JP2004288852A

JP2004288852A - ホットエレクトロンボロメータ素子

Info

Publication number: JP2004288852A
Application number: JP2003078581A
Authority: JP
Inventors: Shigeto Miki; 茂人三木; Akira Kawakami; 彰川上; Keitoku Uzawa; 佳徳鵜澤; Yasu O; 鎮王
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】超伝導体を使用したＨＥＢミキサーに関し、フォノン冷却型ホットエレクトロン素子のフォノン拡散効果を改良する。
【解決手段】誘電体基板と、該基板上に設けられた超伝導薄膜と、該超伝導薄膜に接続された電極により構成されるホットエレクトロンボロメータ素子において、超伝導薄膜の上部にホットエレクトロンと相互作用したフォノンを拡散させる誘電体を備える構成をもつ。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導薄膜を使用したホットエレクトロンボロメータ素子（以後、ＨＥＢ素子と称する）に関するもので、特に、フォノン冷却型ホットエレクトロンボロメータ素子のフォノン拡散効果を改良したものである。
【０００２】
【従来の技術】
電波天文学や地球環境計測等において、ＴＨｚ領域で低雑音、高感度に動作する受信機が必要とされている。そのような受信機として現在まで、超伝導−絶縁体−超伝導（ＳＩＳ）ミキサーが実現されている。しかし、ＳＩＳ素子は、ギャップ周波数以上の電磁波の照射を受けた時に超伝導性が破壊されるために超伝導ギャップ周波数以上の周波数で大きく性能が低下する。
【０００３】
超伝導によるＨＥＢ素子は超伝導エネルギギャップの制限を受けないので、ＨＥＢ素子を使用したミキサー（以後、ＨＥＢミキサーと称する）は、ＴＨｚ周波数帯より上で動作する低ノイズミキサーとして期待されている。ホットエレクトロンに対する冷却効果をもつ二つのタイプのＨＥＢミキサーがあり、拡散冷却型（超伝導ストリップに発生したホットエレクトロンを電極で冷却するタイプ）とフォノン冷却型（ホットエレクトロンと超伝導ストリップのフォノンとの相互作用によりホットエレクトロンを冷却するタイプ）の二つのタイプのＨＥＢ素子が研究され、１ＴＨｚ以上の電磁波に対して低ノイズの性能のものが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。ＨＥＢミキサーにおける問題は中間周波数ＩＦの帯域が狭く、数ＧＨｚ以下ということである。ＨＥＢミキサーのＩＦ帯域幅は、ホットエレクトロンプロセスに依存するので、中間周波帯域ＩＦを広げるためにはこれらのホットエレクトロンのエネルギを素早く拡散させることが必要である。フォノン冷却型ＨＥＢ素子の場合、ホットエレクトロンは、格子との相互作用により冷却され、そして、エレクトロンからエネルギを受け取ったフォノンは基板に流れる。このようにしてホットエレクトロンを冷却することにより動作するＨＥＢミキサーでは、広いＩＦ帯域幅を得るためには、エレクトロン−フォノン緩和時間τ_ｅ−ｐｈの短い超伝導体、例えば窒化ニオブ（ＮｂＮ）のような超伝導転移温度Ｔｃの高いものを使用しなければならない。また、フォノン拡散時間τ_ｅｓを短くするためにはＨＥＢ素子の膜厚を薄くする必要がある。
【０００４】
