超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法
【課題】光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の超伝導単一光子検出素子１００は、基板１０上に配された反射層１１と、伝送線路１５を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３と反射層１１との間に介在しているキャビティ層１２と、窒化ニオブ配線１３上に配された反射防止層１４と、を備え、反射防止層１４を通過した光子Ｐが窒化ニオブ配線１３に入射した際の窒化ニオブ配線１３の抵抗変化に基づいて、光子Ｐを１個ずつ検出するように構成されている。
【解決手段】本発明の超伝導単一光子検出素子１００は、基板１０上に配された反射層１１と、伝送線路１５を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３と反射層１１との間に介在しているキャビティ層１２と、窒化ニオブ配線１３上に配された反射防止層１４と、を備え、反射防止層１４を通過した光子Ｐが窒化ニオブ配線１３に入射した際の窒化ニオブ配線１３の抵抗変化に基づいて、光子Ｐを１個ずつ検出するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法に係り、更に詳しくは、窒化ニオブからなる超伝導ナノワイヤ（窒化ニオブ配線）を用いた単一光子検出素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子を１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子は、盗聴を不可能にする量子暗号通信などの量子通信分野への利用が期待されている。
【０００３】
このような超伝導単一光子検出素子として、窒化ニオブ（ＮｂＮ）層の単一層で、基板上に形成された単層構造の検出素子がすでに知られている。この単層構造の超伝導単一光子検出素子では、窒化ニオブ層からなるメアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤが基板の表面に配されている。このため、基板の表面に向けて光を入射できるので、光ファイバから出射された光をこのナノワイヤに容易に集光できる。よって、このような単層構造の超伝導単一光子素子は、光子との光カップリング性に優れている。
【０００４】
ところが、この素子には、後述（図３参照）のとおり、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での量子効率が、ナノワイヤの光反射および光透過特性により最大でも２０％〜３０％程度に制約されるという不都合がある。
【０００５】
つまり、単層構造の超伝導単一光子検出素子には、薄膜（厚み３ｎｍ〜５ｎｍ）のナノワイヤにおいて光の反射や透過が起こり、ナノワイヤによる光の吸収率は芳しくない。
【０００６】
なお、本明細書において、「量子効率」とは、光検出システムとしての効率を指し、端的には、光子検出システムに単一光子を入れる際の、当該光子を検出できる確率を指すものする。
【０００７】
そこで、上述の不都合を改善する目的で、サファイア基板の裏面側に反射防止（ＡＲ）層が配され、サファイア基板の表面側に、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、誘電体キャビティ層（例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＱＳ）からなる層）および反射層（例えばＡｕ（金）層）が配された積層構造の超伝導単一光子検出素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】23 January 2006/Vol.14, No 2/OPTICS EXPRESS 527-534
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の積層構造の超伝導単一光子検出素子では、光検出部（受光部）として機能するナノワイヤが配されたサファイア基板の表面と反対の裏面側から光を照射する必要がある。このため、幅狭のナノワイヤに入射光を集光させることが難しく、光子との光カップリング性において難点がある。
【０００９】
また、この積層構造の超伝導単一光子検出素子では、サファイア基板に対して反射防止層を配しているので、ナノワイヤに対して反射防止層を配する構成に比較して、反射防止層の反射防止機能を充分に活かすことができずに、改善の余地がある。
【００１０】
基板の表面側に、反射層、キャビティ層、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、および、反射防止層をこの順番に積層すれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子を得ることができると考えられる。ところが、窒化ニオブ層は、下地の結晶性により、その特性が大きく左右されるので、反射層として通用されているＡｕ層やアルミ層、または、キャビティ層として通用されているＨＱＳ層または酸化シリコン層に対し、高品質の窒化ニオブ層の作製が困難であることが、当業者において共通認識となっている。このため、基板の表面側に、反射層、キャビティ層、窒化ニオブ層、および、反射防止層をこの順番に積層しようとする試みは、本件発明者等が知る限り、未だ見当たらない。
【００１１】
本件発明者等は、このような既存の当業者の認識に拘泥することなく、基板、反射層およびキャビティ層の適切な材料選択により、基板の表面に、反射層およびキャビティ層を介在させて、高品質の窒化ニオブ層を形成することに成功した。なお、詳細は後述する。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明は、基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備え、
前記反射防止層を通過した光子が前記窒化ニオブ配線に入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子を１個ずつ検出するように構成されている、超伝導単一光子検出素子を提供する。
【００１４】
このように、本発明の超伝導単一光子検出素子では、基板の表面側に反射層を配しているので、窒化ニオブ配線が配された基板の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光を窒化ニオブ配線に容易に集光できる。
【００１５】
よって、本発明の超伝導単一光子検出素子は、光子との光カップリング性に優れている。
【００１６】
更に、本発明の積層構造の超伝導単一光子検出素子によれば、従来の単層構造の超伝導単一光子検出素子に比べて、量子効率の大幅な改善を図れることができると期待される。
【００１７】
例えば、本発明の超伝導単一光子検出素子では、窒化ニオブ配線に対して反射防止層を配しているので、光検出部に光子が入る際の反射防止層の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。
【００１８】
また、キャビティ層は、光共振器として機能する層であり、このキャビティ層を所望の厚みに調整することにより、光検出部に入った光子をキャビティ層内に適切に閉じ込めることができる。
【００１９】
また、本発明の超伝導単一光子検出素子では、前記反射層は窒化ニオブからなり、前記反射層の厚みを、前記窒化ニオブ配線の厚みよりも厚くしてもよい。
【００２０】
これにより、反射層を適切に反射ミラーとして用いることができ、光検出部に入った光の反射層からの透過を根本的に無くすことができる。
【００２１】
また、前記基板および前記キャビティ層を酸化マグネシウムにより構成してもよい。
【００２２】
このような超伝導単一光子検出素子によれば、酸化マグネシウムからなる基板およびキャビティ層と、窒化ニオブからなる反射層および窒化ニオブ配線用の窒化ニオブ層との間の結晶構造が同じであり、両者間の結晶格子定数がほぼ一致しているので、高品質の窒化ニオブ層を成膜でき、極めて好都合であると考えられる。
【００２３】
よって、本発明は、基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備える超伝導単一光子検出素子の製造方法であって、
前記基板上に、前記反射層と、前記キャビティ層と、窒化ニオブ層と、この順番にエピタキシャル成長させ、
その後、前記窒化ニオブ層をパターニングすることにより、前記窒化ニオブ配線を形成させ、前記窒化ニオブ配線を覆うように前記反射防止層を形成させる、超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供する。
【００２４】
