JPH0629585A - Superconducting radiation detector - Google Patents

Superconducting radiation detector

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JPH0629585A
JPH0629585A JP4183756A JP18375692A JPH0629585A JP H0629585 A JPH0629585 A JP H0629585A JP 4183756 A JP4183756 A JP 4183756A JP 18375692 A JP18375692 A JP 18375692A JP H0629585 A JPH0629585 A JP H0629585A
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JP
Japan
Prior art keywords
film
radiation detector
pattern
barrier layer
electrode pattern
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP4183756A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Morohashi
信一 諸橋
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0629585A publication Critical patent/JPH0629585A/en
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Abstract

PURPOSE:To enhance resistance against a thermal cycle and to improve a detecting accuracy by forming upper and lower electrodes made of superconductors of tantalum in a superconducting radiation detector in which the upper and lower electrodes are formed through a barrier layer. CONSTITUTION:A lower electrode pattern 2 is formed on a board 1, an insulating film 3 having openings 3a, 3b exposed with the pattern 2 is formed thereon, and a barrier layer 4 to be formed by thermal oxidation is provided on the pattern 2 in the opening 3a. An upper electrode pattern 5 isolated by an opening 5a to be used also as lead wiring is formed on the layer 4 in the opening 3a and the pattern in the opening 3b, and a Josephson junction is formed of the patterns 2, 5 and the layer 4. In such a superconducting radiation detector, the patterns 2, 5 are formed of tantalum thereby to obtain excellent thermal cycle resistance and energy resolution.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超伝導放射線検出器に
係り、詳しくは、例えばX線等の放射線を被測定物に照
射し、被測定物から出射される特性X線を測定する超伝
導放射線検出器等に適用することができ、特に、熱的サ
イクルに強くすることができるとともに、エネルギー分
解能を良好にして検出精度を良好にすることができる超
伝導放射線検出器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting radiation detector, and more particularly to a superconducting radiation detector for irradiating an object to be measured with radiation such as X-rays and measuring characteristic X-rays emitted from the object to be measured. The present invention relates to a superconducting radiation detector that can be applied to a conduction radiation detector and the like, and in particular can be made strong against a thermal cycle and can have good energy resolution and detection accuracy.

【0002】近年、X線,γ線,α線等の放射線で最も
代表的な応用例としては、シンクロトロン放射光利用等
が挙げられる。このシンクロトロン放射光は、円形加速
器から放射される光速に近い速度で運動する電子が磁場
によってその軌道を曲げられる時、接線方向に極めて指
向性のよい電磁波が放出される。しかも、波長連続性、
偏向性、パルス性等に優れた特徴を有するシンクロトロ
ン放射光は、図6のシンクロトロン放射光の応用例に示
す如く、多岐に渡って各種技術に応用することができ
る。更には、シンクロトロン放射光のみならず、通常の
X線でも医療、物性分析にと広範に用いられている。
In recent years, the most typical application example of radiation such as X-rays, γ-rays and α-rays is utilization of synchrotron radiation. This synchrotron radiation emits an electromagnetic wave having a very directional tangential direction when an electron moving at a speed close to the speed of light emitted from a circular accelerator bends its orbit by a magnetic field. Moreover, wavelength continuity,
The synchrotron radiation having excellent characteristics such as the deflecting property and the pulse property can be applied to various technologies in various fields as shown in the application example of the synchrotron radiation of FIG. Furthermore, not only synchrotron radiation but also ordinary X-rays are widely used for medical treatment and physical property analysis.

【0003】このような分野で用いられている放射線検
出器は、特性、形状等、種々のものが用途に応じて用い
られているが、多くの場合、エネルギー分解能が優れて
いることが放射線検出器にとって重要な要素となってい
る。これは、放射線検出器の検出精度が優れていること
を意味するため、非常に重要な要素となっている。この
ように、エネルギー分解能の高い検出器としては、Si
やGeを用いた半導体検出器が知られている。これらの
検出器の分解能は、放射線によって検出器中で作り出さ
れる電子−空孔対の数の統計的揺らぎによる限界まで近
付いている。そして、上記の応用分野においては、更に
厳しい検出精度が要求されており、これに伴いSiやG
e等を用いた半導体検出器よりもよりエネルギー分解能
が高い検出器の出現が切望されており、このためには、
統計的揺らぎによる分解能の限界がより小さくなる新し
い原理に基づく検出器が必要である。
Various types of radiation detectors used in such fields, such as characteristics and shapes, are used according to the application. In many cases, the excellent radiation energy detection results in excellent radiation resolution. Has become an important element for the vessel. This is a very important factor because it means that the radiation detector has high detection accuracy. Thus, as a detector with high energy resolution, Si
A semiconductor detector using Ge or Ge is known. The resolution of these detectors is approaching the limit due to statistical fluctuations in the number of electron-hole pairs created in the detector by radiation. Further, in the above-mentioned application fields, more severe detection accuracy is required, and Si and G are accompanied by this.
The advent of detectors with higher energy resolution than semiconductor detectors using e, etc. has been earnestly desired.
There is a need for a new principle-based detector with a smaller resolution limit due to statistical fluctuations.

【0004】近年、SiやGe等の半導体検出器の場合
よりもエネルギー分解能が著しく優れている超伝導体を
用いた超伝導放射線検出器が注目され検討されてきてい
る。以下、これについて具体的に説明する。まず、超伝
導放射線検出器の原理について説明する。放射線検出器
にエネルギー(E)の放射線が入射すると、多数の荷電
子対が生成され、信号として収集される。生成された荷
電子対の数Nの揺らぎに起因する相対分解能Pは次の
(1)式で表される。これについては、例えばエネルギ
ー分散型X線分析;合志陽一,佐藤公隆編,日本分光学
会 測定法シリーズ,学会出版センターで報告されてい
る。
In recent years, attention has been paid to a superconducting radiation detector using a superconductor, which has a remarkably superior energy resolution than that of a semiconductor detector such as Si or Ge. Hereinafter, this will be specifically described. First, the principle of the superconducting radiation detector will be described. When energy (E) radiation is incident on the radiation detector, many valence electron pairs are generated and collected as signals. The relative resolution P caused by the fluctuation of the number N of generated valence pairs is expressed by the following equation (1). This has been reported in, for example, energy dispersive X-ray analysis; Yoichi Koshi, Kimitaka Sato, The Spectroscopy Society of Japan Series of Measurement Methods, Academic Society Publishing Center.

【0005】[0005]

【数1】 [Equation 1]

【0006】ここで、εは放射線によって電子1個を励
起するのに必要な最低エネルギー、Fはファノ因子と呼
ばれ、〈(N−〈N〉)2 〉/〈N〉で定義される励起
電子の数の揺らぎがポアソン分布の揺らぎより小さくな
る程度、Eは放射線のエネルギーを示す。ポアソン分布
に従うならF=1,従わない場合はF<1である。これ
から、入射放射線に対して如何に荷電子対の数Nを多く
生成できるか、或いは小さなε値を有する材料を見つけ
ることが、放射線検出器のエネルギー分解能を向上させ
る要因であることが判る。そして、検出器を構成してい
る材料のエネルギーギャップEgが小さければ、小さな
ε値で荷電子対を生成することが可能になると言える。
ところが、半導体検出器の場合は、エネルギーギャップ
Eg値が小さいからといってこれに比例して電子1個を
励起するのに必要な最低エネルギーε値が小さくなると
いうことが、当てはまらないことが経験的に知られてい
る。これについては、例えばC.A.Klein, J. Appl. Phy
s.39,2090(1968)で報告されているように、電子1個を
励起するのに必要な最低エネルギーは次の(2)式で表
される。
Here, ε is the minimum energy required to excite one electron by radiation, and F is called the Fano factor, and the excitation defined by <(N- <N>) 2 > / <N> To the extent that the fluctuation of the number of electrons is smaller than the fluctuation of Poisson distribution, E represents the energy of radiation. If the Poisson distribution is followed, F = 1; otherwise, F <1. From this, it can be seen that how to increase the number N of valence electron pairs with respect to the incident radiation or finding a material having a small ε value is a factor for improving the energy resolution of the radiation detector. Then, if the energy gap Eg of the material forming the detector is small, it can be said that the valence pair can be generated with a small ε value.
However, in the case of a semiconductor detector, the fact that the minimum energy ε value required to excite one electron is small in proportion to the small energy gap Eg value does not apply. Known to be. About this, for example, CA Klein, J. Appl. Phy
As reported in s.39,2090 (1968), the minimum energy required to excite one electron is expressed by the following equation (2).

