@misc{oai:ir.soken.ac.jp:00000420,
author = {有吉, 誠一郎 and アリヨシ, セイイチロウ and ARIYOSHI, Seiichiro},
month = {2016-02-17},
note = {［0] 本研究の背景と目的
電波領域で最も周波数の高いバンドであるサブミリ波帯（1mm～100μm、周波数300GHz～3THz）は、初期宇宙における銀河の爆発的星形成領域の星間塵（ダスト）から放射された強力かつ赤方偏移した連続波放射の重要な観測波長帯であり、原始銀河探査や銀河形成・進化の解明のための新しいプローブとして期待される。銀河形成・進化の解明には、赤方偏移が1を超えるような爆発的星形成（スターバースト）銀河を広域探査し、初期宇宙の各年代に対する個数密度を統計的に明らかにする必要がある。この目的には、遠方スターバースト銀河のもっとも強い放射波長域であるサブミリ波帯での広範囲観測が極めて有効である。そこで、このような広域サーベイ観測を実現する超高感度検出器として超伝導トンネル接合素子（superconducting Tunnel Junction，STJ）を用いた次世代型サブミリ波帯フォトン検出器の研究開発に取り組んできた。この検出器の大規模撮像アレイ化（～1000画素）により、スターバースト銀河の個数密度の赤方偏移依存症を観測的に明らかにし、銀河、銀河内の星、銀河中心核の巨大なブラックホールなどの形成・進化の歴史を明らかにすることが本研究の最終目標である。
このような検出器開発のために、［1]サブミリ波直接検出器の実現可能性の検討と検出器の設計、［2]プロトタイプ検出器の開発と作成、［3]サブミリ波直接検出器の性能評価、を行った。
［1] サブミリ波直接検出器の実現可能性の検討と検出器の設計
まず、英国Oxford Instruments社製の接合サイズ3-50μmの超微小STJ素子を用いて、0.3Kという極低温での漏れ電流やノイズ特性等の実験室評価を行った。また、STJ素子の高精度かつ安定な動作の実現のために、微小漏れ電流に対応した読み出し回路の設計・製作や冷却型の電界効果トランジスタ（FET）の採用、外部干渉の低減、磁気シールドの導入等、測定系最適化の検討を行った。その結果、「雑音等価電力（NEP）×量子効率」にして10-18W/√Hzという極めて高感度で低雑音という性能が実現可能であることを世界で初めて実験的に実証し、STJ素子を用いた直接検出器がサブミリ連続波の超高感度観測に応用可能であることを示した。この結果を踏まえ、天文観測地である南米チリ・アタカマ大地での大気透過率に合致することを想定し、検出器感度の中心周波数650GHz (450μm）、比帯域幅10％の検出器の設計を行った。特に、検出器感度の広帯域化のためにSTJ素子を複数個並列配置した分散型接合の概念を採用した。また、将来の大規模イメージングアレイ化を考慮し、平面アンテナを用いた準光学的カップリング方式を採用した。
［2] プロトタイプ検出器の開発と作成
[1]の設計に基づき、国立天文台と理研との共同研究のもと、理研の超伝導薄膜作成専用プロセスラインを利用したサブミリ波用STJ検出器の作成を新規に開始した。検出器1画素は、二オブ（Nb）超伝導体の対数周期型平面アンテナと、6個並列を2個直列配置したSTJ素子をインピーダンス変換マイクロストリップ線路でブリッジした構造を持つ。STJ素子の膜構造はNb/Al/A1Ox/A1/Nbで、NbとAl超伝導体で薄いAlOx絶縁層（約1.5mm）を挟んでいる。
サブミリ波直接検出の実現のために新規に必要なSTJ素子単体の作成技術は以下の4点である。「(1)素子サイズが2-3μmφと微小であること」、「(2)クーパー対のトンネル電流の最大値（臨界電流密度）が約1000A/cm2と高いこと」、「(3)単一準粒子（励起電子）のトンネル電流の最小値（漏れ電流）が約0.1pA/μm2（10μA/cm2）と低いこと」、「(4)多素子化のために(1)～(3)を満たすSTJ素子が高い再現性で作製できること」である。 上記4項目のうち、(3)に示したような圧倒的に質の高いトンネル障壁は(1)(2)とは相反する要求であり、これらを両立させる技術は未開発であった。(1)～(4)の実現にあたって考慮した項目は、「素子縁端部からの電流の流れ」と「接合面全体に分布するミクロな膜不良による上下電極のマイクロショート」である。まず、「縁端部からの漏れ」の解決のために、素子縁端部の電気的絶縁方法を従来の“酸素プラズマによる酸化法”のかわりに“特殊電解液による酸化法（陽極酸化法）”を新規に導入した。また、「マイクロショート」の解決を目的として、生膜装置のスパッタ電圧やプラズマガス圧に対する膜応力依存性を調べて写真を撮り、きわめて膜質の平坦性が高いことを確認した。
以上により、サブミリ波検出器用途のSTJ素子を90％以上という高い歩留まりで作成することに成功した。
［3] サブミリ波直接検出器の性能評価
［2]の結果を経て、STJ検出器を作成し440GHz帯の直接検出を実験的に示した。
現在は、検出器1画素の実験室での定量的評価（周波数感度特性、ノイズ特性、検出効率、線形性、読み出し時定数、ビームパターン等）をほぼ完結した。
まず、周波数感度特性に関しては、南米チリのASTE (Atacama submillimeter Telescope Experument) 観測サイトの大気透過窓に合致した650GHz (450μm）帯STJ検出器による直接検出を実現した。読み出し時定数、ビームパターン（F=2）は、設計値と極めてよく一致した測定結果を得た。また、検出効率の測定値は0.2-0.3程度であり、検出器の電流感度に換算して～50A/Wに相当する。この値は理論値(370A/W）に比べて1/2～1/3倍低い値になっており、この原因を究明するために数値解析を行った。その結果、STJ素子のトンネル障壁の臨界電流密度をさらに2倍程度高くすることによって検出効率の向上が期待できることを示した。検出器自身から発生するノイズ特性は、検出器を構成するSTJ素子の極めて低い漏れ電流に起因した10FA/√Hzという低いショットノイズ特性をもつことを実験的に示した。この低ノイズレベルと検出効率の測定により、雑音透過電力（NEP）にして10-16W/√Hzという高い検出性能を実証した。
本研究成果は、サブミリ波帯での大規模イメージング実現を目指した次世代型検出器が・地上天文観測に応用可能なレベルに達したことを示すものであり、ASTE10m望遠鏡に搭載する新観測装置として、「サブミリ波カメラ」の実現性が飛躍的に向上した。
また、本研究成果によって、産業応用を目指したTHz（テラヘルツ）帯イメージングシステムの開発プロジェクトが理研でスタートした。THz工はプラスチックや紙、木材、骨、乾燥食品等には透過し、金属や水分には不透明の特性をもつ。この特性を生かした皮膚がんの早期発見や半導体基盤の欠陥検査、乾燥食品の非破壊検査、DNAやたんぱく質の生体内構造解析等、その応用範囲は産業界全体に広く波及すると期待される。, application/pdf, 総研大甲第754号},
title = {Submillimeter-wave Direct Detectors with Nb-based Superconducting Tunnel Junctions},
year = {}
}