JP3740107B2 - 超伝導トンネル接合素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導トンネル接合素子に関し、さらに詳細には、各種の検出に用いて好適な超伝導トンネル接合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ジョセフソン素子の一種である超伝導トンネル接合（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＳＴＪ）素子は、各種検出器として用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７１８２１号公報（図３）
超伝導トンネル接合素子は、トンネル障壁と称される薄い絶縁体層を２つの超伝導体層で挟み込んだ構造を有し、Ｘ線などが超伝導体層に入射すると、入射した光のエネルギーが吸収され、当該超伝導体層中のクーパー対の解離と音響量子（フォノン）の発生とが引き起こされる。この際、準粒子が生じ、当該準粒子が量子力学的トンネル効果で絶縁体層を通過することにより、入射した光のエネルギーに比例した電荷が発生し、所定の回路系を用いて信号として取り出されて検出器として動作するものである。
【０００４】
そして、光子検出用の超伝導トンネル接合素子としては、例えば、準粒子の捕集効果（トラッピング効果）を得るために、超伝導体層をＮｂ（ニオブ）により形成して電極として用い、トンネル接合に向かって徐々にエネルギーギャップの小さな超伝導体を配置する構成が提案されている。
【０００５】
具体的には、トラッピング効果を有する超伝導トンネル接合素子は、絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接して、Ｎｂのエネルギーギャップに比べて小さいエネルギーギャップのＡｌ（アルミニウム）層を形成し、このＡｌ層の外側に超伝導体層たるＮｂ層が位置するようになされている。
【０００６】
こうした構成の超伝導トンネル接合素子においては、Ｎｂ層で生じた準粒子がＡｌ層に留まってトラップされる。その結果、超伝導トンネル接合素子内部の準粒子の分布は、Ａｌ層付近、即ち、トンネル障壁であるＡｌＯＸ層付近に偏るので、準粒子が効率よくトンネルされてトンネル確率が向上し、準粒子の捕集効果が得られるものである。
【０００７】
上記した絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、所定の特性を維持するために、ＡｌＯＸ層の上下に隣接して形成されるＡｌ層の厚みを、１００ｎｍ程度にする必要がある。
【０００８】
従って、ＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子は、その製造工程のＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）の際に、ガス圧力を下げ、イオン衝撃によって物理的にエッチングを進めて加工することが欠かせないものであった。
【０００９】
こうしたＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、反応性イオンエッチングの際のイオン衝撃により、トンネル接合近傍へのダメージが生じ、素子の特性に影響する恐れがあった。
【００１０】
また、ＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、反応性イオンエッチングによるＡｌ層部分のエッチングの際に、残渣を形成し易く、こうした残渣によって不要な電気的な電流経路が形成される恐れがあった。
【００１１】
このため、上記した絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、Ａｌ層を形成するために複数回に分けてエッチングを行うとともに、エッチング部分の酸素プラズマ処理などによる絶縁化の工程を付加的に行わなければならず、製造工程が非常に煩雑で長時間に及ぶという問題点があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な工程で製造することができる超伝導トンネル接合素子を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、トンネル障壁たる絶縁体層と、上記絶縁体層を挟み込む２つの超伝導体層と、上記絶縁体層の上面ならびに下面の少なくとも一方の面に隣接するとともにβ−Ｔａにより形成され、上記超伝導体層において生じて移動した準粒子を留まらせるトラップ層とを有するようにしたものである。
【００１４】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングが容易なβ−Ｔａにより形成されるトラップ層が、絶縁体層の上面のみ、絶縁体層の下面のみ、あるいは、絶縁体層の上面ならびに下面に隣接して形成されるので、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子の絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接するＡｌ層を形成する場合のように、イオン衝撃によって物理的にエッチングを進めて加工する必要がないとともに、Ａｌ層を形成するために複数回に分けてエッチングを行うことや、エッチング部分の酸素プラズマ処理による絶縁化の工程を付加的に行う必要がなくなるので、簡単な工程で製造することができる。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記超伝導体層は、上記トラップ層を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを有するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、上記超伝導体層はＮｂにより形成され、上記絶縁体層はＡｌＯＸにより形成されるようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、Ｓｉ基板上に形成されたＮｂよりなる下部超伝導体層と、上記下部超伝導体層の上面に形成されたＡｌよりなるバッファー層と、上記バッファー層の上面に形成されたβ−Ｔａよりなる下部トラップ層と、上記下部トラップ層の上面に形成されたＡｌＯＸよりなる絶縁体層と、上記絶縁体層の上面に形成されたβ−Ｔａよりなる上部トラップ層と、上記上部トラップ層の上面に形成されたＮｂよりなる上部超伝導体層とを有するようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１９】
図１には、本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の一例を示す概略構成断面図が示されている。
【００２０】
この超伝導トンネル接合素子１０は、基板１２と、基板１２の上面１２ａに形成されたバッファー層１４と、バッファー層１４の上面１４ａの所定領域に形成された下部超伝導体層１６と、下部超伝導体層１６の上面１６ａの所定領域に形成されたバッファー層１８と、バッファー層１８の上面１８ａに形成された下部トラップ層２０と、下部トラップ層２０の上面２０ａに形成されたトンネル障壁たる絶縁体層２２と、絶縁体層２２の上面２２ａに形成された上部トラップ層２４と、上部トラップ層２４の上面２４ａに形成された上部超伝導体層２６とを有して構成されている。
【００２１】
そして、絶縁層２８が所定領域に形成され、下部超伝導体層１６には外部配線のための下部電極３０が接続されており、上部超伝導体層２６には外部配線のための上部電極３２が接続されている。
【００２２】
超伝導トンネル接合素子１０の下部超伝導体層１６の配線以外の部分、バッファー層１８、下部トラップ層２０、絶縁体層２２、上部トラップ層２４ならびに上部超伝導体層２６は、正規分布形状に構成されている。
【００２３】
