JP2009038190A - Superconducting single-photon detecting element and manufacturing method of superconducting single-photon detecting element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconducting single-photon detecting element which has superior property of optical coupling with photons and superior light absorptivity and then can be greatly improved in quantum efficiency, and a manufacturing method of the superconducting single-photon detecting element. <P>SOLUTION: The superconducting single-photon detecting element 100 according to the present invention includes a reflective layer disposed on a substrate 10, a niobium nitride wiring 13 which is connected to a bias source through a transmission line 15 to supply a predetermined current and is used in a superconducting state, a cavity layer 12 interposed between the niobium nitride wiring 13 and reflective layer 11, and an antireflective layer 14 disposed on the niobium nitride wiring 13, and is configured to detect photons P one by one based upon resistance variation of the niobium nitride wiring 13 when photons P having passed through the antireflective layer 14 are incident on the niobium nitride wiring 13. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法に係り、更に詳しくは、窒化ニオブからなる超伝導ナノワイヤ（窒化ニオブ配線）を用いた単一光子検出素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a superconducting single-photon detecting element and a method for manufacturing a superconducting single-photon detecting element, and more specifically, a single-photon detecting element using a superconducting nanowire (niobium nitride wiring) made of niobium nitride, and It relates to the manufacturing method.

光子を１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子は、盗聴を不可能にする量子暗号通信などの量子通信分野への利用が期待されている。   Superconducting single-photon detection elements that can detect photons one by one are expected to be used in the field of quantum communication such as quantum cryptography that makes wiretapping impossible.

このような超伝導単一光子検出素子として、窒化ニオブ（ＮｂＮ）層の単一層で、基板上に形成された単層構造の検出素子がすでに知られている。この単層構造の超伝導単一光子検出素子では、窒化ニオブ層からなるメアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤが基板の表面に配されている。このため、基板の表面に向けて光を入射できるので、光ファイバから出射された光をこのナノワイヤに容易に集光できる。よって、このような単層構造の超伝導単一光子素子は、光子との光カップリング性に優れている。   As such a superconducting single-photon detection element, a single-layer detection element formed on a substrate with a single layer of niobium nitride (NbN) is already known. In this single-layer superconducting single photon detection element, meander-like (meandering) nanowires made of a niobium nitride layer are arranged on the surface of the substrate. For this reason, since light can be incident on the surface of the substrate, the light emitted from the optical fiber can be easily condensed on the nanowire. Therefore, the superconducting single photon device having such a single layer structure is excellent in optical coupling with photons.

ところが、この素子には、後述（図３参照）のとおり、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での量子効率が、ナノワイヤの光反射および光透過特性により最大でも２０％〜３０％程度に制約されるという不都合がある。   However, as will be described later (see FIG. 3), the quantum efficiency at the communication wavelength most suitable for optical fiber transmission is limited to about 20% to 30% at the maximum due to the light reflection and light transmission characteristics of the nanowire. There is a disadvantage of being.

つまり、単層構造の超伝導単一光子検出素子には、薄膜（厚み３ｎｍ〜５ｎｍ）のナノワイヤにおいて光の反射や透過が起こり、ナノワイヤによる光の吸収率は芳しくない。   That is, in a single-layer superconducting single-photon detection element, light is reflected or transmitted in a thin film (thickness 3 nm to 5 nm) nanowire, and the light absorption rate by the nanowire is not good.

なお、本明細書において、「量子効率」とは、光検出システムとしての効率を指し、端的には、光子検出システムに単一光子を入れる際の、当該光子を検出できる確率を指すものする。   In this specification, “quantum efficiency” refers to the efficiency of a photodetection system, and simply refers to the probability that the photon can be detected when a single photon is inserted into the photon detection system.

そこで、上述の不都合を改善する目的で、サファイア基板の裏面側に反射防止（ＡＲ）層が配され、サファイア基板の表面側に、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、誘電体キャビティ層（例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＱＳ）からなる層）および反射層（例えばＡｕ（金）層）が配された積層構造の超伝導単一光子検出素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
23 January 2006/Vol.14, No 2/OPTICS EXPRESS 527-534 Therefore, for the purpose of improving the above inconvenience, an antireflection (AR) layer is arranged on the back surface side of the sapphire substrate, and a niobium nitride layer (microfabrication into meander-like nanowires in a later step) is performed on the front surface side of the sapphire substrate. A superconducting single-photon detection element having a laminated structure in which a dielectric cavity layer (for example, a layer made of hydrogen silsesquioxane (HQS)) and a reflective layer (for example, Au (gold) layer) is arranged has been proposed ( For example, refer nonpatent literature 1).
23 January 2006 / Vol.14, No 2 / OPTICS EXPRESS 527-534

しかしながら、従来の積層構造の超伝導単一光子検出素子では、光検出部（受光部）として機能するナノワイヤが配されたサファイア基板の表面と反対の裏面側から光を照射する必要がある。このため、幅狭のナノワイヤに入射光を集光させることが難しく、光子との光カップリング性において難点がある。   However, in a conventional superconducting single photon detection element having a laminated structure, it is necessary to irradiate light from the back side opposite to the surface of the sapphire substrate on which nanowires functioning as a light detection part (light receiving part) are arranged. For this reason, it is difficult to collect incident light on a narrow nanowire, and there is a difficulty in optical coupling with photons.

また、この積層構造の超伝導単一光子検出素子では、サファイア基板に対して反射防止層を配しているので、ナノワイヤに対して反射防止層を配する構成に比較して、反射防止層の反射防止機能を充分に活かすことができずに、改善の余地がある。   Further, in this superconducting single photon detection element having a laminated structure, since the antireflection layer is arranged on the sapphire substrate, the antireflection layer is arranged in comparison with the configuration in which the antireflection layer is arranged on the nanowire. The antireflection function cannot be fully utilized and there is room for improvement.

基板の表面側に、反射層、キャビティ層、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、および、反射防止層をこの順番に積層すれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子を得ることができると考えられる。ところが、窒化ニオブ層は、下地の結晶性により、その特性が大きく左右されるので、反射層として通用されているＡｕ層やアルミ層、または、キャビティ層として通用されているＨＱＳ層または酸化シリコン層に対し、高品質の窒化ニオブ層の作製が困難であることが、当業者において共通認識となっている。このため、基板の表面側に、反射層、キャビティ層、窒化ニオブ層、および、反射防止層をこの順番に積層しようとする試みは、本件発明者等が知る限り、未だ見当たらない。   If a reflective layer, cavity layer, niobium nitride layer (microfabrication into meander-shaped nanowires in a later process), and antireflection layer are laminated in this order on the surface side of the substrate, photocoupling with photons and light It is considered that a superconducting single-photon detection element that is excellent in absorption and can significantly improve quantum efficiency can be obtained. However, since the characteristics of the niobium nitride layer are greatly affected by the crystallinity of the base, an Au layer or an aluminum layer that is commonly used as a reflective layer, or an HQS layer or a silicon oxide layer that is commonly used as a cavity layer On the other hand, it is commonly recognized by those skilled in the art that it is difficult to produce a high-quality niobium nitride layer. For this reason, as far as the present inventors know, no attempt has yet been made to attempt to laminate the reflective layer, the cavity layer, the niobium nitride layer, and the antireflection layer in this order on the surface side of the substrate.

