JP2012109652A - Terahertz detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超伝導トンネル接合（Superconducting Tunnel Junction：ＳＴＪ）素子を用いてテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器に関する。 The present invention relates to a terahertz detector that detects terahertz waves using a superconducting tunnel junction (STJ) element.
従来のテラヘルツ検出器として、例えば特許文献１に記載の単結晶固有ジョセフソン接合テラヘルツ検出器がある。この検出器は、アンテナを用いて準光学的にテラヘルツ信号と固有ジョセフソン接合と結合させてテラヘルツ波を検出するようにしている。 As a conventional terahertz detector, for example, there is a single crystal intrinsic Josephson junction terahertz detector described in Patent Document 1. This detector detects a terahertz wave by combining the terahertz signal and the intrinsic Josephson junction quasi-optically using an antenna.
ところで、近年、テラヘルツ波は、その直進性、透過性及び吸収特性などから非破壊検査や物質の推定を含むさまざまな分野での応用が期待されており、より精度よくテラヘルツ波を検出することのできるテラヘルツ検出器が必要になると考えられる。上記従来のテラヘルツ検出器では、テラヘルツ波の有無を検出できるかもしれないが、例えばテラヘルツ波を帯域ごとに検出することはできず、この点において改良の余地がある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、複数の帯域のテラヘルツ波を同時に検出することができるテラヘルツ検出器を提供することを目的とする。
By the way, in recent years, terahertz waves are expected to be applied in various fields including non-destructive inspection and estimation of substances because of their straightness, transparency and absorption characteristics. It is thought that a terahertz detector that can be used is necessary. The above-mentioned conventional terahertz detector may be able to detect the presence or absence of terahertz waves. However, for example, terahertz waves cannot be detected for each band, and there is room for improvement in this respect.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a terahertz detector capable of simultaneously detecting terahertz waves of a plurality of bands.
本発明の一側面によるテラヘルツ検出器は、テラヘルツ帯における異なる周波数をそれぞれの共振周波数として有する複数のアンテナ部と、各アンテナ部に対応して設けられた超伝導トンネル接合素子と、を備える。 A terahertz detector according to one aspect of the present invention includes a plurality of antenna units having different frequencies in the terahertz band as resonance frequencies, and superconducting tunnel junction elements provided corresponding to the antenna units.
上記テラヘルツ検出器によれば、テラヘルツ帯域における異なる周波数をそれぞれの共振周波数として有する複数のアンテナ部と、各アンテナ部に対応して設けられたＳＴＪ素子とを備えるので、各ＳＴＪ素子が異なる周波数のテラヘルツ波を検出することとなり、複数の帯域のテラヘルツ波を同時かつ効率的に検出することができる。これにより、広帯域性と波長フィルタリング機能（テラヘルツ光の分光機能）とを併せ持ったテラヘルツ検出器を実現できる。 The terahertz detector includes a plurality of antenna units having different frequencies in the terahertz band as resonance frequencies and STJ elements provided corresponding to the respective antenna units, so that each STJ element has a different frequency. Terahertz waves are detected, and terahertz waves in a plurality of bands can be detected simultaneously and efficiently. Thereby, it is possible to realize a terahertz detector having both a broadband property and a wavelength filtering function (a spectrum function of terahertz light).
