平成 14年 5月 24日提出

平成１３年度 国立天文台ＡＬＭＡ共同開発研究 研究成果報告書
１． 研究課題名

窒化ニオブを用いたテラヘルツ帯高感度SIS受信機の開発

３． 研究代表者 氏名鵜澤佳徳

所属

２． 区分 Ａ ・ Ｂ

通信総合研究所関西先端研究センター

４． 研究成果の概要 (１０００字程度で、ＬＭＳＡ計画に関連して重要であると思われる成果を重点的に記入してください。
必要に応じて図表等は別紙として添付してください。また、主要な購入物品との関係についても記載してください。)
１． エピタキシャルNbN/MgO/NbN膜を用いた分布定数型接合ミキサーの作製と評価
優れたI-V特性による低雑音化を目指し、低電流密度でサブギャップリークの少ないI-V特性を持つ分布定数型
NbN/MgO/NbN接合と低損失NbN/MgO/NbNストリップ線路を用いたTHz帯全窒化ニオブSISミキサーの設計、作製、評価を行った。図1.1に作製したミキサー素子写真を示す。SIS接合は長さ15.5 µm、幅0.6 µmであり、臨界電流密度は10kA/cm2である。接合を準粒子トンネルによる損失抵抗を有するストリップ線路と考えると、1 THzで約3λとなり、十分に入力信号を消費できる。この線路の特性インピーダンスは約5 Ωであり、２段インピーダンス整合器でアンテナ給電部に結合する。このミキサー素子を、準光学的手法を用いた受信機で評価した結果、局部発振周波数670 GHzにおいて図1.2のような特性を得、Y-ファクター法により求まる受信機雑音温度は7 mV付近（１接合では3.5 mV）で340 K(DSB)と低雑音特性を示した。しかし図1.3の雑音温度周波数依存性が示すように徐々に上昇し820 GHzで700 Kを示した。これは接合とインピーダンス整合器の間の段差による弱結合部でRF損失があり、性能が劣化したものと考えられる。平坦化などで解決できる。
２． 対称X型光学系FTIRを用いたNbN薄膜の高精度超伝導特性評価
前年度開発した絶対反射率（R）と絶対透過率（T）の両方を同時に測定できる『対称X型光学系』を高精度化した。
この装置をフーリエ変換赤外分光光度計中に組み込んで、MgO基板上のNbN薄膜試料のRとTの測定をした。これらのRとTの連立方程式を、複素光学電気伝導（σac）に関して解いて得られた常伝導状態の値（σn1とσn2）と超伝導状態の値（σとσＳ２）を、図2.1と図2.2にそれぞれ黒丸●（実部）と白丸○（虚部）で示す。今回作製された薄膜に関しては、常伝導状

Ｓ１態（図2.1）では、σn1≅σn2≅106で、さらに、超伝導状態（図2.2）では、超伝導ギャップ（２Δ）が35.7cm-1（1,125GHz）で、ギャップより十分大きいところではσＳ１≅σＳ２であった。この結果２Δ/ｋBＴcは3.86を得て、従来報告されていた４以上の値と比べると、小さい。常伝導状態の実験結果（●と○）へのドルーデモデルのベストフィッティングの結果は、図2.1の実線（実部）と点線（虚部）であった。このとき得られた電子系の散乱確率（1/τ）は1.6×1013であった。超伝導状態の実験結果（●と○）へのMattis-Bardeenモデルのベストフィッティングの結果は、図2.2の実線（実部）と点線（虚部）であった。２Δ以上の高波数側では、波数が大きくなるに従いσS1も実線からずれるが、σS2はさらに大きく点線からずれてしまう。
Mattis-Bardeenモデルはdirty limitであるために、散乱確率は十分大きいとしてその式には現れていない。一方、
Zimmermannらによるモデル（Physica C 183(1991) 99−104）では、arbitrary purityのBCS超伝導体の光学電気伝導度をもとめている。ここでは、散乱確率が現れていて、今回は常伝導状態と同じ値（1/τ＝1.6×1013）であるとして計算した結果を図2.2に伝導度の実部を赤色の実線で、虚部を赤色の点線で表した。このモデルでは、散乱確率とギャップの比（ｙ＝h/4πτΔ）をパラメータとしている。Dirty limitの場合にはこのパラメータを500程度とすればよい。一方、高温超電導体のようなclean limitでは、このパラメータを0.06程度とすればよい。図２のNbNの場合には、このパラメータはy=5.3であった。この結果から、NbN超伝導体は、『弱結合に近い、中程度のpurityであるS波超伝導体である』ことがわかった。
３． 導波管ミキサーの作製と新しい同調回路の提案
実際の導波管ミキサーブロックを試作し（図3.1）、現在チップの作製、マウント技術の開発を行っている。また、低臨界電流密度で広帯域動作を目指した２つ半波長接合を用いた同調回路（図3.2）を提案し、理論的検討を行った（図3.3）。図から明らかなように従来の半分の臨界電流密度でALMA Band10をカバーできることが明らかになった。
なお購入物品は導波管試作費やFTIRでの測定に必要な部品であり、上記遂行のため必要であった。