図１３は従来の超伝導ＨＥＢ素子の構成を示す。図１３（ａ）は従来のＨＥＢ素子の断面図を示し、図１３（ｂ）は平面図を示す。図１３（ａ）、（ｂ）において、１は基板であり、ＭｇＯ等の誘電体により構成されるものである。２は超伝導ストリップであり、ＮｂＮ等の超伝導薄膜である。２１、２２はログペリアンテナであり、例えばＮｂＮにより構成されるものである。図１３（ａ）、（ｂ）の構成の動作は後述する（図１（ｂ）参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｙ．Ｕｚａｗａｅｔｃ．”Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｑｕａｓｉ−ｏｐｔｉｃａｌＮｂＮｈｏｔ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｂｏｌｏｍｅｔｒｉｃｍｉｘｅｒａｔｔｅｒａｈｅｒｔｚｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ” Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ１５（２００２）１４１−１４５．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したようにＩＦ帯域幅を広帯域化するためには、外部電磁波の照射により励起された電子のエネルギを効率よく拡散させる必要がある。そのために、フォノン冷却型ＨＥＢミキサーの場合、電子−フォノン緩和時間の短縮とフォノン拡散時間を短縮しなければならない。電子−フォノン緩和時間を短縮するためには、高Ｔｃ超伝導材料を選択する必要がある。一方、フォノン拡散時間を短縮して、フォノンを効率的に基板に拡散させるためには、超伝導ストリップを薄くするとともに、基板と超伝導薄膜との界面の熱抵抗を小さくする必要がある。しかし、超伝導膜のＴｃは膜厚に依存し、膜厚を薄くするとＴｃが低下する。このように、電子−フォノン緩和時間の短縮とフォノン拡散時間の短縮は互いに矛盾する要素があり、高Ｔｃでかつフォノン拡散時間の短いフォノン冷却効果の高い超伝導ＨＥＢ素子を作成することは困難であった。本発明は、高Ｔｃでかつフォノン拡散時間の短い冷却効率の高い超伝導ＨＥＢ素子を提供することを目的にする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超伝導ストリップの上部にフォノン拡散のためのヒートシンクとして誘電体膜を形成することにより超伝導ストリップ膜厚を減らすことなくフォノン拡散効率を向上させる。
ＨＥＢミキサーのＩＦ帯域幅は、次のようになる。
【０００８】
【数１】

【０００９】
ここに、τ_０は、電子緩和時間であり、Ｃは動作バイアス点により定義される自己加熱パラメータである。フォノン冷却型ＨＥＢミキサーにおいて、τ_０は、次の式で表現される。
【００１０】
【数２】

【００１１】
ここに、τ_ｅ−ｐｈは電子−フォノン緩和時間であり、τ_ｅｓはフォノン拡散時間である。ｃ_ｅは電子熱容量であり、ｃ_ｐはフォノン熱容量である。τ_ｅ−ｐｈは電子温度Θに逆比例する。また、電子−フォノン緩和時間が短かくなるように高Ｔｃの超伝導材料を使用する必要がある。ＮｂＮ薄膜は短いτ_ｅｓをもつ材料として最善のものであり、数ｎｍの厚さの薄膜でも比較的に高いＴｃをもつ。ＮｂＮは、Θ＝１０Ｋでτ_ｅ−ｐｈ＝１２ｐｓである。それは、１３ＧＨｚのＩＦ帯域幅に相当する。
【００１２】
ＩＦ帯域幅の理論的限界は、非平衡フォノンが基板に十分速く拡散し、フォノンエネルギが電子により再吸収されないという場合に達成できる。しかし、実際にはフォノンの拡散時間等が存在し、理論的限界まで達成することは難しい。τ_ｅｓはストリップの厚さ、ブリッジと基板の間のマッチング係数α、もしくは音速ｕにより決められる。
【００１３】
【数３】

【００１４】
そのため、きわめて薄い超伝導膜に良好に音響的にマッチングする基板を使用することがτ_ｅｓを小さくするために必要である。超伝導膜の厚さを減らすことはさらにτ_ｅｓを小さくすることになるが、それは同時にＴｃを低下させ、電子−フォノン緩和時間τ_ｅ−ｐｈを大きくさせることになる。