本件発明者等は、このような既存の当業者の認識に拘泥することなく、基板、反射層およびキャビティ層の適切な材料選択により、基板の表面に、反射層およびキャビティ層を介在させて、高品質の窒化ニオブ層を形成することに成功した。なお、詳細は後述する。   The present inventors, without being bound by the recognition of such an existing person skilled in the art, by interposing the reflective layer and the cavity layer on the surface of the substrate by selecting an appropriate material for the substrate, the reflective layer and the cavity layer, A high quality niobium nitride layer was successfully formed. Details will be described later.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and is excellent in optical coupling and photoabsorption with photons, thereby enabling superconducting single photon detection elements capable of greatly improving quantum efficiency. And it aims at providing the manufacturing method of a superconducting single photon detection element.

上記課題を解決するため、本発明は、基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備え、
前記反射防止層を通過した光子が前記窒化ニオブ配線に入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子を１個ずつ検出するように構成されている、超伝導単一光子検出素子を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a reflective layer disposed on a substrate,
Niobium nitride wiring connected in a superconducting state, connected to a bias source via a transmission line, and flowing a predetermined bias current,
A cavity layer interposed between the niobium nitride wiring and the reflective layer;
An antireflection layer disposed on the niobium nitride wiring,
Superconducting single-photon detection configured to detect the photons one by one based on a change in resistance of the niobium nitride wiring when the photons that have passed through the antireflection layer enter the niobium nitride wiring. An element is provided.

このように、本発明の超伝導単一光子検出素子では、基板の表面側に反射層を配しているので、窒化ニオブ配線が配された基板の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光を窒化ニオブ配線に容易に集光できる。   Thus, in the superconducting single photon detection element of the present invention, the reflective layer is arranged on the surface side of the substrate, so that light can be incident on the surface of the substrate on which the niobium nitride wiring is arranged, and the optical fiber It is possible to easily collect the light emitted from the niobium nitride wiring.

よって、本発明の超伝導単一光子検出素子は、光子との光カップリング性に優れている。   Therefore, the superconducting single photon detecting element of the present invention is excellent in optical coupling property with photons.

更に、本発明の積層構造の超伝導単一光子検出素子によれば、従来の単層構造の超伝導単一光子検出素子に比べて、量子効率の大幅な改善を図れることができると期待される。   Further, according to the superconducting single photon detecting element having a laminated structure of the present invention, it is expected that the quantum efficiency can be greatly improved as compared with the conventional superconducting single photon detecting element having a single layer structure. The

例えば、本発明の超伝導単一光子検出素子では、窒化ニオブ配線に対して反射防止層を配しているので、光検出部に光子が入る際の反射防止層の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。   For example, in the superconducting single photon detection element of the present invention, since the antireflection layer is disposed on the niobium nitride wiring, the antireflection function of the antireflection layer when the photons enter the photodetection portion is fully utilized. This is preferable.

また、キャビティ層は、光共振器として機能する層であり、このキャビティ層を所望の厚みに調整することにより、光検出部に入った光子をキャビティ層内に適切に閉じ込めることができる。   The cavity layer is a layer that functions as an optical resonator. By adjusting the cavity layer to a desired thickness, photons that have entered the light detection unit can be appropriately confined in the cavity layer.

また、本発明の超伝導単一光子検出素子では、前記反射層は窒化ニオブからなり、前記反射層の厚みを、前記窒化ニオブ配線の厚みよりも厚くしてもよい。   In the superconducting single photon detecting element of the present invention, the reflective layer may be made of niobium nitride, and the thickness of the reflective layer may be larger than the thickness of the niobium nitride wiring.

これにより、反射層を適切に反射ミラーとして用いることができ、光検出部に入った光の反射層からの透過を根本的に無くすことができる。   Thereby, the reflection layer can be appropriately used as a reflection mirror, and transmission of light entering the light detection unit from the reflection layer can be fundamentally eliminated.

また、前記基板および前記キャビティ層を酸化マグネシウムにより構成してもよい。   Further, the substrate and the cavity layer may be made of magnesium oxide.

このような超伝導単一光子検出素子によれば、酸化マグネシウムからなる基板およびキャビティ層と、窒化ニオブからなる反射層および窒化ニオブ配線用の窒化ニオブ層との間の結晶構造が同じであり、両者間の結晶格子定数がほぼ一致しているので、高品質の窒化ニオブ層を成膜でき、極めて好都合であると考えられる。   According to such a superconducting single photon detecting element, the crystal structure between the substrate and the cavity layer made of magnesium oxide, the reflective layer made of niobium nitride and the niobium nitride layer for niobium nitride wiring is the same, Since the crystal lattice constants between the two are almost the same, a high-quality niobium nitride layer can be formed, which is considered extremely convenient.

よって、本発明は、基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備える超伝導単一光子検出素子の製造方法であって、
前記基板上に、前記反射層と、前記キャビティ層と、窒化ニオブ層と、この順番にエピタキシャル成長させ、
その後、前記窒化ニオブ層をパターニングすることにより、前記窒化ニオブ配線を形成させ、前記窒化ニオブ配線を覆うように前記反射防止層を形成させる、超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供する。 Therefore, the present invention provides a reflective layer disposed on a substrate,
Niobium nitride wiring connected in a superconducting state, connected to a bias source via a transmission line, and flowing a predetermined bias current,
A cavity layer interposed between the niobium nitride wiring and the reflective layer;
An antireflection layer disposed on the niobium nitride wiring, and a manufacturing method of a superconducting single photon detection element comprising:
On the substrate, the reflective layer, the cavity layer, and the niobium nitride layer are epitaxially grown in this order,
Thereafter, the niobium nitride layer is patterned to form the niobium nitride wiring, and the antireflection layer is formed so as to cover the niobium nitride wiring.

この場合、酸化マグネシウムからなる前記基板上に、窒化ニオブからなる前記反射層と、酸化マグネシウムからなる前記キャビティ層と、前記窒化ニオブ層とを、同一成膜装置内において連続的にエピタキシャル成長できる。   In this case, the reflective layer made of niobium nitride, the cavity layer made of magnesium oxide, and the niobium nitride layer can be continuously epitaxially grown on the substrate made of magnesium oxide in the same film forming apparatus.

これにより、上述のとおり、高品質の窒化ニオブ層が得られ、この窒化ニオブ層を後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工すれば、量子効率の大幅な改善を図れる超伝導単一検出素子を製造できる。   As a result, as described above, a high-quality niobium nitride layer is obtained, and if this niobium nitride layer is microfabricated into meander-like nanowires in the subsequent process, a superconducting single detection element capable of significantly improving quantum efficiency is obtained. Can be manufactured.

本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法が得られる。   According to the present invention, a superconducting single photon detecting element that is excellent in optical coupling and photoabsorbing properties with a photon and thereby can significantly improve quantum efficiency, and a method of manufacturing a superconducting single photon detecting element Is obtained.

