平成 15年 5月 30日提出

平成１４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． 半波長２接合同調回路を用いた全窒化ニオブSISミキサーの作製と評価
ALMA計画では低雑音かつ広帯域動作するSISミキサーを必要としているが、従来の方法を用いると比帯域は1/ωCRに従うため、Band10では高臨界電流密度の接合が必要であった（〜40 kA/cm2）。一般に電流密度が高い接合では優れたI-V特性を得るのが困難となり、雑音温度が増大する要因となる。この問題を解決するため、従来より低い電流密度の接合で広帯域動作する同調回路を提案し、全窒化ニオブSISミキサーの作製、評価を行った。図1.1に作製した同調回路を示す。２つの半波長NbN/MgO/NbN接合を半波長NbN/MgO/NbNマイクロストリップ線路で接続し、これを1/4波長マイクロストリップ線路で信号源インピーダンスと整合した。本設計では、図1.2に示されるように電流密度16 kA/cm2（従来の半分以下）の接合で広帯域に整合が取れる。実際に作製した素子の電流密度は6.7 kA/cm2であったが、準光学受信機システムにより雑音温度評価した結果、局部発振周波数690 GHzにおいて図1.3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3.3 mV付近で200 K(DSB)と低雑音特性を示した。図1.4に雑音温度の周波数依存性を示す。中心周波数が低周波側にシフトしているが、675〜810 GHzで6〜9hν/kBの値を示し、ωCR積が約27@750 GHzにも拘わらず、比帯域18%の広帯域特性を得た。尚、比帯域は同じバッチで作製した従来の1波長同調回路に比べて広かった。
２． 導波管ミキサーの作製と評価ダイシング、研磨などの最適化を行い、安定したチップ作製が可能になった。チップサイズは1 x 0.064 x 0.025 mmである。さらにワイヤーボンダの最適条件を見いだすことによって導波管ミキサーブロックにチップをマウントすることにも成功した（図2.1）。ブロックを受信機デュワーに取り付け、基本的な動作チェックを行った。図2.2に１波長同調回路ミキサーのI-V特性を示す。チップに切り出す前のディップスティックによる測定と比べ殆ど変化がないことから、チップ作製プロセスに問題がないと言える。また、バイアスティーを介した２端子測定にも拘わらず超伝導電流部の抵抗がほぼ０であることから、ボンディングによる接触抵抗が非常に少ないことがわかる。室温に戻し、真空を破った後、再び冷却したが熱サイクルに対する問題は認められなかった。受信機雑音温度はこれまでのところ、図2.3に示されるように800 GHz付近で約900K(DSB)程度にとどまっているが、これは電流密度が3 kA/cm2の動作チェック用テストサンプルであり、設計値に近いデバイスの作製によって大きな改善が期待できる。現在、ミキサーブロックへの安定したマウント技術を開発している。
３． 対称X型光学系FTIRを用いたNbN薄膜、光学材料の特性評価
これまで開発してきた絶対反射率（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』の精度を測定した。近赤外領域において高抵抗率Si基板をサンプルとして評価したところ、RとTの誤差は±0.4%以内であり、非常に有用であることが明らかになった。従来用いられてきた精度の低いクラマース・クローニッヒ（K-K）変換法と比較するため、MgO基板上のNbN薄膜のTHz帯における複素導電率の測定を行ったところ、図3.1のように高周波側で大きな違いが現れた。また、本装置によるTHz帯物性評価の他の例として、準光学ミキサーに用いている高誘電率レンズ用無反射キャップの複素屈折率と損失の評価を行った。Kapton-JPポリイミドフィルムのTHz帯での屈折率は約1.77の一定値であり、損失は周波数と共に増大するものの3 THzで30 cm-1以下であり、SiやMgOレンズの無反射キャップとして非常に適していることが明らかになった。実際に800 GHz帯準光学ミキサーにおいて無反射キャップの効果を評価したところ、図3.2にあるようにキャップの有無によって受信機雑音温度に約1.3倍の違いが出た。
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, A. Kawakami, A. Saito, M. Takeda, and Z.
Wang

文

標

題

A submillimetre-wave SIS mixer using NbN/MgO/NbN trilayers grown
epitaxially on an MgO substrate

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Superconduct. Sci. Technol. , vol. 15, pp. 1760-1765, 2002

著

者

名論

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

文

標

題

A circuit for tuning superconductor-insulator-superconductor mixers using
distributed tunnel junctions

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Jpn. J. Appl. Phys., vol. 42, pp. 91-95, 2003.

