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JP5669064B2 - Superconducting tunnel junction detector - Google Patents
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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。   The present invention relates to a superconducting tunnel junction detector that detects photons using a superconducting tunnel junction (STJ).

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。
As a detector using a conventional superconducting tunnel junction element (hereinafter referred to as “STJ element”), for example, there is an optical sensor described in Patent Document 1. This optical sensor uses an STJ element integrated with a light absorber, which converts light energy into phonons with the light absorber and excites electrons in the superconductor with the converted phonons. Detected.
On the other hand, the present inventors are researching and developing a superconducting tunnel junction detector that can detect photons in a wider band by using a substrate absorption type STJ element having a substrate as an energy absorber. .

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。   The principle of photon detection by the substrate absorption STJ element will be described as follows. When the substrate absorbs photons (energy), phonons are generated in the substrate. The generated phonon group propagates in the substrate, and a part of the phonon group reaches the lower electrode in close contact with the substrate of the STJ element. When the phonon reaches the lower electrode, the Cooper pair in the lower electrode is dissociated and quasiparticles are generated. The current (tunnel current) that flows when the quasiparticle tunnels the tunnel barrier is used as a photon detection signal.

特開昭61−271879号公報JP 61-271879 A

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。
By the way, in order to improve the detection efficiency by the substrate absorption type STJ detector, it is conceivable that the lower electrode of the STJ element is first enlarged so that more phonons can reach the lower electrode.
However, only the quasiparticles that reach the tunnel barrier among the quasiparticles generated in the lower electrode contribute to the detection signal, so even if many phonons can reach the lower electrode, that alone does not necessarily It cannot be said that the detection efficiency is improved. That is, it is necessary to make the tunnel barrier small in order to suppress the leakage current, but the distance that the quasiparticles generated in the lower electrode can reach the tunnel barrier (quasiparticle diffusion length) varies depending on the electrode material, but at most. It is several tens to several hundreds μm. For this reason, even if the lower electrode is simply enlarged, there is a high possibility that the increase in quasiparticles associated therewith cannot reach the tunnel barrier, and there is a limit to improving the detection efficiency of the substrate absorption STJ detector. There is.

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。   The present invention has been made paying attention to the above problems, and by increasing the number of phonons reaching the lower electrode regardless of the size of the lower electrode, the number of quasiparticles generated in the lower electrode is increased. An object of the present invention is to provide a superconducting tunnel junction detector capable of improving photon detection efficiency.

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。   A superconducting tunnel junction detector according to one aspect of the present invention is provided with a superconducting tunnel junction element in which a lower electrode, a tunnel barrier, and an upper electrode are sequentially stacked on an upper surface of a substrate. A superconducting tunnel junction detector that detects photons based on a metal film embedded on the upper surface of the substrate so as to surround the lower electrode.

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。   A superconducting tunnel junction detector according to another aspect of the present invention includes a superconducting tunnel junction device in which a lower electrode, a tunnel barrier, and an upper electrode are sequentially stacked on a top surface of a substrate, and phonons generated in the substrate. A superconducting tunnel junction detector for detecting photons based on the above, and a pair of grooves extending so as to be opposed to each other with at least the lower electrode interposed therebetween.

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。   According to the superconducting tunnel junction detector, phonons propagating in the substrate by a metal film embedded in the upper surface of the substrate or a groove formed in the upper surface of the substrate are reflected at the interface of the metal film, the groove, etc. (Dispersion) is reduced. As a result, more phonons reach the lower electrode. Thereby, the detection efficiency of photons can be improved.

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。It is a block diagram which shows the structure of the superconducting tunnel junction detector by embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the board | substrate absorption type STJ element used with the said superconducting tunnel junction detector. 上記基板吸収型STJ素子の作製工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the said board | substrate absorption type STJ element. 上記基板吸収型STJ素子の作製工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the said board | substrate absorption type STJ element. 上記基板吸収型STJ素子の作製工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the said board | substrate absorption type STJ element. 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。It is the figure which showed typically the mode of propagation of the phonon in a board | substrate. 上記基板吸収型STJ素子の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the said board | substrate absorption type STJ element.