【0007】[0007]

【数2】 [Equation 2]

【0008】即ち、エネルギーギャップEg値が如何に
小さかろうと、電子1個を励起するのに必要な最低エネ
ルギーε値は数百meV以下にはならないこと、収集電
子数がこれによって制限されることを示している。この
ため、半導体では、放出された最大エネルギーとして数
十meVのフォノンでは荷電子対を励起することはでき
ない。
That is, no matter how small the energy gap Eg value is, the minimum energy ε value required to excite one electron is not less than several hundred meV, and the number of collected electrons is limited by this. Shows. Therefore, in a semiconductor, a valence electron cannot be excited with a phonon of several tens of meV as the maximum energy emitted.

【0009】ところで、超伝導体の場合には、エネルギ
ーギャップが数meVという具合に小さいために、入射
放射線以外に、放射線により破壊された電子対から、放
出されたフォノンでも他の電子対を破壊して準粒子を生
成、即ち荷電子対Nの数を多くすることができ、高エネ
ルギー分解能の検出器の作成が可能となる。超伝導体に
おいて、放射線による電子の直接励起、準粒子によるフ
ォノン放出と、フォノンによる準粒子生成からなる、準
粒子とフォノンのカスケード励起過程を計算機によるモ
ンテカルロシュミレーションした結果では、半導体に比
べて3桁多い準粒子数が生成されることと、ε=0.6
96meV,F=0.2という値が理論検討から得られ
ている。これについては、例えば M.Kurakado and H.Ma
zaki, Phys. Rev. B22(1980)168で報告されている。後
述するSn/SnOx/Sn接合の実験では、ε=2.
4meVが得られている。これについては、例えば M.K
urakado, Nucl. Nucl. Instrum & Methods 196, 275(19
82) で報告されている。ここで、ケース1として理論
値、ケース2として実験値のε及びF=1を仮定した時
の、エネルギー分解能と入射エネルギーとの関係を図7
に示す。この図7には、現在、最もエネルギー分解能の
よい半導体検出器であるSi半導体のε=3.76e
V,F=0.08(何れも実験値)を代入して得られる
エネルギー分解能の関係も比較のために示しており、半
導体に比べて、10倍程度のエネルギー分解能のよい検
出器がジョセフソン接合で達成できる可能性があること
を示している。
By the way, in the case of a superconductor, since the energy gap is as small as a few meV, other than the incident radiation, the emitted phonons also destroy other electron pairs from the electron pairs destroyed by the radiation. Then, quasi-particles can be generated, that is, the number of valence pairs N can be increased, and a detector with high energy resolution can be produced. Computer simulation of the cascade excitation process of quasiparticles and phonons, which consists of direct excitation of electrons by radiation, phonon emission by quasiparticles, and quasiparticle generation by phonons in superconductors, is three orders of magnitude higher than that of semiconductors. A large number of quasiparticles are generated and ε = 0.6
The values of 96 meV and F = 0.2 are obtained from theoretical studies. About this, for example M.Kurakado and H.Ma
zaki, Phys. Rev. B22 (1980) 168. In the Sn / SnOx / Sn junction experiment described later, ε = 2.
4 meV is obtained. About this, for example MK
urakado, Nucl. Nucl. Instrum & Methods 196, 275 (19
82). Here, the relationship between the energy resolution and the incident energy when assuming theoretical values for Case 1 and experimental values of ε and F = 1 for Case 2 is shown in FIG.
Shown in. In FIG. 7, ε = 3.76e of Si semiconductor, which is the semiconductor detector with the best energy resolution at present, is shown in FIG.
The relationship of energy resolution obtained by substituting V and F = 0.08 (both are experimental values) is also shown for comparison. Josephson is a detector that has about 10 times better energy resolution than semiconductors. It shows what can be achieved by joining.

【0010】次に、超伝導体/絶縁体/超伝導体からな
るジョセフソン構造における、放射線を照射した時のト
ンネル過程を図8に示す。この図8では電圧(VB )を
印加しているために、片側の超伝導体のバンドがeVB
だけ上がっている状態を示している。片側の超伝導体に
放射線が入射することによって、電子対が破壊されて準
粒子が生成される。この準粒子の生成は放射線の直接励
起あるいはフォノンによる励起によるものであり、この
準粒子が絶縁体をトンネルする。エネルギー分解能の向
上には、生成された準粒子が如何に効率よくバリア(絶
縁体)をトンネルするかにかかる。この現象は本質的に
非平衡状態であり、如何に効率よくトンネルするかは第
一義的には、準粒子のトンネル時間及びフォノンの放出
を伴う準粒子の再結合時間の関係で決定されることにな
る。これらの値は超伝導材料によって大きく異なってお
り、この影響については、後述する。更には、熱的に励
起される準粒子の影響をできるだけ小さくするために
は、測定は低温(〈4.2K〉)にすることが必要であ
ると考えられる。
Next, FIG. 8 shows a tunnel process in a Josephson structure composed of a superconductor / insulator / superconductor when irradiated with radiation. In FIG. 8, since the voltage (V B ) is applied, the band of the superconductor on one side is eV B.
It shows the state of rising. When radiation is incident on the superconductor on one side, electron pairs are destroyed and quasi-particles are generated. The generation of these quasiparticles is due to direct excitation of radiation or excitation by phonons, and these quasiparticles tunnel through the insulator. The improvement of energy resolution depends on how efficiently the generated quasiparticles tunnel the barrier (insulator). This phenomenon is essentially a non-equilibrium state, and how efficiently tunneling is primarily determined by the relationship between the quasiparticle tunneling time and the quasiparticle recombination time with phonon emission. It will be. These values differ greatly depending on the superconducting material, and this effect will be described later. Furthermore, in order to minimize the influence of thermally excited quasiparticles, it is considered necessary to make the measurement at a low temperature (<4.2K>).

【0011】次に、ジョセフソン接合における放射線を
照射した時の電流−電圧特性を図9に示す。即ち、電圧
B がギャップエネルギー2Δに相当する値2Δ/eよ
りも小さい時は、エネルギーギャップの上に励起されて
いる準粒子とその空孔のみが電流に寄与する。接合にか
ける電圧VB を一定にしておけば(定電圧方式)、電流
変化分ΔIが生じ、一方接合に流しておく電流IB を一
定にしておけば(定電流方式、電圧変化分ΔVが生じ、
これらを信号として取り出すことができる。何れの変化
も入射エネルギーに比例した量となる。
Next, FIG. 9 shows the current-voltage characteristics when the Josephson junction is irradiated with radiation. That is, when the voltage V B is smaller than the value 2Δ / e corresponding to the gap energy 2Δ, only the quasi-particles excited on the energy gap and their vacancies contribute to the current. If the voltage V B applied to the junction is kept constant (constant voltage method), a current change ΔI occurs, while if the current I B passed to the junction is kept constant (constant current method, voltage change ΔV is Occurs,
These can be taken out as signals. Any change is an amount proportional to the incident energy.

