(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元アレイに構成されて共通の基板上に配置され、各々が底部接続領域及び上部接続領域に電気的に接続されるトンネル効果超伝導接合部を有するトンネル効果超伝導素子を備える検出セルであって、
前記超伝導素子は、隣接する超伝導素子間を物理的に分離するとともに各接合部（３、４、５）と基板（１）との間に位置する個々の底部接続領域（２）を規定するために、前記底部接続領域を含み下方に延びるトレンチ領域（１１）により互いに分離され、
少なくとも一つの個々の前記底部接続領域（２）が、０．５μｍ〜２μｍの範囲の幅（ｌ）を有する局所的なブリッジ領域（２０）により隣接する超伝導素子の少なくとも一つの底部接続領域に電気的に接続され、
前記トレンチ領域（１１）が、前記ブリッジ領域（２０）を除き、共通の前記基板（１）まで延びることを特徴とする検出セル。
【請求項２】
前記ブリッジ領域（２０）の少なくとも一つは、その端部が局所的な領域（２３）により電気的に相互接続される二つの付属部（２１）を備える
ことを特徴とする請求項１記載の検出セル。
【請求項３】
前記局所的なブリッジ（２３）は、前記底部接続領域（２）及び前記付属部（２１）を構成する材料より大きいか又は等しい禁制バンド幅を有する材料からなる
ことを特徴とする請求項２記載の検出セル。
【請求項４】
前記ブリッジ領域（２０、２３）が、０．５μｍ〜１μｍの範囲の幅を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の検出セル。
【請求項５】
前記ブリッジ領域（２０、２３）の少なくとも一つの幅は、前記トレンチ領域（１１）の幅より小さいか又は等しい
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の検出セル。
【請求項６】
各超伝導素子（１０）の前記底部接続領域（２）は、
それぞれ前記ブリッジ領域（２０）の一つにより隣接する各超伝導素子（１０）の前記底部接続領域（２）に接続される
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の検出セル。
【請求項７】
前記超伝導素子（１０）は、四角形のメサであり、
隣接する列に位置する前記超伝導素子（１０）は、それらのピッチ（Ｐ）より狭い距離だけ互いにオフセットされ、前記上部接続領域（６）は、前記四角形の対角線に沿って配置された導電性終端を有する
ことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の検出セル。
【請求項８】
前記超伝導素子（１０）は、方形のメサを形成する
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の検出セル。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれかに記載の検出セルを備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元アレイに構成されて共通の基板上に配置されたトンネル効果超伝導素子を備える検出セルに関するものであり、各超伝導素子は、底部接続領域及び上部接続領域に電気的に接続されるトンネル効果超伝導接合部を備える。
【０００２】
【従来の技術】
従来の素子としては、イー．エポサイトらの論文（“Development of a dark matter detector using series arrays of superconducting tunnel junctions”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A370 (1996) pp.31-33）に記載のものが知られている。
【０００３】
