JP2013004717A - テラヘルツ検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ検出器のテラヘルツ波の検出効率を高める。
【解決手段】テラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子１０は、基板１１と、基板１１上に形成され、テラヘルツ帯における周波数を共振周波数として有する複数のボウタイアンテナ１３Ａ，１３Ｂで構成したアンテナ部１３と、基板１１上に形成され、アンテナ部１３の中心に配置されたＳＴＪ（超伝導トンネル接合）素子１５と、を備える。
【選択図】図１

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。

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を結合させてテラヘルツ波を検出するようにしている。

特開２００２−２４６６６４号公報

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等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。
ここで、ＳＴＪ素子を用いたテラヘルツ検出器（テラヘルツ検出素子）の検出原理として、基板吸収型テラヘルツ検出器の場合、ＳＴＪ素子を設けた基板面と反対側の基板面にテラヘルツ帯のフォトンを照射し、基板で非平衡フォノンに変換し、この非平衡フォノンがＳＴＪ素子に入射してＳＴＪ素子の電極内のクーパー対を破壊して準粒子を生成し、この準粒子の生成に伴って発生するトンネル電流を検出信号としている。また、特許文献１に記載のようなアンテナ部をＳＴＪ素子に接合したアンテナ結合型テラヘルツ検出器の場合、アンテナ部を設けた基板面にテラヘルツ帯のフォトンを照射すると、アンテナの共振効果でアンテナ中心に電界の集中が起こり、集中した電磁波でＳＴＪ素子の電極内のクーパー対を破壊して準粒子を生成し、この準粒子の生成に伴って発生するトンネル電流を検出信号としている。

しかしながら、前者の場合、基板内で生成される非平衡フォノンは基板内を伝搬しＳＴＪ素子の電極に至るまでに時間を要するため、ＳＴＪ素子を用いたテラヘルツ検出器の特徴である高速応答性が失われるという問題がある。また、後者の場合、電磁波吸収部分となるＳＴＪ素子の接合部分の面積を大きくすることで、電磁波吸収量が増大しテラヘルツ波の検出効率を高められるが、ＳＴＪ素子の接合部分の面積の増大に比例してＳＴＪ素子の雑音の原因となるリーク電流の増大を招くという問題がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、アンテナ結合型において、ＳＴＪ素子接合部分の面積を大きくすることなく、テラヘルツ波の検出効率を高め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。

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周波数を共振周波数として有するアンテナ部と、該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、前記アンテナ部を、複数のアンテナで構成したことを特徴とする。

本発明のテラヘルツ検出器によれば、テラヘルツ帯における周波数を共振周波数として有するアンテナ部と、このアンテナ部に対応して設けられたＳＴＪ素子とを備え、アンテナ部を複数のアンテナで構成するようにしたので、アンテナ面積の増大によって、ＳＴＪ素子に入射する非平衡フォノンを増大でき、また、ＳＴＪ素子の接合部分の面積を大きくせずに電磁波吸収量を増大できる。これにより、テラヘルツ波の検出効率が高いテラヘルツ検出器を実現できる。

本発明の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す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のテラヘルツ検出素子の作製工程を示す図である。 図３に続くテラヘルツ検出素子の作製工程を示す図である。 図４に続くテラヘルツ検出素子の作製工程を示す図である。 本発明の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別の例の概略構成を示す平面図である。

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及び図２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断面図である。
本実施形態におけるテラヘルツ検出素子１０は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に形成されたアンテナ部１３と、基板１１上に形成された超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ素子）１５と、を備え、前記アンテナ部１３は、複数（本実施形態では２つ）のアンテナ１３Ａ，１３Ｂを有する。

本実施形態において、アンテナ部１３の２つのアンテナ１３Ａ，１３ＢとＳＴＪ素子１５は、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、複数のアンテナを備えたアンテナ部とＳＴＪ素子１５を有している。

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、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板等を用いることができる。アンテナ結合型テラヘルツ検出器の場合は、アンテナとインピーダンスを近づけ伝搬効率を上げるために基板裏面からテラヘルツ光を入射する。よって、テラヘルツ光の透過率が比較的良いサファイア基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板等を用いる。

アンテナ部１３の２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂは、テラヘルツ帯における周波数をその共振周波数として形成され、基板１１上に配置されている。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、アンテナ部１３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アンテナ部１３の２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂは、所謂ボウタイアンテナとして形成されている。

ＳＴＪ素子１５は、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、ＳＴＪ素子１５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２参照）。そして、ＳＴＪ素子１５は、アンテナ部１３の２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂの中心に配置されている。

上述したように、本実施形態においてはアンテナ部１３が所謂ボウタイアンテナとして形成されており、アンテナ部１３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上に照射されるとアンテナ部１３の中心部に電界の集中が起きる。従って、ＳＴＪ素子１５をアンテナ部１３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、アンテナ部１３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。尚、ＳＴＪ素子によるテラヘルツ波の検出については後述する。

前記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）等を用いることができる。ここで、前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。