以下、本発明を実施するための実施形態について、図面を参照しながら説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の構成について述べる。   First, the configuration of the superconducting single photon detection element of the embodiment of the present invention will be described.

図１は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。図１（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の光検出部周辺を上方から平面視した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration example of the superconducting single photon detection element of the present embodiment. Fig.1 (a) is the figure which planarly viewed the optical detection part periphery of the superconducting single photon detection element from upper direction, FIG.1 (b) is the part along the BB line of Fig.1 (a). It is sectional drawing which showed the cross section of.

超伝導単一光子検出素子１００の光検出部Ｓは、平面視においては、図１（ａ）に示すように、８０ｎｍ〜２００ｎｍ線幅のメアンダ状（蛇行形状）に形成され、超伝導状態で使用されるナノワイヤ１３を備えている。   The light detection portion S of the superconducting single photon detection element 100 is formed in a meander shape (meandering shape) with a line width of 80 nm to 200 nm as shown in FIG. The nanowire 13 used is provided.

このナノワイヤ１３は、ナノメータオーダ（例えば、３ｎｍ〜５ｎｍ）の厚みの窒化ニオブ層１３Ａを、電子線などを用いてパターニングすることにより製作することができる。なお、この光検出部Ｓのサイズを、例えば、１０μｍ〜２０μｍ角程度に設定してもよい。   The nanowire 13 can be manufactured by patterning a niobium nitride layer 13A having a thickness of nanometer order (for example, 3 nm to 5 nm) using an electron beam or the like. In addition, you may set the size of this photon detection part S to about 10 micrometers-20 micrometers square, for example.

ナノワイヤ１３は、超伝導状態で使用できるように適宜の冷却手段（図示せず）により冷却されている。また、ナノワイヤ１３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、略Ｕ次状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）と矩形状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）とに接続されている。そして、ナノワイヤ１３に臨界電流を僅かに下回る所望のバイアス電流を流すように、ナノワイヤ１３は、伝送経路１５を介してバイアス源（図示せず）の出力端子に接続されている。つまり、伝送経路１５は、ナノワイヤ１３にバイアス電流を流す経路としても機能している。この伝送経路１５は、窒化ニオブ層１３Ａとの接触面で超伝導単一光子検出素子１００が破壊され難くする目的で、窒化ニオブ層１３Ａと同じ材料（窒化ニオブ）により構成されている。   The nanowire 13 is cooled by appropriate cooling means (not shown) so that it can be used in a superconducting state. Further, the nanowire 13 is connected to a substantially U-order transmission path 15 (thickness: 150 nm) and a rectangular transmission path 15 (thickness: 150 nm) as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). Has been. The nanowire 13 is connected to an output terminal of a bias source (not shown) through the transmission path 15 so that a desired bias current slightly lower than the critical current flows through the nanowire 13. That is, the transmission path 15 also functions as a path for supplying a bias current to the nanowire 13. The transmission path 15 is made of the same material (niobium nitride) as the niobium nitride layer 13A for the purpose of making it difficult for the superconducting single photon detection element 100 to be destroyed at the contact surface with the niobium nitride layer 13A.

次に、超伝導単一光子検出素子１００による光子の検出法について、図面を参照しながら説明する。   Next, a photon detection method by the superconducting single photon detection element 100 will be described with reference to the drawings.

図５は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００による光子の検出法を表した模式図である。   FIG. 5 is a schematic diagram showing a photon detection method by the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment.

図５に示すように、ナノワイヤ１３に光子Ｐ（シングルフォトン）が入射すると、光子Ｐが入射した箇所ではキャップエネルギーを超えることになり、その結果、ホットスポットという常伝導領域Ａ（高抵抗領域）が発生する。この場合、図５の拡大図に示すように、電流Ｃは、高抵抗の領域Ａを迂回するように領域Ａの両側のナノワイヤ１３の部分に集中的に流れる。すると、領域Ａの周囲を流れる電流Ｃは臨界電流を超え、領域Ａの両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域Ａは、ナノワイヤ１３の幅方向全域に亘るように一時的に広がる。このようにして、常伝導領域Ａの発生および常伝導領域Ａの超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１３に入った光子Ｐは、電圧信号として１個ずつ適切に検出され、この電圧信号が伝送経路１５から外部に取り出される。   As shown in FIG. 5, when a photon P (single photon) is incident on the nanowire 13, it exceeds the cap energy at the location where the photon P is incident, and as a result, a normal conduction region A (high resistance region) called a hot spot. Occurs. In this case, as shown in the enlarged view of FIG. 5, the current C intensively flows through the portions of the nanowires 13 on both sides of the region A so as to bypass the high resistance region A. Then, the current C flowing around the region A exceeds the critical current, the portions on both sides of the region A are also in the normal conduction state, and the region A in the normal conduction state temporarily extends over the entire width direction of the nanowire 13. spread. In this way, based on the change in resistance across the entire width of the nanowire 13 in the process of generating the normal conduction region A and restoring the normal conduction region A to the superconducting state, And the voltage signal is taken out from the transmission path 15 to the outside.

なお、ここで述べたナノワイヤ１３を臨界電流近傍にバイアスすることにより、光子Ｐを１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子の検出法自体は、すでに公知であり（例えば、公知文献としての「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）、この検出法の詳細な説明は省略する。   In addition, the detection method itself of the superconducting single photon detection element which can detect the photon P one by one by biasing the nanowire 13 described here near the critical current is already known (for example, as a known document) "Refer to" IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577 "), and detailed description of this detection method is omitted.

また、本実施形態では、上述のとおり、光検出部Ｓの検出可能領域を可能な限り広げて、光子Ｐとの光カップリングを容易にするよう、ナノワイヤ１３をメアンダ状に形成しているが、メアンダタイプのナノワイヤについても、上述の公知文献や上述の非特許文献１に記載されているので、ここでは、メアンダ構造の詳細な構成説明についても省略する。   In this embodiment, as described above, the nanowire 13 is formed in a meander shape so that the detectable region of the light detection unit S is expanded as much as possible to facilitate optical coupling with the photon P. Since meander-type nanowires are also described in the above-mentioned publicly known document and the above-mentioned non-patent document 1, detailed description of the meander structure is also omitted here.

超伝導単一光子検出素子１００の光検出部Ｓは、断面視においては、図１（ｂ）に示すように、基板１０と、基板１０上に配された積層体１０１と、を備えている。   As shown in FIG. 1B, the light detection unit S of the superconducting single photon detection element 100 includes a substrate 10 and a laminated body 101 disposed on the substrate 10 in a cross-sectional view. .

基板１０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板である。基板１０の厚みを、例えば、０．３ｍｍや０．５ｍｍ程度に設定してもよい。また、基板１０のサイズは、例えば、１０ｍｍ角、１５ｍｍ角、２０ｍｍ角程度であってもよい。   The substrate 10 is a magnesium oxide (MgO) single crystal substrate. The thickness of the substrate 10 may be set to about 0.3 mm or 0.5 mm, for example. The size of the substrate 10 may be, for example, about 10 mm square, 15 mm square, and 20 mm square.

