JP2009094100A - Sis element, sis mixer, element for superconducting integrated circuit, and manufacturing method of sis element - Google Patents

Sis element, sis mixer, element for superconducting integrated circuit, and manufacturing method of sis element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an SIS element which can actualize SIS bonding of high quality and has high performance. <P>SOLUTION: As one embodiment of the present invention, the SIS element has a substrate, an SIS trilayer film formed on the substrate and having a lower electrode, an upper electrode, and a barrier layer formed while sandwiched between the upper electrode and lower electrode, a ground plane formed on the substrate, electrically connected to the lower electrode, and made of a material different from that of the lower electrode, the SIS trilayer film being formed on a buffer layer formed on the substrate or on the substrate in contact. In this constitution, the SIS trilayer film is formed on the buffer layer formed on the substrate or on the substrate in contact. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、SIS素子、SISミクサ、超伝導集積回路用素子、及び、SIS素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a SIS element, a SIS mixer, a superconducting integrated circuit element, and a method for manufacturing the SIS element.

近年、電波を収束させて天体を観測する電波望遠鏡の開発が世界各地で進められている。そのうちの一つである、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array:ALMA)は、南米チリ北部の標高5000mの広大な台地に、欧州、北米、日本、台湾などの国際協力によって建設が進められているミリ波、サブミリ波帯の大型電波干渉計である。この大型電波干渉計は、64台の口径12mのアンテナからなる大型干渉計(メインアレイ)と、4台の口径12mと12台の口径7mのアンテナからなる小型干渉計(コンパクトアレイ)で構成される。ALMAは、2011年後半の完成を目指して建設が進められており、完成の暁には、周波数30〜950GHz(波長10〜0.3mm)のミリ波、サブミリ波の帯域において、世界最高の感度と分解能を有する電波望遠鏡となる。 In recent years, radio telescopes that focus radio waves and observe celestial bodies have been developed around the world. One of them, the Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), is an international collaboration between Europe, North America, Japan, Taiwan, etc. on a vast plateau at an altitude of 5000 m in northern Chile, South America. It is a large-scale radio wave interferometer in the millimeter wave and submillimeter wave band that is being built by This large radio interferometer consists of 64 large interferometers (main array) consisting of 12m antennas and 4m small interferometers (compact array) consisting of 12m and 12m antennas. The ALMA is under construction with the aim of completion in the second half of 2011. Upon completion, ALMA has the world's highest sensitivity in the millimeter-wave and submillimeter-wave bands with a frequency of 30 to 950 GHz (wavelength 10 to 0.3 mm). A radio telescope with high resolution.

この電波望遠鏡の高感度受信機には、超伝導体-絶縁体-超伝導体トンネル接合(SIS(Superconductor Insulator Superconductor)接合)素子(SIS素子)が、ミリ波、サブミリ波帯のヘテロダイン・ミキサー(以下、単にミクサ(混合器)と呼ぶ)素子として利用される。1980年代の半ばから、Nbを基本材料とした高品質SIS接合、およびそれを用いた低雑音ミリ波、サブミリ波帯受信機の研究開発が国立天文台などで本発明者らを中心に行われてきた。ALMA計画の中では、これまで蓄積してきたSISミクサをはじめとする低雑音受信機に関する技術や経験をもとに、さらに高性能のミリ波、サブミリ波帯受信機の開発と大規模な数の受信機の製造を行っていくことになる。 This radio telescope's high-sensitivity receiver has a superconductor-insulator-superconductor tunnel junction (SIS (Superconductor Insulator Superconductor) junction) element (SIS element), a heterodyne mixer (millimeter wave, submillimeter wave band) Hereinafter, it is used simply as a mixer (mixer) element. Since the mid-1980s, research and development of high-quality SIS junctions using Nb as a basic material and low-noise millimeter-wave and submillimeter-wave receivers using them has been conducted mainly by the present inventors at National Astronomical Observatory, etc. It was. In the ALMA plan, based on the technology and experience of low-noise receivers such as SIS mixers that have been accumulated so far, the development of higher-performance millimeter-wave and submillimeter-wave receivers and a large number of them The receiver will be manufactured.

図20は、望遠鏡にSIS素子が適用されている例を示す図である。SIS素子は、受信機の初段に位置するため、望遠鏡の感度に直結する。SIS素子は、100GHz以上の周波数のミリ波-サブミリ波-テラヘルツ波領域の微弱な信号を周波数変換(ミキシング)するためなどに利用されるデバイスである。これらの素子は、上述のALMAの他にも、野辺山45m望遠鏡、NMA (Nobeyama Millimeter Array)、ASTE(Atacama Submillimeter Telescope Experiment)などをはじめ広く使用される。 FIG. 20 is a diagram showing an example in which a SIS element is applied to the telescope. Since the SIS element is located at the first stage of the receiver, it is directly linked to the sensitivity of the telescope. The SIS element is a device used for frequency conversion (mixing) of weak signals in the millimeter wave, submillimeter wave, and terahertz wave regions having a frequency of 100 GHz or more. In addition to the above-mentioned ALMA, these elements are widely used including the Nobeyama 45m telescope, NMA (Nobeyama Millimeter Array), and ASTE (Atacama Submillimeter Telescope Experiment).

図21は、SIS接合のエネルギーバンドなどを示す図である。また、図22は、SIS接合の断面図である。さらに、図23は、700GHz以下の周波数用のSIS素子の構造を示す図(垂直方向の断面図)である。超伝導トンネル接合ダイオードの特徴としては、小ギャップエネルギー(Nbの場合2Δ=2.8meV)であり、小LO電力(10μW〜100μW程度)及び低ショットノイズであることが挙げられる。また、エネルギーギャップの上下で電子の状態密度が発散しており、光子エネルギーより急峻な極めて強い非線形性があり、大きな変換効率が得られる点も超伝導トンネル接合ダイオードの特徴である。 FIG. 21 is a diagram showing an energy band of the SIS junction. FIG. 22 is a cross-sectional view of SIS bonding. Further, FIG. 23 is a diagram (vertical sectional view) showing the structure of a SIS element for frequencies of 700 GHz or less. Features of the superconducting tunnel junction diode include small gap energy (2Δ = 2.8 meV in the case of Nb), small LO power (about 10 μW to 100 μW) and low shot noise. The superconducting tunnel junction diode is also characterized by the fact that the density of states of electrons diverges above and below the energy gap, there is a very strong nonlinearity that is steeper than the photon energy, and a large conversion efficiency can be obtained.

特に、ニオブ (Nb)を電極とし、酸化アルミニウム (AlOx)をバリアとするSIS接合は、「水晶など、特定のウエハ上に直接作製する」という条件のもとで、リークが少なくギャップ電圧の高いものを安定して作成する手法が既に確立されている。このため、700GHz以下の周波数では、Nb/AlOx/Nbの SIS三層膜がウエハ上に直接作製され、下部電極がグランドプレーンを兼ねる、図23に示すような構造が広く採用されてきた。 In particular, SIS junctions that use niobium (Nb) as an electrode and aluminum oxide (AlOx) as a barrier have low leakage and a high gap voltage under the condition that they are produced directly on a specific wafer such as quartz. A technique for stably creating things has already been established. For this reason, at a frequency of 700 GHz or less, a structure as shown in FIG. 23 has been widely adopted in which an Nb / AlOx / Nb SIS three-layer film is directly formed on a wafer and a lower electrode also serves as a ground plane.

図24及び図25は、700GHz以上の周波数用(テラヘルツ用)のSIS素子の構造を示す図である。 24 and 25 are diagrams showing the structure of a SIS element for a frequency of 700 GHz or more (for terahertz).