この場合、酸化マグネシウムからなる前記基板上に、窒化ニオブからなる前記反射層と、酸化マグネシウムからなる前記キャビティ層と、前記窒化ニオブ層とを、同一成膜装置内において連続的にエピタキシャル成長できる。
【００２５】
これにより、上述のとおり、高品質の窒化ニオブ層が得られ、この窒化ニオブ層を後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工すれば、量子効率の大幅な改善を図れる超伝導単一検出素子を製造できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の構成について述べる。
【００２９】
図１は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。図１（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の光検出部周辺を上方から平面視した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
【００３０】
超伝導単一光子検出素子１００の光検出部Ｓは、平面視においては、図１（ａ）に示すように、８０ｎｍ〜２００ｎｍ線幅のメアンダ状（蛇行形状）に形成され、超伝導状態で使用されるナノワイヤ１３を備えている。
【００３１】
このナノワイヤ１３は、ナノメータオーダ（例えば、３ｎｍ〜５ｎｍ）の厚みの窒化ニオブ層１３Ａを、電子線などを用いてパターニングすることにより製作することができる。なお、この光検出部Ｓのサイズを、例えば、１０μｍ〜２０μｍ角程度に設定してもよい。
【００３２】
ナノワイヤ１３は、超伝導状態で使用できるように適宜の冷却手段（図示せず）により冷却されている。また、ナノワイヤ１３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、略Ｕ次状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）と矩形状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）とに接続されている。そして、ナノワイヤ１３に臨界電流を僅かに下回る所望のバイアス電流を流すように、ナノワイヤ１３は、伝送経路１５を介してバイアス源（図示せず）の出力端子に接続されている。つまり、伝送経路１５は、ナノワイヤ１３にバイアス電流を流す経路としても機能している。この伝送経路１５は、窒化ニオブ層１３Ａとの接触面で超伝導単一光子検出素子１００が破壊され難くする目的で、窒化ニオブ層１３Ａと同じ材料（窒化ニオブ）により構成されている。
【００３３】
次に、超伝導単一光子検出素子１００による光子の検出法について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図５は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００による光子の検出法を表した模式図である。
【００３５】
図５に示すように、ナノワイヤ１３に光子Ｐ（シングルフォトン）が入射すると、光子Ｐが入射した箇所ではキャップエネルギーを超えることになり、その結果、ホットスポットという常伝導領域Ａ（高抵抗領域）が発生する。この場合、図５の拡大図に示すように、電流Ｃは、高抵抗の領域Ａを迂回するように領域Ａの両側のナノワイヤ１３の部分に集中的に流れる。すると、領域Ａの周囲を流れる電流Ｃは臨界電流を超え、領域Ａの両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域Ａは、ナノワイヤ１３の幅方向全域に亘るように一時的に広がる。このようにして、常伝導領域Ａの発生および常伝導領域Ａの超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１３に入った光子Ｐは、電圧信号として１個ずつ適切に検出され、この電圧信号が伝送経路１５から外部に取り出される。
【００３６】
なお、ここで述べたナノワイヤ１３を臨界電流近傍にバイアスすることにより、光子Ｐを１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子の検出法自体は、すでに公知であり（例えば、公知文献としての「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）、この検出法の詳細な説明は省略する。
【００３７】
また、本実施形態では、上述のとおり、光検出部Ｓの検出可能領域を可能な限り広げて、光子Ｐとの光カップリングを容易にするよう、ナノワイヤ１３をメアンダ状に形成しているが、メアンダタイプのナノワイヤについても、上述の公知文献や上述の非特許文献１に記載されているので、ここでは、メアンダ構造の詳細な構成説明についても省略する。
【００３８】
超伝導単一光子検出素子１００の光検出部Ｓは、断面視においては、図１（ｂ）に示すように、基板１０と、基板１０上に配された積層体１０１と、を備えている。
【００３９】
基板１０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板である。基板１０の厚みを、例えば、０．３ｍｍや０．５ｍｍ程度に設定してもよい。また、基板１０のサイズは、例えば、１０ｍｍ角、１５ｍｍ角、２０ｍｍ角程度であってもよい。
【００４０】
積層体１０１は、図１（ｂ）に示すように、基板１０上に堆積された窒化ニオブからなる反射層１１と、この反射層１１上に堆積され、誘電体（例えば、酸化マグネシウム）からなるキャビティ層１２と、このキャビティ層１２上の形成された上述のナノワイヤ１３と、このナノワイヤ１３を覆うように形成され、誘電体（例えば、酸化シリコン）からなる反射防止層１４と、を備えている。
【００４１】
積層体１０１の反射層１１は、厚みが約１００ｎｍの窒化ニオブ薄膜ミラーである。反射層１１の厚みをナノワイヤ１３の厚み（３ｎｍ〜５ｎｍ）よりも充分に厚くすることにより、反射層１１を反射ミラーとして用いることができる。この反射層１１により、光検出部Ｓに入った光子Ｐの反射層１１からの透過を根本的に防止できる。
【００４２】
このように、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、基板１０の表面側に反射層１１を配しているので、ナノワイヤ１３が配された基板１０の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光をナノワイヤ１３に容易に集光できる。
【００４３】
なお、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、反射層１１をＧＮＤ（グランド）プレーンとしても機能できるように、反射層１１は、伝送経路１５のグランド部分Ｇにおいて伝送経路１５とコンタクトされている。このように、反射層１１をＧＮＤプレーンとして機能させることにより、ナノワイヤ１３のインダクタンスが低減され、ひいては、ナノワイヤ１３を伝送する信号の速度を速くできると考えられる。
【００４４】
積層体１０１のキャビティ層１２は、光共振器として機能する層であり、例えば、キャビティ層１２の厚みは約２２０ｎｍに設定されている。これにより、光検出部Ｓに入った光子Ｐをキャビティ層１２内に適切に閉じ込めることができる。
【００４５】
積層体１０１の反射防止層１４は、光検出部Ｓ内に光子Ｐが入る際の反射を防止する層であり、例えば、この反射防止層１４の厚みは約１００ｎｍに設定されている。このように、ナノワイヤ１３に対して反射防止層１４を配しているので、光検出部Ｓに光子Ｐが入る際の反射防止層１４の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。
【００４６】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の製法について説明する。なお、本実施形態では、光検出部Ｓの積層体１０１においてエピタキシャル成長に用いる製造装置および製造条件は、例えば、「特開２００４−６４００３号公報」や「特開２００４−１５２９９０号公報」に記載された内容に準拠している。
【００４７】
積層体１０１のうちの反射層１１、キャビティ層１２および窒化ニオブ層１３Ａのエピタキシャル成長には、公知のロードロック式スパッタリング装置（図示せず）が用いられている。
【００４８】
まず、単結晶の酸化マグネシウムからなる基板１０の（１００）面上には、窒化ニオブからなる反射層１１が、Ｎｂ（ニオブ）ターゲットを用いた直流反応性スパッタリングにより成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用してもよい。
【００４９】
