の超伝導インダ
クタンス線若しくは超伝導グランドプレート及びセンサ
用STJ素子の計測出力を処理するSTJ素子回路をマイクロ
ファブリケーション技術を用いて同一チップ上に集積、
作製する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、センサに超伝導ト
ンネル接合素子を用いた放射線、光、Ｘ線などの電磁波
を検出する超伝導検出器において、超伝導トンネル接合
（Superconducting tunnel junction、以下単にSTJと
いう。）のジョセフソン電流を抑制するために外部磁場
を印加する磁場発生装置をSTJ素子と同一チップ上に作
製した装置に関する。
ンネル接合素子を用いた放射線、光、Ｘ線などの電磁波
を検出する超伝導検出器において、超伝導トンネル接合
（Superconducting tunnel junction、以下単にSTJと
いう。）のジョセフソン電流を抑制するために外部磁場
を印加する磁場発生装置をSTJ素子と同一チップ上に作
製した装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来この種の超伝導検出器として図９
（ａ）に示す検出器が知られている。８１は超伝導検出
器の心臓部となる数百ミクロン角の寸法を持つSTJ素子
で、該素子に使用されている超伝導電極材料を超伝導転
移温度（Tc）の十分の一以下の温度に冷却する冷却装置
が設けられている。STJ素子は通常、数百ナノメートル
の厚さの下部電極超伝導薄膜上に１ナノメートル程度の
トンネル障壁層になる絶縁膜が形成され、その上に下部
電極超伝導薄膜と同程度の厚みを持つ上部電極超伝導薄
膜が形成されたサンドイッチ型の構成を持つ。８２はST
J素子の上部電極超伝導薄膜、８３は下部電極超伝導薄
膜、８４はトンネル障壁絶縁層（体）、例えばＡl２Ｏ
ｘ絶縁体層である。８５，８６は図示されていない定電
流源によりSTJ素子電極にバイアス電流Ｉを供給するバ
イアス線、８７は上部、下部電極間の計測電圧Ｖであ
る。８８は上部電極８２内に照射される電磁波であるＸ
線である。上部電極８２、下部電極８３は超伝導検出器
の電磁波センサ面として機能する。
（ａ）に示す検出器が知られている。８１は超伝導検出
器の心臓部となる数百ミクロン角の寸法を持つSTJ素子
で、該素子に使用されている超伝導電極材料を超伝導転
移温度（Tc）の十分の一以下の温度に冷却する冷却装置
が設けられている。STJ素子は通常、数百ナノメートル
の厚さの下部電極超伝導薄膜上に１ナノメートル程度の
トンネル障壁層になる絶縁膜が形成され、その上に下部
電極超伝導薄膜と同程度の厚みを持つ上部電極超伝導薄
膜が形成されたサンドイッチ型の構成を持つ。８２はST
J素子の上部電極超伝導薄膜、８３は下部電極超伝導薄
膜、８４はトンネル障壁絶縁層（体）、例えばＡl２Ｏ
ｘ絶縁体層である。８５，８６は図示されていない定電
流源によりSTJ素子電極にバイアス電流Ｉを供給するバ
イアス線、８７は上部、下部電極間の計測電圧Ｖであ
る。８８は上部電極８２内に照射される電磁波であるＸ
線である。上部電極８２、下部電極８３は超伝導検出器
の電磁波センサ面として機能する。
【０００３】図９（ｂ）は超伝導検出器の電流電圧特性
を示す。電磁波であるＸ線がセンサ面の上部電極８２、
下部電極８３に照射されていないときは、電流電圧特性
は線８９で、接合電極間電圧はＶ0である。電磁波が電
極に照射されると、超伝導電子が励起、準粒子が発生し
て、電流電圧特性は線８９から線９０に変動し、接合電
極間の計測電圧はＶ０からＶ1に低下する。この電圧変
化ΔＶ＝Ｖ０−Ｖ１により、電磁波が検出される。
を示す。電磁波であるＸ線がセンサ面の上部電極８２、
下部電極８３に照射されていないときは、電流電圧特性
は線８９で、接合電極間電圧はＶ0である。電磁波が電
極に照射されると、超伝導電子が励起、準粒子が発生し
て、電流電圧特性は線８９から線９０に変動し、接合電
極間の計測電圧はＶ０からＶ1に低下する。この電圧変
化ΔＶ＝Ｖ０−Ｖ１により、電磁波が検出される。
【０００４】STJ素子のエネルギーギャップは半導体に
比べて約１／１０００であるため、統計揺らぎが半導体
の数十分の一になり、その分、エネルギー分解能が向上
することが知られている。すでに、ニオブ超伝導金属を
用いたSTJ素子で5.9KeVの入射エネルギーを持つＸ線を2
7eVの感度で計測することに成功している。これは半導
体検出器の理論的限界とされる120eVをはるかに凌駕し
ている。これにより、SJT素子検出器は物性分析及び医
療診断等の超精密測定に使用されようとしている。半導
体検出器では前記理論的限界の感度で計測されている
が、SJT素子検出器では理論的限界（４eV）の感度で計
測できるまでには、なお一桁程度分解能を向上させなけ
ればならない。
