JP5669064B2 - 超伝導トンネル接合検出器 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導トンネル接合（Superconducting Tunnel Junction：ＳＴＪ）を用いてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器に関する。

従来の超伝導トンネル接合素子（以下「ＳＴＪ素子」という）を用いた検出器として、例えば特許文献１に記載の光センサがある。この光センサは、光吸収体と一体化されたＳＴＪ素子を用いており、光吸収体で光のエネルギーをフォノンに変換し、変換されたフォノンによって超伝導体内の電子を励起することによって光を検出している。
一方、本発明者らは、基板をエネルギー吸収体とした基板吸収型ＳＴＪ素子を用いることで、より広帯域でのフォトンの検出を可能とする超伝導トンネル接合検出器の研究、開発を行っている。

上記基板吸収型ＳＴＪ素子によるフォトンの検出原理を説明すれば、概ね次のとおりである。基板がフォトン（のエネルギー）を吸収すると基板内にはフォノンが発生する。発生したフォノン群は基板内を伝播し、その一部がＳＴＪ素子の基板に密着した下部電極に到達する。フォノンが下部電極に到達すると、下部電極内のクーパー対が解離されて準粒子が生成される。そして、この準粒子がトンネルバリアをトンネルする際に流れる電流（トンネル電流）をフォトンの検出信号とする。

特開昭６１−２７１８７９号公報

ところで、上記基板吸収型ＳＴＪ検出器による検出効率を向上させる場合には、まずＳＴＪ素子の下部電極を大きくして、より多くのフォノンが下部電極に到達できるように構成することが考えられる。
しかし、検出信号に寄与するのは、下部電極内で生成された準粒子のうちトンネルバリアまで到達した準粒子のみであるため、たとえ多くのフォノンが下部電極に到達できたとしても、それだけでは必ずしも検出効率が向上するとは言えない。すなわち、リーク電流を抑制するためにトンネルバリアは小さくする必要があるところ、下部電極内で生成された準粒子がトンネルバリアに到達できる距離（準粒子拡散長）は、電極材料によって異なるものの、せいぜい数十〜数百μｍである。このため、単に下部電極を大きくしても、これに伴う準粒子の増加分がトンネルバリアに到達できない可能性が高く、基板吸収型ＳＴＪ検出器の検出効率を向上させるには限界があるという課題がある。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、下部電極の大きさにかかわらず、より多くのフォノンを下部電極に到達させることにより、下部電極内に発生する準粒子数を増加させて、フォトンの検出効率を向上できる超伝導トンネル接合検出器を提供することを目的とする。

本発明の一側面による超伝導トンネル接合検出器は、基板の上面に、下部電極、トンネルバリア及び上部電極が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子が設けられ、前記基板内で発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器であって、前記基板の上面には前記下部電極を囲むように金属膜が埋め込まれている。

本発明の他の側面による超伝導トンネル接合検出器は、基板の上面に、下部電極、トンネルバリア及び上部電極が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子が設けられ、前記基板内で発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器であって、前記基板の上面には少なくとも前記下部電極を挟んで対向するように延びる一対の溝が形成されている。

上記超伝導トンネル接合検出器によれば、基板の上面に埋め込まれた金属膜又は基板の上面に形成された溝によって基板内を伝播するフォノンが金属膜、溝などの界面で反射されフォノンの拡散（分散）が低減される。その結果、より多くのフォノンが下部電極に到達する。これにより、フォトンの検出効率を向上できる。

本発明の実施形態による超伝導トンネル接合検出器の構成を示すブロック図である。 上記超伝導トンネル接合検出器で用いる基板吸収型ＳＴＪ素子の構成を示す図である。 上記基板吸収型ＳＴＪ素子の作製工程を示す図である。 上記基板吸収型ＳＴＪ素子の作製工程を示す図である。 上記基板吸収型ＳＴＪ素子の作製工程を示す図である。 基板内におけるフォノンの伝播の様子を模式的に示した図である。 上記基板吸収型ＳＴＪ素子の変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態ついて説明する。
図１は、本発明の実施形態による超伝導トンネル接合検出器の構成を示すブロック図である。本実施形態による超伝導トンネル接合検出器１は、テラヘルツ波を検出する超伝導テラヘルツ波検出器として構成されており、基板吸収型ＳＴＪ素子１０と、基板吸収型ＳＴＪ素子１０の検出信号を増幅するプリアンプ２０と、プリアンプ２０の出力をＡ／Ｄ変換してデジタルデータとして出力するＡ／Ｄ変換器３０と、Ａ／Ｄ変換器３０の出力を記録する記録装置４０と、を備える。