【００１５】
本発明はこのτ_ｅｓとτ_ｅ−ｐｈを同時に小さくさせることができないことから生じるＩＦ帯域幅の広帯域化を困難にさせる問題を解決するものである。本発明は、超伝導ストリップの上部にもフォノン冷却材料を置くことにより、超伝導ストリップのフォノンが基板だけでなく、上部誘電体ヒートシンクにも拡散するようにすることにより、Ｔｃを低下させることなくフォノン拡散時間τ_ｅｓを小さくした。この場合フォノン拡散時間は次のようになる。
【００１６】
【数４】

【００１７】
ここに、τ_ｅｓ，ｓは超伝導ストリップから基板へのフォノン拡散時間、τ_ｅｓ，ｕは超伝導ストリップから上部誘電体ヒートシンクへのフォノン拡散時間である。
【００１８】
上部誘電体ヒートシンクとしては、超伝導ストリップに音響的に良く整合する誘電体材料が、効率的にフォノン拡散するために使用されねばならない。また、フォノン拡散は拡散長がＬより小さければ生じない。そのため、上部誘電体ヒートシンクの厚さは、フォノン拡散長、Ｌ＝ｌ_ｐｈ／ α’より厚くなければならない。但し、ｌ_ｐｈはフォノンの平均自由行程であり、そしてα’は超伝導ストリップと誘電体との間の音響的マッチングの程度を表す係数である。上部誘電体と超伝導ストリップの間の音響マッチングα’がストリップと基板の間の音響マッチングαに等しく、上部誘電体はヒートシンクとして十分に有効な厚さであるとするとすると、τ_ｅｓは超伝導ストリップの膜厚を減らすことなしに、理論的に半分になる。
【００１９】
図１（ａ）は本発明のフォノン拡散の原理説明図であり、図１（ｂ）は従来のフォノン拡散の原理を説明するものである。図１（ａ）において、１は基板であり、ＭｇＯ等の誘電体により構成されるものである。２は超伝導ストリップであり、ＮｂＮ等の超伝導薄膜である。３は上部誘電体である。２１、２２はログペリアンテナであり、ＮｂＮ、Ａｕ等により構成される。超伝導ストリップ２においてホットエレクトロンはフォノンと相互作用し、フォノンは誘電体の基板１と上部誘電体３に拡散し、ホットエレクトロンが冷却される。
【００２０】
図１（ｂ）において、１は基板であり、ＭｇＯ等の誘電体により構成される。２は超伝導ストリップであり、ＮｂＮ等の超伝導薄膜である。２１、２２はログペリアンテナである。超伝導ストリップ２においてホットエレクトロンはフォノンと相互作用し、エレクトロンからエネルギを受けとったフォノンは誘電体の基板１に拡散する。このような過程でホットエレクトロンが冷却される。
【００２１】
本発明では図１（ａ）に示されるように誘電体基板１と上部誘電体３の双方からフォノンが拡散され、フォノン拡散時間τ_ｅｓが小さくなる。そのため効率的にフォノン冷却される。これに対し、従来のものは、図１（ｂ）に示されるように、フォノンは下部の基板１から拡散されるだけでフォノン拡散効率は低いものであった。
【００２２】
このように、従来のＨＥＢミキサーは、Ｔｃを高くするために超伝導ストリップを厚くするとフォノン拡散時間が長くなり、ＩＦ帯域幅を広くとることができなかった。しかし、本発明では十分に高いＴｃの超伝導ストリップでもその上下に設けたヒートシンクにフォノン拡散するので、超伝導薄膜と二つの誘電体界面での熱抵抗の合成熱抵抗が小さくなり、フォノン拡散時間を短かくできる。そのために、本発明のＨＥＢ素子を使用したミキサーはＩＦ帯域幅を広くとることが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、ＮｂＮ上部に厚さ９ないし３５μｍの範囲で、ＳｉＯ膜をもつＨＥＢミキサーを設計し、作成した。そして、上部誘電体ヒートシンクの冷却効果を評価するために１００ＧＨｚでＨＥＢミキサーのＩＦ帯域幅を測定した。
【００２４】
