JP5967610B2

JP5967610B2 - 超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器

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Publication number: JP5967610B2
Application number: JP2012158881A
Authority: JP
Inventors: 田井野　徹; 徹田井野; 明連　広昭; 広昭明連; 雅人成瀬; 達雄石塚; 青柳　昌宏; 昌宏青柳; 菊地　克弥; 克弥菊地
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Saitama University NUC
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Saitama University NUC
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: JP2014022519A

Description

本発明は、超伝導体からなる下部電極、絶縁体からなるトンネルバリア、および超伝導体からなる上部電極が基板上に積層されて構成される、超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器に関するものである。

従来、フォトン検出器として主に半導体検出器が用いられてきたが、半導体検出器は半導体材料固有の性質により、これ以上の性能向上は見込めない。これに対し、超伝導トンネル接合（以下、ＳＴＪ（＝Superconducting Tunnel Junction)と記す）を用いたフォトン検出器は、近接するエネルギーを持つフォトンを弁別するエネルギー分解能に優れ、また、高速でのフォトン観測が可能であり、次世代のフォトン検出器として極めて有望である。

図１（ａ）は、ＳＴＪを用いたフォトン検出器を構成するＳＴＪ素子１の模式図である。ＳＴＪ素子１は、超伝導体２および３の間に絶縁体４が挟まれて形成されている。ＳＴＪ素子１を動作させる際には、ＳＴＪ素子１は冷却され、熱による励起電流が減少させられる。また、超伝導体２および３の間にバイアス（Bias）電圧が印加される。ここで、ＳＴＪには直流ジョセフソン電流が流れる。同図（ｂ）に示すグラフは、ＳＴＪ素子１の電流−電圧特性を示す。同グラフの横軸は電圧、縦軸は電流を表す。同グラフ内で、特性Ｂで表される直流ジョセフソン電流は、電圧が０で流れる。また、電圧の増加に対して電流が線形的に増加しない、極めて非線形性的なＳＴＪ特有の特性Ａが表れる。ＳＴＪ素子１を動作させる際には絶縁体４に磁場が印加され、この磁場の印加により、直流ジョセフソン電流は抑制される。

同図（ｃ）のエネルギーバンド図に示すように、ＳＴＪ素子１において超伝導を担うクーパー対５は、上記のＳＴＪ素子１の動作条件の下では、基底状態にされている。このＳＴＪ素子１にフォトンが同図（ａ）に示す太い矢印のように入射し、対破壊エネルギー２Δ以上のエネルギーがクーパー対５に与えられると、クーパー対５は崩壊して励起状態の準粒子６となる。この準粒子６は絶縁体４の部分に形成されるＳＴＪを通過し、トンネル電流を形成する。トンネル電流は、同図（ｂ）に点線で示す電流電圧特性Ｃで表され、特性Ａとの差分がアンプ（ＡＭＰ）７によって増幅されて測定される。この測定により、ＳＴＪ素子１に入射したフォトンの数やエネルギーが把握される。

対破壊エネルギー２Δは、半導体検出器では数ｅＶであるのに対し、ＳＴＪを用いたフォトン検出器では数ｍｅＶで、格段に小さなエネルギーでクーパー対５は準粒子６となる。従って、ＳＴＪを用いたフォトン検出器は優れたエネルギー分解能を呈する。

図２は、ＳＴＪを用いた従来のフォトン検出器１１の断面斜視図である。このようなフォトン検出器としては、非特許文献１に開示されたものがある。

フォトン検出器１１は、ＳＴＪ素子１２が基板１３上に形成されて構成されている。ＳＴＪ素子１２は、超伝導体からなる下部電極１４、絶縁体からなるトンネルバリアを含む層１５、および超伝導体からなる上部電極１６が、基板１３上に積層されて形成されている。ここでは、下部電極１４および上部電極１６の超伝導体にＮｂが用いられており、厚さはそれぞれ２００ｎｍおよび１５０ｎｍにされている。また、絶縁体であるトンネルバリアを構成するＡｌＯ_ｘ層１５ｂは、Ａｌ層１５ａの表面が酸化されて、数ｎｍの厚さに形成されている。また、Ａｌ層１５ａおよびＡｌ層１５ｃは、フォトンの入射によって生じる２次電子を増幅するためのトラップ層であり、形成されない場合もある。

