窒化ニオブチタン配線層と窒化アルミニウム障壁を用いたサブミリ波SIS素子の開発

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本年度は、周波数2.45GHzのマイクロ波でプラズマを励起する、電子サイクロトロン共鳴型のリモートプラズマ源を用いてAlNバリアを生成した。N2流量の異なる条件で生成したAlNトンネルバリアの特性を比較したところ、流量の少ない場合のほうがバリアの欠陥が少ない傾向があることがわかった。そこで、放電管内のプラズマ発光スペクトルを分析したところ、良質なAlNバリアの得られた低流量条件のもとでは窒素の解離率が高く、最大で6%程度の解離率があることがわかった。そこで解離率最大の条件のもとでAlNトンネルバリアを生成したところ、たとえばトンネル抵抗率7Ωμm2でもサブギャップ抵抗/常伝導抵抗比が16という、ALMAバンド10で必要とされている水準を上回る、きわめて低抵抗率で欠陥の少ないSIS接合が得られた。窒素原子はAlとの反応性が高いのでAl膜への侵入が浅く、表面付近が集中的に窒化されるために、きわめて薄くかつ一様なAlN膜の生成が促進されるのだと考えられる。これらの結果は、博士論文および投稿論文として公表した。このような、トンネル抵抗率の小さいNb/Al-AlN-Nb SIS素子の作製方法の確立により、ALMAバンド10のSIS受信機開発は大きく前進し、今では国際的な性能仕様の達成を目前にしている。さらに、今回の研究の結果得られた「活性種の反応性が高いほど、薄くかつ一様な膜が生成する」という示唆が一般的に正しいならば、より解離率を高めた窒素雰囲気、あるいは酸素雰囲気の中でバリアを生成する事で、今後さらにトンネルの低いバリアを生成できる可能性がある。このようなトンネルバリアは、SISミクサ、STJ検出器、Cooper対箱などの天文用電磁波検出デバイスはもちろん、不揮発性メモリや超伝導集積回路など産業用にも応用が期待される。