図２は、基板吸収型ＳＴＪ素子１０の構成を示しており、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図２に示すように、基板吸収型ＳＴＪ素子１０は、基板１１と、基板１１上に設けられたＳＴＪ素子１３と、を有する。
基板１１は、検出対象であるテラヘルツ波を吸収しやすいＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）やＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）などからなる単結晶基板である。
ＳＴＪ素子１３は、基板１１の上面に、超伝導電極材料の単層、もしくは超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜からなる下部電極３１、絶縁膜からなるトンネル障壁（トンネルバリア）３３、及び、超伝導電極材料の単層、もしくは超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜からなる上部電極３５が順に積層された構造を有する素子である。超伝導電極材料として、例えば、Ａｌ（アルミニウム）／ニオブ（Ｎｂ）の二層膜、トンネル障壁となる絶縁膜として、例えば、ＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）などが用いられる。ここで、超伝導電極材料を超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜とするのは、超伝導エネルギーギャップの値がより小さい材料の層がより大きい材料の層で発生した準粒子を集める層（トラップ層）として作用し、トンネルバリア付近のクーパー対の崩壊による準粒子数の増加が期待できるからである。

また、基板１１の上面には、ＳＴＪ素子１３の下部電極３１を囲むように金属膜１２が埋め込まれている。具体的には、基板１１の上面に下部電極３１を囲む溝１１ａが形成され、この溝１１ａを埋めるように金属膜１２が形成されている。溝１１ａは、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング装置を用いて基板１１の上面を掘り込むことによって形成することができる。金属膜１２は、例えば蒸着装置やスパッタリング装置を用いて溝１１ａの表面に金属を堆積させることによって形成することができる。

さらに、基板１１上にはグランド層１５が形成されており、このグランド層１５は下部電極３１に接続している。ＳＴＪ素子１３及びグランド層１５はＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）などからなる層間絶縁膜１７によって覆われており、これにより、ＳＴＪ素子１３の下部電極３１と上部電極３５との間の電気的絶縁がとられている。さらにまた、基板１１上には層間絶縁膜１７に形成されたコンタクトホール１７ａを介して上部電極３５に接続する配線１９が形成されており、この配線１９は信号検出用のＰＡＤ１９ａに接続される。

図３〜図５は、基板吸収型ＳＴＪ素子１０の作製プロセスの概要を示している。
図３（ａ）に示す第１工程では、フォトリソグラフィ技術及びエッチングによって基板１１の上面に矩形状の溝１１ａを形成する。具体的には、例えばボッシュプロセスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって高アスペクト比の溝１１ａを形成する。溝１１ａの深さは、基板１１上に設けられるＳＴＪ素子の数やその間隔等によって調整されるが、概ね基板１１の厚さの半分又はそれよりもやや大きくするのが好ましい。

図３（ｂ）に示す第２工程では、フォトリソグラフィ技術と蒸着又はスパッタリングとによって基板１１の上面に形成された溝１１ａ内に金属を堆積させる。これにより、溝１１ａに金属が埋め込まれて金属膜１２が形成される。ここで、溝１１ａに堆積させる金属は、特に制限されないが、例えばＮｂ（ニオブ）、Ｃｒ（クロム）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ（アルミニウム）又はこれらの合金などが考えられる。

図３（ｃ）に示す第３工程では、スパッタリングによって、薄い絶縁体を超伝導体で挟んだＳＩＳ（Superconducting-Insulator-Superconducting）構造、すなわち、Ｎｂ／Ａｌ−ＡｌＯｘ−Ａｌ／Ｎｂ構造の薄膜５１を基板１１上に堆積させる。ここで、上層のＮｂ／ＡｌがＳＴＪ素子１３の上部電極層であり、中間層のＡｌＯｘがＳＴＪ素子１３のトンネルバリア層であり、下層のＡｌ／ＮｂがＳＴＪ素子の下部電極層である。なお、トンネルバリア層（ＡｌＯｘ）は、Ａｌ膜を酸素雰囲気中に長時間放置して酸化させることで得られる。