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態ついて説明する。
図１〜図４は、本発明の一実施形態によるテラヘルツ検出器に使用されるテラヘルツ検出素子の概略構成を示している。図１はテラヘルツ検出素子の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図、図４は図１のＣ−Ｃ断面図である。
本実施形態におけるテラヘルツ検出素子１０は、互いに異なる複数の帯域のテラヘルツ波（テラヘルツ光）を同時に検出できるように構成されており、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に形成された複数（ここでは三つ）のアンテナ部（第１〜第３アンテナ部）１３ａ〜１３ｃと、基板１１上に形成された複数（アンテナ部と同数）の超伝導トンネル接合素子（第１〜第３ＳＴＪ素子）１５ａ〜１５ｃと、を備える。
本実施形態において、第１アンテナ部１３ａと第１ＳＴＪ素子１５ａ、第２アンテナ部１３ｂと第２ＳＴＪ素子１５ｂ、及び、第３アンテナ部１３ｃと第３ＳＴＪ素子１５ｃはそれぞれ基板１１上に一体形成されており、換言すれば、テラヘルツ検出素子１０は、基板１１上に、アンテナ部を備えたＳＴＪ素子を複数有している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
1 to 4 show a schematic configuration of a terahertz detection element used in a terahertz detector according to an embodiment of the present invention. 1 is a plan view of the terahertz detection element, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
The terahertz detection element 10 in the present embodiment is configured to be able to simultaneously detect terahertz waves (terahertz light) in a plurality of different bands, and is formed on the substrate 11 and the substrate 11 as shown in FIG. A plurality (three in this case) of antenna portions (first to third antenna portions) 13a to 13c and a plurality (the same number as the antenna portions) of superconducting tunnel junction elements (first to first) formed on the substrate 11. 3STJ elements) 15a to 15c.
In the present embodiment, the first antenna portion 13a and the first STJ element 15a, the second antenna portion 13b and the second STJ element 15b, and the third antenna portion 13c and the third STJ element 15c are integrally formed on the substrate 11, respectively. In other words, the terahertz detection element 10 has a plurality of STJ elements including an antenna portion on the substrate 11.
基板１１は、絶縁性基板であり、例えばシリコン基板やサファイア基板を用いることができる。
第１〜第３アンテナ部１３ａ〜１３ｃは、それぞれテラヘルツ帯における異なる周波数をその共振周波数として形成され、基板１１上に所定の間隔をあけて配置されている。本実施形態におけるテラヘルツ帯とは、０．１〜１０ＴＨｚ（好ましくは０．１〜５ＴＨｚ）程度の周波数帯域のことをいい、第１アンテナ部１３ａはテラヘルツ帯における第１の周波数をその共振周波数として有し、第２アンテナ部１３ｂはテラヘルツ帯における第２の周波数をその共振周波数として有し、第３のアンテナ部１３はテラヘルツ帯における第３の周波数をその共振周波数として有している。これら第１の周波数、第２の周波数及び第３の周波数は、テラヘルツ検出器の仕様等に応じて任意に設定することができる。
ここで、図１に示すように、本実施形態における第１〜第３アンテナ部１３ａ〜１３ｃは、いわゆるボウタイアンテナとして形成されている。但し、これに限るものではなく、各アンテナ部が異なる周波数をそれぞれの共振周波数として有していればよい。
The substrate 11 is an insulating substrate, and for example, a silicon substrate or a sapphire substrate can be used.
The first to third antenna portions 13 a to 13 c are formed with different frequencies in the terahertz band as their resonance frequencies, and are arranged on the substrate 11 at a predetermined interval. The terahertz band in the present embodiment refers to a frequency band of about 0.1 to 10 THz (preferably 0.1 to 5 THz), and the first antenna unit 13a uses the first frequency in the terahertz band as its resonance frequency. The second antenna unit 13b has the second frequency in the terahertz band as its resonance frequency, and the third antenna unit 13 has the third frequency in the terahertz band as its resonance frequency. The first frequency, the second frequency, and the third frequency can be arbitrarily set according to the specifications of the terahertz detector.
Here, as shown in FIG. 1, the 1st-3rd antenna parts 13a-13c in this embodiment are formed as what is called a bow-tie antenna. However, the present invention is not limited to this, and it is only necessary that each antenna unit has a different frequency as its resonance frequency.