比べて約１／１０００であるため、統計揺らぎが半導体
の数十分の一になり、その分、エネルギー分解能が向上
することが知られている。すでに、ニオブ超伝導金属を
用いたSTJ素子で5.9KeVの入射エネルギーを持つＸ線を2
7eVの感度で計測することに成功している。これは半導
体検出器の理論的限界とされる120eVをはるかに凌駕し
ている。これにより、SJT素子検出器は物性分析及び医
療診断等の超精密測定に使用されようとしている。半導
体検出器では前記理論的限界の感度で計測されている
が、SJT素子検出器では理論的限界（４eV）の感度で計
測できるまでには、なお一桁程度分解能を向上させなけ
ればならない。
【０００５】
【発明の解決しようとする課題】図９（ｂ）に示す電流
電圧特性は、一定のバイアス電流を印加して、接合電極
間電圧Ｖ０が発生している条件の特性で説明したが、実
際には直流ジョセフソン効果のため、接合にジョセフソ
ン電流（臨界電流）Ic以下のバイアス電流Ｉを流しても
電極間に電圧Ｖは発生しない（図１０（ａ）参照）。SJ
T素子を電磁波等の検出器として使用するためには、こ
のジョセフソン電流を抑制しなければならない。従来こ
の種の超伝導検出器においては、STJ素子冷却用のクラ
イオスタットの周囲に大きな磁場発生装置を設置し、SJ
T面に平行に外部磁場を印加してジョセフソン電流Icを
抑制することが考えられた（図１０（ｂ）参照）。
電圧特性は、一定のバイアス電流を印加して、接合電極
間電圧Ｖ０が発生している条件の特性で説明したが、実
際には直流ジョセフソン効果のため、接合にジョセフソ
ン電流（臨界電流）Ic以下のバイアス電流Ｉを流しても
電極間に電圧Ｖは発生しない（図１０（ａ）参照）。SJ
T素子を電磁波等の検出器として使用するためには、こ
のジョセフソン電流を抑制しなければならない。従来こ
の種の超伝導検出器においては、STJ素子冷却用のクラ
イオスタットの周囲に大きな磁場発生装置を設置し、SJ
T面に平行に外部磁場を印加してジョセフソン電流Icを
抑制することが考えられた（図１０（ｂ）参照）。
【０００６】この外部磁場はSTJ素子のジョセフソン電
流を抑制するのが主目的あったが、われわれの実験によ
るとこの磁場はSTJのなかに共振による電流ステップ
（フィスケステップ、Fiske Step）を発生させること
がわかった（図１１参照）。このため超伝導検出器のバ
イアス電流はこの電流ステップの影響を受けない値に設
定される必要がある。しかし、外部磁場とSTJとの相対
位置が微小でも変動すると、この電流ステップ自体も変
動することが確認されている。クライオスタットで超伝
導検出装置を冷却するとき、液体へリウムの沸騰やポン
プの振動によりSTJには微少な振動が生じ、上記電流ス
テップも変動する。これがエネルギー分解能の向上を阻
む大きな要因になると考えられる。そのため、外部磁界
そのものの安定化とSTJ素子と外部磁界との相対位置を
安定化させることが重要であった。
流を抑制するのが主目的あったが、われわれの実験によ
るとこの磁場はSTJのなかに共振による電流ステップ
（フィスケステップ、Fiske Step）を発生させること
がわかった（図１１参照）。このため超伝導検出器のバ
イアス電流はこの電流ステップの影響を受けない値に設
定される必要がある。しかし、外部磁場とSTJとの相対
位置が微小でも変動すると、この電流ステップ自体も変
動することが確認されている。クライオスタットで超伝
導検出装置を冷却するとき、液体へリウムの沸騰やポン
プの振動によりSTJには微少な振動が生じ、上記電流ス
テップも変動する。これがエネルギー分解能の向上を阻
む大きな要因になると考えられる。そのため、外部磁界
そのものの安定化とSTJ素子と外部磁界との相対位置を
安定化させることが重要であった。
【０００７】更に、STJ素子によって計測された量を計
算処理するのに使用される、超伝導量子干渉素子（Supe
rconducting Quantum Interference Devices、以下
単にSQUIDという。）やジョセフソン論理ゲートは微小
な外部磁場（マイクロガウスのレベル）の存在に大きく
影響されるため、これまでの超伝導検出器の動作に必要
な数百ガウスの外部磁場の中では動作は勿論、別チップ
にしてこれを磁気遮蔽することも困難であった。
算処理するのに使用される、超伝導量子干渉素子（Supe
rconducting Quantum Interference Devices、以下
単にSQUIDという。）やジョセフソン論理ゲートは微小
な外部磁場（マイクロガウスのレベル）の存在に大きく
影響されるため、これまでの超伝導検出器の動作に必要
な数百ガウスの外部磁場の中では動作は勿論、別チップ
にしてこれを磁気遮蔽することも困難であった。
【０００８】本発明は、センサ用STJ素子に印加する外
部磁場を発生する超伝導磁界発生装置を、マイクロファ