ＳＴＪ素子１２が形成された基板表面にはＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜１７が３５０ｎｍの厚さに形成されており、層間絶縁膜１７の右上方にはＮｂからなる上部電極用配線層１８が６５０ｎｍの厚さに形成されている。上部電極用配線層１８はコンタクトホール１９を介して上部電極１６に接続されている。また、図示はしていないが、層間絶縁膜１７の左上方にはＮｂからなる下部電極用配線層が形成されており、上部電極用配線層１８と同様にコンタクトホールを介して下部電極１４に接続されている。

図３（ａ）〜（ｈ）および図４（ｉ）〜（ｋ）は、上記のような従来のフォトン検出器１１をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。なお、図３および図４において図２と同一または相当する部分には同一符号を付して説明する。

フォトン検出器１１の作製にあたり、最初に、基板１３上にリフトオフ用のフォトレジスト２１を形成する（図３（ａ）参照）。次に、基板１３およびフォトレジスト２１上に、下部電極１４となるＮｂ層２２、トンネルバリアを含む層１５となるＡｌ−ＡｌＯ_ｘまたはＡｌ−ＡｌＯ_ｘ／Ａｌ層２３、上部電極１６となるＮｂ層２４を積層する（同図（ｂ）参照）。次に、フォトレジスト２１をリフトオフして下部電極１４を形成する（同図（ｃ）参照）。引き続き、上部電極加工用のフォトレジスト２５を形成し（同図（ｄ）参照）、フォトレジスト２５をマスクとするエッチングによりトンネルバリア１５および上部電極１６を形成する（同図（ｅ）参照）。

次に、コンタクトホール形成用のフォトレジスト２６を形成し（同図（ｆ）参照）、引き続いて層間絶縁膜１７を積層する（同図（ｇ）参照）。その後、フォトレジスト２６をリフトオフしてコンタクトホール１９を形成する（同図（ｈ）参照）。次に、配線層形成用のフォトレジスト２７を形成し（図４（ｉ）参照）、配線層２８を堆積する（同図（ｊ）参照）。その後、フォトレジスト２７をリフトオフして上部電極用配線層１８および下部電極用配線層２０を形成し（同図（ｋ）参照）、フォトン検出器１１の作製を完成させる。

また、ＳＴＪ素子１２の上部電極１６に入射するフォトンの種類を選択するため、上部電極１６の直上にある層間絶縁膜１７ａを除去し、除去した部分に吸収層を形成することがある。この吸収層により、フォトン検出器１１に入射する所望のフォトンが捉えられて上部電極１６に入射するようになり、所望のフォトンを効率よく検出することが可能になる。なお、ここではリフトオフ法によってフォトン検出器１１を作製する場合について説明しているが、エッチング法によっても同様にしてフォトン検出器１１を作製することが出来る。

IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.13, NO.2, JUNE 2003, pp.119〜122

上記従来のＳＴＪを用いたフォトン検出器１１は、上記のように作製に多くのプロセスが必要とされるため、作製コストを削減するのが難しく、また、作製の歩留まりが低かった。また、エッチング法による層間絶縁膜１７へのコンタクトホール１９の形成や層間絶縁膜１７上への配線層２８の堆積により、ＳＴＪ素子１２に悪影響が与えられ、フォトン検出器１１としての特性が劣化することが考えられる。また、基板１３上に各種の層が突出して積層されてフォトン検出器１１が形成されるため、このフォトン検出器１１上にさらに他の素子を立体的に積層して回路の集積度を高めることは難しかった。また、ＳＴＪ素子１２の上部電極１６上に吸収層を形成することで、検出するフォトンを選択できるようになるが、上部電極１６の直上にある層間絶縁膜１７ａを除去し、除去した部分に吸収層を形成するのにはさらに多くの作製プロセスが必要とされ、手間がかかった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
超伝導体からなる下部電極、絶縁体からなるトンネルバリア、および超伝導体からなる上部電極が基板上に積層されて構成されるＳＴＪを用いたフォトン検出器において、
下部電極、トンネルバリア、および上部電極から構成されるＳＴＪ素子が、基板の表面に窪んで形成された穴に埋め込まれて形成され、上部電極の表面と基板の表面との高低差が上部電極の厚さ分の範囲内に設定されていることを特徴とする。

