JP5076051B2

JP5076051B2 - 電磁波検出素子およびそれを用いた電磁波検出装置

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Publication number: JP5076051B2
Application number: JP2006539353A
Authority: JP
Inventors: 敏明松井; 浩太田; 彰川上
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
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Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2012-11-21
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Also published as: US7979101B2; JPWO2006038706A1; EP1821349B1; EP1821349A4; EP1821349A1; WO2006038706A1; US20080067500A1

Description

本発明は、ＳＮＳ（超伝導体−常伝導体−超伝導体）あるいは、ＳＳ'Ｓ（超伝導体−超伝導体−超伝導体）構造で、増幅器として用いた場合には、従来のものに比べて負性抵抗のダイナミックレンジを広げることができ、また、電磁波検出器として用いた場合には検出感度を改善することができる素子構造をもった電磁波検出素子およびそれを用いた電磁波検出装置に関している。

T.Matsui,and H.Ohtaの“Low-Voltage Negative Resistance Mixers of Nano-Meter SNS Junctions”(IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.,11,NO.1,pp.191-195,MARCH 2001.)（以下、「非特許文献１」という。）、或いはT.Matsui,and H.Ohtaの“Millimeter-and Submillimeter-Wave Negative Resistance SNS Mixers”(IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL., 9, NO. 2,pp. 191-195, JUNE 1999.)（以下、「非特許文献２」という。）に記載されているように、メゾスコピックＳＮＳ接合の電流輸送は、二つのＳＮ界面で生じる多重アンドリーフ反射とエネルギーギャップの共鳴現象によって記述される。極微小なＮ領域（またはＳ'領域）を接合部とするメゾスコピックＳＮＳ構造の電圧電流特性は、第１図のように電圧が０Ｖ、すなわち限りなくゼロに近い電圧領域では、無限回数（非常に大きな回数）の多重アンドリーフ反射により輸送され、超伝導電子対電流は最大の振幅となり、有限電圧状態では、電圧の増加とともに急速に減少する超伝導電子対電流と、電圧に従って増加する準粒子電流との合成となり、低電圧領域には超伝導電子対電流の減少を反映する負性抵抗部分が発生する事が知られている。また、この負性抵抗を用いた低雑音増幅器が特開平６−５３７６２号公報（以下、特許文献１という。）に開示されている。

ＳＮＳ素子においては、ゼロ電圧に極近い低電圧状態での電流輸送は、非特許文献２の式（７）で表される。この電子対電流の振幅は、バイアス電圧の増加に対し急速に減少する多重アンドリーフ反射を反映し、バイアス電圧が０Ｖ付近の低電圧領域では、第１図に示すような負性抵抗をもった特性になる。

このような特性を持った素子を直列に接続した場合は、バイアス電圧が０Ｖで流れる超伝導電子対電流は、変化しない。しかし、低電圧領域の電子対電流および、０Ｖ以上の領域で流れる準粒子電流は、直列接続したＳＮＳ素子の数に従って、大きな電圧領域へシフトする。これは、直列接続によりバイアス電圧が、各ＳＮＳ素子に分配されるためである。この結果、第２図に示すように、負性抵抗領域部分の電圧範囲が拡大しそのダイナミックレンジが拡大される。この様に負性抵抗を示す素子の直流バイアスには、（出力抵抗ゼロの）電圧源を用いる必要がある。負性抵抗を示すダイオードとして知られるエサキダイオードの場合と同様に、ＳＮＳ素子の負性抵抗領域に電圧バイアスを設定することで素子内を流れる高周波電流は、大きな負性抵抗で増幅された高周波電流として取り出すことができる。また、特定の共振周波数を持つ共振構造の中に、負性抵抗電圧領域にバイアスしたＳＮＳ素子を配置するこことで、数百ＧＨｚ以上にまで達する高周波発振器が実現でき、直列化による拡大した負性抵抗領域は、高出力特性を可能とするものであり、超低雑音ではあるが微小電力領域に制限されている超伝導素子として大きな利点が得られる。このように本発明は、負性抵抗領域が直列数に応じて高電圧側へシフトしてしまうトンネルダイオードの場合と違って、ＳＮＳ素子の負性抵抗領域は、ゼロ電圧状態が破れる位置から始まる。負性抵抗領域は直列接続によって広い電圧領域に広がるため最も敏感なゼロ電圧領域近傍のバイアス設定条件は、実用可能な範囲の電圧位置となってくる。さらに、ミリ波〜サブミリ波帯の受信機では、素子全体のインピーダンスを電磁波との整合条件を満足することが重要であるが、直列接続により、高いインピーダンス条件を容易に達成できる利点があり、一素子の場合に比べその実用上の技術的課題を極めて効果的に改善することができる。

