平成 13年 6月 14日提出

平成１２年度 国立天文台ＬＭＳＡ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． 自己共振型NbN/AlN/NbN接合ミキサーの作製と評価
波長が極端に短いTHz帯では比較的長いＮｂＮの磁場侵入長が同調回路を短くするため、接合を集中定数とする従来の回路設計手法の適用が困難なことなどの問題点があった。１２年度では、MgO基板上にエピタキシャル成長した
NbN/MgO/NbNストリップ線路と従来の同調回路と異なる自己共振型NbN/AlN/NbNトンネル接合を用いた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2.4 µm、幅0.8 µmの長方形であり、臨界電流密度は45kA/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、λ/2となる周波数で自己共振するため、接合容量を同調できる。この同調回路の実部とアンテナインピーダンスをNbN(350 nm)/MgO (180 nm)/NbN(200nm)のλ/4トランスフォーマーで整合する。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809 GHzにおいて図1.2のような特性を得た。Y-ファクター法により求まる受信機雑音温度は2.2 mV付近で584K(DSB)と比較的低雑音特性を示した。図1.3の雑音温度周波数依存性が示すように780から960 GHzに渡って平坦かつ広帯域特性が得られ、本ミキサーはALMA・Band10用ミキサー素子として有望であることが示唆された。また、809 GHz付近
で入力損失による雑音温度を評価した結果、およそ350 Kと大きく、導波管などの低入力損失光学系を用いれば、さらに低雑音動作するものと考えられる。
２． FTIRを用いたNbN薄膜における高周波特性の基板依存性評価
ＢＣＳ理論もＭ－Ｂ理論も使わずに直接超伝導体薄膜の光学電気伝導度を決定するために、フーリエ変換赤外分光光度計を用いてサブテラヘルツ帯でこの薄膜の反射率（Ｒ）と透過率（Ｔ）の両方を一度に測定して、これらの連立方程式を解く方法（Ｒ－Ｔ法）を試みた。試料は４種類の基板（MgO、MgO上に200 nmのSiO厚膜、MgO上に200 nmのSiO2厚膜、Si）上に、それぞれ41nmの厚さのNbN薄膜を積層した、NbN/MgO、NbN/SiO/MgO、NbN/SiO2/MgOとNbN/Siである。
直流電気伝導度の測定から得られた各試料のＴｃを表１に示す。ＲとＴの光学測定は、温度５ Ｋで行った。鏡面仕上げの試料では、エネルギー保存則からＲ＋Ｔ＋Ａ（吸収率）＝１の関係式が成り立つ。実測のＲとＴから”Ｒ＋Ｔ“の周波数依存性の結果を図2.1に示す。各”Ｒ＋Ｔ“スペクトルに現れているフリンジは、基板中での多重反射のためである。この測定では、600 GHz以上のデータの信頼性は高い。NbN/MgOとNbN/SiO/MgO試料では、Ｒ＋Ｔ＝１になる周波数が600 GHz以上の領域にある。一方、NbN/SiO2/MgOとNbN/Si試料では、Ｒ＋Ｔ＜１で余分な吸収があることがわかる。
このＲとＴに関する連立方程式を解いて得られたそれぞれの試料の光学電気伝導度の実部を図2.2に示す。各電気伝導度の極小値が２Δを与える。この２Δの値も表１に示した。2Δ／kBTcの比は、NbN/MgOとNbN/SiO/MgO試料では、ＢＣＳ理論の予想と近い結果を得たが、NbN/SiO2/MgOとNbN/Siについては、２Δの大きさがBCS理論の予想の６０％と小さく、これらの試料では超伝導状態でも実部が零になっていなく常伝導電子による光エネルギーの消費があることがわかった。さらにNbN/Siの光学電気伝導度の大きさは、他の３つの試料の伝導度の半分の大きさであった。
３． 導波管ミキサーの設計と基板研磨技術の開発
貴天文台の協力により800 GHz帯のミキサーの基本設計、および予備的なMgO基板研磨を行った。設計ではMgO
基板厚を34 µmとし、現在これに向けた研磨技術の調査、開発を行っている。
なお購入物品はFTIRでの測定に必要な部品や試作費、Siレンズ、光学部品であり、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, A. Kawakami, S. Miki, and Z. Wang

文

標

題

Performance of all-NbN quasi-optical SIS mixers for the terahertz band

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 11, pp. 183-186, 2001

著

者

名

論

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

文

標

題

IF bandwidth and noise temperature measurements of NbN HEB mixers onMgO substrates

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 11, pp. 175-178, 2001

著

者

名

論

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

文

標

題

Performance of an all-NbN quasi-optical SIS mixers for the terahertz band

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Proceeding of the 12th International-Symposium on Space Terahertz Technology, San Diego, CA, 14-16 February 2001.

著

者

名論E. Kawate, Z. Wang, and Y. Uzawa

文

標

題

Study of the effect of substrates on high-frequency properties of NbN thinfilms using a fourier transform infrared spectrometer

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Submitted to 5th European Conference of Applied Superconductivity (EUCAS 2001)

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
Submitted to 8th International Superconductive Electronics Conference (ISEC 01)

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
Submitted to 8th International Superconductive Electronics Conference (ISEC 01)

著

者

名

鵜澤佳徳、王鎮、川上彰、三木茂人

論

文

標

題

テラヘルツ帯全窒化ニオブ SIS ミキサーの特性評価

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
２００１年春季第４７回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集 No.1、p. 289

６． 別刷り （各1部を添付してください。コピーも可。）

別紙
1.6

LO: 809 GHz

1.4

1.0

295 K0.877 K
0.6Pumped

0.4Unpumped

IF output (arb. unit)

Bias current (mA)

1.2

0.2
0.00123456

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

Receiver Noise Temperature (K)

2000
1800

16 µm Mylar
9 µm Mylar

1600
1400

Biased above the half-gap

1200
1000
800
600
400

Biased below
the half-gap

200
0750

800

850

900

950

1000

LO Frequency (GHz)
図1.3 SIS受信機雑音温度の周波数依存性

Real Part of Optical Conductivity

Frequency dependence of R+T

1.2

2.5x105

1.00.8(Ω ‑ 1 m ‑ 1 )Temperature 5K
0.6

NbN/MgO
NbN/SiO/MgO
NbN/SiO2/MgO
NbN/Si0.4

0.2

1.5x105

Temperature 5K

1.0x105

σ1R+T

NbN/MgO
NbN/SiO/MgO
NbN/SiO2/MgO
NbN/Si2.0x105

5.0x104
0.0

0.0
15

20253035

Wave number (cm-1)

4045

Tc (K)
２Δ(GHz)２Δ/kBTc

1520253035

4045

Wave number (cm-1)

図3-1 反射率+透過率の周波数依存性

表1
NbN/MgO
14.31110
3.7350

図3-2 光学電気伝導度の実部の周波数依存性

各試料の超伝導特性
NbN/SiO/MgO NbN/SiO2/MgO
11.5
12.8
8106303.38
2.36

NbN/Si11.6
5402.2350