STJ - KEK

CMBカメラ開発における
アルミ超伝導トンネル接合素子
（STJ）の基礎特性評価
岡山大，高エ研A，理研B
美馬覚○，石野宏和，樹林敦子，羽澄昌史A，住澤一高A，
樋口岳雄A，吉田光宏A，田島治A，佐藤伸明A，佐藤広海B，
他 ＫＥＫ測定器開発室：超伝導ミリ波カメラ開発グループ
アウトライン
1.
2.
3.
4.
5.
6.
研究背景
STJ
STJの試作
Ｉ-Ｖ測定
理研からＫＥＫへ移設
まとめと今後
１．研究背景:CMBの偏光観測
„
宇宙マイクロ波背景輻射のＢモード偏光成分の測
定をしたい
…
宇宙のインフレーション起源の原始重力波の間接測定とその研究になる！
邪魔者(foreground)を理解しつつ
~40GHz と ~200GHz
Bモードの測定をしたい
~90GHz付近で最良のS/N
ミリ波帯
Ù30~300GHz(0.1~1.2meV,波長1~10mm)
に高い感度があるセンサーアレイが
ほしい!!
波長10mm
2009/3/27
波長 1mm
2
２．ＳＴＪ：検出原理
Photon検出
酸化膜(I)
ビデオ検出
超伝導(S)
超伝導(S)
超伝導(S)
超伝導(S)
エネルギー順位
V
エネルギー順位
Egap＝２Δ
S
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I
S
S
I
S
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超伝導体の選択
2∆（0K）＝3.528kTc
•Alのフォトン検出とビデオ検出で、30-300GHz
のミリ波帯のほぼ全域をカバーすることが可能
•Alの動作温度(=Tc/10)はおよそ120mK
•テストにはADRか希釈冷凍機が必要
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ＣＭＢカメラデザイン
„
アンテナ付Al-STJのチップのデザイン
理研で光検出の実績
のある、アンテナ接続
Nb/Al-STJのデザイン
を利用
… Al-STJ用に７２ＧＨｚに
最適化したアンテナ用
のマスクを作成
この先にＳＴＪ
を設置
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伝送線
アンテナのデザイン
5
３．Al-STJ試作：和光理研
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Al-STJの構造
„
アンテナ接続STJのサ
イズは7μΦ
… アライナーの位置あわ
せ精度より）
„
„
AlはCF4ガスによる
エッチングで加工（低圧
力で間欠エッチング） Nb wire
SIS構造作成のレジス
トを残したまま、酸素プ
ラズマで素子の側面を
酸化
S
Al
25 nm
I
AlOx
数nm
( 20Torr X 0.5Hour )
S
Al
25 nm
アンテナ（Al）
25 nm
Al2O3
100 nm
シリコン基板
Nb wire
SiO2
Al
(25nm)
Al
(25+25nm)
シリコン基板
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プラズマ酸化
トンネルバリア
酸化：20Torr, 30分
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完成したAl-STJ
アンテナ付STJ（７μΦ）
5mm角のチップが２×４枚
5 mm
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STJ（SIS構造）の確認用
（Ｘ線用100μmのダイヤ型）
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ＴＥＭによるAl-STJの断層写真１
STJ
STJ
Nb wire
Nb wire
TEM観察位置
光学顕微鏡像
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FIB-SIM像
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TEMによるAl-STJの断層写真２
Al
Nb
AlOx
Al
Al2O3
シリコン基板
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４．Ｉ-Ｖ測定（0.3K冷凍機利用）
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I
I-V測定（0.47K）
磁場有り
５⎧A/div
１ｍA/div
１００μｍダイヤ型
５μA/div
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２∆＝３４０μＶ
リーク電流(100μV)
=５μA
Rn=0.3Ω
磁場有り
５０ｎA/div
アンテナ接続φ７μｍ x 2
V
２∆×２＝６５０μＶ
リーク電流（200μV）
＝１５ｎＡ
Rn=0.3Ω
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リーク電流の評価（0.47K,0.52K）
←この式と比較
単位面積（1μm2）あたりのリーク電流＠0.1mV
リーク電流 [nA/μm2]
102
1
10-2
10-4
この素子をさらに低温に
冷却し、どこまで下がる
か調べる
10-6
10-8
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0
0.2
0.4
0.6
温度 [K]
0.8
1.0
1.2
計算に乗ると、
～[email protected]
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理研
５．理研からＫＥＫへ移設
ＫＥＫ
アライナー
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Nb/Al-STJ試作＠KEK
„
„
移設前の2008.09.26
に理研で作成した
Nb/Al-STJと同じレシピ
結果（アンテナ接続
STJ）
… リーク電流＠400μV
„
„
移設後：300nＡ
移設前：120-200nA
→移設前と同じ結果が
得られた。
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５．まとめと今後
„
まとめ
…
…
目的：STJを使ったミリ波(30~300GHz, 0.1~1.2meV)測定器の開
発
Al-STJをアンテナ接続のデザインで試作
Æ
…
„
Ａｌ-ＳＴＪのI-V特性を確認。良いSIS構造のAl-STJが出来た！
KEKでの本格的なSTJ作製開始
今後
…
…
…
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100GHzの発振器を使ったミリ波照射試験(Al-STJ)
低リーク電流を目指し、膜厚や大きさなどのパラメーター
依存性を調査
素子数を増やしてアレイ化したＣＭＢカメラの試作
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バックアップ
多チャンネル化：周波数ドメイン読み出し
Yale大学がRF-STJによる周波数ドメイン読み出しを提唱
IEE Trans. Appl. Superconductivity Vo.17 p.241 (2007)
STJ多チャンネル化へのブレークスルーとなる可能性あり。
周波数ドメインの
多重化
（ラジオみたい）
アンテナ結合
STJ
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リレーを用いた読み出し回路の試作
SPICE シミュレーション
スイッチオン
実機
„
リレーのスイッチを入れ
ることで、インピーダン
スのマッチがとれなくな
り、反射が起こる。
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スイッチオン＆オフ
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アンテナ（A1） 1.6K
１ＫΩ
１ＫΩ
１ＫΩ
リーク電流＠400μV:300nＡ
ギャップ：2.8mV
リーク電流（080926試作A）
：120-200nA
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STJ読み出し回路の試作
„
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STJの代わりにリレー
を使い回路を試作
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Al-STJのI-V測定
V
R
Vin = V + IR
B
I
Vin
2Δ
磁場無
トンネルバリアをクーパー対
が抜けられる(ジョセフソン効果)
V
I
I
I
V
V
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磁場有（理想的）
トンネルバリアに磁力線が
入り込むためクーパー対が
通れない
磁場有（実際）
実際はリークカレントがある
トンネルバリアが不完全
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