EIIRISプロジェクト研究

超伝導薄膜を用いたテラヘルツ光センサーアレイの研究開発
プロジェクトメンバー： エレクトロニクス先端融合研究所 有吉 誠一郎、江畑 敦志、三上 光瑠、田中 三郎§1 研究の背景と目的
光の周波数領域
赤外線

Single pixel of MKID

可視光

Spiral-MKIDs

Equivalent circuit

Through line
0.1 THz
3 mm

10 THz
30 mm

電波としての物質透過性1C1THz wave

THz wave

光波としての直進性

L →L’

C2

物質透過性、高空間分解能、被ばくが無い。
Resonator

1QL≈35,000fc’

テラヘルツ波を広帯域に受信する

Broadband THz antennan : Density of Cooper pairs
m: Mass of Cooper pairs
q : Charge of Cooper pairs

Lm : Magnetic inductance
LK : Kinetic inductance
2A500 mm, 9.7 (MgO基板)

空間サイズ

一辺 5000 mm の立方体

共振器形状

Rewound 型

境界条件

Free space, Lossless metal

薄膜条件[1]

Ls = 1.0 pH/sq
Rrf = 4.9 × 10-29 ΩHz-2/sqs

解析項目：A) 線幅依存性B) 線間隔依存性

0-10（s: 10 mm w: 10 mm）
周波数 : 4.84 [GHz]S21 : 38.3 [dB]
QL: 3780 [-]-20-30-40[1] J.R.Delayen et al., IEEE Trans.
Magnetics 27 1532 (1991).

w
s-50-60w:10 mm 20 mm 40 mm

4.64.85.05.25.4

周波数 : 1.10 倍
S21 : 1.36 倍
QL : 0.21 倍-30-30-40-40s:10 mm-6020 mm
4.840 mm55.25.4-60101520253035Line width [mm]5.6040

周波数 : 1.04 倍
S21 : 1.42 倍
QL : 0.16 倍

線幅・線間隔を細くすることにより、更なる高感度化が可能

MKID

光学特性評価MKIDの光学特性を振幅・位相の双方から測定評価

共振器長の違いから共振周波数が異なる↓
周波数分割
多重化読み出し3084 K

1000-50-50

線間隔s →増加 (10 → 40 mm)
線幅 w →一定 (10 mm) で共振特性を解析

抵抗温度曲線

202000Frequency [GHz]

冷却温度 3 Kで共振器形状による共振特性の依存性を評価

Resistance [W]-20-20

電気特性評価40Line space 10 mm
4000
Line space 20 mm
Line space 40 mm
3000-10-104.6§4 センサーの評価

MgO基板上にYBCO薄膜を成膜
反応性RFスパッタ装置の概略図

05.6線間隔s →一定 (10 mm)
線幅 w →増加 (10 → 40 mm) で共振特性を解析

実験セットアップ

特性評価装置概念図

光源

白色発光LED
矩形波（0.5 Hz）

入力電圧

10 V

測定温度

10 K、70 K

100マッチング
ボックス

チップ
キャリア

050

100

150

200

Temperature [K]
排気YBCOバルクTc : ~93 K
YBCO薄膜 Tc : 84 K

≈ 0.5 mm

→ 成膜したYBCO薄膜をフォトリソグラフィ法、イオンミリングで加工

4He

ネットワーク冷凍機

アナライザー

共振周波数が異なる25画素の共振器を持つMKIDアレイを作製
40 mm）
500 mm

650 mm§5 まとめと今後の展望

800 mm3 Kでの共振特性を比較

Magnitude S21 [dB]

20 mm

10 mm

線幅w: 10 mm

振幅測定 [dB]

透過係数（S21）を測定

0-25-10-20-30-40-500.6 GHz-60-70-9055.51040f0 [GHz]5.05.6

ディップ深さ [dB]
（標準偏差）

9.3(2.6)

18.4(7.4)

負荷Q（QL）（標準偏差）(w40 mm s10 mm)(w10 mm s10 mm)-80

線幅w [mm]61170(360)

670(360)