図３（ｄ）に示す第４工程では、感光性フォトレジストをスピンコーターやスプレーコーターなどによって薄膜５１上に塗布し、フォトマスクを用いて溝１１ａの内側の領域のほぼ中央位置にて上部電極３５の形状にパターンニングし、紫外光によって感光させた後に、ポジ型の現像液にて現像してレジスト５２を形成する。

図４（ａ）に示す第５工程では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって上部電極層及びトンネルバリア層、並びに、下部電極層の一部を削り、アセトンなどの有機溶剤で超音波洗浄して残ったレジスト５２を取り除く。これにより、ＳＴＪ素子１３の上部電極３５及びトンネルバリア３３が形成される。

図４（ｂ）に示す第６工程では、上記第４工程（図３（ｄ））と同様の方法によって下部電極３３及びグランド層１５の形状にパターニングされたレジスト５３を形成する。
図４（ｃ）に示す第７工程では、上記第５工程（図４（ａ））と同様の方法によって下部電極層を削り、その後、残ったレジスト５３を取り除く。これにより、下部電極３１及びグランド層１５が形成される。

図４（ｄ）に示す第８工程では、スパッタリングによって層間絶縁層（ＳｉＯ_２など）５４を堆積させる。
図４（ｅ）に示す第９工程では、上記第４工程（図３（ｄ））と同様の方法によってコンタクトホール１７ａ及びＰＡＤ１９ａとなる部分を除いた形状にパターニングされてレジスト５５を形成する。

図５（ａ）に示す第１０工程では、上記第５工程（図４（ａ））と同様の方法によって層間絶縁層５４を削り、その後、残ったレジスト５５を取り除く。これにより、層間絶縁膜１７及びコンタクトホール１７ａが形成される。

図５（ｂ）に示す第１１工程では、スパッタリングによって配線層（例えばＮｂ層）５６を堆積させる。
図５（ｃ）に示す第１２工程では、上記第４工程（図３（ｄ））と同様の方法によって配線１９及び配線ＰＡＤの形状にパターニングされたレジスト５７を形成する。
図５（ｄ）に示す第１３工程では、上記第５工程（図４（ａ））と同様の方法によって配線層５６を削り、その後、残ったレジスト５７を取り除く。これにより、配線１９及びＰＡＤ１９ａが形成される。
以上の第１〜第１３工程によって、基板吸収型ＳＴＪ素子１０が作製される。
なお、以上ではスパッタリングによって各層を堆積させているが、これに限るものではなく、他の方法（例えば蒸着）によって各層を堆積させるようにしてもよい。

ここで、本実施形態による超伝導トンネル接合検出器１の一連の作用を説明する。
基板１１の下面、すなわち、基板１１のＳＴＪ素子１３が設けられていない面にテラヘルツ波が照射されると、基板１１はテラヘルツ波（すなわち、フォトンのエネルギー）を吸収し、このテラヘルツ波の吸収によって基板１１内にはフォノンが発生する。発生したフォノン群は基板１１内を伝播して、その一部がＳＴＪ素子１３の下部電極３１に到達する。フォノンが下部電極３１に到達すると、下部電極３１内のクーパー対が破壊されて準粒子が生成される。基板吸収型ＳＴＪ素子１０は、下部電極３１内で生成された準粒子がトンネルバリア３３をトンネルする際に流れるトンネル電流を検出信号として出力する。基板吸収型ＳＴＪ素子１０から出力された検出信号（トンネル電流値）はプリアンプ２０によって増幅され、その後、Ａ／Ｄ変換器３０によってデジタルデータに変換されて記録装置４０に記録される。

本実施形態において、基板１１の上面にはＳＴＪ素子１３の下部電極３１を囲むように金属膜１２が埋め込まれている。このため、図６に示すように、基板１１内を伝播するフォノンの拡散（分散）が低減されることとなり、より多くのフォノンを下部電極３１に到達させることができる。すなわち、これまでは基板１１の上面の下部電極３１が形成されていない部分に到達していたフォノン（の一部）を下部電極３１に到達させて、基板１１内に発生したフォノンの下部電極３１への到達率を上げることができる。下部電極３１の大きさは、トンネルバリア３３の大きさと下部電極３１の準粒子拡散（散乱）長とを考慮して設定されており、下部電極３１に到達するフォノンの量が増えれば生成される準粒子及びトンネル電流も増加する。この結果、テラヘルツ波の検出効率が向上し、また、テラヘルツ波の検出時間を短縮することもできる。