次に、反射層１１の面上には、酸化マグネシウムからなるキャビティ層１２が、酸化マグネシウム焼結ターゲットを用いたイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）法により成膜される。この場合、カウフマン型イオン源のイオンビーム電流および電圧はそれぞれ、約１００ｍＡおよび１００Ｖ−５００Ｖに設定されている。なお、このＩＢＳ法に代えて、ＲＦスパッタリング法とＤＣスパッタリング法とを組み合わせることによっても、キャビティ層１２を形成することができる。
【００５０】
次に、キャビティ層１２の面上には、窒化ニオブ層１３Ａが、Ｎｂターゲットを用いた直流反応性スパッタリング法により成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用してもよい。
【００５１】
このようにして、積層体１０１のうちの各層１１、１２、１３Ａを、基板１０上に同一のロードロック式スパッタリング装置内で、エピタキシャル成長により連続的に成膜することができる。
【００５２】
なお、後工程において、この窒化ニオブ層１３Ａに対して、電子線などを活用した微細加工技術を用いてパターニングすると、ナノワイヤ１３を形成することができる。そして、その後、窒化ニオブからなる伝送経路１５を形成すれば、チップサイズとして、例えば３．０ｍｍ角の超伝導単一光子検出素子１００を製造することができる。
【００５３】
また、酸化シリコンからなる反射防止層４については、ナノワイヤ１３を覆うように、適宜の真空成膜法（例えば、ＣＶＤ法や真空蒸着法）を用いて形成することができる。
【００５４】
以上に述べたように、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００は、基板１０上に配された反射層１１と、伝送線路１５を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３と反射層１１との間に介在しているキャビティ層１２と、窒化ニオブ配線１３上に配された反射防止層１４と、を備えている。このようにして、この超伝導単一光子検出素子１００は、反射防止層１４を通過した光子Ｐが窒化ニオブ配線１３に入射した際の窒化ニオブ配線１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、光子Ｐを１個ずつ検出するように構成されている。
【００５５】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、基板１０の表面側に反射層１１を配しているので、ナノワイヤ１３が配された基板１０の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光をこのナノワイヤ１３に容易に集光できる。
【００５６】
よって、超伝導単一光子検出素子１００は、光子Ｐとの光カップリング性に優れている。
【００５７】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、ナノワイヤ１３に対して反射防止層１４を配しているので、光検出部Ｓに光子Ｐが入る際の反射防止層１４の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。
【００５８】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、キャビティ層１２は、光共振器として機能する層であり、このキャビティ層１２を所望の厚みに調整することにより、光検出部Ｓに入った光子をキャビティ層１２内に適切に閉じ込めることができる。
【００５９】
更に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００は、酸化マグネシウムからなる基板１０上に、窒化ニオブからなる反射層１１と、酸化マグネシウムからなるキャビティ層１２と、窒化ニオブ層１３Ａとを、この順番に、同一のロードロック式スパッタリング装置内において連続的にエピタキシャル成長できるので、以下のような格別の効果を奏する。
【００６０】
第１の効果として、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００によれば、酸化マグネシウムからなる基板１０およびキャビティ層１２と、窒化ニオブからなる反射層１１および窒化ニオブ層１３Ａとの間の結晶構造が同じであり、両者間の結晶格子定数がほぼ一致しているので、高品質の窒化ニオブ層１３Ａを成膜でき、極めて好都合であると考えられる。
【００６１】
そこで、本件発明者等は、以下の検出素子を試作して、窒化ニオブ層１３Ａの特性評価を超伝導転移温度Ｔｃの観点から検証した。
【００６２】
まず、図２（ａ）に示すように、酸化マグネシウムからなる基板２１０上に、厚みが１００ｎｍの窒化ニオブからなる反射層２１１、厚みが２２０ｎｍの酸化マグネシウムからなるキャビティ層２１２、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層２１３Ａを、この順番にエピタキシャル成長させることにより、超伝導検出素子２００（以下、「実施例の検出素子２００」と略す）が試作されている。
【００６３】
この実施例の検出素子２００を超伝導単一光子検出素子１００として用いる場合には、窒化ニオブ層２１３Ａを、メアンダ状のナノワイヤとして微細加工する必要があるが、ここでは、このような微細加工を省略して、検証実験の効率化を図っている（以下の「第１比較例の検出素子３００」および「第２比較例の検出素子４００」においても同じ）。
【００６４】
また、図２（ｂ）に示すように、酸化マグネシウムからなる基板３１０上に、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層３１３Ａの単層をエピタキシャル成長させることにより、超伝導検出素子３００（以下、「第１比較例の検出素子３００」と略す）も試作されている。
【００６５】
また、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板４１０上に、厚みが１５０ｎｍのアルミ金属からなる反射層４１１、厚みが２２０ｎｍの酸化シリコンからなるキャビティ層４１２、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層４１３Ａを、この順番に堆積させることにより、超伝導検出素子４００（以下、「第２比較例の検出素子４００」と略す）も試作されている。
【００６６】
下記表１は、実施例の検出素子２００、第１比較例の検出素子３００、第２比較例の検出素子４００のそれぞれについて、窒化ニオブ層２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａの超伝導転移温度Ｔｃの測定結果をまとめた表である。
【００６７】
【表１】
【００６８】
上記表１から理解されるとおり、実施例の検出素子２００の窒化ニオブ層２１３Ａの転移温度Ｔｃは、約１２Ｋ（ケルビン）であり、これは、単層構造の第１比較例の検出素子３００の窒化ニオブ層３１３Ａの転移温度Ｔｃと同等レベルである。これに対し、第２比較例の検出素子４００の窒化ニオブ層４１３Ａでは、転移温度Ｔｃが６Ｋまで下がっており、第２比較例の検出素子４００の窒化ニオブ層４１３Ａの特性が劣化していることが分かる。つまり、実施例の検出素子２００の構成によれば、窒化ニオブ層２１３Ａとともに反射層２１１およびキャビティ層２１２を基板２１０の表面側に配した積層構造にしても、窒化ニオブ層２１３Ａの特性が劣化しないと結論付けられる。
【００６９】
第２の効果として、本実施形態の積層構造の超伝導単一光子検出素子１００によれば、従来の単層構造の超伝導単一光子検出素子に比べて、量子効率の大幅な改善を図れることができると期待される。
【００７０】
そこで、本件発明者等は、実施例の検出素子２００（積層構造）および第１比較例の検出素子３００（単層構造）の光学特性について、分光光度計を用いて検証した。
【００７１】
まず、図３を参照しながら、単層構造の検出素子における光学特性の測定結果について述べる。
【００７２】
図３は、単層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【００７３】
図３では、光の波長（Wavelength；μｍ）を横軸にとり、単層構造の検出素子の光反射率Ｒ（％）（図３中に「Ｒ」と表記）、光透過率Ｔ（％）（図３に「Ｔ」と表記）および光吸収率Ａ（％）（図３中に「Ａ」と表記）を縦軸にとって、光の波長と、各数値Ｒ、Ｔ、Ａとの間の関係が示されている。
【００７４】
但し、ここでは、光反射率Ｒと光透過率Ｔとが、分光光度計により実測され、光吸収率Ａは、これらの数値Ｒ、Ｔを「１００％」から減ずることにより得られた推定値である。
【００７５】
なお、本検証実験においては、窒化ニオブ層３１３Ａの厚みが４ｎｍの第１比較例の検出素子３００に対応する検出素子が試作されている（以下、これを単に「試作素子」と略す）。
