| 講演名 | 2021-01-19 超伝導転移端型ガンマ線マイクロカロリメータの多画素化に適した三層メンブレンの熱コンダクタンスの評価 菊地 貴大(産総研), 神代 暁(産総研), 早川 亮大(産総研), 藤井 剛(産総研), 平山 文紀(産総研), 浮辺 雅宏(産総研), ライアン スミス(東大), 大野 雅史(東大), |
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| 抄録(和) | 我々はガンマ線を高いエネルギー分解能で検出することのできる超伝導転移端型マイクロカロリメータ（ Transition Edge Sensor: TES）の製作を行なっている。従来の単画素で得られた計数率を向上させるために多画素のTESを製作している。多画素を一度に動作させるためには画素毎の超伝導特性が揃っている必要がある。この検出器は熱浴への排熱を制御するためにメンブレン構造を要する。窒化ケイ素（SixNy）単層膜メンブレンの熱コンダクタンスはよく研究されており様々な機関で採用されている。だが、従来のSixNy単層膜メンブレンではその上に成膜した超伝導薄膜の特性が不均一になる可能性がある。これはメンブレン製作時のエッチングでSiの削られるレートに位置依存性があるためである。そこで我々はSixNyよりエッチング耐性の高い二酸化ケイ素（SiO2）で挟んだ三層（SiO2/SixNy/SiO2）のメンブレンを製作している。この三層メンブレンの合計の厚みは約7 umとなっており、他機関のSixNy単層膜メンブレンと比べると厚いが機械的強度がある。三層メンブレンの熱特性は未知だが測定の結果、熱コンダクタンスは他機関のSixNy単層膜と同程度の約1 nW/Kを得た。メンブレン形成の前後で超伝導転移温度に変化はなくメンブレンが薄膜の超伝導性を保護していたと考えられる。メンブレンサイズを変えフォノンの平均自由行程を導出した結果、1 mm程度であり、熱伝導はBallisticとDiffusiveの中間状態だと判断した。 |
| 抄録(英) | We have been developing the Gamma-ray Transition Edge Sensors (TESs) which is able to achieve high energy resolution. Multi-pixel TESs are expected to increase count rate obtained by the conventional single pixel. To operate the multi-pixel TESs, characteristics on every pixels should be uniform. Thermal conductance of silicon-nitride (SixNy) membrane has been studied by many institutes in ages. They have adopted the SixNy membranes for TESs. However, the thin SixNy membrane has possibility to cause the space distribution of its thickness and stress due to inevitable space-distribution of etching speed of the silicon (Si) substrate by Deep Reactive Ion Etching (D-RIE). It is resulting in non-uniform characteristics among pixels. Silicon dioxide (SiO2) has been known to have stronger tolerance against the etching plasma. We have been fabricating the tri-layer membrane (SiO2/SixNy/SiO2) to overcome this problem. Total thickness of this tri-layer membrane is set to be about 7 um for adjusting membrane stress. The tri-layer membrane has been expected to have strong mechanical strength. Thermal conductance of the tri-layer membrane was ~1 nW/K although it was thicker than that of typical SixNy membrane thickness (~1 um). We confirmed that critical temperature of TES was not changed after D-RIE. This result means that the tri-layer membrane protects the superconducting film. Analyzing the membrane size dependence of joule power which needs to operate the TESs, we found thermal transport of phonons passing through the tri-layer membrane was between “ballistic” and “diffusive” regimes. The phonon-mean-free-path was about 1 um. |
| キーワード(和) | ガンマ線 / メンブレン / 熱コンダクタンス / 窒化ケイ素 / 二酸化ケイ素 / マイクロカロリメータ |
| キーワード(英) | Gamma Ray / Membrane / Thermal Conductance / SixNy / SiO2 / Transition Edge Sensor |
| 資料番号 | SCE2020-18 |
| 発行日 | 2021-01-12 (SCE) |
| 研究会情報 | |
| 研究会 | SCE |
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| 開催期間 | 2021/1/19(から1日開催) |
| 開催地（和） | オンライン開催 |
| 開催地（英） | Online |
| テーマ（和） | 信号処理基盤技術及び応用、一般 |
| テーマ（英） | |
| 委員長氏名（和） | 神代 暁(産総研) |
| 委員長氏名（英） | Satoshi Kohjiro(AIST) |
| 副委員長氏名（和） | |
| 副委員長氏名（英） | |
| 幹事氏名（和） | 三木 茂人(NICT) / 藤井 剛(産総研) |
| 幹事氏名（英） | Shigehito Miki(NICT) / Go Fujii(AIST) |
| 幹事補佐氏名（和） | 赤池 宏之(大同大) |
| 幹事補佐氏名（英） | Hiroyuki Akaike(Daido Univ.) |
| 講演論文情報詳細 | |
| 申込み研究会 | Technical Committee on Superconductive Electronics |
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| 本文の言語 | JPN |
| タイトル（和） | 超伝導転移端型ガンマ線マイクロカロリメータの多画素化に適した三層メンブレンの熱コンダクタンスの評価 |
| サブタイトル（和） | |
| タイトル（英） | Thermal Conductance of Tri-layer Membranes for Multi-Pixel Gamma-Ray Transition Edge Sensors |
| サブタイトル（和） | |
| キーワード(1)（和/英） | ガンマ線 / Gamma Ray |
| キーワード(2)（和/英） | メンブレン / Membrane |
| キーワード(3)（和/英） | 熱コンダクタンス / Thermal Conductance |
| キーワード(4)（和/英） | 窒化ケイ素 / SixNy |
| キーワード(5)（和/英） | 二酸化ケイ素 / SiO2 |
| キーワード(6)（和/英） | マイクロカロリメータ / Transition Edge Sensor |
| 第 1 著者 氏名（和/英） | 菊地 貴大 / Takahiro Kikuchi |
| 第 1 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 2 著者 氏名（和/英） | 神代 暁 / Satoshi Kohjiro |
| 第 2 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 3 著者 氏名（和/英） | 早川 亮大 / Ryota Hayakawa |
| 第 3 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 4 著者 氏名（和/英） | 藤井 剛 / Go Fujii |
| 第 4 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 5 著者 氏名（和/英） | 平山 文紀 / Fuminori Hirayama |
| 第 5 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 6 著者 氏名（和/英） | 浮辺 雅宏 / Masahiro Ukibe |
| 第 6 著者 所属（和/英） | 産業技術総合研究所(略称：産総研) National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(略称：AIST) |
| 第 7 著者 氏名（和/英） | ライアン スミス / Ryan Smith |
| 第 7 著者 所属（和/英） | 東京大学(略称：東大) University of Tokyo(略称：U-Tokyo) |
| 第 8 著者 氏名（和/英） | 大野 雅史 / Masashi Ohno |
| 第 8 著者 所属（和/英） | 東京大学(略称：東大) University of Tokyo(略称：U-Tokyo) |
| 発表年月日 | 2021-01-19 |
| 資料番号 | SCE2020-18 |
| 巻番号（vol） | vol.120 |
| 号番号（no） | SCE-313 |
| ページ範囲 | pp.7-12(SCE), |
| ページ数 | 6 |
| 発行日 | 2021-01-12 (SCE) |