積層体１０１は、図１（ｂ）に示すように、基板１０上に堆積された窒化ニオブからなる反射層１１と、この反射層１１上に堆積され、誘電体（例えば、酸化マグネシウム）からなるキャビティ層１２と、このキャビティ層１２上の形成された上述のナノワイヤ１３と、このナノワイヤ１３を覆うように形成され、誘電体（例えば、酸化シリコン）からなる反射防止層１４と、を備えている。   As shown in FIG. 1B, the multilayer body 101 includes a reflective layer 11 made of niobium nitride deposited on the substrate 10, and a dielectric (for example, magnesium oxide) deposited on the reflective layer 11. A cavity layer 12, the above-described nanowire 13 formed on the cavity layer 12, and an antireflection layer 14 formed so as to cover the nanowire 13 and made of a dielectric (for example, silicon oxide) are provided. .

積層体１０１の反射層１１は、厚みが約１００ｎｍの窒化ニオブ薄膜ミラーである。反射層１１の厚みをナノワイヤ１３の厚み（３ｎｍ〜５ｎｍ）よりも充分に厚くすることにより、反射層１１を反射ミラーとして用いることができる。この反射層１１により、光検出部Ｓに入った光子Ｐの反射層１１からの透過を根本的に防止できる。   The reflective layer 11 of the laminate 101 is a niobium nitride thin film mirror having a thickness of about 100 nm. By making the thickness of the reflective layer 11 sufficiently thicker than the thickness of the nanowire 13 (3 nm to 5 nm), the reflective layer 11 can be used as a reflective mirror. The reflection layer 11 can fundamentally prevent the transmission of the photons P that have entered the light detection unit S from the reflection layer 11.

このように、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、基板１０の表面側に反射層１１を配しているので、ナノワイヤ１３が配された基板１０の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光をナノワイヤ１３に容易に集光できる。   Thus, in the superconducting single photon detection element 100 of this embodiment, since the reflective layer 11 is arranged on the surface side of the substrate 10, light is incident on the surface of the substrate 10 on which the nanowires 13 are arranged. The light emitted from the optical fiber can be easily collected on the nanowire 13.

なお、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、反射層１１をＧＮＤ（グランド）プレーンとしても機能できるように、反射層１１は、伝送経路１５のグランド部分Ｇにおいて伝送経路１５とコンタクトされている。このように、反射層１１をＧＮＤプレーンとして機能させることにより、ナノワイヤ１３のインダクタンスが低減され、ひいては、ナノワイヤ１３を伝送する信号の速度を速くできると考えられる。   In this embodiment, as shown in FIG. 1B, the reflective layer 11 is connected to the transmission path 15 in the ground portion G of the transmission path 15 so that the reflective layer 11 can function as a GND (ground) plane. Contacted. Thus, it is considered that by causing the reflective layer 11 to function as a GND plane, the inductance of the nanowire 13 is reduced, and thus the speed of the signal transmitted through the nanowire 13 can be increased.

積層体１０１のキャビティ層１２は、光共振器として機能する層であり、例えば、キャビティ層１２の厚みは約２２０ｎｍに設定されている。これにより、光検出部Ｓに入った光子Ｐをキャビティ層１２内に適切に閉じ込めることができる。   The cavity layer 12 of the multilayer body 101 is a layer that functions as an optical resonator. For example, the thickness of the cavity layer 12 is set to about 220 nm. As a result, the photons P that have entered the light detection unit S can be appropriately confined in the cavity layer 12.

積層体１０１の反射防止層１４は、光検出部Ｓ内に光子Ｐが入る際の反射を防止する層であり、例えば、この反射防止層１４の厚みは約１００ｎｍに設定されている。このように、ナノワイヤ１３に対して反射防止層１４を配しているので、光検出部Ｓに光子Ｐが入る際の反射防止層１４の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。   The antireflection layer 14 of the multilayer body 101 is a layer that prevents reflection when the photon P enters the photodetecting portion S. For example, the thickness of the antireflection layer 14 is set to about 100 nm. Thus, since the antireflection layer 14 is arranged with respect to the nanowire 13, the antireflection function of the antireflection layer 14 when the photon P enters the photodetecting portion S can be fully utilized, which is preferable.

次に、超伝導単一光子検出素子１００の製法について説明する。なお、本実施形態では、光検出部Ｓの積層体１０１においてエピタキシャル成長に用いる製造装置および製造条件は、例えば、「特開２００４−６４００３号公報」や「特開２００４−１５２９９０号公報」に記載された内容に準拠している。   Next, a manufacturing method of the superconducting single photon detection element 100 will be described. In the present embodiment, a manufacturing apparatus and manufacturing conditions used for epitaxial growth in the stacked body 101 of the light detection unit S are described in, for example, “JP 2004-64003 A” and “JP 2004-152990 A”. It conforms to the contents.

積層体１０１のうちの反射層１１、キャビティ層１２および窒化ニオブ層１３Ａのエピタキシャル成長には、公知のロードロック式スパッタリング装置（図示せず）が用いられている。   A known load lock type sputtering apparatus (not shown) is used for epitaxial growth of the reflective layer 11, the cavity layer 12, and the niobium nitride layer 13 </ b> A in the stacked body 101.

まず、単結晶の酸化マグネシウムからなる基板１０の（１００）面上には、窒化ニオブからなる反射層１１が、Ｎｂ（ニオブ）ターゲットを用いた直流反応性スパッタリングにより成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用してもよい。   First, the reflective layer 11 made of niobium nitride is formed on the (100) surface of the substrate 10 made of single crystal magnesium oxide by direct current reactive sputtering using an Nb (niobium) target. In this case, argon gas may be used as the discharge gas and nitrogen gas may be used as the reaction gas.

次に、反射層１１の面上には、酸化マグネシウムからなるキャビティ層１２が、酸化マグネシウム焼結ターゲットを用いたイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）法により成膜される。この場合、カウフマン型イオン源のイオンビーム電流および電圧はそれぞれ、約１００ｍＡおよび１００Ｖ−５００Ｖに設定されている。なお、このＩＢＳ法に代えて、ＲＦスパッタリング法とＤＣスパッタリング法とを組み合わせることによっても、キャビティ層１２を形成することができる。   Next, a cavity layer 12 made of magnesium oxide is formed on the surface of the reflective layer 11 by ion beam sputtering (IBS) using a magnesium oxide sintered target. In this case, the ion beam current and voltage of the Kaufman type ion source are set to about 100 mA and 100 V to 500 V, respectively. Note that the cavity layer 12 can be formed by combining the RF sputtering method and the DC sputtering method instead of the IBS method.

次に、キャビティ層１２の面上には、窒化ニオブ層１３Ａが、Ｎｂターゲットを用いた直流反応性スパッタリング法により成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用してもよい。   Next, a niobium nitride layer 13A is formed on the surface of the cavity layer 12 by direct current reactive sputtering using an Nb target. In this case, argon gas may be used as the discharge gas and nitrogen gas may be used as the reaction gas.

このようにして、積層体１０１のうちの各層１１、１２、１３Ａを、基板１０上に同一のロードロック式スパッタリング装置内で、エピタキシャル成長により連続的に成膜することができる。   In this way, each of the layers 11, 12, and 13 A of the stacked body 101 can be continuously formed on the substrate 10 by epitaxial growth in the same load lock type sputtering apparatus.