トンネルダイオードの場合は、第４図に、単独の特性を点線で、２個を直列接続した場合の特性を実線で示す様に、負性抵抗を示す部分の電流のダイナミックレンジは変化しないが、負性抵抗領域は直列数に比例して広くなるが、全体として高電圧側にシフトしてしまう違いがある。

しかし、従来、ＳＮＳ素子の直列接続の試みはあったが、H.Ohta等の“SHORT WEAK LINKS FOR 115 GHz MIXERS”（IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL., MAG-19, NO. 3,pp. 601-604, JUNE 1983.）（以下、「非特許文献３」という。）の第４図から第６図に示されているように、非特許文献３の構造では、負性抵抗特性を示す事はできなかった。この原因は、本願の発明者が明らかにしたところによれば、メゾスコピックな極微小ＳＮＳ接合の常伝導結合部の構造の仕上がりが特性に強く影響するため、第１と第２の超伝導体を接続する常伝導体細線の加工上の制御性が不十分であったためである。

上記のように、従来のトンネルダイオードの場合と違って、ＳＮＳ素子の場合は、直列接続することによって、その負性抵抗特性が改善される。これまでに、この観点から直列接続が取り扱われた事は無く、また、直列接続を行った従来例では、負性抵抗特性が得られていない。

また、米国特許第５，１０９，１６４号（以下、「特許文献２」という。）に開示されているように、２次元に配置した超伝導体を弱結合でリンクさせた素子が知られている。しかし、ここで開示された超伝導体のサイズは、まちまちであり、また、その超伝導体を弱結合するリンクの向きは、任意の向きである。しかも、縦横にリンクされた複数の超伝導体が２次元に配置された構造のため、特性変化のあった場所を特定できなかった。また、ＳＮＳ接合として特徴付けられる低電圧領域の負性抵抗は、再現性良く実現されることはなかった。

特開平６−５３７６２号公報米国特許第５，１０９，１６４号 T. Matsui, and H. Ohta,"Low-Voltage Negative Resistance Mixers of Nano-Meter SNS Junctions", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL., 11, NO. 1,pp. 191-195, MARCH 2001. T. Matsui, and H. Ohta,"Millimeter-and Submillimeter-Wave Negative Resistance SNS Mixers", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL., 9, NO. 2,pp. 191-195, JUNE 1999. H. Ohta, et al.,"SHORT WEAK LINKS FOR 115 GHz MIXERS", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL., MAG-19, NO. 3,pp. 601-604, JUNE 1983.

本発明は、ＳＮＳ構造を構成単位として直列接続を行った場合に期待できる負性抵抗特性の改善を実現するものである。

本発明によれば、ＳＮＳ構造で、増幅器として用いた場合には、従来のものに比べて負性抵抗のダイナミックレンジを広げることができ結果として増幅器のダイナミックレンジが大きくなる。また、微細なＳＮＳ構造を多数直列接続することにより、短波長の電磁波、高エネルギー粒子線に対する大面積の超高感度検出装置、言い換えればフォトン検出器が実現できるのであり、ＳＮＳ素子自体は数百ＧＨｚ級の応答速度を持つ素子であり、アレー配置により超高速の高感度イメージングセンサーへの応用も期待される。

直列接続したＳＮＳ素子において、第１と第２の超伝導体を接続する常伝導体細線による接合部形状にばらつきがある場合に、超伝導電流の最大値にばらつきが生じ、直列接続時の特性は、最小の超伝導電流値になってしまう。しかも、各接合の抵抗がばらつきを持つことから、ポテンシャル分布も不均一となり全体として動作は、目的とするＳＮＳの電流輸送特性を引き出すことが困難であった。このため、本発明は、超伝導電流のばらつきを抑制して、直列接続の特性としての超伝導電流の最大値をできるだけ大きく維持する。このため、本発明においては、以下のような特徴を持った電磁波検出素子あるいは、それを用いた電磁波検出装置とする。