５． 成果発表 （学会発表、研究会集録などを含みます。印刷中、投稿中なども可。）
著

者

名

論

Y. Uzawa, S. Miki, Z. Wang, A. Kawakami, M. Kroug, P.
Yagoubov, and E. Kollberg

文

標

題

Performance of a quasi-optical NbN hot-electron bolometric mixer atterahertz freuencies

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Superconduct. Sci. Technol. , vol. 15, pp. 141-185, 2002

著

者

名論

Y. Uzawa, M. Takeda, A. Kawakami, and Z. Wang

文

標

題

Design and analysis of a waveguide NbN-based SIS mixer using a tuning
circuit with two half-wavelength distributed junctions for the 900-GHz band

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Proceedings of the 13th International-Symposium on Space Terahertz Technology, Harvard University, Cambridge, MA, 26-28 March
2002.

著

者

名論

Y. Uzawa, Z. Wang, A. Kawakami, and S. Miki

文標

題

Characteristics of an all-NbN SIS mixer with a self-compensated
NbN/AlN/NbN tunnel junction for the terahertz band

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Extended abstracts of 8th International Superconductive Electronics Conference (ISEC 01), Osaka Sun Palace, Osaka, Japan, 19-22
June, 2001, pp. 73-74.

著

者

名論

Y. Uzawa, S. Miki, Z. Wang, A. Kawakami, M. Kroug, P.
Yagoubov, and E. Kollberg

文標

題Evaluation of NbN hot-electron bolometric mixer performance at terahertz
frequencies

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Extended abstracts of 8th International Superconductive Electronics Conference (ISEC 01), Osaka Sun Palace, Osaka, Japan, 19-22
June, 2001, pp. 525-526

著

者

名

論

鵜澤佳徳、武田正典、王鎮

文

標

題

SIS トンネル接合を用いたインピーダンス整合回路

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
２００２年春季第４９回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集 No.1、p. 275

著

者

名論

Y. Uzawa, M. Takeda, A. Kawakami, and Z. Wang

文

標

題

A design and analysis of SIS mixers using two half-wavelength distributed
junction tuning circuit

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Submitted to Applied Superconductivity Conference 2002, 2ED9著

者

名論

M. Takeda, Y. Uzawa, A. Kawakami, and Z. Wang

文

標

題

Development of a waveguide NbN-based SIS mixer in the 900 GHz band

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Submitted to Applied Superconductivity Conference 2002, 2ED10

６． 別刷り （各1部を添付してください。コピーも可。）

別紙2-section transformer

IF output (arb. unit)

Current (mA)

432SIS junction
1010 µm048121620

Bias voltage (mV)

図1.1 素子写真

図1.2 全NbN SIS受信機のヘテロダイン応答特性

12004.2 K, Beam splitter 16 µ m
3 K, Beam splitter 16 µ m
3 K, Beam splitter 9 µ m

Noise temperature (K)

1000
800
6004002000600

650

700

750

800

850

Frequency (GHz)

図1.3 SIS受信機雑音温度の周波数依存性

30NbN/MgO
Tc = 13.3 K

25

Optical conductivity (10 5 Ω-1m-1)

Optical conductivity (105 Ω-1m-1)

30

Temperature : 20.0 K

20

1510525NbN/MgO
Tc = 13.3 K

20Temperature : 5.0 K

1510500102030405060708090100 110 120 130

Wave number (cm-1)

図 2.1 常伝導状態の光学電気伝導度の実部（●）と虚部（○）。曲線はドルーデモデル。

102030405060708090

100 110 120 130

Wave number (cm-1)

図 2.2 超伝導状態の光学電気伝導度の実部（●）と虚部（○）。黒の曲線は Mattis-Bardeen モデル。赤の曲線は Zimmermann モデル。

図 3.1 試作した導波管ミキサーブロック
1.
0.5

1.
2.

0.5

0.25

1.
2.

0.5

0.25

00

0.33

1.

5.

0.33

1.

5.

-2.

0

0.33

1.

-1.

-2.

00

0.33

1.

-2.

-1.

-0.5

-1.

-2.
-1.

2.6

1.060 Ω-5

16.4

5.

-0.25

-0.5

1.9

Return loss (dB)

5.

-0.25

-0.5

2.

0.25

00

-0.25

-0.5

0.50.2500-0.25

1.
2.

3.9

35.2

NbN/AlN/NbN
tunnel junction

3.9

Unit: µm-10

NbN/MgO/NbN
microstripline-15-20
700

800

900

1000

Frequency (GHz)SSB reciever noise temperature (K)図 3.2 提案した同調回路のレイアウト、リターンロス特性、および各点におけるインピーダンス軌跡
500

400

ZS
Zs = 5
Zs = 2Full-wavelength

300

200

100

0700

750

800

850

900

950

1000

LO frequency (GHz)
図 3.3 提案した同調回路の雑音温度シミュレーション結果。
従来の方法（一波長）に比べ、大幅に帯域が広がっている。