【0012】[0012]

【従来の技術】上記したように、放射線検出器の能力と
しては、半導体検出器を凌駕する性能を秘めていること
が示された。次に、従来の超伝導放射線検出器における
開発状況について説明する。放射線を接合に入射させた
実験は約20年前にウッド(Wood)等によって行わ
れた。これについては、例えばC.H.Wood and B. L. Whi
te, Appl. Phys. Lett. 15(1969)237 で報告されてい
る。接合材料はSn/SnOx/Snであり、α線入射
による信号は判別できる程度であった。その後、同じS
n/SnOx/Sn接合を用いてクラカド(Kurakado)
等による一連の実験が精力的に行われた。これについて
は、例えば M.Kurakado, S. Tachi,R. Katano and H. M
azaki, Bull, Inst. Chem Res. 59(Kyoto Univ. 1981)1
06;M.Kurakado and H.Mazaki,Nucl. Instrum & Methods
185 , 141(1981);M. Kurakado and H.Mazaki,Nucl.Inst
rum & Methods 185 , 149(1981) ;M.Kurakado, J. App
l. Phys.55(1984)3185 で報告されている。ここで、彼
等は放射線入射による信号が単なる温度上昇によるので
はなく、放射線による過剰準粒子の生成が接合からの信
号発生に本質的であることを示した。
2. Description of the Related Art As described above, it has been shown that the radiation detector has a performance that exceeds that of a semiconductor detector. Next, the development status of the conventional superconducting radiation detector will be described. The experiment of injecting the radiation into the joint was carried out by Wood et al. About 20 years ago. For example, CH Wood and BL Whi
te, Appl. Phys. Lett. 15 (1969) 237. The bonding material was Sn / SnOx / Sn, and the signal due to α-ray incidence was in a level that could be discriminated. Then the same S
Kurakado using n / SnOx / Sn junction
A series of experiments, etc. were carried out vigorously. About this, for example, M. Kurakado, S. Tachi, R. Katano and H. M
azaki, Bull, Inst. Chem Res. 59 (Kyoto Univ. 1981) 1
06; M.Kurakado and H.Mazaki, Nucl.Instrum & Methods
185, 141 (1981); M. Kurakado and H. Mazaki, Nucl. Inst
rum & Methods 185, 149 (1981); M.Kurakado, J. App
l. Phys. 55 (1984) 3185. Here, they show that the generation of excess quasiparticles by radiation is essential for the signal generation from the junction, rather than the signal due to radiation incidence merely due to the temperature rise.

【0013】その後、ニュートリノの質量決定、太陽ニ
ュートリノのエネルギー分布測定、暗黒物質や磁気単極
子の検出といった宇宙物理、素粒子物理の問題とも関連
して世界各地で超伝導放射線検出器の研究開発が行われ
つつある。1986年クラウス(Kuraus)等及びツウェレ
ンボルド(Twerenbold)等が別個に 55FeからのMnk
α,MnkβのX線検出に成功した。前者のクラウス等
については、例えば、H.Kraus, Th. Peterrins, F. Pro
bst, F. V. Feilitzsch, R.L. Moessbauer, V. Zacek a
nd B. Umlauf, Europhys. Lett. 1 (1986) 161 で報告
されており、後者のツウェレンボルド等については、例
えば D. Twerenbold.Burophys. Lett, 1 (1986) 209で
報告されている。ここでの接合材料はSn/SnOx/
Snであり、熱的な影響をできるだけ除くために測定温
度は0.3Kである。ここで、図10にクラウス等の素子
構造と得られた波高スペクトルを示し、図11にツウェレ
ンボルド等の素子構造と波高スペクトルを示す。ツウェ
レンボルド等の結果では、5.9KeVの入射X線に対
して半値幅は90eVであり、このうち配線へのエネル
ギー拡散の影響を除いた場合は65eVであり、ノイズ
による広がりを除いた場合の半値幅としては41eVの
値を得ている。その後、配線幅を4μmまで狭くするこ
とによって、図13のロスムンド等の波高スペクトルの実
験結果に示す如く、5.9KeVX線に対しては48e
Vであり、ノイズによる広がりを除いた場合の半値幅と
しては37eVの値を得ている。これについては、例え
ばW.Rothmund and A. Zehnderp Superconductive Parti
cle Detectors, edited by A. Barone(Worid Scjentifi
c, Singapore) で報告されている。
Then, the neutrino mass determination and the solar
Measurement of energy distribution in eutrinos, dark matter and magnetic monopoles
Related to astrophysics and particle physics such as child detection
Then, research and development of superconducting radiation detectors were conducted all over the world.
It's starting. 1986 Kuraus et al. And Tswelle
Separately for Twerenbold, etc. 55Mnk from Fe
X-ray detection of α and Mnkβ was successful. The former Claus, etc.
For example, see H. Kraus, Th. Peterrins, F. Pro.
bst, F. V. Feilitzsch, R. L. Moessbauer, V. Zacek a
Reported in nd B. Umlauf, Europhys. Lett. 1 (1986) 161.
As for the latter Twelenbold etc.,
For example D. Twerenbold. Burophys. Lett, 1 (1986) 209 in
It has been reported. The bonding material here is Sn / SnOx /
Sn is the measured temperature in order to eliminate thermal effects as much as possible.
The degree is 0.3K. Here, in Fig. 10, elements such as Claus
The structure and the obtained pulse height spectrum are shown in Fig. 11.
The element structure such as Nambold and the wave height spectrum are shown. Twe
According to the results of Lembold et al., The incident X-ray of 5.9 KeV was
The full width at half maximum is 90 eV.
It is 65 eV when the effect of gee diffusion is removed,
The full width at half maximum excluding the spread due to
You're getting value. After that, reduce the wiring width to 4 μm.
, And the realization of the wave height spectrum of Rossmund, etc.
As shown in the test results, 48e for 5.9 KeV X-rays
V, which is the full width at half maximum when the spread due to noise is removed
Has obtained a value of 37 eV. About this,
W. Rothmund and A. Zehnderp Superconductive Parti
cle Detectors, edited by A. Barone (Worid Scjentifi
c, Singapore).

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の超伝導放射線検出器では、半導体検出器よりエネルギ
ー分解能に優れ検出精度等の性能が優れていることが実
証されたが、これらの値はSnのエネルギーギャップ値
から予想されるエネルギー分解能の理論値2.5eVよ
りまだ一桁近く大きくなっており、素子構造の点で改良
の余地を残していると考えられる。更には、Snは室温
とヘリウム温度との熱サイクルに弱く、室温保持でさえ
も劣化し易いという致命的な欠点を有している。
As described above, it has been proved that the conventional superconducting radiation detector is superior in energy resolution to the semiconductor detector and is superior in performance such as detection accuracy. Is still an order of magnitude larger than the theoretical energy resolution value of 2.5 eV expected from the Sn energy gap value, and it is considered that there is room for improvement in terms of the device structure. Further, Sn has a fatal defect that it is weak in a thermal cycle between room temperature and helium temperature, and easily deteriorates even at room temperature.