ブリケーション技術を用いてセンサ用STJ素子に磁場を
閉じこめるように、又局在させるように形成すること
で、センサ用STJ素子と、超伝導磁気発生装置及びデジ
タル処理などを行うジョセフソン論理素子などとを同一
チップ上に実現できる超伝導検出器を提供することにあ
る。
部磁場を発生する超伝導磁界発生装置を、マイクロファ
ブリケーション技術を用いてセンサ用STJ素子に磁場を
閉じこめるように、又局在させるように形成すること
で、センサ用STJ素子と、超伝導磁気発生装置及びデジ
タル処理などを行うジョセフソン論理素子などとを同一
チップ上に実現できる超伝導検出器を提供することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明は、センサ用STJ素子に印加する磁場を発生
するための超伝導磁界発生装置として、マイクロファブ
リケーション技術を用いて超伝導磁気コイル若しくはス
パイラル形状の超伝導インダクタンス線及び超伝導グラ
ンドプレーンを、STJ素子が集積されている同一超伝導
チップ上に作製したものである。
に、本発明は、センサ用STJ素子に印加する磁場を発生
するための超伝導磁界発生装置として、マイクロファブ
リケーション技術を用いて超伝導磁気コイル若しくはス
パイラル形状の超伝導インダクタンス線及び超伝導グラ
ンドプレーンを、STJ素子が集積されている同一超伝導
チップ上に作製したものである。
【００１０】本発明に使用できる超電導コイル、インダ
クタンス線としてはニオブ系や鉛合金薄膜などを始めと
する超伝導金属薄膜が使用でき、従来のニオブ系や鉛合
金系超伝導集積回路として作製することができる。
クタンス線としてはニオブ系や鉛合金薄膜などを始めと
する超伝導金属薄膜が使用でき、従来のニオブ系や鉛合
金系超伝導集積回路として作製することができる。
【００１１】
【発明の実施の態様】図１は請求項１の超伝導検出器の
実施例である。図１（ｂ）は上側からみた図、図１
（ａ）は図１（ｂ）のＡＡ´線の断面図、図１（ｃ）は
図１（ｂ）のＣＣ´線の断面図、図１（ｄ）は図１
（ｂ）のＤＤ´線の断面図である。１はSTJ素子、２は
超伝導上部電極、３は超伝導下部電極、４はトンネル障
壁絶縁体（層）、５，６は検出器のバイアス電流を流す
超伝導バイアス線、７はチップ基板、８は超伝導コイ
ル、９は集積回路を絶縁、保護する絶縁層、１０は超伝
導コイル６により発生した磁場である。超伝導コイル８
は８ａの下部電極部分、８ｂのコンタクト部分、８ｃの
上部電極部分、８ｄのコンタクト部分、８ｅの下部電極
部分、・・・・で構成される。
実施例である。図１（ｂ）は上側からみた図、図１
（ａ）は図１（ｂ）のＡＡ´線の断面図、図１（ｃ）は
図１（ｂ）のＣＣ´線の断面図、図１（ｄ）は図１
（ｂ）のＤＤ´線の断面図である。１はSTJ素子、２は
超伝導上部電極、３は超伝導下部電極、４はトンネル障
壁絶縁体（層）、５，６は検出器のバイアス電流を流す
超伝導バイアス線、７はチップ基板、８は超伝導コイ
ル、９は集積回路を絶縁、保護する絶縁層、１０は超伝
導コイル６により発生した磁場である。超伝導コイル８
は８ａの下部電極部分、８ｂのコンタクト部分、８ｃの
上部電極部分、８ｄのコンタクト部分、８ｅの下部電極
部分、・・・・で構成される。
【００１２】図７は本発明に適用される超伝導コイル８
の作製方法の一例で、図８はSTJ素子の作製と超伝導コ
イル作製との関連を説明する図である。最初数インチの
直径及び１mm以下の厚みを持つ一般的なシリコンや石
英、サファイアなどのウェハ基板（図７（ａ））７の全
面にスパッタ法や蒸着法を用いて鉛やニオブなどの超伝
導金属で製膜し、下部電極を図７（ｂ）のように作製す
る。この超伝導薄膜の微細加工は半導体デバイス作製と
同じフォトレジストを用いたフォトリゾグラフィ技術に
より行われる。（以下、図１〜図８において同一参照数
字を付したものは同一なものである。）
の作製方法の一例で、図８はSTJ素子の作製と超伝導コ
イル作製との関連を説明する図である。最初数インチの
直径及び１mm以下の厚みを持つ一般的なシリコンや石
英、サファイアなどのウェハ基板（図７（ａ））７の全
面にスパッタ法や蒸着法を用いて鉛やニオブなどの超伝
導金属で製膜し、下部電極を図７（ｂ）のように作製す
る。この超伝導薄膜の微細加工は半導体デバイス作製と
同じフォトレジストを用いたフォトリゾグラフィ技術に
より行われる。（以下、図１〜図８において同一参照数
字を付したものは同一なものである。）
【００１３】超伝導コイルの下側の超伝導電極部分に相
当するフォトレジスト６１を図７（ｃ）のように形成し
た後、反応性イオンエッチングなどの方法によりドライ
エッチングを行って（６２）不要な箇所の超伝導薄膜を
除去すると、図７（ｄ）に示すように下部電極部分８ａ
が完成する。この上に蒸着やスパッタなどの製膜技術に
