JP2013171993A - 超伝導トンネル接合検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】下部電極を大きくすることなく、より多くのフォノンを下部電極に到達させてフォトンの検出効率を向上できる超伝導トンネル接合検出器を提供する。
【解決手段】超伝導トンネル接合検出器において、基板１１の上面には、下部電極３１、トンネルバリア３３及び上部電極３５が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子１３が設けられ、基板１１内で発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する。基板１１の下面１１ａには下部電極３１を囲むように溝１２ａ〜１２ｄを形成してある。これにより、基板１１内で発生して基板１１内を伝播するフォノンの拡散が低減され、より多くのフォノンが下部電極３１に到達してフォトンの検出効率が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超伝導トンネル接合（Superconducting Tunnel Junction：ＳＴＪ）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素子（以下「ＳＴＪ素子」という）を用いた検出器として、例えば特許文献１に記載の光センサがある。この光センサは、光吸収体と一体化されたＳＴＪ素子を用いており、光吸収体で光のエネルギーをフォノンに変換し、変換されたフォノンによって超伝導体内の電子を励起することによって光を検出する。
一方、本発明者らは、基板をエネルギー吸収体とした基板吸収型ＳＴＪ素子を用いることで、より広帯域でのフォトンの検出を可能とする超伝導トンネル接合検出器の研究、開発を行っている。

特開昭６１−２７１８７９号公報

ところで、基板吸収型ＳＴＪ検出器においては、より多くのフォノンが下部電極に到達できるように構成することで、検出効率を向上させることができる。
しかし、リーク電流を抑制するためにトンネルバリアは小さくする必要がある一方、下部電極内で生成された準粒子がトンネルバリアに到達できる距離（準粒子拡散長）は、電極材料によって異なるものの、せいぜい数十〜数百μｍである。このため、より多くのフォノンが下部電極に到達するように、下部電極を大きくしても、これに伴う準粒子の増加分がトンネルバリアに到達できない可能性が高く、基板吸収型ＳＴＪ検出器の検出効率を向上させるには限界があるという課題がある。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、下部電極の大きさにかかわらず、より多くのフォノンを下部電極に到達させることにより、下部電極内に発生する準粒子数を増加させて、フォトンの検出効率を向上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。

本発明に係る超伝導トンネル接合検出器は、基板の上面に、下部電極、トンネルバリア及び上部電極が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子が設けられ、前記基板内に発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器であって、前記基板の下面に、前記超伝導トンネル接合素子の下方領域を囲む溝を備えている。

上記超伝導トンネル接合検出器によれば、基板内を伝播するフォノンが、基板の下面に形成された溝の界面で反射され、フォノンの拡散（分散）が低減される。その結果、より多くのフォノンが下部電極に到達し、フォトンの検出効率を向上できる。また、溝を基板の下面に形成するから、溝を金属などで埋める必要がなく、超伝導トンネル接合素子の配線を基板上に容易に形成できる。

本発明の実施形態による超伝導トンネル接合検出器の構成を示すブロック図である。 上記超伝導トンネル接合検出器で用いる基板吸収型ＳＴＪ素子の構成を示す図である。 上記基板吸収型ＳＴＪ素子の作製工程を示す図である。 上記基板吸収型ＳＴＪ素子の作製工程を示す図である。 上記基板吸収型ＳＴＪ素子の作製工程を示す図である。 基板内におけるフォノンの伝播の様子を模式的に示した図である。

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は、本発明の実施形態による超伝導トンネル接合検出器の構成を示すブロック図である。
本実施形態による超伝導トンネル接合検出器１は、テラヘルツ波を検出する超伝導テラヘルツ波検出器として構成されており、一例として、基板吸収型ＳＴＪ素子１０と、基板吸収型ＳＴＪ素子１０の検出信号を増幅するプリアンプ２０と、プリアンプ２０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３０と、Ａ／Ｄ変換器３０の出力を記録する記録装置４０と、を備える。

