JP2008071908A

JP2008071908A - 超伝導光検出素子

Info

Publication number: JP2008071908A
Application number: JP2006248659A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shibata; 浩行柴田; Hiroki Takei; 弘樹武居; Yasuhiro Tokura; 康弘都倉; Koichi Senba; 浩一仙場; Tatsushi Akasaki; 達志赤崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】単一光子検出の際に、より高い量子効率が得られる超伝導光検出素子を提供する。
【解決手段】超伝導受光材料からなる細線（１０２）を、密に詰めるようにメアンダ形状で、結晶基板（１０１）の表面に配置するとともに、そのメアンダ形状の細線の隙間に対応する位置で、結晶基板の裏面あるいは絶縁膜を介した上層に、別のメアンダ形状の細線（１０３）を配置する。これにより、複数組のメアンダ形状の細線が互いにずらされて、ほぼ隙間のなく重ねて設置される。最初のメアンダ形状の細線（１０２）の隙間に照射された光子（１０４）は、次のメアンダ形状の細線（１０３）に照射されるため、すべての光子は必ずいずれかの細線に照射され、光照射域での光子の取りこぼしが無いので、量子効率が格段に向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は超伝導を用いた光検出素子に関し、特に赤外域における単一光子を高量子効率かつ高速に検出するための超伝導光検出素子に関する。

量子暗号通信を実用化するためには、長い伝送距離間を高速に通信する必要がある。このためには通信波長域における高量子効率・高速の単一光子光検出器が不可欠であるが、現在用いられているＩｎＧａＡｓのアバランシェフォトダイオードは量子効率が２０％と低く、また、暗電流を抑えるために、信号光が入ってきた時のみオン状態になるモード（ガイガーモードと称されている）で動作する必要があるので低速（５ＭＨｚ）である。そこで、より高量子効率・高速の新しい光検出器の開発が求められている。

最近、超伝導を用いた単一光子検出器が実現されている（非特許文献１、特許文献１）。この検出器は高速（ＧＨｚ）応答可能で暗電流も低く、読み出し回路が簡単等、多くの利点を持つ。しかしながら、単一光子を検出する効率（量子効率）は依然として２０％程度と低い。また、単一光子が検出素子に入射すると、光子は素子から反射される、素子に吸収される、素子を透過する、のいずれかが生じるが、単一光子が電気的パルスとして検出されるのは素子に吸収された場合だけであり、従って量子効率向上のためには、反射率および透過率を減少させる必要がある。

Sobolewski, Roman et al.,“Superconducting single photon detector”, US Patent Application 200500551726, March 10, 2005. A. Korneev, et al.,"Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors", Applied Physics Letters, Vol. 84, No.26, pp5338-5340, 2004. Kristine M. Rosfjord, et al.,"Nanowire Single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating", Optics Express, vol.14, No.2, pp527-533, 2006.

しかし、これら従来の検出素子はメアンダ（蛇行、雷文、ジグザク）形状の超伝導細線であるため、細線間の隙間に照射された光子はそのまま透過してしまい、透過率が大きくなっていた。これまで、量子効率を向上させるために、無反射コーティングを施して素子表面からの反射を抑える、または、超伝導素子の裏にバックミラーを設置して共振器構造を作る等の工夫が試みられてきたが、そのような工夫によっても、２倍程度の量子効率の向上でしかなく、理想的検出器の量子効率１００％よりも大幅に低いという点があった（非特許文献２、特許文献１）。

本発明の目的は、上記のような従来技術における課題を解消し、単一光子検出の際により高い量子効率が得られる超伝導光検出素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の超伝導光検出素子は、光照射域の光子の取りこぼしが無いように超伝導細線の配置を工夫して、量子効率を大幅に向上させたことを特徴としている。

すなわち、本発明は、受光材料である細線を密に詰めるようにメアンダ形状で、基板の表面に配置するとともに、そのメアンダ形状の細線の隙間に対応する位置で、基板の裏面あるいは絶縁膜を介した上層に、別のメアンダ形状の細線を配置する。これにより、光照射方向から見た場合、複数組のメアンダ形状の細線が互いにずらされて、ほぼ隙間のなく重ねて設置される。この配置により、本発明によれば、最初のメアンダ形状の細線の隙間に照射された光子が次の（あるいは更に次段の）メアンダ形状の細線に照射されるため、すべての光子は必ずいずれかの細線に照射されて、光照射域での光子の取りこぼしが無いので、量子効率が従来例に比べて格段に向上する。