700GHz以上の周波数では、Nbの超伝導ギャップ周波数が 700GHz付近にあるために、Nbのグランドプレーンにおける損失が周波数に比例して急激に増大する。このため、ニオブよりも超伝導ギャップ周波数が高い材料(例えば窒化ニオブチタン:NbTiN)でグランドプレーン膜をウエハ上に形成し、グランドプレーン膜上に上述の素子と同様のNbのSIS接合を絶縁層に周辺を覆われた状態で形成する手法が一般的である。 At frequencies above 700 GHz, the Nb superconducting gap frequency is near 700 GHz, so the loss in the Nb ground plane increases rapidly in proportion to the frequency. Therefore, a ground plane film is formed on the wafer with a material having a higher superconducting gap frequency than niobium (for example, niobium titanium nitride: NbTiN), and an Nb SIS junction similar to the above-described element is formed on the ground plane film as an insulating layer. A general method is to form the surrounding area covered.

野口 卓、“超伝導SIS素子による電波検出技術”、応用物理、第76巻、第1号、p.0039-0043 (2007)Takashi Noguchi, “Radio wave detection technology using superconducting SIS elements”, Applied Physics, Vol. 76, No. 1, p.0039-0043 (2007) B. D. Jackson, G. de Lange, T. Zijlstra, M. Kroug, T. M. Klapwijk, and J. A. Stern,“Niobium titanium nitride-based superconductor-insulator-superconductor mixers for low-noise terahertz re-ceivers”, J. Appl. Phys. 97, 113904 (2005)BD Jackson, G. de Lange, T. Zijlstra, M. Kroug, TM Klapwijk, and JA Stern, “Niobium titanium nitride-based superconductor-insulator-superconductor mixers for low-noise terahertz re-ceivers”, J. Appl. Phys 97, 113904 (2005) Teruhiko Matsunaga, Hiroyuki Maezawa, and Takashi Noguchi,“Characterization of NbTiN Thin Films Prepared by Reactive DC-Magnetron Sputtering”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 13, NO. 2, JUNE 2003Teruhiko Matsunaga, Hiroyuki Maezawa, and Takashi Noguchi, “Characterization of NbTiN Thin Films Prepared by Reactive DC-Magnetron Sputtering”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 13, NO. 2, JUNE 2003 B. Leone, B. D. Jackson, J. R.Gao, T. M. Klapwijk, W. M. Laauwen, G. de Lange, “Anomalous Pumped and Unpumped I-V Characteristics of Nb SIS Terahertz Mixers with NbTiN Striplines”,Proc. of the 11th Int. Symp. on Space THz Tech., pp. 228.337, 2000.B. Leone, BD Jackson, JRGao, TM Klapwijk, WM Laauwen, G. de Lange, “Anomalous Pumped and Unpumped IV Characteristics of Nb SIS Terahertz Mixers with NbTiN Striplines”, Proc. Of the 11th Int. Symp. On Space THz Tech., Pp. 228.337, 2000. Ariyoshi et al., Applied Superconductivity, IEEE Trans.on Appl. Supercond, 13, 2, 1128 - 1131 (2003)Ariyoshi et al., Applied Superconductivity, IEEE Trans.on Appl.Supercond, 13, 2, 1128-1131 (2003)

本発明は、上述の背景技術に鑑みてなされたものであり、高性能なSIS素子などを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described background art, and an object thereof is to provide a high-performance SIS element and the like.

この発明によれば、上述の目的を達成するために、特許請求の範囲に記載のとおりの構成を採用している。以下、この発明を詳細に説明する。 According to this invention, in order to achieve the above-mentioned object, the configuration as described in the claims is adopted. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の第1の側面は、
基板と、
前記基板上に形成され、下部電極と、上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とに挟まれて形成されたバリア層とを有するSIS三層膜と、
前記基板上に形成され、前記下部電極と電気的に接続され、前記下部電極と異なる材料のグランドプレーンと
を備え、
前記SIS三層膜は、前記基板上に形成されたバッファ層又は前記基板の上に接して形成されていることを特徴とするSIS素子
にある。
The first aspect of the present invention is:
A substrate,
A SIS three-layer film formed on the substrate and having a lower electrode, an upper electrode, and a barrier layer formed between the upper electrode and the lower electrode;
Formed on the substrate, electrically connected to the lower electrode, and a ground plane of a material different from the lower electrode,
The SIS three-layer film is a buffer layer formed on the substrate or an SIS element formed in contact with the substrate.

本構成によれば、SIS三層膜は、基板上に形成されたバッファ層又は基板の上に接して形成されているため、高品質なSIS接合が実現でき、高性能なSIS素子が得られる。 According to this configuration, the SIS three-layer film is formed on or in contact with the buffer layer formed on the substrate or on the substrate, so high-quality SIS bonding can be realized, and a high-performance SIS element can be obtained. .

本発明の第2の側面は、
前記グランドプレーンは、前記下部電極の周縁で前記下部電極と電気的に接続されていることを特徴とする上述のSIS素子
にある。
The second aspect of the present invention is
The ground plane is in the SIS element described above, wherein the ground plane is electrically connected to the lower electrode at a peripheral edge of the lower electrode.

本構成によれば、グランドプレーンは、下部電極の周縁で下部電極と電気的に接続されているため、SIS接合で生じるジュール熱が基板などへ逃がされ、籠もりにくく安定した物性を有するSIS素子が得られる。 According to this configuration, since the ground plane is electrically connected to the lower electrode at the periphery of the lower electrode, the Joule heat generated by the SIS junction is released to the substrate, etc. An element is obtained.

本発明の第3の側面は、
前記グランドプレーンの材料は、前記下部電極の材料よりもギャップ周波数が高い材料、又は、常伝導金属であることを特徴とする上述のSIS素子にある。
The third aspect of the present invention is
The ground plane material is a material having a higher gap frequency than the material of the lower electrode, or a normal metal, in the SIS element described above.

本構成によれば、低雑音であるSIS素子が得られる。 According to this configuration, a SIS element with low noise can be obtained.

本発明の第4の側面は、
基板上に、下部電極と、上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とに挟まれて形成されたバリア層とを有するSIS三層膜を形成する工程と、
基板上に、前記下部電極と電気的に接続され、前記下部電極と異なる材料でグランドプレーンを形成する工程と
を備え、
前記SIS三層膜は、前記基板上に形成されたバッファ層又は前記基板の上に接して形成されていることを特徴とするSIS素子の製造方法
にある。
The fourth aspect of the present invention is
On the substrate, forming a SIS three-layer film having a lower electrode, an upper electrode, and a barrier layer formed between the upper electrode and the lower electrode;
A step of electrically connecting the lower electrode on the substrate and forming a ground plane with a material different from that of the lower electrode;
The SIS three-layer film is in a method of manufacturing a SIS element, wherein the SIS three-layer film is formed on or in contact with a buffer layer formed on the substrate.

本構成によれば、SIS三層膜は、基板上に形成されたバッファ層又は基板の上に接して形成されているため、高品質なSIS接合が実現でき、高性能なSIS素子が得られる。 According to this configuration, the SIS three-layer film is formed on or in contact with the buffer layer formed on the substrate or on the substrate, so high-quality SIS bonding can be realized, and a high-performance SIS element can be obtained. .

本発明の第5の側面は、
前記バッファ層の材料は、下部電極と同一の材料であることを特徴とする上述のSIS素子の製造方法
にある。
The fifth aspect of the present invention provides
The buffer layer material is the same material as that of the lower electrode.

本構成によれば、SIS三層膜の下地の平坦性が向上するため、高品質なSIS接合が実現でき、高性能なSIS素子が得られる。 According to this configuration, since the flatness of the base of the SIS three-layer film is improved, high-quality SIS bonding can be realized, and a high-performance SIS element can be obtained.