第１〜第３ＳＴＪ素子１５ａ〜１５ｃは、それぞれ超伝導膜層−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。具体的には、各ＳＴＪ素子は、基板１１上に、超伝導電極材料の単層又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下部電極５１、絶縁膜からなるトンネル障壁（トンネルバリア）５３、及び、超伝導電極材料の単層又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電極５５が順に積層されて形成されている（図２〜図４参照）。そして、各ＳＴＪ素子はそれぞれに対応するアンテナ部の中心に配置されている。すなわち、第１ＳＴＪ素子１５ａは第１アンテナ部１３ａの中心に配置され、第２ＳＴＪ素子１５ｂは第２アンテナ部１３ｂの中心に配置され、第３ＳＴＪ素子１５ｃは第３アンテナ部１５ｃの中心に配置されている。 The first to third STJ elements 15a to 15c are elements each having a laminated structure including a superconducting film layer-insulating film layer-superconducting film layer. Specifically, each STJ element includes a lower electrode 51 made of a single layer of a superconducting electrode material or a two-layer film having a different superconducting energy gap, and a tunnel barrier (tunnel barrier) 53 made of an insulating film. And the upper electrode 55 which consists of a film | membrane of the single layer of a superconducting electrode material, or two layers from which a superconducting energy gap differs is laminated | stacked in order (refer FIGS. 2-4). Each STJ element is arranged at the center of the corresponding antenna portion. That is, the first STJ element 15a is disposed at the center of the first antenna portion 13a, the second STJ element 15b is disposed at the center of the second antenna portion 13b, and the third STJ element 15c is disposed at the center of the third antenna portion 15c. Yes.
上述したように、本実施形態においては各アンテナ部がいわゆるボウタイアンテナとして形成されており、各アンテナ部の共振周波数と一致する周波数のテラヘルツ波が基板１１上に照射されると各アンテナ部の中心部に電界の集中が起きる。したがって、各ＳＴＪ素子を対応するアンテナ部の中心に配置することで、集中した電磁波が超伝導電極内のクーパー対を破壊することとなり、各アンテナ部の共振周波数及びその近傍の周波数を有するテラヘルツ波を効率的に検出できる。なお、各ＳＴＪ素子によるテラヘルツ波の検出については後述する。 As described above, in the present embodiment, each antenna unit is formed as a so-called bow tie antenna, and when a terahertz wave having a frequency matching the resonance frequency of each antenna unit is irradiated onto the substrate 11, the center of each antenna unit is formed. Electric field concentration occurs in the area. Therefore, by arranging each STJ element at the center of the corresponding antenna part, the concentrated electromagnetic wave destroys the Cooper pair in the superconducting electrode, and the terahertz wave having the resonance frequency of each antenna part and the frequency in the vicinity thereof. Can be detected efficiently. The detection of terahertz waves by each STJ element will be described later.
上記超伝導電極材料としては、例えばＡｌ（アルミニウム）／ニオブ（Ｎｂ）の二層膜を用いることができ、トンネル障壁となる絶縁膜としては、例えばＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）などを用いることができる。ここで、上記超伝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れば、超伝導エネルギーギャップの値が小さい材料の層が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。 As the superconducting electrode material, for example, a two-layer film of Al (aluminum) / niobium (Nb) can be used, and as the insulating film serving as a tunnel barrier, for example, AlOx (aluminum oxide) can be used. Here, if the superconducting electrode material is a two-layer film having different superconducting energy gaps, a layer of a material having a small superconducting energy gap value collects quasiparticles generated in a layer of a material (trap layer). The number of quasiparticles can be expected to increase due to the decay of the Cooper pair near the tunnel barrier.
また、各ＳＴＪ素子の下部電極５１は、基板１１上に形成された下部配線１７を介してグランド層１９に接続されており、グランド層１９の端部にはグランドＰＡＤ２１が設けられている。さらに、各ＳＴＪ素子は、ＳｉＯ２（二酸化ケイ素）などからなる層間絶縁膜２３によって覆われており、この層間絶縁膜２３上に上部配線２５が形成されている。そして、上部配線２５の一端は層間絶縁膜２３に形成されたコンタクトホール２７を介して上部電極５５に接続しており、上部電極２５の他端には信号検出用のＰＡＤ２９が設けられている。 The lower electrode 51 of each STJ element is connected to the ground layer 19 via the lower wiring 17 formed on the substrate 11, and a ground PAD 21 is provided at the end of the ground layer 19. Further, each STJ element is covered with an interlayer insulating film 23 made of SiO 2 (silicon dioxide) or the like, and an upper wiring 25 is formed on the interlayer insulating film 23. One end of the upper wiring 25 is connected to the upper electrode 55 via a contact hole 27 formed in the interlayer insulating film 23, and a PAD 29 for signal detection is provided at the other end of the upper electrode 25.