図２（ａ）、（ｂ）は本発明のＩＦ特性評価用超伝導ＨＥＢミキサーを示す。図２（ａ）は本発明のＨＥＢ素子の断面図である。図２（ａ）において、１は基板であり、厚さ３００μｍのＭｇＯである。２は超伝導ストリップであり、厚さ３．５ｎｍのＮｂＮ超伝導薄膜である。３は上部誘電体であり、厚さ９ないし３５μｍのＳｉＯである。８は超伝導ストリップのブリッジ部である。１０は保護膜であり、厚さ１０ｎｍのＭｇＯ層である。２１、２２はログペリアンテナ、ＮｂＮにより超伝導ストリップ２に一体に形成したものである。
【００２５】
図２（ｂ）は本発明のＨＥＢ素子を使用したＨＥＢミキサーであり、平面図を示す。図２（ｂ）において図２（ａ）と同一参照番号は同一部分を表す。ＮｂＮの超伝導ストリップ２の幅は２０μｍであり厚さ１５０ｎｍである。２はＨＥＢ素子の超伝導ストリップであり、そのブリッジ部は長さ２μｍ、幅２μｍである。２１、２２はログペリアンテナである。
【００２６】
ＨＥＢミキサーのＩＦ帯域幅の測定から上部誘電体の効果を確認するために、ＨＥＢ素子自体の特性が、上部誘電体膜を形成する前後で変化していないかを確認した。ＮｂＮ超伝導ストリップが電極領域（ログペリアンテナ２１と２２の端部付近）で、電極と超伝導ストリップとの間の機械的ストレスにより破壊されるとＨＥＢミキサーの特性を変えられる。そのため、ログペリアンテナ２１、２２の端部の幅に比較して超伝導ストリップ２の幅を小さくし、電極領域との結合部で超伝導ストリップが損傷を受けないようにした。
【００２７】
ＮｂＮ超伝導ストリップ２の厚さは３．５ｎｍである。ＮｂＮ超伝導ストリップのブリッジ部分の長さは２μｍ、幅２μｍである。ログペリアンテナ２１、２２は厚さ１００ｎｍの厚さのＮｂＮである。各ＮｂＮ膜は、アルゴンと窒素の混合ガス中においてｄｃ反応性スパッタリングにより形成した。超伝導ストリップ２であるＮｂＮ膜が基板１に良好にエピタキシャル成長するように基板１としては単結晶ＭｇＯ基板が使用された。
【００２８】
単結晶ＭｇＯは、熱導電性が良い上にＮｂＮ膜と良好に音響マッチングするので、上部ヒートシンクとして理想的である。しかし、ＭｇＯ膜のフォノン拡散長Ｌを考慮するとその厚さは数μｍより厚くする必要がある。そのようにＭｇＯを厚く製膜することは難しいので、上部誘電体ヒートシンクとして厚く製膜しやすいＳｉＯ膜を使用した。
【００２９】
Ｔｃの劣化はτ_ｅ−ｐｈの増大になり、ＩＦ帯域幅を狭めるので、ＳｉＯをつけたことにより、ＮｂＮ超伝導ストリップに損傷をあたえてはならない。製造プロセスにおいて、ＳｉＯ膜が形成される前に、ＮｂＮ超伝導ストリップとＳｉＯフィルムの間の界面を清浄にするためのプロセスが必要である。クリーニングプロセスにより超伝導ストリップがダメージを受けることを防ぐために、保護膜として１０ｎｍの厚さのＭｇＯ膜を、ＮｂＮ超伝導ストリップの形成に引き続いて（ｉｎｓｉｔｕ）形成した。最終的に、９ないし３５μｍの厚さのＳｉＯ膜を高真空蒸着によりＭｇＯ保護膜の上に形成した。
【００３０】
図３は、ＩＦ特性の測定システムを示す。本発明のＨＥＢミキサー３２２（図２のＨＥＢ素子）は、真空のクライオスタット３１１の中に置かれ、超低温に冷却される。ＬＯ発振源３５により最大２ｄＢの９３．０〜９９．９ＧＨｚの局部発振波（ＬＯ）が発振され、信号源３６により１２ｄＢの１００ＧＨｚの信号が発振される。それぞれの信号は、方向性結合器３８により弱く結合され、ＨＥＢミキサー３２に照射される。ＩＦ信号は、スペクトルアナライザー３９により観測する。バイアスポイントはＬＯ電力とＤＣ電源により調整され、出力が最も大きくなるバイアスポイントに固定した。また、ＬＯ周波数を変えてもバイアスポイントが変わらないように、ＬＯ電力およびＤＣバイアスを調整しながらＩＦ測定をした。
【００３１】