なお、バッファ層とは、緩衝層とも呼ばれる層であり、例えば、その上に成膜する際に平坦性の良い下地層などとしての機能を持たせるための層、又は、各物質間の格子定数差や熱膨張係数差を低減させるための層である。 Note that the buffer layer is a layer also called a buffer layer. For example, a layer for providing a function as a base layer having good flatness when a film is formed thereon, or a lattice constant between substances. It is a layer for reducing a difference and a difference in thermal expansion coefficient.

本発明によれば、高性能なSIS素子などが得られる。 According to the present invention, a high-performance SIS element or the like can be obtained.

本発明のさらに他の目的、特徴又は利点は、後述する本発明の実施の形態や添付する図面に基づく詳細な説明によって明らかになるであろう。 Other objects, features, or advantages of the present invention will become apparent from the detailed description based on the embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[着想に至る経緯] [Background to the idea]

本発明者らは、日々の研究の結果、テラヘルツ用SIS素子の構造には、以下のような問題となる可能性がある点がいくつかあることに気付いた。 As a result of daily research, the present inventors have found that the structure of the terahertz SIS element has several problems that may cause the following problems.

図26は、テラヘルツ用SIS素子の問題となる可能性がある点を示す図である。 FIG. 26 is a diagram showing a point that may cause a problem with a terahertz SIS element.

(1)この構造では、接合のリーク電流が大きくなりやすい。グランドプレーンがNbよりも強いストレス(膜内応力)を持つ場合が多い。このため、ストレスが解放される際にバリアが損傷を受けると、リーク電流の原因になってしまう。また、グランドプレーンの表面状態が、ウエハのそれと異なる。このため、SIS接合を構成するNbの物性が影響を受け、接合の性質が変化する可能性がある。さらに、バリアを貫通してエッチングする必要がある。これは、SIS接合の周囲にショートが生じ、リーク電流の原因となってしまう事項である。  (1) In this structure, the junction leakage current tends to increase. The ground plane often has a stronger stress (in-film stress) than Nb. For this reason, if the barrier is damaged when the stress is released, it causes a leakage current. In addition, the surface state of the ground plane is different from that of the wafer. For this reason, the physical properties of Nb constituting the SIS junction are affected, and the properties of the junction may change. Furthermore, it is necessary to etch through the barrier. This is a matter that causes a short circuit around the SIS junction and causes a leakage current.

(2)SIS接合で生じるジュール熱が、接合の内部に籠りやすい。SIS接合と、低温の熱浴であるウエハとの間にギャップエネルギーの異なる超伝導体がある場合、SIS接合からウエハに熱が逃げにくいために冷却効率(熱はけ)が悪くなる。 (2) Joule heat generated in the SIS joint tends to spread inside the joint. When there is a superconductor having a different gap energy between the SIS junction and the wafer, which is a low-temperature heat bath, the cooling efficiency (heat dissipation) deteriorates because heat does not easily escape from the SIS junction to the wafer.

(3)グランドプレーンの表面が粗く、高周波特性に悪影響が出る恐れがある。NbTiNなどのグランドプレーン材料の表面は、ドライエッチングによって表面状態が特に粗くなる。この表面粗さが高周波特性に及ぼす影響は未解明であるが、悪影響が出る原因になる可能性があることは否めない。 (3) The surface of the ground plane is rough, which may adversely affect the high-frequency characteristics. The surface of the ground plane material such as NbTiN becomes particularly rough due to dry etching. The effect of this surface roughness on the high-frequency characteristics is not yet elucidated, but it cannot be denied that it may cause adverse effects.

図27は、NbTiNのグランドプレーンの上にNbのSIS接合を配置した場合のdcI-V 特性の例を示す図である。リーク電流が大きい上に、熱はけが悪いためにギャップ電圧が下がっている。 FIG. 27 is a diagram illustrating an example of dcI-V characteristics when an Nb SIS junction is disposed on an NbTiN ground plane. In addition to a large leakage current, the gap voltage is lowered due to poor heat dissipation.

このような問題となる可能性がある点があるため、これまでの技術ではNbTiNなどの新材料を用いることでマイクロストリップライン(MSL)を低雑音化しても、接合における雑音が逆に増大してしまい、全体としては効果が薄かった。 Because there is a possibility of such a problem, the noise at the junction increases even if the microstrip line (MSL) is reduced by using new materials such as NbTiN. As a whole, the effect was weak.

つまり、700GHz以上の周波数で低雑音なSISミクサ素子を実現するためには、接合の品質と熱はけが、Nbをグランドプレーンとする低周波用 SIS素子と同程度に良く、かつグランドプレーンにおける損失が小さい、という要求を満たすことが重要であるという点に、本発明者らは注目するに至った。 In other words, in order to realize a low-noise SIS mixer element at a frequency of 700 GHz or higher, the junction quality and thermal injuries are as good as a low-frequency SIS element with Nb as the ground plane, and the loss in the ground plane The inventors have paid attention to the fact that it is important to satisfy the demand for a small size.

[SIS素子の構造] [SIS element structure]

図1は、本実施形態のSIS素子の構造を示す図である。この素子は、テラヘルツ用としても使用できるものである。 FIG. 1 is a diagram showing the structure of the SIS element of this embodiment. This element can also be used for terahertz.

SIS接合の三層膜とグランドプレーンは、共にウエハ上に直に形成される。水平方向の構造に注目すると、三層膜は、接合周囲だけに島状に作製され、周縁部でグランドプレーンと接している。 Both the SIS junction trilayer and the ground plane are formed directly on the wafer. Paying attention to the structure in the horizontal direction, the three-layer film is formed in an island shape only around the junction, and is in contact with the ground plane at the periphery.

この構造の特徴は以下の通りである。 The characteristics of this structure are as follows.

まず、NbのSIS接合が、ウエハ(基板)と直に接しており、かつグランドプレーンの殆どが低損失材料になっている。 これは、ウエハ上に直接 NbのSIS接合を作製する技術をそのまま用いることで、NbグランドプレーンのSIS素子と同等の低リークであるSIS接合を作製することができることを示唆している。さらに、この構造を採用することによって、SIS接合の下部電極のNbがウエハに直接接することで、接合の熱はけの改善にもつながる。 First, the Nb SIS junction is in direct contact with the wafer (substrate), and most of the ground plane is made of a low-loss material. This suggests that the SIS junction with the same low leakage as the SIS element of the Nb ground plane can be produced by using the technology for producing the Nb SIS junction directly on the wafer. Furthermore, by adopting this structure, the Nb of the lower electrode of the SIS junction is in direct contact with the wafer, which leads to an improvement in the heat dissipation of the junction.

また、SIS接合周囲にバリア層が残っている。これは、SIS接合の周囲を通るリーク電流を抑制できることを示唆している。なお、ここで示す構造ではバリア層を残したが、バリア層を貫通してエッチングしたり、エッチングによってバリア層を完全に除去してもよい。 In addition, a barrier layer remains around the SIS junction. This suggests that the leakage current passing around the SIS junction can be suppressed. Note that although the barrier layer is left in the structure shown here, the barrier layer may be etched through the barrier layer or may be completely removed by etching.

さらに、グランドプレーンの表面状態が成膜直後の滑らかな状態のまま保たれている。本実施形態によれば、グランドプレーンの上でドライエッチングを行う工程を特に必要としないためである。これは、グランドプレーンの表面粗さが高周波特性に与える影響が小さくなることを示唆している。 Furthermore, the surface state of the ground plane is kept in a smooth state immediately after film formation. This is because according to the present embodiment, a process for performing dry etching on the ground plane is not particularly required. This suggests that the influence of the surface roughness of the ground plane on the high-frequency characteristics is reduced.

