2011 Fiscal Year Annual Research Report
テラヘルツ帯・薄膜マッチング型超伝導検出器アレイの開発
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22686012
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| Research Institution | The Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
有吉 誠一郎 独立行政法人理化学研究所, テラヘルツイメージング研究チーム, 基幹研究所研究員 (20391849)
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| Keywords | センサー / 物理計測・制御 / 超伝導デバイス / テラヘルツ光技術 / 電波天文学 |
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| Research Abstract |
本研究では、超高感度・広帯域・アレイ性能を兼ね備えたテラヘルツ波検出デバイスとして、超伝導トンネル接合素子(STJ)を用いた検出器の開発を進めている。本年度はこれまでの薄膜マッチング型STJ検出器の発展形として、伝送線路に見做した長方形形状のSTJ素子でテラヘルツ波を検出するという伝送線路型STJ検出器の作製と性能評価を同時並行して進めてきた。
検出器1画素はニオブ超伝導体の平面アンテナと2個の長方形STJ素子を1/4波長インピーダンス変換線路で接続した構造をとる。この検出器はクーパー対解離を主動作原理としており、ギャップ周波数以上のテラヘルツ波はSTJ素子の長軸方向に伝搬しながら吸収され、最終的に準粒子トンネル電流として読み出す。
作製にはニオブ系5層膜【Nb/Al/AlOx/Al/Nb】を採用し、成膜の容易性を重視して各膜厚はサファイア基板上から【150/50/1.5/50/150mm】とした。電気特性を評価した結果、臨界電流密度40A/cm^2、リーク電流密度は数100pA/μm^2(4.2Kで規格化した0.3K残留電流が4桁落ち)いう比較的良好なSIS特性が得られた。
次に、テラヘルツ帯フーリエ変換分光器を用いて光学特性を評価した。その結果、テラヘルツ波の初応答とともに、超伝導体の近接効果を考慮したNb/Al系STJ素子のギャップ周波数(～0.35THz)を境にして不連続な検出感度をもつことを確認した。まだ、従来の光子誘起トンネル現象(PAT)に基づくSTJ検出器に比べても広い帯域特性が得られている。
本検出器は理研の素子作製プロセスラインの最適化によって比較的高い歩留まり(～70%)での作製が可能になっており、最終年度に行う検出器アレイ化の準備が整いつつある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の理研における素子作製プロセスラインの最適化によって比較的高い歩留まりでのSTJ検出器作製が可能になり、最終年度に行う検出器アレイ化の準備が整いつつあるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者は来年度より名古屋工業大学へ転任するため、検出器作製に関しては距離的な制約から多少不便が発生することが予想される。しかし、代表者は今年度すでに検出器の作製歩留まりの見通しを立てており、また、来年度も理研の客員研究員として継続在籍するため、効率的な出張によって検出器アレイ開発を推進することが可能である。一方、本研究課題に関する評価装置(0.3K冷凍機システム等)は代表者とともに名工大へ移設するため、今後の研究計画の推進に際して特に支障は無いと考えている。
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