図２は、基板吸収型ＳＴＪ素子１０の構成を示しており、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図２に示すように、基板吸収型ＳＴＪ素子１０は、基板１１と、基板１１の上面１１ｂに設けられたＳＴＪ素子１３と、を有する。
尚、図２に示した一例では、基板１１の上面１１ｂに、１つのＳＴＪ素子１３を形成してあるが、同一基板１１上に複数のＳＴＪ素子１３を設けることができる。

基板１１は、検出対象であるテラヘルツ波を吸収しやすいＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）やＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）などからなる単結晶基板である。
ＳＴＪ素子１３は、基板１１の上面１１ｂに、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下部電極３１、絶縁膜からなるトンネル障壁（トンネルバリア）３３、及び、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電極３５が順に積層された構造を有する素子である。

超伝導電極材料として、例えば、Ａｌ（アルミニウム）／ニオブ（Ｎｂ）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るのは、超伝導エネルギーギャップの値がより小さい材料の層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。

また、基板１１の下面１１ａ（ＳＴＪ素子１３の搭載面の反対側の面）には、ＳＴＪ素子１３の下部電極３１の下方領域を４方から囲むように、直線的に延びる４本の溝１２ａ〜１２ｄを形成してある。
溝１２ａ〜１２ｄは、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング装置を用いて基板１１の下面１１ａを掘り込むことによって形成することができる。

一方、基板１１の上面１１ｂにはグランド層１５が形成されており、このグランド層１５は下部電極３１に接続している。
ＳＴＪ素子１３及びグランド層１５はＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）などからなる層間絶縁膜１７によって覆われており、これにより、ＳＴＪ素子１３の下部電極３１と上部電極３５との間の電気的絶縁がとられている。
更に、基板１１上には、層間絶縁膜１７に形成されたコンタクトホール１７ａを介して上部電極３５に接続する配線１９が形成されており、この配線１９は信号検出用のＰＡＤ１９ａに接続される。

図３〜図５は、基板吸収型ＳＴＪ素子１０の作製プロセスの概要を示している。
図３（ａ）に示す第１工程では、基板１１の下面１１ａに、それぞれ直線状に延び、全体として矩形状に組み合わされる４本の溝１２ａ〜１２ｄを、フォトリソグラフィ技術及びエッチングによって形成する。
具体的には、例えばボッシュプロセスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって高アスペクト比（例えば、アスペクト比＝３）の溝１２ａ〜１２ｄを形成する。溝１２ａ〜１２ｄの深さは、基板１１上に設けられるＳＴＪ素子の数やその間隔等によって調整されるが、概ね基板１１の厚さの半分又はそれよりもやや大きくする。
一例として、基板１１の厚さが５００μｍである場合に、溝１２の深さを２５０μｍ程度とし、基板表面の開放端での溝幅を８３μｍ程度とする。

図３（ｂ）に示す第２工程では、スパッタリングによって、薄い絶縁体を超伝導体で挟んだＳＩＳ（Superconducting-Insulator-Superconducting）構造、すなわち、Ｎｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ−Ａｌ／Ｎｂ構造の薄膜５１を、基板１１の上面１１ｂに積層する。
ここで、上層のＮｂ／ＡｌがＳＴＪ素子１３の上部電極層であり、中間層のＡｌＯｘがＳＴＪ素子１３のトンネルバリア層であり、下層のＡｌ／ＮｂがＳＴＪ素子の下部電極層である。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。

図３（ｃ）に示す第３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５１上に塗布し、溝１２ａ〜１２ｄで囲まれる矩形領域のほぼ中央位置に、上部電極３５の形状にフォトマスクを用いてパターンニングし、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５２を形成する。
図３（ｄ）に示す第４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及びトンネルバリア層、並びに、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５２を取り除く。これにより、ＳＴＪ素子１３の上部電極３５及びトンネルバリア３３が形成される。

図４（ａ）に示す第５工程では、上記第３工程（図３（ｃ））と同様の方法によって下部電極３３及びグランド層１５の形状にパターニングされたレジスト５３を形成する。
図４（ｂ）に示す第６工程では、上記第４工程（図３（ｄ））と同様の方法によって下部電極層を削り、その後、残ったレジスト５３を取り除く。これにより、下部電極３１及びグランド層１５が形成される。