【0015】そこで、熱サイクルに強い材料を用いた接
合による開発が行われつつある。例えば図13に示す如
く、バローネ(Barone)等は素子構造に熱サイク
ルに強いNbを下部電極にしたPb/NbOx/Nb接
合を用いている。これについては、例えばA.Barone, G.
Darbo, S. De. Stefano, G. Gallinasro, G. Gallinar
o, A. Siri, R. Vaglio and S. Vitale, Nucl. Instru
m & Methods, A234(1985)61 ; A.Barone, S. De. Stefa
no, and K. B. Gray, Nucl. Instrum & Methods.A235(1
985)254 で報告されている。図13に示す如く、配線幅を
狭くすることで波高スペクトルは鋭くなることを示し
た。
Therefore, development by bonding using a material resistant to heat cycle is being carried out. For example, as shown in FIG. 13, Barone et al. Uses a Pb / NbOx / Nb junction in which Nb, which is resistant to thermal cycles, is used as a lower electrode in the device structure. About this, for example A. Barone, G.
Darbo, S. De. Stefano, G. Gallinasro, G. Gallinar
o, A. Siri, R. Vaglio and S. Vitale, Nucl. Instru
m & Methods, A234 (1985) 61; A. Barone, S. De. Stefa
no, and KB Gray, Nucl. Instrum & Methods.A235 (1
985) 254. As shown in FIG. 13, it was shown that the wave height spectrum becomes sharper by narrowing the wiring width.

【0016】また、デジタル応用で実績のあるNb/A
lOx−Al/Nb接合を検出器に用いる試みも行われ
つつある。これについては、例えばM.Kurakado and A.
Matsumura, J. J. Appl, Phys. 28(1989)L459 やK. Ish
ibashi, K. Takano, Y. Oae,T. Sakae, Y. MATSUMOTO,
A. Katase, S. Takada, H. Ako h and H. Nakagawa,IEE
E Trans. Magn, MAG-25(1989)1354 、あるいは P. Gar
e, R.Engelhardt, A.Peacock, D. Twerenbold, J. Luml
ey and R. E. Somekh, Applied Superconductivity Con
ference(1988) 等で報告されている。しかしながら、こ
れらの実験で得られた性能は、Sn/SnOx/Sn接
合に比べて特性は良くない。性能向上を図るために、K
urakado等は下部電極Nbを単結晶化すること
で、5.9KeVX線入射に対して半値幅160eVの
値を得ている。これについては、例えば倉門雅彦,高橋
徹,松村篤樹、信学技報 SCB90−19 pp7で
報告されている。
Nb / A, which has a proven record in digital applications
Attempts are also being made to use an lOx-Al / Nb junction for the detector. About this, for example M. Kurakado and A.
Matsumura, JJ Appl, Phys. 28 (1989) L459 and K. Ish
ibashi, K. Takano, Y. Oae, T. Sakae, Y. MATSUMOTO,
A. Katase, S. Takada, H. Ako h and H. Nakagawa, IEE
E Trans. Magn, MAG-25 (1989) 1354 or P. Gar
e, R. Engelhardt, A. Peacock, D. Twerenbold, J. Luml
ey and RE Somekh, Applied Superconductivity Con
It was reported in ference (1988). However, the performance obtained in these experiments is not as good as that of the Sn / SnOx / Sn junction. K to improve performance
Urakado et al. obtains a half value width of 160 eV with respect to 5.9 KeV X-ray incidence by single-crystallizing the lower electrode Nb. This is reported in, for example, Masahiko Kuramato, Tohru Takahashi, Atsushi Matsumura, IEICE Technical Report SCB90-19 pp7.

【0017】このように、Nb系の超伝導放射線検出器
では、上記Sn系の場合よりも熱サイクルに対して強く
することができるという利点を有するが、Sn系の場合
と比較してエネルギー分解能が250eVとSi半導体
の150eVに比べて悪く、検出精度の点で問題を残し
ていた。そこで本発明は、熱的サイクルに強くすること
ができるとともに、エネルギー分解能を良好にして検出
精度を良好にすることができる超伝導放射線検出器を提
供することを目的としている。
As described above, the Nb-based superconducting radiation detector has the advantage that it can be made stronger against thermal cycles than the Sn-based superconducting radiation detector, but has an energy resolution higher than that of the Sn-based system. Was 250 eV, which is worse than 150 eV of Si semiconductor, and there was a problem in terms of detection accuracy. Therefore, it is an object of the present invention to provide a superconducting radiation detector that can be strengthened in a thermal cycle and that can have good energy resolution and good detection accuracy.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明による超伝導放射
線検出器は上記目的を達成するため、超伝導体からなる
下部電極と、該下部電極上に形成されたバリア層と、該
バリア層上に形成された超伝導体からなる上部電極とか
らなるジョセフソン接合構造を有する超伝導放射線検出
器において、該下部及び上部電極はタンタルからなるも
のである。
In order to achieve the above object, a superconducting radiation detector according to the present invention has a lower electrode made of a superconductor, a barrier layer formed on the lower electrode, and a barrier layer on the barrier layer. In a superconducting radiation detector having a Josephson junction structure composed of an upper electrode made of a superconductor formed in the above, the lower and upper electrodes are made of tantalum.

【0019】本発明においては、前記バリア層は、タン
タルの酸化膜からなる場合であってもよく、形成方法と
しては堆積法で行うのではなく、下部電極のTaを熱処
理して形成するのが好ましい。蒸着等の堆積方法では、
バリア層として必要な膜厚以下(20Å以下)で電流パ
スが生じないように均一に形成するのは現状のプロセス
では非常に困難であるのに対し、熱処理方法では、熱処
理条件の時間、温度等を適宜調整することにより、しか
も電流パスを生じさせることなく均一な膜厚でバリア層
として必要な膜厚以下で形成することができる。
In the present invention, the barrier layer may be made of a tantalum oxide film, and the formation method is not a deposition method but a heat treatment of Ta of the lower electrode. preferable. With deposition methods such as evaporation,
In the current process, it is extremely difficult to uniformly form a barrier layer with a thickness less than the required thickness (20 Å or less) so that a current path does not occur. By appropriately adjusting the above, it is possible to form a film having a uniform film thickness and a film thickness required for the barrier layer or less without generating a current path.

