JP5967610B2 - Photon detector using superconducting tunnel junction. - Google Patents

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Description

本発明は、超伝導体からなる下部電極、絶縁体からなるトンネルバリア、および超伝導体からなる上部電極が基板上に積層されて構成される、超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器に関するものである。   The present invention relates to a photon detector using a superconducting tunnel junction, in which a lower electrode made of a superconductor, a tunnel barrier made of an insulator, and an upper electrode made of a superconductor are laminated on a substrate. It is.

従来、フォトン検出器として主に半導体検出器が用いられてきたが、半導体検出器は半導体材料固有の性質により、これ以上の性能向上は見込めない。これに対し、超伝導トンネル接合(以下、STJ(=Superconducting Tunnel Junction)と記す)を用いたフォトン検出器は、近接するエネルギーを持つフォトンを弁別するエネルギー分解能に優れ、また、高速でのフォトン観測が可能であり、次世代のフォトン検出器として極めて有望である。   Conventionally, a semiconductor detector has been mainly used as a photon detector. However, the semiconductor detector cannot be further improved in performance due to the inherent properties of the semiconductor material. On the other hand, a photon detector using a superconducting tunnel junction (hereinafter referred to as STJ (= Superconducting Tunnel Junction)) is excellent in energy resolution for discriminating photons having close energy and high-speed photon observation. Therefore, it is extremely promising as a next-generation photon detector.

図1(a)は、STJを用いたフォトン検出器を構成するSTJ素子1の模式図である。STJ素子1は、超伝導体2および3の間に絶縁体4が挟まれて形成されている。STJ素子1を動作させる際には、STJ素子1は冷却され、熱による励起電流が減少させられる。また、超伝導体2および3の間にバイアス(Bias)電圧が印加される。ここで、STJには直流ジョセフソン電流が流れる。同図(b)に示すグラフは、STJ素子1の電流−電圧特性を示す。同グラフの横軸は電圧、縦軸は電流を表す。同グラフ内で、特性Bで表される直流ジョセフソン電流は、電圧が0で流れる。また、電圧の増加に対して電流が線形的に増加しない、極めて非線形性的なSTJ特有の特性Aが表れる。STJ素子1を動作させる際には絶縁体4に磁場が印加され、この磁場の印加により、直流ジョセフソン電流は抑制される。   FIG. 1A is a schematic diagram of an STJ element 1 constituting a photon detector using an STJ. The STJ element 1 is formed by sandwiching an insulator 4 between superconductors 2 and 3. When the STJ element 1 is operated, the STJ element 1 is cooled and the excitation current due to heat is reduced. In addition, a bias voltage is applied between the superconductors 2 and 3. Here, a DC Josephson current flows through STJ. The graph shown in FIG. 5B shows the current-voltage characteristics of the STJ element 1. In the graph, the horizontal axis represents voltage, and the vertical axis represents current. In the graph, the DC Josephson current represented by the characteristic B flows when the voltage is zero. In addition, a characteristic A unique to STJ that does not increase linearly with increasing voltage and that is extremely nonlinear appears. When the STJ element 1 is operated, a magnetic field is applied to the insulator 4, and the DC Josephson current is suppressed by applying this magnetic field.

同図(c)のエネルギーバンド図に示すように、STJ素子1において超伝導を担うクーパー対5は、上記のSTJ素子1の動作条件の下では、基底状態にされている。このSTJ素子1にフォトンが同図(a)に示す太い矢印のように入射し、対破壊エネルギー2Δ以上のエネルギーがクーパー対5に与えられると、クーパー対5は崩壊して励起状態の準粒子6となる。この準粒子6は絶縁体4の部分に形成されるSTJを通過し、トンネル電流を形成する。トンネル電流は、同図(b)に点線で示す電流電圧特性Cで表され、特性Aとの差分がアンプ(AMP)7によって増幅されて測定される。この測定により、STJ素子1に入射したフォトンの数やエネルギーが把握される。   As shown in the energy band diagram of FIG. 3C, the Cooper pair 5 responsible for superconductivity in the STJ element 1 is in the ground state under the operating conditions of the STJ element 1 described above. When a photon is incident on the STJ element 1 as shown by a thick arrow in FIG. 5A and energy of a pair breakdown energy of 2Δ or more is given to the Cooper pair 5, the Cooper pair 5 is collapsed to be a quasiparticle in an excited state. 6 The quasiparticle 6 passes through the STJ formed in the insulator 4 and forms a tunnel current. The tunnel current is represented by a current-voltage characteristic C indicated by a dotted line in FIG. 5B, and a difference from the characteristic A is amplified by an amplifier (AMP) 7 and measured. By this measurement, the number and energy of photons incident on the STJ element 1 are grasped.

対破壊エネルギー2Δは、半導体検出器では数eVであるのに対し、STJを用いたフォトン検出器では数meVで、格段に小さなエネルギーでクーパー対5は準粒子6となる。従って、STJを用いたフォトン検出器は優れたエネルギー分解能を呈する。   The breakdown energy 2Δ is several eV in the semiconductor detector, whereas it is several meV in the photon detector using the STJ, and the Cooper pair 5 becomes the quasiparticle 6 with much smaller energy. Therefore, the photon detector using STJ exhibits excellent energy resolution.

図2は、STJを用いた従来のフォトン検出器11の断面斜視図である。このようなフォトン検出器としては、非特許文献1に開示されたものがある。   FIG. 2 is a cross-sectional perspective view of a conventional photon detector 11 using an STJ. As such a photon detector, there is one disclosed in Non-Patent Document 1.

フォトン検出器11は、STJ素子12が基板13上に形成されて構成されている。STJ素子12は、超伝導体からなる下部電極14、絶縁体からなるトンネルバリアを含む層15、および超伝導体からなる上部電極16が、基板13上に積層されて形成されている。ここでは、下部電極14および上部電極16の超伝導体にNbが用いられており、厚さはそれぞれ200nmおよび150nmにされている。また、絶縁体であるトンネルバリアを構成するAlO層15bは、Al層15aの表面が酸化されて、数nmの厚さに形成されている。また、Al層15aおよびAl層15cは、フォトンの入射によって生じる2次電子を増幅するためのトラップ層であり、形成されない場合もある。 The photon detector 11 is configured by forming an STJ element 12 on a substrate 13. The STJ element 12 is formed by laminating a lower electrode 14 made of a superconductor, a layer 15 including a tunnel barrier made of an insulator, and an upper electrode 16 made of a superconductor on a substrate 13. Here, Nb is used for the superconductors of the lower electrode 14 and the upper electrode 16, and the thicknesses are 200 nm and 150 nm, respectively. The AlO x layer 15b constituting the tunnel barrier which is an insulator is formed to a thickness of several nm by oxidizing the surface of the Al layer 15a. The Al layer 15a and the Al layer 15c are trap layers for amplifying secondary electrons generated by the incidence of photons, and may not be formed.