すなわち、第１の特徴として、第１の超伝導体電極と、前記第１の超伝導体電極の上部に５以上１０ｎｍ以下の絶縁膜を挟んで第２の超伝導体電極と、を備え、
前記第２の超伝導体電極およびその断面の一部と上記の絶縁膜とその断面の１部とが重なって配置され、幅１００ｎｍ以下、厚さ１００ｎｍ以下のブリッジ配線によって、前記の絶縁膜の前記の断面を一度だけ通過して第１と第２のそれぞれの超伝導体電極を電気的に接続した単独の弱結合を形成し、前記弱結合を有する構成単位を複数備え、
上記の複数の構成単位について、両端を除くそれぞれの構成単位の第１の超伝導体電極は、隣の第２の超伝導体電極と接続されるように連なる直列接続され、その両端においては、第１の超伝導体電極あるいは第２の超伝導体電極は、引き出し線に接続されている素子であって、
上記のブリッジ配線が通過する絶縁膜の断面は、上記の引き出し線間に設けられた全ての構成単位について、同じ方向を向くように配置する。

また、他の特徴として、第１の超伝導体電極と第２の超伝導体電極とは、同じ材料で作ることで、製造装置及び工程の簡易化ができる。

また、他の特徴として、超伝導体導線と第１の超伝導体電極と第２の超伝導体電極とは、同じ材料で作る。この場合、弱結合部を形成する超伝導体導線は、上述の様に薄く、細く作製するため自然に異なった材料特性を持つものとなるが、いずれにしても、製造装置及び製造工程の簡易化の面で利点がある。

また、他の特徴として、上記弱結合の最短長は、超伝導のコヒーレント長の０．３倍から６倍の長さになるようにする。これは、Ｎ領域両端の二つのＳＮ界面における多重アンドリーフ反射による電流輸送特性から顕著な負性抵抗を実現するためである。

また、他の特徴として、上記弱結合の長さは５から３０ｎｍ以内であり、その幅は１５から１００ｎｍ以内であり、厚さは５から３０ｎｍ以内であるようにする。これも、メゾスコピックなＳＮＳ素子としての同上の効果が得られる現実的な加工サイズ面からの条件であり、顕著な負性抵抗を実現するためである。

また、他の特徴として、第１の超伝導体電極と第２の超伝導体電極は、検出する電磁波の波長の５倍以下の半径の円に収まるサイズにすることができる。これは、一定の面積の検出器を作成する場合に、個々の素子を小さくして高感度で検出し、また、多数の素子を直列にして所定の面積にすることで、大面積を高感度でカバーする検出器を実現するためのものである。ＳＮＳ素子は、ミリ波帯からＸ線、γ線の他、その他の高エネルギー粒子線の検出器としても極めて優れた性能が期待される。ここにおける波長と電極サイズの目安は、検出対象とする電磁波のエネルギーが、超伝導体のエネルギーギャップを超える短波長の電磁波、赤外線、紫外線、Ｘ線、γ線、その他の高エネルギー粒子線が対象となる場合であり、電磁波、又は高エネルギー粒子線の等価波長に比べ大きすぎず、分解能と感度を低下させることが無いための目安である。超伝導体のエネルギーギャップよりも大きなエネルギーを持つ短波長の電磁波が超伝導体に入射すれば、多数の準粒子を励起するとして、もし超伝導電極が大きすぎる場合、ＳＮＳ素子のコンダクタンス変化として検出される前に超伝導電極中で緩和してしまう確率が高くなり、結果として検出感度を低下させる。これは、一般の光導電性の検出器の大面積化と高検出感度化のジレンマの問題であるが、直列のＳＮＳ素子の場合、直列に接続されたＳＮＳ接合素子アレーの電極のどの部分で発生する準粒子励起も直列素子全体のコンダクタンス変化として検出される。電極サイズと直列数を選択すれば、任意の面積の超高感度検出器を実現することができる。しかも、数百ＧＨｚ級の応答速度を備えている。遠赤外線から赤外線領域であれば、単一光子の検出が十分可能である。また、電極サイズと直列数を適宜選択することにより、ニュートリノ、プロトン、ニュートロン等の素粒子の検出器として利用することができる。

また、他の特徴として、上記ブリッジ配線は、常伝導体又は超伝導体のいずれかであるようにする。

また、他の特徴として、上記ブリッジ配線を構成する材料が、ニオブ、窒化ニオブ、銅、金、タングステン、チタン、アルミニウム、あるいはビスマス、若しくはこれらの金属を少なくとも１種を含む常伝導体又は超伝導体の化合物を使用することができる。