ジョセフソントンネル効果素子のアレイもまた、エフ．ミューラーらの論文（“Performance of Josephson array systems related to fabricaton techniques and design”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.5, No.2 (June 1995)）及び１９９２年１０月５日に出願されて１９９５年６月２３日に本出願人に特許された仏国特許第FR 2 696 544号明細書（検出セル、検出器、センサ、及び分光器）に記載のものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高集積密度を達成して、超伝導撮像装置、例えば動画用カメラを実現することを可能にするジョセフソン接合のアレイを有する検出セルを提供しようとするものである。
【０００５】
本発明が基礎とする思想は、トンネル効果素子間の物理的な分離をもたらすことであり、底部接続を一群の素子に共通な接続又はすべての素子に対して単一の接続に削減することができる電気的な底部接続をもたらす。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、二次元アレイに構成されて共通の基板上に配置されたトンネル効果超伝導素子を備える検出セルを提供し、各超伝導素子は、底部接続領域及び上部接続領域に電気的に接続されるトンネル効果超伝導接合部を備え、該セルは、超伝導素子が、隣接する超伝導素子間を物理的に分離するとともに各接合部と基板との間に位置する個々の底部接続領域を規定するために、底部接続領域を含み下方に延びるトレンチ領域により互いに分離され、少なくとも一つの個々の底部接続領域が、０．５〜２μｍの幅を有する局所的なブリッジ領域により隣接する超伝導素子の少なくとも一つの底部接続領域に電気的に接続され、前記トレンチ領域が、前記ブリッジ領域を除き、共通の前記基板まで延びることを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、前記ブリッジ領域の少なくとも一つは、その端部が局所的な領域により相互接続される二つの付属部を備える。特に、前記接続は、前記個々の底部接続領域及び前記付属部を構成する材料より大きい（又は極限において等しい）禁制バンド幅２Δを有する材料により作られることが好ましい。
【０００８】
前記ブリッジ領域が、０．５μｍ〜１μｍの範囲の幅を有することが好ましい。
【０００９】
前記ブリッジ領域の少なくとも一つの幅は、前記トレンチ領域の幅より小さいか又は等しいことが好ましい。
【００１０】
好ましい実施形態において、各超伝導素子の前記底部接続領域は、それぞれ前記ブリッジ領域の一つにより隣接する各超伝導素子の前記底部接続領域に接続される。
【００１１】
好ましくは、前記超伝導素子は、四角形（好ましくは方形）のメサであり、隣接する列に位置する超伝導素子は、それらのピッチより狭い距離だけ互いにオフセットされ、前記上部接続領域は、前記四角形の対角線に沿って配置された導電性終端を有する。この結果、前記導電性終端は、各々の接合部の対角線に沿って電気的に接続され（磁気的見地から好ましい）、前記導電性終端のより好ましい間隔が得られ、さらに、種々の接合部とそれらの終端部との間に容量性の相互作用がなくなる。
【００１２】
本発明の他の特徴及び効果は、実施形態に限定されず、以下の記述及び添付の図面を参照することによりより明らかになるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、従来の半導体検出器に対して二つの主要な利点を有するトンネル効果超伝導検出器について簡単に説明する。
【００１４】
第一に、バーディーン・クーパー・シュリーファー（ＢＣＳ）理論により、規則状態のクーパー対により表される非励起状態と“準粒子”として知られている壊されたクーパー対を含む第一の励起状態との間のエネルギーギャップ又は禁制バンド幅２Δは、通常、半導体の価電子帯と伝導帯との間のエネルギーギャップの千分の一より少ない。
【００１５】
第二に、デバイエネルギーΩDは、エネルギーギャップ２Δよりずっと大きく、これにより、光吸収によって発生されるフォノンがクーパー対を壊して自由電荷を作ることを可能にする。固体アルミニウムの場合、２Δは約１７０μｅＶであり、ΩDはほぼ３７μｅＶ程度である。
【００１６】