そして、超伝導トンネル接合素子１０の基板１２は、Ｓｉ基板により形成されており、バッファー層１４は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＡｌ２Ｏ３よりなり、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＮｂよりなり、バッファー層１８は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＡｌよりなり、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４は、所定の膜厚で薄膜状に形成された超伝導転位温度が０．５Ｋの正方晶構造を有するβ−Ｔａよりなり、絶縁体層２２は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたトンネル障壁たるＡｌＯＸよりなり、絶縁層２８は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＳｉＯ２よりなり、下部電極３０ならびに上部電極３２は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＮｂよりなる。
【００２４】
こうしたＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子１０は、トンネル障壁たる絶縁体層２２（即ち、ＡｌＯＸ）を２つの超伝導体層である下部超伝導体層１６（即ち、Ｎｂ）ならびに上部超伝導体層２６（即ち、Ｎｂ）で挟み込んだ構造を有している。さらに、絶縁体層２２のＡｌＯＸの上下に隣接して、即ち、絶縁体層２２の上面２２ａならびに下面２２ｂそれぞれに隣接して、β−Ｔａよりなる上部トラップ層２４ならびに下部トラップ層２０が形成されている。
【００２５】
ここで、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６を構成するＮｂのエネルギーギャップは、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップよりも大きいものである。
【００２６】
このため、下部超伝導体層１６において生じた準粒子が下部トラップ層２０に移動すると、下部トラップ層２０は当該準粒子を下部トラップ層２０に留まらせることができ、準粒子を高効率に収集することが可能となる。また、上部超伝導体層２６において生じた準粒子が上部トラップ層２４に移動すると、上部トラップ層２４は当該準粒子を上部トラップ層２４に留まらせることができ、準粒子を高効率に収集することが可能となる。
【００２７】
また、バッファー層１８を形成するＡｌは、バッファー層１８の下方に位置する下部超伝導体層１６を形成するＮｂの結晶性が、バッファー層１８の上方に位置する下部トラップ層２０に伝わるのを防ぐものである。このバッファー層１８を形成するＡｌによって、Ｎｂに積層されるＴａがβ−Ｔａとして提供されるものである。
【００２８】
なお、超伝導トンネル接合素子１０の各層の膜厚の比率は、超伝導トンネル接合素子１０が動作する際の温度によって規定されるエネルギーギャップに基づいて設定されるものである。
【００２９】
ここで、膜厚１５０ｎｍのＮｂと、膜厚２．５ｎｍのＡｌと、膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍのβ−Ｔａと、膜厚１０ｎｍのＡｌＯＸと、膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍのβ−Ｔａと、膜厚２００ｎｍのＮｂとを順次積層して超伝導トンネル接合素子１０を形成する手法の一例を説明する。この際、超伝導トンネル接合素子１０は、例えば、基板１２の大きさに応じて、１００μｍ×１００μｍ程度以下の大きさとすることができる。
【００３０】
まず、基板１２としての厚さ４００μｍのＳｉ基板の表面をスパッタリングにより洗浄し、それから、Ｓｉ基板上に、バッファー層１４として、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより膜厚９ｎｍのＡｌ２Ｏ３の薄膜を形成する。
【００３１】
その後、バッファー層１４たるＡｌ２Ｏ３の薄膜上に、下部超伝導体層１６として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度９５ｎｍ／分）によって膜厚１５０ｎｍのＮｂの薄膜を形成する。
【００３２】
次に、下部超伝導体層１６たるＮｂの薄膜上に、バッファー層１８として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度３０ｎｍ／分）により膜厚２．５ｎｍのＡｌの薄膜を形成する。
【００３３】
そして、バッファー層１８たるＡｌの薄膜上に、下部トラップ層２０として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度１２０ｎｍ／分）により膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度のβ−Ｔａの薄膜を形成する。
【００３４】
形成された下部トラップ層２０たるβ−Ｔａの薄膜上に、絶縁体層２２としてＡｌ２Ｏ３を、膜厚１０ｎｍのＡｌの薄膜を形成した後、熱酸化により形成する。より詳細には、Ａｌの堆積速度３０ｎｍ／分ならびにバックグラウンド圧力５×１０−５Ｐａで形成されたＡｌの薄膜を、１５００Ｐａの酸素雰囲気中に１０００分間放置して熱酸化させることにより、トンネル障壁として機能するＡｌＯＸの薄膜が形成される。
【００３５】
次に、絶縁体層２２たるＡｌＯＸの薄膜上に、上部トラップ層２４として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度１２０ｎｍ／分）により膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍのβ−Ｔａの薄膜を形成する。
【００３６】
さらに、上部トラップ層２４たるβ−Ｔａの薄膜上に、上部超伝導体層２６として、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって膜厚２００ｎｍのＮｂの薄膜を形成する。
【００３７】
なお、上記した下部超伝導体層１６、バッファー層１８、下部トラップ層２０、絶縁体層２２、上部トラップ層２４ならびに上部超伝導体層２６の積層薄膜は、大気に露出することなく連続して堆積される。そして、形成された下部超伝導体層１６、バッファー層１８、下部トラップ層２０、絶縁体層２２、上部トラップ層２４ならびに上部超伝導体層２６の積層薄膜は、フォトリソグラフィーによるパターン露光の後、圧力２０ＰａでＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）と、圧力６．７ＰａでＣＦ４ガスを用いたＡｌの薄膜の物理エッチングによってパターンニングを行う。
【００３８】
そして、絶縁層２８として、ＲＦマグネトロンスパッタリングによって膜厚３５０ｎｍのＳｉＯ２の薄膜を形成する。
【００３９】
その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってコンタクトホールを形成して、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度９５ｎｍ／分）により膜厚５００ｎｍのＮｂの薄膜を形成し、下部電極３０ならびに上部電極３２としてパターンニングした。
【００４０】
以上の構成において、超伝導トンネル接合素子１０を光子検出に用いた場合、Ｘ線などが上部超伝導体層２６に入射すると、入射した光のエネルギーが吸収され、上部超伝導体層２６中のクーパー対の解離と音響量子（フォノン）の発生とが引き起こされる。この際、準粒子が生じ、当該準粒子が量子力学的トンネル効果で絶縁体層２２を通過することにより、入射した光のエネルギーに比例した電荷が発生し、所定の回路系を用いて信号として取り出すことにより検出器として動作する。
【００４１】
ここで、超伝導トンネル接合素子１０においては、絶縁体層２２たるＡｌＯＸの薄膜の上下に隣接して下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４であるβ−Ｔａの薄膜が形成されている。これら下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップは、Ｎｂのエネルギーギャップに比べて小さく、超伝導トンネル接合素子１０は、トンネル接合に向かって徐々にエネルギーギャップの小さな超伝導体を配置する構成を有している。
【００４２】
こうした構成の超伝導トンネル接合素子１０においては、上部超伝導体層２６たるＮｂの薄膜で生じた準粒子が上部トラップ層２４に移動すると、当該準粒子は上部トラップ層２４に留まり、上部トラップ層２６たるβ−Ｔａの薄膜にトラップされる。