超伝導ストリップの上部に形成するＭｇＯ保護膜自体により超伝導ストリップが損傷される程度を評価するために、ＭｇＯ保護膜がある場合とない場合でのＮｂＮ超伝導ストリップの温度−抵抗特性を測定した。
【００３２】
図４（ａ）は、ｒｆスパッタリングにより３．５ｎｍの厚さのＮｂＮ超伝導（薄膜）上に１０ｎｍの厚さのＭｇＯ膜を形成した場合の温度−抵抗の関係と、ＭｇＯ膜を形成しなかった場合のＮｂＮ超伝導ストリップの温度−抵抗の関係を示す。ＭｇＯ膜はそれぞれ以前の製膜に引き続いて（ｉｎｓｉｔｕ）形成した。
【００３３】
ＭｇＯ保護膜をｒｆスパッタリングにより形成した場合、ＮｂＮ超伝層ストリップのＴｃはＭｇＯ膜のない時のものより低いことが示されている。このＴｃの低下はｒｆスパッタリングの過程において逆スパッタリングによりＮｂＮ超伝導ストリップが損傷を受けたことによるものと考えられる。
【００３４】
図４（ｂ）はイオンビームスパッタリングによりＮｂＮ超伝導（薄膜）の上にＭｇＯ保護膜を形成した場合の温度−抵抗特性と、ＭｇＯ保護膜がない場合の温度−抵抗特性を示す。図４（ｂ）が示すようにイオンビームスパッタリングによりＭｇＯ膜を形成した場合には、ＮｂＮ超伝導ストリップのＴｃは、ＭｇＯ膜を形成しなかった場合とほとんど同じである。これは、イオンビームスパッタリングが超薄膜であるＮｂＮ超伝導ストリップの保護膜として有効な手段であることを意味する。
【００３５】
本実施の形態において、様々な厚さの上部ＳｉＯ膜について同じＨＥＢミキサーを使用してＩＦ帯域幅測定を行った。図５は本発明の評価用の超伝導ＨＥＢミキサーのＩ−Ｖ特性を示し、上部ＳｉＯ膜のない場合、９μｍと３５μｍの厚さのＳｉＯ膜を製膜する前後のものである。
【００３６】
図５（ａ）はＳｉＯ膜を形成する前のＨＥＢミキサーのＩ−Ｖ特性である。図５（ｂ）および（ｃ）は図５（ａ）と同じＨＥＢ素子について、上部誘電体の厚さを変えた場合の特性を比較したものである。図５（ｂ）は９μｍの厚さのＳｉＯ膜を形成した場合のＨＥＢミキサーのＩ−Ｖ特性である。図５（ｃ）は３５μｍの厚さのＳｉＯ膜を形成した場合のＨＥＢミキサーのＩ−Ｖ特性である。図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）が示すようにＳｉＯ膜の形成前と、厚さが９μと３５μｍのＳｉＯ膜を形成した場合とでＩ−Ｖ特性は変化しない。従って、ＳｉＯ膜の形成によりＨＥＢミキサーへのダメージが生じていないことを示している。
【００３７】
上部ヒートシンクとしてＳｉＯ膜を使用することによるフォノン拡散効率の改善を評価するために、ＳｉＯ膜がない場合、９μｍおよび３５μｍの厚さのＳｉＯ膜があるそれぞれの場合について、ＨＥＢミキサーのＩＦ帯域幅を測定した。測定システムは図３で説明したものであり、ＨＥＢミキサーのブロックは、液体ヘリュームクライオスタットに置かれる。ローカル発振波と信号波は方向性結合器と減衰器により弱く結合される。信号波の周波数は１００ＧＨｚであり、信号電力は一定値に固定される。ＬＯ発振源の周波数は９４．０から９９．９ＧＨｚまで変化させた。バイアス電圧と電流は、測定の間に各ＬＯ周波数において４ｍＶと６０μＡに常にセットされるようにした。ＩＦ信号はスペクトルアナライザーを使用して観測された。
【００３８】
図６は、作成されたＨＥＢミキサーに対するＩＦ特性の関数としての相対ＩＦ出力パワーを示す。ＳｉＯ膜の厚さが０の場合（ＳｉＯ膜がない場合）、ＳｉＯ膜の厚さが９μｍおよび３５μｍの厚さの３ｄＢのロールオフ周波数（ＩＦ帯域幅として定義される）は、それぞれ０．４ＧＨｚ、０．５ＧＨｚおよび０．７ＧＨｚであった。厚いＳｉＯ膜を持つＨＥＢミキサーでは、ＩＦ帯域幅の顕著な増加が示された。これらの結果は、超伝導ストリップの上部に設けたＳｉＯ膜がＨＥＢミキサーにおけるフォノン拡散のヒートシンクとして有効に作用していることを示している。