著

者

名

論

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

文

標

題

Design and analysis of an all-NbN SIS mixer using a tuning circuit with two
half-wavelength distributed junctions

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
To be published in IEEE Trans. Appl. Supercond., 2003.,

著

者

名

論

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

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
To be published in IEEE Trans. Appl. Supercond., 2003.,

著

者

名

E. Kawate, Y. Uzawa, and Z. Wang

論

文

標

題

New evaluation method for optical conductivity of superconducting thin films

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
To be published in Physica B, 2003.

著

者

名

Y. Uzawa and Z. Wang.

論

文

標

題

Low-noise quasi-optical superconducting mixer based on niobium nitride forsubmillimeter wavelengths発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
Studies of High Temperature Superconductor, ed. A. V. Narliker (Nova Science, Hauppauge, NY, 2002), Vol. 43.

著

者

名鵜澤佳徳、川上彰、武田正典、王鎮

論

文標

題

半波長２接合同調回路を用いた全窒化ニオブ SIS ミキサー

発行年、雑誌・研究会名、巻・号、ページ
２００３年春季第５０回応用物理学関係連合講演会、講演予稿集 No.1、p. 303

６． 別刷り （各1部を添付してください。コピーも可。）

別紙

Quarter-wave
transformer

Half-wave
distributed junctions

Half-wave
microstrip line

Feed point

10 µm

NbN/MgO/NbN Junctions
400-nm NbN Wiring
200-nm MgOInsulator

200-nm NbN Ground Plane
MgO Substrate
図1.1 素子写真と断面図。
800
3.00.760 Ω-517.5

4.0

37.3

4.0

Unit: µm

NbN/MgO/NbN
tunnel junction
JC = 16 kA/cm2
NbN/MgO/NbN
microstripline-10

Broadband matching-15700

LO: 690 GHz

800

900

700
295 K

600
500
400
77 K

300
200
PumpedUnpumped

100

1000

0

Frequency (GHz)

Current (µA)

1.0

IF output power (A. U.)

2.0

12

345

67890

Bias voltage (mV)
図 1.2 期待されるリターンロス特性。

図 1.3 ヘテロダイン応答特性。電流密度は 6.7kA/cm2.

1400

DSB noise temperature (K)Return loss (dB)

012001000Two half-wave
Full-wave
9hf/kB
6hf/kB

800
600
4002000660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860

LO frequency (GHz)
図 1.4 受信機雑音温度特性。提案した半波長２接合同調回路はωCR 積が27@750 GHz にもかかわらず比帯域 18%の広帯域特性を達成した。

Mixer chip

Al wires

Waveguide
100 µm

図 2.1 導波管ミキサーチップマウント部写真。チップサ
イズは 1 x 0.064 x 0.025 mm。

図 2.2 受信機における１波長同調回路ミキサーの I-V特性。横軸：2 mV/div、縦軸：0.2 mA/div。

0.8

0.6

0.4295 K
77 K

0.2Current (mA)IF output power (A. U.)

LO: 803 GHz

PumpedUnpumped02460.0
108Bias voltage (mV)DSB noise temperature (K)図 2.3 導波管ミキサーのヘテロダイン応答特性。電流密度 3 kA/cm2 の動作チェック用テストサンプルであったが（設計値は 20 kA/cm2）、受信機雑音温度 900 K を示した。

1000
Without AR cap
With AR cap

800
600
400200
Water line
0700

720740760780

800820840

86

LO frequency (GHz)
図 3.1 R-T 法（太線）と K-K 法（細線）により求めた NbN
薄膜の光学伝導率。

図 3.2 Kapton AR cap の有無による受信機雑音温度の比較。