【００７６】
図３から理解できるように、波長が１．０μｍ〜２．４μｍの範囲において、試作素子の光反射率Ｒは、約２３％に達しており、この試作素子の光透過率Ｔは、４６％〜５０％にも達している。このため、試作素子の光吸収率は、２６％〜３０％と低くなっている。
【００７７】
以上に述べたように、波長帯１．０μｍ〜２．４μｍの範囲において、当該試作素子（単層構造）の量子効率は、最大でも２０％〜３０％程度に制約されることが裏付けられた。
【００７８】
次に、図４を参照しながら、積層構造の検出素子における光学特性の測定結果について述べる。
【００７９】
図４は、積層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【００８０】
本検証実験においては、実施例の検出素子２００に対応する検出素子が試作されている。より具体的には、キャビティ層２１２の厚みをそれぞれ、１２５ｎｍ、２２０ｎｍ、および、２７０ｎｍに調整した３種類の検出素子が試作されている（以下、必要に応じて、これらを単に「キャビティ層厚み変更用の試作素子」と略す）。
【００８１】
また、窒化ニオブ層２１３Ａ上に酸化シリコン層（反射防止層；図２において図示せず）が更に形成された実施例の検出素子２００に対応する検出素子も試作されている。
【００８２】
より具体的には、当該酸化シリコン層の厚みをそれぞれ、８０ｎｍ、および、１００ｎｍに調整した２種類の検出素子も試作されている（以下、必要に応じて、これらを単に「反射防止層厚み変更用の試作素子」と略す）。
【００８３】
なお、以上のキャビティ層厚み変更用の試作素子および反射防止層厚み変更用の試作素子では、反射層２１１の厚みは、１００ｎｍに固定され、窒化ニオブ層２１３Ａの厚みは、５ｎｍに固定されている。
【００８４】
図４では、光の波長（Wavelength；μｍ）を横軸にとり、上述の各試作素子の光反射特性値（Reflectance;％）を縦軸にとって、光の波長と光反射特性値との間の関係が、酸化マグネシウムからなるキャビティ層２１２の厚み、および、酸化シリコン層（反射防止層）の厚みをパラメータとして示されている。
【００８５】
具体的には、キャビティ層２１２の厚みが１２５ｎｍでの試作素子（図４の破線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍでの試作素子（図４の二点鎖線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２７０ｎｍでの試作素子（図４の点線参照）について、波長帯１．０μｍ〜２．２μｍに亘る光反射特性値が測定されている。
【００８６】
また、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、酸化シリコン層の厚みが８０ｎｍでの試作素子（図４の実線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、酸化シリコン層の厚みが１００ｎｍでの試作素子（図４の一点鎖線参照）について、波長帯１．０μｍ〜２．２μｍに亘る光反射特性値が測定されている。
【００８７】
なお、縦軸に示した「光反射特性値」とは、理想的な基準ミラーに入射した入射光の、当該基準ミラーにより反射される光の強度をバックグランド（１００％）として、上述の各試作素子に入射した入射光の、各試作素子の表面から外部に放出される光の強度のパーセント割合である。よって、この光反射特性値が小さい程、各試作素子内で吸収される光吸収率が高くなり、その結果として、量子効率は向上すると考えられる。
【００８８】
図４によれば、キャビティ層２１２の厚みに基づいてキャビティ層厚み変更用の試作素子の光反射特性値を、当該素子の用途に合わせて適宜調整できることが分かる。また、図４によれば、酸化シリコン層の厚みに基づいて酸化シリコン層厚み変更用の試作素子の光反射特性値を、当該素子の用途に合わせて適宜調整できることも分かる。
【００８９】
また、超伝導単一光子検出素子１００を量子暗号通信などの量子通信分野に利用する場合には、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍにおいて、光子Ｐを１個ずつ適切に検出できることが重要である。そこで、図４中には、各試作素子について、この通信波長（１５５０ｎｍ）での光反射特性値も併記している。
【００９０】
図４中の通信波長（１５５０ｎｍ）での光反射特性値によれば、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、および、酸化シリコン層の厚みが１００ｎｍの試作素子の場合には、通信波長１５５０ｎｍの光反射特性値が最も低くなり、この光反射特性値を０．９％にまで低減できることが分かる。この場合、仮に当該試作素子の反射層２１１での光吸収率が２０％程度と見積もったとしても、この試作素子では、通信波長（波長１５５０ｎｍ）での量子効率を８０％近くまで大幅に向上できると期待される。
【００９１】
なお、本明細書においては、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の用途として、量子通信分野を挙げたが、これは飽くまで一例に過ぎない。この超伝導単一光子検出素子１００は、量子通信分野への利用の他、テラヘルツ（ＴＨｚ）エレクトロニクス技術、Ｘ線観測技術、質量分析技術などの様々なエネルギー粒子検出分野に応用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法を得ることができる。
【００９３】
例えば、本発明は、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での量子効率の大幅な向上により、量子暗号通信などの量子通信分野の検出器として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の光検出部周辺を上方から平面視した図である。（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
【図２】検証実験に用いた検出素子の構成例を示した図である。（ａ）は、実施例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。（ｂ）は、第１比較例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。（ｃ）は、第２比較例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。
【図３】単層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【図４】積層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【図５】本実施形態の超伝導単一光子検出素子による光子の検出法を表した模式図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０、２１０、３１０ 酸化マグネシウムからなる基板
４１０ シリコン基板
１１、２１１ 窒化ニオブからなる反射層
４１１ アルミ金属からなる反射層
１２、２１２ 酸化マグネシウムからなるキャビティ層
４１２ 酸化シリコンからなるキャビティ層
１３ ナノワイヤ
１３Ａ、２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａ 窒化ニオブ層
１４ 反射防止層
１５ 伝送経路
１０１ 積層体
１００ 超伝導単一光子検出素子
２００ 実施例の検出素子
３００ 第１比較例の検出素子
４００ 第２比較例の検出素子
Ｓ 光検出部
Ｐ 光子
Ｇ グランド部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法に係り、更に詳しくは、窒化ニオブからなる超伝導ナノワイヤ（窒化ニオブ配線）を用いた単一光子検出素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子を１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子は、盗聴を不可能にする量子暗号通信などの量子通信分野への利用が期待されている。
【０００３】
このような超伝導単一光子検出素子として、窒化ニオブ（ＮｂＮ）層の単一層で、基板上に形成された単層構造の検出素子がすでに知られている。この単層構造の超伝導単一光子検出素子では、窒化ニオブ層からなるメアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤが基板の表面に配されている。このため、基板の表面に向けて光を入射できるので、光ファイバから出射された光をこのナノワイヤに容易に集光できる。よって、このような単層構造の超伝導単一光子素子は、光子との光カップリング性に優れている。