【００３９】
図７は本発明の超伝導ＨＥＢミキサーの実施の形態を示す。図７（ａ）は本発明のＨＥＢミキサーの構造図の例を示す。図７（ｂ）は平面図である。図７（ａ）と（ｂ）とで、図面上での寸法の対応関係はない。図７（ａ）、（ｂ）において、１は基板であって、厚さ３００μｍのＭｇＯである。２は超伝導ストリップであって、厚さ３ｎｍのＮｂＮである。３は誘電体であって、厚さ３０μｍのＳｉＯであり、上部誘電体である。４、５はで電極であって、厚さ５０ｎｍのＮｂＮである。超伝導ストリップ２の電極間のブリッジの部の長さ（電極間の長さ）は０．４μｍであり、ブリッジ部分の幅は３μｍである。１０は保護膜であり、厚さ１０ｎｍのＭｇＯ膜である。３１、３２はアンテナであって、厚さ１５０ｎｍのアルミニュームである。アンテナ３１と３２はツインスロットアンテナである（図８参照）。
【００４０】
図８は本発明のＨＥＢミキサーの光学顕微鏡写真に基づく図である。図８において、図７（ａ）、（ｂ）と共通の番号は共通部分を示す。図８では、ＨＥＢミキサーは、図７（ａ）、（ｂ）と同じものであり、０．９ＴＨｚ用ツインスロットアンテナ３１、３２の間に配置されている。
【００４１】
図９は本発明は超伝導ＨＥＢミキサーのＩＦ特性を示す。図８の超伝導ＨＥＢミキサーのＩＦ特性である。最大３．４ＧＨｚのＩＦ帯域幅が得られ、本発明が有効であることを示している。
【００４２】
図１０は、本発明の雑音特性を測定したＴＨｚ帯雑音温度測定システムである。１００は液体ヘリューム容器である。１０２は入力信号源であり、黒体輻射源である。１０３はＢＷＯであって、ＬＯ（ローカル信号）源であり。１０４は厚さ９．０μｍのマイラフィルムである。１０６は液体ヘリューム容器の窓である。１０８はＩＲフィルターである。１０９は凹面反射膜であって、入射電磁波をＭｇＯレンズ１１０に焦点が合うように反射させるものである。１１０はＭｇＯレンズであって、入射電磁波をＨＥＢミキサー素子に焦点が合うようにするものである。１１２はＨＥＢミキサー素子であって、本発明のミキサー素子である。１１４はバイアス−Ｔｅｅであり、ＤＣバイアス信号をＨＥＢミキサーの電極間に印加するものである。１１６はＤＣバイアス源である。１１８は４．２Ｋで動作する半導体増幅器である。１２０は増幅器である。１２２はバンドパスフィルターである。１２４は電力計である。
【００４３】
図１０の構成で、入力信号源１０２は、７７Ｋもしくは２９５Ｋの黒体輻射をする。黒体輻射はマイラフィルム１０４を透過する。ＬＯ源１０３から発生した電磁波はマイラフィルム１０４で反射し、黒体輻射と混合して、真空窓、ＩＲフィルターを透過し、曲面（もしくは凹面）反射膜１０９で反射し、ＨＥＢミキサーに照射される。ＨＥＢミキサー素子１１２には、ＤＣバイアス１１６とバイアス−Ｔｅｅにより、直流電圧が電極間に印加される。ミキサー出力は半導体増幅器１１８により増幅され、さらに増幅器１２０で増幅される。その出力はバンドパスフィルターを透過し、電力計１２４で、ＨＥＢミキサーの応答特性が測定される。
【００４４】
図１１はＬＯ周波数６００ＧＨｚにおけるヘテロダイン応答特性である。バイアス電圧（横軸） −バイアス電流（縦軸）特性において、ｕｎｐｕｍｐｅｄＩ−Ｖ特性ＨＥＢミキサーに電磁波の照射のない場合、ｐｕｍｐｅｄＩ−Ｖ特性は電磁波照射を行った場合である。バイアス電圧（横軸）Ｉ−Ｆ出力パワー（縦軸）の特性において、ｈｏｔｌｏａｄは入力信号源が２９５Ｋの場合であり、ｃｏｌｄｌｏｌｄは入力信号源が７７Ｋの場合である。受信機雑音温度は２９５Ｋと７７Ｋの出力特性をもとに、Ｙファクター法により算出することが出来る。受信機雑音温度はバイアス電圧依存性を有しており、バイアス電圧０．６ｍＶ付近で最低雑音温度５００Ｋを示した。この値は、現在までに報告されている結果と比べて同程度の低雑音を示している。