従来のＳＴＪを用いたフォトン検出器では、上部電極が基板表面から下部電極およびトンネルバリアの厚さ分離れた高さにあり、上部電極に接触する配線層を形成するのには、ＳＴＪ素子を覆う層間絶縁膜および上部電極を露出させるコンタクトホールが必要とされた。しかし、本構成によれば、ＳＴＪ素子が基板の表面に窪んで形成された穴に埋め込まれて形成されることで、上部電極の基板表面からの高さを下部電極およびトンネルバリアの厚さ分以上低くすることが出来る。従って、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成すること無く、上部電極に接触する配線層を基板表面に形成することが出来る。このため、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成する従来の作製プロセス、および層間絶縁膜作製用の装置が不要になり、ＳＴＪを用いたフォトン検出器の作製プロセスおよび作製装置は大幅に簡略化される。この結果、作製の歩留まりは向上し、作製コストは削減される。また、層間絶縁膜を作製しないので、従来の、層間絶縁膜へのコンタクトホールの形成や層間絶縁膜上への配線層の堆積により、ＳＴＪ素子に悪影響が与えられることがなく、フォトン検出器としての特性が劣化することは無い。また、基板上に突出すること無くＳＴＪ素子を形成することが出来るため、このＳＴＪ素子から構成されるフォトン検出器上にさらに他の素子を立体的に積層して容易に３次元実装することが出来る。このため、回路の集積度を容易に高めることが可能となり、また、ＳＴＪを用いたフォトン検出器のアレイ化を容易に行える。

また、本発明は、上部電極の表面と基板の表面とが面一またはほぼ面一に形成されていることを特徴とする。

本構成によれば、ＳＴＪ素子の上部電極の表面と基板の表面とが同一またはほぼ同一の高さになるので、ＳＴＪ素子と基板表面との間に段差が生じ無くなる。このため、ＳＴＪ素子上に積層する各種の層を平坦に形成することが出来、ＳＴＪ素子上に他の素子を立体的にさらに形成し易くなる。

また、本発明は、下部電極の一部が前記穴に露出して形成され、下部電極を配線する配線層が前記穴に露出する下部電極の一部に接触して基板の表面側に形成され、上部電極を配線する配線層が上部電極の表面に接触して基板の表面側に形成されていることを特徴とする。

本構成によれば、下部電極を配線する配線層および上部電極を配線する配線層は、層間絶縁膜を形成すること無く、共に基板の表面側に形成される。このため、基板の片面実装に適したＳＴＪを用いたフォトン検出器が提供される。

また、本発明は、基板の裏面から下部電極に通じる貫通孔が形成され、下部電極を配線する配線層が貫通孔を介して下部電極に接触して基板の裏面側に形成され、上部電極を配線する配線層が上部電極の表面に接触して基板の表面側に形成されていることを特徴とする。

本構成によれば、下部電極を配線する配線層は、基板の裏面に形成された貫通孔を介して下部電極に接触して基板の裏面側に、上部電極を配線する配線層は、上部電極の表面に接触して基板の表面側に、層間絶縁膜を形成すること無く形成される。従って、基板の表面側には上部電極を配線する配線層だけが形成され、ＳＴＪ素子は、下部電極を配線する配線層に覆われていた分多く基板表面に露出する。このため、フォトン検出面積が増大し、フォトン検出感度の高いＳＴＪを用いたフォトン検出器が提供される。

また、本発明は、ＳＴＪ素子が形成された基板の表面に検出対象とするフォトンの種類に応じた材料および厚さからなる吸収層が形成されていることを特徴とする。

本構成によれば、従来のように、上部電極の直上にある層間絶縁膜を除去して吸収層を形成する作製プロセスを必要とすること無く、様々な材料および様々な厚さの吸収層を容易にＳＴＪ素子上に形成することが出来る。従って、様々な材料および様々な厚さの吸収層をＳＴＪ素子上に形成することで、検出対象とするフォトンの種類を容易に様々に換えることが出来る。このため、広エネルギー帯域のフォトンを検出効率高く測定することが可能なＳＴＪを用いたフォトン検出器が容易に提供される。

本発明によれば、上記のように、ＳＴＪを用いたフォトン検出器の作製プロセスは大幅に簡略化され、作製の歩留まりは向上し、作製コストは削減される。また、作製プロセスにおいてＳＴＪ素子に悪影響が与えられることがなく、フォトン検出器としての特性が劣化することは無い。また、フォトン検出器上にさらに他の素子を立体的に積層して容易に３次元実装でき、回路の集積度を容易に高めることが可能となり、また、ＳＴＪを用いたフォトン検出器のアレイ化を容易に行える。

