(57)【要約】  【課題】フォノンイベントによる低エネルギーのノイズを除去することができる超伝導フォトン検出器を提供する。  【解決手段】基板１４上に積層された下部超伝導電極１３、トンネルバリア１２及び上部超伝導電極１１を有する超伝導フォトン検出器であって、基板１４と下部超伝導電極１３との間に介在し、基板１４から入射する音響波の反射係数が透過係数よりも大きい材料で形成されたフォノン遮蔽層２０を備える。このフォノン遮蔽層２０は、基板１４から下部超伝導電極１３に入力するフォノンを遮断する。そのため、フォノンイベントによる低エネルギーのノイズを除去することができ、低エネルギーの可視光を正確に観測することができる。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層された下部超伝導電極、トンネルバリア及び上部超伝導電極を有する超伝導フォトン検出器であって、
前記基板と前記下部超伝導電極との間に介在し、前記基板から入射する音響波の反射係数が透過係数よりも大きい材料で形成されたフォノン遮蔽層を備える超伝導フォトン検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の超伝導フォトン検出器であって、前記上部超伝導電極の上に積層された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成され、前記絶縁層の孔を通じて前記下部超伝導電極または上部超伝導電極に接続する配線電極とを備え、前記絶縁層の一部が除去されて、前記上部超伝導電極または下部超伝導電極の少なくとも一部が露出している超伝導フォトン検出器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超伝導フォトン検出器であって、前記フォノン遮蔽層がポリイミドの膜から成る超伝導フォトン検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光からＸ線領域までのフォトンの測定が可能な超伝導フォトン検出器に関し、特に、低ノイズ化を実現したものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトン検出器は、医学分野でのレントゲン撮影や、未知の天体から飛来する光や宇宙線のエネルギーの検出、あるいは、半導体製造プロセス中の汚染物質の分析などに幅広く応用されている。
従来、フォトンを計測する検出器として、主に半導体検出器が用いられて来たが、超伝導トンネル接合を利用してフォトンを検出する超伝導フォトン検出器は、半導体検出器に比較して、エネルギー分解能（近接するエネルギーを弁別する分解能）が高く、高速での観測が可能であるため、次世代のフォトン検出器として期待を集めている。
【０００３】
超伝導フォトン検出器は、図７の模式図に示すように、超伝導体３１及び３３が絶縁体３２で隔てられたサンドイッチ構造の超伝導トンネル接合素子を有している。この素子は、超伝導転移温度の１／１０程度の温度に冷却され、また、磁場が印加されて、超伝導状態を担うクーパー対によるトンネル電流が流れないようにされている。この素子に光子が入射すると、クーパー対が壊れて準粒子が生成され、準粒子によるトンネル電流が増加する。このトンネル電流の増加を測定することにより、入射した光子の数やエネルギーを知ることができる。
半導体のエネルギーギャップは１ｅＶ程度であるが、超伝導フォトン検出器の場合、超伝導エネルギーギャップが数ｍｅＶと小さいため、光子のエネルギーで励起されるキャリアー数（準粒子数）が多く、半導体フォトン検出器に比べて高精度の検出が可能になる。
【０００４】
下記非特許文献１には、超伝導トンネル接合素子の製造方法が記載されている。この方法では、フォトリソグラフィ技術を用いて、直径が７．５ｃｍのＳｉ基板上に面積が５０μｍ×５０μｍの接合素子を多数個形成している。
図８は、この製造方法で形成された超伝導トンネル接合素子の１つの断面を示している。この素子は、Ｓｉ基板１４上に、Ｓｉ基板１４をエッチングから保護するＭｇＯ膜１５を備え、その上に、微細形状にエッチング加工された、Ｎｂから成る下部超伝導電極１３、Ａｌ／ＡｌＯｘから成るトンネルバリア１２、及び、Ｎｂから成る上部超伝導電極１１の積層体を備え、その上にコーティングされた絶縁用のポリイミド膜１６と、ポリイミド膜１６のビアホールを通じて下部超伝導電極１３及び上部超伝導電極１１に接続する配線電極１７、１８とを備えている。