【０００４】
ところが、この素子には、後述（図３参照）のとおり、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での量子効率が、ナノワイヤの光反射および光透過特性により最大でも２０％〜３０％程度に制約されるという不都合がある。
【０００５】
つまり、単層構造の超伝導単一光子検出素子には、薄膜（厚み３ｎｍ〜５ｎｍ）のナノワイヤにおいて光の反射や透過が起こり、ナノワイヤによる光の吸収率は芳しくない。
【０００６】
なお、本明細書において、「量子効率」とは、光検出システムとしての効率を指し、端的には、光子検出システムに単一光子を入れる際の、当該光子を検出できる確率を指すものする。
【０００７】
そこで、上述の不都合を改善する目的で、サファイア基板の裏面側に反射防止（ＡＲ）層が配され、サファイア基板の表面側に、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、誘電体キャビティ層（例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＱＳ）からなる層）および反射層（例えばＡｕ（金）層）が配された積層構造の超伝導単一光子検出素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】23 January 2006/Vol.14, No 2/OPTICS EXPRESS 527-534
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の積層構造の超伝導単一光子検出素子では、光検出部（受光部）として機能するナノワイヤが配されたサファイア基板の表面と反対の裏面側から光を照射する必要がある。このため、幅狭のナノワイヤに入射光を集光させることが難しく、光子との光カップリング性において難点がある。
【０００９】
また、この積層構造の超伝導単一光子検出素子では、サファイア基板に対して反射防止層を配しているので、ナノワイヤに対して反射防止層を配する構成に比較して、反射防止層の反射防止機能を充分に活かすことができずに、改善の余地がある。
【００１０】
基板の表面側に、反射層、キャビティ層、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、および、反射防止層をこの順番に積層すれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子を得ることができると考えられる。ところが、窒化ニオブ層は、下地の結晶性により、その特性が大きく左右されるので、反射層として通用されているＡｕ層やアルミ層、または、キャビティ層として通用されているＨＱＳ層または酸化シリコン層に対し、高品質の窒化ニオブ層の作製が困難であることが、当業者において共通認識となっている。このため、基板の表面側に、反射層、キャビティ層、窒化ニオブ層、および、反射防止層をこの順番に積層しようとする試みは、本件発明者等が知る限り、未だ見当たらない。
【００１１】
本件発明者等は、このような既存の当業者の認識に拘泥することなく、基板、反射層およびキャビティ層の適切な材料選択により、基板の表面に、反射層およびキャビティ層を介在させて、高品質の窒化ニオブ層を形成することに成功した。なお、詳細は後述する。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明は、基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備え、
前記反射防止層を通過した光子が前記窒化ニオブ配線に入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子を１個ずつ検出するように構成されている、超伝導単一光子検出素子を提供する。
【００１４】
このように、本発明の超伝導単一光子検出素子では、基板の表面側に反射層を配しているので、窒化ニオブ配線が配された基板の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光を窒化ニオブ配線に容易に集光できる。
【００１５】
よって、本発明の超伝導単一光子検出素子は、光子との光カップリング性に優れている。
【００１６】
更に、本発明の積層構造の超伝導単一光子検出素子によれば、従来の単層構造の超伝導単一光子検出素子に比べて、量子効率の大幅な改善を図れることができると期待される。
【００１７】
例えば、本発明の超伝導単一光子検出素子では、窒化ニオブ配線に対して反射防止層を配しているので、光検出部に光子が入る際の反射防止層の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。
【００１８】
また、キャビティ層は、光共振器として機能する層であり、このキャビティ層を所望の厚みに調整することにより、光検出部に入った光子をキャビティ層内に適切に閉じ込めることができる。
【００１９】
また、本発明の超伝導単一光子検出素子では、前記反射層は窒化ニオブからなり、前記反射層の厚みを、前記窒化ニオブ配線の厚みよりも厚くしてもよい。
【００２０】
これにより、反射層を適切に反射ミラーとして用いることができ、光検出部に入った光の反射層からの透過を根本的に無くすことができる。
【００２１】
また、前記基板および前記キャビティ層を酸化マグネシウムにより構成してもよい。
【００２２】
このような超伝導単一光子検出素子によれば、酸化マグネシウムからなる基板およびキャビティ層と、窒化ニオブからなる反射層および窒化ニオブ配線用の窒化ニオブ層との間の結晶構造が同じであり、両者間の結晶格子定数がほぼ一致しているので、高品質の窒化ニオブ層を成膜でき、極めて好都合であると考えられる。
【００２３】
よって、本発明は、基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備える超伝導単一光子検出素子の製造方法であって、
前記基板上に、前記反射層と、前記キャビティ層と、窒化ニオブ層と、この順番にエピタキシャル成長させ、
その後、前記窒化ニオブ層をパターニングすることにより、前記窒化ニオブ配線を形成させ、前記窒化ニオブ配線を覆うように前記反射防止層を形成させる、超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供する。
【００２４】
この場合、酸化マグネシウムからなる前記基板上に、窒化ニオブからなる前記反射層と、酸化マグネシウムからなる前記キャビティ層と、前記窒化ニオブ層とを、同一成膜装置内において連続的にエピタキシャル成長できる。
【００２５】
これにより、上述のとおり、高品質の窒化ニオブ層が得られ、この窒化ニオブ層を後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工すれば、量子効率の大幅な改善を図れる超伝導単一検出素子を製造できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の構成について述べる。
【００２９】
図１は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。図１（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の光検出部周辺を上方から平面視した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
【００３０】
超伝導単一光子検出素子１００の光検出部Ｓは、平面視においては、図１（ａ）に示すように、８０ｎｍ〜２００ｎｍ線幅のメアンダ状（蛇行形状）に形成され、超伝導状態で使用されるナノワイヤ１３を備えている。
【００３１】
このナノワイヤ１３は、ナノメータオーダ（例えば、３ｎｍ〜５ｎｍ）の厚みの窒化ニオブ層１３Ａを、電子線などを用いてパターニングすることにより製作することができる。なお、この光検出部Ｓのサイズを、例えば、１０μｍ〜２０μｍ角程度に設定してもよい。
【００３２】
ナノワイヤ１３は、超伝導状態で使用できるように適宜の冷却手段（図示せず）により冷却されている。また、ナノワイヤ１３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、略Ｕ次状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）と矩形状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）とに接続されている。そして、ナノワイヤ１３に臨界電流を僅かに下回る所望のバイアス電流を流すように、ナノワイヤ１３は、伝送経路１５を介してバイアス源（図示せず）の出力端子に接続されている。つまり、伝送経路１５は、ナノワイヤ１３にバイアス電流を流す経路としても機能している。この伝送経路１５は、窒化ニオブ層１３Ａとの接触面で超伝導単一光子検出素子１００が破壊され難くする目的で、窒化ニオブ層１３Ａと同じ材料（窒化ニオブ）により構成されている。