STJ素子12が形成された基板表面にはSiOからなる層間絶縁膜17が350nmの厚さに形成されており、層間絶縁膜17の右上方にはNbからなる上部電極用配線層18が650nmの厚さに形成されている。上部電極用配線層18はコンタクトホール19を介して上部電極16に接続されている。また、図示はしていないが、層間絶縁膜17の左上方にはNbからなる下部電極用配線層が形成されており、上部電極用配線層18と同様にコンタクトホールを介して下部電極14に接続されている。 An interlayer insulating film 17 made of SiO 2 is formed to a thickness of 350 nm on the surface of the substrate on which the STJ element 12 is formed, and an upper electrode wiring layer 18 made of Nb is 650 nm on the upper right side of the interlayer insulating film 17. It is formed in the thickness. The upper electrode wiring layer 18 is connected to the upper electrode 16 through a contact hole 19. Although not shown, a lower electrode wiring layer made of Nb is formed on the upper left side of the interlayer insulating film 17, and is connected to the lower electrode 14 through a contact hole in the same manner as the upper electrode wiring layer 18. It is connected.

図3(a)〜(h)および図4(i)〜(k)は、上記のような従来のフォトン検出器11をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。なお、図3および図4において図2と同一または相当する部分には同一符号を付して説明する。   FIGS. 3A to 3H and FIGS. 4I to 4K are cross-sectional views showing a process for manufacturing the conventional photon detector 11 as described above using the lift-off method. In FIGS. 3 and 4, the same or corresponding parts as those in FIG.

フォトン検出器11の作製にあたり、最初に、基板13上にリフトオフ用のフォトレジスト21を形成する(図3(a)参照)。次に、基板13およびフォトレジスト21上に、下部電極14となるNb層22、トンネルバリアを含む層15となるAl−AlOまたはAl−AlO/Al層23、上部電極16となるNb層24を積層する(同図(b)参照)。次に、フォトレジスト21をリフトオフして下部電極14を形成する(同図(c)参照)。引き続き、上部電極加工用のフォトレジスト25を形成し(同図(d)参照)、フォトレジスト25をマスクとするエッチングによりトンネルバリア15および上部電極16を形成する(同図(e)参照)。 In producing the photon detector 11, first, a lift-off photoresist 21 is formed on the substrate 13 (see FIG. 3A). Next, on the substrate 13 and the photoresist 21, the Nb layer 22 that becomes the lower electrode 14, the Al—AlO x or Al—AlO x / Al layer 23 that becomes the layer 15 including the tunnel barrier, and the Nb layer that becomes the upper electrode 16 24 are stacked (see FIG. 4B). Next, the photoresist 21 is lifted off to form the lower electrode 14 (see FIG. 5C). Subsequently, a photoresist 25 for processing the upper electrode is formed (see FIG. 4D), and the tunnel barrier 15 and the upper electrode 16 are formed by etching using the photoresist 25 as a mask (see FIG. 5E).

次に、コンタクトホール形成用のフォトレジスト26を形成し(同図(f)参照)、引き続いて層間絶縁膜17を積層する(同図(g)参照)。その後、フォトレジスト26をリフトオフしてコンタクトホール19を形成する(同図(h)参照)。次に、配線層形成用のフォトレジスト27を形成し(図4(i)参照)、配線層28を堆積する(同図(j)参照)。その後、フォトレジスト27をリフトオフして上部電極用配線層18および下部電極用配線層20を形成し(同図(k)参照)、フォトン検出器11の作製を完成させる。   Next, a photoresist 26 for forming a contact hole is formed (see (f) in the figure), and then an interlayer insulating film 17 is laminated (see (g) in the same figure). Thereafter, the photoresist 26 is lifted off to form a contact hole 19 (see FIG. 11H). Next, a photoresist 27 for forming a wiring layer is formed (see FIG. 4I), and a wiring layer 28 is deposited (see FIG. 4J). Thereafter, the photoresist 27 is lifted off to form the upper electrode wiring layer 18 and the lower electrode wiring layer 20 (see FIG. 10 (k)), thereby completing the production of the photon detector 11.

また、STJ素子12の上部電極16に入射するフォトンの種類を選択するため、上部電極16の直上にある層間絶縁膜17aを除去し、除去した部分に吸収層を形成することがある。この吸収層により、フォトン検出器11に入射する所望のフォトンが捉えられて上部電極16に入射するようになり、所望のフォトンを効率よく検出することが可能になる。なお、ここではリフトオフ法によってフォトン検出器11を作製する場合について説明しているが、エッチング法によっても同様にしてフォトン検出器11を作製することが出来る。   Further, in order to select the type of photons incident on the upper electrode 16 of the STJ element 12, the interlayer insulating film 17a immediately above the upper electrode 16 may be removed, and an absorption layer may be formed in the removed portion. With this absorption layer, desired photons incident on the photon detector 11 are captured and incident on the upper electrode 16, so that it is possible to efficiently detect the desired photons. Although the case where the photon detector 11 is manufactured by the lift-off method has been described here, the photon detector 11 can be similarly manufactured by the etching method.

IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.13, NO.2, JUNE 2003, pp.119〜122IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.13, NO.2, JUNE 2003, pp.119-122

上記従来のSTJを用いたフォトン検出器11は、上記のように作製に多くのプロセスが必要とされるため、作製コストを削減するのが難しく、また、作製の歩留まりが低かった。また、エッチング法による層間絶縁膜17へのコンタクトホール19の形成や層間絶縁膜17上への配線層28の堆積により、STJ素子12に悪影響が与えられ、フォトン検出器11としての特性が劣化することが考えられる。また、基板13上に各種の層が突出して積層されてフォトン検出器11が形成されるため、このフォトン検出器11上にさらに他の素子を立体的に積層して回路の集積度を高めることは難しかった。また、STJ素子12の上部電極16上に吸収層を形成することで、検出するフォトンを選択できるようになるが、上部電極16の直上にある層間絶縁膜17aを除去し、除去した部分に吸収層を形成するのにはさらに多くの作製プロセスが必要とされ、手間がかかった。   Since the photon detector 11 using the conventional STJ requires many processes for production as described above, it is difficult to reduce the production cost and the production yield is low. Further, the formation of the contact hole 19 in the interlayer insulating film 17 by the etching method and the deposition of the wiring layer 28 on the interlayer insulating film 17 adversely affects the STJ element 12, and the characteristics as the photon detector 11 are deteriorated. It is possible. Further, since various layers are projected and stacked on the substrate 13 to form the photon detector 11, another element is further stacked three-dimensionally on the photon detector 11 to increase the degree of circuit integration. Was difficult. Further, by forming an absorption layer on the upper electrode 16 of the STJ element 12, it becomes possible to select photons to be detected. However, the interlayer insulating film 17a immediately above the upper electrode 16 is removed, and the removed portion absorbs the photons. More formation processes were required to form the layer, which was troublesome.