【0020】本発明においては、前記バリア層は、金属
薄膜と該金属薄膜上に形成された実質的にバリアとして
機能する該金属の酸化膜との2層膜からなる場合であっ
てもよく、この前記金属には、アルミニウム、ジルコニ
ウム及びハフニウムのうちいずれか一種である場合が挙
げられ、この3態様の構成にはAlOx−Al,ZrO
x−Zr,HfOx−Hfが挙げられる。形成方法とし
ては、蒸着法等の堆積方法でTa下部電極に金属薄膜を
できるだけ薄くしかも均一に形成し、上記TaOxの場
合と同様の理由で堆積法ではなく熱処理により該金属の
酸化膜を形成すればよい。この3態様の構成によれば、
上記TaOxのバリア層の場合よりもバリア特性を良好
にすることができる。上記TaOxは、絶縁性のTa2
5 、導電性のTaO等の混合物からなっており、その
構成に導電性の酸化物を含んでいるのに対し、AlOx
は、Al(OH)3 、Al2 3 、AlO(OH)等の
混合物からなり、ZrOxはZrO2 、およびその水和
物(ZrO2 ・nH2 O)等からなり、HfOxはHf
2 およびその水和物(HfO2 ・nH2 O)等からな
り、各々全て絶縁性の酸化物から構成されており、電流
パスの原因となる導電性酸化物等の構成・物質を含んで
いないため、導電性酸化物を含んでいるTaOxよりも
バリア特性が良好である。この3態様のバリア層のう
ち、前者のAlOx−Alは後者の2つのZrOx−Z
r、HfOx−Hfよりもプロセスの制御性の点で好ま
しく、後者の2つのZrOx−Zr、HfOx−Hfは
前者のAlOx−Alよりもバリアの耐熱性の点で好ま
しい。また、Al、Zr、Hf等の前記金属膜は、膜厚
1nm以上50nm以下からなる場合が好ましい。金属
膜の膜厚が1nm以上が好ましいのは、金属膜を蒸着等
の堆積法で1nmより薄く形成すると、現状のプロセス
では均一な膜厚で形成するのは困難であり電流パス部分
が生じてしまい好ましくないからであり、また、金属膜
の膜厚が50nmが好ましいのは、金属膜を50nmよ
り厚く形成すると、ジョセフソン接合には不要な常伝導
部分が極端に増え近接効果が顕著に生じてしまい、バリ
ア特性が悪くなって好ましくないからである。
In the present invention, the barrier layer may be formed of a two-layer film including a metal thin film and an oxide film of the metal which substantially functions as a barrier and is formed on the metal thin film, The metal may be any one of aluminum, zirconium, and hafnium. In the three modes, AlOx-Al and ZrO are included.
x-Zr and HfOx-Hf are mentioned. As a forming method, a metal thin film is formed as thin and uniform as possible on the Ta lower electrode by a deposition method such as a vapor deposition method, and for the same reason as in the case of TaOx, an oxide film of the metal is formed by heat treatment instead of the deposition method. Good. According to the configuration of these three aspects,
The barrier properties can be made better than in the case of the TaOx barrier layer. The TaOx is an insulating Ta 2
It is composed of a mixture of O 5 , conductive TaO, etc., and its structure contains a conductive oxide, whereas AlOx.
Is composed of a mixture of Al (OH) 3 , Al 2 O 3 , AlO (OH), ZrOx is composed of ZrO 2 , and its hydrate (ZrO 2 .nH 2 O), and HfOx is Hf.
Consists of O 2 and its hydrate (HfO 2 · nH 2 O), etc., each of which is composed of an insulating oxide, and contains a structure / substance such as a conductive oxide that causes a current path. Therefore, the barrier property is better than that of TaOx containing a conductive oxide. Of the three types of barrier layers, the former AlOx-Al is the latter two ZrOx-Z.
r and HfOx-Hf are preferable in terms of process controllability, and the latter two ZrOx-Zr and HfOx-Hf are preferable in terms of barrier heat resistance than the former AlOx-Al. Further, it is preferable that the metal film of Al, Zr, Hf or the like has a film thickness of 1 nm or more and 50 nm or less. It is preferable that the thickness of the metal film is 1 nm or more. If the metal film is formed thinner than 1 nm by a deposition method such as vapor deposition, it is difficult to form a uniform film in the current process, and a current path portion is generated. This is because it is not preferable, and the thickness of the metal film is preferably 50 nm. When the metal film is formed to have a thickness of more than 50 nm, the normal-conducting portion unnecessary for the Josephson junction is extremely increased and the proximity effect is remarkably generated. This is not preferable because the barrier properties deteriorate.

【0021】[0021]

【作用】前述したように、この超伝導放射線検出器は非
平衡超伝導現象を利用しており、高性能を実現するため
には、入射放射線及びこれに伴うフォノンにより励起さ
れた準粒子が、途中でロスすることなく如何に効率よく
バリアをトンネルするかにかかっている。励起された準
粒子を効率よくバリアをトンネルさせるためには、超伝
導体のもつ準粒子の寿命とフォノンの寿命が重要な要因
であることに着目した。
As described above, this superconducting radiation detector utilizes the non-equilibrium superconducting phenomenon, and in order to achieve high performance, incident radiation and the quasiparticles excited by the accompanying phonons are It depends on how to efficiently tunnel the barrier without loss on the way. We focused on the fact that the lifetime of quasiparticles and phonons of superconductors are important factors for efficiently tunneling excited quasiparticles through a barrier.

【0022】従来では、高性能な結果が得られているの
はSn/SnOx/Sn接合の場合であり、熱的サイク
ル等の熱的に安定なNb系ではまだ不十分な結果しか得
られていないことを示した。この理由として、本質的に
励起された準粒子が効率よく、即ち再結合することな
く、バリアをトンネルする割合に差があるためと考え
た。準粒子の再結合時間が大きい材料が、このデバイス
には向いていると考えた。そこで、代表的な材料の再結
合時間を調べた。図1にその結果を示す。これについて
は、例えば井口家成,日本物理学会誌,35巻,第4号
PP314で報告されている。但し、この結果は熱平
衡状態での値であり、実際の非平衡状態でも、この値を
保持しているかは不明である。Al,Sn,Pb等のい
わゆる軟らかい金属が準粒子の再結合時間が大きい。こ
れに対して、NbではSnに比べて1桁以上小さい。更
に、フォノンの寿命が大きい方が、フォノンによる準粒
子生成がより効率よくできると考えた。Nbはこの点で
もSnに比べて2桁小さい。Sn,Pbは熱サイクル耐
性がないことを考慮しなければ放射線検出器のための材
料としては好ましい材料であると言える。
Conventionally, the high-performance result is obtained in the case of Sn / SnOx / Sn junction, and the result is still insufficient in the thermally stable Nb system such as thermal cycle. Showed that there is no. The reason for this was considered to be that the excited quasiparticles are essentially different in the rate of tunneling through the barrier efficiently, that is, without recombination. We thought that a material with a large quasi-particle recombination time would be suitable for this device. Therefore, the recombination time of typical materials was investigated. The result is shown in FIG. This has been reported in, for example, Isei Iguchi, Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 35, No. 4, PP314. However, this result is the value in the thermal equilibrium state, and it is unknown whether this value is held even in the actual non-equilibrium state. So-called soft metals such as Al, Sn, and Pb have a long quasi-particle recombination time. On the other hand, Nb is smaller than Sn by one digit or more. Furthermore, it was considered that phonon generation can be performed more efficiently with a longer phonon lifetime. Also in this respect, Nb is two orders of magnitude smaller than Sn. It can be said that Sn and Pb are preferable materials as the material for the radiation detector unless it is considered that they do not have thermal cycle resistance.

【0023】ところで、Ta(超伝導転移温度4.5
K)はフォノン寿命がSnに比べてやや小さいが、準粒
子寿命はSnと同程度の値を有するため、エネルギー分
解能に優れていると予想されるとともに、同時にNbと
同じく高融点であるため、熱サイクル耐性に優れている
可能性があると予想される。そこで本発明では、後述す
る実施例の如く熱的に安定で、しかも準粒子の緩和時間
が長いTaを接合の電極に用いて構成したところ、従来
のNb系の場合よりも高分解能を得ることができる。し
かも、熱的に安定なTa電極で構成したため、従来のS
n系の場合よりも熱サイクルに対して良好な結果を得る
ことができた。
By the way, Ta (superconducting transition temperature 4.5
K) has a phonon lifetime slightly smaller than that of Sn, but has a quasi-particle lifetime of about the same value as Sn, and is therefore expected to have excellent energy resolution. At the same time, it has a high melting point like Nb. It is expected that it may have excellent heat cycle resistance. Therefore, in the present invention, when Ta, which is thermally stable and has a long quasi-particle relaxation time, is used for the junction electrode in the present invention, higher resolution can be obtained than in the case of the conventional Nb system. You can Moreover, since it is composed of a thermally stable Ta electrode, the conventional S
Better results were obtained for thermal cycling than for the n-system.