超伝導体において、所定の転移温度では、伝導電子は、正電子・フォノン相互作用により格子に相互作用し、それらの相互のクーロン反発力に打ち勝ち、電子対を形成し、これが電流を伝送するクーパー対である。
【００１７】
電子がクーパー対の凝縮体の形態で自身を組織化し始める相変化が、臨界温度ＴCとして知られている温度で起こる。デバイエネルギーは、格子の振動モードと関係する最大エネルギーであると解釈してもよい。
【００１８】
超伝導体による波長λ（ｍｎ）のフォトンの吸収は、フォトンのエネルギーγ（ｅＶ）が壊されたクーパー対（準粒子）及びフォノンに変換される急速な一連のプロセスを引き起こす。ニオブのような一般に使用される超伝導体に対して、分布のアンバランスが準粒子とフォノンとの間に存在した後、変換プロセスが約２ナノ秒発生する。温度が十分に低いとき、すなわち臨界温度ＴC（Ｋ）の約十分の一のとき、波長λのフォトンの吸収により作られる準粒子の初期数Ｎ0は、熱的に誘起される分布を越え、それは波長λに反比例する。ほとんどの半導体に対して、
Ｎ0（λ）≒７×１０5／λΔ（Ｔ）
ニオブ及びスズの単一の準粒子を作るために必要とされる平均エネルギーはそれぞれ、ほぼ１．７５Δ及び１．７Δ程度である。ファノ分解能限界は以下の値である。
【００１９】
ｄλF（ｎｍ）≒２．８×１０ー3λ3/2［Ｆ（ΔＴ）］1/2
上式において、ギャップΔはｍｅＶで、λはナノメーター（ｎｍ）で表される。
【００２０】
値ε≒１．７５Δ及びファノ因子Ｆ≒０．２は、ほとんどの基本的な半導体に適用される。ファノ因子Ｆは、ニオブの場合に約０．２２であり、スズの場合に約０．１９である。
【００２１】
上記二つの式は基本的なものである。これらは、温度Ｔで超伝導体に発生する電荷を規定し、波長λのフォトンの光吸収においてエネルギーギャップΔを有する。ＴC／１０（ここで、ＴC＝４．５Ｋ）の温度でタンタルのような超伝導体に対して、５００ｎｍに等しい波長λのフォトンの光吸収により発生する初期電荷Ｎ0（λ）は、約２０００準粒子である。このような状況下で、対応するタンタルのファノ分解能限界は、約１２ｎｍである。
【００２２】
上記の二つの式は、絶対零度での材料のバンド幅を温度ＴC、例えばΔ＝１．７５ｋＴC（ここで、ｋはボルツマン定数）でのその値に関連させる低結合限界にＢＣＳ近似を適用することにより、臨界温度ＴCを有する、いずれかの超伝導要素又は粒子化合物にも一般化される。
【００２３】
従って、
Ｎ0（λ）≒４．６×１０6／λＴC
及び
ｄλF（ｎｍ）≒５×１０-4λ3/2ＴC1/2
タンタルの場合、Ｎ0（λ）が約８０００〜約１０００エレクトロンの範囲で変化して、１２０ｎｍの紫外ライマンα線から近赤外までの範囲での分解能は、約１．５ｎｍから約３０ｎｍまでの範囲で変化する。
【００２４】
ＴCの低い値を有する超伝導体、例えばハフニウムの場合、ファノ分解能は、約０．２ｎｍと約１５ｎｍの間の同じ通過帯域に対して変化する。本来、このような分解能が払うべき代償は、超伝導体を使用するのに必要とされる、約０．１ＴC〜０．２ＴCの温度である。
【００２５】
電荷結合素子（ＣＣＤ）のような半導体検出器と異なり、超伝導検出器は、電荷を保持することができない。
【００２６】
光吸収プロセス中に過度に生成される準粒子を検出するためには、それらが発生される薄い超伝導膜Ｓ１から他の薄い超伝導膜Ｓ２まで薄い絶縁層Ｉを介して透過するようにそれらがトンネル効果を使用することを保証することが適切である。絶縁バリアーが非常に薄く、約１ｎｍの厚さすなわち数原子層の厚さであるとき、トンネル効果を得る可能性が最も高い。このようなＳＩＳ構造は、トンネル効果超伝導接合を構成し、ジョセフソン接合として知られている。
【００２７】
零バイアス電圧でクーパー対のトンネル効果転移から起こるジョセフソン電流をキャンセルするように、低い強度の磁場が接合を形成するバリアーに平行にかけられる（図１参照）。２Δ／ｅ（ここで、ｅは電子の電荷）より小さいバイアス電圧Ｖｂの印加は、トンネル効果による転移だけが一つの膜から他の膜への準粒子の伝送から起こることを保証することを可能にする。時間ｔの間の準粒子の流れは、電荷増幅器により潜在的な電流のゆらぎのレベルを越えて検出できる測定可能な電流を発生させる。潜在的な電流は、熱雑音電流を発生する準粒子の残留している熱分布から、又は漏れ電流から発生する。電流パルスは、通常、入射フォトンのエネルギーに比例して増幅され、パルスの立ち上がり時間は、現象の検証に使用することができる。