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
超伝導体からなる下部電極、絶縁体からなるトンネルバリア、および超伝導体からなる上部電極が基板上に積層されて構成されるSTJを用いたフォトン検出器において、
下部電極、トンネルバリア、および上部電極から構成されるSTJ素子が、基板の表面に窪んで形成された穴に埋め込まれて形成され、上部電極の表面と基板の表面との高低差が上部電極の厚さ分の範囲内に設定されていることを特徴とする。
The present invention has been made to solve such problems,
In a photon detector using an STJ in which a lower electrode made of a superconductor, a tunnel barrier made of an insulator, and an upper electrode made of a superconductor are stacked on a substrate,
An STJ element composed of a lower electrode, a tunnel barrier, and an upper electrode is formed by being embedded in a hole formed in a recess in the surface of the substrate, and the difference in height between the surface of the upper electrode and the surface of the substrate is It is characterized by being set within the thickness range .

従来のSTJを用いたフォトン検出器では、上部電極が基板表面から下部電極およびトンネルバリアの厚さ分離れた高さにあり、上部電極に接触する配線層を形成するのには、STJ素子を覆う層間絶縁膜および上部電極を露出させるコンタクトホールが必要とされた。しかし、本構成によれば、STJ素子が基板の表面に窪んで形成された穴に埋め込まれて形成されることで、上部電極の基板表面からの高さを下部電極およびトンネルバリアの厚さ分以上低くすることが出来る。従って、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成すること無く、上部電極に接触する配線層を基板表面に形成することが出来る。このため、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成する従来の作製プロセス、および層間絶縁膜作製用の装置が不要になり、STJを用いたフォトン検出器の作製プロセスおよび作製装置は大幅に簡略化される。この結果、作製の歩留まりは向上し、作製コストは削減される。また、層間絶縁膜を作製しないので、従来の、層間絶縁膜へのコンタクトホールの形成や層間絶縁膜上への配線層の堆積により、STJ素子に悪影響が与えられることがなく、フォトン検出器としての特性が劣化することは無い。また、基板上に突出すること無くSTJ素子を形成することが出来るため、このSTJ素子から構成されるフォトン検出器上にさらに他の素子を立体的に積層して容易に3次元実装することが出来る。このため、回路の集積度を容易に高めることが可能となり、また、STJを用いたフォトン検出器のアレイ化を容易に行える。   In a conventional photon detector using an STJ, the upper electrode is at a height separated from the substrate surface by the thickness of the lower electrode and the tunnel barrier, and an STJ element is used to form a wiring layer in contact with the upper electrode. A contact hole for exposing the covering interlayer insulating film and the upper electrode was required. However, according to this configuration, the STJ element is formed by being embedded in a hole formed in the surface of the substrate so that the height of the upper electrode from the substrate surface is equal to the thickness of the lower electrode and the tunnel barrier. It can be lowered. Therefore, a wiring layer in contact with the upper electrode can be formed on the substrate surface without forming an interlayer insulating film and a contact hole. Therefore, the conventional manufacturing process for forming the interlayer insulating film and the contact hole and the apparatus for manufacturing the interlayer insulating film are not required, and the manufacturing process and the manufacturing apparatus of the photon detector using the STJ are greatly simplified. . As a result, the manufacturing yield is improved and the manufacturing cost is reduced. In addition, since an interlayer insulating film is not manufactured, the STJ element is not adversely affected by the conventional formation of contact holes in the interlayer insulating film and the deposition of wiring layers on the interlayer insulating film, and the photon detector can be used as a photon detector. There is no deterioration of the characteristics. In addition, since the STJ element can be formed without protruding on the substrate, another element can be three-dimensionally stacked on the photon detector composed of the STJ element and easily mounted three-dimensionally. I can do it. For this reason, it is possible to easily increase the degree of circuit integration, and it is also possible to easily array photon detectors using STJ.

また、本発明は、上部電極の表面と基板の表面とが面一またはほぼ面一に形成されていることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the surface of the upper electrode and the surface of the substrate are formed flush or substantially flush.

本構成によれば、STJ素子の上部電極の表面と基板の表面とが同一またはほぼ同一の高さになるので、STJ素子と基板表面との間に段差が生じ無くなる。このため、STJ素子上に積層する各種の層を平坦に形成することが出来、STJ素子上に他の素子を立体的にさらに形成し易くなる。   According to this configuration, since the surface of the upper electrode of the STJ element and the surface of the substrate have the same or substantially the same height, no step is generated between the STJ element and the substrate surface. Therefore, various layers to be stacked on the STJ element can be formed flat, and other elements can be more easily formed three-dimensionally on the STJ element.

また、本発明は、下部電極の一部が前記穴に露出して形成され、下部電極を配線する配線層が前記穴に露出する下部電極の一部に接触して基板の表面側に形成され、上部電極を配線する配線層が上部電極の表面に接触して基板の表面側に形成されていることを特徴とする。   Further, according to the present invention, a part of the lower electrode is formed to be exposed in the hole, and a wiring layer for wiring the lower electrode is formed on the surface side of the substrate in contact with a part of the lower electrode exposed to the hole. The wiring layer for wiring the upper electrode is formed on the surface side of the substrate in contact with the surface of the upper electrode.

本構成によれば、下部電極を配線する配線層および上部電極を配線する配線層は、層間絶縁膜を形成すること無く、共に基板の表面側に形成される。このため、基板の片面実装に適したSTJを用いたフォトン検出器が提供される。   According to this configuration, the wiring layer for wiring the lower electrode and the wiring layer for wiring the upper electrode are both formed on the surface side of the substrate without forming the interlayer insulating film. For this reason, the photon detector using STJ suitable for the single-sided mounting of a board | substrate is provided.

また、本発明は、基板の裏面から下部電極に通じる貫通孔が形成され、下部電極を配線する配線層が貫通孔を介して下部電極に接触して基板の裏面側に形成され、上部電極を配線する配線層が上部電極の表面に接触して基板の表面側に形成されていることを特徴とする。   Further, according to the present invention, a through hole leading from the back surface of the substrate to the lower electrode is formed, and a wiring layer for wiring the lower electrode is formed on the back surface side of the substrate in contact with the lower electrode through the through hole. A wiring layer to be wired is formed on the surface side of the substrate in contact with the surface of the upper electrode.

本構成によれば、下部電極を配線する配線層は、基板の裏面に形成された貫通孔を介して下部電極に接触して基板の裏面側に、上部電極を配線する配線層は、上部電極の表面に接触して基板の表面側に、層間絶縁膜を形成すること無く形成される。従って、基板の表面側には上部電極を配線する配線層だけが形成され、STJ素子は、下部電極を配線する配線層に覆われていた分多く基板表面に露出する。このため、フォトン検出面積が増大し、フォトン検出感度の高いSTJを用いたフォトン検出器が提供される。   According to this configuration, the wiring layer for wiring the lower electrode is in contact with the lower electrode through the through hole formed on the back surface of the substrate, and the wiring layer for wiring the upper electrode on the back surface side of the substrate is the upper electrode. It is formed without forming an interlayer insulating film on the surface side of the substrate in contact with the surface of the substrate. Therefore, only the wiring layer for wiring the upper electrode is formed on the surface side of the substrate, and the STJ element is exposed on the substrate surface as much as it is covered by the wiring layer for wiring the lower electrode. For this reason, a photon detector using an STJ having an increased photon detection area and high photon detection sensitivity is provided.