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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a superconducting tunnel junction detector according to an embodiment of the present invention. The superconducting tunnel junction detector 1 according to the present embodiment is configured as a superconducting terahertz wave detector that detects terahertz waves, and amplifies the substrate absorption STJ element 10 and the detection signal of the substrate absorption STJ element 10. A preamplifier 20, an A / D converter 30 that performs A / D conversion on the output of the preamplifier 20 and outputs the digital data, and a recording device 40 that records the output of the A / D converter 30 are provided.

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(ニオブ酸リチウム)やLiTaO(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。
2A and 2B show the configuration of the substrate absorption type STJ element 10. FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
As shown in FIG. 2, the substrate absorption STJ element 10 includes a substrate 11 and an STJ element 13 provided on the substrate 11.
The substrate 11 is a single crystal substrate made of LiNbO 3 (lithium niobate), LiTaO 3 (lithium tantalate), or the like that easily absorbs the terahertz wave to be detected.
The STJ element 13 includes a lower electrode 31 made of a single layer of a superconducting electrode material or two layers of different superconducting energy gaps, a tunnel barrier (tunnel barrier) 33 made of an insulating film, It is an element having a structure in which an upper electrode 35 made of a single layer of a superconducting electrode material or two layers of films having different superconducting energy gaps is sequentially laminated. As the superconductive electrode material, for example, Al (aluminum) / niobium (Nb) two-layer film, and as the insulating film serving as a tunnel barrier, for example, AlOx (aluminum oxide) is used. Here, the superconducting electrode material is a two-layer film having a different superconducting energy gap because a layer of a material having a smaller superconducting energy gap value collects quasiparticles generated in a layer of a larger material ( This is because an increase in the number of quasiparticles due to the collapse of the Cooper pair near the tunnel barrier can be expected.

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。   A metal film 12 is embedded on the upper surface of the substrate 11 so as to surround the lower electrode 31 of the STJ element 13. Specifically, a groove 11a surrounding the lower electrode 31 is formed on the upper surface of the substrate 11, and a metal film 12 is formed so as to fill the groove 11a. The groove 11a can be formed by digging the upper surface of the substrate 11 using, for example, a photolithography technique and an etching apparatus. The metal film 12 can be formed by depositing metal on the surface of the groove 11a using, for example, a vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus.

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(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。 Further, a ground layer 15 is formed on the substrate 11, and the ground layer 15 is connected to the lower electrode 31. The STJ element 13 and the ground layer 15 are covered with an interlayer insulating film 17 made of SiO 2 (silicon dioxide) or the like, so that electrical insulation between the lower electrode 31 and the upper electrode 35 of the STJ element 13 is reduced. It has been. Furthermore, a wiring 19 connected to the upper electrode 35 is formed on the substrate 11 through a contact hole 17a formed in the interlayer insulating film 17, and this wiring 19 is connected to a signal detection PAD 19a.

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。
3 to 5 show an outline of a manufacturing process of the substrate absorption type STJ element 10.
In the first step shown in FIG. 3A, a rectangular groove 11a is formed on the upper surface of the substrate 11 by photolithography and etching. Specifically, for example, the high aspect ratio groove 11a is formed by reactive ion etching (RIE) using a Bosch process. The depth of the groove 11a is adjusted by the number of STJ elements provided on the substrate 11, the interval between them, and the like, but is preferably approximately half the thickness of the substrate 11 or slightly larger than that.

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。   In the second step shown in FIG. 3B, a metal is deposited in the groove 11a formed on the upper surface of the substrate 11 by photolithography and vapor deposition or sputtering. Thereby, the metal is buried in the groove 11a to form the metal film 12. Here, the metal to be deposited in the groove 11a is not particularly limited. For example, Nb (niobium), Cr (chromium), nickel (Ni), Al (aluminum), or an alloy thereof can be considered.

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。   In the third step shown in FIG. 3C, a thin film 51 having an SIS (Superconducting-Insulator-Superconducting) structure in which a thin insulator is sandwiched between superconductors by sputtering, that is, an Nb / Al-AlOx-Al / Nb structure. Is deposited on the substrate 11. Here, the upper layer Nb / Al is the upper electrode layer of the STJ element 13, the intermediate layer AlOx is the tunnel barrier layer of the STJ element 13, and the lower layer Al / Nb is the lower electrode layer of the STJ element. The tunnel barrier layer (AlOx) can be obtained by oxidizing the Al film by leaving it in an oxygen atmosphere for a long time.