また、他の特徴として、上記弱結合の形成される領域において、第２の超伝導体電極と、上記ブリッジ配線の製造を、ベクトルスキャン型の電子ビーム露光装置で行い、そのスキャン方向は、互いに直角の方向である製造プロセスを用いて製造したものを用いる。これは、上記の電磁波検出素子の特性のバラつきを抑制するためである。

また、他の特徴として、上記の電磁波検出素子を１次元あるいは２次元状に配列して負性抵抗領域内のバイアス電圧に保持して、これに測定しようとする電磁波を照射し、それぞれの電磁波検出素子の電圧−電流特性を、センスアンプを通じて順次読み取ることで、上記の測定しようとする電磁波の１次元あるいは２次元測定を行う。上記の素子を、このように１次元あるいは２次元配列にして、その電気信号を読み取ることで、高感度の１次元あるいは２次元イメージセンサである電磁波検出装置を実現できる。

また、他の特徴として、受信機に用いる上記の電磁波検出素子に、受信した信号と受信機側で発生させた局部発振信号とをバイアス電圧に重畳して供給し、上記の電磁波検出素子の非線形応答特性を用いて混合し、前記の混合された信号から、受信した信号と局部発振信号との差周波数を選択して増幅するヘテロダイン型の検出を行う。

また、他の特徴として、電磁波検出素子において、動作温度を、上記ブリッジ配線が電磁波信号との結合により常伝導と超伝導との臨界状態となる温度に保つことで、電磁波を高感度検出することができる。

また、他の特徴として、上記の電磁波検出素子において、受信した信号と受信機側で発生させた局部発振信号とをバイアス電圧に重畳して上記電磁波検出素子に供給し、
動作温度を、上記ブリッジ配線が電磁波信号との結合により常伝導と超伝導との臨界状態となる非平衡状態を生じる温度に保つことで、
上記の非線形応答特性を用いて、上記受信した信号と上記局部発振信号とを混合し、
前記の混合された信号から、受信した信号と局部発振信号との差周波数を選択して増幅する。これにより、電磁波をヘテロダイン型で検出する高感度な電磁波検出装置を実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。先ず本発明の実施形態について第１図を用いて説明する。

本発明の電磁波検出素子を形成するためのプロセス例を以下に示す。
（１）例えばシリコン基板などの平坦な基板の表面に酸化膜を、熱酸化やデポジションで形成した基板の上に、第５図に示す配置で、ニオブ、窒化ニオブ、ＭｇＢ_２、酸化物系超伝導材料などの超伝導体１の膜を、膜厚１００ｎｍで形成し、通常のリソグラフィー技術でパターニングする。この厚さは、５０ｎｍから３００ｎｍの厚さでもよい。また、パターニングにおいては、超伝導体１は第１の電極となるので、そのサイズは、大きさの上限として赤外線までの電磁波に対しては、検出する電磁波の波長の５倍以下の半径の円に収まるサイズ、紫外線よりも高エネルギーの電磁波、粒子線を含め全体としてのサイズの下限として１〜５μｍ程度であることが望ましい。
（２）次に、パターニングされた超伝導体１に熱酸化またはデポジションで絶縁膜を膜厚５から１３ｎｍで形成する。
（３）次に、ニオブ、窒化ニオブ、ＭｇＢ_２、酸化物系超伝導材料などの超伝導体２の膜を、膜厚１００ｎｍで形成し、電子ビーム（ＥＢ）露光を用いたリソグラフィー技術でパターニングする。この露光では、ベクトルスキャンを行いスキャン方向は、第６図の方向２のように、弱結合のための細線３に直角になるようにする。この超伝導体膜２のパターンは、第５図に示すように、超伝導体膜１のパターンに一部重なるようにする。また、このパターニングで、前記の絶縁膜を除去しておく。また、パターニングにおいては、超伝導体２は第２の電極となるので、そのサイズは、１〜５μｍ程度以上であるか、赤外線より長波長である場合、検出する電磁波の波長の５倍以下の半径の円に収まるサイズであることが望ましい。
（４）次に、その上に、ニオブ、窒化ニオブ、銅、金、タングステン、チタン、アルミニウム、ＭｇＢ_２、酸化物系超伝導材料あるいはビスマス膜を厚さ５〜３０ｎｍで形成し、電子ビーム露光を用いたリソグラフィー技術で１５から２５０ｎｍの幅でパターニングしてブリッジ配線を形成し、これによって弱結合を実現する。上述したように、このパターニングにおいては、超伝導体２の膜のＥＢ露光におけるスキャン方向と直角の方向にスキャンする。この際、常伝導体導線あるいは超伝導体導線の第１の超伝導体電極と第２の超伝導体電極とを接続する最短長は、超伝導のコヒーレント長の０．３倍から６倍の長さが望ましい。このブリッジ配線は、接近した複数の微細配線をもって、ひとつの弱結合用のブリッジ配線とすることもできる。このブリッジ配線は、１次元伝導体であることが望ましい。
（５）次に、必要な場合は保護膜を設け、リード線を設けるための窓を形成してリード線４をつける。