（ａ）は、ＳＴＪを用いたフォトン検出器を構成するＳＴＪ素子の模式図、（ｂ）は、ＳＴＪ素子の電流電圧特性を表すグラフ、（ｃ）は、ＳＴＪのエネルギーバンド図である。ＳＴＪを用いた従来のフォトン検出器の断面斜視図である。（ａ）〜（ｈ）は、ＳＴＪを用いた従来のフォトン検出器をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。（ｉ）〜（ｋ）は、図３に示すプロセスに引き続いて行われるフォトン検出器の作製プロセスを示す断面図である。本発明の一実施の形態によるＳＴＪを用いたフォトン検出器の断面図である。図５に示す一実施の形態によるフォトン検出器をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。図６に示すプロセスに従って作製したフォトン検出器の顕微鏡写真を模した平面図である。図６に示すプロセスに従って作製したフォトン検出器を評価するために測定したＳＴＪ素子の電流電圧特性を示すグラフである。下部電極用配線層を基板の裏面側に形成する一実施の形態の変形例によるＳＴＪを用いたフォトン検出器の断面図である。（ａ）は、図９に示すフォトン検出器をアレイ化した基板の断面図、（ｂ）はその平面図である。

次に、本発明によるＳＴＪを用いたフォトン検出器の一実施の形態について説明する。

図５は本実施の形態によるＳＴＪを用いたフォトン検出器３１の断面図である。

フォトン検出器３１は、ＳＴＪ素子３２が基板３３上に形成されて構成されている。ＳＴＪ素子３２は、超伝導体からなる下部電極３４、絶縁体からなるトンネルバリアを含む層３５、超伝導体からなる上部電極３６が、基板３３上に積層されて形成されている。本実施の形態でも、下部電極３４および上部電極３６の超伝導体にはＮｂが用いられており、厚さはそれぞれ２００ｎｍおよび１５０ｎｍにされている。また、トンネルバリアを含む層３５は、Ａｌ層の表面が酸化されて、絶縁体であるトンネルバリアを構成するＡｌＯ_ｘ層がＡｌ層の表面に形成され、Ａｌ−ＡｌＯ_ｘ層として形成されている。ここで、ＡｌＯ_ｘ層の厚さは数ｎｍにされている。なお、ＡｌＯ_ｘ層の上部にさらにＡｌ層を形成して、フォトンの入射によって生じる２次電子を増幅するトラップ層を構成するようにしてもよい。

本実施の形態によるフォトン検出器３１は、ＳＴＪ素子３２が、基板３３の表面に矩形状に窪んで形成された穴３３ａに、埋め込まれて形成されている。そして、ＳＴＪ素子３２を構成する上部電極３６の表面と基板３３の表面とが面一に形成されている。また、下部電極３４の一部が穴３３ａに露出して形成されている。基板３３の左上方表面には、下部電極３４を配線するＮｂからなる下部電極用配線層３８が、穴３３ａに露出する下部電極３４の一部に接触して、６５０ｎｍの厚さに形成されている。また、基板３３の右上方表面には、上部電極３６を配線するＮｂからなる上部電極用配線層３７が上部電極３６の表面に接触して、６５０ｎｍの厚さに形成されている。

図６（ａ）〜（ｈ）は、上記の本実施の形態によるＳＴＪを用いたフォトン検出器３１をリフトオフ法を用いて作製するプロセスを示す断面図である。なお、同図において図５と同一部分には同一符号を付して説明する。

フォトン検出器３１の作製にあたり、最初に、基板３３上にリフトオフ用のフォトレジスト４１を形成し、このフォトレジスト４１をマスクとするエッチングにより、基板３３に穴３３ａを形成する（図６（ａ）参照）。次に、基板３３およびフォトレジスト４１上に、下部電極３４となるＮｂ層４２、トンネルバリアを含む層３５となるＡｌ−ＡｌＯ_ｘ層４３、および上部電極３６となるＮｂ層４４を積層する（同図（ｂ）参照）。次に、フォトレジスト４１をリフトオフして下部電極３４を形成する（同図（ｃ）参照）。引き続き、上部電極加工用のフォトレジスト４５を形成し（同図（ｄ）参照）、フォトレジスト４５をマスクとするエッチングによりトンネルバリアを含む層３５および上部電極３６を形成する（同図（ｅ）参照）。