より酸化シリコン（ＳiＯ，ＳiＯ２）などの絶縁層９を
形成する（同図（ｅ））。超伝導下部電極部分８ａと電
気的接続を形成する部分にフォトリゾグラフィ技術とド
ライエッチング技術により微小な穴（コンタクトホール
６３）を形成する（図７（ｆ））。この上に、超伝導下
部電極と同じ要領で超伝導薄膜を形成（同図（ｇ））
し、フォトリゾグラフィ，ドライエッチング技術を用い
て超伝導上部電極部分８ｃ、超伝導コンタクト部分８
ｂ，８ｄを同図（ｈ）のように形成し、超伝導コイルは
完成する。超伝導コイル間を接続する線は、下部電極作
成の工程でSTJ素子の下部電極の側部に作成する（図８
（ａ）参照）。超伝導コイル保護のため上面を更に絶縁
層で被覆してもよい。基板７にノイズ遮蔽,素子の接地
するためにグランドプレーンを設けても良い。
当するフォトレジスト６１を図７（ｃ）のように形成し
た後、反応性イオンエッチングなどの方法によりドライ
エッチングを行って（６２）不要な箇所の超伝導薄膜を
除去すると、図７（ｄ）に示すように下部電極部分８ａ
が完成する。この上に蒸着やスパッタなどの製膜技術に
より酸化シリコン（ＳiＯ，ＳiＯ２）などの絶縁層９を
形成する（同図（ｅ））。超伝導下部電極部分８ａと電
気的接続を形成する部分にフォトリゾグラフィ技術とド
ライエッチング技術により微小な穴（コンタクトホール
６３）を形成する（図７（ｆ））。この上に、超伝導下
部電極と同じ要領で超伝導薄膜を形成（同図（ｇ））
し、フォトリゾグラフィ，ドライエッチング技術を用い
て超伝導上部電極部分８ｃ、超伝導コンタクト部分８
ｂ，８ｄを同図（ｈ）のように形成し、超伝導コイルは
完成する。超伝導コイル間を接続する線は、下部電極作
成の工程でSTJ素子の下部電極の側部に作成する（図８
（ａ）参照）。超伝導コイル保護のため上面を更に絶縁
層で被覆してもよい。基板７にノイズ遮蔽,素子の接地
するためにグランドプレーンを設けても良い。
【００１４】STJ素子の作製について簡単に一例を説明
する。図８（ａ），（ｂ）はそれぞれ図７（ｄ）の工
程、図６（ｈ）の工程を上から見た図である。STJ素子
の超伝導下部電極３、バイアス線６は超伝導コイルの下
部電極８ａと同時に作製される（図８（ａ）参照）。超
伝導下部電極上面と超伝導コイル磁場との相対的位置の
調整は、必要に応じ超伝導コイルの下部電極の上面を研
磨することにより行われる。トンネル障壁絶縁体（層）
４、超伝導上部電極２、バイアス線５の作成は超伝導コ
イル８の作製工程とは別の工程でおこなわれる。STJ素
子及び超伝導コイルの上面は露出しているが、保護のた
め絶縁層で覆っても良い。
する。図８（ａ），（ｂ）はそれぞれ図７（ｄ）の工
程、図６（ｈ）の工程を上から見た図である。STJ素子
の超伝導下部電極３、バイアス線６は超伝導コイルの下
部電極８ａと同時に作製される（図８（ａ）参照）。超
伝導下部電極上面と超伝導コイル磁場との相対的位置の
調整は、必要に応じ超伝導コイルの下部電極の上面を研
磨することにより行われる。トンネル障壁絶縁体（層）
４、超伝導上部電極２、バイアス線５の作成は超伝導コ
イル８の作製工程とは別の工程でおこなわれる。STJ素
子及び超伝導コイルの上面は露出しているが、保護のた
め絶縁層で覆っても良い。
【００１５】超伝導コイル８はSTJに面し、その内径範
囲が接合面であるトンネル障壁絶縁層を包むように配置
されるので、超伝導コイルの磁場は、マイスナー効果に
よりSTJ接合面のトンネル障壁絶縁層に吸込まれ、かつ
超伝導コイルの上部電極、下部電極はSTJの接合面と平
行に作製されているので、磁場はSTJの接合面と平行に
なり、ジョセフソン電流の抑制は効率良く行われる。具
体的には、ジョセフソン電流が数十mAの場合を用いて６
keVのＸ線信号を検出した時の検出出力信号の電流レベ
ルは約１μＡである。そのため通常ジョセフソン電流は
１０−５〜１０− ６程度に抑制する必要がある。これに
必要なSTJ面に印加される磁場の強度は、例えば、100Φ
０程度（但し、Φ０は磁気量子＝2.07×10−１５Wb）で
ある。（図９（ｂ）参照）
囲が接合面であるトンネル障壁絶縁層を包むように配置
されるので、超伝導コイルの磁場は、マイスナー効果に
よりSTJ接合面のトンネル障壁絶縁層に吸込まれ、かつ
超伝導コイルの上部電極、下部電極はSTJの接合面と平
行に作製されているので、磁場はSTJの接合面と平行に
なり、ジョセフソン電流の抑制は効率良く行われる。具
体的には、ジョセフソン電流が数十mAの場合を用いて６
keVのＸ線信号を検出した時の検出出力信号の電流レベ
ルは約１μＡである。そのため通常ジョセフソン電流は
１０−５〜１０− ６程度に抑制する必要がある。これに
必要なSTJ面に印加される磁場の強度は、例えば、100Φ
０程度（但し、Φ０は磁気量子＝2.07×10−１５Wb）で
ある。（図９（ｂ）参照）
【００１６】図１には、 超伝導コイルの電流供給につ
