JP2012104772A - 超伝導トンネル接合検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ素子）が吸収するフォノンの量を多くでき、高い感度でフォトンを検出できる超伝導トンネル接合検出器を提供する。
【解決手段】基板１１のＳＴＪ素子１０を搭載しない側の端面からテラヘルツ波を照射する。基板１１内では、テラヘルツ波の吸収によって格子振動（フォノン）が発生し、このフォノン群は基板１１内を伝播し、フォノンがＳＴＪ素子１０の下部超伝導電極１２に到達することで、電極内のクーパー対を解離して準粒子を生成し、この準粒子の増加に伴うトンネル電流の増加分を信号として検出する。基板１１のテラヘルツ波を照射する側には、単体のＳＴＪ素子１０と基板１１を挟んで対向するように、集光用レンズ２１を配置してある。これにより、テラヘルツ波は、集光用レンズ２１によって単体のＳＴＪ素子１０に向けて集光されることになり、フォトンの集光効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導トンネル接合素子を用いてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器に関する。

従来、超伝導トンネル接合（ＳＴＪ）素子を用いた検出器として、例えば、特許文献１に開示される検出器があった。
この検出器は、フォトンの基板への入射によって基板中で発生したフォノンを、超伝導トンネル接合素子に吸収させ、それによって超伝導トンネル接合素子から信号電荷を取り出す、所謂基板吸収型の超伝導トンネル接合検出器である。

特開平８−２６２１４４号公報

ところで、基板吸収型の超伝導トンネル接合検出器では、超伝導トンネル接合素子が吸収するフォノンの量が多くなれば、トンネルバリアを通過できる準粒子の量が増加し、検出感度が向上するが、従来では、複数の超伝導トンネル接合素子を含む広い領域に光を照射するようにレンズによる集光を行っており、係る構成では、超伝導トンネル接合素子がフォノンを吸収する確率が低く、充分な検出感度を得ることが難しいという問題があった。

本発明は上記問題点に着目してなされたものであり、超伝導トンネル接合素子が吸収するフォノンの量を多くでき、高い感度でフォトンを検出できる超伝導トンネル接合検出器を提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、基板上に超伝導トンネル接合素子を搭載してなり、フォトンの基板への入射によって前記基板中で発生したフォノンを、前記超伝導トンネル接合素子に吸収させる超伝導トンネル接合検出器であって、前記超伝導トンネル接合素子と前記基板を挟んで対向するように集光用レンズを備えるようにした。
係る構成では、集光用レンズを備えることで、基板に対するフォトンの入射量が増加し、基板中を単体の超伝導トンネル接合素子に向けて伝播するフォノンの量も増加し、超伝導トンネル接合素子に伝播するフォノンの増加により、トンネルバリアを通過できる準粒子の量が増加して信号レベルが上がり、感度が向上する。

上記請求項１の構成において、請求項２のように、複数の超伝導トンネル接合素子を基板上に搭載し、前記複数の超伝導トンネル接合素子それぞれに対応して個別に集光用レンズを備えることができる。
係る構成では、超伝導トンネル接合素子と集光用レンズとの対を、基板に対して複数備え、超伝導トンネル接合素子個々に伝播するフォノンの量が増加する。

更に、上記請求項２の構成において、請求項３のように、前記複数の超伝導トンネル接合素子を相互に直列に結合することができる。
係る構成では、複数の超伝導トンネル接合素子を相互に直列に結合することによって、ノイズとなるリーク電流を増加させずに、信号出力を上げることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

また、上記請求項２の構成において、請求項４のように、前記複数の超伝導トンネル接合素子を相互に並列に結合することができる。
係る構成では、並列結合によって、同時に複数画素の素子の信号を得ることができ、光学走査が不要なデバイス単体での画像化が可能となる。

一方、上記請求項２〜４のいずれか１つの構成において、請求項５のように、前記集光用レンズを、格子状部材の格子内に固定することができる。
上記構成によると、格子状部材の格子位置を、超伝導トンネル接合素子の配列に合わせ、格子内に集光用レンズを固定することで、集光用レンズを超伝導トンネル接合素子に対向する位置に容易に配置できる。