なお、以上では、テラヘルツ波を検出する超伝導テラヘルツ波検出器について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、可視光や放射線などを検出する超伝導トンネル接合検出器として構成することもできる。この場合、検出対象を吸収し易い材料から成る基板を採用すればよく、例えばサファイア基板を用いることもできる。すなわち、本発明は、基板をエネルギー吸収体として用い、検出対象を基板が吸収することによって該基板内でフォノンが生成され、生成されたフォノンがＳＴＪ素子の下部電極に到達して準粒子が生成される構成の超伝導トンネル接合検出器に広く適用できるものである。

また、上記実施形態においては、基板１１の上面に下部電極３１を囲むように形成した溝１１ａに金属を堆積させて金属膜１２を形成しているが、基板１１内のフォノンの拡散は溝１１ａの存在によっても抑制されると考えられるから、基板１１の上面に溝１１ａのみを形成するようにしてもよい。この場合、上述のような下部電極３１を囲むような溝を形成してもよいが、下部電極３１を挟んで対向するように延びる一対の溝、換言すれば、少なくとも下部電極３１の対向する二つの辺のそれぞれに沿って延びる二つの溝を形成してもよい。ここで、フォノンの拡散の低減及び基板吸収型ＳＴＪ素子１０の作製の容易さの両方の面を考慮すれば、図２（ａ）における下部電極３１の上側と下側とに溝を形成する、すなわち、基板１１の上面におけるＳＴＪ素子１３のグランド層１５、配線１９及びＰＡＤ１９ａなどの形成に影響を与えない領域に二つの溝が形成され、この二つ溝の間に下部電極３１が配置されるのが好ましい。もちろん、これらの溝にさらに金属を堆積させて基板１１の上面に埋め込まれた金属膜を形成するようにしてもよい。このようにしても基板１１内に発生したフォノンの下部電極３１への到達率を向上させることができる。

さらに、上記実施形態においては、基板１１の上面に対して垂直方向に形成された（掘り込まれた）溝１１ａに金属を堆積させて金属膜１２を形成しているが、溝１１ａ及び金属膜１２の形状はこれに限るものではない。例えば基板１１の下方に向かって溝１１ａ同士及び／又は金属膜１２同士の間隔が広がるように溝１１ａ及び／又は金属膜１２を傾斜させて形成したり（図７（ａ））、溝１１ａ及び／又は金属膜１２を湾曲させて形成したり（図７（ｂ））してもよい。また、基板１１上に複数のＳＴＪ素子を配置する場合には、図７（ｃ）に示すように、ＳＴＪ素子同士の間に断面三角形状の溝１１ａを形成したり、さらにこの断面三角形状の溝１１に断面Ｖ字状の金属膜１２を形成したりしてもよい。これら変形例によれば、上記実施形態に比べて基板吸収型ＳＴＪ素子の作製プロセスがやや複雑化することにはなるが、基板１１内に発生したフォノンの下部電極３１への到達率の更なる向上を図ることができる。

１…超伝導トンネル接合検出器、１０…基板吸収型ＳＴＪ素子、１１…基板、１１ａ…溝、１２…金属膜、１３…ＳＴＪ素子、３１…下部電極、３３…トンネルバリア、３５…上部電極

Claims (3)

1. 基板の上面に、下部電極、トンネルバリア及び上部電極が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子が設けられ、前記基板内に発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器であって、
   前記基板の上面には前記下部電極を囲むように金属膜が埋め込まれている、超伝導トンネル接合検出器。
2. 基板の上面に、下部電極、トンネルバリア及び上部電極が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子が設けられ、前記基板内で発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器であって、
   前記基板の上面には少なくとも前記下部電極を挟んで対向するように延びる一対の溝が形成されている、超伝導トンネル接合検出器。
3. 前記溝に金属膜が埋め込まれている、請求項２に記載の超伝導トンネル接合検出器。