テラヘルツ強度干渉計による画像合成のためのSIS光子計数型検出器の開発

使用太赫兹强度干涉仪开发用于图像合成的 SIS 光子计数型探测器

• 批准号: 22KJ0419
• 负责人: 丹羽 綾子
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0419/
• 关键词: 光子検出器; テラヘルツ天文学; 超伝導検出器; 極低温読み出し回路

1.5 THz光子検出器製作用のフォトマスクの設計と、検出器評価のための測定環境の構築を行った。フォトマスクの設計は昨年度にも行ったが、SISの三層構造（ベース）を接合部分以外残さないようエッチング領域の各辺を1μmずつ広く確保したところ、実際に検出器を製作するとベース外側の配線までエッチングされてしまい、SIS接合が電気的に孤立してしまうという問題が生じた。事前のエッチングレート測定では配線のアルミニウム薄膜は三層よりも4倍程度レートが遅く、三層エッチング後にも配線は残ると考えていたが、実際には配線が残らなかった。この原因としては想定よりもアルミニウムの膜厚が薄かったことやエッチング時の負荷電力がレート測定時よりも大きかったことが考えられるが、原因の特定には至っていない。上記を踏まえ、今年度は過去に他のグループによって成功例のあるフォトマスクデザインを採用し、まずは確実に検出器として動作する設計を目指した。一方実験室ではテラヘルツ強度干渉計の実験室実験に向けたクライオスタットの組み上げが進行中であり、現在製作中である1.5 THz光子検出器の0.8 KでのIV特性や光学特性の評価も同環境で行う予定である。最終的な強度干渉計実験には高速読み出しが求められるため、2段のGaAs-JFETとHEMTアンプを用いてメガオームレベルの高い出力インピーダンスの低減を図るが、今年度はまず低周波での読み出しの成功を目的として1段のGaAs-JFETとオペアンプによる読み出し回路の製作を行った。その結果、0.8 Kで既存の検出器(Ezawa et al., 2019)のIV特性が測定でき、バイアス電圧600 μVにて雑音を3 nAまで低減することができた。この値は実験室において光学特性の評価を行うのには十分な値である。今後、1 pA以下までのさらなる低雑音化を進めていく予定である。

我们设计了用于生产 1.5 THz 光子探测器的光掩模，并构建了用于评估探测器的测量环境。我们去年设计了光掩模，但我们确保蚀刻区域的每边都是1μm宽，因此SIS的三层结构（基底）仅保留在接合区域，因此出现了布线问题。蚀刻掉，使 SIS 结电隔离。初步的蚀刻速率测量表明，用于布线的铝薄膜的蚀刻速率比三层蚀刻慢约四倍，并且我们认为即使在三层蚀刻之后布线仍然会保留，但实际上，没有留下任何接线。造成这种情况的可能原因是铝膜比预期更薄以及蚀刻时的负载功率大于速率测量时的负载功率，但原因尚未确定。基于上述情况，今年我们采用了过去已被其他小组成功使用的光掩模设计，旨在创建一种能够作为探测器可靠工作的设计。同时，实验室正在建设用于太赫兹强度干涉仪实验室实验的低温恒温器，还将对正在建设的1.5 THz光子探测器在0.8 K处的IV特性和光学特性进行评估我们计划在相同的环境中这样做。由于最终的强度干涉仪实验需要高速读出，我们将使用两级GaAs-JFET和HEMT放大器来降低兆欧级的高输出阻抗，但今年我们将首先在低频下进行读出。为了取得成功，我们使用单级 GaAs-JFET 和运算放大器制造了读出电路。结果，我们能够测量现有探测器（Ezawa 等人，2019）在 0.8 K 下的 IV 特性，并且能够在 600 μV 的偏置电压下将噪声降低至 3 nA。该值足以在实验室中评估光学特性。未来，我们计划进一步将噪声降低至1 pA以下。

项目成果

SIS photon detectors for THz observations beyond the gap energy

用于超越能隙能量的太赫兹观测的 SIS 光子探测器

• 发表时间: 2022
• 作者: Ayako Niwa; Hajime Ezawa; Tomonori Tamura; Hiroshi Matsuo
• 通讯作者: Hiroshi Matsuo