アルミ超伝導トンネル接合素子(AL-STJ)
を用いたCMB偏光カメラの開発
-エネルギーギャップとアルミの
厚さの相関、最適化-
1
総研大、高エ研A、岡山大B、理研C
渡辺広記○、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、美馬覚B、石野宏和B、樹林
敦子B、佐藤広海C、有吉誠一郎C、大谷知行C、
他KEK測定器開発室:超伝導ミリ波カメラ開発グループ
目次
研究背景
 STJのデザイン
 Alに対するNbの近接効果
 STJの作成
 STJの測定方法(IV測定)
 まとめ、今後の予定

2
研究背景


現在我々はB-modeの精密
測定を目的とした小型衛星
LiteBIRDを計画している
LiteBIRDでは60~
250GHz(Energy Gap
2Δ≦120GHz)の検出器を
搭載予定。この範囲をカ
バーする検出器が要求され
る
3
波長10mm
波長 1mm
超伝導体の選択
エネルギーギャップ2Δ(0Kのとき)と超伝導転移温度Tcの関係式
2Δ(0K)=3.528kTc
Alのフォトン検出とビデオ検出で、40GHz以上
のほぼ全域をカバーできる可能性あり。
4
4
AL-STJのデザイン
–
デザイン


ログペリアンテナ
Parallel connected
twin junctions
–
λ/4
–
L
素材

配線
w
1



アンテナ(Nb)
STJを二つ以上並べて
共振回路を作る

■基盤:サファイア、Si
■アンテナ・伝送線:Nb
■ STJ:Al/AlOx/Al
■層間絶縁膜:SiO2
5
■バッファー:Al2O3
5
Alに対するNbの近接効果
現在のデザインではJunction周辺の構造は
Nb/Al/AlOx/Al/Nbとなっている。
 Al膜厚が薄いとNbによる影響で2Δが大きくなる(近接効果)

Nb
Al
AlOx
Al
D
Nb
D
6
A.Zehnder, Ph. Lerch, S.P. Zhao, Th.Nussbaumer,E. Kirk and
H.R.Ott:Phys. Rev. B 59, 8875, (1999)
作成したSTJ

デザイン


素子のサイズ


50GHz,150GHz,400GHz
5×5mm
アルミの膜厚

5,15,30nmの3種類
7
150GHz×4
STJの測定
~I-V測定~
8
0.3K冷凍機への素子のセッティング
超伝導コイル
STJ
はんだ付け&基盤をセット
0.3Kステージ
4Kステージ
9
0.3K冷凍機
I-V測定=SIS構造がうまく出来ていることのチェック
R
Vin = V + IR
B
V
I
I
Vin
I
V
V
2D
磁場無
トンネルバリアをクーパー対が
抜けられる(直流ジョセフソン効果)
磁場有
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
10
IVカーブの例
デザインLA03
 Al膜厚~5nm

磁場無し
磁場有り
11
ギャップ 2Δ=1.1mV
~2.2mV
リーク電流の評価(0.32, 0.47, 0.52K)
←この式と比較
単位面積(1mm2)あたりのリーク電流@0.1mV
102
リーク電流 [nA/mm2]
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
0
0.2
0.4
0.6
温度 [K]
0.8
12
1.0
1.2
計算に乗ると、
~[email protected]
12
測定結果
アルミの厚さとエネルギーギャップ2Δ
1.6
1.4
2Δ(mV)
1.2
1
0.8
測定値
0.6
文献値
0.4
2Δ=500μV
120GHz相当
0.2
0
0
20
40
60
80
100
アルミの膜厚(nm)
アルミの膜厚
5
15
30
2Δ(mV)
1.1
0.95
0.8
対応周波数(GHz)
266
230
193
13
まとめ、今後の予定

まとめ
リークカレントについては飽和の兆しがあるので、0.3Kよりさ
らに低温での測定が必要である
 作成したAl-STJのエネルギーギャップ2ΔについてはNbに
よる近接効果による影響がみられた


今後の予定
エネルギーギャップの測定値と文献値に開きがある原因を
明らかにする
 Alの膜厚が厚い(~80nmなど)素子を作成し測定
→2Δ≦120GHzを目指す
 Nbによる近接効果をなくすために新しいデザインの検討