特に、SIS接合がNbTiN膜の上に「乗っている」のではなく、小島状のSIS三層膜の周縁部でグランドプレーン膜(NbTiN等)と「接する」構造である。また、SIS接合とグランドプレーン膜の両方がウエハ上に直接成膜されている。 In particular, the SIS junction is not “ridden” on the NbTiN film, but has a structure that “contacts” the ground plane film (such as NbTiN) at the periphery of the small island-like SIS three-layer film. Also, both the SIS junction and the ground plane film are formed directly on the wafer.

すなわち、本実施形態では、NbのSIS接合がウエハと直に接しており、かつMSLグランドプレーンの殆どが低損失材料になっている。このため、all-NbのSIS素子と同等の特性をもったSIS接合が期待できる。また、低損失材料を用いるため、MSLにおけるロスは小さい。さらに、SIS接合の熱はけが改善するという利点もある。 That is, in this embodiment, the Nb SIS junction is in direct contact with the wafer, and most of the MSL ground plane is a low-loss material. For this reason, a SIS junction having the same characteristics as an all-Nb SIS element can be expected. Moreover, since a low-loss material is used, the loss in MSL is small. Furthermore, there is an advantage that the heat dissipation of the SIS junction is improved.

また、SIS三層膜を貫く必要が無いため、リーク電流の抑制も可能である。 In addition, since it is not necessary to penetrate the SIS three-layer film, leakage current can be suppressed.

さらに、グランドプレーンの表面を荒らすプロセスを排除することによって、高周波特性の改善が起こることも予想される。 Furthermore, it is expected that the high frequency characteristics will be improved by eliminating the process of roughening the surface of the ground plane.

上述のように、本実施形態では、NbのSIS接合が、低損失材料でできたMSLの上に乗っていない構造を採用している。したがって、低損失なMSLと高品質なSIS接合とを同時に実現している点で、本実施形態はこれまでのSIS素子よりも極めて優れている。 As described above, this embodiment employs a structure in which the Nb SIS junction does not ride on the MSL made of a low-loss material. Therefore, the present embodiment is extremely superior to the conventional SIS elements in that low-loss MSL and high-quality SIS junction are realized at the same time.

[プロセスの詳細] [Process Details]

図2は、簡略化したSISミクサ素子を示す図である。ウエハ上に、SIS接合が成膜され、そのSIS接合の周辺を覆うようにグランドプレーンが成膜され、さらに、その上には、絶縁層及び配線層が順に成膜されている。プロセスの説明のために、このような簡略化したSISミクサ素子をウエハ中央に1つだけ作製する場合を考える。接合の大きさは 1μmとする。 FIG. 2 is a diagram showing a simplified SIS mixer element. A SIS junction is formed on the wafer, a ground plane is formed to cover the periphery of the SIS junction, and an insulating layer and a wiring layer are sequentially formed thereon. To explain the process, consider the case where only one such simplified SIS mixer element is fabricated in the center of the wafer. The bonding size shall be 1 μm.

上述のSISミクサ素子の構造と同じような構造を持ったデバイスを作る方法は、複数考えられる。まず、最も基本的なプロセスの手順を示し、後ほど派生的なプロセスについても説明する。 There can be a plurality of methods for producing a device having a structure similar to the structure of the SIS mixer element described above. First, the most basic process steps are shown, and later derivative processes are also described.

工程の概要を順に示すと下記のとおりである。 It is as follows when the outline | summary of a process is shown in order.

基板上に、Nbを材料とするバッファ層を形成する。次に、バッファ層上に接して、Nbを材料とする下部電極と、Nbを材料とする上部電極と、上部電極と下部電極とに挟まれて形成され、Al及び酸化アルミニウムを材料とするバリア層とを有するSIS三層膜を形成する。次に、バリア層の上面が現れる程度に上部電極をエッチングする。次に、基板上に、下部電極の側面及びバリア層の周縁と接することによって下部電極及びバリア層と電気的に接続し、NbTiNを材料とするグランドプレーンを形成する。次に、下部電極の上面が現れる程度にバリア層をエッチングする。次に、上部電極、バリア層、下部電極及び基板上に絶縁層を形成する。最後に、絶縁層上に、上部電極と電気的に接続された配線層を形成する。 A buffer layer made of Nb is formed on the substrate. Next, a barrier made of Al and aluminum oxide is formed between the lower electrode made of Nb, the upper electrode made of Nb, the upper electrode and the lower electrode in contact with the buffer layer. Forming a SIS trilayer film with layers. Next, the upper electrode is etched to such an extent that the upper surface of the barrier layer appears. Next, a ground plane made of NbTiN is formed on the substrate by contacting the lower electrode and the barrier layer by contacting the side surface of the lower electrode and the peripheral edge of the barrier layer. Next, the barrier layer is etched to such an extent that the upper surface of the lower electrode appears. Next, an insulating layer is formed on the upper electrode, the barrier layer, the lower electrode, and the substrate. Finally, a wiring layer electrically connected to the upper electrode is formed on the insulating layer.

以下、次のような順で各工程を説明する。
(1)ウエハ全面にNbを成膜
(2)Nb/Al-AlOx/NbのSIS三層膜を島状に形成
(3)SIS接合の作製
(4)グランドプレーンの成膜
(5)ウエハ全体に絶縁層を成膜
(6)導通用の穴をエッチング
(7)配線層成膜
Hereinafter, each process will be described in the following order.
(1) Nb deposition on the entire wafer surface (2) Nb / Al-AlOx / Nb SIS tri-layer film is formed in islands (3) SIS junction fabrication
(4) Ground plane deposition
(5) Forming an insulating layer on the entire wafer
(6) Etching holes for conduction
(7) Wiring layer deposition

[(1)ウエハ全面にNbを成膜] [(1) Nb deposition on the entire wafer surface]

図3は、ウエハ全面にNbを成膜する工程を示す図である。最初に、SiO2ウエハ全体にNbを100 nmの膜厚となるようにスパッタ成膜する。この工程を行うのは、(1)デバイスの平坦性を良くすること、及び、(2)この層と上部電極のNb膜の厚さをほぼ同じとし、接合を定義するエッチングの際、上部電極のエッチングが完了し、バリア表面に達したことを目視で確認することのためであり、必ずしも必要ではなく省略することも可能である。 FIG. 3 is a diagram showing a process of depositing Nb on the entire wafer surface. First, Nb is formed by sputtering on the entire SiO 2 wafer so as to have a film thickness of 100 nm. This process is performed by (1) improving the flatness of the device, and (2) making the Nb film thickness of this layer and the upper electrode substantially the same, and etching the upper electrode during the bond defining the junction. This is for visually confirming that the etching has been completed and has reached the barrier surface, and is not always necessary and can be omitted.

[(2)Nb/Al-AlOx/NbのSIS三層膜を島状に形成] [(2) Nb / Al-AlOx / Nb SIS tri-layer film is formed into islands]

図4は、 Nb/Al-AlOx/NbのSIS三層膜を島状に形成する工程を示す図である。この工程によって、接合より一回り大きいSIS三層膜をスパッタ成膜する。レジストパターンを形成した後、リフトオフによってSIS三層膜を形成している。図では例として直径 5μmの円形の場合を考えている。 FIG. 4 is a diagram showing a process of forming an Nb / Al—AlOx / Nb SIS three-layer film in an island shape. By this process, a SIS three-layer film that is slightly larger than the bonding is formed by sputtering. After forming the resist pattern, a SIS three-layer film is formed by lift-off. In the figure, the case of a circle with a diameter of 5 μm is considered as an example.