さらに詳細に説明すると、本発明の一態様においては、例えば、結晶基板上の表面に対してメアンダ形状の超伝導細線を形成し、その後、その表面のメアンダ細線（メアンダ形状の超伝導細線）の隙間に対応する結晶基板の裏面の位置に、メアンダ形状の超伝導細線を形成する。この場合、表面のメアンダ細線の隙間に照射された光子は裏面のメアンダ細線上に照射されることになる。結晶基板の表面および裏面のメアンダ細線は、それら細線の片端を互いに結合すれば一本の細線と見なせるので、この結合した細線に読み出し検出用の電気回路を接続すれば、単一光子の検出ができる光子検出デバイスが得られる。また、結晶基板の表面および裏面のメアンダ細線を独立なものとして、各々の細線に対して別個に、読み出し検出用の電気回路を接続しても、光子の検出ができる。

また、本発明の別の態様においては、例えば、結晶基板上にメアンダ形状の超伝導第１細線を形成し、その上に絶縁膜を形成した後で、その絶縁膜の上に超伝導第１細線の隙間に対応する位置にメアンダ形状の超伝導第２細線をさらに形成する。さらに、絶縁膜および超伝導細線を繰り返し交互に形成する多層構造とすることにより、量子効率をさらに向上することもできる。

また、本発明の上記の各構成に対して、無反射コーティングやバックミラー設置によるキャビティ化を追加することによって、さらなる量子効率の向上を図ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、入射した光子が必ず超伝導のメアンダ細線（メアンダ形状の細線）に照射されるため、量子効率の高い光検出素子（光検出器）を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明を適用した第１の実施の形態の超伝導光検出素子の概略構成を示し、図１（a）は上面図（平面図）、図１（ｂ）は図１（a）の切断線Ａ-Ａ'線に沿う断面図、および図１（ｃ）は裏面図（背面図）である。

本実施形態の超伝導光検出素子を製造工程順に説明する。まず、ＭｇＯ結晶基板１０１の上に反応性スパッタ法によりＮｂＮ超伝導薄膜を４ｎｍ形成する。同様に結晶基板１０１の裏面に対してもＮｂＮ薄膜を４ｎｍ形成する。

次に、電子ビームリソグラフィ（ＥＢ）および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、上記のＮｂＮ薄膜を図１（ａ）に示すようなメアンダ形状の細線に形成する。メアンダの全体の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍで線幅は１００ｎｍ、線間隔は２００ｎｍ（開口率５０％）である。超伝導を用いる場合、線幅は１００ｎｍ程度に制限される。

同様に、裏面のＮｂＮ薄膜も図１（ｃ）に示すようなメアンダ形状の細線に形成する。この際、裏面のメアンダ細線は表面のメアンダ細線の細線間の間隙（隙間）に位置するように、水平方向に並行にずらして形成する。

このようにして形成された超伝導光検出素子の断面構造を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）から、光照射方向である素子の上方から見た場合、上下のメアンダ形状の細線（以下、メアンダ細線ともいう）が互いにずれてほぼ隙間無く重ねて設置されている構造となっていることが分かる。この素子の上方から極微弱光（矢印で示す）を照射し、単一光子が入射した場合を考える。メアンダ細線の開口率は５０％であるため、単一光子は５０％の確率で表面の細線に照射され、反射又は吸収又は透過し、吸収された場合のみ電気信号となって検出される。一方、単一光子は５０％の確率で表面細線の隙間に照射されるが、その隙間を通過した単一光子はすべて裏面のメアンダ細線に照射される。したがって、メアンダ細線が両面にあることにより、表面だけにメアンダ細線がある場合と比較して量子効率は２倍に向上する。

上記の材質や寸法等は一具体例を例示したもので、本発明はこれに限定されない。例えば、細線１０２，１０３は超伝導材料から形成されるが、この超伝導材料としては、上記のＮｂＮの他に、Ｎｂ、ＭｇＢ_２、銅酸化物が使用できる。細線１０２，１０３の超伝導材料としてＮｂＮを使用した場合は、結晶基板１０１には上記のＭｇＯの他に、酸化アルミニウムが使用できる。また、細線１０２，１０３の超伝導材料としてＮｂを使用した場合は、結晶基板１０１には上記のＳｉＯ_２またはＳｉまたは酸化アルミニウムが使用できる。また、細線１０２，１０３の超伝導材料としてＭｇＢ_２を使用した場合は、結晶基板１０１には上記のＳｉＣまたはＡＩＮまたはＧａＮまたは酸化アルミニウムが使用できる。一方、細線１０２，１０３の超伝導材料として銅酸化物超伝導体を使用した場合は、結晶基板１０１としてはＮｄＧａＯ_３，ＳｒＬａＧａＯ_４，ＬａＳｒＡｌＯ_４のいずれかが使用できる。さらに、細線１０２，１０３のメアンダ形状の大きさは１０μｍ角以下で１μｍ角以上、細線１０２，１０３の線幅は２００ｎｍ以下で５０ｎｍ以上、細線１０２，１０３の厚みは５ｎｍ以下で１ｎｍ以上が好ましい。