Light OFF

Response[dB]-30

線間隔 s →一定 (10 mm)、線幅 w →増加 (10 → 40 mm) で線幅依存性を比較
・設計値
S21 : 1.36 倍、QL : 0.21 倍、Δ f0 : 1.10 倍
S21とQLでは定性的・実験値
共振周波数では定量的に一致
S21 : 1.97 倍、QL : 0.57 倍、Δ f0 : 1.11 倍

Light OFFResponse[deg]Frequency [GHz]
4.990

-35

4.992

4.994

4.996

4.998

5.000

4.99
4.992
4.994
4.996
4.998
5
白色発光LEDを用いてMKIDの雑音等価電力（NEP）を算出

NEP

6.5Frequency [GHz]位相測定 [deg]454035302520151050-5-10-15-20-25-30-35-40-45

Phase S21 [deg]200 nmMagnitude S21 [dB]

YBCO

≈ MgO 基板

40 mm

YBCO

Frequency [GHz]§3 センサーの作製

水蒸気

20 mm

Magnitude S21 [dB]

Magnitude S21 [dB]w

基板厚、比誘電率Ar+O2

線間隔s 10 mm

01 – 10 GHz

ターンテーブル

40 mm

YBCO

MgO（灰色）O2B) 線間隔依存性（数値解）20 mmsLossless metal

ヒーター

Sensitivity ◎ bandwidth ◎B10 mmw

基板厚さ= 500 mm

MgO基板

Size ○A) 線幅依存性（数値解）
線幅w

Air厚さ= 5000 mm

YBCOターゲット

2K. Hayashi et al., Physics Procedia, 45, p.213 (2013).
S. Ariyoshi et al., Applied Physics Express, 6, p.064103 (2013).

YBCO（緑色）

排気A superconducting spiral-resonator
was coupled with CPW.

マイクロ波共振特性の変化からテラヘルツ波を検出

設計手法 （電磁界解析ソフトウェア Sonnet Lite：モーメント法）（YBCO@4.2 K）

NbN @4.2K

Microwave coplanar
waveguide (CPW)§2 センサーの設計

周波数範囲(W=10 mm，Gap=10 mm)

Frequency [GHz]YBa2Cu3O7-d (YBCO)に着目し、液体窒素温度(77 K)で簡便動作可能なMKIDの実現

信号読み出し線

Qu≈80,000

fc・高感度、高応答速度、大規模アレイ化が容易・天文学用途での研究が主流であり、汎用的ではない・超伝導転移温度(Tc)の低い物質(Tc: ~20 K) を用いた研究が大半

共振器

Spiral resonator

Si lens

力学インダクタンス検出器（Microwave Kinetic Inductance Detector）

Free space

High-Q microwave resonator
NbN @4.2K

Magnitude S21 [dB]

周波数
波長MKIDの概要

Loaded quality factor Q [-]テラヘルツ波ミリ波

MKIDの動作原理

B

Magnitude S21 [dB]

マイクロ波

A

Wlight
Hz=𝑁𝑑𝑓𝑆

W / Hz
W /Wlight

10 K

70 K

振幅NEP[W/Hz1/2]

5.2 ×10-8

2.6 ×10-7

位相NEP[W/Hz1/2]

6.0×10-8

5.0×10-8

Wlight : 17.6 mW
df: 2106.8 Hz
振幅 [nW]

位相 [deg]

Response10K

1.3

17.9

Noise10K

0.22.4

位相測定により、70 Kまで感度が保持されることを確認

S. Ariyoshi et al., Materials Research Express, 8 116001 (2021).

◼ We designed, fabricated and characterized a YBCO-based microwave kinetic inductance detector (MKID) consisting of a rewound spiralresonator by using a cryogen-free He4 refrigerator for terahertz (far-infrared) applications.
技術を究め、技術を創る◼ As a first step of the optical evaluation, we measured amplitude and phase NEPs by irradiating LED light. The phase measurement
achieved better NEP value than the amplitude国立大学法人
one at 70 K.
◼ The optical characteristics will be improved by the optimization of sputtering conditions, photolithography and low-noise measurement.

豊橋技術科学大学