ここで、図5は、SIS三層膜の拡大図である。ウエハに遠い膜から順に、上部電極Nb膜厚100nm、バリア層Al-AlOx(又はAlNx)膜厚10nm、下部電極Nb膜厚100nm、バッファ層Nb膜厚100nm(最初に成膜した分)がそれぞれ形成されている。 Here, FIG. 5 is an enlarged view of the SIS three-layer film. In order from the film far from the wafer, the upper electrode Nb film thickness is 100 nm, the barrier layer Al-AlOx (or AlNx) film thickness is 10 nm, the lower electrode Nb film thickness is 100 nm, and the buffer layer Nb film thickness is 100 nm. Is formed.

[(3)SIS接合の作製] [(3) Fabrication of SIS junction]

図6は、SIS接合の作製工程を示す図である。この工程では、フォトリソグラフィーによって SIS接合の上部電極を定義し、エッチングによって周囲の Nbを除去する。最初にウエハ全体に成膜したNbも、三層構造の真下以外の領域では全て除去される。ウエハに遠い膜から順に、Nb膜厚100nm、バリア層(Al-AlOx(又はAlNx))、Nb膜厚200nmがそれぞれ形成されている。 FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of the SIS junction. In this process, the upper electrode of the SIS junction is defined by photolithography, and the surrounding Nb is removed by etching. Nb deposited on the entire wafer first is also completely removed in the region other than just below the three-layer structure. An Nb film thickness of 100 nm, a barrier layer (Al—AlOx (or AlNx)), and an Nb film thickness of 200 nm are formed in order from a film far from the wafer.

[(4)グランドプレーンの成膜] [(4) Ground plane deposition]

図7は、レジストパターンを示す図である。まず、接合より大きく下部電極より小さいレジストパターンをフォトリソグラフィーで作る。ここでは、直径3μmの円形の場合を考えている。また、グランドプレーンの平面構造も同時に定義する。 FIG. 7 is a diagram showing a resist pattern. First, a resist pattern larger than the junction and smaller than the lower electrode is formed by photolithography. Here, the case of a circle having a diameter of 3 μm is considered. The plane structure of the ground plane is also defined at the same time.

図8は、Al膜の除去工程を示す図である。下部電極とグランドプレーンとの間で導通がとれるように、レジストで覆われていない領域のバリア層を、物理エッチングもしくはウェットエッチングなどによって除去する。 FIG. 8 is a diagram showing a process of removing the Al film. The barrier layer in a region not covered with the resist is removed by physical etching or wet etching so that conduction can be established between the lower electrode and the ground plane.

図9は、グランドプレーンの成膜工程とリフトオフ工程とを示す図である。図に示すように、グランドプレーン(NbTiNなど)を成膜し、リフトオフする。 FIG. 9 is a diagram illustrating a ground plane film forming process and a lift-off process. As shown in the figure, a ground plane (NbTiN or the like) is formed and lifted off.

図10は、ウエハ全体に絶縁層を成膜する工程を示す図である。図に示すように、デバイスの表面を全て絶縁層(例えばSiO2)で覆う。 FIG. 10 is a diagram illustrating a process of forming an insulating layer on the entire wafer. As shown in the figure, the entire surface of the device is covered with an insulating layer (for example, SiO 2 ).

図11は、導通用の穴をエッチングによって形成する工程を示す図である。接合の上部電極と配線層との間や、グランドプレーンと外部回路との間で導通がとれるように、絶縁層をエッチングして穴をあける。 FIG. 11 is a diagram showing a process of forming a hole for conduction by etching. A hole is formed by etching the insulating layer so that conduction can be established between the upper electrode of the junction and the wiring layer, or between the ground plane and the external circuit.

図12は、配線層を成膜する工程を示す図である。図に示すように、配線層(Al膜厚400nmなど)を成膜する。ここで、平面構造はフォトリソグラフィーで定義している。 FIG. 12 is a diagram illustrating a process of forming a wiring layer. As shown in the figure, a wiring layer (such as an Al film thickness of 400 nm) is formed. Here, the planar structure is defined by photolithography.

このようにして、SISミクサ素子を得ることができる。 In this way, a SIS mixer element can be obtained.

[試作の結果] [Prototype results]

上述のプロセスに沿って、本実施形態の素子を実際に試作した。ここでは、実際の試作工程を、上述のプロセスと比較しながらSEM写真を使用して示す。 The device according to the present embodiment was actually prototyped along the above-described process. Here, the actual prototype process is shown using SEM photographs while comparing with the above-described process.

図13は、小島状SIS三層膜をウエハ上に形成する工程を示す図である。図の右側は、実際に作製したSIS三層膜のSEM写真である。 FIG. 13 is a diagram illustrating a process of forming a small island-like SIS three-layer film on a wafer. The right side of the figure is an SEM photograph of the SIS three-layer film that was actually fabricated.

図14は、上部電極切り出し工程を示す図である。SIS三層膜と、フォトレジストとが観察される。 FIG. 14 is a diagram showing an upper electrode cutting-out process. A SIS trilayer and photoresist are observed.

図15は、NbTiN層スパッタ工程を示す図である。SIS接合の上に被さったフォトレジストが観察される。 FIG. 15 is a diagram showing an NbTiN layer sputtering step. Photoresist over the SIS junction is observed.

図16は、SISミクサ素子の完成図である。配線層に覆われた接合付近が観察される。 FIG. 16 is a completed drawing of the SIS mixer element. The vicinity of the junction covered with the wiring layer is observed.

[派生的なプロセス] [Derivative process]

上述のプロセスでは、SIS三層膜、接合、グランドプレーンの順番で作製したが、この順番を変えてもデバイスを作製することができる。 In the above-described process, the SIS three-layer film, the junction, and the ground plane are manufactured in this order. However, the device can be manufactured even if this order is changed.

例えば、上に示したプロセスでは接合と配線層との導通をとるために絶縁膜にエッチングで穴をあけたが、SIS三層膜、グランドプレーン、接合の順番で作製すればリフトオフで導通をとることも可能になる。この方法によれば、どの順番を採用しても、最終的なデバイスの構造は、接合とグランドプレーンの両方がウエハ上に直に乗っているという構造になる。このため、グランドプレーンのうち Nbの上に乗り上げている部分の膜の品質、プロセスのしやすさ等に応じて最適な順番を選択してSIS素子を作ることができる。 For example, in the process shown above, the insulating film was etched to create a continuity between the junction and the wiring layer. However, if the SIS three-layer film, ground plane, and junction were fabricated in this order, the continuity was achieved by lift-off. It becomes possible. According to this method, regardless of the order, the final device structure is such that both the junction and the ground plane are directly on the wafer. For this reason, the SIS element can be made by selecting the optimum order according to the quality of the film on the Nb on the ground plane and the ease of processing.

[物性] [Physical properties]

図17は、テラヘルツ用SIS素子と本実施形態のSIS素子とのI-V特性の比較を示す図である。図中では、テラヘルツ用SIS素子はNbTiN MSLと表記し、本実施形態のSIS素子はNbTiN MSLと表記した。図に示すとおり、本実施形態のSIS素子はリーク電流が小さく、ギャップ電圧が約2.8mVと大きいことがわかる。 FIG. 17 is a diagram showing a comparison of IV characteristics between the terahertz SIS element and the SIS element of the present embodiment. In the drawing, the SIS element for terahertz is expressed as NbTiN MSL, and the SIS element of this embodiment is expressed as NbTiN MSL. As shown in the figure, the SIS element of this embodiment has a small leakage current and a large gap voltage of about 2.8 mV.

図18は、500GHz用SIS素子と本実施形態のSIS素子とのI-V特性の比較を示す図である。図に示すとおり、本実施形態のSIS素子は、500GHz用SIS素子(all-Nbデバイス)と比較しても、全く遜色無いリーク電流及びギャップ電圧特性を達成しており、高周波に対しても低雑音で動作することが期待できる。 FIG. 18 is a diagram showing a comparison of IV characteristics between the 500 GHz SIS element and the SIS element of the present embodiment. As shown in the figure, the SIS element of this embodiment achieves leakage current and gap voltage characteristics that are not inferior to those of a 500 GHz SIS element (all-Nb device), and is low in high frequency. It can be expected to operate with noise.