図４（ｃ）に示す第７工程では、スパッタリングによって層間絶縁層（ＳｉＯ_２など）５４を積層させる。
図４（ｄ）に示す第８工程では、上記第３工程（図３（ｃ））と同様の方法によってコンタクトホール１７ａ及びＰＡＤ１９ａとなる部分を除いた形状にパターニングされてレジスト５５を形成する。

図５（ａ）に示す第９工程では、上記第４工程（図３（ｄ））と同様の方法によって層間絶縁層５４を削り、その後、残ったレジスト５５を取り除く。これにより、層間絶縁膜１７及びコンタクトホール１７ａが形成される。
図５（ｂ）に示す第１０工程では、スパッタリングによって配線層（例えばＮｂ層）５６を積層させる。

図５（ｃ）に示す第１１工程では、上記第３工程（図３（ｃ））と同様の方法によって配線１９及び配線ＰＡＤの形状にパターニングされたレジスト５７を形成する。
図５（ｄ）に示す第１２工程では、上記第４工程（図３（ｄ））と同様の方法によって配線層５６を削り、その後、残ったレジスト５７を取り除く。これにより、配線１９及びＰＡＤ１９ａが形成される。

以上の第１工程〜第１２工程によって、基板吸収型ＳＴＪ素子１０が作製される。
尚、上記の作製工程では、スパッタリングによって各層を積層させているが、これに限るものではなく、他の方法（例えば蒸着など）によって各層を積層することができる。

ここで、本実施形態による超伝導トンネル接合検出器１の作用を説明する。
基板１１の下面１１ａ、すなわち、基板１１のＳＴＪ素子１３が設けられていない面にテラヘルツ波が照射されると、基板１１はテラヘルツ波（すなわち、フォトンのエネルギー）を吸収し、このテラヘルツ波の吸収によって基板１１内にはフォノンが発生する。
基板１１内で発生したフォノン群は基板１１内を伝播して、その一部がＳＴＪ素子１３の下部電極３１に到達する。

フォノンが下部電極３１に到達すると、下部電極３１内のクーパー対が破壊されて準粒子が生成される。基板吸収型ＳＴＪ素子１０は、下部電極３１内で生成された準粒子がトンネルバリア３３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。
基板吸収型ＳＴＪ素子１０から出力された検出信号（トンネル電流値）はプリアンプ２０によって増幅され、その後、Ａ／Ｄ変換器３０によってデジタルデータに変換されて記録装置４０に記録される。

また、本実施形態において、基板１１の下面１１ａには、ＳＴＪ素子１３の下部電極３１を囲むように溝１２ａ〜１２ｄを形成してある。このため、基板１１内を伝播するフォノンが溝１２ａ〜１２ｄの界面で反射し、図６に示すように、基板１１内を伝播するフォノンの拡散（分散）が低減されることとなり、より多くのフォノンを下部電極３１に到達させることができる。
すなわち、これまでは基板１１の上面１１ｂの下部電極３１が形成されていない部分に到達していたフォノン（の一部）を、溝１２ａ〜１２ｄを設けたことで、下部電極３１に到達させ、基板１１内に発生したフォノンの下部電極３１への到達率を上げることができる。

下部電極３１の大きさは、トンネルバリア３３の大きさと下部電極３１の準粒子拡散（散乱）長とを考慮して設定されており、下部電極３１に到達するフォノンの量が増えれば生成される準粒子及びトンネル電流も増加する。この結果、テラヘルツ波の検出効率が向上し、また、テラヘルツ波の検出時間を短縮することもできる。
また、本実施形態のように、基板１１の下面１１ａに溝１２ａ〜１２ｄを形成する構成であれば、溝の形成が、上面１１ｂに設けられるＳＴＪ素子１３の配線に影響せず、配線形成を容易に行えると共に、ＳＴＪ素子１３の配線形成のためにフォノンの拡散（分散）を低減する効果が阻害されることを抑制できる。