次に、図５〜図７によりテラヘルツ検出素子１０の作製プロセスを説明する。ここでは、便宜上、基板１１上に第１アンテナ部１３ａ及び第１ＳＴＪ素子１５ａを形成する場合について説明するが、第２アンテナ部１３ｂ及び第２ＳＴＪ素子１５ｂ、第３アンテナ部１３ｃ及び第３ＳＴＪ素子１５ｃについても同様であり、第１アンテナ部１３ａ及び第１ＳＴＪ素子１５ａと同時に形成され得ることはもちろんである。 Next, a manufacturing process of the terahertz detection element 10 will be described with reference to FIGS. Here, for the sake of convenience, the case where the first antenna portion 13a and the first STJ element 15a are formed on the substrate 11 will be described. However, the second antenna portion 13b and the second STJ element 15b, the third antenna portion 13c and the third STJ element 15c are described. The same applies to the first antenna portion 13a and the first STJ element 15a.
図５（ａ）に示す第１工程では、スパッタリングによって、超伝導体で薄い絶縁体を挟んだＳＩＳ（Superconducting-Insulator-Superconducting）構造の薄膜、ここではＮｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ−Ａｌ／Ｎｂ構造の薄膜７１を基板１１上に堆積させる。なお、トンネルバリア層（ＡｌＯｘ）は、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。ここで、薄膜７１の上層側のＮｂ／Ａｌが第１ＳＴＪ素子１５ａの上部電極層となり、中間層のＡｌＯｘが第１ＳＴＪ素子１５ａのトンネルバリア層となり、下層のＡｌ／Ｎｂが第１ＳＴＪ素子１５ａの下部電極層となる。 In the first step shown in FIG. 5 (a), a thin film of SIS (Superconducting-Insulator-Superconducting) structure in which a thin insulator is sandwiched between superconductors by sputtering, here an Nb / Al-AlOx-Al / Nb structure. A thin film 71 is deposited on the substrate 11. The tunnel barrier layer (AlOx) can be obtained by oxidizing the Al film by leaving it in an oxygen atmosphere for a long time. Here, Nb / Al on the upper layer side of the thin film 71 becomes the upper electrode layer of the first STJ element 15a, AlOx in the intermediate layer becomes the tunnel barrier layer of the first STJ element 15a, and Al / Nb in the lower layer becomes the lower part of the first STJ element 15a. It becomes an electrode layer.
図５（ｂ）に示す第２工程では、感光性フォトレジストをスピンコーターやスプレーコーターなどによって薄膜７１上に塗布し、フォトマスクを用いて第１ＳＴＪ素子１５ａの上部電極５５の形状にパターンニングし、紫外光によって感光させた後に、ポジ型の現像液にて現像してレジスト７２を形成する。 In the second step shown in FIG. 5B, a photosensitive photoresist is applied onto the thin film 71 by a spin coater, a spray coater or the like, and patterned into the shape of the upper electrode 55 of the first STJ element 15a using a photomask. Then, after being exposed to ultraviolet light, the resist 72 is formed by developing with a positive developer.
図５（ｃ）に示す第３工程では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって上部電極層、トンネルバリア層、及び、下部電極層の一部を削り、アセトンなどの有機溶剤で超音波洗浄して残ったレジスト７２を取り除く。これにより、第１ＳＴＪ素子１５ａの上部電極５５及びトンネルバリア５３が形成される。 In the third step shown in FIG. 5C, the upper electrode layer, the tunnel barrier layer, and a part of the lower electrode layer are shaved by reactive ion etching (RIE) and ultrasonically cleaned with an organic solvent such as acetone. The remaining resist 72 is removed. Thereby, the upper electrode 55 and the tunnel barrier 53 of the first STJ element 15a are formed.
