JP5641420B2 - テラヘルツ検出器 - Google Patents

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。

本発明の一側面によると、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が基板上に形成されたテラヘルツ検出器は、テラヘルツ光を前記基板上の特定領域に集光させる集光手段を備え、前記複数のアンテナ部及び超伝導トンネル結合素子は、前記集光手段による前記テラヘルツ光のスポット内に円状に配置されている。

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。

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Ｂ−Ｂ断面図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 上記テラヘルツ検出素子の作製工程を示す図である。 上記テラヘルツ検出素子の作製工程を示す図である。 上記テラヘルツ検出素子の作製工程を示す図である。 複数のアンテナ部及び複数のＳＴＪ素子がテラヘルツ光のスポット内に配置されたテラヘルツ検出素子の一例を示す図である。

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〜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。

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。

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。

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。

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。

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、ＳｉＯ_２（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｉＯ_２など）７４を堆積させる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＳｉＯ_２（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。

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。

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

Claims (2)

1. 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が基板上に形成されたテラヘルツ検出器であって、
   テラヘルツ光を前記基板上の特定領域に集光させる集光手段を備え、
   前記複数のアンテナ部及び超伝導トンネル結合素子は、前記集光手段による前記テラヘルツ光のスポット内に円状に配置されている、テラヘルツ検出器。
2. 前記複数のアンテナ部のそれぞれは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に記載のテラヘルツ検出器。