基板１１の上面１１ｂに溝を形成する場合、溝を金属などで埋め、溝を横断するようにＳＴＪ素子１３の配線を形成できるようにすることが必要となり、溝を金属などで埋める工程が付加されることになる。また、蒸着やスパッタリングによって溝内に金属を積層させる場合に、溝内に積層させた金属の表面が凹凸になってしまい、配線の形成が困難になってしまう。更に、配線を避けるようにして、基板１１の上面１１ｂに溝を形成すれば、溝を金属などで埋める工程を省略できる可能性があるが、この場合、溝の形成位置が制限され、フォノンの拡散（分散）を低減する効果を十分に得られなくなってしまう可能性がある。

これに対し、基板１１の下面１１ａに溝１２ａ〜１２ｄを形成する構成であれば、配線形成のために溝を金属などで埋める必要がなく、溝を金属で埋める工程を省略でき、かつ、基板１１の上面１１ｂの平な部分に配線を容易に形成できる。更に、配線位置によって溝の形成位置が制限されることがなく、フォノンの拡散（分散）を低減する効果を十分に得られるように溝を形成することができる。

尚、以上では、テラヘルツ波を検出する超伝導テラヘルツ波検出器について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、可視光や放射線などを検出する超伝導トンネル接合検出器として構成することもできる。
この場合、検出対象を吸収し易い材料から成る基板を採用すればよく、例えばサファイア基板を用いることもできる。すなわち、本発明の溝を備える構成は、基板をエネルギー吸収体として用い、検出対象を基板が吸収することによって該基板内でフォノンが生成され、生成されたフォノンがＳＴＪ素子の下部電極に到達して準粒子が生成される構成の超伝導トンネル接合検出器に適用できるものである。

また、基板１１の下面１１ａに形成する溝は、上述のような下部電極３１の下部領域を矩形に囲む４本の溝１２ａ〜１２ｄに限定されない。例えば、下部電極３１を挟んで対向するように延びる一対の溝、換言すれば、少なくとも下部電極３１の対向する２つの辺のそれぞれに沿って延びる２つの溝（溝１２ａ及び溝１２ｂ又は溝１２ｃ及び溝１２ｄ）を、基板１１の下面１１ａに形成することができる。
更に、基板１１の下面１１ａに、フォノンの拡散（分散）を低減するために形成する溝は、直線状に延びるものに限定されず、例えば、環状に形成した溝で下部電極３１の下部領域を囲むようにしたり、円弧状に形成される複数の溝で下部電極３１の下部領域を囲むようにしたりすることができる。

また、基板１１内に発生したフォノンの下部電極３１への到達率の更なる向上を図るために、基板１１の下面１１ａに形成した溝の界面の少なくとも一部に金属を積層させることができる。溝内に積層させる金属材料としては、例えばＮｂ（ニオブ）、Ｃｒ（クロム）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ（アルミニウム）又はこれらの合金などを用いることができる。
また、基板１１の下面１１ａに形成する溝の断面形状は、三角形状に限定されず、また、基板１１に対して傾きを持って溝を形成することができる。

１…超伝導トンネル接合検出器、１０…基板吸収型ＳＴＪ素子、１１…基板、１１ａ…下面、１２ａ〜１２ｄ…溝、１３…ＳＴＪ素子、３１…下部電極、３３…トンネルバリア、３５…上部電極

Claims (3)

1. 基板の上面に、下部電極、トンネルバリア及び上部電極が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子が設けられ、前記基板内に発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器であって、
   前記基板の下面に、前記超伝導トンネル接合素子の下方領域を囲む溝を備えた、超伝導トンネル接合検出器。
2. 前記溝は、少なくとも前記下方領域を挟んで対向するように延びる一対の溝を含む、請求項１記載の超伝導トンネル接合検出器。
3. 前記溝が、前記下方領域を４方から囲むように、直線状に延びる４本の溝を含む、請求項２記載の超伝導トンネル接合検出器。