図５（ｄ）に示す第４工程では、上記第２工程と同様の方法によって第１アンテナ部１３ａ、第１ＳＴＪ素子１５ａの下部電極５１、第１ＳＴＪ素子１５ａの下部配線１７、グランド層１９（及びグランドＰＡＤ２１）の形状にパターニングされたレジスト７３を形成する。ここで、第１アンテナ部１３ａの形状は、該第１アンテナ部１３ａの共振周波数がテラヘルツ帯における第１の周波数に一致するように予め設定される。
なお、第２アンテナ部１３ｂ及び第３アンテナ部１３ｃについても同様であり、第２アンテナ部１３ｂの形状は、該第２アンテナ部１３ｂの共振周波数がテラヘルツ帯における第２の周波数に一致するように設定され、第３アンテナ部１３ｃの形状は、その共振周波数がテラヘルツ帯における第３の周波数に一致するように設定される。
In the fourth step shown in FIG. 5 (d), the first antenna portion 13a, the lower electrode 51 of the first STJ element 15a, the lower wiring 17 of the first STJ element 15a, the ground layer 19 (and A resist 73 patterned in the shape of the ground PAD 21) is formed. Here, the shape of the first antenna unit 13a is set in advance so that the resonance frequency of the first antenna unit 13a matches the first frequency in the terahertz band.
The same applies to the second antenna unit 13b and the third antenna unit 13c, and the shape of the second antenna unit 13b is such that the resonance frequency of the second antenna unit 13b matches the second frequency in the terahertz band. The shape of the third antenna unit 13c is set so that the resonance frequency thereof matches the third frequency in the terahertz band.
図６（ａ）に示す第５工程では、上記第３工程と同様の方法でエッチングを行って下部電極層を削り、その後、残ったレジスト７３を取り除く。これにより、第１アンテナ部１３ａ、第１ＳＴＪ素子１５ａの下部電極５１、第１ＳＴＪ素子１５ａの下部配線１７及びグランド層１９、並びに、図示省略したグランドＰＡＤ２１が形成される。
図６（ｂ）に示す第６工程では、スパッタリングによって層間絶縁層（ＳｉＯ２など）７４を堆積させる。
In the fifth step shown in FIG. 6A, etching is performed in the same manner as in the third step to scrape the lower electrode layer, and then the remaining resist 73 is removed. As a result, the first antenna portion 13a, the lower electrode 51 of the first STJ element 15a, the lower wiring 17 and the ground layer 19 of the first STJ element 15a, and the ground PAD 21 (not shown) are formed.
In the sixth step shown in FIG. 6B, an interlayer insulating layer (SiO 2 or the like) 74 is deposited by sputtering.
図６（ｃ）に示す第７工程では、上記第２工程と同様の方法によって層間絶縁膜２３、コンタクトホール２７、上部配線２５及びＰＡＤ２９を形成するためのレジスト７５を形成する。
図６（ｄ）に示す第８工程では、上記第３工程と同様の方法によって層間絶縁層７４を削り、その後、残ったレジスト７５を取り除く。これにより、層間絶縁膜２３及びコンタクトホール２７が形成される。
In the seventh step shown in FIG. 6C, a resist 75 for forming the interlayer insulating film 23, the contact hole 27, the upper wiring 25 and the PAD 29 is formed by the same method as in the second step.
In the eighth step shown in FIG. 6D, the interlayer insulating layer 74 is scraped by the same method as in the third step, and then the remaining resist 75 is removed. Thereby, the interlayer insulating film 23 and the contact hole 27 are formed.
図７（ａ）に示す第９工程では、スパッタリングによって上部配線層（例えばＮｂ層）７６を堆積させる。
図７（ｂ）に示す第１０工程では、上記第２工程と同様の方法によって上部配線２３及びＰＡＤ２５の形状にパターニングされたレジスト７７を形成する。
図７（ｃ）に示す第１１工程では、上記第３工程と同様の方法によって上部配線層７６を削り、その後、残ったレジスト７７を取り除く。これにより、上部配線２５及びＰＡＤ２９が形成される。
以上の第１〜第１１工程によってテラヘルツ検出素子１０が作製される。
なお、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。
In the ninth step shown in FIG. 7A, an upper wiring layer (for example, Nb layer) 76 is deposited by sputtering.