また、本発明は、STJ素子が形成された基板の表面に検出対象とするフォトンの種類に応じた材料および厚さからなる吸収層が形成されていることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that an absorption layer made of a material and a thickness corresponding to the type of photon to be detected is formed on the surface of the substrate on which the STJ element is formed.

本構成によれば、従来のように、上部電極の直上にある層間絶縁膜を除去して吸収層を形成する作製プロセスを必要とすること無く、様々な材料および様々な厚さの吸収層を容易にSTJ素子上に形成することが出来る。従って、様々な材料および様々な厚さの吸収層をSTJ素子上に形成することで、検出対象とするフォトンの種類を容易に様々に換えることが出来る。このため、広エネルギー帯域のフォトンを検出効率高く測定することが可能なSTJを用いたフォトン検出器が容易に提供される。   According to this configuration, the absorption layer of various materials and various thicknesses can be formed without requiring a manufacturing process of forming an absorption layer by removing the interlayer insulating film immediately above the upper electrode as in the prior art. It can be easily formed on the STJ element. Accordingly, by forming absorption layers of various materials and various thicknesses on the STJ element, the types of photons to be detected can be easily changed in various ways. Therefore, a photon detector using an STJ that can measure photons in a wide energy band with high detection efficiency is easily provided.

本発明によれば、上記のように、STJを用いたフォトン検出器の作製プロセスは大幅に簡略化され、作製の歩留まりは向上し、作製コストは削減される。また、作製プロセスにおいてSTJ素子に悪影響が与えられることがなく、フォトン検出器としての特性が劣化することは無い。また、フォトン検出器上にさらに他の素子を立体的に積層して容易に3次元実装でき、回路の集積度を容易に高めることが可能となり、また、STJを用いたフォトン検出器のアレイ化を容易に行える。   According to the present invention, as described above, the photon detector manufacturing process using the STJ is greatly simplified, the manufacturing yield is improved, and the manufacturing cost is reduced. Further, the STJ element is not adversely affected in the manufacturing process, and the characteristics as a photon detector are not deteriorated. In addition, other elements can be three-dimensionally stacked on the photon detector and can be easily mounted three-dimensionally, so that the degree of circuit integration can be easily increased, and an array of photon detectors using STJ is provided. Can be easily performed.

(a)は、STJを用いたフォトン検出器を構成するSTJ素子の模式図、(b)は、STJ素子の電流電圧特性を表すグラフ、(c)は、STJのエネルギーバンド図である。(A) is a schematic diagram of the STJ element which comprises the photon detector using STJ, (b) is a graph showing the current voltage characteristic of an STJ element, (c) is an energy band figure of STJ. STJを用いた従来のフォトン検出器の断面斜視図である。It is a cross-sectional perspective view of the conventional photon detector using STJ. (a)〜(h)は、STJを用いた従来のフォトン検出器をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。(A)-(h) is sectional drawing which shows the process of producing the conventional photon detector using STJ using the lift-off method. (i)〜(k)は、図3に示すプロセスに引き続いて行われるフォトン検出器の作製プロセスを示す断面図である。(I)-(k) is sectional drawing which shows the preparation process of the photon detector performed following the process shown in FIG. 本発明の一実施の形態によるSTJを用いたフォトン検出器の断面図である。It is sectional drawing of the photon detector using STJ by one embodiment of this invention. 図5に示す一実施の形態によるフォトン検出器をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing the photon detector according to the embodiment shown in FIG. 5 using a lift-off method. 図6に示すプロセスに従って作製したフォトン検出器の顕微鏡写真を模した平面図である。FIG. 7 is a plan view simulating a photomicrograph of a photon detector produced according to the process shown in FIG. 6. 図6に示すプロセスに従って作製したフォトン検出器を評価するために測定したSTJ素子の電流電圧特性を示すグラフである。It is a graph which shows the current-voltage characteristic of the STJ element measured in order to evaluate the photon detector produced according to the process shown in FIG. 下部電極用配線層を基板の裏面側に形成する一実施の形態の変形例によるSTJを用いたフォトン検出器の断面図である。It is sectional drawing of the photon detector using STJ by the modification of one Embodiment which forms the wiring layer for lower electrodes in the back surface side of a board | substrate. (a)は、図9に示すフォトン検出器をアレイ化した基板の断面図、(b)はその平面図である。(A) is sectional drawing of the board | substrate which arrayed the photon detector shown in FIG. 9, (b) is the top view.

次に、本発明によるSTJを用いたフォトン検出器の一実施の形態について説明する。   Next, an embodiment of a photon detector using an STJ according to the present invention will be described.

図5は本実施の形態によるSTJを用いたフォトン検出器31の断面図である。   FIG. 5 is a sectional view of the photon detector 31 using the STJ according to the present embodiment.

フォトン検出器31は、STJ素子32が基板33上に形成されて構成されている。STJ素子32は、超伝導体からなる下部電極34、絶縁体からなるトンネルバリアを含む層35、超伝導体からなる上部電極36が、基板33上に積層されて形成されている。本実施の形態でも、下部電極34および上部電極36の超伝導体にはNbが用いられており、厚さはそれぞれ200nmおよび150nmにされている。また、トンネルバリアを含む層35は、Al層の表面が酸化されて、絶縁体であるトンネルバリアを構成するAlO層がAl層の表面に形成され、Al−AlO層として形成されている。ここで、AlO層の厚さは数nmにされている。なお、AlO層の上部にさらにAl層を形成して、フォトンの入射によって生じる2次電子を増幅するトラップ層を構成するようにしてもよい。 The photon detector 31 is configured by forming an STJ element 32 on a substrate 33. The STJ element 32 is formed by laminating a lower electrode 34 made of a superconductor, a layer 35 including a tunnel barrier made of an insulator, and an upper electrode 36 made of a superconductor on a substrate 33. Also in this embodiment, Nb is used for the superconductors of the lower electrode 34 and the upper electrode 36, and the thicknesses are 200 nm and 150 nm, respectively. The layer 35 including the tunnel barrier is formed as an Al—AlO x layer by oxidizing the surface of the Al layer and forming an AlO x layer constituting the tunnel barrier as an insulator on the surface of the Al layer. . Here, the thickness of the AlO x layer is set to several nm. Note that an Al layer may be further formed on the AlO x layer to constitute a trap layer that amplifies secondary electrons generated by the incidence of photons.