また、この素子の動作は、超伝導現象が発現する超伝導電極の超伝導転移温度以下の低温で行うことは当然である。

さらに、超伝導電極としては、Ｔｃの高い金属系のＭｇＢ₂、酸化物系超伝導体を組み合わせることにより冷凍機で容易に達成できる１０Ｋ〜１００Ｋで動作するＳＮＳ接合の構成をもつ電磁波検出素子を実現することができる。

上記の製造プロセスにおいて、細線３を超伝導体２膜のパターンの同じ方向の側面のみに設けることは、直列接続とする場合には重要である。例えば、第７図に示す様に、超伝導体２膜のパターンの左右に交互になるような配置で、細線３を超伝導体２膜のパターンの相対する側面に設けた場合の個々のＳＮＳ素子の特性は、第４図の点線や実線に示す様に、超伝導電流の最大値がばらついてしまう。また、直列接続の超伝導電流の最大値は、そのなかで最も小さい最大値となる。このようにばらつきが生じる原因は、ＥＢ露光における２次電子の分布の下地パターン依存性、露光時の位置あわせのズレや、エッチングのパターン依存性、などによって発生する事が知られている。

本発明による、ＳＮＳおよびＳＳ'Ｓ接合を複数接続し、電磁波検出器として用いる場合、大きく以下の２つに分類することができる。まず、対象とする電磁波周波数が低く、電磁波のエネルギーが第一および第二の超伝導電極のエネルギーギャップより小さな場合である。この場合、ＳＮＳ（またはＳＳ'Ｓ）接合を複数個直列に接続し、インピーダンス整合を確保するための高抵抗化と低容量化、あわせて高ダイナミックレンジ化を実現し、非線形性と同時に負性抵抗領域による増幅作用も利用できる。

また、高インピーダンス直接検波型の利用においては、直列アレー化により、必要な高インピーダンス条件を実現できる。

電磁波エネルギーの小さいマイクロ波〜サブミリ波の周波数帯の電磁波検出素子として用いる場合で、ゼロ電圧に於ける最大電流の変化を電磁波検出に用いる場合、波長に比較し十分小さい、通常のフォトリソグラフィで実現できる３μｍ〜１００μｍの大きさが適している。

実際に測定した例を第１２図に示す。これは、弱結合の数で５段の例であり、リード線を、超伝導体１と２とに設けたものである。電極および弱結合は窒化ニオブの蒸着により形成されており、第１２図は、メゾスコピックＳＮＳ接合の電流−電圧特性を表すものである。

第８図は、電磁検出素子１０を用いて、電磁波を検出する際のバイアス電圧の位置を示している。このように、負性抵抗領域のゼロに近い小さな電圧位置にバイアス電圧を設定するとより高感度に、電磁波照射のオン／オフによって、第８図の点線／実線のように、電流が変化する。直列接続により数倍以上に拡大された電圧バイアス条件が確保されれば、実用的なバイアス設定が可能となり電磁波を高感度に検出することができる。

次に、対象とする電磁波周波数が第１および第２の超伝導電極のエネルギーギャップを超える場合、超伝導電子対を直接破壊し、大量の準粒子を発生し、超伝導電極事態に直接強い変化を生じさせる現象を効果的に用いた電磁波検出素子として利用できる。

この場合、波長数μｍ以上（数μｍ〜２００μｍ）の遠赤外領域では、電極寸法は、実質的な加工技術上、超伝導電極の寸法としては、３〜５０μｍで、アンテナと一体化し電磁波と結合し易い構造とするのが良い。

