JP5737669B2 - 超伝導トンネル接合検出器 - Google Patents
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Description
この検出器は、フォトンの基板への入射によって基板中で発生したフォノンを、超伝導トンネル接合素子に吸収させ、それによって超伝導トンネル接合素子から信号電荷を取り出す、所謂基板吸収型の超伝導トンネル接合検出器である。
係る構成では、集光用レンズを備えることで、基板に対するフォトンの入射量が増加し、基板中を単体の超伝導トンネル接合素子に向けて伝播するフォノンの量も増加し、超伝導トンネル接合素子に伝播するフォノンの増加により、トンネルバリアを通過できる準粒子の量が増加して信号レベルが上がり、感度が向上する。また、格子状部材の各格子空間に超伝導トンネル接合素子と対をなす集光用レンズをそれぞれ固定することで、集光用レンズを超伝導トンネル接合素子に対向する位置に容易に配置できる。
係る構成では、複数の超伝導トンネル接合素子を相互に直列に結合することによって、ノイズとなるリーク電流を増加させずに、信号出力を上げることができ、S/N比を向上させることができる。
係る構成では、並列結合によって、同時に複数画素の素子の信号を得ることができ、光学走査が不要なデバイス単体での画像化が可能となる。
係る構成では、半球レンズの平面側を基板の端面に密着させることで、集光用レンズの固定安定性がよく、高い集光性能を安定して得ることができる。
図1は、本発明の実施形態における超伝導トンネル接合検出器の超伝導トンネル接合素子を示す断面図であり、本実施形態の検出器は、テラヘルツ波(THz波)の検出用として設定してある。
即ち、STJ素子10は、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超伝導電極12、数ナノメートルの厚さの絶縁膜からなるトンネルバリア13、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超伝導電極14の積層体を備え、また、下部超伝導電極12と上部超伝導電極14との間における電気的絶縁をとるための二酸化ケイ素SiO2などからなる層間絶縁膜15を備える。
更に、層間絶縁膜15に設けたコンタクトホール15aを介して上部超伝導電極14に接続する配線層16、及び、基板11表面に積層した下部超伝導電極12に接続するグランド層17を備える。
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、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。ここで超電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、超電導エネルギーギャップの値がより小さい材料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。
尚、本実施形態の検出器は、テラヘルツ波を検出対象とするため、基板11の材料としてテラヘルツ波を吸収し易いLiNbO3やLiTaO3を用いるが、本願発明の検出器は、検出対象をテラヘルツ波に限定するものではなく、可視光や放射線などであってもよく、従って、基板材料としてサファイア基板などを用いてもよい。
集光用レンズ21は、半球状のマイクロレンズであり、基板11に接合する格子状部材22の格子内に固定した状態で、半球の平面側が基板11の端面に密着するようにして設置してある。格子状部材22は、短冊状の部材を縦横に組み合わせたような形状であり、基板11を貫通する方向に幅を持つ略正方形のレンズ収容空間を縦横に複数形成し、複数の格子空間のうちで単体のSTJ素子10に対向する位置の格子空間内に、集光レンズ21を固定してある。
図2に示した例では、12個のSTJ素子10を、2行6列(図2で左右方向を行、上下方向を列とする)で基板11上に配置し、係るSTJ素子10の配列に対応する格子間隔に設定した格子状部材22のSTJ素子10と対向する部分それぞれに集光用レンズ21を固定し、STJ素子10とレンズ21との対を12組備えている。
これにより、レンズやフィルタなどを介して複数のSTJ素子10を含む広範囲に照射されるテラヘルツ波は、集光用レンズ21によって、各集光用レンズ21が対向する単体のSTJ素子10に向けて更に集光されることになり、フォトンの集光効率が向上する。
尚、図2に示す検出器においては、複数のSTJ素子10が直線的に左右方向に並ぶ行毎に、複数のSTJ素子10に共通のグランド層17a,17bを設け、これらグランド層17a,17bを、共通するグランド用PAD17cに接続している。
上記のように集光用レンズ21をSTJ素子10毎に備える構成では、集光用レンズ21を備えない場合に比べて、基板11に照射するフォトンの集光効率が向上し、基板11に対するフォトンの入射量が増加することで基板11内を伝播するフォノンの量も増加する。
また、検出感度を上げるために設ける集光用レンズ21を、格子状部材22の格子内に固定するので、STJ素子10の位置に合わせてレンズ21を配置することが容易であり、更に、半球状の集光用レンズ21の平面側を基板11の端面に密着させるように固定するから、レンズ21を安定して固定でき、高い集光性能を安定して得ることができる。
図4は、複数のSTJ素子10を直列結合した例(直列アレイ型の例)を示す。
この検出器は、図4(A)に示すように、9個のSTJ素子10を3個×3個の行列をなすように基板11上に配置し、行列の4つの隅位置のうちの1つに位置するSTJ素子10を基点とし、この基点に対して対角線上に位置するSTJ素子10に向けて惰行するように、隣接する2つのSTJ素子10の下部超伝導電極12と上部超伝導電極14とを結合させることで、9個のSTJ素子10を直列結合している。
このようにして、複数のSTJ素子10を直列結合すれば、ノイズとなるリーク電流を増加させずに信号出力を上げることができ、更に、複数のSTJ素子10それぞれに対向させて集光用レンズ21を設けたことによって信号出力が上がるので、より一層高い感度でS/N比の高い検出を行える。
この検出器は、図5(A)に示すように、24個のSTJ素子10を4個×6個の行列をなすように配置し、これらのSTJ素子10の下部超伝導電極12を共通のグランドPAD17cに接続する一方、各STJ素子10の上部超伝導電極14に対して相互に独立して接続する24個の配線層16を設けてある。
このようにして、複数のSTJ素子10を並列結合すれば、同時に複数画素の素子の信号を得ることができ、光学走査が不要なデバイス単体での画像化(二次元のテラヘルツ光検出)が可能となり、また、集光用レンズ21を設けたことで個々の素子の感度が高くなり、高い精度の画像を得ることができる。
図6〜図8は、STJ素子10の作製プロセスを示し、図6(A)に示す第1工程では、SIS構造(Superconducting‐insulator‐Superconducting構造)、即ち、Nb/Al‐AlOx/Al/Nb構造の薄膜51を、基板11上にスパッタリングによって堆積させる。AlOxはトンネルバリア(トンネル障壁)で、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6(C)に示す第3工程では、反応性イオンエッチング(RIE)装置により上部超伝導電極14、トンネルバリア13及び下部超伝導電極12の一部を削り、残ったレジスト52はアセトンなどの有機溶剤で超音波洗浄して取り除く。
図6(D)に示す第4工程では、図6(B)に示した第2工程と同様の方法で、レジスト52を下部超伝導電極12の形状にパターンニングして現像する。
図7(B)に示す第6工程では、スパッタリング装置を用いて層間絶縁膜15を堆積させる。
図7(D)に示す第8工程では、図6(C)に示した第3工程と同様の方法で、エッチングを行い、レジスト52を取り除く。
図8(B)に示す第10工程では、図6(B)に示した第2工程と同様の方法で、レジスト52を配線層16、PADの形状にパターニングし、現像する。
図8(C)に示す第11工程では、図6(C)に示した第3工程と同様の方法で、エッチングを行い、レジストを取り除く。
上記の第1工程〜第11工程によって、STJ素子10を作製する。
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。
例えば、上記実施形態では、集光用レンズ21を格子状部材22の格子内に固定したが、格子状部材22を用いずに集光用レンズ21を固定することができ、また、複数の集光用レンズ21を一列に並べて一体化したレンズアレイを複数平行に基板11に対して固定してもよい。
更に、下部超伝導電極12と配線とを、層間絶縁膜15に設けたコンタクトホールを介して接合させてもよい。
また、複数のSTJ素子10を環状に並べてもよく、STJ素子10が、チョークフィルタやアンテナ(ボータイアンテナなど)を備えても良い。
11 基板
12 下部超伝導電極
13 トンネルバリア
14 上部超伝導電極
15 層間絶縁膜
21 集光用レンズ
22 格子状部材
Claims (4)
- フォトンの基板への入射によって前記基板中で発生したフォノンを、前記基板上に複数搭載した超伝導トンネル接合素子に吸収させる超伝導トンネル接合検出器であって、前記超伝導トンネル接合素子の配列に対応する格子間隔の格子状部材を前記基板のフォトン入射側の端面に接合し、前記格子状部材の各格子空間に前記超伝導トンネル接合素子と対をなす集光用レンズをそれぞれ固定した、超伝導トンネル接合検出器。
- 前記複数の超伝導トンネル接合素子を相互に直列に結合した請求項1記載の超伝導トンネル接合検出器。
- 前記複数の超伝導トンネル接合素子を相互に並列に結合した請求項1記載の超伝導トンネル接合検出器。
- 前記集光用レンズとして半球レンズを用い、該半球レンズの平面側を前記基板の端面に密着させて前記格子状部材の各格子空間に固定した請求項1〜3のいずれか1つに記載の超伝導トンネル接合検出器。
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