【００４３】
その結果、超伝導トンネル接合素子１０内部の準粒子の分布は、上部トラップ層２４たるβ−Ｔａの薄膜付近、即ち、トンネル障壁である絶縁体層２２のＡｌＯＸの薄膜付近に偏るので、準粒子が効率よくトンネルされてトンネル確率が向上し、準粒子の捕集効果（トラッピング効果）が得られる。
【００４４】
上記したように、本発明による超伝導トンネル接合素子１０においては、β−Ｔａにより形成される下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を有するようにしたので、準粒子の捕集効果（トラッピング効果）が得られる。
【００４５】
しかも、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４はβ−Ｔａにより形成されており、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子のように絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接する厚いＡｌ層は形成されない。
【００４６】
従って、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、Ａｌ層を形成するために複数回に分けてエッチングを行うことや、エッチング部分の酸素プラズマ処理による絶縁化の工程を付加的に行う必要がない。
【００４７】
また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０においては、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４たるβ−Ｔａの薄膜を形成する際に、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いるが、Ａｌ層を形成する場合のようにイオン衝撃によって物理的にエッチングを進めて加工する必要はない。
【００４８】
つまり、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４のβ−Ｔａの薄膜を、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６のＮｂの薄膜を形成するのと同様に、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により容易に形成することができる。
【００４９】
また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａの薄膜の膜厚はおよそ２０ｎｍとすることができ、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子のＡｌＯＸ層の上下に隣接して形成されるＡｌ層の厚み１００ｎｍに比較して十分に薄いものである。
【００５０】
こうした本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、簡単な工程で製造することができる。このため、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、加工精度がよく、製造時間が短くて済むとともに、高い信頼性を有し、再現性もよい。また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、反応性イオンエッチングの際のイオン衝撃がないので、製造工程におけるダメージがなく、素子の特性を高品質に維持することができる。
【００５１】
また、簡単な工程で製造することができる本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、その製造時間が短くて済むので、超伝導トンネル接合素子の開発過程において素子を製造してはその性能を確認し、その結果に基づいて改善して製造しては性能を確認するというフィードバックのサイクルを早めることができるので、非常に有益である。
【００５２】
なお、本発明による超伝導トンネル接合素子１０において、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成する超伝導転位温度が０．５Ｋの正方晶構造を有するβ−Ｔａは、超伝導転位温度が４．４８Ｋの体心立方晶構造のｂｃｃ−Ｔａとは、容易に区別して形成することが可能なものであり、製造工程は何ら複雑化しないものである。また、β−Ｔａは、Ｎｂに比べて準粒子寿命が長く、また、Ｘ線に対する吸収断面積も大きいため、本発明による超伝導トンネル接合素子１０を、Ｘ線検出に用いても好適なものである。
【００５３】
さらに、本発明による超伝導トンネル接合素子１０において、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップは、Ａｌのエネルギーギャップに比べて小さく、本発明による超伝導トンネル接合素子１０によれば、最適なエネルギーギャップを容易に実現することができる。
【００５４】
そして、準粒子をトラップする効率は、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子のＡｌＯＸ層の上下に隣接して形成されるＡｌ層に比べて、本発明による超伝導トンネル接合素子１０のβ−Ｔａにより形成される下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４の方がよい。
【００５５】
ここで、図２には、Ｔａ電極の膜厚とエネルギーギャップとの関係を示したグラフが示されている。
【００５６】
より詳細には、いずれもＴａを電極材料としているが、一方の超伝導トンネル接合素子は、Ｎｂ，ｂｃｃ−Ｔａ，ＡｌＯＸ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有しており、他方の超伝導トンネル接合素子は、Ｎｂ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有するようにする。そして、これら２つの異なる構造を有する超伝導トンネル接合素子それぞれの、電流−電圧特性から求めたＮｂからの近接効果によって増大したＴａのエネルギーギャップのＴａ膜厚依存性が図２には示されている。
【００５７】
図２から明らかなように、ＴａをＮｂとの積層構造にすると、Ｎｂからの近接効果によるエネルギーギャップは、Ｔａの膜厚が増大するとともに小さくなり、１００ｎｍ以上の膜厚では、本来のＴａのエネルギーギャップをもつことがわかる。
【００５８】
そして、０．４Ｋにおけるｂｃｃ−Ｔａ薄膜中のコヒーレンス長を数値フィッティングにより求めると２１ｎｍとなり、０．４Ｋにおけるβ−Ｔａ薄膜中のコヒーレンス長を数値フィッティングにより求めると１５ｎｍとなった。これら値は、Ａｌにおける約７０ｎｍに比較して小さな値である。これにより、０．５ｍｅＶのエネルギーギャップを得るために必要なトラップ層の膜厚が、Ａｌの場合には１００ｎｍ必要であるのに対して、β−Ｔａの場合には２０ｎｍでよいことが明らかである。
【００５９】
図３には、正規分布形状のＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子、即ち、上記した実施の形態の超伝導トンネル接合素子１０に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフが示されている。
【００６０】
この際、Ｂ＝４ｍＴと磁場が小さいにもかかわらず、２３０ｍＶの出力電圧が得られている。この出力電圧は、β−Ｔａを用いていない超伝導トンネル接合素子の出力電圧（例えば、およそ６０ｍＶ）の数倍になっている。
【００６１】
また、図４には、ダイヤモンド形状のＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフが示されている。この際、応答信号が最大となるように磁場を印加していった結果、Ｂ＝３５ｍＴで４５０ｍＶの出力信号が得られた。
【００６２】
これら図３ならびに図４に示す結果から、β−Ｔａが、Ｘ線照射によって発生した準粒子を収集してトンネル電流を増加させ、トラップ層として用いて好適なことが明らかである。
【００６３】