In the tenth step shown in FIG. 7B, a resist 77 patterned in the shape of the upper wiring 23 and the PAD 25 is formed by the same method as in the second step.
In the eleventh step shown in FIG. 7C, the upper wiring layer 76 is shaved by the same method as in the third step, and then the remaining resist 77 is removed. Thereby, the upper wiring 25 and the PAD 29 are formed.
The terahertz detecting element 10 is manufactured through the first to eleventh steps.
In the above, each layer is deposited by sputtering, but the present invention is not limited to this, and each layer may be deposited by other methods (for example, vapor deposition).
ここで、テラヘルツ検出素子１０の一連の作用を説明する。
上述したように、基板１１上には、第１〜第３アンテナ部１３ａ〜１３ｃがボウタイアンテナとして形成されており、第１〜第３アンテナ部１３ａ〜１３ｃは、それぞれテラヘルツ帯における第１の周波数、第２の周波数、第３の周波数をその共振周波数として有している。そして、第１ＳＴＪ素子１５ａは第１アンテナ部１３ａの中心に、第２ＳＴＪ素子１５ｂは第２アンテナ部１３ｂの中心に、第３ＳＴＪ素子１５ｃは第３アンテナ部１３ｃの中心に配置されている。
このため、基板１１上にテラヘルツ波が照射されると、各アンテナ部の共振効果によって各アンテナの中心に電界の集中が起こり、集中した電磁波（電磁場）によって各ＳＴＪ素子の下部電極５１内のクーパー対が破壊されて準粒子が生成される。そして、各ＳＴＪ素子は、下部電極５１内で生成された準粒子がトンネルバリア５３をトンネルする際に流れるトンネル電流を検出信号として出力する。
Here, a series of operations of the terahertz detection element 10 will be described.
As described above, the first to third antenna portions 13a to 13c are formed as the bow tie antenna on the substrate 11, and the first to third antenna portions 13a to 13c are respectively the first frequencies in the terahertz band. The second frequency and the third frequency are the resonance frequencies. The first STJ element 15a is disposed at the center of the first antenna section 13a, the second STJ element 15b is disposed at the center of the second antenna section 13b, and the third STJ element 15c is disposed at the center of the third antenna section 13c.
For this reason, when a terahertz wave is irradiated onto the substrate 11, the electric field is concentrated at the center of each antenna due to the resonance effect of each antenna, and the cooper in the lower electrode 51 of each STJ element is caused by the concentrated electromagnetic wave (electromagnetic field). The pair is broken and quasiparticles are generated. Each STJ element outputs, as a detection signal, a tunnel current that flows when the quasiparticles generated in the lower electrode 51 tunnel through the tunnel barrier 53.
そして、図示は省略するが、本実施形態によるテラヘルツ検出器は、テラヘルツ検出素子１０の検出信号を増幅して出力するプリアンプ、プリアンプの出力をＡ／Ｄ変換してデジタルデータとして出力するＡ／Ｄ変換器、及び、Ａ／Ｄ変換器の出力を記録する記録装置を備えており、各ＳＴＪ素子の検出信号、すなわち、複数の帯域のテラヘルツ波の検出結果を記録する。 Although not shown, the terahertz detector according to the present embodiment amplifies the detection signal of the terahertz detection element 10 and outputs it, and A / D converts the output of the preamplifier and outputs it as digital data. A converter and a recording device for recording the output of the A / D converter are provided, and detection signals of each STJ element, that is, detection results of terahertz waves in a plurality of bands are recorded.
上記テラヘルツ検出器（テラヘルツ検出素子１０）は、次のような効果を有する。
基板１１上に、テラヘルツ帯域における異なる周波数をそれぞれの共振周波数として有する複数のアンテナ部が形成され、各ＳＴＪ素子が各アンテナ部に接続されているので、同時に複数の帯域のテラヘルツ波を検出することができる。これにより、広帯域性と波長フィルタリング機能（テラヘルツ光の分光機能）とを併せ持ったテラヘルツ検出器（テラヘルツ検出素子）を実現できる。また、例えばさまざまな周波数のテラヘルツ波を物質にあてた際の周波数ごとの吸収の分布（スペクトル）等を計測することも可能になるから、その計測結果を利用して当該物質の種類の推定などを行う装置に利用できる。
The terahertz detector (terahertz detection element 10) has the following effects.