本実施の形態によるフォトン検出器31は、STJ素子32が、基板33の表面に矩形状に窪んで形成された穴33aに、埋め込まれて形成されている。そして、STJ素子32を構成する上部電極36の表面と基板33の表面とが面一に形成されている。また、下部電極34の一部が穴33aに露出して形成されている。基板33の左上方表面には、下部電極34を配線するNbからなる下部電極用配線層38が、穴33aに露出する下部電極34の一部に接触して、650nmの厚さに形成されている。また、基板33の右上方表面には、上部電極36を配線するNbからなる上部電極用配線層37が上部電極36の表面に接触して、650nmの厚さに形成されている。   In the photon detector 31 according to the present embodiment, the STJ element 32 is formed by being embedded in a hole 33 a formed in a rectangular shape on the surface of the substrate 33. The surface of the upper electrode 36 constituting the STJ element 32 and the surface of the substrate 33 are formed flush with each other. Further, a part of the lower electrode 34 is formed to be exposed in the hole 33a. On the upper left surface of the substrate 33, a lower electrode wiring layer 38 made of Nb for wiring the lower electrode 34 is formed in a thickness of 650 nm in contact with a part of the lower electrode 34 exposed in the hole 33a. Yes. On the upper right surface of the substrate 33, an upper electrode wiring layer 37 made of Nb for wiring the upper electrode 36 is formed in contact with the surface of the upper electrode 36 to a thickness of 650 nm.

図6(a)〜(h)は、上記の本実施の形態によるSTJを用いたフォトン検出器31をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。なお、同図において図5と同一部分には同一符号を付して説明する。   FIGS. 6A to 6H are cross-sectional views showing a process for manufacturing the photon detector 31 using the STJ according to the present embodiment using the lift-off method. In the figure, the same parts as those in FIG.

フォトン検出器31の作製にあたり、最初に、基板33上にリフトオフ用のフォトレジスト41を形成し、このフォトレジスト41をマスクとするエッチングにより、基板33に穴33aを形成する(図6(a)参照)。次に、基板33およびフォトレジスト41上に、下部電極34となるNb層42、トンネルバリアを含む層35となるAl−AlO層43、および上部電極36となるNb層44を積層する(同図(b)参照)。次に、フォトレジスト41をリフトオフして下部電極34を形成する(同図(c)参照)。引き続き、上部電極加工用のフォトレジスト45を形成し(同図(d)参照)、フォトレジスト45をマスクとするエッチングによりトンネルバリアを含む層35および上部電極36を形成する(同図(e)参照)。 In producing the photon detector 31, first, a lift-off photoresist 41 is formed on the substrate 33, and a hole 33a is formed in the substrate 33 by etching using the photoresist 41 as a mask (FIG. 6A). reference). Next, on the substrate 33 and the photoresist 41, an Nb layer 42 to be the lower electrode 34, an Al—AlO x layer 43 to be the layer 35 including a tunnel barrier, and an Nb layer 44 to be the upper electrode 36 are stacked (same as above). (Refer figure (b)). Next, the photoresist 41 is lifted off to form the lower electrode 34 (see FIG. 5C). Subsequently, a photoresist 45 for processing the upper electrode is formed (see FIG. 4D), and a layer 35 including a tunnel barrier and the upper electrode 36 are formed by etching using the photoresist 45 as a mask (FIG. 5E). reference).

次に、配線層形成用のフォトレジスト46を形成し(同図(f)参照)、配線層47を堆積する(同図(g)参照)。その後、フォトレジスト46をリフトオフして上部電極用配線層37および下部電極用配線層38を形成し(同図(h)参照)、フォトン検出器31の作製を完成させる。   Next, a photoresist 46 for forming a wiring layer is formed (see (f) in the figure), and a wiring layer 47 is deposited (see (g) in the same figure). Thereafter, the photoresist 46 is lifted off to form the upper electrode wiring layer 37 and the lower electrode wiring layer 38 (see FIG. 11H), and the photon detector 31 is completed.

なお、上記の作製プロセスにおいて、薄膜の堆積にはスパッタ法を、加工にはフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチング(RIE)とを用いた。また、ここではリフトオフ法によってフォトン検出器31を作製する場合について説明しているが、リフトオフ法を用いずにエッチング法によっても同様にしてフォトン検出器31を作製することが出来る。   Note that in the above manufacturing process, a sputtering method was used for depositing a thin film, and a photolithography technique and reactive ion etching (RIE) were used for processing. Although the case where the photon detector 31 is manufactured by the lift-off method is described here, the photon detector 31 can be similarly manufactured by an etching method without using the lift-off method.

図7は、上記のプロセスに従って作製したフォトン検出器31の顕微鏡写真を模した平面図である。なお、同図において図5と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。   FIG. 7 is a plan view simulating a photomicrograph of the photon detector 31 produced according to the above process. In the figure, the same or corresponding parts as in FIG.

同図に示されるように、基板33にあけられた穴33aに下部電極34が一部露出している。また、上部電極用配線層37が上部電極36の表面に接触して形成され、下部電極用配線層38が、穴33aに露出する下部電極34の一部に接触して形成されている。穴33aの面積すなわちSTJ素子32の面積は50μm×50μmである。また、上部電極36の表面と基板33の表面との間における段差をSTJ素子32の端で触針式段差計で観測した結果、平坦であることが確認された。つまり、上部電極36の表面と基板33の表面とが面一であることが確認された。   As shown in the figure, a part of the lower electrode 34 is exposed in a hole 33 a formed in the substrate 33. An upper electrode wiring layer 37 is formed in contact with the surface of the upper electrode 36, and a lower electrode wiring layer 38 is formed in contact with a part of the lower electrode 34 exposed in the hole 33a. The area of the hole 33a, that is, the area of the STJ element 32 is 50 μm × 50 μm. Further, as a result of observing a step between the surface of the upper electrode 36 and the surface of the substrate 33 with a stylus step meter at the end of the STJ element 32, it was confirmed that the surface was flat. That is, it was confirmed that the surface of the upper electrode 36 and the surface of the substrate 33 are flush with each other.

作製したフォトン検出器31を評価するため、液体ヘリウム温度(4.2K)においてSTJ素子32の電流電圧特性を測定した。   In order to evaluate the produced photon detector 31, the current-voltage characteristics of the STJ element 32 were measured at a liquid helium temperature (4.2K).

図8は、この測定結果を示すグラフである。同グラフの横軸は電圧、縦軸は電流を表す。同グラフに示されるように、電圧印加初期時における電流の立ち上がり特性には電圧の増加に対して強い非線形性が現れている。つまり、測定された電流電圧特性にはSTJ特有の特性が現れており、フォトン検出器31の上記の作製方法について、その有効性を確認できた。   FIG. 8 is a graph showing the measurement results. In the graph, the horizontal axis represents voltage, and the vertical axis represents current. As shown in the graph, a strong non-linearity with respect to an increase in voltage appears in the current rising characteristic at the initial stage of voltage application. That is, STJ-specific characteristics appear in the measured current-voltage characteristics, and the effectiveness of the manufacturing method of the photon detector 31 can be confirmed.

従来のSTJを用いた図2や図4(k)に示すフォトン検出器11では、上部電極16が基板13の表面から下部電極14およびトンネルバリアを含む層15の厚さ分離れた高さにあり、上部電極16に接触する配線層18を形成するのには、STJ素子12を覆う層間絶縁膜17および上部電極16を露出させるコンタクトホール19が必要とされた。しかし、本実施の形態によるSTJを用いたフォトン検出器31によれば、STJ素子32が基板33の表面に窪んで形成された穴33aに埋め込まれて形成されることで、上部電極36の基板表面からの高さを下部電極34およびトンネルバリアを含む層35の厚さ分以上低くすることが出来る。従って、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成すること無く、上部電極36に接触する配線層37を基板表面に形成することが出来る。このため、層間絶縁膜17およびコンタクトホール19を形成する従来の作製プロセス、および層間絶縁膜作製用の装置が不要になり、STJを用いたフォトン検出器31の作製プロセスおよび作製装置は大幅に簡略化される。この結果、作製の歩留まりは向上し、作製コストは削減される。   In the photon detector 11 shown in FIGS. 2 and 4 (k) using the conventional STJ, the upper electrode 16 has a height separated from the surface of the substrate 13 by the thickness of the lower electrode 14 and the layer 15 including the tunnel barrier. In order to form the wiring layer 18 in contact with the upper electrode 16, the interlayer insulating film 17 covering the STJ element 12 and the contact hole 19 exposing the upper electrode 16 are required. However, according to the photon detector 31 using the STJ according to the present embodiment, the STJ element 32 is embedded in the hole 33a formed in the surface of the substrate 33 so that the substrate of the upper electrode 36 is formed. The height from the surface can be reduced by more than the thickness of the layer 35 including the lower electrode 34 and the tunnel barrier. Therefore, the wiring layer 37 that contacts the upper electrode 36 can be formed on the substrate surface without forming the interlayer insulating film and the contact hole. For this reason, the conventional manufacturing process for forming the interlayer insulating film 17 and the contact hole 19 and the apparatus for manufacturing the interlayer insulating film become unnecessary, and the manufacturing process and the manufacturing apparatus of the photon detector 31 using STJ are greatly simplified. It becomes. As a result, the manufacturing yield is improved and the manufacturing cost is reduced.

また、層間絶縁膜を作製しないので、従来の、層間絶縁膜17へのコンタクトホール19の形成や層間絶縁膜17上への配線層28の堆積により、STJ素子32に悪影響が与えられることがなく、フォトン検出器としての特性が劣化することは無い。この結果、検出器特性の歩留まりは大幅に向上する。また、基板33上に突出すること無くSTJ素子32を形成することが出来るため、このSTJ素子32から構成されるフォトン検出器31上にさらに他の素子、例えば超伝導素子などを立体的に積層して、様々な超伝導素子などを容易に3次元実装することが出来る。このため、超伝導集積回路などの集積度を容易に高めることが可能となり、また、STJを用いたフォトン検出器31のアレイ化を容易に行える。   Further, since the interlayer insulating film is not manufactured, the STJ element 32 is not adversely affected by the conventional formation of the contact hole 19 in the interlayer insulating film 17 and the deposition of the wiring layer 28 on the interlayer insulating film 17. The characteristics as a photon detector do not deteriorate. As a result, the yield of detector characteristics is greatly improved. Further, since the STJ element 32 can be formed without projecting on the substrate 33, another element such as a superconducting element is three-dimensionally stacked on the photon detector 31 composed of the STJ element 32. Thus, various superconducting elements can be easily mounted three-dimensionally. For this reason, it is possible to easily increase the degree of integration of superconducting integrated circuits and the like, and it is possible to easily array the photon detectors 31 using STJ.

また、本実施の形態によるSTJを用いたフォトン検出器31では、STJ素子32の上部電極36の表面と基板33の表面とが同一の高さになるので、STJ素子32と基板33の表面との間に段差が生じ無くなる。このため、STJ素子32上に積層する各種の層を平坦に形成することが出来、STJ素子32上に他の素子を立体的にさらに形成し易くなる。なお、STJ素子32の上部電極36の表面と基板33の表面とは、同一でなく、ほぼ同一の高さでも、同様な作用効果が奏される。   In the photon detector 31 using the STJ according to the present embodiment, the surface of the upper electrode 36 of the STJ element 32 and the surface of the substrate 33 are at the same height. No step is generated between the two. Therefore, various layers to be stacked on the STJ element 32 can be formed flat, and other elements can be more easily formed three-dimensionally on the STJ element 32. The surface of the upper electrode 36 of the STJ element 32 and the surface of the substrate 33 are not the same, and the same effects can be obtained even when they are almost the same height.

また、上部電極36の表面を、上部電極36の厚さ分まで基板33の表面より高くして形成しても、また、基板33の表面より低く形成しても、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成すること無く、上部電極36に接触する配線層37を基板表面に形成することが出来る。このため、平坦性は低下するが、このような構成によっても、本実施の形態と同様な作用効果が奏される。   Even if the surface of the upper electrode 36 is formed higher than the surface of the substrate 33 up to the thickness of the upper electrode 36 or lower than the surface of the substrate 33, the interlayer insulating film and the contact hole are formed. Without forming, the wiring layer 37 in contact with the upper electrode 36 can be formed on the substrate surface. For this reason, although flatness falls, the effect similar to this Embodiment is show | played by such a structure.

また、本実施の形態によるSTJを用いたフォトン検出器31では、下部電極34を配線する配線層38および上部電極36を配線する配線層37は、層間絶縁膜を形成すること無く、共に基板33の表面側に形成される。このため、基板33の片面実装に適したSTJを用いたフォトン検出器31が提供される。   In the photon detector 31 using the STJ according to the present embodiment, the wiring layer 38 for wiring the lower electrode 34 and the wiring layer 37 for wiring the upper electrode 36 are both formed on the substrate 33 without forming an interlayer insulating film. It is formed on the surface side. For this reason, the photon detector 31 using STJ suitable for the single-sided mounting of the substrate 33 is provided.

なお、上記の実施の形態では、上記のように、下部電極用配線層38および上部電極用配線層37の双方を基板33の表面側に形成した場合について説明したが、下部電極用配線層38を図9の断面図に示すように、基板33の裏面側に形成するようにしてもよい。なお、同図において図5と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。   In the above embodiment, as described above, the case where both the lower electrode wiring layer 38 and the upper electrode wiring layer 37 are formed on the surface side of the substrate 33 has been described. However, the lower electrode wiring layer 38 is described. 9 may be formed on the back surface side of the substrate 33 as shown in the sectional view of FIG. In the figure, the same or corresponding parts as in FIG.