[グランドプレーンと下部電極、バリアの位置関係について] [Position relationship between ground plane, lower electrode, and barrier]

理解の容易化のため、グランドプレーンと下部電極、バリアの位置関係について説明する。 For easy understanding, the positional relationship between the ground plane, the lower electrode, and the barrier will be described.

図19は、SIS素子の模式的な図である。図に示すように、グランドプレーンは、下部電極の周縁、接合より外側の部分と電気的に接続している。この接続は、下部電極の表面のうち、上部電極またはバリアに覆われていない領域(上面または側面)をグランドプレーンと接触させることで確保する。グランドプレーンとバリアは一部で接触していてもよい。一方、グランドプレーンと上部電極が接触すると短絡となってしまうため、それらは間隔を開けることが望ましい。 FIG. 19 is a schematic diagram of the SIS element. As shown in the figure, the ground plane is electrically connected to the periphery of the lower electrode and the portion outside the junction. This connection is ensured by bringing a region (upper surface or side surface) of the surface of the lower electrode not covered by the upper electrode or the barrier into contact with the ground plane. The ground plane and the barrier may be in contact with each other. On the other hand, when the ground plane and the upper electrode come into contact with each other, a short circuit occurs.

[その他の実施形態]
これまで特定の形態を中心に説明してきたが、本実施形態の構造は、接合の材料とグランドプレーンの材料が異なる場合に一般的に適用できる。
[Other Embodiments]
Although the description has been focused on a specific form so far, the structure of the present embodiment can be generally applied when the material of the junction and the material of the ground plane are different.

また、電極の材料は、下部電極、上部電極ともにNbである場合でだけでなく、下部電極はNb、上部電極はNbTiNなどほかの超伝導材料の場合でも、上・下電極ともNbNなどのNb以外の超伝導材料であり、グランドプレーンはMgB2など電極材料と異なる超伝導材料、もしくはAlなどの低損失常伝導材料の場合でもよい。 In addition, the material of the electrode is not only when the lower electrode and the upper electrode are both Nb, but also when the lower electrode is Nb and the upper electrode is another superconducting material such as NbTiN, both the upper and lower electrodes are Nb such as NbN. The ground plane may be a superconductive material different from the electrode material such as MgB 2 or a low loss normal conductive material such as Al.

トンネルバリアの材料は、AlOxバリア(酸化アルミニウム)だけでなく、AlN、MgOなどの絶縁体、半導体でもよい。 The material of the tunnel barrier may be not only an AlOx barrier (aluminum oxide) but also an insulator such as AlN or MgO, or a semiconductor.

下地についても多くの変形例が考えられる。例えば、buffer層があってもよい。buffer層の材料としては、SiO2、Al2O3などの絶縁体、Nbなどの超伝導/常伝導体などを挙げることができる。また、ウエハ(基板)は水晶だけでなく、溶融石英、ガラス、シリコン、MgOなど、信号周波数帯で誘電損失の小さい誘電体材料でもよい。 Many variations of the groundwork are possible. For example, there may be a buffer layer. Examples of the material for the buffer layer include insulators such as SiO 2 and Al 2 O 3, superconductors / normal conductors such as Nb, and the like. The wafer (substrate) is not limited to quartz, but may be a dielectric material having a small dielectric loss in the signal frequency band, such as fused quartz, glass, silicon, and MgO.

SIS三層膜(trilayer)とグランドプレーン(groundplane)の接し方(電気的接続)についても多くの変形例が考えられる。例えば、trilayerの上にgroundplaneが乗り上げている場合だけでなく、逆に、groundplaneの上にtrilayerが乗り上げてもよい。さらに、どちらも乗り上げず、trilayerとgroundplaneの間を別の金属及び超伝導材料のうちの少なくとも一方でつないでも良い。また、trilayerのjunction以外の部分(groundplaneと導通をとる部分を含む)では、Nbの上部電極が残っていても良い。 Many variations are possible for the way of contact (electrical connection) between the SIS trilayer and the ground plane. For example, not only when the groundplane is riding on the trilayer, but conversely, the trilayer may be riding on the groundplane. In addition, neither of them may ride, and the trilayer and the groundplane may be connected to at least one of another metal and superconducting material. In addition, the Nb upper electrode may remain in a portion other than the trilayer junction (including a portion that conducts with the ground plane).

グランドプレーンの材料についても多くの変形例が考えられる。グランドプレーンの材料は、下部電極の材料よりもギャップ周波数が高い超伝導材料、又は、常伝導金属でもよい。例えば、NbTiNといった高ギャップエネルギーの超伝導材料だけでなく、NbN、MgB2、その他酸化物高温超伝導材料など、他の高ギャップエネルギー超伝導材料でもよい。さらに、Al、Auなど、低損失な常伝導金属でもよい。また、4K付近における抵抗率が小さい常伝導金属(例えばアルミニウムの場合にはρ4K〜0.5μΩ・cm)やアルミニウムと同等以下の抵抗率を持つ材料をグランドプレーンの材料としてもよい。また、グランドプレーンと配線との両方に同一の材料を採用してもよい。 Many variations of the ground plane material are possible. The material of the ground plane may be a superconducting material having a higher gap frequency than the material of the lower electrode or a normal metal. For example, not only a high gap energy superconducting material such as NbTiN, but also other high gap energy superconducting materials such as NbN, MgB 2 , and other oxide high temperature superconducting materials may be used. Further, a low-loss normal metal such as Al or Au may be used. Further, a normal metal having a low resistivity in the vicinity of 4K (for example, ρ 4K to 0.5 μΩ · cm in the case of aluminum) or a material having a resistivity equal to or lower than that of aluminum may be used as the ground plane material. The same material may be used for both the ground plane and the wiring.

絶縁層についても多くの変形例が考えられる。SiO2、Al2O3、Nb2O5など、信号周波数帯で誘電損失の小さい絶縁体材料なら本実施形態に使用できる。 Many variations of the insulating layer are conceivable. Any insulator material having a small dielectric loss in the signal frequency band, such as SiO 2 , Al 2 O 3 , and Nb 2 O 5 , can be used in this embodiment.

プロセス(製造方法)についても多くの変形例が考えられる。 Many variations of the process (manufacturing method) can be considered.

例えば、trilayerと配線の導通のとりかたについても多くの変形例が考えられる。絶縁層にエッチングで穴をあける場合だけでなく、絶縁層成膜時にリフトオフで穴をあけてもよい。 For example, many modifications can be considered for how to connect the trilayer and the wiring. In addition to the case where a hole is formed in the insulating layer by etching, the hole may be formed by lift-off at the time of forming the insulating layer.

また、プロセスの順序についても多くの変形例が考えられる。 Many variations of the process order are also conceivable.

例えば、trilayer形成、junctionエッチング、groundplane形成の順だけでなく、trilayer形成、groundplane形成、junctionエッチングの順や、groundplane形成、trilayer形成、junctionエッチングの順となるように、プロセスの順序を変えてもよい。また、これらの方法を使う場合には、groundplaneのエッチングを抑えるためにgroundplaneの上やデバイスの周囲にNbなどを余計に成膜しておいてもよい For example, not only the order of trilayer formation, junction etching, and groundplane formation, but also the order of trilayer formation, groundplane formation, junction etching, and the order of groundplane formation, trilayer formation, junction etching may be changed. Good. In addition, when using these methods, extra Nb or the like may be deposited on the groundplane or around the device in order to suppress the etching of the groundplane.