次に、配線層形成用のフォトレジスト４６を形成し（同図（ｆ）参照）、配線層４７を堆積する（同図（ｇ）参照）。その後、フォトレジスト４６をリフトオフして上部電極用配線層３７および下部電極用配線層３８を形成し（同図（ｈ）参照）、フォトン検出器３１の作製を完成させる。

なお、上記の作製プロセスにおいて、薄膜の堆積にはスパッタ法を、加工にはフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とを用いた。また、ここではリフトオフ法によってフォトン検出器３１を作製する場合について説明しているが、リフトオフ法を用いずにエッチング法によっても同様にしてフォトン検出器３１を作製することが出来る。

図７は、上記のプロセスに従って作製したフォトン検出器３１の顕微鏡写真を模した平面図である。なお、同図において図５と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

同図に示されるように、基板３３にあけられた穴３３ａに下部電極３４が一部露出している。また、上部電極用配線層３７が上部電極３６の表面に接触して形成され、下部電極用配線層３８が、穴３３ａに露出する下部電極３４の一部に接触して形成されている。穴３３ａの面積すなわちＳＴＪ素子３２の面積は５０μｍ×５０μｍである。また、上部電極３６の表面と基板３３の表面との間における段差をＳＴＪ素子３２の端で触針式段差計で観測した結果、平坦であることが確認された。つまり、上部電極３６の表面と基板３３の表面とが面一であることが確認された。

作製したフォトン検出器３１を評価するため、液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）においてＳＴＪ素子３２の電流電圧特性を測定した。

図８は、この測定結果を示すグラフである。同グラフの横軸は電圧、縦軸は電流を表す。同グラフに示されるように、電圧印加初期時における電流の立ち上がり特性には電圧の増加に対して強い非線形性が現れている。つまり、測定された電流電圧特性にはＳＴＪ特有の特性が現れており、フォトン検出器３１の上記の作製方法について、その有効性を確認できた。

従来のＳＴＪを用いた図２や図４（ｋ）に示すフォトン検出器１１では、上部電極１６が基板１３の表面から下部電極１４およびトンネルバリアを含む層１５の厚さ分離れた高さにあり、上部電極１６に接触する配線層１８を形成するのには、ＳＴＪ素子１２を覆う層間絶縁膜１７および上部電極１６を露出させるコンタクトホール１９が必要とされた。しかし、本実施の形態によるＳＴＪを用いたフォトン検出器３１によれば、ＳＴＪ素子３２が基板３３の表面に窪んで形成された穴３３ａに埋め込まれて形成されることで、上部電極３６の基板表面からの高さを下部電極３４およびトンネルバリアを含む層３５の厚さ分以上低くすることが出来る。従って、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成すること無く、上部電極３６に接触する配線層３７を基板表面に形成することが出来る。このため、層間絶縁膜１７およびコンタクトホール１９を形成する従来の作製プロセス、および層間絶縁膜作製用の装置が不要になり、ＳＴＪを用いたフォトン検出器３１の作製プロセスおよび作製装置は大幅に簡略化される。この結果、作製の歩留まりは向上し、作製コストは削減される。

また、層間絶縁膜を作製しないので、従来の、層間絶縁膜１７へのコンタクトホール１９の形成や層間絶縁膜１７上への配線層２８の堆積により、ＳＴＪ素子３２に悪影響が与えられることがなく、フォトン検出器としての特性が劣化することは無い。この結果、検出器特性の歩留まりは大幅に向上する。また、基板３３上に突出すること無くＳＴＪ素子３２を形成することが出来るため、このＳＴＪ素子３２から構成されるフォトン検出器３１上にさらに他の素子、例えば超伝導素子などを立体的に積層して、様々な超伝導素子などを容易に３次元実装することが出来る。このため、超伝導集積回路などの集積度を容易に高めることが可能となり、また、ＳＴＪを用いたフォトン検出器３１のアレイ化を容易に行える。

また、本実施の形態によるＳＴＪを用いたフォトン検出器３１では、ＳＴＪ素子３２の上部電極３６の表面と基板３３の表面とが同一の高さになるので、ＳＴＪ素子３２と基板３３の表面との間に段差が生じ無くなる。このため、ＳＴＪ素子３２上に積層する各種の層を平坦に形成することが出来、ＳＴＪ素子３２上に他の素子を立体的にさらに形成し易くなる。なお、ＳＴＪ素子３２の上部電極３６の表面と基板３３の表面とは、同一でなく、ほぼ同一の高さでも、同様な作用効果が奏される。