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。   In the fourth step shown in FIG. 3D, a photosensitive photoresist is applied onto the thin film 51 by a spin coater, a spray coater, or the like, and the upper electrode is formed at a substantially central position in the region inside the groove 11a using a photomask. After patterning in the shape of 35 and exposing to ultraviolet light, the resist 52 is formed by developing with a positive developer.

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。   In the fifth step shown in FIG. 4A, the upper electrode layer, the tunnel barrier layer, and a part of the lower electrode layer are shaved by reactive ion etching (RIE) and ultrasonically cleaned with an organic solvent such as acetone. The remaining resist 52 is removed. Thereby, the upper electrode 35 and the tunnel barrier 33 of the STJ element 13 are formed.

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。
In the sixth step shown in FIG. 4B, a resist 53 patterned in the shape of the lower electrode 33 and the ground layer 15 is formed by the same method as in the fourth step (FIG. 3D).
In the seventh step shown in FIG. 4C, the lower electrode layer is shaved by the same method as in the fifth step (FIG. 4A), and then the remaining resist 53 is removed. Thereby, the lower electrode 31 and the ground layer 15 are formed.

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。
In the eighth step shown in FIG. 4D, an interlayer insulating layer (SiO 2 or the like) 54 is deposited by sputtering.
In the ninth step shown in FIG. 4E, the resist 55 is formed by patterning into a shape excluding the portions to be the contact holes 17a and the PAD 19a by the same method as in the fourth step (FIG. 3D).

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。   In the tenth step shown in FIG. 5A, the interlayer insulating layer 54 is removed by the same method as in the fifth step (FIG. 4A), and then the remaining resist 55 is removed. Thereby, the interlayer insulating film 17 and the contact hole 17a are formed.

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。
In an eleventh step shown in FIG. 5B, a wiring layer (for example, Nb layer) 56 is deposited by sputtering.
In the twelfth step shown in FIG. 5C, a resist 57 patterned in the shape of the wiring 19 and the wiring PAD is formed by the same method as in the fourth step (FIG. 3D).
In the thirteenth step shown in FIG. 5D, the wiring layer 56 is cut by the same method as in the fifth step (FIG. 4A), and then the remaining resist 57 is removed. Thereby, the wiring 19 and the PAD 19a are formed.
The substrate absorption type STJ element 10 is manufactured through the above first to thirteenth steps.
In the above, each layer is deposited by sputtering, but the present invention is not limited to this, and each layer may be deposited by other methods (for example, vapor deposition).

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。
Here, a series of actions of the superconducting tunnel junction detector 1 according to the present embodiment will be described.
When a terahertz wave is irradiated on the lower surface of the substrate 11, that is, the surface of the substrate 11 where the STJ element 13 is not provided, the substrate 11 absorbs the terahertz wave (that is, photon energy). Phonons are generated in the substrate 11. The generated phonon group propagates in the substrate 11 and a part of the phonon group reaches the lower electrode 31 of the STJ element 13. When the phonon reaches the lower electrode 31, the Cooper pair in the lower electrode 31 is destroyed and quasiparticles are generated. The substrate absorption type STJ element 10 outputs, as a detection signal, a tunnel current that flows when the quasiparticles generated in the lower electrode 31 tunnel through the tunnel barrier 33. The detection signal (tunnel current value) output from the substrate absorption type STJ element 10 is amplified by the preamplifier 20 and then converted into digital data by the A / D converter 30 and recorded in the recording device 40.

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。   In the present embodiment, the metal film 12 is embedded on the upper surface of the substrate 11 so as to surround the lower electrode 31 of the STJ element 13. For this reason, as shown in FIG. 6, diffusion (dispersion) of phonons propagating in the substrate 11 is reduced, and more phonons can reach the lower electrode 31. That is, the phonon (part of the phonon) that has reached the portion of the upper surface of the substrate 11 where the lower electrode 31 is not formed is made to reach the lower electrode 31, and the phonon lower electrode 31 generated in the substrate 11. You can increase your reach to. The size of the lower electrode 31 is set in consideration of the size of the tunnel barrier 33 and the quasiparticle diffusion (scattering) length of the lower electrode 31, and is generated when the amount of phonons reaching the lower electrode 31 increases. Quasiparticles and tunneling currents also increase. As a result, the terahertz wave detection efficiency is improved, and the terahertz wave detection time can be shortened.