さらに、高エネルギーの電磁波である赤外〜紫外、さらには、Ｘ線、γ線の領域では、ＳＮＳ（またはＳＳ’Ｓ）の構造自体を実現し易い、２〜１００μｍの検出素子のサイズで良く、高エネルギーの光子を面で受け、その結果励起される大量の準粒子による強い非平衡状態による効果を検出するメカニズムが支配的になる。超伝導電極の膜厚は５０〜３００ｎｍの範囲で選択する。高エネルギーであるほど薄膜の透過性が高いので膜厚を厚めの２００〜３００ｎｍに選び、赤外域では、１００ｎｍ前後で光子入射による非平衡効果が強く出る膜厚と組み合わせて選ぶのが良い。

本発明による多数直列に接続された電磁波検出素子を、波長に比べはるかに広い範囲に、大面積をカバーするように直列に分布配置することで、高感度で大面積の受光面を持つ電磁波検出装置を実現できる。

実際に測定した例を第１３図に示す。これは、第１２図の例に、２５ＧＨｚの電磁波を照射したものである。この第１３図は、メゾスコピックＳＮＳ接合の電流−電圧特性を表すものである。

第９図は、この電磁検出素子１０を用いて検出セル２０を構成する場合のブロック図を示す。電磁検出素子１０には、バイアス回路２１から第８図に示すように負性抵抗領域のバイアス電圧が印加され、電流の変化は、負荷２２によって電圧の変化としてセンスアンプ２３でこの変化を検出する。センスアンプ２３の出力は、行アドレスを指定する信号によって制御されるスイッチ回路を通じて信号線に送られる。

第９図の検出セル２０をマトリクス状に配列する場合の構成を第１０図に示す。第１０図においては、３×３のマトリクスの例を示すが、３×１構成とすることによって、１次元の検出ができることは明らかである。超伝導電極のサイズを小さくした小型の検出セルにより、同じ面積内の検出セル２０の数を増やすことによって、検出時の分解能を高くすることができる事もまた明らかである。

上記の電磁波検出素子１０を、周波数混合に用いる例を、第１１図に示す。電磁波検出素子１０は、局部発振信号が透過可能な窓３１を壁面の一部に設けてなる真空断熱容器３０内で液体ヘリウム３３により冷却されている。電磁波検出素子１０で受信した微弱信号とあわせて受信機側で用意した局部発振信号を結合させ、バイアスＴの低域濾波器を経由して負性抵抗領域にバイアス電圧源３４を設定し直流電流を供給し、冷却されたミキサーブロック３２中の電磁波検出素子１０の非線形応答特性を用いて周波数混合し、バイアスＴに内蔵されたミリ波のチョークフィルタを介して差周波数信号成分を取り出し低雑音増幅器３５で増幅し受信出力を得るヘテロダイン型の検出を行うものである。

本発明の素子の負性抵抗を電磁波の増幅に利用する場合は、電磁波との相互作用によって、超伝導状態が破られないことが必要条件であるが、数ＧＨｚのマイクロ波〜数百ＧＨｚ帯の微弱な電磁界に対しては、超伝導状態が破られないことが知られており、この波長領域での微小電力増幅に使用することができる。

また、第８図に示す様に、超伝導電流の変化を検出して電磁波の検出とする場合は、検出素子の一部で超伝導状態が、破られることが必要である。これは、赤外線よりも波長の短い領域の電磁波で引き起こされることが知られており、このような電磁波の検出に本発明を適用することができる。

上記の説明においては、ＳＮＳ構造としているが、細線３として超伝導膜を用いることができる。この場合は、超伝導体１あるいは２と同じ材料を用いることができるが、細線３の膜厚を５〜５０ｎｍの範囲にすることで、エネルギーギャップの小さな、超伝導転移温度Ｔｃが、第一および第二の超伝導電極のＴｃに比較して低く構成することができる。微細化構造の形成と併せてエネルギーバンド構造を変化させておくことが必要である。このように、エネルギーバンド構造を変化させた超伝導体をＳ'とすると、ＳＳ'Ｓ構造となる。このＳ'のエネルギーバンド構造の変化は、微細化による効果であるから影響を受けやすく、そのサイズのばらつきには敏感である。本発明の効果は、このような構造において特に重要であり顕著である。