接合周囲や、groundplane表面を陽極酸化することもできる。trilayerとgroundplaneが重なっている部分の面積は任意である。groundplane全体がtrilayer(もしくはtrilayerの下部電極)の上に作られていてもよい。 It is also possible to anodize the periphery of the junction and the surface of the ground plane. The area where the trilayer and groundplane overlap is arbitrary. The entire groundplane may be made on the trilayer (or the lower electrode of the trilayer).

また、SIS素子の製造方法における成膜方法は、蒸着、電子ビームによる方法、エピタキシャル成長などでもよい。 Further, the film formation method in the SIS element manufacturing method may be vapor deposition, a method using an electron beam, epitaxial growth, or the like.

接合は、1つでもいいし、複数が点状に分布していても(集中定数回路)、平面的に広がっていても(分布定数回路)よい。 The number of junctions may be one, or a plurality of junctions may be distributed in the form of dots (lumped constant circuit) or spread in a plane (distributed constant circuit).

用途(応用範囲)としては、テラヘルツ用SISミクサだけでなく、SIS接合、トンネル型Josephson接合を用いるデバイスなら広く応用できる。例えば、SIS photon detector、超伝導集積回路用素子などである。 As a use (application range), not only a SIS mixer for terahertz but also a device using a SIS junction or a tunnel type Josephson junction can be widely applied. For example, a SIS photon detector, a superconducting integrated circuit element, and the like.

[まとめ] [Summary]

上述のように、本実施形態では、水晶ウエハ上に NbのSIS接合を直接作製し、かつMSLのグランドプレーンの殆どに NbTiNなどの低損失材料を用いることなどによって、配線とSIS接合で生じる雑音を同時に小さくしている。 As described above, in this embodiment, Nb SIS junction is directly fabricated on a quartz wafer, and low loss material such as NbTiN is used for most of the MSL ground plane. Are made smaller at the same time.

窒化ニオブチタン(NbTiN)に代表されるような、「1THz以上でも伝送損失が小さい」という特徴を持ったマイクロストリップライン(MSL)の材料には、様々な理由で「その膜の上にNbのSIS接合を作製する事が困難」という難点のあるものが多い。このため、これらの材料を用いてサブミリ波-テラヘルツ波用 SIS素子の MSLを低雑音化しても、接合における雑音が逆に増大してしまい、全体としては効果が薄かった。本実施形態では、この難点を回避し、低損失なMSL材料とNbのSIS接合の組み合わせなどで1THz以上でも低雑音なSISミクサなどを実現した。 Microstrip line (MSL) materials, such as niobium titanium nitride (NbTiN), which have the characteristic of “low transmission loss even at 1 THz or higher”, have various reasons for `` Nb SIS on the film. Many of them have the difficulty of producing a junction. For this reason, even if the MSL of the SIS element for submillimeter waves and terahertz waves is reduced using these materials, the noise at the junction increases conversely, and the overall effect is weak. In the present embodiment, this problem is avoided, and a low-noise SIS mixer is realized even at 1 THz or more by combining a low-loss MSL material and an Nb SIS junction.

[権利解釈など] [Interpretation of rights, etc.]

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について説明してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が実施形態の修正又は代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。 The present invention has been described above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications or substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention. That is, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the contents described in the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.

また、この発明の説明用の実施形態が上述の目的を達成することは明らかであるが、多くの変更や他の実施例を当業者が行うことができることも理解されるところである。特許請求の範囲、明細書、図面及び説明用の各実施形態のエレメント又はコンポーネントを他の1つまたは組み合わせとともに採用してもよい。特許請求の範囲は、かかる変更や他の実施形態をも範囲に含むことを意図されており、これらは、この発明の技術思想および技術的範囲に含まれる。 It will also be appreciated that illustrative embodiments of the invention achieve the above objects, but that many modifications and other examples can be made by those skilled in the art. The elements or components of each embodiment described in the claims, specification, drawings, and description may be employed in combination with one or more other elements. The claims are intended to cover such modifications and other embodiments, which are within the spirit and scope of the present invention.

本実施形態のSIS素子の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the SIS element of this embodiment. 簡略化したSISミクサ素子を示す図である。It is a figure which shows the SIS mixer element simplified. ウエハ全面にNbを成膜する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming Nb into a film on the whole wafer surface. Nb/Al-AlOx/NbのSIS三層膜を島状に形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming the SIS three-layer film of Nb / Al-AlOx / Nb in island shape. SIS三層膜の拡大図である。It is an enlarged view of a SIS three-layer film. SIS接合の作製工程を示す図である。It is a figure which shows the preparation process of SIS joining. レジストパターンを示す図である。It is a figure which shows a resist pattern. Al膜の除去工程を示す図である。It is a figure which shows the removal process of Al film | membrane. グランドプレーンの成膜工程とリフトオフ工程とを示す図である。It is a figure which shows the film-forming process and lift-off process of a ground plane. ウエハ全体に絶縁層を成膜する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming an insulating layer in the whole wafer. 導通用の穴をエッチングによって形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming the hole for conduction | electrical_connection by an etching. 配線層を成膜する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming a wiring layer into a film. 小島状SIS三層膜をウエハ上に形成する工程を示す図である。It is a figure which shows the process of forming a small island-like SIS three-layer film on a wafer. 上部電極切り出し工程を示す図である。It is a figure which shows an upper electrode cutting-out process. NbTiN層スパッタ工程を示す図である。It is a figure which shows a NbTiN layer sputtering process. SISミクサ素子の完成図である。It is a completed drawing of a SIS mixer element. テラヘルツ用SIS素子と本実施形態のSIS素子とのI-V特性の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the IV characteristic of the SIS element for terahertz, and the SIS element of this embodiment. 500GHz用SIS素子と本実施形態のSIS素子とのI-V特性の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the IV characteristic of the SIS element for 500 GHz, and the SIS element of this embodiment. SIS素子の模式的な図である。It is a schematic diagram of a SIS element. 望遠鏡にSIS素子が適用されている例を示す図である。It is a figure which shows the example by which the SIS element is applied to the telescope. SIS接合のエネルギーバンドなどを示す図である。It is a figure which shows the energy band etc. of SIS junction. SIS接合の断面図である。It is sectional drawing of SIS joining. 700GHz以下の周波数用のSIS素子の構造を示す図(垂直方向の断面図)である。It is a figure (sectional view of the perpendicular direction) showing the structure of a SIS element for frequencies of 700 GHz or less. 700GHz以上の周波数用(テラヘルツ用)のSIS素子の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the SIS element for 700 GHz or more frequency (for terahertz). 700GHz以上の周波数用(テラヘルツ用)のSIS素子の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the SIS element for 700 GHz or more frequency (for terahertz). テラヘルツ用SIS素子の問題となる可能性がある点を示す図である。It is a figure which shows the point which may become a problem of the SIS element for terahertz. NbTiNのグランドプレーンの上にNbのSIS接合を配置した場合のdcI-V 特性の例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of dcI-V characteristics when an Nb SIS junction is disposed on an NbTiN ground plane.