いて図示していないが、外部電源から直流電流を供給
し、ジョセフソン・スイッチにより超伝導コイルを短
絡、外部電源を遮断することにより超伝導コイルには電
流が流れ続ける。
いて図示していないが、外部電源から直流電流を供給
し、ジョセフソン・スイッチにより超伝導コイルを短
絡、外部電源を遮断することにより超伝導コイルには電
流が流れ続ける。
【００１７】図２は請求項２の超伝導検出器の実施例で
ある。超伝導コイル８は、トロイダル型構造で磁場は閉
路となっている。したがって、閉磁場はコイル内に局在
化され、超伝導コイルは磁場に影響されやすいジョセフ
ソン素子などを避けて、形成することができるので、磁
場に影響されやすいジョセフソン素子などとセンサ用ST
J素子とを同一チップに形成することができる。
ある。超伝導コイル８は、トロイダル型構造で磁場は閉
路となっている。したがって、閉磁場はコイル内に局在
化され、超伝導コイルは磁場に影響されやすいジョセフ
ソン素子などを避けて、形成することができるので、磁
場に影響されやすいジョセフソン素子などとセンサ用ST
J素子とを同一チップに形成することができる。
【００１８】図３は請求項３の超伝導検出器の実施例で
ある。図３（ｂ）は上側からみた図であり、図３（ａ）
は図３（ｂ）のＡＡ´線の断面を下側から見た図であ
る。３１は、絶縁層を介してSTJ素子１の上側に配置さ
れ、上部電極２等と磁気的に結合しているスパイラル形
状の超伝導インダクタンス線、３２は絶縁層を介して基
板５の上側に配置された超伝導グランドプレーンであ
る。スパイラル形状のインダクタンス線３１はそのスパ
イラル一区画をSTJ素子の上に、上部電極面２とSTJ素子
に磁場が印加される面とに平行になるように配置すれば
効果的である。
ある。図３（ｂ）は上側からみた図であり、図３（ａ）
は図３（ｂ）のＡＡ´線の断面を下側から見た図であ
る。３１は、絶縁層を介してSTJ素子１の上側に配置さ
れ、上部電極２等と磁気的に結合しているスパイラル形
状の超伝導インダクタンス線、３２は絶縁層を介して基
板５の上側に配置された超伝導グランドプレーンであ
る。スパイラル形状のインダクタンス線３１はそのスパ
イラル一区画をSTJ素子の上に、上部電極面２とSTJ素子
に磁場が印加される面とに平行になるように配置すれば
効果的である。
【００１９】超伝導体に電流を流すとマイスナー効果に
より電流は超伝導体表面に集中する。また、電流が流れ
ている超伝導体の近くにもう一つの超伝導体が近接する
と、超伝導体の電流で誘起される磁場を打消すようにも
う一つの超伝導体にミラー（鏡像）効果による電流が流
れる。図３の実施例における発生磁場を図４により模式
的に説明する。
より電流は超伝導体表面に集中する。また、電流が流れ
ている超伝導体の近くにもう一つの超伝導体が近接する
と、超伝導体の電流で誘起される磁場を打消すようにも
う一つの超伝導体にミラー（鏡像）効果による電流が流
れる。図３の実施例における発生磁場を図４により模式
的に説明する。
【００２０】図４（ｂ）は図４（ａ）の断Ｘ−Ｙ線の断
面図である。インダクタンス線３１に制御電流Ｉ1を矢
印の方向に流すと、マイスナー効果とミラー効果によっ
て、電流はインダクタンス線３１の下面に集中して流れ
る。そのため、STJの上部電極２の上面に電流Ｉ1と逆向
きのミラー電流Ｉ2が流れる。このミラー電流はSTJの下
面を逆向きに電流I３となって戻る。ここで、電流Ｉ1と
電流Ｉ2は互いに逆向きで対抗して流れるためコイルを
形成したのと同じような効果が得られ、結果として電流
Ｉ1による磁場はインダクタンス線とSTJの上部電極の間
の絶縁層（１）に閉じこめられ、図面の前方から後方方
向の磁場Ｈ１が生じる。
面図である。インダクタンス線３１に制御電流Ｉ1を矢
印の方向に流すと、マイスナー効果とミラー効果によっ
て、電流はインダクタンス線３１の下面に集中して流れ
る。そのため、STJの上部電極２の上面に電流Ｉ1と逆向
きのミラー電流Ｉ2が流れる。このミラー電流はSTJの下
面を逆向きに電流I３となって戻る。ここで、電流Ｉ1と
電流Ｉ2は互いに逆向きで対抗して流れるためコイルを
形成したのと同じような効果が得られ、結果として電流
Ｉ1による磁場はインダクタンス線とSTJの上部電極の間
の絶縁層（１）に閉じこめられ、図面の前方から後方方
向の磁場Ｈ１が生じる。
【００２１】同様に、電流Ｉ３はSTJ１のトンネル障壁
絶縁体４を介して電流Ｉ４を誘起、逆向き電流Ｉ５を介
して最終的には超伝導グランドプレーン３２に電流Ｉ６
が生じる。電流Ｉ５，Ｉ６により下部電極と超伝導グラ
ンドプレーン３２の間の絶縁層（２）に磁場が集中し、
図面の前方から後方方向の磁場Ｈ２が生じる。また、電
流Ｉ３，電流Ｉ４により上部電極２，下部電極３の間の
トンネル障壁絶縁体４に図面の前方から後方方向に磁場
１０を生じる。