なお、後工程において、この窒化ニオブ層１３Ａに対して、電子線などを活用した微細加工技術を用いてパターニングすると、ナノワイヤ１３を形成することができる。そして、その後、窒化ニオブからなる伝送経路１５を形成すれば、チップサイズとして、例えば３．０ｍｍ角の超伝導単一光子検出素子１００を製造することができる。   In a later step, the nanowire 13 can be formed by patterning the niobium nitride layer 13A using a fine processing technique utilizing an electron beam or the like. Then, if a transmission path 15 made of niobium nitride is formed thereafter, a superconducting single photon detection element 100 having a chip size of, for example, 3.0 mm square can be manufactured.

また、酸化シリコンからなる反射防止層４については、ナノワイヤ１３を覆うように、適宜の真空成膜法（例えば、ＣＶＤ法や真空蒸着法）を用いて形成することができる。   Further, the antireflection layer 4 made of silicon oxide can be formed by using an appropriate vacuum film formation method (for example, a CVD method or a vacuum evaporation method) so as to cover the nanowires 13.

以上に述べたように、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００は、基板１０上に配された反射層１１と、伝送線路１５を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３と反射層１１との間に介在しているキャビティ層１２と、窒化ニオブ配線１３上に配された反射防止層１４と、を備えている。このようにして、この超伝導単一光子検出素子１００は、反射防止層１４を通過した光子Ｐが窒化ニオブ配線１３に入射した際の窒化ニオブ配線１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、光子Ｐを１個ずつ検出するように構成されている。   As described above, the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment is connected to the bias source via the reflection layer 11 disposed on the substrate 10 and the transmission line 15, and has a predetermined bias current. The niobium nitride wiring 13 used in a superconducting state, the cavity layer 12 interposed between the niobium nitride wiring 13 and the reflective layer 11, and the reflection disposed on the niobium nitride wiring 13 And a prevention layer 14. In this way, this superconducting single photon detecting element 100 is based on the resistance change over the entire width direction of the niobium nitride wiring 13 when the photon P that has passed through the antireflection layer 14 enters the niobium nitride wiring 13. The photons P are detected one by one.

また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、基板１０の表面側に反射層１１を配しているので、ナノワイヤ１３が配された基板１０の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光をこのナノワイヤ１３に容易に集光できる。   Moreover, in the superconducting single photon detection element 100 of this embodiment, since the reflective layer 11 is disposed on the surface side of the substrate 10, light can be incident on the surface of the substrate 10 on which the nanowires 13 are disposed, Light emitted from the optical fiber can be easily collected on the nanowire 13.

よって、超伝導単一光子検出素子１００は、光子Ｐとの光カップリング性に優れている。   Therefore, the superconducting single photon detection element 100 is excellent in optical coupling property with the photon P.

また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、ナノワイヤ１３に対して反射防止層１４を配しているので、光検出部Ｓに光子Ｐが入る際の反射防止層１４の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。   Further, in the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment, since the antireflection layer 14 is arranged on the nanowire 13, the antireflection of the antireflection layer 14 when the photon P enters the photodetection portion S is prevented. The function can be fully utilized, which is preferable.

また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、キャビティ層１２は、光共振器として機能する層であり、このキャビティ層１２を所望の厚みに調整することにより、光検出部Ｓに入った光子をキャビティ層１２内に適切に閉じ込めることができる。   Further, in the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment, the cavity layer 12 is a layer that functions as an optical resonator. By adjusting the cavity layer 12 to a desired thickness, the light detection unit S Incoming photons can be properly confined in the cavity layer 12.

更に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００は、酸化マグネシウムからなる基板１０上に、窒化ニオブからなる反射層１１と、酸化マグネシウムからなるキャビティ層１２と、窒化ニオブ層１３Ａとを、この順番に、同一のロードロック式スパッタリング装置内において連続的にエピタキシャル成長できるので、以下のような格別の効果を奏する。   Furthermore, the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment includes a reflective layer 11 made of niobium nitride, a cavity layer 12 made of magnesium oxide, and a niobium nitride layer 13A on a substrate 10 made of magnesium oxide. Since the epitaxial growth can be continuously performed in the same load-lock type sputtering apparatus in this order, the following special effects can be obtained.

第１の効果として、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００によれば、酸化マグネシウムからなる基板１０およびキャビティ層１２と、窒化ニオブからなる反射層１１および窒化ニオブ層１３Ａとの間の結晶構造が同じであり、両者間の結晶格子定数がほぼ一致しているので、高品質の窒化ニオブ層１３Ａを成膜でき、極めて好都合であると考えられる。   As a first effect, according to the superconducting single-photon detection element 100 of the present embodiment, between the substrate 10 and the cavity layer 12 made of magnesium oxide, and the reflective layer 11 and the niobium nitride layer 13A made of niobium nitride. Since the crystal structures are the same and the crystal lattice constants between the two are almost the same, a high-quality niobium nitride layer 13A can be formed, which is considered extremely convenient.

そこで、本件発明者等は、以下の検出素子を試作して、窒化ニオブ層１３Ａの特性評価を超伝導転移温度Ｔｃの観点から検証した。   Therefore, the inventors of the present invention made a prototype of the following detection element and verified the characteristic evaluation of the niobium nitride layer 13A from the viewpoint of the superconducting transition temperature Tc.

まず、図２（ａ）に示すように、酸化マグネシウムからなる基板２１０上に、厚みが１００ｎｍの窒化ニオブからなる反射層２１１、厚みが２２０ｎｍの酸化マグネシウムからなるキャビティ層２１２、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層２１３Ａを、この順番にエピタキシャル成長させることにより、超伝導検出素子２００（以下、「実施例の検出素子２００」と略す）が試作されている。   First, as shown in FIG. 2A, on a substrate 210 made of magnesium oxide, a reflective layer 211 made of niobium nitride with a thickness of 100 nm, a cavity layer 212 made of magnesium oxide with a thickness of 220 nm, and nitrided with a thickness of 5 nm. The niobium layer 213A is epitaxially grown in this order, whereby a superconducting detection element 200 (hereinafter abbreviated as “detection element 200 of the embodiment”) is prototyped.

この実施例の検出素子２００を超伝導単一光子検出素子１００として用いる場合には、窒化ニオブ層２１３Ａを、メアンダ状のナノワイヤとして微細加工する必要があるが、ここでは、このような微細加工を省略して、検証実験の効率化を図っている（以下の「第１比較例の検出素子３００」および「第２比較例の検出素子４００」においても同じ）。   When the detection element 200 of this embodiment is used as the superconducting single photon detection element 100, the niobium nitride layer 213A needs to be finely processed as a meander-like nanowire. This is omitted to improve the efficiency of the verification experiment (the same applies to the following “detection element 300 of the first comparative example” and “detection element 400 of the second comparative example”).

