JP2008071908A - 超伝導光検出素子 - Google Patents

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浩行 柴田
Hiroki Takei
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康弘 都倉
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浩一 仙場
Tatsushi Akasaki
達志 赤崎
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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。
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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、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,SrLaGaO,LaSrAlO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、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,SrLaGaO,LaSrAlO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 (9)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 前記超伝導材料がMgB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。
  6. 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。
  7. 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またはSrLaGaOまたはLaSrAlO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。
  8. 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。
  9. 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。
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