14
BACK UP
15
ビデオ検出器の原理と性能




検出器の性能は、感度(S)、雑音(N)、NEP(
Noise Equivalent Power)で表される。
S = η・e/hν [A/W]
N = √2eI0 [A/√Hz]
NEP=N/S [W/√Hz]
η :量子効率
I0:リーク電流
STJ(Superconducting Tunnel Junction)
• ジョセフソン素子
超伝導体(S)-絶縁体(I)-超伝導体(S)(SIS素子)
超伝導体(S)
薄い絶縁体(I)~1.5nm
超伝導体(S)
17
STJアレイ検出器
・量子力学的トンネル効果
・NEP≈(2-4)x10-19 W/√Hz
・大ダイナミックレンジ(>70dB
・温度変化に対して安定
18
全体のデザイン
STJ
STJ
–
伝送線
デザイン
– ログペリアンテナ
– Parallel connected twin
junctions
C1
– STJを二つ以上並べて共
振回路を作る
λ/4
–
L
w2
w1
配線
t
1
h
アンテナ(Nb)
t2
素材
–
–
–
–
■基盤:サファイア、Si
■アンテナ・伝送線:Nb
■ STJ:Al/AlOx/Al
■層間絶縁膜:SiO2
19
共振周波数にあう
LのL1とC1を求める
伝送線
Zstj=(1/R2+(ωC)2)1/2
C1
Z strip 
λ/4
L
w2
w1
配線
t1
h
アンテナ(Nb)
L1
C1
反射の無いように
インピーダンスマッチ
を行ったデザインをしている
t2
20
動作原理
エネルギー準位
クーパー対
エネルギーギャップ
Egap  2D
D
D
超伝導体(S)
超伝導体(S)
薄い絶縁体
~1.5nm
エネルギーEγ
光子
フォトン・アシスト・トンネル効果
21
動作原理
エネルギー準位
エネルギーEγ
光子
①クーパー対解離
エネルギーギャップ
Egap  2D
D
D
クーパー対
超伝導体(S)
超伝導体(S)
薄い絶縁体
~1.5nm
光子
②フォトン・アシスト・トンネル効果
①Eγ>2Δの光子を検出できるクーパー対解離
②Eγ<2Δの光子も検出できるビデオ検出
22
研究背景


Foreground(雑音)を理解
したい
90GHz付近でBモードに対
するS/Nが最小になる。この
部分を精密に測定したい
40~260GHzを単一技術で検
出できるセンサーがほしい
STJ
波長10mm
波長 1mm
23
研究背景


現在KEK CMB Groupでは
CMBのB-modeの精密測定を
目的とした小型衛星Lite
BIRDを計画している
Lite BIRDでは60~250GHz
をカバーする検出器が要求さ
れる
Al-STJ
AL-STJのデザイン
–
デザイン


ログペリアンテナ
Parallel connected
twin junctions
–
λ/4
–
L
素材

配線
w
1



アンテナ(Nb)
STJを二つ以上並べて
共振回路を作る

■基盤:サファイア、Si
■アンテナ・伝送線:Nb
■ STJ:Al/AlOx/Al
■層間絶縁膜:SiO2
25
■バッファー:Al2O3
25
Alに対するNbの近接効果
Al膜厚が薄いとNbによる影響で2Δが大きくなる(近接効果)
 現在のデザインではJunction周辺の構造は
Nb/Al/AlOx/Al/Nbとなっている。

4μm
Nb
Al
Al
AlOx
Al
Al
Nb
Nb
7μm
実際の構造
26
A.Zehnder, Ph. Lerch, S.P. Zhao, Th.Nussbaumer,E. Kirk and
H.R.Ott:Phys. Rev. B 59, 8875, (1999)
アルミの厚さ30nm
2Δ=950μV
アルミの厚さ10nm
2Δ=1.1mV
アルミの厚さ60nm
2Δ=800μV
研究背景



CMBのB-mode偏光
我々 CMB Groupでは
CMBのB-mode偏光測定を
通した原始重力波の発見を
目的としている
Foreground(雑音)を理解
したい
90GHz付近でBモードに対
するS/Nが最小になる。この
部分を精密に測定したい
28
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PPT - KEK