また、図２（ｂ）に示すように、酸化マグネシウムからなる基板３１０上に、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層３１３Ａの単層をエピタキシャル成長させることにより、超伝導検出素子３００（以下、「第１比較例の検出素子３００」と略す）も試作されている。   Further, as shown in FIG. 2B, a single layer of a 5 nm thick niobium nitride layer 313A is epitaxially grown on a substrate 310 made of magnesium oxide to thereby produce a superconducting detection element 300 (hereinafter referred to as “first comparison”). An example detection element 300 ”is also prototyped.

また、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板４１０上に、厚みが１５０ｎｍのアルミ金属からなる反射層４１１、厚みが２２０ｎｍの酸化シリコンからなるキャビティ層４１２、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層４１３Ａを、この順番に堆積させることにより、超伝導検出素子４００（以下、「第２比較例の検出素子４００」と略す）も試作されている。   2C, on the silicon substrate 410, a reflective layer 411 made of aluminum metal having a thickness of 150 nm, a cavity layer 412 made of silicon oxide having a thickness of 220 nm, and a niobium nitride layer 413A having a thickness of 5 nm. Are deposited in this order to produce a superconducting detection element 400 (hereinafter abbreviated as “detection element 400 of the second comparative example”).

下記表１は、実施例の検出素子２００、第１比較例の検出素子３００、第２比較例の検出素子４００のそれぞれについて、窒化ニオブ層２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａの超伝導転移温度Ｔｃの測定結果をまとめた表である。   Table 1 below shows the measurement results of the superconducting transition temperature Tc of the niobium nitride layers 213A, 313A, and 413A for each of the detection element 200 of the example, the detection element 300 of the first comparative example, and the detection element 400 of the second comparative example. Is a table summarizing

Figure 2009038190
Figure 2009038190

上記表１から理解されるとおり、実施例の検出素子２００の窒化ニオブ層２１３Ａの転移温度Ｔｃは、約１２Ｋ（ケルビン）であり、これは、単層構造の第１比較例の検出素子３００の窒化ニオブ層３１３Ａの転移温度Ｔｃと同等レベルである。これに対し、第２比較例の検出素子４００の窒化ニオブ層４１３Ａでは、転移温度Ｔｃが６Ｋまで下がっており、第２比較例の検出素子４００の窒化ニオブ層４１３Ａの特性が劣化していることが分かる。つまり、実施例の検出素子２００の構成によれば、窒化ニオブ層２１３Ａとともに反射層２１１およびキャビティ層２１２を基板２１０の表面側に配した積層構造にしても、窒化ニオブ層２１３Ａの特性が劣化しないと結論付けられる。   As understood from Table 1 above, the transition temperature Tc of the niobium nitride layer 213A of the detection element 200 of the example is about 12 K (Kelvin), which is the same as that of the detection element 300 of the first comparative example having the single-layer structure. This is the same level as the transition temperature Tc of the niobium nitride layer 313A. On the other hand, in the niobium nitride layer 413A of the detection element 400 of the second comparative example, the transition temperature Tc is lowered to 6K, and the characteristics of the niobium nitride layer 413A of the detection element 400 of the second comparative example are deteriorated. I understand. That is, according to the configuration of the detection element 200 of the embodiment, even if the reflective structure 211 and the cavity layer 212 are arranged on the surface side of the substrate 210 together with the niobium nitride layer 213A, the characteristics of the niobium nitride layer 213A do not deteriorate. It is concluded that

第２の効果として、本実施形態の積層構造の超伝導単一光子検出素子１００によれば、従来の単層構造の超伝導単一光子検出素子に比べて、量子効率の大幅な改善を図れることができると期待される。   As a second effect, according to the superconducting single photon detecting element 100 having a laminated structure of the present embodiment, the quantum efficiency can be greatly improved as compared with the conventional superconducting single photon detecting element having a single layer structure. Expected to be able to.

そこで、本件発明者等は、実施例の検出素子２００（積層構造）および第１比較例の検出素子３００（単層構造）の光学特性について、分光光度計を用いて検証した。   Therefore, the inventors of the present invention verified the optical characteristics of the detection element 200 (laminated structure) of the example and the detection element 300 (single layer structure) of the first comparative example using a spectrophotometer.

まず、図３を参照しながら、単層構造の検出素子における光学特性の測定結果について述べる。   First, the measurement results of the optical characteristics of the detection element having a single layer structure will be described with reference to FIG.

図３は、単層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a measurement result of optical characteristics in a detection element having a single layer structure.

図３では、光の波長（Wavelength；μｍ）を横軸にとり、単層構造の検出素子の光反射率Ｒ（％）（図３中に「Ｒ」と表記）、光透過率Ｔ（％）（図３に「Ｔ」と表記）および光吸収率Ａ（％）（図３中に「Ａ」と表記）を縦軸にとって、光の波長と、各数値Ｒ、Ｔ、Ａとの間の関係が示されている。   In FIG. 3, the horizontal axis represents the wavelength of light (Wavelength; μm), the light reflectance R (%) (denoted as “R” in FIG. 3), and the light transmittance T (%) of the detection element having a single layer structure. (Indicated as “T” in FIG. 3) and light absorption rate A (%) (indicated as “A” in FIG. 3) on the vertical axis, between the wavelength of light and each of the numerical values R, T, and A The relationship is shown.

但し、ここでは、光反射率Ｒと光透過率Ｔとが、分光光度計により実測され、光吸収率Ａは、これらの数値Ｒ、Ｔを「１００％」から減ずることにより得られた推定値である。   However, here, the light reflectance R and the light transmittance T are measured by a spectrophotometer, and the light absorption rate A is an estimated value obtained by subtracting these numerical values R and T from “100%”. It is.

なお、本検証実験においては、窒化ニオブ層３１３Ａの厚みが４ｎｍの第１比較例の検出素子３００に対応する検出素子が試作されている（以下、これを単に「試作素子」と略す）。   In this verification experiment, a detection element corresponding to the detection element 300 of the first comparative example in which the thickness of the niobium nitride layer 313A is 4 nm is prototyped (hereinafter, simply referred to as “prototype element”).

図３から理解できるように、波長が１．０μｍ〜２．４μｍの範囲において、試作素子の光反射率Ｒは、約２３％に達しており、この試作素子の光透過率Ｔは、４６％〜５０％にも達している。このため、試作素子の光吸収率は、２６％〜３０％と低くなっている。   As can be understood from FIG. 3, in the wavelength range of 1.0 μm to 2.4 μm, the light reflectance R of the prototype element reaches about 23%, and the light transmittance T of this prototype element is 46%. It has reached ~ 50%. For this reason, the light absorptivity of the prototype device is as low as 26% to 30%.

以上に述べたように、波長帯１．０μｍ〜２．４μｍの範囲において、当該試作素子（単層構造）の量子効率は、最大でも２０％〜３０％程度に制約されることが裏付けられた。   As described above, it was confirmed that the quantum efficiency of the prototype device (single layer structure) is limited to about 20% to 30% at the maximum in the wavelength band of 1.0 μm to 2.4 μm. .

次に、図４を参照しながら、積層構造の検出素子における光学特性の測定結果について述べる。   Next, with reference to FIG. 4, the measurement results of the optical characteristics in the detection element having the laminated structure will be described.