Since a plurality of antenna portions having different frequencies in the terahertz band as resonance frequencies are formed on the substrate 11 and each STJ element is connected to each antenna portion, terahertz waves in a plurality of bands can be detected simultaneously. Can do. Thereby, it is possible to realize a terahertz detector (terahertz detection element) having both wideband characteristics and a wavelength filtering function (a spectrum function of terahertz light). In addition, for example, it is possible to measure the distribution (spectrum) of absorption at each frequency when terahertz waves of various frequencies are applied to the substance, so the type of the substance can be estimated using the measurement results. It can be used for a device that performs
また、各アンテナ部がボウタイアンテナとして形成され、各アンテナ部の中心にＳＴＪ素子が配置されているので、アンテナ部による電磁場の集中を利用することができ、各ＳＴＪ素子内で生成される準粒子の数を増加できる（準粒子の生成を効率的に行える）。これにより、各ＳＴＪ素子によるテラヘルツ波の検出効率、ひいては、テラヘルツ検出器による周波数毎のテラヘルツ波の検出感度を向上できる。 Further, since each antenna part is formed as a bow tie antenna and the STJ element is arranged at the center of each antenna part, the concentration of the electromagnetic field by the antenna part can be utilized, and the quasiparticle generated in each STJ element (The quasiparticle can be generated efficiently). Thereby, the detection efficiency of the terahertz wave by each STJ element and by extension, the detection sensitivity of the terahertz wave for each frequency by the terahertz detector can be improved.
ところで、上記実施形態によるテラヘルツ検出器が、さらにテラヘルツ波（テラヘルツ光）を基板１１上の所定領域に集光させる集光手段（例えばテラヘルツ用の集光レンズ）を備える構成としてもよい。この場合には、テラヘルツ検出素子１０の基板１１上の前記所定領域内、すなわち、前記集光手段によるテラヘルツ光のスポット内に複数のアンテナ部及び複数のＳＴＪ素子を配置する。ここで、複数のアンテナ部及び複数のＳＴＪ素子を基板１１上に並列に配置してもよいが、図８に示すように、前記集光手段によるテラヘルツ光のスポットＳに対応させるように複数のアンテナ部１３ａ〜１３ｇ及び複数のＳＴＪ素子１５ａ〜１５ｇを円状に配置するのが好ましい。このようにすると、テラヘルツ光のスポット内により多くのアンテナ部及びＳＴＪ素子を配置することができるので、より多くの帯域のテラヘルツ波を同時に検出できるからである。 By the way, the terahertz detector according to the above embodiment may further include a condensing unit (for example, a condensing lens for terahertz) that condenses the terahertz wave (terahertz light) in a predetermined region on the substrate 11. In this case, a plurality of antenna units and a plurality of STJ elements are arranged in the predetermined region on the substrate 11 of the terahertz detection element 10, that is, in a terahertz light spot by the light condensing means. Here, a plurality of antenna units and a plurality of STJ elements may be arranged in parallel on the substrate 11, but as shown in FIG. 8, a plurality of antenna units and a plurality of STJ elements are arranged so as to correspond to the terahertz light spots S by the light collecting means. The antenna portions 13a to 13g and the plurality of STJ elements 15a to 15g are preferably arranged in a circle. This is because more antenna units and STJ elements can be arranged in the spot of terahertz light, so that terahertz waves in a larger band can be detected simultaneously.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、基板１１の上面（表面）にテラヘルツ波（テラヘルツ光）を照射させているが、テラヘルツ光を基板１１の下面（裏面）に照射させるようにしてもよい。但し、この場合には、基板１１として例えばサファイアのようにテラヘルツ光の反射や吸収をほとんど行わずに透過させる材質からなる基板を使用し、基板１１の上面に形成された各アンテナ部にテラヘルツ光が照射されるようにテラヘルツ検出素子を構成する必要がある。一方、基板１１の上面にテラヘルツ光を照射させる場合には、上記実施形態のように各アンテナ部上にＳｉＯ２（二酸化ケイ素）のようなテラヘルツ光を反射する層を形成してはならない点に留意する必要がある。なお、上記実施形態におけるテラヘルツ検出素子においては、基板１１としてサファイア基板を採用することにより、基板１１の上面にテラヘルツ光を照射させる場合と基板１１の下面にテラヘルツ光を照射させる場合との両方に対応することができる。
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, Based on the technical idea of this invention, a various deformation | transformation and change are possible.