また、請求項１〜５のいずれか１つの構成において、請求項６のように、前記集光用レンズとして半球レンズを用い、該半球レンズの平面側を前記基板の端面に密着させて固定することができる。
係る構成では、半球レンズの平面側を基板の端面に密着させることで、集光用レンズの固定安定性がよく、高い集光性能を安定して得ることができる。

本願発明に係る超伝導トンネル接合検出器によると、超伝導トンネル接合素子と対をなす集光用レンズによって、フォトンを効率良く集めることができ、これにより、超伝導トンネル接合素子単体が吸収するフォノンの量を多くして、検出感度を向上させることができる。

本願発明に係る超伝導トンネル接合検出器の実施形態を示す断面図 実施形態において超伝導トンネル接合素子と集光用レンズとの組み合わせを複数備えた超伝導トンネル接合検出器を示す図 実施形態における超伝導トンネル接合検出器の機能ブロック図 実施形態における超伝導トンネル接合素子の直列結合の例を示す図 実施形態における超伝導トンネル接合素子の並列結合の例を示す図 実施形態における超伝導トンネル接合素子の作製工程を示す図 実施形態における超伝導トンネル接合素子の作製工程を示す図 実施形態における超伝導トンネル接合素子の作製工程を示す図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態における超伝導トンネル接合検出器の超伝導トンネル接合素子を示す断面図であり、本実施形態の検出器は、テラヘルツ波（ＴＨｚ波）の検出用として設定してある。

図１に示す超伝導トンネル接合（Superconducting Tunnel Junction：ＳＴＪ）素子１０は、ニオブ酸リチウムLiNbO3，タンタル酸リチウムLiTaO3などからなる基板１１上に設けた、超伝導膜層‐絶縁膜層‐超伝導膜層からなる積層構造を有する素子である。
即ち、ＳＴＪ素子１０は、超伝導電極材料の単層、もしくは超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜からなる上部超伝導電極１２、数ナノメートルの厚さの絶縁膜からなるトンネルバリア１３、超伝導電極材料の単層、もしくは超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜からなる上部超伝導電極１４の積層体を備え、また、下部超伝導電極１２と上部超伝導電極１４との間における電気的絶縁をとるための二酸化ケイ素SiO2などからなる層間絶縁膜１５を備える。
更に、層間絶縁膜１５に設けたコンタクトホール１５ａを介して上部超伝導電極１４に接続する配線層１６、及び、基板１１表面に積層した下部超伝導電極１２に接続するグランド層１７を備える。
超伝導電極材料としては、例えば、Ａｌ（アルミニウム）／Ｎｂ（ニオブ）の二層膜、トンネル障壁となる絶縁膜として、例えば、ＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）などが用いられる。ここで超電導電極材料を超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜とするのは、超電導エネルギーギャップの値がより小さい材料がより大きい材料の層で発生した準粒子を集める層（トラップ層）として作用し、トンネルバリア付近のクーパー対の崩壊による準粒子数の増加が期待できるからである。

上記ＳＴＪ素子１０は、所謂基板吸収型のＳＴＪ素子であり、基板１１のＳＴＪ素子１０を搭載しない側の端面（図１の下側の面）からテラヘルツ波（テラヘルツ光）を照射する。基板１１内では、テラヘルツ波の吸収によって格子振動（フォノン）が発生し、このフォノン群は基板１１内を伝播し、その一部はＳＴＪ素子１０へ入射する。そして、フォノンがＳＴＪ素子１０の下部超伝導電極１２に到達することで、電極内のクーパー対を解離して準粒子を生成し、この準粒子の増加に伴うトンネル電流の増加分を信号として検出する。
尚、本実施形態の検出器は、テラヘルツ波を検出対象とするため、基板１１の材料としてテラヘルツ波を吸収し易いLiNbO₃やLiTaO₃を用いるが、本願発明の検出器は、検出対象をテラヘルツ波に限定するものではなく、可視光や放射線などであってもよく、従って、基板材料としてサファイア基板などを用いてもよい。