この変形例によるSTJを用いたフォトン検出器51では、下部電極34a、トンネルバリアを含む層35および上部電極36が同じ面積に形成されており、基板33に矩形状にあけられた穴33bに隙間無くSTJ素子32aが埋め込まれて形成されている。また、基板33の裏面には、下部電極34aに通じる貫通孔52が円筒状に形成されている。この貫通孔52には、導電材料が充填されて、または、その円筒内周部に導電材料がメッキ処理されて、図示しない貫通電極が形成される。また、基板33とは別個に配線用基板53が用意され、配線用基板53の表面に下部電極34aを配線する配線層38aが形成される。配線用基板53は、配線層38aの端部が貫通孔52に形成される貫通電極に接触するように、基板33の裏面に貼り合わされる。このため、配線用基板53の表面に形成された下部電極用配線層38aは、貫通孔52を介して下部電極34aに接触して、基板33の裏面側に形成される。   In the photon detector 51 using the STJ according to this modification, the lower electrode 34a, the layer 35 including the tunnel barrier, and the upper electrode 36 are formed in the same area, and a gap is formed in a hole 33b formed in a rectangular shape in the substrate 33. The STJ element 32a is embedded and formed. A through-hole 52 that communicates with the lower electrode 34 a is formed in a cylindrical shape on the back surface of the substrate 33. The through hole 52 is filled with a conductive material, or the conductive material is plated on the inner periphery of the cylinder, thereby forming a through electrode (not shown). In addition, a wiring substrate 53 is prepared separately from the substrate 33, and a wiring layer 38 a for wiring the lower electrode 34 a is formed on the surface of the wiring substrate 53. The wiring substrate 53 is bonded to the back surface of the substrate 33 so that the end portion of the wiring layer 38 a is in contact with the through electrode formed in the through hole 52. Therefore, the lower electrode wiring layer 38 a formed on the surface of the wiring substrate 53 comes into contact with the lower electrode 34 a through the through hole 52 and is formed on the back surface side of the substrate 33.

上部電極36を配線する配線層37は、図5に示すフォトン検出器31と同様に、上部電極36の表面に接触して基板33の表面側に形成される。また、本変形例では、STJ素子32aが形成された基板33の表面に、検出対象とするフォトンの種類に応じた材料および厚さからなる吸収層54が形成される。なお、ここでは吸収層54が絶縁材料から成り、配線層37に接触して形成されている場合を図示しているが、吸収層54が金属等の導電材料から成る場合には、配線層37は必要なく、吸収層54を配線層37の代わりとして置き換え、吸収層54によって上部電極36を配線するように構成してもよい。   Similar to the photon detector 31 shown in FIG. 5, the wiring layer 37 for wiring the upper electrode 36 is formed on the surface side of the substrate 33 in contact with the surface of the upper electrode 36. In this modification, an absorption layer 54 made of a material and a thickness corresponding to the type of photon to be detected is formed on the surface of the substrate 33 on which the STJ element 32a is formed. Here, the case where the absorption layer 54 is made of an insulating material and is formed in contact with the wiring layer 37 is illustrated, but when the absorption layer 54 is made of a conductive material such as metal, the wiring layer 37 is illustrated. However, the absorption layer 54 may be substituted for the wiring layer 37 and the upper electrode 36 may be wired by the absorption layer 54.

本変形例によれば、上記のように、下部電極34aを配線する配線層38aは、基板33の裏面に形成された貫通孔52を介して下部電極34aに接触して基板33の裏面側に、上部電極36を配線する配線層37は、上部電極36の表面に接触して基板33の表面側に、層間絶縁膜を形成すること無く形成される。従って、基板33の表面側には上部電極36を配線する配線層37だけが形成され、STJ素子32aは、図5に示すように下部電極34を配線する配線層38に覆われていた分、多く、基板33の表面に露出する。このため、フォトン検出面積が増大し、フォトン検出感度の高いSTJを用いたフォトン検出器51が提供される。   According to this modification, as described above, the wiring layer 38a for wiring the lower electrode 34a contacts the lower electrode 34a through the through hole 52 formed on the back surface of the substrate 33, and is on the back surface side of the substrate 33. The wiring layer 37 for wiring the upper electrode 36 is formed without forming an interlayer insulating film on the surface side of the substrate 33 in contact with the surface of the upper electrode 36. Accordingly, only the wiring layer 37 for wiring the upper electrode 36 is formed on the surface side of the substrate 33, and the STJ element 32a is covered with the wiring layer 38 for wiring the lower electrode 34 as shown in FIG. Many are exposed on the surface of the substrate 33. For this reason, the photon detector 51 using the STJ having an increased photon detection area and high photon detection sensitivity is provided.

また、本変形例によれば、従来のように、上部電極16の直上にある層間絶縁膜17a(図4(k)参照)を除去して吸収層を形成する作製プロセスを必要とすること無く、様々な材料および様々な厚さの吸収層54を容易にSTJ素子32a上に形成することが出来る。従って、様々な材料および様々な厚さの吸収層54をSTJ素子32a上に形成することで、検出対象とするフォトンの種類を容易に様々に換えることが出来る。このため、広エネルギー帯域のフォトンを検出効率高く測定することが可能なSTJを用いたフォトン検出器51が容易に提供される。   Further, according to the present modification, the conventional process for removing the interlayer insulating film 17a (see FIG. 4K) immediately above the upper electrode 16 and forming the absorption layer is not required as in the prior art. The absorbing layer 54 having various materials and various thicknesses can be easily formed on the STJ element 32a. Therefore, by forming the absorption layer 54 of various materials and various thicknesses on the STJ element 32a, the types of photons to be detected can be easily changed. Therefore, the photon detector 51 using the STJ that can measure photons in a wide energy band with high detection efficiency is easily provided.

図10(a)は、図9に示すフォトン検出器51をアレイ化した基板33の断面図、同図(b)はその平面図である。なお、同図において図9と同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。   FIG. 10A is a sectional view of the substrate 33 on which the photon detectors 51 shown in FIG. 9 are arrayed, and FIG. 10B is a plan view thereof. In the figure, the same parts as those in FIG.

この基板33の裏面には、下部電極用配線層38aが所定パターンで形成された配線用基板53が貼り合わされ、各下部電極34aが配線層38aによって配線される。また、各上部電極36は上部電極用配線層37によって接続されて、配線されている。   On the back surface of the substrate 33, a wiring substrate 53 in which a lower electrode wiring layer 38a is formed in a predetermined pattern is bonded, and each lower electrode 34a is wired by the wiring layer 38a. Each upper electrode 36 is connected and wired by an upper electrode wiring layer 37.

このようにフォトン検出器51をアレイ化することで、フォトン検出面積は広大になり、フォトン検出効率は極めて高くなる。また、入射するフォトンの位置を各STJ素子32aによって検知することが出来るので、イメージング(画像化)にも適用することが出来る。   By arraying the photon detectors 51 in this way, the photon detection area becomes large and the photon detection efficiency becomes extremely high. Further, since the position of the incident photon can be detected by each STJ element 32a, it can be applied to imaging (imaging).

なお、図5に示すフォトン検出器31においても、図9および図10に示すフォトン検出器51と同様に、様々な材料および様々な厚さの吸収層54を基板33上に形成することで、検出対象とするフォトンの種類を容易に様々に換えることが出来る。   In the photon detector 31 shown in FIG. 5, as in the photon detector 51 shown in FIGS. 9 and 10, by forming the absorption layer 54 of various materials and various thicknesses on the substrate 33, Various types of photons to be detected can be easily changed.