また、ＳＴＪ素子１５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ＰＡＤ１９に接続されている。更に、ＳＴＪ素子１５は、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）等からなる層間絶縁膜２１によって覆われており、この層間絶縁膜２１上に上部配線２３が形成されている。そして、上部配線２３の一端は層間絶縁膜２１に形成されたコンタクトホール２５を介して上部電極５５に接続しており、上部配線２３の他端には信号検出用のＰＡＤ２７が設けられている。

次に、図３〜図５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。
図３（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。尚、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ＳＴＪ素子１５の上部電極層となり、中間層のＡｌＯｘがＳＴＪ素子１５のトンネルバリア層となり、下層のＡｌ／ＮｂがＳＴＪ素子１５の下部電極層となる。

図３（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等によって薄膜７１上に塗布し、フォトマスクを用いてＳＴＪ素子１５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。

図３（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、アセトン等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、ＳＴＪ素子１５の上部電極５５及びトンネルバリア５３が形成される。

図３（ｄ）に示す第４工程では、前記第２工程と同様の方法によってアンテナ部１３の２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂ、ＳＴＪ素子１５の下部電極５１、ＳＴＪ素子１５の下部配線１７及びグランドＰＡＤ１９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、アンテナ部１３における２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂの形状は、該アンテナ部１３の共振周波数がテラヘルツ帯における周波数に一致するように予め設定される。

図４（ａ）に示す第５工程では、前記第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、アンテナ部１３の２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂ、ＳＴＪ素子１５の下部電極５１、ＳＴＪ素子１５の下部配線１７及びグランドＰＡＤ１９が形成される。

図４（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（例えばＳｉＯ_２等）７４を堆積させる。

図４（ｃ）に示す第７工程では、前記第２工程と同様の方法によって層間絶縁膜２１、コンタクトホール２５、上部配線２３及びＰＡＤ２７を形成するためのレジスト７５を形成する。

図４（ｄ）に示す第８工程では、前記第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２１及びコンタクトホール２５が形成される。

図５（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５（ｂ）に示す第１０工程では、前記第２工程と同様の方法によって上部配線２３及びＰＡＤ２７の形状にパターニングされたレジスト７７を形成する。

図５（ｃ）に示す第１１工程では、前記第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２３及びＰＡＤ２７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。
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。

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、ボウタイアンテナからなる２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂがアンテナ部１３として形成されており、アンテナ部１３はテラヘルツ帯における周波数をその共振周波数として有している。そして、ＳＴＪ素子１５はアンテナ部１３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、アンテナ部１３の共振効果によってアンテナ部１３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ＳＴＪ素子１５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、ＳＴＪ素子１５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。

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、この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、ＳＴＪ素子の検出信号、即ち、テラヘルツ波の検出結果を記録する。

前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周波数を共振周波数として有するアンテナ部１３として複数のアンテナ１３Ａ，１３Ｂを設け、ＳＴＪ素子１５が複数のアンテナ１３Ａ，１３Ｂに接続されているので、テラヘルツ光の照射されるアンテナ面積の増大により、ＳＴＪ素子１５の接合部分の面積を増大せずにＳＴＪ素子１５の電磁波吸収量を増大できる。これにより、ＳＴＪ素子１５の雑音の原因となるリーク電流の増大させずにＳＴＪ素子内で生成される準粒子の数を増加でき、テラヘルツ検出器（テラヘルツ検出素子）によるテラヘルツ波の検出効率を高めることができる。

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。

上記実施形態では、アンテナ部のアンテナとしてボウタイアンテナを用いた例を示したが、図６に示すように、複数（図６では２つ）のダイポールアンテナ１３′Ａ，１３′Ｂを用いてアンテナ部１３′を形成してもよい。ただ、ダイポールアンテナの場合、インピーダンスが２つのアンテナ間の角度だけでなく周波数にも依存するため、検出するテラヘルツ光の周波数に応じてアンテナの長さと角度を変更する必要があり、ボウタイアンテナと比べてインピーダンスマッチングが難しくなる。

尚、アンテナ部が有する複数のアンテナは、ボウタイアンテナとダイポールアンテナのどちらの場合でも、２つに限るものではなく、可能であれば３つ以上設けてもよい。

１０ テラヘルツ検出素子
１１ 基板
１３ アンテナ部
１３Ａ、１３Ｂ アンテナ（ボウタイアンテナ）
１３′Ａ、１３′Ｂ アンテナ（ダイポールアンテナ）
１５ 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

Claims (3)

1. テラヘルツ帯における周波数を共振周波数として有するアンテナ部と、
   該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、
   前記アンテナ部を、複数のアンテナで構成したことを特徴とするテラヘルツ検出器。
2. 前記アンテナ部及び前記超伝導トンネル接合素子は、一つの基板上に形成されている請求項１に記載のテラヘルツ検出器。
3. 前記アンテナ部は、複数のボウタイアンテナで構成され、
   前記複数のボウタイアンテナ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。