【0024】[0024]

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。 (実施例1)図2は本発明の実施例1に則した超伝導放
射線検出器におけるジョセフソン接合部の構造を示す断
面図である。図2において、1はSi等の基板であり、
2は基板1上に形成されたTaからなる下部電極パター
ンであり、3はTa下部電極パターン2が露出された開
口部3a,3bを有するSiO2 等の絶縁膜である。そ
して、4は開口部3a内のTa下部電極パターン2が熱
酸化され形成されたTaOxからなるバリア層であり、
5は開口部3a内のバリア層4及び開口部3b内の下部
電極パターン2上に形成されたTaからなる引き出し配
線も兼ねた上部電極パターンであり、この上部電極パタ
ーン5は開口部5aにより分離され、電流は開口部5a
右側の上部電極パターン5→バリア層4→下部電極パタ
ーン2→開口部5a左側の上部電極パターン5という具
合に流れる。なお、ジョセフソン接合部はTa上部電極
パターン5、TaOxバリア層4及びTa下部電極パタ
ーン2から構成される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 2 is a sectional view showing a structure of a Josephson junction in a superconducting radiation detector according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 2, 1 is a substrate such as Si,
Reference numeral 2 is a lower electrode pattern made of Ta formed on the substrate 1, and 3 is an insulating film such as SiO 2 having openings 3a and 3b where the Ta lower electrode pattern 2 is exposed. Reference numeral 4 denotes a barrier layer made of TaOx formed by thermally oxidizing the Ta lower electrode pattern 2 in the opening 3a,
Reference numeral 5 denotes an upper electrode pattern formed also on the barrier layer 4 in the opening 3a and on the lower electrode pattern 2 in the opening 3b and also serving as a lead wiring. The upper electrode pattern 5 is separated by the opening 5a. And the current flows through the opening 5a.
The upper electrode pattern 5 on the right side → the barrier layer 4 → the lower electrode pattern 2 → the opening 5a flows in the order of the upper electrode pattern 5 on the left side. The Josephson junction is composed of the Ta upper electrode pattern 5, the TaOx barrier layer 4, and the Ta lower electrode pattern 2.

【0025】次に、図3は本発明の実施例1に則した超
伝導放射線検出器におけるジョセフソン接合部の製造方
法を説明する図である。図3において、図2と同一符号
は同一または相当部分を示し、2aは下部電極となるT
a膜である。次に、そのジョセフソン接合部の製造方法
について説明する。まず、図3(a)に示すようにSi
基板1上に接合の下部電極としてスパッタでTa膜2を
膜厚約200nmで堆積する。この時の成膜条件は、A
r圧を1.3Paとし、DCマグネトロンスパッタの印
加電流を2.0Aとし、印加電圧を300Vとする。
Next, FIG. 3 is a diagram for explaining a method of manufacturing the Josephson junction in the superconducting radiation detector according to the first embodiment of the present invention. 3, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or corresponding portions, and 2a is a lower electrode T
a film. Next, a method of manufacturing the Josephson junction will be described. First, as shown in FIG.
A Ta film 2 having a thickness of about 200 nm is deposited on the substrate 1 as a lower electrode for bonding by sputtering. The film forming conditions at this time are A
The r pressure is 1.3 Pa, the applied current of DC magnetron sputtering is 2.0 A, and the applied voltage is 300 V.

【0026】次に、図3(b)に示すように、フォトレ
ジストプロセスで下部電極に対応する領域が残るように
レジストパターニングを行ってレジストマスクを形成し
た後、このレジストマスクを用い、CF4 +5%O2
スによる反応性エッチング(RIE)でTa膜2aをエ
ッチングして下部電極パターン2を形成する。この時の
エッチング条件は印加電力を50Wとし、圧力を8Pa
とする。次いで、レジストマスクを除去した後、全面に
スパッタでSiO2 を堆積して膜厚約400nmの絶縁
膜3を形成する。この時の成膜条件は印加電力を900
Wとし、Ar圧力を1.3Paとする。
Next, as shown in FIG. 3B, a resist mask is formed by performing a resist patterning by a photoresist process so that a region corresponding to the lower electrode remains, and then CF 4 is used by using this resist mask. The Ta film 2a is etched by reactive etching (RIE) using + 5% O 2 gas to form the lower electrode pattern 2. The etching conditions at this time were applied power of 50 W and pressure of 8 Pa.
And Then, after removing the resist mask, SiO 2 is deposited on the entire surface by sputtering to form an insulating film 3 having a thickness of about 400 nm. The film-forming conditions at this time are applied power of 900
W and Ar pressure is 1.3 Pa.

【0027】次に、図3(c)に示すように、フォトレ
ジストプロセスでバリア層に対応する領域以外の領域か
ら残るようにレジストパターニングを行ってレジストマ
スクを形成した後、このレジストマスクを用いCHF3
+30%O2 ガスを用いたRIEで絶縁膜3をエッチン
グして下部電極パターン2が露出された開口部3aを形
成する。この時、接合面積が決定される。この時のエッ
チング条件は印加電力を100Wとし、圧力を2Paと
する。
Next, as shown in FIG. 3 (c), resist patterning is performed by a photoresist process so as to leave the region other than the region corresponding to the barrier layer to form a resist mask, and this resist mask is used. CHF 3
The insulating film 3 is etched by RIE using + 30% O 2 gas to form an opening 3a in which the lower electrode pattern 2 is exposed. At this time, the joint area is determined. The etching conditions at this time are an applied power of 100 W and a pressure of 2 Pa.

【0028】次いで、レジストマスクはそのままで、
0.1%クエン酸水溶液を用いた陽極酸化で開口部3a
内に露出されたTa下部電極パターン2部分を酸化して
TaOxからなる接合のバリア層4を形成する。次い
で、レジストマスクを除去する。次に、図3(d)に示
すように、開口部3aを形成した時と同じプロセスでコ
ンタクト部分の穴開けを行って開口部3aとは離間する
下部電極パターン2が露出された開口部3bを形成す
る。
Then, the resist mask is left as it is,
The opening 3a is formed by anodic oxidation using a 0.1% citric acid aqueous solution.
The Ta lower electrode pattern 2 portion exposed inside is oxidized to form a barrier layer 4 of a junction made of TaOx. Then, the resist mask is removed. Next, as shown in FIG. 3D, the contact portion is perforated by the same process as when the opening 3a is formed to expose the lower electrode pattern 2 which is separated from the opening 3a. To form.

【0029】次に、引き出し配線層も兼ねた上部電極と
なるTaを400nmで堆積してTa膜を形成する。こ
の成膜条件は下部電極となるTa膜2aの時と同じであ
る。そして、CF4 +5%O2 ガスによる反応性エッチ
ング(RIE)でTa膜をエッチングして分離するため
の開口部5aを有する上部電極パターン5を形成するこ
とにより、図2及び図3(e)に示すようなTa上部電
極パターン5、TaOxバリア層4及びTa下部電極パ
ターン2からなるジョセフソン接合部を有する素子を得
ることができる。
Next, Ta, which serves as an upper electrode that also serves as an extraction wiring layer, is deposited in a thickness of 400 nm to form a Ta film. The film forming conditions are the same as those for the Ta film 2a which will be the lower electrode. Then, an upper electrode pattern 5 having an opening 5a for etching and separating the Ta film is formed by reactive etching (RIE) using CF 4 + 5% O 2 gas, thereby forming the upper electrode pattern 5. A device having a Josephson junction composed of the Ta upper electrode pattern 5, the TaOx barrier layer 4, and the Ta lower electrode pattern 2 as shown in (3) can be obtained.

【0030】本実施例のTa下部電極パターン2、Ta
Oxバリア層4及びTa上部電極パターン5からなる接
合部を有する検出器では、エネルギー分解能を60eV
と、従来のNb系の場合の250eVよりも良くするこ
とができた。そして、従来のSn/SnOx/S接合の
場合では、室温とヘリウム温度の熱サイクルに対して素
子劣化が生じていたのに対し、本実施例ではほとんど劣
化させないようにすることができた。
Ta lower electrode pattern 2, Ta of this embodiment
A detector having a junction composed of the Ox barrier layer 4 and the Ta upper electrode pattern 5 has an energy resolution of 60 eV.
Then, it was possible to improve it to 250 eV in the case of the conventional Nb system. In the case of the conventional Sn / SnOx / S junction, the element deterioration was caused by the thermal cycle of room temperature and helium temperature, but in the present example, it was possible to prevent the deterioration.