絶縁体４を介して電流Ｉ４を誘起、逆向き電流Ｉ５を介
して最終的には超伝導グランドプレーン３２に電流Ｉ６
が生じる。電流Ｉ５，Ｉ６により下部電極と超伝導グラ
ンドプレーン３２の間の絶縁層（２）に磁場が集中し、
図面の前方から後方方向の磁場Ｈ２が生じる。また、電
流Ｉ３，電流Ｉ４により上部電極２，下部電極３の間の
トンネル障壁絶縁体４に図面の前方から後方方向に磁場
１０を生じる。
【００２２】電流Ｉ１〜Ｉ６により磁場は、上部電極
２、下部電極３の幅で絶縁体層（１）、（２）、トンネ
ル障壁絶縁体４内に閉じこめられ（図４（ｂ））、絶縁
層（体）内を平行に通過し、上部電極、下部電極の出入
側面では、磁場は上方に押し上げられ水平方向成分はほ
とんどなくなり（図４（ａ））、インダクタンス線３１
の上方における磁場は超伝導グランドプレーン３２のミ
ラー効果により減少する。これらにより、超伝導グラン
ドプレーンがない場合に比べて、インダクタンス線及び
STJ素子近傍にインダクタンス線３２により発生した磁
場は著しく集中するので、該近傍の外にある他のSTJ素
子には悪影響を及ぼさない。
２、下部電極３の幅で絶縁体層（１）、（２）、トンネ
ル障壁絶縁体４内に閉じこめられ（図４（ｂ））、絶縁
層（体）内を平行に通過し、上部電極、下部電極の出入
側面では、磁場は上方に押し上げられ水平方向成分はほ
とんどなくなり（図４（ａ））、インダクタンス線３１
の上方における磁場は超伝導グランドプレーン３２のミ
ラー効果により減少する。これらにより、超伝導グラン
ドプレーンがない場合に比べて、インダクタンス線及び
STJ素子近傍にインダクタンス線３２により発生した磁
場は著しく集中するので、該近傍の外にある他のSTJ素
子には悪影響を及ぼさない。
【００２３】図３，図４の実施例の構成においては、イ
ンダクタンス線３１をSTJ素子１の上にスパイラル形状
で複数回帰させて、インダクタンス線が発生する磁場を
ジョセフソン電流の抑制に必要な量だけ増大させ調整し
ている。STJ素子１の上では複数のインダクタンス線３
１を平行に配置すれば印加磁場の効率が良くなる。スパ
イラル形インダクタンス線３１は、図１の超伝導コイル
と同じくファブリケーション技術により作製した超伝導
薄膜のマイクロストリップ線であることは、勿論であ
る。
ンダクタンス線３１をSTJ素子１の上にスパイラル形状
で複数回帰させて、インダクタンス線が発生する磁場を
ジョセフソン電流の抑制に必要な量だけ増大させ調整し
ている。STJ素子１の上では複数のインダクタンス線３
１を平行に配置すれば印加磁場の効率が良くなる。スパ
イラル形インダクタンス線３１は、図１の超伝導コイル
と同じくファブリケーション技術により作製した超伝導
薄膜のマイクロストリップ線であることは、勿論であ
る。
【００２４】図５は、請求項４のセンサ用STJ素子アレ
イを使用した超伝導検出器の実施例である。図５の実施
例ではトロイダル構造の超伝導コイルにより発生する磁
場はセンサ素子である１０個のSTJ素子１の各接合面に
平行に通過する閉磁路を構成している。センサ面を広く
することにより超伝導検出器の感度を良くすることがで
きる。図５のように複数のSTJ素子グループ毎に超伝導
コイルを設けることも可能である。更に、該実施例では
超伝導コイルから漏洩する磁場も極力低減できることか
ら、STJ素子からの計測信号を検出、増幅、デジタル変
換、デジタル論理信号処理などを行う量子干渉素子回路
（SQUID）やジョセフソン論理回路などの超伝導処理回
路部５１を２０個のセンサ用STJ素子と同一チップ上に
集積している。グランドプレーンをノイズ遮蔽,素子を
接地するために該チップ全体の基板に設けると良い。
イを使用した超伝導検出器の実施例である。図５の実施
例ではトロイダル構造の超伝導コイルにより発生する磁
場はセンサ素子である１０個のSTJ素子１の各接合面に
平行に通過する閉磁路を構成している。センサ面を広く
することにより超伝導検出器の感度を良くすることがで
きる。図５のように複数のSTJ素子グループ毎に超伝導
コイルを設けることも可能である。更に、該実施例では
超伝導コイルから漏洩する磁場も極力低減できることか
ら、STJ素子からの計測信号を検出、増幅、デジタル変
換、デジタル論理信号処理などを行う量子干渉素子回路
（SQUID）やジョセフソン論理回路などの超伝導処理回
路部５１を２０個のセンサ用STJ素子と同一チップ上に
集積している。グランドプレーンをノイズ遮蔽,素子を
接地するために該チップ全体の基板に設けると良い。
【００２５】図６は、請求項５のアレイ型超伝導検出器
の実施例で、図３のスパイラル形状インダクタンス線に
よる磁場発生装置を５×４個のセンサ用STJ素子アレイ
に適用したものである。スパイラル形状インダクタンス
線３１は５×４個のセンサ用STJ素子１の上を複数回帰
させて配置されている。回帰した複数のインダクタンス