そして、図５には、ダイアモンド形状のＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子（素子の面積Ａ＝１０，０００μｍ２）による５．９ｋｅＶのＸ線スペクトルを示すグラフが示されている。観測されたエネルギー分解能は測定系のノイズを考慮すると５２ｅＶとなり、β−Ｔａを用いていない従来の超伝導トンネル接合素子と比較して、同等以上のエネルギー分解能が得られている。
【００６４】
上記図３乃至図５からも明かなように、β−Ｔａにより形成されたトラップ層を有する本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、従来の超伝導トンネル接合素子よりも超伝導トンネル接合素子の検出感度とエネルギー分解能とを向上させることができる。つまり、本発明による超伝導トンネル接合素子１０においては、従来より用いられているＡｌトラップ層と同等以上の準粒子のトラッピング効果を期待することができる。
【００６５】
また、図３に示すように、本発明による超伝導トンネル接合素子１０の下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａの場合には、膜厚を少し変化させるだけで、超伝導トンネル接合素子が動作する際の温度によって規定されるエネルギーギャップを変化させることができる。
【００６６】
このため、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、動作温度に対する制御性が高く、動作温度に応じて任意にβ−Ｔａの薄膜の膜厚を設定して形成することにより、各種検出に用いることが可能となる。
【００６７】
例えば、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、一光子分光なので、Ｘ線領域や極端紫外線領域、可視光領域におけるエネルギー分散型の検出器として用いることができる。特に、エネルギーの低い可視光領域では、低いエネルギーに比例して準粒子の発生個数も少なくなるので、β−Ｔａにより形成される下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を有し、トラッピング効果を奏するする本発明による超伝導トンネル接合素子１０は好適なものである。
【００６８】
また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、ポテンシャルエネルギーをもったイオンの検出や、重イオンの検出、運動エネルギーをもった中性子や分子などのエネルギー測定、微量分析、あるいは、破損しやすいサンプルの測定を短時間で行うなど各種検出に用いることができる。
【００６９】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に説明するように変形することができる。
【００７０】
（１）上記した実施の形態においては、超伝導トンネル接合素子１０は正規分布形状を有するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、上記図４ならびに図５に示したようなダイヤモンド形状や、あるいは、ひし形の形状としてもよく、良好な検出性能を維持するように超伝導トンネル接合素子の２次元形状を適宜変更するようにしてもよい。また、超伝導トンネル接合素子全体の大きさも、当該超伝導トンネル接合素子が配置される位置や、測定する光子のエネルギー、スポットサイズなどに応じて適宜変更するようにしてもよい。
【００７１】
（２）上記した実施の形態においては、超伝導トンネル接合素子１０の各層の膜厚やその形成方法について示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、超伝導トンネル接合素子１０に必要とされる検出感度やエネルギー分解能に応じて、各種薄膜製造技術、例えば、電子ビーム蒸着法を用いるなどし、任意に設定した所定の膜厚で形成するようにしてもよく、薄膜堆積プロセスの最適化によって高い検出感度やエネルギー分解能を維持することができる。
【００７２】
（３）上記した実施の形態においては、超伝導トンネル接合素子１０の各層を形成する薄膜の種類や基板の種類について示したが、これに限られるものではないことは勿論である。
【００７３】
例えば、基板１２は、Ｓｉ基板に代わってＡｌ２Ｏ３基板により形成するようにしてもよい。バッファー層１４は、Ａｌ２Ｏ３に代わってＭｇＯにより形成するようにしてもよい。下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６は、Ｎｂに代わってｂｃｃ−Ｔａにより形成するようにしてもよい。バッファー層１８は、Ａｌに代わってＷ（タングステン）などの非晶質であって導電性のある材料により形成するようにしてもよい。絶縁体層２２は、ＡｌＯＸに代わってＡｌＮにより形成するようにしてもよい。絶縁層２８は、ＳｉＯ２に代わってポリイミドにより形成するようにしてもよい。下部電極３０ならびに上部電極３２は、Ｎｂに代わってＮｂＮにより形成するようにしてもよい。
【００７４】
具体的には、図６に示すように、上記した超伝導トンネル接合素子１０の下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６を、Ｎｂに代わってｂｃｃ−Ｔａによって形成するようにしてもよい。このように、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを有する超伝導体によって形成すればよい。
【００７５】
（４）上記した実施の形態の超伝導トンネル接合素子１０（図１参照）においては、絶縁体層２２のＡｌＯＸの上下に隣接してβ−Ｔａよりなる上部トラップ層２４とβ−Ｔａよりなる下部トラップ層２０が形成されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、超伝導トンネル接合素子１０の絶縁体層２２の上面２２ａあるいは下面２２ｂのいずれか一方にのみ隣接してβ−Ｔａよりなるトラップ層を形成するようにしてもよい。また、その際には、当該β−Ｔａよりなるトラップ層が形成されていない側の絶縁体層２２の面に、厚み１００ｎｍ程度の厚いＡｌ層を形成するようにしてもよい。こうして絶縁体層２２の上下に隣接してβ−Ｔａよりなるトラップ層を形成しない超伝導トンネル接合素子においても、準粒子のトラッピング効果は維持されるものである。
【００７６】
（５）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００７７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、簡単な工程で製造することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の一例を示す概略構成断面図である。
【図２】Ｔａ電極の膜厚とエネルギーギャップとの関係を示したグラフである。
【図３】正規分布形状のＮｂ／Ａｌ／β−Ｔａ／ＡｌＯＸ／β−Ｔａ／Ｎｂ構造を有する超伝導トンネル接合素子に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフである。
【図４】ダイヤモンド形状のＮｂ／Ａｌ／β−Ｔａ／ＡｌＯＸ／β−Ｔａ／Ｎｂ構造を有する超伝導トンネル接合素子に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフである。
【図５】ダイアモンド形状のＮｂ／Ａｌ／β−Ｔａ／ＡｌＯＸ／β−Ｔａ／Ｎｂ構造を有する超伝導トンネル接合素子（素子の面積Ａ＝１０，０００μｍ２）による５．９ｋｅＶのＸ線スペクトルを示すグラフである。
【図６】本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の他の例を要部を中心に示した概略構成断面図である。
【符号の説明】
１０ 超伝導トンネル接合素子
１２ 基板
１４ バッファー層
１６ 下部超伝導体層
１８ バッファー層
２０ 下部トラップ層
２２ 絶縁体層
２４ 上部トラップ層
２６ 上部超伝導体層
２８ 層間絶縁層
３０ 下部電極
３２ 上部電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導トンネル接合素子に関し、さらに詳細には、各種の検出に用いて好適な超伝導トンネル接合素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ジョセフソン素子の一種である超伝導トンネル接合（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＳＴＪ）素子は、各種検出器として用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７１８２１号公報（図３）