【００４５】
図１２は、ＬＯ周波数−受信機雑音温度特性を示す。０．７５ＴＨｚ付近において雑音温度が急激に増大している領域が存在しているが、これは大気中の水分子の吸収スペクトルが存在している為に入力信号の減衰が起こったためであると思われる。この領域を無視すると、本発明のＨＥＢミキサーは広周波数領域にわたって低雑音温度であることが分かり、従来のものと同等の雑音性能を有している。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、ＨＥＢミキサーの超伝導ストリップの下部基板と上部誘電体により、ＨＥＢミキサーのフォノン拡散が効果的になされ、ＩＦ帯域幅を広帯域化することができる。また、超伝導ストリップと上部誘電体の間に超伝導ストリップとエピタキシャル成長における整合性のよい保護膜を設けることにより超伝導ストリップ膜が損傷されることなく上部誘電体を形成することができる。さらに、電極の幅に比較して超伝導ストリップの幅を小さくした。そのためＮｂＮ超伝導ストリップが電極領域の近傍付近で、電極とストリップとの間の機械的ストレスにより破壊されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明のＩＦ特性評価用超伝導ＨＥＢミキサーを示す図である。
【図３】本発明のＩＦ特性の測定システムであって、本発明の超伝導ＨＥＢミキサーのＩＦ帯域幅を測定するためのシステムを示す図である。
【図４】本発明の超伝導膜の温度抵抗特性を示す図であって、本発明の保護膜がある場合とない場合の温度抵抗特性を示す図である。
【図５】本発明の評価用の超伝導ＨＥＢミキサーのＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図６】本発明の超伝導ＨＥＢ素子のＩＦ特性を示す図である。
【図７】本発明の超伝導ＨＥＢミキサーを示す図である。
【図８】本発明の超伝導ＨＥＢミキサーの光学顕微鏡写真に基づく図、ＨＥＢミキサーの平面図である。
【図９】本発明の超伝導ＨＥＢミキサーのＩＦ特性を示す図である。
【図１０】ＴＨｚ帯雑音温度測定システムを示す図である。
【図１１】本発明の超伝導ＨＥＢミキサーのヘテロダイン応答特性を示す図である。
【図１２】本発明の超伝導ＨＥＢミキサーのＬＯ周波数−受信機雑音温度特性を示す図である。
【図１３】従来の超伝導ＨＥＢ素子を示す図である。
【符号の説明】
１：基板
２：超伝導ストリップ
３：誘電体
２１：ログペリアンテナ
２２：ログペリアンテナ

Claims

誘電体基板と、該基板上に設けられた超伝導薄膜と、該超伝導薄膜に接続された電極により構成されるホットエレクトロンボロメータ素子において、
該超伝導薄膜の上部にホットエレクトロンと相互作用したフォノンを拡散させる誘電体を備えることを特徴とするホットエレクトロンボロメータ素子。
該超伝導薄膜はＮｂＮであることを特徴とするホットエレクトロンボロメータ素子。
該超伝導薄膜と該上部誘電体との間に保護膜を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のホットエレクトロンボロメータ素子。
該保護膜は、超伝導薄膜に損傷を与えない方法により製膜されたものであることを特徴とする請求項３に記載のホットエレクトロンボロメータ素子。
該保護膜を製膜する方法はイオンビームスパッタリング法であることを特徴とする請求項４に記載のホットエレクトロンボロメータ素子。
該保護膜はＭｇＯであることを特徴とする請求項４又は５に記載のホットエレクトロンボロメータ素子。
ホットエレクトロンボロメータ素子の幅に比較して該電極幅は十分大きいものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のホットエレクトロンボロメータ素子。