結晶基板１０１の表面および裏面のメアンダ細線１０２，１０３は、それら細線の片端を互いに結合すれば一本の細線と見なせるので、この結合した細線に読み出し検出用の電気回路（図示しない）を接続すれば、単一光子の検出ができる光子検出デバイスが得られる。また、結晶基板１０１の表面および裏面のメアンダ細線１０２，１０３を独立なものとして、各々の細線１０２，１０３に対して別個に、読み出し検出用の電気回路（図示しない）を接続しても、光子の検出ができる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明を適用した第２の実施の形態の超伝導光検出素子の概略構成を示し、図２（a）は素子の上面図（平面図）、図２（ｂ）は結晶基板の上面図、および図２（ｃ）は図２（a）の切断線Ｂ-Ｂ'線に沿う断面図である。

本実施形態の超伝導光検出素子を製造工程順に説明すると、まず、ＭｇＯ結晶基板２０１の上面に反応性スパッタ法によりＮｂＮ超伝導第１薄膜を４ｎｍ形成する。次に、電子ビームリソグラフィ（ＥＢ）および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってＮｂＮ薄膜を、図２（ｂ）に示すようなメアンダ形状の細線２０２に形成する。メアンダの大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍで、その線幅は１００ｎｍ、線間隔は２００ｎｍ（開口率５０％）である。

その後、結晶基板２０１と細線２０２の上に、反応性スパッタ法によりＭｇＯ絶縁体薄膜２０３を１００ｎｍ形成する。さらにその上に、反応性スパッタ法によりＮｂＮ超伝導第２薄膜を４ｎｍ形成する。その後、電子ビームリソグラフィ（ＥＢ）および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって第２薄膜を、図２（ａ）に示すようなメアンダ形状の細線２０４に形成する。この際、ＭｇＯ絶縁体薄膜２０３上の第２メアンダ細線２０４は、結晶基板２０１上の第１メアンダ細線２０２の細線間の間隙（隙間）に位置するように、水平方向に並行にずらして形成する。

このようにして形成された超伝導光検出素子の断面を図２（ｃ）に示す。この素子の上方から極微弱光２０５を照射した場合、単一光子は必ず第２メアンダ細線２０４または第１メアンダ細線２０２に照射されるため、第１メアンダ細線２０２だけの従来型の素子と比較して量子効率は２倍に向上する。

上述の第１の実施の形態と同様に、本実施形態の材質や寸法等も一具体例を例示したもので、本発明はこれに限定されない。例えば、細線２０２，２０４は超伝導材料から形成されるが、この超伝導材料としては、上記のＮｂＮの他に、Ｎｂ、ＭｇＢ_２、銅酸化物が使用できる。細線２０２，２０４の超伝導材料としてＮｂＮを使用した場合は、結晶基板２０１と絶縁体薄膜２０３には上記のＭｇＯの他に、酸化アルミニウムが使用できる。また、細線２０２，２０４の超伝導材料としてＮｂを使用した場合は、結晶基板２０１と絶縁体薄膜２０３には上記のＳｉＯ_２またはＳｉまたは酸化アルミニウムが使用できる。また、細線２０２，２０４の超伝導材料としてＭｇＢ_２を使用した場合は、結晶基板２０１と絶縁体薄膜２０３には上記のＳｉＣまたはＡＩＮまたはＧａＮまたは酸化アルミニウムが使用できる。一方、細線２０２，２０４の超伝導材料として銅酸化物超伝導体を使用した場合は、結晶基板２０１と絶縁体薄膜２０３にはＮｄＧａＯ_３，ＳｒＬａＧａＯ_４，ＬａＳｒＡｌＯ_４のいずれかが使用できる。さらに、細線２０２，２０４のメアンダ形状の大きさは１０μｍ角以下で１μｍ角以上、細線２０２，２０４の線幅は２００ｎｍ以下で５０ｎｍ以上、細線２０２，２０４の厚みは５ｎｍ以下で１ｎｍ以上が好ましい。

本実施形態の上記細線２０２，２０４と読み出し検出用の電気回路（図示しない）との結線状態は、上述の第１の実施の形態と同様なので、その説明は省略する。

（第３の実施の形態）
図３は本発明を適用した第３の実施の形態の超伝導光検出素子の断面図である。

光がＮｂＮ超伝導メアンダ細線に照射された際に、第２メアンダ細線２０４と第１メアンダ細線２０２を透過する光もあるため、図３に示すように、第１絶縁体薄膜２０３と第２メアンダ細線２０４の上に第２絶縁体薄膜３０５を介して、第３メアンダ細線３０６として、第１メアンダ細線２０２と同じ位置にさらに作成し、さらにその上に第３絶縁体薄膜３０７を介して、第４メアンダ細線３０８として第２メアンダ細線２０４と同じ位置に作成しても好ましい。このような多層構造にすることにより、量子効率がさらに向上する。