また、上部電極３６の表面を、上部電極３６の厚さ分まで基板３３の表面より高くして形成しても、また、基板３３の表面より低く形成しても、層間絶縁膜およびコンタクトホールを形成すること無く、上部電極３６に接触する配線層３７を基板表面に形成することが出来る。このため、平坦性は低下するが、このような構成によっても、本実施の形態と同様な作用効果が奏される。

また、本実施の形態によるＳＴＪを用いたフォトン検出器３１では、下部電極３４を配線する配線層３８および上部電極３６を配線する配線層３７は、層間絶縁膜を形成すること無く、共に基板３３の表面側に形成される。このため、基板３３の片面実装に適したＳＴＪを用いたフォトン検出器３１が提供される。

なお、上記の実施の形態では、上記のように、下部電極用配線層３８および上部電極用配線層３７の双方を基板３３の表面側に形成した場合について説明したが、下部電極用配線層３８を図９の断面図に示すように、基板３３の裏面側に形成するようにしてもよい。なお、同図において図５と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

この変形例によるＳＴＪを用いたフォトン検出器５１では、下部電極３４ａ、トンネルバリアを含む層３５および上部電極３６が同じ面積に形成されており、基板３３に矩形状にあけられた穴３３ｂに隙間無くＳＴＪ素子３２ａが埋め込まれて形成されている。また、基板３３の裏面には、下部電極３４ａに通じる貫通孔５２が円筒状に形成されている。この貫通孔５２には、導電材料が充填されて、または、その円筒内周部に導電材料がメッキ処理されて、図示しない貫通電極が形成される。また、基板３３とは別個に配線用基板５３が用意され、配線用基板５３の表面に下部電極３４ａを配線する配線層３８ａが形成される。配線用基板５３は、配線層３８ａの端部が貫通孔５２に形成される貫通電極に接触するように、基板３３の裏面に貼り合わされる。このため、配線用基板５３の表面に形成された下部電極用配線層３８ａは、貫通孔５２を介して下部電極３４ａに接触して、基板３３の裏面側に形成される。

上部電極３６を配線する配線層３７は、図５に示すフォトン検出器３１と同様に、上部電極３６の表面に接触して基板３３の表面側に形成される。また、本変形例では、ＳＴＪ素子３２ａが形成された基板３３の表面に、検出対象とするフォトンの種類に応じた材料および厚さからなる吸収層５４が形成される。なお、ここでは吸収層５４が絶縁材料から成り、配線層３７に接触して形成されている場合を図示しているが、吸収層５４が金属等の導電材料から成る場合には、配線層３７は必要なく、吸収層５４を配線層３７の代わりとして置き換え、吸収層５４によって上部電極３６を配線するように構成してもよい。

本変形例によれば、上記のように、下部電極３４ａを配線する配線層３８ａは、基板３３の裏面に形成された貫通孔５２を介して下部電極３４ａに接触して基板３３の裏面側に、上部電極３６を配線する配線層３７は、上部電極３６の表面に接触して基板３３の表面側に、層間絶縁膜を形成すること無く形成される。従って、基板３３の表面側には上部電極３６を配線する配線層３７だけが形成され、ＳＴＪ素子３２ａは、図５に示すように下部電極３４を配線する配線層３８に覆われていた分、多く、基板３３の表面に露出する。このため、フォトン検出面積が増大し、フォトン検出感度の高いＳＴＪを用いたフォトン検出器５１が提供される。

また、本変形例によれば、従来のように、上部電極１６の直上にある層間絶縁膜１７ａ（図４（ｋ）参照）を除去して吸収層を形成する作製プロセスを必要とすること無く、様々な材料および様々な厚さの吸収層５４を容易にＳＴＪ素子３２ａ上に形成することが出来る。従って、様々な材料および様々な厚さの吸収層５４をＳＴＪ素子３２ａ上に形成することで、検出対象とするフォトンの種類を容易に様々に換えることが出来る。このため、広エネルギー帯域のフォトンを検出効率高く測定することが可能なＳＴＪを用いたフォトン検出器５１が容易に提供される。

図１０（ａ）は、図９に示すフォトン検出器５１をアレイ化した基板３３の断面図、同図（ｂ）はその平面図である。なお、同図において図９と同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。