【００３３】
次に、超伝導単一光子検出素子１００による光子の検出法について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図５は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００による光子の検出法を表した模式図である。
【００３５】
図５に示すように、ナノワイヤ１３に光子Ｐ（シングルフォトン）が入射すると、光子Ｐが入射した箇所ではキャップエネルギーを超えることになり、その結果、ホットスポットという常伝導領域Ａ（高抵抗領域）が発生する。この場合、図５の拡大図に示すように、電流Ｃは、高抵抗の領域Ａを迂回するように領域Ａの両側のナノワイヤ１３の部分に集中的に流れる。すると、領域Ａの周囲を流れる電流Ｃは臨界電流を超え、領域Ａの両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域Ａは、ナノワイヤ１３の幅方向全域に亘るように一時的に広がる。このようにして、常伝導領域Ａの発生および常伝導領域Ａの超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１３に入った光子Ｐは、電圧信号として１個ずつ適切に検出され、この電圧信号が伝送経路１５から外部に取り出される。
【００３６】
なお、ここで述べたナノワイヤ１３を臨界電流近傍にバイアスすることにより、光子Ｐを１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子の検出法自体は、すでに公知であり（例えば、公知文献としての「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）、この検出法の詳細な説明は省略する。
【００３７】
また、本実施形態では、上述のとおり、光検出部Ｓの検出可能領域を可能な限り広げて、光子Ｐとの光カップリングを容易にするよう、ナノワイヤ１３をメアンダ状に形成しているが、メアンダタイプのナノワイヤについても、上述の公知文献や上述の非特許文献１に記載されているので、ここでは、メアンダ構造の詳細な構成説明についても省略する。
【００３８】
超伝導単一光子検出素子１００の光検出部Ｓは、断面視においては、図１（ｂ）に示すように、基板１０と、基板１０上に配された積層体１０１と、を備えている。
【００３９】
基板１０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板である。基板１０の厚みを、例えば、０．３ｍｍや０．５ｍｍ程度に設定してもよい。また、基板１０のサイズは、例えば、１０ｍｍ角、１５ｍｍ角、２０ｍｍ角程度であってもよい。
【００４０】
積層体１０１は、図１（ｂ）に示すように、基板１０上に堆積された窒化ニオブからなる反射層１１と、この反射層１１上に堆積され、誘電体（例えば、酸化マグネシウム）からなるキャビティ層１２と、このキャビティ層１２上の形成された上述のナノワイヤ１３と、このナノワイヤ１３を覆うように形成され、誘電体（例えば、酸化シリコン）からなる反射防止層１４と、を備えている。
【００４１】
積層体１０１の反射層１１は、厚みが約１００ｎｍの窒化ニオブ薄膜ミラーである。反射層１１の厚みをナノワイヤ１３の厚み（３ｎｍ〜５ｎｍ）よりも充分に厚くすることにより、反射層１１を反射ミラーとして用いることができる。この反射層１１により、光検出部Ｓに入った光子Ｐの反射層１１からの透過を根本的に防止できる。
【００４２】
このように、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、基板１０の表面側に反射層１１を配しているので、ナノワイヤ１３が配された基板１０の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光をナノワイヤ１３に容易に集光できる。
【００４３】
なお、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、反射層１１をＧＮＤ（グランド）プレーンとしても機能できるように、反射層１１は、伝送経路１５のグランド部分Ｇにおいて伝送経路１５とコンタクトされている。このように、反射層１１をＧＮＤプレーンとして機能させることにより、ナノワイヤ１３のインダクタンスが低減され、ひいては、ナノワイヤ１３を伝送する信号の速度を速くできると考えられる。
【００４４】
積層体１０１のキャビティ層１２は、光共振器として機能する層であり、例えば、キャビティ層１２の厚みは約２２０ｎｍに設定されている。これにより、光検出部Ｓに入った光子Ｐをキャビティ層１２内に適切に閉じ込めることができる。
【００４５】
積層体１０１の反射防止層１４は、光検出部Ｓ内に光子Ｐが入る際の反射を防止する層であり、例えば、この反射防止層１４の厚みは約１００ｎｍに設定されている。このように、ナノワイヤ１３に対して反射防止層１４を配しているので、光検出部Ｓに光子Ｐが入る際の反射防止層１４の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。
【００４６】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の製法について説明する。なお、本実施形態では、光検出部Ｓの積層体１０１においてエピタキシャル成長に用いる製造装置および製造条件は、例えば、「特開２００４−６４００３号公報」や「特開２００４−１５２９９０号公報」に記載された内容に準拠している。
【００４７】
積層体１０１のうちの反射層１１、キャビティ層１２および窒化ニオブ層１３Ａのエピタキシャル成長には、公知のロードロック式スパッタリング装置（図示せず）が用いられている。
【００４８】
まず、単結晶の酸化マグネシウムからなる基板１０の（１００）面上には、窒化ニオブからなる反射層１１が、Ｎｂ（ニオブ）ターゲットを用いた直流反応性スパッタリングにより成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用してもよい。
【００４９】
次に、反射層１１の面上には、酸化マグネシウムからなるキャビティ層１２が、酸化マグネシウム焼結ターゲットを用いたイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）法により成膜される。この場合、カウフマン型イオン源のイオンビーム電流および電圧はそれぞれ、約１００ｍＡおよび１００Ｖ−５００Ｖに設定されている。なお、このＩＢＳ法に代えて、ＲＦスパッタリング法とＤＣスパッタリング法とを組み合わせることによっても、キャビティ層１２を形成することができる。
【００５０】
次に、キャビティ層１２の面上には、窒化ニオブ層１３Ａが、Ｎｂターゲットを用いた直流反応性スパッタリング法により成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用してもよい。
【００５１】
このようにして、積層体１０１のうちの各層１１、１２、１３Ａを、基板１０上に同一のロードロック式スパッタリング装置内で、エピタキシャル成長により連続的に成膜することができる。
【００５２】
なお、後工程において、この窒化ニオブ層１３Ａに対して、電子線などを活用した微細加工技術を用いてパターニングすると、ナノワイヤ１３を形成することができる。そして、その後、窒化ニオブからなる伝送経路１５を形成すれば、チップサイズとして、例えば３．０ｍｍ角の超伝導単一光子検出素子１００を製造することができる。
【００５３】
また、酸化シリコンからなる反射防止層４については、ナノワイヤ１３を覆うように、適宜の真空成膜法（例えば、ＣＶＤ法や真空蒸着法）を用いて形成することができる。
【００５４】
以上に述べたように、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００は、基板１０上に配された反射層１１と、伝送線路１５を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３と反射層１１との間に介在しているキャビティ層１２と、窒化ニオブ配線１３上に配された反射防止層１４と、を備えている。このようにして、この超伝導単一光子検出素子１００は、反射防止層１４を通過した光子Ｐが窒化ニオブ配線１３に入射した際の窒化ニオブ配線１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、光子Ｐを１個ずつ検出するように構成されている。