【0031】なお、実施例では、TaOxバリア層4を
Ta下部電極パターン2を陽極酸化で形成する場合につ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
く、例えば酸素ガス雰囲気中でRF酸化、熱酸化等によ
り形成してもよい。 (実施例2)次に、図4は本発明の実施例2に則した超
伝導放射線検出器におけるジョセフソン接合部の構造を
示す断面図である。図4において、11はSi等の基板で
あり、12は基板11上に形成されたTaからなる下部電極
パターンであり、13aは下部電極パターン12上に形成さ
れたAl膜パターンであり、13bはAlOx膜パターン
13b上に形成されたAlOx膜パターンであり、13はA
l膜パターン13aと実質的にバリアとして機能するAl
Ox膜パターン13bとからなるバリア層である。次い
で、14はバリア層13上に形成されたTaからなる上部電
極パターンであり、15はTa上部電極パターン14が露出
された開口部15aとTa下部電極パターン12が露出され
た開口部15bを有するSiO2 等の絶縁膜である。そし
て、16は開口部15a内のTa上部電極パターン14及び開
口部15b内のTa下部電極パターン12上に形成されたT
a等からなる引き出し配線配線層パターンであり、この
引き出し配線層パターン16は開口部16aにより分離さ
れ、電流は開口部16a右側の引き出し配線層パターン16
→上部電極パターン14→下部電極パターン12→開口部15
b左側の引き出し配線層パターン16という具合に流れ
る。なお、ジョセフソン接合部はTa上部電極パターン
14、Al膜パターン13aとAlOx膜パターン13bから
なるバリア層13及びTa下部電極パターン12から構成さ
れる。
In the examples, the case where the TaOx barrier layer 4 is formed by forming the Ta lower electrode pattern 2 by anodic oxidation has been described, but the present invention is not limited to this and, for example, RF in an oxygen gas atmosphere. It may be formed by oxidation, thermal oxidation, or the like. (Embodiment 2) Next, FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a Josephson junction in a superconducting radiation detector according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 4, 11 is a substrate such as Si, 12 is a lower electrode pattern made of Ta formed on the substrate 11, 13a is an Al film pattern formed on the lower electrode pattern 12, and 13b is AlOx film pattern
13B is an AlOx film pattern formed on 13b, where 13 is A
Al that substantially functions as a barrier with the film pattern 13a
This is a barrier layer composed of the Ox film pattern 13b. Next, 14 is an upper electrode pattern made of Ta formed on the barrier layer 13, and 15 has an opening 15a where the Ta upper electrode pattern 14 is exposed and an opening 15b where the Ta lower electrode pattern 12 is exposed. It is an insulating film such as SiO 2 . 16 is a T formed on the Ta upper electrode pattern 14 in the opening 15a and the Ta lower electrode pattern 12 in the opening 15b.
The lead-out wiring layer pattern 16 is composed of a. The lead-out wiring layer pattern 16 is separated by the opening 16a, and the current flows through the lead-out wiring layer pattern 16 on the right side of the opening 16a.
→ Upper electrode pattern 14 → Lower electrode pattern 12 → Opening 15
b The flow of the lead wiring layer pattern 16 on the left side flows. The Josephson junction is the Ta upper electrode pattern.
14, a barrier layer 13 including an Al film pattern 13a and an AlOx film pattern 13b, and a Ta lower electrode pattern 12.

【0032】次に、図5は本発明の実施例2に則した超
伝導放射線検出器におけるジョセフソン接合部の製造方
法を説明する図である。図5において、図4と同一符号
は同一または相当部分を示し、12aは下部電極となるT
a膜であり、13c、13dは各々Al膜、AlOx膜であ
り、14aはTa膜である。次に、そのジョセフソン接合
部の製造方法について説明する。
Next, FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing a Josephson junction in a superconducting radiation detector according to the second embodiment of the present invention. 5, the same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or corresponding portions, and 12a is a lower electrode T
a film, 13c and 13d are an Al film and an AlOx film, respectively, and 14a is a Ta film. Next, a method of manufacturing the Josephson junction will be described.

【0033】まず、図5(c)に示すように、Si基板
11上に真空を破ることなしに連続にTa/AlOx−A
l/Taを堆積して膜厚200nmのTa膜12a、膜厚
6nmのAl膜13c、膜厚1nmのAlOx膜13d及び
膜厚200nmのTa膜14aを形成する。Taは実施例
1の時と同じ成膜条件である。AlはDCマグネトロン
スパッタを用い、Ar圧力を1.3Paとし、印加電流
を0.3Aとし、印加電圧を270Vとして成膜する。
AlOxはO2 ガスを導入してAl表面を酸化して形成
する。 次に、フォトレジストプロセスで接合部に対応
する領域が残るようにレジストパターニングを行ってレ
ジストマスクを形成した後、このレジストマスクを用
い、CF4 +5%O2 ガスによるRIEによりTa膜14
aをエッチングして上部電極パターン14を形成する。こ
の時、AlOx13dはエッチングされない。次いで、A
rエッチングによりAlOx13d及びAl膜13cをエッ
チングしてAlOx膜パターン13b及びAl膜パターン
13aを形成する。この時、AlOx膜パターン13b及び
Al膜パターン13aからなるバリア層13が形成されて接
合面積が決定される。次いで、レジストマスクを除去す
る。
First, as shown in FIG. 5C, a Si substrate
11 / Ta / AlOx-A continuously without breaking vacuum
1 / Ta is deposited to form a Ta film 12a having a film thickness of 200 nm, an Al film 13c having a film thickness of 6 nm, an AlOx film 13d having a film thickness of 1 nm, and a Ta film 14a having a film thickness of 200 nm. Ta is the same film forming condition as in Example 1. Al is formed by DC magnetron sputtering, Ar pressure is 1.3 Pa, applied current is 0.3 A, and applied voltage is 270 V.
AlOx is formed by introducing O 2 gas and oxidizing the Al surface. Next, resist patterning is performed by a photoresist process so that a region corresponding to the bonded portion remains, and a resist mask is formed. Then, using this resist mask, Ta film 14 is formed by RIE using CF 4 + 5% O 2 gas.
The upper electrode pattern 14 is formed by etching a. At this time, AlOx 13d is not etched. Then A
AlOx 13d and Al film 13c are etched by r etching to form AlOx film pattern 13b and Al film pattern
13a is formed. At this time, the barrier layer 13 including the AlOx film pattern 13b and the Al film pattern 13a is formed to determine the junction area. Then, the resist mask is removed.

【0034】次に、図5(c)に示すように、フォトレ
ジストプロセスで下部電極に対応する領域が残るように
レジストパターニングしてレジストマスクを形成した
後、このレジストマスクを用い、CF4 +5%O2 ガス
によるRIEによりTa膜12aをエッチングして下部電
極パターン12を形成する。次に、図5(d)に示すよう
に、全面にスパッタでSiO2 を堆積して膜厚400n
mの絶縁膜15を形成する。この時の成膜条件は実施例1
のSiO2 の時と同じである。
Next, as shown in FIG. 5C, a resist mask is formed by a photoresist process so that a region corresponding to the lower electrode remains, and then a resist mask is used to form CF 4 +5. The lower electrode pattern 12 is formed by etching the Ta film 12a by RIE using% O 2 gas. Next, as shown in FIG. 5D, SiO 2 is deposited on the entire surface by sputtering to obtain a film thickness of 400 n.
m insulating film 15 is formed. The film forming conditions at this time are as in Example 1.
It is the same as the case of SiO 2 .