Ｓｉ基板１４の厚さは４００ｍｍであり、ＭｇＯ膜１５は５０ｎｍ、下部超伝導電極１３及び上部超伝導電極１１はそれぞれ２００ｎｍ、トンネルバリア１２は１５ｎｍの各厚さを有している。
【０００５】
ポリイミド膜１６は、ポリイミドの状態で溶媒可溶性を有するポリイミド材料にジアゾナフトキノン系の感光材を添加した感光性溶媒可溶ポリイミドを塗布し、溶媒を飛ばすための加熱処理を施して形成している。このポリイミド膜１６は、配線電極層を下層から絶縁する絶縁層として設けられており、ポリイミド膜の厚さは、２００ｎｍ〜６００ｎｍである。この膜にフォトリソグラフィ技術でビアホールを形成し、その上の全面に配線電極層を６００ｎｍの厚さに堆積し、不要部分をエッチングで除いて、所定パターンの配線電極１７、１８を形成している。
素子の加工を終えたＳｉ基板を５ｍｍ四方のチップに切断し、このチップを用いて超伝導フォトン検出器が作成される。このように超伝導トンネル接合素子をアレイ化することで検出器の有感面積を稼ぐことができる。
また、従来の超伝導トンネル接合素子では、配線電極の絶縁層をＳｉＯ2で形成したものや、Ｓｉ基板１４上のエッチング保護膜をＡｌ2Ｏ3で形成したもの、また、基板にＡｌ2Ｏ3（ｓａｐｐｈｉｒｅ）を使用したものなども知られている。
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.13,NO.2,JUNE 2003,pp.119〜122
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の超伝導フォトン検出器では、低エネルギーのノイズが検出される。図９は、従来の超伝導フォトン検出器を用いて５．９ＫｅＶのエネルギーを有するＸ線を観測した結果を示している。この図の横軸は光子のエネルギーを示し、縦軸は光子の計測数を示している。図９が示すように、Ｘ線のエネルギーに相当する５．９ＫｅＶの箇所で計測数のピークが現れているが、それと共に、０．５ｅＶ以下の低エネルギーの高ノイズが検出されている。
このノイズの発生は、図１０に示すように、超伝導トンネル接合以外の部分に入射したフォトンが、膜厚の薄い絶縁層１６及びエッチング保護膜１５を透過して基板１４にまで達し、このフォトンのエネルギーを吸収した基板１４が振動してフォノンを発生することが原因している。
【０００７】
このフォノンが、基板１４を伝わり、エッチング保護膜１５を介して超伝導トンネル接合の下部超伝導電極１３に達すると、クーパー対が崩壊し、準粒子が発生してトンネル接合のトンネル電流が増加する。フォノンのエネルギーは低く、また、基板１４内で多量の数のフォノンが発生するため、フォノンイベントによるノイズは、図９に示すように、低エネルギーの領域において極めて高い値を示す。
そのため、可視光を観測するときのように、識別しようとする光のエネルギーが小さい場合には、そのエネルギースペクトルがフォノンイベントによるスペクトルの中に埋もれて、検出することができなくなる。
【０００８】
本発明は、こうした従来の問題点を解決するものであり、フォノンイベントによる低エネルギーのノイズを除去することができる超伝導フォトン検出器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の超伝導フォトン検出器は、基板と下部超伝導電極との間に介在し、基板から入射する音響波の反射係数が透過係数よりも大きい材料で形成されたフォノン遮蔽層を備えている。
このフォノン遮蔽層は、基板から下部超伝導電極に入力するフォノンを遮断する。
【００１０】
また、本発明の超伝導フォトン検出器は、上部超伝導電極の上に積層された絶縁層と、この絶縁層の上に形成され、絶縁層の孔を通じて下部超伝導電極または上部超伝導電極に接続する配線電極とを備え、この絶縁層の一部が除去されて、上部超伝導電極または下部超伝導電極の少なくとも一部が露出している。
この超伝導フォトン検出器では、低エネルギーの光子が、絶縁層でエネルギーを吸収されることなく、露出箇所から超伝導トンネル接合に入射し、フォノンイベントによるノイズに埋もれること無く計測される。
【００１１】
また、本発明の超伝導フォトン検出器では、フォノン遮蔽層をポリイミドの膜で形成している。
Ｓｉ等の基板にポリイミド膜を接合した場合、基板から入射する音響波の接合面での反射係数は極めて大きく、透過係数は極めて小さい。そのため、基板から超伝導トンネル接合へのフォノンの入射を完全に遮蔽することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超伝導フォトン検出器は、フォノンイベントによる低エネルギーのノイズを除去することができ、低エネルギーの可視光を正確に観測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施形態における超伝導フォトン検出器の超伝導トンネル接合素子を示している。
この素子は、Ｓｉ基板１４上に、Ｓｉ基板１４で発生したフォノンが超伝導トンネル接合に伝達するのを遮蔽するポリイミド膜２０を備えている。その他の構成は、従来の素子（図８）と同じであり、ポリイミド膜２０の上にエッチング保護膜１５を有し、エッチング保護膜１５の上に、Ｎｂから成る下部超伝導電極１３、Ａｌ／ＡｌＯｘから成るトンネルバリア１２、Ｎｂから成る上部超伝導電極１１、絶縁層１６、及び、配線電極１７、１８を備えている。
【００１４】
このフォノン遮蔽用ポリイミド膜２０は、前記非特許文献１に記載された溶媒可溶性のポリイミド材料を用いて、スピンコーティング法により成形している。
このポリイミド材料は、株式会社ピーアイ技術研究所から市販されている。このポリイミド材料を溶媒に溶かしてＳｉ基板上に滴下し、この基板を、回転数を制御しながら回転することにより、所望の膜厚の均一な膜を形成することができる。
図２は、滴下した液に含まれるポリイミド材料の含有量を変えてスピンコーティングを実施したときの基板の回転数と膜厚との関係を示している。この方法により、膜厚が４０ｎｍ以上の均質な膜を得ることができる。
【００１５】
スピンコーティング法で成形した膜を１５０℃程度の温度で１０分間加熱乾燥すると、溶媒が除去されてポリイミド膜が生成する。この処理の間に、ポリイミド材料から「ブロック」と呼ばれる単機能のポリイミドが直接合成され、さらに、ブロックが重合してポリイミドが生成される。
このフォノン遮蔽用ポリイミド膜２０を形成したＳｉ基板１４の上に、エッチング保護膜１５、下部超伝導電極１３、トンネルバリア１２、上部超伝導電極１１、絶縁層１６及び配線電極１７、１８を形成する処理は、従来の素子と同じように行うことができる。
【００１６】
図３は、３００ｎｍの膜厚のフォノン遮蔽用ポリイミド膜２０を設けた超伝導トンネル接合素子を備える超伝導フォトン検出器により５．９ＫｅＶのエネルギーを有するＸ線を観測した結果を示している。図３から明らかなように、この検出器は、フォノンイベントの影響を完全に遮蔽しており、フォノンに対し無雑音の結果が得られている。
こうした現象は、図４に示すように、基板１４から遮蔽層２０に入射する音響波の反射波Ｒと透過波Ｔとを考慮した場合、ポリイミドの遮蔽層２０では、反射の割合が高く、透過の割合が低いために現れる。
【００１７】
図５（ａ）には、超伝導トンネル接合素子の基板材料として使われているＳｉ及びＡｌ2Ｏ3（ｓａｐｐｈｉｒｅ）、従来の超伝導トンネル接合素子でエッチング保護層として使われているＭｇＯ及びＡｌ2Ｏ3（ｌａｙｅｒ）、並びに、この実施形態でフォトン遮蔽層を形成するポリイミドの各体積密度（ρ）、弾性係数（Ｃ）、及び固有音響インピーダンス（Ｚ）を示し、図５（ｂ）には、基板がＳｉまたはＡｌ2Ｏ3（ｓａｐｐｈｉｒｅ）であって、この基板にＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3またはポリイミドを接合した場合の透過係数（Ｔ）及び反射係数（Ｒ）を示している。
【００１８】
ここで、Ｚ＝√（ρ・Ｃ）である。また、Ｔ＝１＋Ｒが成り立つ。Ｒは、基板１４の固有音響インピーダンスをＺsub、遮蔽層２０の固有音響インピーダンスをＺbufとするとき、
Ｒ＝（Ｚsub−Ｚbuf）／（Ｚsub＋Ｚbuf）
となり、Ｔは、
Ｔ＝２Ｚbuf／（Ｚsub＋Ｚbuf）
となる。
また、反射係数Ｒ及び透過係数Ｔの大きさを見るため、
Ｒa＝｜Ｒ｜2
Ｔa＝１−｜Ｒ｜2＝１−Ｒa
を算出している。
【００１９】
図５（ｂ）から明らかなように、ＭｇＯやＡｌ2Ｏ3では、基板がＳｉ及びＡｌ2Ｏ3（ｓａｐｐｈｉｒｅ）のいずれであっても、反射係数Ｒの絶対値に比べて透過係数Ｔの絶対値の方が大きいが、ポリイミドでは、逆に、基板がＳｉ及びＡｌ2Ｏ3（ｓａｐｐｈｉｒｅ）のいずれであっても、透過係数Ｔの絶対値に比べて反射係数Ｒの絶対値の方が大きい。しかも、透過係数Ｔの絶対値は、ＭｇＯやＡｌ2Ｏ3に比べて、桁違いに小さい。そのため、遮蔽層２０を介して下部超伝導電極１３に入力するフォノンを完全にシャットアウトすることができる。
【００２０】
図６は、エネルギーが低い可視光の観測に適した超伝導フォトン検出器の超伝導トンネル接合素子を示している。この素子は、Ｓｉ基板１４上にフォノン遮蔽用ポリイミド膜２０を設けるとともに、上部超伝導電極１１及び下部超伝導電極１３を覆う絶縁層１６を除去して、上部超伝導電極１１及び下部超伝導電極１３の一部が露出するように構成している。
この超伝導フォトン検出器では、ポリイミド膜２０のためにフォノンによる低エネルギーのノイズが遮蔽され、一方、低エネルギーの可視光は、絶縁層１６でエネルギーが吸収されること無く、超伝導トンネル接合素子に入射する。そのため、低エネルギーの可視光を、ノイズに埋もれずに計測することができる。
【００２１】
なお、フォノン遮蔽に用いるポリイミド膜２０の膜厚は、均一な厚さが得られる範囲であれば良い。ポリイミド膜２０の膜厚が不均一であると、その後に積層する、極めて薄い超伝導トンネル接合のトンネルバリア１２に破断などの損傷が生じ、良好な特性が得られない。
また、ポリイミド材料としては、特開２００３−９８６６７号公報に記載されている材料などを使用することもできる。
【００２２】
また、ここではフォノン遮蔽層の材料としてポリイミドを用いる場合について説明したが、基板との接合面において、基板から入射する音響波の反射係数が透過係数より大きくなる材料であって、均一な膜厚が得られる有機材料または無機材料であれば、ポリイミドに代えて用いることができる。
また、ここでは、超伝導トンネル接合素子をエッチングで形成しているため、ポリイミド膜２０の上にエッチング保護膜１５を設けているが、他の方法で素子を形成する場合には、エッチング保護膜は不要である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の超伝導フォトン検出器は、レントゲン撮影を行う医学分野、星の光や宇宙線を観測する天文分野、半導体製造プロセス中の汚染物質を分析する工業分野など、各種分野において、低エネルギーのフォトンが観測できる検出器として幅広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態における超伝導フォトン検出器の超伝導トンネル接合素子を示す図
【図２】スピンコーティング法でフォノン遮蔽層を形成する場合の回転数と膜厚との関係を示す図
【図３】本発明の実施形態における超伝導フォトン検出器での検出結果を示す図
【図４】基板及びフォノン遮蔽層の接合面での入射波、反射波及び透過波を説明する図
【図５】本発明の実施形態においてフォノン遮蔽層に用いたポリイミド、及び比較材料のパラメータを示す図
【図６】本発明の実施形態における、低エネルギーのフォトン観測に適した超伝導フォトン検出器の超伝導トンネル接合素子を示す図
【図７】超伝導フォトン検出器の原理を説明する図
【図８】従来の超伝導トンネル接合素子の構造を示す図
【図９】従来の超伝導フォトン検出器での検出結果を示す図
【図１０】従来の超伝導フォトン検出器におけるノイズ発生原因を説明する図
【符号の説明】
【００２５】
１１  上部超伝導電極
１２  トンネルバリア
１３  下部超伝導電極
１４  Ｓｉ基板
１５  ＭｇＯ膜
１６  絶縁膜
１７  配線電極
１８  配線電極
２０  フォノン遮蔽層
３１  超伝導体
３２  絶縁体
３３  超伝導体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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