【００５５】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、基板１０の表面側に反射層１１を配しているので、ナノワイヤ１３が配された基板１０の表面に向けて光を入射でき、光ファイバから出射された光をこのナノワイヤ１３に容易に集光できる。
【００５６】
よって、超伝導単一光子検出素子１００は、光子Ｐとの光カップリング性に優れている。
【００５７】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、ナノワイヤ１３に対して反射防止層１４を配しているので、光検出部Ｓに光子Ｐが入る際の反射防止層１４の反射防止機能を充分に活かすことができ好適である。
【００５８】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、キャビティ層１２は、光共振器として機能する層であり、このキャビティ層１２を所望の厚みに調整することにより、光検出部Ｓに入った光子をキャビティ層１２内に適切に閉じ込めることができる。
【００５９】
更に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００は、酸化マグネシウムからなる基板１０上に、窒化ニオブからなる反射層１１と、酸化マグネシウムからなるキャビティ層１２と、窒化ニオブ層１３Ａとを、この順番に、同一のロードロック式スパッタリング装置内において連続的にエピタキシャル成長できるので、以下のような格別の効果を奏する。
【００６０】
第１の効果として、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００によれば、酸化マグネシウムからなる基板１０およびキャビティ層１２と、窒化ニオブからなる反射層１１および窒化ニオブ層１３Ａとの間の結晶構造が同じであり、両者間の結晶格子定数がほぼ一致しているので、高品質の窒化ニオブ層１３Ａを成膜でき、極めて好都合であると考えられる。
【００６１】
そこで、本件発明者等は、以下の検出素子を試作して、窒化ニオブ層１３Ａの特性評価を超伝導転移温度Ｔｃの観点から検証した。
【００６２】
まず、図２（ａ）に示すように、酸化マグネシウムからなる基板２１０上に、厚みが１００ｎｍの窒化ニオブからなる反射層２１１、厚みが２２０ｎｍの酸化マグネシウムからなるキャビティ層２１２、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層２１３Ａを、この順番にエピタキシャル成長させることにより、超伝導検出素子２００（以下、「実施例の検出素子２００」と略す）が試作されている。
【００６３】
この実施例の検出素子２００を超伝導単一光子検出素子１００として用いる場合には、窒化ニオブ層２１３Ａを、メアンダ状のナノワイヤとして微細加工する必要があるが、ここでは、このような微細加工を省略して、検証実験の効率化を図っている（以下の「第１比較例の検出素子３００」および「第２比較例の検出素子４００」においても同じ）。
【００６４】
また、図２（ｂ）に示すように、酸化マグネシウムからなる基板３１０上に、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層３１３Ａの単層をエピタキシャル成長させることにより、超伝導検出素子３００（以下、「第１比較例の検出素子３００」と略す）も試作されている。
【００６５】
また、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板４１０上に、厚みが１５０ｎｍのアルミ金属からなる反射層４１１、厚みが２２０ｎｍの酸化シリコンからなるキャビティ層４１２、厚みが５ｎｍの窒化ニオブ層４１３Ａを、この順番に堆積させることにより、超伝導検出素子４００（以下、「第２比較例の検出素子４００」と略す）も試作されている。
【００６６】
下記表１は、実施例の検出素子２００、第１比較例の検出素子３００、第２比較例の検出素子４００のそれぞれについて、窒化ニオブ層２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａの超伝導転移温度Ｔｃの測定結果をまとめた表である。
【００６７】
【表１】
【００６８】
上記表１から理解されるとおり、実施例の検出素子２００の窒化ニオブ層２１３Ａの転移温度Ｔｃは、約１２Ｋ（ケルビン）であり、これは、単層構造の第１比較例の検出素子３００の窒化ニオブ層３１３Ａの転移温度Ｔｃと同等レベルである。これに対し、第２比較例の検出素子４００の窒化ニオブ層４１３Ａでは、転移温度Ｔｃが６Ｋまで下がっており、第２比較例の検出素子４００の窒化ニオブ層４１３Ａの特性が劣化していることが分かる。つまり、実施例の検出素子２００の構成によれば、窒化ニオブ層２１３Ａとともに反射層２１１およびキャビティ層２１２を基板２１０の表面側に配した積層構造にしても、窒化ニオブ層２１３Ａの特性が劣化しないと結論付けられる。
【００６９】
第２の効果として、本実施形態の積層構造の超伝導単一光子検出素子１００によれば、従来の単層構造の超伝導単一光子検出素子に比べて、量子効率の大幅な改善を図れることができると期待される。
【００７０】
そこで、本件発明者等は、実施例の検出素子２００（積層構造）および第１比較例の検出素子３００（単層構造）の光学特性について、分光光度計を用いて検証した。
【００７１】
まず、図３を参照しながら、単層構造の検出素子における光学特性の測定結果について述べる。
【００７２】
図３は、単層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【００７３】
図３では、光の波長（Wavelength；μｍ）を横軸にとり、単層構造の検出素子の光反射率Ｒ（％）（図３中に「Ｒ」と表記）、光透過率Ｔ（％）（図３に「Ｔ」と表記）および光吸収率Ａ（％）（図３中に「Ａ」と表記）を縦軸にとって、光の波長と、各数値Ｒ、Ｔ、Ａとの間の関係が示されている。
【００７４】
但し、ここでは、光反射率Ｒと光透過率Ｔとが、分光光度計により実測され、光吸収率Ａは、これらの数値Ｒ、Ｔを「１００％」から減ずることにより得られた推定値である。
【００７５】
なお、本検証実験においては、窒化ニオブ層３１３Ａの厚みが４ｎｍの第１比較例の検出素子３００に対応する検出素子が試作されている（以下、これを単に「試作素子」と略す）。
【００７６】
図３から理解できるように、波長が１．０μｍ〜２．４μｍの範囲において、試作素子の光反射率Ｒは、約２３％に達しており、この試作素子の光透過率Ｔは、４６％〜５０％にも達している。このため、試作素子の光吸収率は、２６％〜３０％と低くなっている。
【００７７】
以上に述べたように、波長帯１．０μｍ〜２．４μｍの範囲において、当該試作素子（単層構造）の量子効率は、最大でも２０％〜３０％程度に制約されることが裏付けられた。
【００７８】
次に、図４を参照しながら、積層構造の検出素子における光学特性の測定結果について述べる。
【００７９】
図４は、積層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【００８０】
本検証実験においては、実施例の検出素子２００に対応する検出素子が試作されている。より具体的には、キャビティ層２１２の厚みをそれぞれ、１２５ｎｍ、２２０ｎｍ、および、２７０ｎｍに調整した３種類の検出素子が試作されている（以下、必要に応じて、これらを単に「キャビティ層厚み変更用の試作素子」と略す）。
【００８１】
また、窒化ニオブ層２１３Ａ上に酸化シリコン層（反射防止層；図２において図示せず）が更に形成された実施例の検出素子２００に対応する検出素子も試作されている。
【００８２】
より具体的には、当該酸化シリコン層の厚みをそれぞれ、８０ｎｍ、および、１００ｎｍに調整した２種類の検出素子も試作されている（以下、必要に応じて、これらを単に「反射防止層厚み変更用の試作素子」と略す）。
【００８３】
なお、以上のキャビティ層厚み変更用の試作素子および反射防止層厚み変更用の試作素子では、反射層２１１の厚みは、１００ｎｍに固定され、窒化ニオブ層２１３Ａの厚みは、５ｎｍに固定されている。
【００８４】
図４では、光の波長（Wavelength；μｍ）を横軸にとり、上述の各試作素子の光反射特性値（Reflectance;％）を縦軸にとって、光の波長と光反射特性値との間の関係が、酸化マグネシウムからなるキャビティ層２１２の厚み、および、酸化シリコン層（反射防止層）の厚みをパラメータとして示されている。
【００８５】
具体的には、キャビティ層２１２の厚みが１２５ｎｍでの試作素子（図４の破線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍでの試作素子（図４の二点鎖線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２７０ｎｍでの試作素子（図４の点線参照）について、波長帯１．０μｍ〜２．２μｍに亘る光反射特性値が測定されている。
【００８６】
また、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、酸化シリコン層の厚みが８０ｎｍでの試作素子（図４の実線参照）、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、酸化シリコン層の厚みが１００ｎｍでの試作素子（図４の一点鎖線参照）について、波長帯１．０μｍ〜２．２μｍに亘る光反射特性値が測定されている。
【００８７】
なお、縦軸に示した「光反射特性値」とは、理想的な基準ミラーに入射した入射光の、当該基準ミラーにより反射される光の強度をバックグランド（１００％）として、上述の各試作素子に入射した入射光の、各試作素子の表面から外部に放出される光の強度のパーセント割合である。よって、この光反射特性値が小さい程、各試作素子内で吸収される光吸収率が高くなり、その結果として、量子効率は向上すると考えられる。
【００８８】
図４によれば、キャビティ層２１２の厚みに基づいてキャビティ層厚み変更用の試作素子の光反射特性値を、当該素子の用途に合わせて適宜調整できることが分かる。また、図４によれば、酸化シリコン層の厚みに基づいて酸化シリコン層厚み変更用の試作素子の光反射特性値を、当該素子の用途に合わせて適宜調整できることも分かる。
【００８９】
また、超伝導単一光子検出素子１００を量子暗号通信などの量子通信分野に利用する場合には、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍにおいて、光子Ｐを１個ずつ適切に検出できることが重要である。そこで、図４中には、各試作素子について、この通信波長（１５５０ｎｍ）での光反射特性値も併記している。
【００９０】
図４中の通信波長（１５５０ｎｍ）での光反射特性値によれば、キャビティ層２１２の厚みが２２０ｎｍ、および、酸化シリコン層の厚みが１００ｎｍの試作素子の場合には、通信波長１５５０ｎｍの光反射特性値が最も低くなり、この光反射特性値を０．９％にまで低減できることが分かる。この場合、仮に当該試作素子の反射層２１１での光吸収率が２０％程度と見積もったとしても、この試作素子では、通信波長（波長１５５０ｎｍ）での量子効率を８０％近くまで大幅に向上できると期待される。
【００９１】
なお、本明細書においては、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の用途として、量子通信分野を挙げたが、これは飽くまで一例に過ぎない。この超伝導単一光子検出素子１００は、量子通信分野への利用の他、テラヘルツ（ＴＨｚ）エレクトロニクス技術、Ｘ線観測技術、質量分析技術などの様々なエネルギー粒子検出分野に応用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性に優れ、これにより、量子効率の大幅な改善が可能な超伝導単一光子検出素子および超伝導単一光子検出素子の製造方法を得ることができる。
【００９３】
例えば、本発明は、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での量子効率の大幅な向上により、量子暗号通信などの量子通信分野の検出器として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の光検出部周辺を上方から平面視した図である。（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
【図２】検証実験に用いた検出素子の構成例を示した図である。（ａ）は、実施例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。（ｂ）は、第１比較例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。（ｃ）は、第２比較例の検出素子における光検出部の断面を示した断面図である。
【図３】単層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【図４】積層構造の検出素子における光学特性の測定結果の一例を示した図である。
【図５】本実施形態の超伝導単一光子検出素子による光子の検出法を表した模式図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０、２１０、３１０ 酸化マグネシウムからなる基板
４１０ シリコン基板
１１、２１１ 窒化ニオブからなる反射層
４１１ アルミ金属からなる反射層
１２、２１２ 酸化マグネシウムからなるキャビティ層
４１２ 酸化シリコンからなるキャビティ層
１３ ナノワイヤ
１３Ａ、２１３Ａ、３１３Ａ、４１３Ａ 窒化ニオブ層
１４ 反射防止層
１５ 伝送経路
１０１ 積層体
１００ 超伝導単一光子検出素子
２００ 実施例の検出素子
３００ 第１比較例の検出素子
４００ 第２比較例の検出素子
Ｓ 光検出部
Ｐ 光子
Ｇ グランド部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備え、
前記反射防止層を通過した光子が前記窒化ニオブ配線に入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子を１個ずつ検出するように構成されている、超伝導単一光子検出素子。
【請求項２】
前記反射層は窒化ニオブからなり、前記反射層の厚みが、前記窒化ニオブ配線の厚みよりも厚くなっている、請求項１記載の超伝導単一光子検出素子。
【請求項３】
前記基板および前記キャビティ層は酸化マグネシウムからなる、請求項２記載の超伝導単一光子検出素子。
【請求項４】
基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備える超伝導単一光子検出素子の製造方法であって、
前記基板上に、前記反射層と、前記キャビティ層と、窒化ニオブ層と、この順番にエピタキシャル成長させ、
その後、前記窒化ニオブ層をパターニングすることにより、前記窒化ニオブ配線を形成させ、
前記窒化ニオブ配線を覆うように前記反射防止層を形成させる、超伝導単一光子検出素子の製造方法。
【請求項５】
酸化マグネシウムからなる前記基板上に、窒化ニオブからなる前記反射層と、酸化マグネシウムからなる前記キャビティ層と、前記窒化ニオブ層とが、同一成膜装置内において連続的にエピタキシャル成長される、請求項４記載の超伝導単一光子検出素子の製造方法。
【請求項１】
基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備え、
前記反射防止層を通過した光子が前記窒化ニオブ配線に入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子を１個ずつ検出するように構成されている、超伝導単一光子検出素子。
【請求項２】
前記反射層は窒化ニオブからなり、前記反射層の厚みが、前記窒化ニオブ配線の厚みよりも厚くなっている、請求項１記載の超伝導単一光子検出素子。
【請求項３】
前記基板および前記キャビティ層は酸化マグネシウムからなる、請求項２記載の超伝導単一光子検出素子。
【請求項４】
基板上に配された反射層と、
伝送線路を介してバイアス源に接続され、所定のバイアス電流を流すようにして、超伝導状態で使用されている窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線と前記反射層との間に介在しているキャビティ層と、
前記窒化ニオブ配線上に配された反射防止層と、を備える超伝導単一光子検出素子の製造方法であって、
前記基板上に、前記反射層と、前記キャビティ層と、窒化ニオブ層と、この順番にエピタキシャル成長させ、
その後、前記窒化ニオブ層をパターニングすることにより、前記窒化ニオブ配線を形成させ、
前記窒化ニオブ配線を覆うように前記反射防止層を形成させる、超伝導単一光子検出素子の製造方法。
【請求項５】
酸化マグネシウムからなる前記基板上に、窒化ニオブからなる前記反射層と、酸化マグネシウムからなる前記キャビティ層と、前記窒化ニオブ層とが、同一成膜装置内において連続的にエピタキシャル成長される、請求項４記載の超伝導単一光子検出素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−３８１９０（Ｐ２００９−３８１９０Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２００７２７（Ｐ２００７−２００７２７）
【出願日】平成１９年８月１日（２００７．８．１）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１日（２００７．８．１）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]