基板１１のテラヘルツ波を照射する側（基板１１の下側の端面）には、単体のＳＴＪ素子１０と基板１１を挟んで対向するように（光軸がＳＴＪ素子１０の略中央を通るように）、集光用レンズ２１を配置し、単体のＳＴＪ素子１０と集光用レンズ２１とが対をなすようにしてある。
集光用レンズ２１は、半球状のマイクロレンズであり、基板１１に接合する格子状部材２２の格子内に固定した状態で、半球の平面側が基板１１の端面に密着するようにして設置してある。格子状部材２２は、短冊状の部材を縦横に組み合わせたような形状であり、基板１１を貫通する方向に幅を持つ略正方形のレンズ収容空間を縦横に複数形成し、複数の格子空間のうちで単体のＳＴＪ素子１０に対向する位置の格子空間内に、集光レンズ２１を固定してある。

また、集光用レンズ２１は前述のように単体のＳＴＪ素子１０と対をなすから、例えば、図２（Ａ）に示すように、基板１１上に複数のＳＴＪ素子１０を配設する場合、図２（Ｂ）に示すように、ＳＴＪ素子１０毎に位置合わせを行って複数の集光用レンズ２１を配設する。従って、格子状部材２２の格子ピッチは、ＳＴＪ素子の配設ピッチに一致し、レンズ２１の直径を、格子部材２２の格子内に収まる径に設定してある。
図２に示した例では、１２個のＳＴＪ素子１０を、２行６列（図２で左右方向を行、上下方向を列とする）で基板１１上に配置し、係るＳＴＪ素子１０の配列に対応する格子間隔に設定した格子状部材２２のＳＴＪ素子１０と対向する部分それぞれに集光用レンズ２１を固定し、ＳＴＪ素子１０とレンズ２１との対を１２組備えている。

換言すれば、格子状部材２２の格子ピッチに合わせ、複数のＳＴＪ素子１０を反対側の基板１１上に配置し、ＳＴＪ素子１０を配置した部分に対応する格子内に集光用レンズ２１を固定してある。
これにより、レンズやフィルタなどを介して複数のＳＴＪ素子１０を含む広範囲に照射されるテラヘルツ波は、集光用レンズ２１によって、各集光用レンズ２１が対向する単体のＳＴＪ素子１０に向けて更に集光されることになり、フォトンの集光効率が向上する。
尚、図２に示す検出器においては、複数のＳＴＪ素子１０が直線的に左右方向に並ぶ行毎に、複数のＳＴＪ素子１０に共通のグランド層１７ａ，１７ｂを設け、これらグランド層１７ａ，１７ｂを、共通するグランド用ＰＡＤ１７ｃに接続している。

図３は、本実施形態の検出器の機能ブロック図であり、集光用レンズ２１に入射するフォトンは、集光して基板１１に吸収され、基板１１内でフォノンが発生し、このフォノンは、基板１１内を伝播して、下部超伝導電極１２に到達することで、電極内のクーパー対を解離して準粒子を生成し、この準粒子がトンネルバリア１３をトンネルする際に流れる電流（トンネル電流）をプリアンプ３１で増幅し、増幅後の電流値をＡ／Ｄ変換器３２でＡ／Ｄ変換してデジタルデータ（テラヘルツ波の検出データ）として記録装置（メモリ）３３に記録する。
上記のように集光用レンズ２１をＳＴＪ素子１０毎に備える構成では、集光用レンズ２１を備えない場合に比べて、基板１１に照射するフォトンの集光効率が向上し、基板１１に対するフォトンの入射量が増加することで基板１１内を伝播するフォノンの量も増加する。

そして、基板１１内を伝播するフォノンの量が増えれば、下部超伝導電極１２に到達するフォノンの量が増え、これに伴って電極で生成される準粒子の量が増え、準粒子の量が増えれば、トンネルバリア１３を通過できる準粒子の量が増えるから、結果的に、信号のレベルが上がって検出感度が向上する。即ち、本実施形態の集光用レンズ２１を備えたＳＴＪ素子１０によると、テラヘルツ波を高い感度で効率良く検出できる。
また、検出感度を上げるために設ける集光用レンズ２１を、格子状部材２２の格子内に固定するので、ＳＴＪ素子１０の位置に合わせてレンズ２１を配置することが容易であり、更に、半球状の集光用レンズ２１の平面側を基板１１の端面に密着させるように固定するから、レンズ２１を安定して固定でき、高い集光性能を安定して得ることができる。