【００２８】
本発明の検出セルの二次元アレイは、基板１、例えばサファイア又はＭｇＦ2上に配置された個々の超伝導素子１０を備え、各素子は以下を備える（図１参照）。
・サファイア基板１上にエピタキシャルに成長したタンタル（Δ＝０．７ｍｅＶ）の膜により構成される方形の個々の底部接続領域２；
・二つの方形のアルミニウム（Δ＝０．１７ｍｅＶ）の層３及び５間に配置された約１ｎｍの厚さの方形のＡｌＯXのトンネル層４を備える方形超伝導接合部；・同様に方形のタンタル（Δ＝０．７ｍｅＶ）の個々の上部接続領域６
図示のように、図１は、単一の超伝導素子を示し、その底部接続は、素子の対角線に沿って領域２及び層３を延ばした底部終端７及び領域６に接触する終端８によりもたらされる。
【００２９】
本発明のアレイにおいて、各々の底部接続は、個々の素子１０の各々に対して行われていない。
【００３０】
図２ａ、図２ｃ及び図２ｄに示すように、アレイの単位素子１０は、各々方形形状を有しており、それらはトレンチ１１により分離されている。トレンチ１１は、領域６から下方に延び、個々の底部接続領域２を含む。
【００３１】
本発明によれば、これらのトレンチ１１は、個々の素子１０を互いに物理的に分離するのに役立ち、個々の領域２は、ブリッジ領域２０により電気的に相互接続される。このように、トレンチ１１は、ブリッジ領域２０を除き、基板１へ下方に延びる。特に、図２ｃ及び図２ｄに示すように、これらのブリッジ領域２０は切断され、各々が二つの隣接する個々の領域２に属する一対の対向する付属部を有し、付属部は、底部接続領域２を構成する材料の禁制バンド幅より大きい（又は極限において等しい）禁制バンド幅２Δを有する材料からなる局所的な領域２３により接合される。例えば、領域２及び付属部２１はタンタルから作られ、局所的な領域２３はニオブ（Δ＝１．５２５ｍｅＶ）から作られる。
【００３２】
底部接続領域を構成する材料より大きな禁制バンド幅を有する材料から局所的な領域２３を作ることにより、領域２３は、アレイの像点又はピクセルを構成する個々の素子に電荷を反射するミラーとして機能することができ、これにより、種々のピクセル間の損失を防止することができる。
【００３３】
例として、個々の素子の大きさは、約５０μｍ×約５０μｍ（又は以下）であり、その大きさは、約０．３Ｋ〜０．４Ｋの温度での熱電流を最小化し、容量性ノイズを減少させることができる。
【００３４】
上部接続は、磁場と関連する基準を満足するように個々の素子のコーナー部に置かれることが好ましい。
【００３５】
相互接続の大きさは、現在のフォトリソグラフィ技術により制限され、約１．５μｍ〜２μｍのサイズである。実行される方法により、所定サイズの基板上での上部接続終端の幅及び列毎の素子の数が制限され、これは、現在のフォトリソグラフィ技術を用いた個々の素子の最小サイズが約２０μｍ×約２０μｍであり、メタライゼーションのストライプの幅が約１μｍであることを意味する。
【００３６】
個々の素子を電気的に相互接続する個々の領域２の効果は、底部接続を形成する膜が共通であり、電気的に言えば、個々の素子の各々に対する一つの底部接続リンクの代わりに、一つのリンクだけ、或いは二つのリンクの場合があるが、いずれにしても限られた数の底部接続リンクだけがクライオスタットから取り出されるのに必要とされるため、個々の素子のすべてに対して（又は一群の個々の素子に対して）熱橋を減少することができる。
【００３７】
トレンチ１１及びブリッジ領域２０の存在により、個々の超伝導素子間の物理的な分離及び個々の伝導領域２の相互接続を同時に得ることができる。現在のフォトリソグラフィ技術を用いて、その幅が０．５μｍ〜１μｍのブリッジ領域２０を作ることは可能である。実際、ブリッジ領域２０及び特にブリッジ２３の幅ｌは、０．５μｍ〜２μｍの範囲、好ましくは１μｍ〜１．５μｍの範囲にすることができる。
【００３８】