Claims (11)

基板と、
前記基板上に形成され、下部電極と、上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とに挟まれて形成されたバリア層とを有するSIS三層膜と、
前記基板上に形成され、前記下部電極と電気的に接続され、前記下部電極と異なる材料のグランドプレーンと
を備え、
前記SIS三層膜は、前記基板上に形成されたバッファ層又は前記基板の上に接して形成されていることを特徴とするSIS素子。
A substrate,
A SIS three-layer film formed on the substrate and having a lower electrode, an upper electrode, and a barrier layer formed between the upper electrode and the lower electrode;
Formed on the substrate, electrically connected to the lower electrode, and a ground plane of a material different from the lower electrode,
The SIS three-layer film is a buffer layer formed on the substrate or is formed in contact with the substrate.
前記グランドプレーンは、前記下部電極の周縁で前記下部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載のSIS素子。 2. The SIS element according to claim 1, wherein the ground plane is electrically connected to the lower electrode at a peripheral edge of the lower electrode. 前記グランドプレーンの材料は、前記下部電極の材料よりもギャップ周波数が高い超伝導材料、又は、常伝導金属であることを特徴とする請求項1記載のSIS素子。 2. The SIS element according to claim 1, wherein the material of the ground plane is a superconducting material having a gap frequency higher than that of the material of the lower electrode or a normal metal. 前記下部電極の材料はNbであり、前記グランドプレーンの材料はNbTiNであることを特徴とする請求項1記載のSIS素子。 2. The SIS element according to claim 1, wherein the material of the lower electrode is Nb, and the material of the ground plane is NbTiN. 基板と、
前記基板上に形成され、Nbを材料とするバッファ層と、
前記バッファ層上に接して形成され、Nbを材料とする下部電極と、Nbを材料とする上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とに挟まれて形成され、Al及び酸化アルミニウムを材料とするバリア層とを有するSIS三層膜と、
前記基板上に形成され、前記下部電極の周縁と接することによって前記下部電極と電気的に接続し、NbTiNを材料とするグランドプレーンと、
前記上部電極、前記バリア層、前記下部電極及び前記基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記上部電極と電気的に接続された配線層と
を備えることを特徴とするSIS素子。
A substrate,
A buffer layer made of Nb and formed on the substrate;
Formed in contact with the buffer layer and formed between the lower electrode made of Nb, the upper electrode made of Nb, the upper electrode and the lower electrode, and made of Al and aluminum oxide. A SIS trilayer film having a barrier layer to be
A ground plane formed on the substrate, electrically connected to the lower electrode by contacting the periphery of the lower electrode, and made of NbTiN;
An insulating layer formed on the upper electrode, the barrier layer, the lower electrode and the substrate;
A SIS element comprising: a wiring layer formed on the insulating layer and electrically connected to the upper electrode.
請求項1から請求項5までのいずれかに記載されたSIS素子を備えることを特徴とするSISミクサ。 A SIS mixer comprising the SIS element according to any one of claims 1 to 5. 請求項1から請求項5までのいずれかに記載されたSIS素子を備えることを特徴とする超伝導集積回路用素子。 6. A superconducting integrated circuit device comprising the SIS device according to claim 1. Description: 基板上に、下部電極と、上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とに挟まれて形成されたバリア層とを有するSIS三層膜を形成する工程と、
基板上に、前記下部電極と電気的に接続され、前記下部電極と異なる材料でグランドプレーンを形成する工程と
を備え、
前記SIS三層膜は、前記基板上に形成されたバッファ層又は前記基板の上に接して形成されていることを特徴とするSIS素子の製造方法。
On the substrate, forming a SIS three-layer film having a lower electrode, an upper electrode, and a barrier layer formed between the upper electrode and the lower electrode;
A step of electrically connecting the lower electrode on the substrate and forming a ground plane with a material different from that of the lower electrode;
The method of manufacturing a SIS element, wherein the SIS three-layer film is formed in contact with a buffer layer formed on the substrate or the substrate.
前記バッファ層の材料は、下部電極と同一の材料であることを特徴とする請求項8記載のSIS素子の製造方法。   9. The method of manufacturing a SIS element according to claim 8, wherein the material of the buffer layer is the same material as that of the lower electrode. 基板上に、Nbを材料とするバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に接して、Nbを材料とする下部電極と、Nbを材料とする上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とに挟まれて形成され、Al及び酸化アルミニウムを材料とするバリア層とを有するSIS三層膜を形成する工程と、
前記バリア層の上面が現れる程度に前記上部電極をエッチングする工程と、
前記基板上に、前記下部電極の周縁と接することによって前記下部電極と電気的に接続し、NbTiNを材料とするグランドプレーンを形成する工程と、
前記下部電極の上面が現れる程度に前記バリア層をエッチングする工程と、
前記上部電極、前記バリア層、前記下部電極及び前記基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、前記上部電極と電気的に接続された配線層を形成する工程と
を備えることを特徴とするSIS素子の製造方法。
Forming a buffer layer made of Nb on the substrate;
A barrier made of Al and aluminum oxide, in contact with the buffer layer, formed between the lower electrode made of Nb, the upper electrode made of Nb, and the upper electrode and the lower electrode. Forming a SIS trilayer film having a layer;
Etching the upper electrode to such an extent that the upper surface of the barrier layer appears;
Forming a ground plane made of NbTiN as a material on the substrate by electrically connecting to the lower electrode by contacting the periphery of the lower electrode;
Etching the barrier layer to such an extent that the upper surface of the lower electrode appears;
Forming an insulating layer on the upper electrode, the barrier layer, the lower electrode and the substrate;
And a step of forming a wiring layer electrically connected to the upper electrode on the insulating layer.
基板上に、Nbを材料とするバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に接して、Nbを材料とする下部電極と、Nbを材料とする上部電極と、前記上部電極と前記下部電極とに挟まれて形成され、Al及び酸化アルミニウムを材料とするバリア層とを有するSIS三層膜を形成する工程と、
前記バリア層を貫通する程度に前記上部電極及び前記バリア層をエッチングする工程と、
前記基板上に、前記下部電極の周縁と接することによって前記下部電極と電気的に接続し、NbTiNを材料とするグランドプレーンを形成する工程と、
前記上部電極、前記バリア層、前記下部電極及び前記基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、前記上部電極と電気的に接続された配線層を形成する工程と
を備えることを特徴とするSIS素子の製造方法。
Forming a buffer layer made of Nb on the substrate;
A barrier made of Al and aluminum oxide, in contact with the buffer layer, formed between the lower electrode made of Nb, the upper electrode made of Nb, and the upper electrode and the lower electrode. Forming a SIS trilayer film having a layer;
Etching the upper electrode and the barrier layer to an extent that penetrates the barrier layer;
Forming a ground plane made of NbTiN as a material on the substrate by electrically connecting to the lower electrode by contacting the periphery of the lower electrode;
Forming an insulating layer on the upper electrode, the barrier layer, the lower electrode and the substrate;
And a step of forming a wiring layer electrically connected to the upper electrode on the insulating layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003324221A (en) * 2002-05-01 2003-11-14 Fujitsu Ltd Superconducting circuit
JP2004064003A (en) * 2002-07-31 2004-02-26 Communication Research Laboratory Superconducting multilayer structure, and manufacturing method and equipment thereof
JP2008078639A (en) * 2006-08-23 2008-04-03 Chugoku Electric Power Co Inc:The Josephson-junction element, method of forming the same, and superconducting junction circuit
JP2008211082A (en) * 2007-02-27 2008-09-11 Saitama Univ Superconducting element, superconducting integrated circuit, and method of manufacturing superconducting element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003324221A (en) * 2002-05-01 2003-11-14 Fujitsu Ltd Superconducting circuit
JP2004064003A (en) * 2002-07-31 2004-02-26 Communication Research Laboratory Superconducting multilayer structure, and manufacturing method and equipment thereof
JP2008078639A (en) * 2006-08-23 2008-04-03 Chugoku Electric Power Co Inc:The Josephson-junction element, method of forming the same, and superconducting junction circuit
JP2008211082A (en) * 2007-02-27 2008-09-11 Saitama Univ Superconducting element, superconducting integrated circuit, and method of manufacturing superconducting element

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011114255A (en) * 2009-11-30 2011-06-09 Sanyo Electric Co Ltd Method of manufacturing solar cell module

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