第１図は、ＳＮＳ構造の電圧−電流特性を示す図である。第２図は、直列接続したＳＮＳ構造の電圧−電流特性を示す図である。第３図は、本発明と対比するトンネルダイオードに特性を示す図である。第４図は、直列接続したＳＮＳ構造の特性バラつきに依る特性劣化を示す図である。第５図は、直列接続の場合の弱結合用の細線の望ましい配置を示す図である。第６図は、製造プロセスにおけるＥＢ露光のスキャン方向例を示す図である。第７図は、直列接続の場合の弱結合用の細線の望ましくない配置を示す図である。第８図は、電磁波検出の際のバイアス点を示す図である。第９図は、配列するためのセルの構成例を示す図である。第１０図は、２次元配列の検出装置例を示す図である。第１１図は、本発明の素子を周波数混合に用いる例を示す図である。第１２図は、実際に測定した例を示す図である。第１３図は、ＲＦを照射して実際に測定した例を示す図である。

１、２超伝導体
３細線
４リード線
１０電磁検出素子
２１バイアス回路
２２負荷
２３センスアンプ
２４スイッチ回路
２５信号線
２６行アドレス指定

Claims

平坦な電気的に絶縁性の基板上に、第１の超伝導体電極と、前記第１の超伝導体電極の上部に５以上１０ｎｍ以下の絶縁膜を挟んで第２の超伝導体電極と、を備え、
前記第２の超伝導体電極およびその断面の一部と上記の絶縁膜とその断面の１部とが重なって配置され、幅１００ｎｍ以下、厚さ１００ｎｍ以下のブリッジ配線によって、前記の絶縁膜の前記の断面を一度だけ通過して第１と第２のそれぞれの超伝導体電極を電気的に接続した単独の弱結合を形成し、前記弱結合を有する構成単位を複数備え、
上記の複数の構成単位について、両端を除くそれぞれの構成単位の第１の超伝導体電極は、隣の第２の超伝導体電極と接続されるように連なる直列接続され、その両端においては、第１の超伝導体電極あるいは第２の超伝導体電極は、引き出し線に接続されている素子であって、
上記のブリッジ配線が通過する絶縁膜の断面は、上記の引き出し線間に設けられた全ての構成単位について、同じ方向を向くように配置されたものであることを特徴とする電磁波検出素子。
上記弱結合の最短長は、超伝導のコヒーレント長の０．３倍から６倍の長さであることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出素子。
上記弱結合の長さは５から３０ｎｍ以内であり、その幅は１５から１００ｎｍ以内であり、厚さは５から３０ｎｍ以内であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電磁波検出素子。
上記ブリッジ配線は、常伝導体又は超伝導体のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電磁波検出素子。
上記ブリッジ配線を構成する材料が、ニオブ、窒化ニオブ、銅、金、タングステン、チタン、アルミニウム、あるいはビスマスであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電磁波検出素子。
第２の超伝導体電極と、上記ブリッジ配線の製造を、ベクトルスキャン型の電子ビーム露光装置で行い、そのスキャン方向は、互いに直角の方向である製造プロセスを用いて製造したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電磁波検出素子。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の電磁波検出素子を１次元あるいは２次元状に配列し、これに測定しようとする電磁波を照射し、それぞれの電磁波検出素子の電圧−電流特性を、センスアンプを通じて順次読み取ることで、上記の測定しようとする電磁波の１次元あるいは２次元測定を行うことを特徴とする電磁波検出装置。
受信機に用いる請求項１から請求項６のいずれかに記載の電磁波検出素子に、受信した信号と受信機側で発生させた局部発振信号とをバイアス電圧に重畳して供給し、上記の電磁波検出素子の非線形応答特性を用いて混合し、前記の混合された信号から、受信した信号と局部発振信号との差周波数を選択して増幅するヘテロダイン型の検出を行うことを特徴とする電磁波検出装置。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の電磁波検出素子において、上記ブリッジ配線を電磁波信号との結合により超伝導状態の臨界状態となる温度に保つことで、電磁波を高感度検出することを特徴とする電磁波検出装置。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の電磁波検出素子において、
受信した信号と受信機側で発生させた局部発振信号とをバイアス電圧に重畳して供給し、上記ブリッジ配線を電磁波信号との結合により超伝導状態の臨界状態となる非平衡状態を生じる温度に保つことで、上記の非線形応答特性を用いて混合し、
前記の混合された信号から、受信した信号と局部発振信号との差周波数を選択して増幅するヘテロダイン型の検出を行うことを特徴とする電磁波検出装置。