図４は、積層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a measurement result of optical characteristics in a detection element having a laminated structure.

本検証実験においては、実施例の検出素子２００に対応する検出素子が試作されている。より具体的には、キャビティ層２１２の厚みをそれぞれ、１２５ｎｍ、２２０ｎｍ、および、２７０ｎｍに調整した３種類の検出素子が試作されている（以下、必要に応じて、これらを単に「キャビティ層厚み変更用の試作素子」と略す）。   In this verification experiment, a detection element corresponding to the detection element 200 of the embodiment is experimentally manufactured. More specifically, three types of detection elements in which the thickness of the cavity layer 212 is adjusted to 125 nm, 220 nm, and 270 nm, respectively, have been prototyped (hereinafter referred to as “cavity layer thickness change” if necessary). For short).

また、窒化ニオブ層２１３Ａ上に酸化シリコン層（反射防止層；図２において図示せず）が更に形成された実施例の検出素子２００に対応する検出素子も試作されている。   In addition, a detection element corresponding to the detection element 200 of the embodiment in which a silicon oxide layer (antireflection layer; not shown in FIG. 2) is further formed on the niobium nitride layer 213A is also experimentally manufactured.

より具体的には、当該酸化シリコン層の厚みをそれぞれ、８０ｎｍ、および、１００ｎｍに調整した２種類の検出素子も試作されている（以下、必要に応じて、これらを単に「反射防止層厚み変更用の試作素子」と略す）。   More specifically, two types of detection elements in which the thickness of the silicon oxide layer is adjusted to 80 nm and 100 nm, respectively, have been prototyped (hereinafter simply referred to as “antireflection layer thickness change” if necessary) For short).

なお、以上のキャビティ層厚み変更用の試作素子および反射防止層厚み変更用の試作素子では、反射層２１１の厚みは、１００ｎｍに固定され、窒化ニオブ層２１３Ａの厚みは、５ｎｍに固定されている。   In the above-described prototype element for changing the thickness of the cavity layer and the prototype element for changing the thickness of the antireflection layer, the thickness of the reflective layer 211 is fixed to 100 nm, and the thickness of the niobium nitride layer 213A is fixed to 5 nm. .

図４では、光の波長（Wavelength；μｍ）を横軸にとり、上述の各試作素子の光反射特性値（Reflectance;％）を縦軸にとって、光の波長と光反射特性値との間の関係が、酸化マグネシウムからなるキャビティ層２１２の厚み、および、酸化シリコン層（反射防止層）の厚みをパラメータとして示されている。   In FIG. 4, the horizontal axis represents the wavelength of light (Wavelength; μm), and the vertical axis represents the light reflection characteristic value (Reflectance;%) of each prototype element described above, and the relationship between the light wavelength and the light reflection characteristic value. However, the thickness of the cavity layer 212 made of magnesium oxide and the thickness of the silicon oxide layer (antireflection layer) are shown as parameters.

具体的には、キャビティ層２１２の厚みが１２５ｎｍでの試作素子（図４の破線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍでの試作素子（図４の二点鎖線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２７０ｎｍでの試作素子（図４の点線参照）について、波長帯１．０μｍ〜２．２μｍに亘る光反射特性値が測定されている。   Specifically, the prototype element when the thickness of the cavity layer 212 is 125 nm (see the broken line in FIG. 4), the prototype element when the thickness of the cavity layer 212 is 220 nm (see the two-dot chain line in FIG. 4), and the thickness of the cavity layer 212. The light reflection characteristic value over a wavelength band of 1.0 μm to 2.2 μm has been measured for a prototype element (see dotted line in FIG. 4) of 270 nm.

また、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、酸化シリコン層の厚みが８０ｎｍでの試作素子（図４の実線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、酸化シリコン層の厚みが１００ｎｍでの試作素子（図４の一点鎖線参照）について、波長帯１．０μｍ〜２．２μｍに亘る光反射特性値が測定されている。   Further, a prototype element in which the thickness of the cavity layer 212 is 220 nm and the thickness of the silicon oxide layer is 80 nm (see the solid line in FIG. 4), and the prototype element in which the thickness of the cavity layer 212 is 220 nm and the thickness of the silicon oxide layer is 100 nm (see FIG. 4), light reflection characteristic values over a wavelength band of 1.0 μm to 2.2 μm are measured.

なお、縦軸に示した「光反射特性値」とは、理想的な基準ミラーに入射した入射光の、当該基準ミラーにより反射される光の強度をバックグランド（１００％）として、上述の各試作素子に入射した入射光の、各試作素子の表面から外部に放出される光の強度のパーセント割合である。よって、この光反射特性値が小さい程、各試作素子内で吸収される光吸収率が高くなり、その結果として、量子効率は向上すると考えられる。   The “light reflection characteristic value” shown on the vertical axis is the above-mentioned each of the above incident light incident on an ideal reference mirror and the intensity of the light reflected by the reference mirror as a background (100%). This is the percentage of the intensity of the light emitted to the outside from the surface of each prototype element of the incident light incident on the prototype element. Therefore, it is considered that the smaller the light reflection characteristic value, the higher the light absorptance absorbed in each prototype device, and as a result, the quantum efficiency is improved.

図４によれば、キャビティ層２１２の厚みに基づいてキャビティ層厚み変更用の試作素子の光反射特性値を、当該素子の用途に合わせて適宜調整できることが分かる。また、図４によれば、酸化シリコン層の厚みに基づいて酸化シリコン層厚み変更用の試作素子の光反射特性値を、当該素子の用途に合わせて適宜調整できることも分かる。   According to FIG. 4, it can be seen that the light reflection characteristic value of the prototype element for changing the cavity layer thickness can be appropriately adjusted based on the thickness of the cavity layer 212 in accordance with the application of the element. FIG. 4 also shows that the light reflection characteristic value of the prototype element for changing the thickness of the silicon oxide layer can be appropriately adjusted based on the thickness of the silicon oxide layer according to the use of the element.

また、超伝導単一光子検出素子１００を量子暗号通信などの量子通信分野に利用する場合には、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍにおいて、光子Ｐを１個ずつ適切に検出できることが重要である。そこで、図４中には、各試作素子について、この通信波長（１５５０ｎｍ）での光反射特性値も併記している。   In addition, when the superconducting single photon detection element 100 is used in the quantum communication field such as quantum cryptography communication, it is important that the photons P can be appropriately detected one by one at the communication wavelength 1550 nm most suitable for optical fiber transmission. It is. Therefore, in FIG. 4, the light reflection characteristic value at this communication wavelength (1550 nm) is also shown for each prototype element.