集光用レンズ２１とＳＴＪ素子１０との対を複数備える超伝導トンネル接合検出器の場合、目的に応じて複数のＳＴＪ素子１０を直列結合或いは並列結合することができる。
図４は、複数のＳＴＪ素子１０を直列結合した例（直列アレイ型の例）を示す。
この検出器は、図４（Ａ）に示すように、９個のＳＴＪ素子１０を３個×３個の行列をなすように基板１１上に配置し、行列の４つの隅位置のうちの１つに位置するＳＴＪ素子１０を基点とし、この基点に対して対角線上に位置するＳＴＪ素子１０に向けて惰行するように、隣接する２つのＳＴＪ素子１０の下部超伝導電極１２と上部超伝導電極１４とを結合させることで、９個のＳＴＪ素子１０を直列結合している。

上記のように、３個×３個の行列をなすように配置した９個のＳＴＪ素子１０に合わせ、基板１１の反対面側には、図４（Ｂ）に示すように、３個×３個の行列をなす９個の集光用レンズ２１を格子状部材２２に固定した状態で配置し、各集光レンズ２１がそれぞれに単体のＳＴＪ素子１０と対向し、各集光用レンズ２１はそれぞれに対向する単体のＳＴＪ素子１０に向けてフォトンを集光するようにしてある。
このようにして、複数のＳＴＪ素子１０を直列結合すれば、ノイズとなるリーク電流を増加させずに信号出力を上げることができ、更に、複数のＳＴＪ素子１０それぞれに対向させて集光用レンズ２１を設けたことによって信号出力が上がるので、より一層高い感度でＳ／Ｎ比の高い検出を行える。

また、図５は、複数のＳＴＪ素子１０を並列結合した例（並列アレイ型の例）を示す。
この検出器は、図５（Ａ）に示すように、２４個のＳＴＪ素子１０を４個×６個の行列をなすように配置し、これらのＳＴＪ素子１０の下部超伝導電極１２を共通のグランドＰＡＤ１７ｃに接続する一方、各ＳＴＪ素子１０の上部超伝導電極１４に対して相互に独立して接続する２４個の配線層１６を設けてある。

上記のように、４個×６個の行列をなすように配置したＳＴＪ素子１０に合わせ、基板１１の反対面側には、図５（Ｂ）に示すように、４個×６個の行列をなす２４個の集光用レンズ２１を格子状部材２２に固定した状態で配置し、各集光レンズ２１がそれぞれに単体のＳＴＪ素子１０と対向し、各集光用レンズ２１はそれぞれに対向する単体のＳＴＪ素子１０に向けてフォトンを集光するようにしてある。
このようにして、複数のＳＴＪ素子１０を並列結合すれば、同時に複数画素の素子の信号を得ることができ、光学走査が不要なデバイス単体での画像化（二次元のテラヘルツ光検出）が可能となり、また、集光用レンズ２１を設けたことで個々の素子の感度が高くなり、高い精度の画像を得ることができる。

ところで、ＳＴＪ素子１０は、通常の半導体作製行程と略同様に作製が可能で、薄膜堆積にスパッタ装置、薄膜加工にフォトリソグラフィ技術、エッチング装置などを用いて作製することができ、以下では、ＳＴＪ素子１０の作製プロセスを説明する。
図６〜図８は、ＳＴＪ素子１０の作製プロセスを示し、図６（Ａ）に示す第１工程では、ＳＩＳ構造（Superconducting‐insulator‐Superconducting構造）、即ち、Nb／Al‐AlOx／Al／Nb構造の薄膜５１を、基板１１上にスパッタリングによって堆積させる。AlOxはトンネルバリア（トンネル障壁）で、Al膜を酸素雰囲気中に長時間放置して酸化させることで得られる。