また、これら各層の細線の配置の位置関係の順番、層の個数は必要に応じて任意に決めてよい。その他の構成や変形例は、上述の第２の実施の形態と同様なので、その説明は省略する。

（第４の実施の形態）
図４は本発明を適用した第４の実施の形態の超伝導光検出素子の断面を示す。第４の実施形態では、図２（ｃ）あるいは図３に示すような、本発明の超伝導光検出素子の表面（光の入射側）に無反射コーティング４０１を設置し、その素子の裏面にバックミラー４０２を設置している。このように、無反射コーティングやバックミラー設置によるキャビティ化を追加することによって、さらなる量子効率の向上を図ることができる。

また、図１（ｃ）に示すような第１の実施の形態の場合であっても、結晶基板１０１の裏面にキャビティ化層（図示しない）を形成し、このキャビティ化層の裏面にバックミラーを設置すること、素子の表面に無反射コーディングを設置することにより、同様な効果を得ることができる。

（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

本発明を適用した第１の実施の形態の超伝導光検出素子の概略構成を示し、（a）は上面図（平面図）、（ｂ）は（a）の切断線Ａ-Ａ'線に沿う断面図、および（ｃ）は裏面図（背面図）である。本発明を適用した第２の実施の形態の超伝導光検出素子の概略構成を示し、（a）は素子の上面図（平面図）、（ｂ）は結晶基板の上面図、および（ｃ）は（a）の切断線Ｂ-Ｂ'線に沿う断面図である。本発明を適用した第３の実施の形態の超伝導光検出素子の断面図である。本発明を適用した第４の実施の形態の超伝導光検出素子の断面図である。

符号の説明

１０１結晶基板
１０２表面超伝導メアンダ細線
１０３裏面超伝導メアンダ細線
１０４入射光
２０１結晶基板
２０２第１超伝導メアンダ細線
２０３絶縁膜（第１絶縁膜）
２０３第２超伝導メアンダ細線
２０５入射光
３０５第２絶縁膜（絶縁体薄膜）
３０６第３超伝導メアンダ細線
３０７第３絶縁膜
３０８第４超伝導メアンダ細線
４０１無反射コーティング
４０２バックミラー

Claims

結晶基板上の表面に対して形成された超伝導材料からなるメアンダ形状の第１の細線と、
前記結晶基板上の裏面に対して形成された前記超伝導材料からなるメアンダ形状の第２の細線とを有し、
前記第２の細線が前記第１の細線が形成する各隙間に対向する位置に形成されていることを特徴とする超伝導光検出素子。
結晶基板上の表面に対して形成された超伝導材料からなるメアンダ形状の第１の細線と、
前記結晶基板と前記第１の細線の表面に対して形成された１つまたは２つ以上の絶縁膜と、
前記絶縁膜の表面に対して形成された超伝導材料からなるメアンダ形状の１つまたは２つ以上の第２の細線とを有する多層膜構造の超伝導光検出素子であって、
前記第２の細線の中の１つまたは２つ以上の細線が前記第１の細線が形成する各隙間に対向する位置に形成されていることを特徴とする超伝導光検出素子。
前記第２の細線が複数ある場合に、該複数の第２の細線の中の一部である１つまたは２つ以上の細線が前記第１の細線の位置に対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超伝導光検出素子。
前記超伝導材料がＮｂＮであり、前記結晶基板および前記絶縁膜がＭｇＯまたは酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導光検出素子。
前記超伝導材料がＭｇＢ_２であり、前記結晶基板および前記絶縁膜がＳｉＣまたはＡＩＮまたはＧａＮまたは酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導光検出素子。
前記超伝導材料がＮｂであり、前記結晶基板および前記絶縁膜がＳｉＯ_２またはＳｉまたは酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導光検出素子。
前記超伝導材料が銅酸化物超伝導体であり、前記結晶基板および前記絶縁膜がＮｄＧａＯ_３またはＳｒＬａＧａＯ_４またはＬａＳｒＡｌＯ_４であることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導光検出素子。
メアンダ形状の各前記細線において、該メアンダ形状の大きさが１０μｍ角以下で１μｍ角以上であり、該細線の線幅が２００ｎｍ以下で５０ｎｍ以上であり、該細線の厚みが５ｎｍ以下で１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導光検出素子。
光の入射側である前記結晶基板の表面側に配置された無反射コーティングおよび該結晶基板の裏面側に配置されたバックミラーの少なくともいずれかをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導光検出素子。