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。   The superconducting terahertz wave detector that detects terahertz waves has been described above. However, the present invention is not limited to this, and it is configured as a superconducting tunnel junction detector that detects visible light, radiation, and the like. You can also. In this case, a substrate made of a material that easily absorbs the detection target may be employed, and for example, a sapphire substrate may be used. That is, the present invention uses a substrate as an energy absorber, and the substrate absorbs a detection target, thereby generating phonons in the substrate, and the generated phonons reach the lower electrode of the STJ element to generate quasiparticles. The present invention can be widely applied to a superconducting tunnel junction detector having a configuration as described above.

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。   In the above embodiment, the metal film 12 is formed by depositing metal in the groove 11a formed so as to surround the lower electrode 31 on the upper surface of the substrate 11. However, the diffusion of phonons in the substrate 11 is caused by the groove 11a. Therefore, only the groove 11 a may be formed on the upper surface of the substrate 11. In this case, a groove surrounding the lower electrode 31 as described above may be formed, but a pair of grooves extending so as to face each other with the lower electrode 31 interposed therebetween, in other words, at least two opposite electrodes of the lower electrode 31 are opposed to each other. Two grooves extending along each of the two sides may be formed. Here, considering both the reduction of phonon diffusion and the ease of manufacturing the substrate absorption type STJ element 10, grooves are formed on the upper side and the lower side of the lower electrode 31 in FIG. That is, two grooves are formed in a region that does not affect the formation of the ground layer 15, the wiring 19, the PAD 19a, and the like of the STJ element 13 on the upper surface of the substrate 11, and the lower electrode 31 is disposed between the two grooves. Is preferred. Of course, metal may be further deposited in these grooves to form a metal film embedded in the upper surface of the substrate 11. Even in this case, the arrival rate of the phonons generated in the substrate 11 to the lower electrode 31 can be improved.

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。   Further, in the above embodiment, the metal film 12 is formed by depositing metal in the groove 11a formed (digged) in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate 11, but the groove 11a and the metal film are formed. The shape of 12 is not limited to this. For example, the grooves 11a and / or the metal film 12 are formed to be inclined so that the gaps between the grooves 11a and / or the metal films 12 increase toward the lower side of the substrate 11 (FIG. 7A). Alternatively, the metal film 12 may be formed to be curved (FIG. 7B). When a plurality of STJ elements are arranged on the substrate 11, as shown in FIG. 7 (c), a groove 11a having a triangular cross section is formed between the STJ elements, or the triangular cross section is formed. A metal film 12 having a V-shaped cross section may be formed in the groove 11. According to these modified examples, the manufacturing process of the substrate absorption type STJ element is slightly complicated as compared with the above embodiment, but the arrival rate of the phonons generated in the substrate 11 to the lower electrode 31 is further increased. Improvements can be made.

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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Superconducting tunnel junction detector, 10 ... Substrate absorption type STJ element, 11 ... Substrate, 11a ... Groove, 12 ... Metal film, 13 ... STJ element, 31 ... Lower electrode, 33 ... Tunnel barrier, 35 ... Upper electrode

Claims (3)

基板の上面に、下部電極、トンネルバリア及び上部電極が順に積層されてなる超伝導トンネル接合素子が設けられ、前記基板内に発生したフォノンに基づいてフォトンを検出する超伝導トンネル接合検出器であって、
前記基板の上面に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。
A superconducting tunnel junction detector in which a lower electrode, a tunnel barrier, and an upper electrode are sequentially laminated on a top surface of a substrate is provided, and is a superconducting tunnel junction detector that detects photons based on phonons generated in the substrate. And
A superconducting tunnel junction detector in which a metal film is embedded on the upper surface of the substrate so as to surround the lower electrode.
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。
The superconducting tunnel junction detector is provided with a superconducting tunnel junction element in which a lower electrode, a tunnel barrier, and an upper electrode are sequentially laminated on the upper surface of the substrate, and detects photons based on phonons generated in the substrate. And
A superconducting tunnel junction detector, wherein a pair of grooves extending to face each other with at least the lower electrode interposed therebetween is formed on the upper surface of the substrate.
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。   The superconducting tunnel junction detector according to claim 2, wherein a metal film is embedded in the groove.
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