ミリ波検出にむけた超伝導トンネル接合素子検出器(STJ)の開発研究 高エ研，理研A，東工大B 後田裕，住澤一高，○田島治，羽澄昌史， 樋口岳雄，吉田光宏，佐藤広海A，石野宏和B， 他 測定器開発室：超電導ミリ波カメラ開発グループ

邪魔者(foreground)を理解しつつ なぜミリ波を検出したいのか？ 建前上色々な目標はあるが… 当たれば一番でかい目標は、Bモードと呼ばれる宇宙背景輻射の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をしたい） 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 30~300GHz(0.1~1.2meV,波長1~10mm) に感度のある精密センサーがほしい!! 波長10mm 波長 1mm Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

ギャップエネルギーEgap(=2D)以上の STJの原理 photon検出 超伝導(S) 酸化膜(I) 超伝導(S) エネルギー順位 ギャップエネルギーEgap(=2D)以上の エネルギー損失を検出できる Egap × S I S Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

STJの原理 photon検出 アンテナ読み出し（ビデオ検出） 超伝導(S) 超伝導(S) 酸化膜(I) 超伝導(S) 超伝導(S) V アンテナ エネルギー順位 エネルギー順位 1/2Egap ~Egap Egap S I S S I S Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

photon検出用のAlとTa/AlのSTJを試作して性能評価した 超伝導体の選定 ノイズ a eAT なので、 1/10TC程度まで冷却する事が望ましい (I-V測定などは1/4TC程度でも可能) TC (K) Egap (meV) 検出可能な帯域 (GHz) ビデオ検出 （アンテナ併用） photon検出 Nb 9.23 3.1 375 ~ 750 750 ~ Ta 4.93 1.4 170 ~ 340 340 ~ Al 1.196 0.34 40 ~ 80 80 ~ Hf 0.165 0.04 5 ~ 10 10 ~ Nb : ほしい帯域の外側 Al : ほしい帯域をカバー Ta Ta/Al : 近接効果による 　　　　　　帯域変化を期待 photon検出用のAlとTa/AlのSTJを試作して性能評価した Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

STJの試作 : 理研（和光）にて Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

Al-STJ (製作 May, 2007) S I S S I S 今回はチップサイズ 100x100 um2 50x50 um2 のみ評価 30Torr x 1hour (2~3nm) 50 nm I S Ta/Al-STJ (製作 Aug, 2007) S I S 今回はチップサイズ 100x100 um2 50x50 um2 のみ評価 Nbを敷かないとTaを スパッターできない Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

I-V測定SIS構造が出来ている事のチェック Egap以上の電圧になって はじめて電流が流れる (実際にはEgap未満でもリーク電流がある) V -Egap +Egap エネルギー順位 エネルギー順位 Egap Egap × S I S S I S Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

これまで６チップ試験したうち、４チップが正常なI-V特性 I-V測定 : Al-STJ I V V -Egap +Egap -Egap +Egap SISのSとSがショートしている Al-STJ : 良好なもの (Ileak=650nA@0.2mV) Al-STJ : 不良チップ これまで６チップ試験したうち、４チップが正常なI-V特性 Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

I-V測定 : Ta/Al-STJ 青枠の部分の拡大図 9チップx15STJ = 135 STJ のI-V特性を評価した 良好なものもあれば (Ileak=10nA@0.2mV) I V ダメなものもある (Ileak=10,000nA@0.2mV) -Egap +Egap 青枠の部分の拡大図 が、明らかなショートは2/135のみ その他ボンディングの失敗16/135 Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

単位面積あたりのリーク電流(10-7A/um2) I-V測定 : Ta/Al-STJ 単位面積あたりのリーク電流(10-7A/um2) 顕著な場所依存性はない : 0.1~0.2 x10-7A/um2 Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

X線に対するレスポンス : Ta/Al-STJ 55Fe　(4.7GBq) Ka: 5.9keV Kb: 6.5keV 400mK程度まで冷却 Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

Ta/Al-STJが放射線検出器として動作した！！ X線照射試験結果 その１ (100x100um2) raw signal shaper output Ｋα(5.9KeV) tailは生成される 電子のleakage Counts/bin Ｋβ(6.5KeV) (ch) Ta/Al-STJが放射線検出器として動作した！！ Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

50DS-1 Ta/Al-STJ X線照射試験結果 その2 (50x50um2) preamp out ２V IB=0.1110A VB=-0.655V raw signal shaper output Counts/bin Ｋα escape events? Ｋβ (ch) Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

Ta/Al-STJ X線照射試験結果 その3 (100x100um2) 100GA-1 preamp out 0.2V IB=0.217A VB=-0.942V raw signal shaper output KaとKb? 上と下の超伝導体の信号？ Counts/bin Ta/Al-STJが放射線検出器として動作したが、 チップ毎にレスポンスが違うので、 理由を突き止めて、同一レスポンスの素子を 安定に量産することも今後の課題のひとつ (ch) Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

まとめと今後の予定 STJを使ったミリ波(30~300GHz, 0.1~1.2meV)測定器の開発 Al-STJ, Ta/Al-STJをそれぞれ試作 SISのI-V特性を確認 出来具合に大きなムラはないことを確認(Ta/Al-STJ) X線照射試験 Ta/Al-STJが放射線検出器として動作することを確認 チップ毎に異なるレスポンスの理解など課題はまだまだ多い 100GHzの発振器を使ったミリ波照射試験(Al-STJ) アンテナ併用のSTJの設計・製作 Al-STJ ~40GHz, Ta/Al-STJ ~100GHz 程度まで検出閾値を下げる 膜厚や大きさなどのパラメーター依存性を泥臭く調べる 低ノイズの実現 : NEP<10-17W/(Hz)1/2 多チャンネルの実現 ~1,000 ch １年後のTIPP’09 (Mar.12-17,2009 Tsukuba)で 「STJを使ったミリ波カメラ」などというタイトルで 華々しく成果発表できたらいいな Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

バックアップ Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

STJの原理 photon検出 アンテナ読み出し（ビデオ検出） 超伝導(S) 超伝導(S) 酸化膜(I) 超伝導(S) 超伝導(S) V アンテナ エネルギー順位 エネルギー順位 1/2Egap ~Egap Egap S I S S I S Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

I-V測定SIS構造が出来ている事のチェック Egap以上の電圧になって はじめて電流が流れる (実際にはEgap未満でもリーク電流がある) V -Egap +Egap エネルギー順位 エネルギー順位 Egap Egap × S I S S I S Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

ミリ波検出器 TESとか Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

超伝導体の選別 ３０～３００GHz帯を カバーすることが目標 ADR (0.05K, ~3千万) アンテナ併用で 可能な測定領域 He3冷凍器 (0.3K, ~千万) 動作条件 ~1/10 Tc (I-Vだけなら1/4Tc程度) 組合わせると近接効果により両方（間か？） の領域をカバーできる（と期待） R&D項目のひとつ Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

Ta/Al-STJが放射線検出器として動作した！！ X線照射試験結果 その１ (100x100um2) raw signal shaper output Ｋα(5.9KeV) オーバーシュートの成分 tailは生成される 電子のleakage？ Counts/bin Ｋβ(6.5KeV) (ch) Ta/Al-STJが放射線検出器として動作した！！ Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究

50DS-1 Ta/Al-STJ X線照射試験結果 その2 (50x50um2) preamp out ２V IB=0.1110A VB=-0.655V raw signal shaper output pulse generator  R.O. resolution Ｋα escape events? Ｋβ Mar. 26, 2008 ミリ波検出にむけたSTJの開発研究