線３１は、STJ素子の直ぐ上では平行である。スパイラ
ル形状インダクタンス線による磁場は図４で説明したよ
うスパイラル形状インダクタンス線３１の近傍に局在化
されるので、図５の実施例と同様に超伝導回路素子とセ
ンサ用STJ素子アレイとを同一チップ上に集積配置する
ことができる。
の実施例で、図３のスパイラル形状インダクタンス線に
よる磁場発生装置を５×４個のセンサ用STJ素子アレイ
に適用したものである。スパイラル形状インダクタンス
線３１は５×４個のセンサ用STJ素子１の上を複数回帰
させて配置されている。回帰した複数のインダクタンス
線３１は、STJ素子の直ぐ上では平行である。スパイラ
ル形状インダクタンス線による磁場は図４で説明したよ
うスパイラル形状インダクタンス線３１の近傍に局在化
されるので、図５の実施例と同様に超伝導回路素子とセ
ンサ用STJ素子アレイとを同一チップ上に集積配置する
ことができる。
【００２６】図６の実施例では全センサ用STJ素子のバ
イアス線６は超伝導グランドプレーンに接続されてい
る。各センサ用STJ素子の電圧変化をバイアス線５の電
圧で検出し、図５の超伝導処理回路部５１と同じ回路で
演算処理して、各センサ用STJ素子に照射された電磁波
等がそれぞれ計測できる。これにより、空間的な電磁波
線等の入射位置とそのエネルギーを高分解能検出するピ
クセル検出器を実現できる。
イアス線６は超伝導グランドプレーンに接続されてい
る。各センサ用STJ素子の電圧変化をバイアス線５の電
圧で検出し、図５の超伝導処理回路部５１と同じ回路で
演算処理して、各センサ用STJ素子に照射された電磁波
等がそれぞれ計測できる。これにより、空間的な電磁波
線等の入射位置とそのエネルギーを高分解能検出するピ
クセル検出器を実現できる。
【００２７】全センサ用STJ素子のバイアス線をそれぞ
れ直列に接続して、センサ用STJ素子の全電圧変化を検
出して、全センサ用STJ素子に照射される電磁波等を検
出することもできる。超伝導グランドプレーンは他のジ
ョセフソン処理回路等のSTJ素子の下に配置されてもよ
い。
れ直列に接続して、センサ用STJ素子の全電圧変化を検
出して、全センサ用STJ素子に照射される電磁波等を検
出することもできる。超伝導グランドプレーンは他のジ
ョセフソン処理回路等のSTJ素子の下に配置されてもよ
い。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、超伝導コイルをマイク
ロファブリケーション技術を用いてSTJ素子と同一チッ
プ上に形成することで、位置決めも精確になり、任意の
方向から精確に接合面に平行な外部磁場を印加すること
ができ、かつ、漏洩磁束をマイクロメータのレベル範囲
に閉じこめることが可能になり、同一チップ上に磁場に
影響されやすいジョセフソン論理素子などを集積できる
ことから、STJ素子で検出した信号のデジタル処理など
を同一チップ上に実現でき、検出器の小型化、信頼性向
上に大きく寄与できる。
ロファブリケーション技術を用いてSTJ素子と同一チッ
プ上に形成することで、位置決めも精確になり、任意の
方向から精確に接合面に平行な外部磁場を印加すること
ができ、かつ、漏洩磁束をマイクロメータのレベル範囲
に閉じこめることが可能になり、同一チップ上に磁場に
影響されやすいジョセフソン論理素子などを集積できる
ことから、STJ素子で検出した信号のデジタル処理など
を同一チップ上に実現でき、検出器の小型化、信頼性向
上に大きく寄与できる。
【００２９】従来不可能であった超伝導電磁波検出用ST
J素子とSTJ素子が発生する微弱な信号を増幅するSQUID
や信号のアナログ／デジタル（A/D）変換やその信号処
理を行うジョセフソン回路とを同一チップ上に形成する
ことが可能になり、検出器のエネルギー分解能の性能向
上および小型化が達成される。
J素子とSTJ素子が発生する微弱な信号を増幅するSQUID
や信号のアナログ／デジタル（A/D）変換やその信号処
理を行うジョセフソン回路とを同一チップ上に形成する
ことが可能になり、検出器のエネルギー分解能の性能向
上および小型化が達成される。
【図 １】請求項１，２の実施例を説明する図である。
【図 ２】請求項１，２の閉磁路を説明する図である。
【図 ３】請求項３の実施例の平面図及び断面図であ
る。
る。
【図 ４】請求項３の実施例におけるスパイラル形状イ
ンダクタンス線により発生する磁場を説明する図であ
る。
ンダクタンス線により発生する磁場を説明する図であ
る。
【図 ５】請求項４の実施例を説明する図である。
【図 ６】請求項５の実施例を説明する図である。
【図 ７】請求項１，２，３の超伝導コイルを作製する
方法の一例を示す図である。
方法の一例を示す図である。
【図 ８】超伝導コイルの作製とSTJ素子の作製との関
連を説明するための図である。
連を説明するための図である。