トレンチ１１の幅Ｌは、フォトリソグラフィ法の場合、できるだけ狭く選択される。現在の技術では、推奨される幅は２μｍである。
【００３９】
図３及び図４ａは、二つの隣接するサブアレイ（各々が９×５０の個々の素子）に構成された１８×５０の個々の素子を有する検出セルを示し、二つの底部接続終端を有する。素子の各々は５０μｍ×５０μｍの方形であり、トレンチ領域１１の幅Ｌは４μｍであり、ピッチＰは５４μｍである。
【００４０】
基板の長手方向において、隣接する列は６μｍだけオフセットし、これは、ピッチＰにおいて１０倍離れている列が整列していることを意味する。このオフセット（好ましくはＰ／ｎに等しい、ここで、ｎは整数）の存在が、個々の素子を構成するジョセフソン接合の対角線に沿って上部接続終端を配置することを可能にする。オフセットは、使用される製造方法に対する終端間に十分なスペースが残るように十分に大きくしなければならない。このような条件の下、いずれか一つの素子の終端４０は、他の素子の対角線方向に整列されることなく、該素子の対角線方向に整列される（図３）。
【００４１】
図４ａの個々の素子を相互接続するために、二組の２２５個の終端がいずれかの側に配置され、各々は１１３個の外側の終端及び１１２個の内側の終端を備え、終端間に６０μｍ（５４＋６）のピッチで全部で９００個の上部終端がもたらされる。図を簡略化するために、図４ｂは、３×９の素子のサブアレイを備える６×９の個々の素子のアレイを接続する場合を示し、同じ原理が適用され、５４個の上部終端及び二つの底部接続がもたらされる。
【００４２】
本発明の検出セルを製造する方法において、底部接続領域２及び上部接続領域６はタンタルから作られ、それは、その間に酸化アルミニウムの絶縁層が配置される層３及び５を作るのに使用されるアルミニウムより大きい禁制バンド幅２Δを有する。セルは、上記のイー．エポサイト及びエフ．ミューラーの論文に記載されるような、従来の１μｍクラスのフォトリソグラフィ法を用いてサファイア基板上に作られる。領域２は、まず、第一のマスクを用いてブリッジ領域２０（図２ｂ）とともに作られる。その後、方形領域３、４、５及び６が、次に、ＳｉＯ2の層が、第二のマスクを用いてすべて作られる。図３に示すように、領域２は、局所的な領域２３を連続して製造できるように、領域３、４及び５より両方向にやや大きく（約１μｍだけ）される。
【００４３】
タンタルの切断されていないブリッジ領域２０（図２ｂ）は、付属部２１を得られるようにカットされる（図２ｃ）。このカッティングは、フォトリソグラフィにより行うことができる。
【００４４】
タンタルより大きい禁制バンド幅２Δを有するニオブの局所的な領域２３は、フォトリソグラフィにより堆積される（図２ｄ）。
【００４５】
その後、約１μｍ×１μｍの開口が、ＳｉＯ2の層の化学的エッチングにより作られる。各開口は方形で、エッチングされていない対応する領域６へ延びる。その後、例えばＳｉＯ2の上部に、多結晶ニオブが１μｍの幅を有するストライプを形成するためのマスクを介したスパッタリングにより堆積され、各ストライプが従来の方法により対応する領域６の上面に接触する。これにより、個々の伝導領域６を構成する材料より小さい禁制バンド幅２Δを有する材料からアレイのすべての電気的接続部を作ることができる。
【００４６】
次に、金メッキ領域は、接続線がキャリア３０上で終端に接続できるように基板１のエッジ上に堆積される。
【図面の簡単な説明】
【図１】トンネル効果超伝導素子を構成する方形メサを示す図である。
【図２】図２ａは、本発明のセルの領域の一部の平面図であり、図２ｂ乃至図２ｄは、局所的な領域を有するブリッジ領域によるブリッジング前後の図２ａの拡大図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態を構成するセルのアレイの一部の平面図である。
【図４】図４ａは、図３に示すような検出セルの平面図であり、図４ｂは、超伝導カメラのような装置を形成するための接続方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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