超伝導トンネル接合素子は、トンネル障壁と称される薄い絶縁体層を２つの超伝導体層で挟み込んだ構造を有し、Ｘ線などが超伝導体層に入射すると、入射した光のエネルギーが吸収され、当該超伝導体層中のクーパー対の解離と音響量子（フォノン）の発生とが引き起こされる。この際、準粒子が生じ、当該準粒子が量子力学的トンネル効果で絶縁体層を通過することにより、入射した光のエネルギーに比例した電荷が発生し、所定の回路系を用いて信号として取り出されて検出器として動作するものである。
【０００４】
そして、光子検出用の超伝導トンネル接合素子としては、例えば、準粒子の捕集効果（トラッピング効果）を得るために、超伝導体層をＮｂ（ニオブ）により形成して電極として用い、トンネル接合に向かって徐々にエネルギーギャップの小さな超伝導体を配置する構成が提案されている。
【０００５】
具体的には、トラッピング効果を有する超伝導トンネル接合素子は、絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接して、Ｎｂのエネルギーギャップに比べて小さいエネルギーギャップのＡｌ（アルミニウム）層を形成し、このＡｌ層の外側に超伝導体層たるＮｂ層が位置するようになされている。
【０００６】
こうした構成の超伝導トンネル接合素子においては、Ｎｂ層で生じた準粒子がＡｌ層に留まってトラップされる。その結果、超伝導トンネル接合素子内部の準粒子の分布は、Ａｌ層付近、即ち、トンネル障壁であるＡｌＯＸ層付近に偏るので、準粒子が効率よくトンネルされてトンネル確率が向上し、準粒子の捕集効果が得られるものである。
【０００７】
上記した絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、所定の特性を維持するために、ＡｌＯＸ層の上下に隣接して形成されるＡｌ層の厚みを、１００ｎｍ程度にする必要がある。
【０００８】
従って、ＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子は、その製造工程のＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）の際に、ガス圧力を下げ、イオン衝撃によって物理的にエッチングを進めて加工することが欠かせないものであった。
【０００９】
こうしたＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、反応性イオンエッチングの際のイオン衝撃により、トンネル接合近傍へのダメージが生じ、素子の特性に影響する恐れがあった。
【００１０】
また、ＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、反応性イオンエッチングによるＡｌ層部分のエッチングの際に、残渣を形成し易く、こうした残渣によって不要な電気的な電流経路が形成される恐れがあった。
【００１１】
このため、上記した絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接してＡｌ層が形成される超伝導トンネル接合素子においては、Ａｌ層を形成するために複数回に分けてエッチングを行うとともに、エッチング部分の酸素プラズマ処理などによる絶縁化の工程を付加的に行わなければならず、製造工程が非常に煩雑で長時間に及ぶという問題点があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な工程で製造することができる超伝導トンネル接合素子を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、トンネル障壁たる絶縁体層と、上記絶縁体層を挟み込む２つの超伝導体層と、上記絶縁体層の上面ならびに下面の少なくとも一方の面に隣接するとともにβ−Ｔａにより形成され、上記超伝導体層において生じて移動した準粒子を留まらせるトラップ層とを有するようにしたものである。
【００１４】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングが容易なβ−Ｔａにより形成されるトラップ層が、絶縁体層の上面のみ、絶縁体層の下面のみ、あるいは、絶縁体層の上面ならびに下面に隣接して形成されるので、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子の絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接するＡｌ層を形成する場合のように、イオン衝撃によって物理的にエッチングを進めて加工する必要がないとともに、Ａｌ層を形成するために複数回に分けてエッチングを行うことや、エッチング部分の酸素プラズマ処理による絶縁化の工程を付加的に行う必要がなくなるので、簡単な工程で製造することができる。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記超伝導体層は、上記トラップ層を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを有するようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、上記超伝導体層はＮｂにより形成され、上記絶縁体層はＡｌＯＸにより形成されるようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、Ｓｉ基板上に形成されたＮｂよりなる下部超伝導体層と、上記下部超伝導体層の上面に形成されたＡｌよりなるバッファー層と、上記バッファー層の上面に形成されたβ−Ｔａよりなる下部トラップ層と、上記下部トラップ層の上面に形成されたＡｌＯＸよりなる絶縁体層と、上記絶縁体層の上面に形成されたβ−Ｔａよりなる上部トラップ層と、上記上部トラップ層の上面に形成されたＮｂよりなる上部超伝導体層とを有するようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１９】
図１には、本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の一例を示す概略構成断面図が示されている。
【００２０】
この超伝導トンネル接合素子１０は、基板１２と、基板１２の上面１２ａに形成されたバッファー層１４と、バッファー層１４の上面１４ａの所定領域に形成された下部超伝導体層１６と、下部超伝導体層１６の上面１６ａの所定領域に形成されたバッファー層１８と、バッファー層１８の上面１８ａに形成された下部トラップ層２０と、下部トラップ層２０の上面２０ａに形成されたトンネル障壁たる絶縁体層２２と、絶縁体層２２の上面２２ａに形成された上部トラップ層２４と、上部トラップ層２４の上面２４ａに形成された上部超伝導体層２６とを有して構成されている。
【００２１】
そして、絶縁層２８が所定領域に形成され、下部超伝導体層１６には外部配線のための下部電極３０が接続されており、上部超伝導体層２６には外部配線のための上部電極３２が接続されている。
【００２２】
超伝導トンネル接合素子１０の下部超伝導体層１６の配線以外の部分、バッファー層１８、下部トラップ層２０、絶縁体層２２、上部トラップ層２４ならびに上部超伝導体層２６は、正規分布形状に構成されている。
【００２３】
そして、超伝導トンネル接合素子１０の基板１２は、Ｓｉ基板により形成されており、バッファー層１４は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＡｌ２Ｏ３よりなり、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＮｂよりなり、バッファー層１８は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＡｌよりなり、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４は、所定の膜厚で薄膜状に形成された超伝導転位温度が０．５Ｋの正方晶構造を有するβ−Ｔａよりなり、絶縁体層２２は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたトンネル障壁たるＡｌＯＸよりなり、絶縁層２８は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＳｉＯ２よりなり、下部電極３０ならびに上部電極３２は、所定の膜厚で薄膜状に形成されたＮｂよりなる。
【００２４】
こうしたＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子１０は、トンネル障壁たる絶縁体層２２（即ち、ＡｌＯＸ）を２つの超伝導体層である下部超伝導体層１６（即ち、Ｎｂ）ならびに上部超伝導体層２６（即ち、Ｎｂ）で挟み込んだ構造を有している。さらに、絶縁体層２２のＡｌＯＸの上下に隣接して、即ち、絶縁体層２２の上面２２ａならびに下面２２ｂそれぞれに隣接して、β−Ｔａよりなる上部トラップ層２４ならびに下部トラップ層２０が形成されている。
【００２５】
ここで、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６を構成するＮｂのエネルギーギャップは、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップよりも大きいものである。
【００２６】
このため、下部超伝導体層１６において生じた準粒子が下部トラップ層２０に移動すると、下部トラップ層２０は当該準粒子を下部トラップ層２０に留まらせることができ、準粒子を高効率に収集することが可能となる。また、上部超伝導体層２６において生じた準粒子が上部トラップ層２４に移動すると、上部トラップ層２４は当該準粒子を上部トラップ層２４に留まらせることができ、準粒子を高効率に収集することが可能となる。
【００２７】
また、バッファー層１８を形成するＡｌは、バッファー層１８の下方に位置する下部超伝導体層１６を形成するＮｂの結晶性が、バッファー層１８の上方に位置する下部トラップ層２０に伝わるのを防ぐものである。このバッファー層１８を形成するＡｌによって、Ｎｂに積層されるＴａがβ−Ｔａとして提供されるものである。
【００２８】
なお、超伝導トンネル接合素子１０の各層の膜厚の比率は、超伝導トンネル接合素子１０が動作する際の温度によって規定されるエネルギーギャップに基づいて設定されるものである。
【００２９】
ここで、膜厚１５０ｎｍのＮｂと、膜厚２．５ｎｍのＡｌと、膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍのβ−Ｔａと、膜厚１０ｎｍのＡｌＯＸと、膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍのβ−Ｔａと、膜厚２００ｎｍのＮｂとを順次積層して超伝導トンネル接合素子１０を形成する手法の一例を説明する。この際、超伝導トンネル接合素子１０は、例えば、基板１２の大きさに応じて、１００μｍ×１００μｍ程度以下の大きさとすることができる。
【００３０】
まず、基板１２としての厚さ４００μｍのＳｉ基板の表面をスパッタリングにより洗浄し、それから、Ｓｉ基板上に、バッファー層１４として、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより膜厚９ｎｍのＡｌ２Ｏ３の薄膜を形成する。
【００３１】
その後、バッファー層１４たるＡｌ２Ｏ３の薄膜上に、下部超伝導体層１６として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度９５ｎｍ／分）によって膜厚１５０ｎｍのＮｂの薄膜を形成する。
【００３２】
次に、下部超伝導体層１６たるＮｂの薄膜上に、バッファー層１８として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度３０ｎｍ／分）により膜厚２．５ｎｍのＡｌの薄膜を形成する。
【００３３】
そして、バッファー層１８たるＡｌの薄膜上に、下部トラップ層２０として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度１２０ｎｍ／分）により膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度のβ−Ｔａの薄膜を形成する。
【００３４】
形成された下部トラップ層２０たるβ−Ｔａの薄膜上に、絶縁体層２２としてＡｌ２Ｏ３を、膜厚１０ｎｍのＡｌの薄膜を形成した後、熱酸化により形成する。より詳細には、Ａｌの堆積速度３０ｎｍ／分ならびにバックグラウンド圧力５×１０−５Ｐａで形成されたＡｌの薄膜を、１５００Ｐａの酸素雰囲気中に１０００分間放置して熱酸化させることにより、トンネル障壁として機能するＡｌＯＸの薄膜が形成される。
【００３５】
次に、絶縁体層２２たるＡｌＯＸの薄膜上に、上部トラップ層２４として、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度１２０ｎｍ／分）により膜厚１０ｎｍ〜２０ｎｍのβ−Ｔａの薄膜を形成する。
【００３６】
さらに、上部トラップ層２４たるβ−Ｔａの薄膜上に、上部超伝導体層２６として、ＤＣマグネトロンスパッタリングによって膜厚２００ｎｍのＮｂの薄膜を形成する。
【００３７】
なお、上記した下部超伝導体層１６、バッファー層１８、下部トラップ層２０、絶縁体層２２、上部トラップ層２４ならびに上部超伝導体層２６の積層薄膜は、大気に露出することなく連続して堆積される。そして、形成された下部超伝導体層１６、バッファー層１８、下部トラップ層２０、絶縁体層２２、上部トラップ層２４ならびに上部超伝導体層２６の積層薄膜は、フォトリソグラフィーによるパターン露光の後、圧力２０ＰａでＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）と、圧力６．７ＰａでＣＦ４ガスを用いたＡｌの薄膜の物理エッチングによってパターンニングを行う。
【００３８】
そして、絶縁層２８として、ＲＦマグネトロンスパッタリングによって膜厚３５０ｎｍのＳｉＯ２の薄膜を形成する。
【００３９】
その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってコンタクトホールを形成して、ＤＣマグネトロンスパッタリング（堆積速度９５ｎｍ／分）により膜厚５００ｎｍのＮｂの薄膜を形成し、下部電極３０ならびに上部電極３２としてパターンニングした。
【００４０】
以上の構成において、超伝導トンネル接合素子１０を光子検出に用いた場合、Ｘ線などが上部超伝導体層２６に入射すると、入射した光のエネルギーが吸収され、上部超伝導体層２６中のクーパー対の解離と音響量子（フォノン）の発生とが引き起こされる。この際、準粒子が生じ、当該準粒子が量子力学的トンネル効果で絶縁体層２２を通過することにより、入射した光のエネルギーに比例した電荷が発生し、所定の回路系を用いて信号として取り出すことにより検出器として動作する。
【００４１】
ここで、超伝導トンネル接合素子１０においては、絶縁体層２２たるＡｌＯＸの薄膜の上下に隣接して下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４であるβ−Ｔａの薄膜が形成されている。これら下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップは、Ｎｂのエネルギーギャップに比べて小さく、超伝導トンネル接合素子１０は、トンネル接合に向かって徐々にエネルギーギャップの小さな超伝導体を配置する構成を有している。
【００４２】
こうした構成の超伝導トンネル接合素子１０においては、上部超伝導体層２６たるＮｂの薄膜で生じた準粒子が上部トラップ層２４に移動すると、当該準粒子は上部トラップ層２４に留まり、上部トラップ層２６たるβ−Ｔａの薄膜にトラップされる。
【００４３】
その結果、超伝導トンネル接合素子１０内部の準粒子の分布は、上部トラップ層２４たるβ−Ｔａの薄膜付近、即ち、トンネル障壁である絶縁体層２２のＡｌＯＸの薄膜付近に偏るので、準粒子が効率よくトンネルされてトンネル確率が向上し、準粒子の捕集効果（トラッピング効果）が得られる。
【００４４】
上記したように、本発明による超伝導トンネル接合素子１０においては、β−Ｔａにより形成される下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を有するようにしたので、準粒子の捕集効果（トラッピング効果）が得られる。
【００４５】