【図 ９】超伝導検出器の原理を説明する図である。
【図１０】STJの電流電圧特性を説明する図である。
【図１１】フィスケステップを説明する図である。
１ 超伝導トンネル接合（STJ）素子 ２ 上部電極 ３ 下部電極 ４ トンネル障壁絶縁体 ５，６ バイアス線 ７ 基板 ８ 超伝導コイル ９ 絶縁層 １０ 接合面を通過する磁場 ３１ スパイラル形状インダクタンス線 ３２ 超伝導グランドプレーン ５０ 超伝導検出器チップ ５１ 超伝導検出器の超伝導処理回路部 ５２ 超伝導検出器出力 Ｉ バイアス電流 I1 制御電流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤穂 博司 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 石橋 健二 福岡県福岡市東区箱崎６−10−１ 九州大 学工学部エネルギー科学科内 (72)発明者 前畑 京介 福岡県福岡市東区箱崎６−10−１ 九州大 学工学部エネルギー科学科内
Claims (5)
- 【請求項１】 センサ用超伝導トンネル接合素子が形成
されている同一の基板上に、該超伝導トンネル接合素子
の接合面にジョセフソン電流を抑制する前記接合面に平
行な磁場を発生する超伝導コイルを、超伝導トンネル接
合素子を左右に包み込む構造で形成したことを特徴とす
る超伝導検出器。 - 【請求項２】 超伝導コイルを発生磁場を閉路とするト
ロイダル型構造で形成したことを特徴とする請求項１の
超伝導検出器。 - 【請求項３】 センサ用超伝導トンネル接合素子が形成
されている基板と、前記超伝導トンネル接合素子と前記
基板との間に絶縁層を介して形成された超伝導グランド
プレーンと、前記超伝導トンネル接合素子の接合面に平
行に前記接合面を通過する磁場を発生させるように、前
記超伝導トンネル接合素子の上に絶縁層を介して形成し
たスパイラル形状インダクタンス線とを集積配置したこ
とを特徴とする超伝導検出器。 - 【請求項４】 アレイ状に配置された複数のセンサ用超
伝導トンネル接合素子と、複数の超伝導回路素子と、該
センサ用超伝導トンネル接合素子の各接合面に平行に、
該全接合面を通る閉磁場を発生させるように複数の該セ
ンサ用超伝導トンネル接合素子の間に設けた超伝導コイ
ルとをグランドプレーンを形成した同一基板上に集積し
たことを特徴とする超伝導検出器。 - 【請求項５】 アレイ状に配置された複数のセンサ用超
伝導トンネル接合素子と、複数の超伝導回路素子と、複
数の該センサ用超伝導トンネル接合素子の各接合面に平
行に、該全接合面を通る閉磁場を発生させるように、前
記超伝導トンネル接合素子の上に絶縁層を介して形成し
たスパイラル形状インダクタンス線とをグランドプレー
ンを形成した同一基板上に集積したことを特徴とする超
伝導検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21928699A JP3331369B2 (ja) | 1998-09-04 | 1999-08-02 | 超伝導検出器 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10-250655 | 1998-09-04 | ||
| JP25065598 | 1998-09-04 | ||
| JP21928699A JP3331369B2 (ja) | 1998-09-04 | 1999-08-02 | 超伝導検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000150975A true JP2000150975A (ja) | 2000-05-30 |
| JP3331369B2 JP3331369B2 (ja) | 2002-10-07 |
Family
ID=26523035
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21928699A Expired - Lifetime JP3331369B2 (ja) | 1998-09-04 | 1999-08-02 | 超伝導検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3331369B2 (ja) |
-
1999
- 1999-08-02 JP JP21928699A patent/JP3331369B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3331369B2 (ja) | 2002-10-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3331369 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |