JP5940835B2 - 超伝導トンネル接合検出器 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
STJ素子13は、基板11の上に、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。
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。
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の上面11aを掘り込むことによって形成することができる。
配線用層14の材料としては、例えば、基板11と同じ材料を用いることができる。一例として、配線用層14は、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)やサファイアなどで形成される結晶薄膜(結晶基板)であり、基板11の上面11aに対して例えば接着剤で接合される。
STJ素子13及びグランド層15はSiO2(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(a)に示す第1工程では、基板11の上面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。
配線用層14の材料としては、LiNbO3(ニオブ酸リチウム)、サファイア以外の適当な特性の材料を用いることができる。配線用層14の材料として要求される特性としては、強度、屈折率、フォノンインピーダンス、平坦性、厚さ、絶縁性、接着剤との相性などがある。
例えば、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など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程度とすることができる。
ここで、配線用層14の厚さと溝12a〜12dの深さとの比率で、フォトンの検出効率の向上効果が得られる値を特定することができ、例えば、配線用層14の厚さに対して溝12a〜12dの深さをn倍以上にするとして、配線用層14の厚さと溝12a〜12dの深さとの相関を限定することができる。
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4(a)に示す第5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(c)に示す第7工程では、上記第5工程(図4(a))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(e)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(b)に示す第11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(d)に示す第13工程では、上記第5工程(図4(a))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。
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。
基板11の下面11b、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、その一部が配線用層14を介してSTJ素子13の下部電極31に到達する。
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。
すなわち、これまでは基板11の上面11a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。
また、本実施形態のように、基板11の上面11aに形成した溝12a〜12dの開放端を覆うように、配線用層14を上面11aに積層し、この配線用層14の上に、下部電極31及びグランド層15を形成するから、溝の形成が、上面11a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。
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、配線位置を避けるようにして、基板11の上面11a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。
更に、基板11の上面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の上面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。
Claims (3)
- 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、
前記基板の上面に、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、かつ、前記溝の開口を覆う配線用層を前記基板の上面に積層し、前記配線用層の上に前記超伝導トンネル接合素子の配線を形成した、超伝導トンネル接合検出器。 - 前記溝は、少なくとも前記下部電極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。
- 前記溝が、前記超伝導トンネル接合素子の下方領域を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。
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