For example, in the above embodiment, the upper surface (front surface) of the substrate 11 is irradiated with terahertz waves (terahertz light), but the lower surface (back surface) of the substrate 11 may be irradiated with terahertz light. However, in this case, a substrate made of a material that transmits the terahertz light with little reflection or absorption such as sapphire is used as the substrate 11, and terahertz light is applied to each antenna portion formed on the upper surface of the substrate 11. It is necessary to configure the terahertz detection element so that is irradiated. On the other hand, when terahertz light is irradiated on the upper surface of the substrate 11, a layer that reflects terahertz light such as SiO 2 (silicon dioxide) should not be formed on each antenna portion as in the above embodiment. It is necessary to keep in mind. In the terahertz detection element in the above embodiment, by employing a sapphire substrate as the substrate 11, both the case where the upper surface of the substrate 11 is irradiated with terahertz light and the case where the lower surface of the substrate 11 is irradiated with terahertz light are used. Can respond.
また、上記実施形態では、一つの基板上に複数のアンテナ部及び複数のＳＴＪ素子が形成されているが、一つの基板上に一つのアンテナ部及び一つのＳＴＪ素子が形成されたテラヘルツ検出素子を複数備え、各基板のアンテナ部がテラヘルツ帯における互いに異なる周波数を共振周波数として有するように構成してもよい。このようにすると、例えば検出すべきテラヘルツ波（周波数）が予め決められている場合に、使用する一つ又は複数のテラヘルツ検出素子を適宜選択できるので、不要なテラヘルツ波の検出が大幅に抑制され、効率的かつ正確に所望のテラヘルツ波を検出できる。 In the above embodiment, a plurality of antenna units and a plurality of STJ elements are formed on one substrate. However, a terahertz detection element in which one antenna unit and one STJ element are formed on one substrate is used. A plurality of antennas may be provided so that the antenna portions of the substrates have different frequencies in the terahertz band as resonance frequencies. In this case, for example, when a terahertz wave (frequency) to be detected is determined in advance, one or a plurality of terahertz detection elements to be used can be appropriately selected, so that detection of unnecessary terahertz waves is greatly suppressed. The desired terahertz wave can be detected efficiently and accurately.
１０…テラヘルツ検出素子、１１…基板、１３ａ〜ｃ…アンテナ部、１５ａ〜ｃ…超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ素子）、５１…下部電極、５３…トンネルバリア、５５…上部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Terahertz detection element, 11 ... Board | substrate, 13a-c ... Antenna part, 15a-c ... Superconducting tunnel junction element (STJ element), 51 ... Lower electrode, 53 ... Tunnel barrier, 55 ... Upper electrode
Claims (5)
各アンテナ部に対応して設けられた超伝導トンネル接合素子と、
を備える、テラヘルツ検出器。 A plurality of antenna units having different frequencies in the terahertz band as respective resonance frequencies;
A superconducting tunnel junction element provided corresponding to each antenna part;
A terahertz detector.
各アンテナ部の中心に前記超伝導トンネル接合素子が配置されている、請求項１又は２に記載のテラヘルツ検出器。 Each of the plurality of antenna portions is formed as a bowtie antenna,
The terahertz detector according to claim 1 or 2, wherein the superconducting tunnel junction element is disposed at the center of each antenna unit.
前記複数のアンテナ部は前記特定領域内に配置されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載のテラヘルツ検出器。 Condensing means for condensing the terahertz light to a specific area on the substrate,
The terahertz detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of antenna units are arranged in the specific region.
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