CMBカメラ開発における アルミ超伝導トンネル結合素子（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，佐藤広海B， 他 測定器開発室：超電導ミリ波カメラ開発グループ アウトライン 研究背景 ＳＴＪの原理 STJの試作 STJの評価：I-V測定 まとめ 2008/09/20
邪魔者(foreground)を理解しつつ １．背景:CMBの偏光観測 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 2008/09/20
ギャップエネルギーEgap(=2D)以上の ２．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 2008/09/20
２．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 2008/09/20
超伝導体の選択 AlとAl/Taのビデオ検出で、50-300GHzのほぼ全域をカバーできる可能性あり。 Alの動作温度(=Tc/10)はおよそ120mK。ADR冷凍機でテストできる。 2008/09/20
３．STJの試作 : 理研（和光）にて 2008/09/20
ミリ波検出用のアンテナのデザイン 理研ではＮｂでアンテナを用いた光検出器の実績がすでにある Al-STJ用に７２ＧＨｚに最適化したアンテナ用のマスクを作成 アンテナ付Al-STJのチップのデザイン 伝送線 この先にＳＴＪ を設置 アンテナのデザイン 2008/09/20
ＳＴＪ（Nb/Al)の試作 新しいマスクのテストのために、今までに経験のあるNb/Al-STJを試作 近接効果 I S Nb/Aｌ-STJ作成条件 近接効果 超伝導体に常伝導体をつなぐと、クーパー対が常伝導体にしみ出す現象。 浸みだしは数十μｍに及ぶ。 これにより、Nb/AlなどはＡｌのＴｃ以上の温度でも超伝導転移をする Nb wire （５００nm) SiO2 酸化膜 Nb Al / AlOx / Al Nb Nbアンテナ アンテナ(Nb) Buffer(Al2O3) 基盤(Si) Nb/Al-STJ断面図 2008/09/20
完成したアンテナ付STJ アンテナ付STJ 5mm角のチップが7 x 7枚 5 mm STJ（SIS構造）の確認用 2008/09/20
４．STJの評価：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 STJには地場をかけて ジョセフソン電流を抑制してある S I エネルギー順位 Egap エネルギー順位 Egap × S I S 2008/09/20
Nb/Al-STJ試験 Heデュアーを使ったI-V測定 -Egap +Egap 測定温度：1.6K 減圧により 4.2K1.6Kまで可 I-VよりSIS構造を確認することができた。 （リークが大きく見えるのは測定温度が高いため） 2008/09/20
ミリ波検出用のSTJ作成に向けて STJのEgapを下げるためには、アンテナのNbからの近接効果が問題になる。 リーク電流を減らす 対策 アンテナからAlへの近接効果をどうにかして防ぐ 次ページ Alをμｍオーダーまで厚くし、近接効果の影響を減らす。 アルミは現在の装置ではドライエッチングしにくいため、ウェットエッチングを行う（２ページ後） リーク電流を減らす STJ側面に陽極酸化を行う（２ページ後） 2008/09/20
近接効果の確認 Egap(Al) 0.34 meV Egap(Nb) 3.1 meV アンテナのNｂからの 近接効果の影響が減少 現在まで：アンテナ/Nb/Al/AlOx/Al/Nb Egap=1.2ｍＶ Nbアンテナ Egap(Al) 0.34 meV Egap(Nb) 3.1 meV アンテナ/Al/AlOx/Al/Nb Egap=0.7ｍＶ Nbアンテナ SiO2 Nb wire （５００nm) トンネルバリア アンテナのNｂからの 近接効果の影響が減少 することを確認した。 2008/09/20
Al-STJ作成するための手法を試す 条件だし 純Ａｌ-STJに近づけるため、Ａｌを厚くする ＳＴＪ側面からのリークを減らしたい 今の装置では100nm以上のAlを削るのは難しいので、ウェットエッチングを試している ＳＴＪ側面からのリークを減らしたい 側面を陽極酸化 Alのウェットエッチング 電解液 電源 陽極酸化 2008/09/20
５．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/Nb-STJをＣＭＢカメラ用のデザインで試作 SISのI-V特性を確認 ミリ波検出用STJの作成手法の確立 100GHzの発振器を使ったミリ波照射試験(Al-STJ) 膜厚や大きさなどのパラメーター依存性を調査 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 2008/09/20
バックアップ 2008/09/20
Al-STJ:アンテナと伝送線の設計 72GHzに最適化 ログペリアンテナ サブストレート この先にＳＴＪ を設置 伝送線 Microwave studio ログペリアンテナ 伝送線 サブストレート この先にＳＴＪ を設置 アンテナの半径 818mm 伝送線の長さ 547mm （1/4波長） 伝送線の幅 10 mm STJの断面積 40 mm２ (半径７μｍ） インピーダンス整合 72GHzに最適化 2008/09/20 17
Al/Nb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 Al/NbのSTJを試作して性能評価した 2008/09/20
ウェットエッチング Junctionの形成（模式図） H3PO4：２０ｍｌ、HNO3：５ｍｌの混合液にAlを腐食させる。Nb、SiO2は削れない。 1000Å以上のAlをエッチングするためには現時点で必要不可欠。 理研にあるドライエッチング装置ではAlを科学的に削ることができない。何度かパターンを作成するが小さいジャンクションではパターンのずれが問題になる。 単純に時間がかかる。 なお、Cl２を使えるエッチング装置なら、Alも科学的に削ることができる。 Junctionの形成（模式図） SiO2 Nb Buffer(Al2O3) Al / Al2O3 / Al 基盤(Si) Nb(アンテナ) 酸化膜 フォトレジスト 表面のＮｂをドライエッチング Ａｌをウェットエッチング 2008/09/20 ウェットエッチングでAlが削れていく様子。白く見えるのがAl。削れた場所は黒っぽく（Nb）見える。
陽極酸化 電解液に基盤を入れ、電流を流し酸化する 側面からのリークの減少が期待される 酸化された表面は膨張する 100nm(1000Å)ほど 電源 基盤を挟み込んだ容器に電解液を 満たし、電流を流し酸化する 酸化後、基盤表面に見えるNbが 黄色く色づいた。 2008/09/20
0.3K無冷媒冷凍機 (CMBグループ） ４月２２日に 0.3K達成 2008/09/20
B A Y KEKDTP Clean Rooms Mask aligner (Mar.08) Room A: 15m x 10m (Class 10000) Room B: 15m x 10m (Class 100000) Yellow room: 5m x 6m (Class 1000, in Room A) A picture of the experimental hall in which the clean rooms were built. A B Y Sputtering/Etching machines (~Aug.08 from RIKEN) Mask aligner (Mar.08) 2008/09/20
2008/09/20 Nb wire (400nm) SiO2 プラズマ酸化 Al (50nm) トンネルバリア サファイア基板 酸化：20Torr, 30分 プラズマ酸化 2008/09/20
Nb wire （５００nm) Nb wire （５００nm) SiO2 プラズマ酸化 トンネルバリア 2008/09/20 サファイア基板 Al (50nm) トンネルバリア 酸化：20Torr, 30分 プラズマ酸化 Nb wire （５００nm) Nb wire （５００nm) SiO2 プラズマ酸化 トンネルバリア 2008/09/20