図６（Ｂ）に示す第２工程では、レジスト５２をスピンコーターによって平らに塗布し、当該レジスト５２を、フォトマスクを用いて上部超伝導電極１４の形状にパターンニングする。そして、レジスト５２を、紫外光によって感光させた後、ポジ型の現像液にて現像する。
図６（Ｃ）に示す第３工程では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置により上部超伝導電極１４、トンネルバリア１３及び下部超伝導電極１２の一部を削り、残ったレジスト５２はアセトンなどの有機溶剤で超音波洗浄して取り除く。
図６（Ｄ）に示す第４工程では、図６（Ｂ）に示した第２工程と同様の方法で、レジスト５２を下部超伝導電極１２の形状にパターンニングして現像する。

更に、図７（Ａ）に示す第５工程では、図６（Ｃ）に示した第３工程と同様の方法でエッチングを行い、レジストを取り除く。
図７（Ｂ）に示す第６工程では、スパッタリング装置を用いて層間絶縁膜１５を堆積させる。

図７（Ｃ）に示す第７工程では、図６（Ｂ）に示した第２工程と同様の方法で、レジスト５２をコンタクトホール１５ａと配線・ＰＡＤ以外の位置にパターニングして現像する。
図７（Ｄ）に示す第８工程では、図６（Ｃ）に示した第３工程と同様の方法で、エッチングを行い、レジスト５２を取り除く。

更に、図８（Ａ）に示す第９工程では、スパッタリング装置を用いて配線層１６を堆積させる。
図８（Ｂ）に示す第１０工程では、図６（Ｂ）に示した第２工程と同様の方法で、レジスト５２を配線層１６、ＰＡＤの形状にパターニングし、現像する。
図８（Ｃ）に示す第１１工程では、図６（Ｃ）に示した第３工程と同様の方法で、エッチングを行い、レジストを取り除く。
上記の第１工程〜第１１工程によって、ＳＴＪ素子１０を作製する。
尚、以上では、スパッタリングによって各層を堆積させているが、これに限るものではなく、他の方法（例えば、蒸着）によって各層を堆積させるようにしてもよい。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
例えば、上記実施形態では、集光用レンズ２１を格子状部材２２の格子内に固定したが、格子状部材２２を用いずに集光用レンズ２１を固定することができ、また、複数の集光用レンズ２１を一列に並べて一体化したレンズアレイを複数平行に基板１１に対して固定してもよい。

また、集光用レンズ２１を半球レンズとしたが、基板１１に照射するフォトンを集光できるレンズであれば良く、円柱レンズなどを用いることができる。
更に、下部超伝導電極１２と配線とを、層間絶縁膜１５に設けたコンタクトホールを介して接合させてもよい。
また、複数のＳＴＪ素子１０を環状に並べてもよく、ＳＴＪ素子１０が、チョークフィルタやアンテナ（ボータイアンテナなど）を備えても良い。

１０ 超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ素子）
１１ 基板
１２ 下部超伝導電極
１３ トンネルバリア
１４ 上部超伝導電極
１５ 層間絶縁膜
２１ 集光用レンズ
２２ 格子状部材

Claims (6)

1. 基板上に超伝導トンネル接合素子を搭載してなり、フォトンの基板への入射によって前記基板中で発生したフォノンを、前記超伝導トンネル接合素子に吸収させる超伝導トンネル接合検出器であって、
   前記超伝導トンネル接合素子と前記基板を挟んで対向するように集光用レンズを備えた超伝導トンネル接合検出器。
2. 複数の超伝導トンネル接合素子を基板上に搭載し、前記複数の超伝導トンネル接合素子それぞれに対応して個別に集光用レンズを備えた請求項１記載の超伝導トンネル接合検出器。
3. 前記複数の超伝導トンネル接合素子を相互に直列に結合した請求項２記載の超伝導トンネル接合検出器。
4. 前記複数の超伝導トンネル接合素子を相互に並列に結合した請求項２記載の超伝導トンネル接合検出器。
5. 前記集光用レンズを、格子状部材の格子内に固定した請求項２〜４のいずれか１つに記載の超伝導トンネル接合検出器。
6. 前記集光用レンズとして半球レンズを用い、該半球レンズの平面側を前記基板の端面に密着させて固定した請求項１〜５のいずれか１つに記載の超伝導トンネル接合検出器。