図４中の通信波長（１５５０ｎｍ）での光反射特性値によれば、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、および、酸化シリコン層の厚みが１００ｎｍの試作素子の場合には、通信波長１５５０ｎｍの光反射特性値が最も低くなり、この光反射特性値を０．９％にまで低減できることが分かる。この場合、仮に当該試作素子の反射層２１１での光吸収率が２０％程度と見積もったとしても、この試作素子では、通信波長（波長１５５０ｎｍ）での量子効率を８０％近くまで大幅に向上できると期待される。   According to the light reflection characteristic value at the communication wavelength (1550 nm) in FIG. 4, in the case of a prototype device in which the thickness of the cavity layer 212 is 220 nm and the thickness of the silicon oxide layer is 100 nm, the light reflection at the communication wavelength of 1550 nm. It can be seen that the characteristic value is the lowest, and this light reflection characteristic value can be reduced to 0.9%. In this case, even if the light absorption rate in the reflective layer 211 of the prototype device is estimated to be about 20%, this prototype device can greatly improve the quantum efficiency at the communication wavelength (wavelength 1550 nm) to nearly 80%. It is expected.

なお、本明細書においては、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の用途として、量子通信分野を挙げたが、これは飽くまで一例に過ぎない。この超伝導単一光子検出素子１００は、量子通信分野への利用の他、テラヘルツ（ＴＨｚ）エレクトロニクス技術、Ｘ線観測技術、質量分析技術などの様々なエネルギー粒子検出分野に応用できる。   In the present specification, the quantum communication field has been cited as an application of the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment, but this is only an example until it gets tired. This superconducting single photon detection element 100 can be applied to various energetic particle detection fields such as terahertz (THz) electronics technology, X-ray observation technology, mass spectrometry technology, etc., in addition to use in the quantum communication field.

本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法を得ることができる。   According to the present invention, a superconducting single photon detecting element that is excellent in optical coupling and photoabsorbing properties with a photon and thereby can significantly improve quantum efficiency, and a method of manufacturing a superconducting single photon detecting element Can be obtained.

例えば、本発明は、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での量子効率の大幅な向上により、量子暗号通信などの量子通信分野の検出器として利用することができる。   For example, the present invention can be used as a detector in the field of quantum communication such as quantum cryptography due to a significant improvement in quantum efficiency at a communication wavelength most suitable for optical fiber transmission.

本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の光検出部周辺を上方から平面視した図である。（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。It is the figure which showed typically the example of 1 structure of the superconducting single photon detection element of embodiment of this invention. (A) is the figure which planarly viewed the optical detection part periphery of the superconducting single photon detection element from upper direction. (B) is sectional drawing which showed the cross section of the part along the BB line of Fig.1 (a). 検証実験に用いた検出素子の構成例を示した図である。（ａ）は、実施例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。（ｂ）は、第１比較例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。（ｃ）は、第２比較例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。It is the figure which showed the example of a structure of the detection element used for verification experiment. (A) is sectional drawing which showed the cross section of the photon detection part in the detection element of an Example. (B) is sectional drawing which showed the cross section of the photon detection part in the detection element of a 1st comparative example. (C) is sectional drawing which showed the cross section of the photon detection part in the detection element of a 2nd comparative example. 単層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the measurement result of the optical characteristic in the detection element of a single layer structure. 積層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the measurement result of the optical characteristic in the detection element of a laminated structure. 本実施形態の超伝導単一光子検出素子による光子の検出法を表した模式図である。It is the model showing the detection method of the photon by the superconducting single photon detection element of this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０、２１０、３１０ 酸化マグネシウムからなる基板
４１０ シリコン基板
１１、２１１ 窒化ニオブからなる反射層
４１１ アルミ金属からなる反射層
１２、２１２ 酸化マグネシウムからなるキャビティ層
４１２ 酸化シリコンからなるキャビティ層
１３ ナノワイヤ
１３Ａ、２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａ 窒化ニオブ層
１４ 反射防止層
１５ 伝送経路
１０１ 積層体
１００ 超伝導単一光子検出素子
２００ 実施例の検出素子
３００ 第１比較例の検出素子
４００ 第２比較例の検出素子
Ｓ 光検出部
Ｐ 光子
Ｇ グランド部分 10, 210, 310 Substrate made of magnesium oxide 410 Silicon substrate 11, 211 Reflective layer made of niobium nitride 411 Reflective layer made of aluminum metal, 212 Cavity layer made of magnesium oxide 412 Cavity layer made of silicon oxide 13 Nanowires 13A, 213A 313A, 413A Niobium nitride layer 14 Antireflection layer 15 Transmission path 101 Laminate body 100 Superconducting single photon detection element 200 Example detection element 300 First comparison example detection element 400 Second comparison example detection element S Photodetection Part P Photon G Ground part

Claims (5)

基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備え、
前記反射防止層を通過した光子が前記窒化ニオブ配線に入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子を１個ずつ検出するように構成されている、超伝導単一光子検出素子。 A reflective layer disposed on the substrate;
Niobium nitride wiring connected in a superconducting state, connected to a bias source via a transmission line, and flowing a predetermined bias current,
A cavity layer interposed between the niobium nitride wiring and the reflective layer;
An antireflection layer disposed on the niobium nitride wiring,
Superconducting single-photon detection configured to detect the photons one by one based on a change in resistance of the niobium nitride wiring when the photons that have passed through the antireflection layer enter the niobium nitride wiring. element. 前記反射層は窒化ニオブからなり、前記反射層の厚みが、前記窒化ニオブ配線の厚みよりも厚くなっている、請求項１記載の超伝導単一光子検出素子。   The superconducting single photon detection element according to claim 1, wherein the reflective layer is made of niobium nitride, and the thickness of the reflective layer is larger than the thickness of the niobium nitride wiring. 前記基板および前記キャビティ層は酸化マグネシウムからなる、請求項２記載の超伝導単一光子検出素子。   The superconducting single photon detection element according to claim 2, wherein the substrate and the cavity layer are made of magnesium oxide. 基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備える超伝導単一光子検出素子の製造方法であって、
前記基板上に、前記反射層と、前記キャビティ層と、窒化ニオブ層と、この順番にエピタキシャル成長させ、
その後、前記窒化ニオブ層をパターニングすることにより、前記窒化ニオブ配線を形成させ、
前記窒化ニオブ配線を覆うように前記反射防止層を形成させる、超伝導単一光子検出素子の製造方法。 A reflective layer disposed on the substrate;
Niobium nitride wiring connected in a superconducting state, connected to a bias source via a transmission line, and flowing a predetermined bias current,
A cavity layer interposed between the niobium nitride wiring and the reflective layer;
An antireflection layer disposed on the niobium nitride wiring, and a manufacturing method of a superconducting single photon detection element comprising:
On the substrate, the reflective layer, the cavity layer, and the niobium nitride layer are epitaxially grown in this order,
Then, the niobium nitride wiring is formed by patterning the niobium nitride layer,
A method of manufacturing a superconducting single photon detecting element, wherein the antireflection layer is formed so as to cover the niobium nitride wiring. 酸化マグネシウムからなる前記基板上に、窒化ニオブからなる前記反射層と、酸化マグネシウムからなる前記キャビティ層と、前記窒化ニオブ層とが、同一成膜装置内において連続的にエピタキシャル成長される、請求項４記載の超伝導単一光子検出素子の製造方法。   5. The reflective layer made of niobium nitride, the cavity layer made of magnesium oxide, and the niobium nitride layer are continuously epitaxially grown on the substrate made of magnesium oxide in the same film forming apparatus. The manufacturing method of the superconducting single photon detection element of description.
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