【0035】次に、図5(e)に示すように、フォトレ
ジストプロセスとRIE等により絶縁膜15をエッチング
して上部電極パターン14が露出された開口部15aを形成
するとともに、下部電極パターン12が露出された開口部
15bを形成する。そして、全面にTaを膜厚600nm
で堆積した後、フォトレジストプロセスとRIE等によ
りTaをエッチングして分離のための開口部16aを有す
る引き出し配線層パターン16を形成することにより、図
4及び図5(f)に示すようなTa上部電極パターン1
4、Al膜パターン13aとAlOx膜パターン13bから
なるバリア層13及びTa下部電極パターン12からなるジ
ョセフソン接合部を有する素子を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 5E, the insulating film 15 is etched by a photoresist process and RIE to form an opening 15a exposing the upper electrode pattern 14, and the lower electrode pattern 12 is formed. The exposed opening
Form 15b. Then, a Ta film having a thickness of 600 nm is formed on the entire surface.
And then Ta is etched by a photoresist process and RIE or the like to form a lead wiring layer pattern 16 having an opening 16a for separation, thereby forming Ta as shown in FIGS. 4 and 5 (f). Upper electrode pattern 1
4. A device having a Josephson junction composed of the barrier layer 13 composed of the Al film pattern 13a and the AlOx film pattern 13b and the Ta lower electrode pattern 12 can be obtained.

【0036】本実施例のTa下部電極パターン12、Al
膜パターン13a及びAlOx膜パターン13bからなるバ
リア層13及びTa上部電極パターン14からなる接合部を
有する検出器では、エネルギー分解能を60eVと、従
来のNb系の場合の250eVよりも良くすることがで
きた。そして、従来のSn/SnO/S接合の場合で
は、室温とヘリウム温度の熱サイクルに対して素子劣化
が生じていたのに対し、本実施例では、ほとんど劣化さ
せないようにすることができた。
Ta lower electrode pattern 12, Al of this embodiment
A detector having a junction composed of the barrier layer 13 composed of the film pattern 13a and the AlOx film pattern 13b and the Ta upper electrode pattern 14 can have an energy resolution of 60 eV, which is better than 250 eV in the case of the conventional Nb system. It was In the case of the conventional Sn / SnO / S junction, the element deterioration was caused by the thermal cycle of the room temperature and the helium temperature, but in the present example, it was possible to prevent the deterioration.

【0037】なお、実施例2では、引き出し配線層にT
aを用いる場合について説明したが、Ta以外の例えば
Nb、NbN等を用いてもよい。また、実施例1ではバ
リア層4にTaOxを用い、実施例2ではバリア層にA
lOx−Alを用いる場合について説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、例えばバリアの耐熱
性に優れたZrOx−ZrやHfOx−Hf等を用いて
もよい。
In the second embodiment, the lead wiring layer is made of T.
Although the case where a is used has been described, Nb, NbN or the like other than Ta may be used. Further, in Example 1, TaOx was used for the barrier layer 4, and in Example 2, AOx was used for the barrier layer.
Although the case of using lOx-Al has been described, the present invention is not limited to this, and for example, ZrOx-Zr or HfOx-Hf having excellent heat resistance of the barrier may be used.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によれば、熱的サイクルに強くす
ることができるとともに、高分解能、高感度及び高速応
答を発揮することができるという効果がある。
EFFECTS OF THE INVENTION According to the present invention, it is possible to strengthen the thermal cycle and to exhibit high resolution, high sensitivity and high speed response.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の原理説明のための代表的な超伝導体の
準粒子及びフォノンの寿命を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing lifetimes of quasiparticles and phonons of a typical superconductor for explaining the principle of the present invention.

【図2】本発明の実施例1に則した超伝導放射線検出器
におけるジョセフソン接合部の構造を示す断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view showing a structure of a Josephson junction in the superconducting radiation detector according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例1に則した超伝導放射線検出器
におけるジョセフソン接合部の製造方法を説明する図で
ある。
FIG. 3 is a diagram illustrating a method of manufacturing the Josephson junction in the superconducting radiation detector according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例2に則した超伝導放射線検出器
におけるジョセフソン接合部の構造を示す断面図であ
る。
FIG. 4 is a sectional view showing a structure of a Josephson junction in a superconducting radiation detector according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施例2に則した超伝導放射線検出器
におけるジョセフソン接合部の製造方法を説明する図で
ある。
FIG. 5 is a diagram illustrating a method of manufacturing a Josephson junction in a superconducting radiation detector according to the second embodiment of the present invention.

【図6】シンクロトロン放射光の応用例を示す図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing an application example of synchrotron radiation light.

【図7】超伝導放射線検出器とSi(Li)半導体検出
器のエネルギー分解能と入射エネルギーを示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing energy resolution and incident energy of a superconducting radiation detector and a Si (Li) semiconductor detector.

【図8】ジョセフソン接合における放射線を照射した時
のトンネル過程を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a tunnel process when a Josephson junction is irradiated with radiation.

【図9】ジョセフソン接合における放射線を照射した時
の電流−電圧特性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing current-voltage characteristics when a Josephson junction is irradiated with radiation.

【図10】クラウス等の素子構造と波高スペクトル実験結
果を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a device structure such as Klaus and the result of a wave height spectrum experiment.

【図11】ツウェレンボルド等の素子構造と波高スペクト
ル実験結果を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing an element structure of Twelenbold or the like and a result of a wave height spectrum experiment.

【図12】ロスムンド等の波高スペクトルの実験結果を示
す図である。
FIG. 12 is a diagram showing experimental results of wave height spectra of Rosmund and others.

【図13】バローネ等の素子構造と波型スペクトル実験結
果を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an element structure of Barone and the like and a result of a wave spectrum experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11 基板 2,12 下部電極パターン 2a,12a Ta膜 3,15 絶縁膜 3a,3b,5a 開口部 4,13 バリア層 5,14 上部電極パターン 13a Al膜パターン 13b AlOx膜パターン 13c Al膜 13d AlOx膜 15a,15b,16a 開口部 16 引き出し配線層パターン 1, 11 substrate 2, 12 lower electrode pattern 2a, 12a Ta film 3,15 insulating film 3a, 3b, 5a opening 4,13 barrier layer 5,14 upper electrode pattern 13a Al film pattern 13b AlOx film pattern 13c Al film 13d AlOx film 15a, 15b, 16a Opening 16 Lead-out wiring layer pattern

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 超伝導体からなる下部電極と、該下部電
極上に形成されたバリア層と、該バリア層上に形成され
た超伝導体からなる上部電極とからなるジョセフソン接
合構造を有する超伝導放射線検出器において、 該下部及び上部電極はタンタルからなることを特徴とす
る超伝導放射線検出器。
1. A Josephson junction structure comprising a lower electrode made of a superconductor, a barrier layer formed on the lower electrode, and an upper electrode made of a superconductor formed on the barrier layer. The superconducting radiation detector, wherein the lower and upper electrodes are made of tantalum.
【請求項2】 前記バリア層は、タンタルの酸化膜から
なることを特徴とする請求項1記載の超伝導放射線検出
器。
2. The superconducting radiation detector according to claim 1, wherein the barrier layer is made of a tantalum oxide film.
【請求項3】 前記バリア層は、金属薄膜と該金属薄膜
上に形成された実質的にバリアとして機能する該金属の
酸化膜との2層膜からなることを特徴とする請求項1記
載の超伝導放射線検出器。
3. The barrier layer is composed of a two-layer film including a metal thin film and an oxide film of the metal formed on the metal thin film and substantially functioning as a barrier. Superconducting radiation detector.
【請求項4】 前記金属は、アルミニウム、ジルコニウ
ム及びハフニウムのうちいずれか一種であることを特徴
とする請求項3記載の超伝導放射線検出器。
4. The superconducting radiation detector according to claim 3, wherein the metal is one of aluminum, zirconium and hafnium.
【請求項5】 前記金属膜は、膜厚1nm以上50nm
以下からなることを特徴とする請求項3乃至4記載の超
伝導放射線検出器。
5. The metal film has a film thickness of 1 nm or more and 50 nm.
5. The superconducting radiation detector according to claim 3, comprising:
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Cited By (3)

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