しかも、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４はβ−Ｔａにより形成されており、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子のように絶縁体層たるＡｌＯＸ層の上下に隣接する厚いＡｌ層は形成されない。
【００４６】
従って、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、Ａｌ層を形成するために複数回に分けてエッチングを行うことや、エッチング部分の酸素プラズマ処理による絶縁化の工程を付加的に行う必要がない。
【００４７】
また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０においては、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４たるβ−Ｔａの薄膜を形成する際に、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いるが、Ａｌ層を形成する場合のようにイオン衝撃によって物理的にエッチングを進めて加工する必要はない。
【００４８】
つまり、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４のβ−Ｔａの薄膜を、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６のＮｂの薄膜を形成するのと同様に、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により容易に形成することができる。
【００４９】
また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａの薄膜の膜厚はおよそ２０ｎｍとすることができ、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子のＡｌＯＸ層の上下に隣接して形成されるＡｌ層の厚み１００ｎｍに比較して十分に薄いものである。
【００５０】
こうした本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、簡単な工程で製造することができる。このため、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、加工精度がよく、製造時間が短くて済むとともに、高い信頼性を有し、再現性もよい。また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、反応性イオンエッチングの際のイオン衝撃がないので、製造工程におけるダメージがなく、素子の特性を高品質に維持することができる。
【００５１】
また、簡単な工程で製造することができる本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、その製造時間が短くて済むので、超伝導トンネル接合素子の開発過程において素子を製造してはその性能を確認し、その結果に基づいて改善して製造しては性能を確認するというフィードバックのサイクルを早めることができるので、非常に有益である。
【００５２】
なお、本発明による超伝導トンネル接合素子１０において、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成する超伝導転位温度が０．５Ｋの正方晶構造を有するβ−Ｔａは、超伝導転位温度が４．４８Ｋの体心立方晶構造のｂｃｃ−Ｔａとは、容易に区別して形成することが可能なものであり、製造工程は何ら複雑化しないものである。また、β−Ｔａは、Ｎｂに比べて準粒子寿命が長く、また、Ｘ線に対する吸収断面積も大きいため、本発明による超伝導トンネル接合素子１０を、Ｘ線検出に用いても好適なものである。
【００５３】
さらに、本発明による超伝導トンネル接合素子１０において、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップは、Ａｌのエネルギーギャップに比べて小さく、本発明による超伝導トンネル接合素子１０によれば、最適なエネルギーギャップを容易に実現することができる。
【００５４】
そして、準粒子をトラップする効率は、上記「従来の技術」の項に記載した超伝導トンネル接合素子のＡｌＯＸ層の上下に隣接して形成されるＡｌ層に比べて、本発明による超伝導トンネル接合素子１０のβ−Ｔａにより形成される下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４の方がよい。
【００５５】
ここで、図２には、Ｔａ電極の膜厚とエネルギーギャップとの関係を示したグラフが示されている。
【００５６】
より詳細には、いずれもＴａを電極材料としているが、一方の超伝導トンネル接合素子は、Ｎｂ，ｂｃｃ−Ｔａ，ＡｌＯＸ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有しており、他方の超伝導トンネル接合素子は、Ｎｂ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有するようにする。そして、これら２つの異なる構造を有する超伝導トンネル接合素子それぞれの、電流−電圧特性から求めたＮｂからの近接効果によって増大したＴａのエネルギーギャップのＴａ膜厚依存性が図２には示されている。
【００５７】
図２から明らかなように、ＴａをＮｂとの積層構造にすると、Ｎｂからの近接効果によるエネルギーギャップは、Ｔａの膜厚が増大するとともに小さくなり、１００ｎｍ以上の膜厚では、本来のＴａのエネルギーギャップをもつことがわかる。
【００５８】
そして、０．４Ｋにおけるｂｃｃ−Ｔａ薄膜中のコヒーレンス長を数値フィッティングにより求めると２１ｎｍとなり、０．４Ｋにおけるβ−Ｔａ薄膜中のコヒーレンス長を数値フィッティングにより求めると１５ｎｍとなった。これら値は、Ａｌにおける約７０ｎｍに比較して小さな値である。これにより、０．５ｍｅＶのエネルギーギャップを得るために必要なトラップ層の膜厚が、Ａｌの場合には１００ｎｍ必要であるのに対して、β−Ｔａの場合には２０ｎｍでよいことが明らかである。
【００５９】
図３には、正規分布形状のＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子、即ち、上記した実施の形態の超伝導トンネル接合素子１０に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフが示されている。
【００６０】
この際、Ｂ＝４ｍＴと磁場が小さいにもかかわらず、２３０ｍＶの出力電圧が得られている。この出力電圧は、β−Ｔａを用いていない超伝導トンネル接合素子の出力電圧（例えば、およそ６０ｍＶ）の数倍になっている。
【００６１】
また、図４には、ダイヤモンド形状のＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフが示されている。この際、応答信号が最大となるように磁場を印加していった結果、Ｂ＝３５ｍＴで４５０ｍＶの出力信号が得られた。
【００６２】
これら図３ならびに図４に示す結果から、β−Ｔａが、Ｘ線照射によって発生した準粒子を収集してトンネル電流を増加させ、トラップ層として用いて好適なことが明らかである。
【００６３】
そして、図５には、ダイアモンド形状のＮｂ，Ａｌ，β−Ｔａ，ＡｌＯＸ，β−Ｔａ，Ｎｂという順序で薄膜を積層した構造を有する超伝導トンネル接合素子（素子の面積Ａ＝１０，０００μｍ２）による５．９ｋｅＶのＸ線スペクトルを示すグラフが示されている。観測されたエネルギー分解能は測定系のノイズを考慮すると５２ｅＶとなり、β−Ｔａを用いていない従来の超伝導トンネル接合素子と比較して、同等以上のエネルギー分解能が得られている。
【００６４】
上記図３乃至図５からも明かなように、β−Ｔａにより形成されたトラップ層を有する本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、従来の超伝導トンネル接合素子よりも超伝導トンネル接合素子の検出感度とエネルギー分解能とを向上させることができる。つまり、本発明による超伝導トンネル接合素子１０においては、従来より用いられているＡｌトラップ層と同等以上の準粒子のトラッピング効果を期待することができる。
【００６５】
