超高感度・極低雑音電磁波検出をめざして:サブミリ波帯超伝導SISミキサー素子の開発

Abstract

集積化技術に必要となる低温製作プロセスを考察し、作成した高品質NbN/AlN/NbNミキサー素子の直流特性および高周波応答特性を調べた。低温製作のプロセスへの応用を可能にするために基板加熱せずに、ArとN2の混合ガス中で高周波(RF)反応性スパッタによってNbN、AlN薄膜の作成を行った。基板にはMgO単結晶基板を使用した。スパッタガスの異なる全圧に対して、N2分圧の変化に対するNbN薄膜の臨界温度を調べた結果、各全圧に対し一定の分圧において14K以上の高い臨界温度が得られた。また作成したNbN膜のX線回折による結晶構造の解析により、NbN膜はMgO基板上にエピタキシャル成長しており、ほぼ単結晶であることがわかった。超伝導特性の膜厚依存性については従来の300度Cで作製されたNbN膜と比べてかなりよい結果が得られた。AlN薄膜もNbNと同様に作製した。50%以上の分圧においてAlN膜は基板面に垂直に析出し、良好なC軸配向であることがわかった。またこのAlNの抵抗率を4端子法で測定した。さらにNbN/AlN/NbNトンネル接合を作製し、直流トンネル特性を調べた。その結果、10000A/平方センチメートルに近い高臨界電流密度、低リーク電流、かつ非線形性の強い準粒子トンネリング特性をもつことが示された。

Low temperature manufacturing process, which is necessary for integrating technology, was considered and direct current characteristic and radio frequency response characteristic of high quality NbN/AlN/NbN mixer device were investigated. NbN and AlN thin films were produced by Radio Frequency (RF) reactive sputtering in mixed gas of Ar and N2 without heating substrate to apply for low temperature manufacturing process. MgO single crystal substrate was used. Investigation of critical temperature of the NbN thin film showed critical temperatures higher than 14K at certain partial pressures for each total pressure of the sputtering gas. With analyzing X-ray diffraction of the NbN thin film, the film was epitaxially grown on MgO substrate, and was almost single crystal. Examination of thickness dependence of superconductivity characteristic was fairly good in comparison with usual NbN film produced at 300 C. AlN thin film was produced by the same way as the NbN film. In the area where the partial pressure was more than 50 percent, the AlN film grew vertically to the surface of the substrate, and showed good C-axial orientation. Resistance per unit length of the AlN film was also measured by the four terminal method. Further NbN/AlN/NbN tunnel junction was produced, and its direct current tunnel characteristic was investigated. The investigation showed that the NbN/AlN/NbN tunnel junction had high critical current density close to 10000 A/sq cm, low leak current and highly non-linear quasiparticle tunneling characteristics.