また、上記の実施の形態および変形例においては、下部電極34,34aおよび上部電極36を形成する超伝導体がNb、トンネルバリアを形成する絶縁体がAlOからなる場合について説明したが、超伝導体や絶縁体の材料はこれに限定されることはない。例えば、超伝導体としてTa,Alなど、絶縁体としてMgO,AlNなどを用いてもよく、これらの材料を用いた場合においても、上記の実施の形態および変形例と同様な作用効果が奏される。 In the embodiment and the modification described above, the case where the superconductor forming the lower electrodes 34, 34a and the upper electrode 36 is Nb and the insulator forming the tunnel barrier is made of AlO x has been described. The material of the conductor or the insulator is not limited to this. For example, Ta, Al, etc. may be used as the superconductor, and MgO, AlN, etc. may be used as the insulator. Even when these materials are used, the same effects as those of the above-described embodiments and modifications can be obtained. The

本実施の形態のSTJを用いたフォトン検出器31,51は、前述したように優れたエネルギー分解能を有するため、X線の回折結果を解析して結晶内部で原子がどのように配列しているかなどの組成分析をするX線回折(XRD:X-Ray Diffraction)に用いることができる。つまり、X線を結晶に照射すると、ブラッグの法則を満たした方向にのみX線が回折されるが、この回折結果生じる、結晶構造を反映したパターンの検出に、フォトン検出器31,51を用いることができる。   Since the photon detectors 31 and 51 using the STJ according to the present embodiment have excellent energy resolution as described above, how the atoms are arranged in the crystal by analyzing the X-ray diffraction result. It can be used for X-ray diffraction (XRD: X-Ray Diffraction) for composition analysis. In other words, when the crystal is irradiated with X-rays, the X-rays are diffracted only in the direction satisfying Bragg's law. Photon detectors 31 and 51 are used to detect a pattern reflecting the crystal structure resulting from this diffraction. be able to.

また、エネルギー分散型X線分析(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)装置にも、用いることができる。つまり、電子線やX線などの一次線を物体に照射した際に発生する特性X線もしくは蛍光X線をフォトン検出器31,51にて検出し、そのエネルギーと強度から、物体を構成する元素と濃度を調べることができる。従って、例えば、半導体製造工場で、薄膜中に含まれる不純物を特定することができ、元素のスクリーニングをすることができる。このスクリーニング結果を半導体製造ラインへフィードバックすることで、半導体製造の生産性と信頼性を向上させることができる。   It can also be used in an energy dispersive X-ray spectroscopy (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) apparatus. That is, the characteristic X-rays or fluorescent X-rays generated when the object is irradiated with primary rays such as electron beams and X-rays are detected by the photon detectors 31 and 51, and the elements constituting the object from the energy and intensity thereof And the concentration can be examined. Therefore, for example, impurities contained in a thin film can be specified in a semiconductor manufacturing factory, and element screening can be performed. By feeding back the screening result to the semiconductor manufacturing line, the productivity and reliability of semiconductor manufacturing can be improved.

また、未知の天体から飛来する光や宇宙線のエネルギースペクトルを観測したり、医学分野でのレントゲン撮影などにも用いることができ、工学、理学、医学などの幅広い分野で利用することができる。   It can also be used to observe the energy spectrum of light and cosmic rays flying from unknown celestial bodies, and to be used for X-ray photography in the medical field, and can be used in a wide range of fields such as engineering, science, and medicine.

31、51…フォトン検出器
32、32a…STJ(超伝導トンネル接合)素子
33…基板
33a、33b…穴
34、34a…下部電極
35…トンネルバリアを含む層
36…上部電極
37…上部電極用配線層
38,38a…下部電極用配線層
52…貫通孔
53…配線用基板
54…吸収層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 31, 51 ... Photon detector 32, 32a ... STJ (superconducting tunnel junction) element 33 ... Substrate 33a, 33b ... Hole 34, 34a ... Lower electrode 35 ... Layer including tunnel barrier 36 ... Upper electrode 37 ... Upper electrode wiring Layer 38, 38a ... Lower electrode wiring layer 52 ... Through hole 53 ... Wiring substrate 54 ... Absorption layer

Claims (5)

超伝導体からなる下部電極、絶縁体からなるトンネルバリア、および超伝導体からなる上部電極が基板上に積層されて構成される超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器において、
前記下部電極、前記トンネルバリア、および前記上部電極から構成される超伝導トンネル接合素子が、前記基板の表面に窪んで形成された穴に埋め込まれて形成され、前記上部電極の表面と前記基板の表面との高低差が前記上部電極の厚さ分の範囲内に設定されていることを特徴とする超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。
In a photon detector using a superconducting tunnel junction in which a lower electrode made of a superconductor, a tunnel barrier made of an insulator, and an upper electrode made of a superconductor are stacked on a substrate,
A superconducting tunnel junction element composed of the lower electrode, the tunnel barrier, and the upper electrode is formed by being embedded in a hole formed in a recess in the surface of the substrate, and the surface of the upper electrode and the substrate A photon detector using a superconducting tunnel junction, wherein the height difference from the surface is set within a range corresponding to the thickness of the upper electrode .
前記上部電極の表面と前記基板の表面とが面一またはほぼ面一に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。   2. The photon detector using a superconducting tunnel junction according to claim 1, wherein a surface of the upper electrode and a surface of the substrate are formed to be flush or substantially flush. 前記下部電極はその一部が前記穴に露出して形成され、前記下部電極を配線する配線層は前記穴に露出する前記下部電極の一部に接触して前記基板の表面側に形成され、前記上部電極を配線する配線層は前記上部電極の表面に接触して前記基板の表面側に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。   A part of the lower electrode is exposed in the hole, and a wiring layer for wiring the lower electrode is formed on the surface side of the substrate in contact with a part of the lower electrode exposed in the hole, The superconducting tunnel junction according to claim 1 or 2, wherein a wiring layer for wiring the upper electrode is formed on a surface side of the substrate in contact with the surface of the upper electrode. Photon detector. 前記基板の裏面から前記下部電極に通じる貫通孔が形成され、前記下部電極を配線する配線層は前記貫通孔を介して前記下部電極に接触して前記基板の裏面側に形成され、前記上部電極を配線する配線層は前記上部電極の表面に接触して前記基板の表面側に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。   A through hole leading from the back surface of the substrate to the lower electrode is formed, and a wiring layer for wiring the lower electrode is formed on the back surface side of the substrate in contact with the lower electrode through the through hole, and the upper electrode 3. A photon detector using a superconducting tunnel junction according to claim 1, wherein a wiring layer for wiring is formed on the surface side of the substrate in contact with the surface of the upper electrode. . 前記超伝導トンネル接合素子が形成された前記基板の表面に検出対象とするフォトンの種類に応じた材料および厚さからなる吸収層が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。   The absorption layer which consists of material and thickness according to the kind of photon made into a detection object is formed in the surface of the said board | substrate with which the said superconducting tunnel junction element was formed. A photon detector using the superconducting tunnel junction according to any one of the above.
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