この基板３３の裏面には、下部電極用配線層３８ａが所定パターンで形成された配線用基板５３が貼り合わされ、各下部電極３４ａが配線層３８ａによって配線される。また、各上部電極３６は上部電極用配線層３７によって接続されて、配線されている。

このようにフォトン検出器５１をアレイ化することで、フォトン検出面積は広大になり、フォトン検出効率は極めて高くなる。また、入射するフォトンの位置を各ＳＴＪ素子３２ａによって検知することが出来るので、イメージング（画像化）にも適用することが出来る。

なお、図５に示すフォトン検出器３１においても、図９および図１０に示すフォトン検出器５１と同様に、様々な材料および様々な厚さの吸収層５４を基板３３上に形成することで、検出対象とするフォトンの種類を容易に様々に換えることが出来る。

また、上記の実施の形態および変形例においては、下部電極３４，３４ａおよび上部電極３６を形成する超伝導体がＮｂ、トンネルバリアを形成する絶縁体がＡｌＯ_ｘからなる場合について説明したが、超伝導体や絶縁体の材料はこれに限定されることはない。例えば、超伝導体としてＴａ，Ａｌなど、絶縁体としてＭｇＯ，ＡｌＮなどを用いてもよく、これらの材料を用いた場合においても、上記の実施の形態および変形例と同様な作用効果が奏される。

本実施の形態のＳＴＪを用いたフォトン検出器３１，５１は、前述したように優れたエネルギー分解能を有するため、Ｘ線の回折結果を解析して結晶内部で原子がどのように配列しているかなどの組成分析をするＸ線回折(ＸＲＤ：X-Ray Diffraction)に用いることができる。つまり、Ｘ線を結晶に照射すると、ブラッグの法則を満たした方向にのみＸ線が回折されるが、この回折結果生じる、結晶構造を反映したパターンの検出に、フォトン検出器３１，５１を用いることができる。

また、エネルギー分散型Ｘ線分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）装置にも、用いることができる。つまり、電子線やＸ線などの一次線を物体に照射した際に発生する特性Ｘ線もしくは蛍光Ｘ線をフォトン検出器３１，５１にて検出し、そのエネルギーと強度から、物体を構成する元素と濃度を調べることができる。従って、例えば、半導体製造工場で、薄膜中に含まれる不純物を特定することができ、元素のスクリーニングをすることができる。このスクリーニング結果を半導体製造ラインへフィードバックすることで、半導体製造の生産性と信頼性を向上させることができる。

また、未知の天体から飛来する光や宇宙線のエネルギースペクトルを観測したり、医学分野でのレントゲン撮影などにも用いることができ、工学、理学、医学などの幅広い分野で利用することができる。

３１、５１…フォトン検出器
３２、３２ａ…ＳＴＪ（超伝導トンネル接合）素子
３３…基板
３３ａ、３３ｂ…穴
３４、３４ａ…下部電極
３５…トンネルバリアを含む層
３６…上部電極
３７…上部電極用配線層
３８，３８ａ…下部電極用配線層
５２…貫通孔
５３…配線用基板
５４…吸収層

Claims

超伝導体からなる下部電極、絶縁体からなるトンネルバリア、および超伝導体からなる上部電極が基板上に積層されて構成される超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器において、
前記下部電極、前記トンネルバリア、および前記上部電極から構成される超伝導トンネル接合素子が、前記基板の表面に窪んで形成された穴に埋め込まれて形成され、前記上部電極の表面と前記基板の表面との高低差が前記上部電極の厚さ分の範囲内に設定されていることを特徴とする超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。
前記上部電極の表面と前記基板の表面とが面一またはほぼ面一に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。
前記下部電極はその一部が前記穴に露出して形成され、前記下部電極を配線する配線層は前記穴に露出する前記下部電極の一部に接触して前記基板の表面側に形成され、前記上部電極を配線する配線層は前記上部電極の表面に接触して前記基板の表面側に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。
前記基板の裏面から前記下部電極に通じる貫通孔が形成され、前記下部電極を配線する配線層は前記貫通孔を介して前記下部電極に接触して前記基板の裏面側に形成され、前記上部電極を配線する配線層は前記上部電極の表面に接触して前記基板の表面側に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。
前記超伝導トンネル接合素子が形成された前記基板の表面に検出対象とするフォトンの種類に応じた材料および厚さからなる吸収層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超伝導トンネル接合を用いたフォトン検出器。