また、図３に示すように、本発明による超伝導トンネル接合素子１０の下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａの場合には、膜厚を少し変化させるだけで、超伝導トンネル接合素子が動作する際の温度によって規定されるエネルギーギャップを変化させることができる。
【００６６】
このため、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、動作温度に対する制御性が高く、動作温度に応じて任意にβ−Ｔａの薄膜の膜厚を設定して形成することにより、各種検出に用いることが可能となる。
【００６７】
例えば、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、一光子分光なので、Ｘ線領域や極端紫外線領域、可視光領域におけるエネルギー分散型の検出器として用いることができる。特に、エネルギーの低い可視光領域では、低いエネルギーに比例して準粒子の発生個数も少なくなるので、β−Ｔａにより形成される下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を有し、トラッピング効果を奏するする本発明による超伝導トンネル接合素子１０は好適なものである。
【００６８】
また、本発明による超伝導トンネル接合素子１０は、ポテンシャルエネルギーをもったイオンの検出や、重イオンの検出、運動エネルギーをもった中性子や分子などのエネルギー測定、微量分析、あるいは、破損しやすいサンプルの測定を短時間で行うなど各種検出に用いることができる。
【００６９】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に説明するように変形することができる。
【００７０】
（１）上記した実施の形態においては、超伝導トンネル接合素子１０は正規分布形状を有するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、上記図４ならびに図５に示したようなダイヤモンド形状や、あるいは、ひし形の形状としてもよく、良好な検出性能を維持するように超伝導トンネル接合素子の２次元形状を適宜変更するようにしてもよい。また、超伝導トンネル接合素子全体の大きさも、当該超伝導トンネル接合素子が配置される位置や、測定する光子のエネルギー、スポットサイズなどに応じて適宜変更するようにしてもよい。
【００７１】
（２）上記した実施の形態においては、超伝導トンネル接合素子１０の各層の膜厚やその形成方法について示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、超伝導トンネル接合素子１０に必要とされる検出感度やエネルギー分解能に応じて、各種薄膜製造技術、例えば、電子ビーム蒸着法を用いるなどし、任意に設定した所定の膜厚で形成するようにしてもよく、薄膜堆積プロセスの最適化によって高い検出感度やエネルギー分解能を維持することができる。
【００７２】
（３）上記した実施の形態においては、超伝導トンネル接合素子１０の各層を形成する薄膜の種類や基板の種類について示したが、これに限られるものではないことは勿論である。
【００７３】
例えば、基板１２は、Ｓｉ基板に代わってＡｌ２Ｏ３基板により形成するようにしてもよい。バッファー層１４は、Ａｌ２Ｏ３に代わってＭｇＯにより形成するようにしてもよい。下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６は、Ｎｂに代わってｂｃｃ−Ｔａにより形成するようにしてもよい。バッファー層１８は、Ａｌに代わってＷ（タングステン）などの非晶質であって導電性のある材料により形成するようにしてもよい。絶縁体層２２は、ＡｌＯＸに代わってＡｌＮにより形成するようにしてもよい。絶縁層２８は、ＳｉＯ２に代わってポリイミドにより形成するようにしてもよい。下部電極３０ならびに上部電極３２は、Ｎｂに代わってＮｂＮにより形成するようにしてもよい。
【００７４】
具体的には、図６に示すように、上記した超伝導トンネル接合素子１０の下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６を、Ｎｂに代わってｂｃｃ−Ｔａによって形成するようにしてもよい。このように、下部超伝導体層１６ならびに上部超伝導体層２６は、下部トラップ層２０ならびに上部トラップ層２４を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを有する超伝導体によって形成すればよい。
【００７５】
（４）上記した実施の形態の超伝導トンネル接合素子１０（図１参照）においては、絶縁体層２２のＡｌＯＸの上下に隣接してβ−Ｔａよりなる上部トラップ層２４とβ−Ｔａよりなる下部トラップ層２０が形成されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、超伝導トンネル接合素子１０の絶縁体層２２の上面２２ａあるいは下面２２ｂのいずれか一方にのみ隣接してβ−Ｔａよりなるトラップ層を形成するようにしてもよい。また、その際には、当該β−Ｔａよりなるトラップ層が形成されていない側の絶縁体層２２の面に、厚み１００ｎｍ程度の厚いＡｌ層を形成するようにしてもよい。こうして絶縁体層２２の上下に隣接してβ−Ｔａよりなるトラップ層を形成しない超伝導トンネル接合素子においても、準粒子のトラッピング効果は維持されるものである。
【００７６】
（５）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００７７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、簡単な工程で製造することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の一例を示す概略構成断面図である。
【図２】Ｔａ電極の膜厚とエネルギーギャップとの関係を示したグラフである。
【図３】正規分布形状のＮｂ／Ａｌ／β−Ｔａ／ＡｌＯＸ／β−Ｔａ／Ｎｂ構造を有する超伝導トンネル接合素子に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフである。
【図４】ダイヤモンド形状のＮｂ／Ａｌ／β−Ｔａ／ＡｌＯＸ／β−Ｔａ／Ｎｂ構造を有する超伝導トンネル接合素子に、０．３Ｋにおいて５．９ｋｅＶのＸ線照射したときの応答信号を示すグラフである。
【図５】ダイアモンド形状のＮｂ／Ａｌ／β−Ｔａ／ＡｌＯＸ／β−Ｔａ／Ｎｂ構造を有する超伝導トンネル接合素子（素子の面積Ａ＝１０，０００μｍ２）による５．９ｋｅＶのＸ線スペクトルを示すグラフである。
【図６】本発明による超伝導トンネル接合素子の実施の形態の他の例を要部を中心に示した概略構成断面図である。
【符号の説明】
１０ 超伝導トンネル接合素子
１２ 基板
１４ バッファー層
１６ 下部超伝導体層
１８ バッファー層
２０ 下部トラップ層
２２ 絶縁体層
２４ 上部トラップ層
２６ 上部超伝導体層
２８ 層間絶縁層
３０ 下部電極
３２ 上部電極
Claims (4)
- トンネル障壁たる絶縁体層と、
前記絶縁体層を挟み込む２つの超伝導体層と、
前記絶縁体層の上面ならびに下面の少なくとも一方の面に隣接するとともにβ−Ｔａにより形成され、前記超伝導体層において生じて移動した準粒子を留まらせるトラップ層と
を有する超伝導トンネル接合素子。 - 請求項１に記載の超伝導トンネル接合素子において、
前記超伝導体層は、前記トラップ層を形成するβ−Ｔａのエネルギーギャップよりも大きなエネルギーギャップを有する
ものである超伝導トンネル接合素子。 - 請求項２に記載の超伝導トンネル接合素子において、
前記超伝導体層はＮｂにより形成され、前記絶縁体層はＡｌＯＸにより形成される
ものである超伝導トンネル接合素子。 - Ｓｉ基板上に形成されたＮｂよりなる下部超伝導体層と、
前記下部超伝導体層の上面に形成されたＡｌよりなるバッファー層と、
前記バッファー層の上面に形成されたβ−Ｔａよりなる下部トラップ層と、
前記下部トラップ層の上面に形成されたＡｌＯＸよりなる絶縁体層と、
前記絶縁体層の上面に形成されたβ−Ｔａよりなる上部トラップ層と、
前記上部トラップ層の上面に形成されたＮｂよりなる上部超伝導体層と
を有する超伝導トンネル接合素子。
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