DE68925684T2

DE68925684T2 - Supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang, und Josephson Element

Info

Publication number: DE68925684T2
Application number: DE68925684T
Authority: DE
Inventors: Takeshi C O R D Labor Kaminaga; Masahiko C O R D Labo Kurakado; Atsuki C O R D Labor Matsumura; Tooru C O R D Labora Takahashi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2009-12-23
Also published as: JPH03174781A; EP0375465A2; JP2552371B2; US5321276A; EP0375465B1; DE68925684D1; EP0375465A3

Description

Die Erfindung betrifft eine strahlungsempfindliche Vorrichtung und ein Josephson-Element. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Nachweis von Kernstrahlung, Licht usw. durch die Verwendung eines supraleitenden Tunnelübergangs, einer arithmetischen Vorrichtung und einer Josephson-Vorrichtung, die zum Nachweis von Mikrowellen verwendet wird.
Eine strahlungsempfindliche Vorrichtung, die einen supraleitenden Tunnelübergang verwendet, kann eine Energieauflösungskapazität aufweisen, die mehr als das Zehnfache der eines herkömmlichen Halbleiterfühlers beträgt. Die Entwicklung dieser strahlungsempfindlichen Vorrichtungen ist seit den letzten Jahren im Gange [Applied Physics, Bd. 53, Nr. 6, Seiten 532-537, 1984, und A. Barone "Superconductive Particle Detectors" (1988), World Scientific].
Licht ist eine elektromagnetische Welle, die der Röntgenstrahlung ähnlich ist. Ein Photosensor, der einen supraleitenden Tunnelübergang verwendet, kann für Licht sehr empfindlich werden, das einen großen Bereich der Wellenlänge vom fernen Infrarot bis zur UV-Zone aufweist.
Bisher wurde als Vorrichtung zum Nachweis von Strahlen, zum Beispiel Röntgenstrahlen und Licht, unter Verwendung eines supraleitenden Tunnelübergangs eine Vorrichtung entwickelt, die wie in den Fig. 23 und 24 gezeigt aufgebaut ist.
Beim in Fig. 23 und Fig. 24 gezeigten Fühler wird eine dünne isolierende Schicht (Tunnelsperrschicht) 113 über den gesamten Übergang zwischen dem Supraleiter 111, der als niedere Elektrode dient, und dem Supraleiter 112 gelegt, der selbst eine Gegenelektrode bildet, die so geformt ist, daß sie die obere Oberfläche und eine Seitenoberfläche des Supraleiters 111 umgibt, der als untere Elektrode dient. In Fig. 24 bezeichnen die Bezugsziffer 127 die obere Leiterführung und die Bezugsziffer 128 die untere Leiterführung.
Damit die strahlungsempfindliche Vorrichtung oder der Photosensor eine bessere Leistung erreichen, muß die Oberfläche des Supraleiters, der als Absorptionsmittel für die Energie der Strahlung oder des Photons dienen soll, erweitert werden, damit der Wirkungsgrad bei der Erfassung der Strahlung oder des Photons verbessert wird. Bei der wie in Fig. 23 und Fig. 24 gezeigt aufgebauten Vorrichtung beinhaltet diese Vergrößerung der Oberfläche das Problem, daß die elektrostatische Kapazität des Tunnelübergangs zunimmt und die Erfassung des Strahlungssignals oder des Photons proportional dazu abnimmt.
Zur Lösung dieses Problems hat Booth eine Vorrichtung vorgeschlagen, die im Querschnitt die Struktur aufweist, wie sie in Fig. 25 gezeigt ist [Applied Physics Letters, Bd. 50, Nr. 5, Seiten 293 - 295 (1987)]. Insbesondere handelt es sich um eine supraleitende Vorrichtung mit Tunnelübergang, die hergestellt wird durch: Verwendung eines Verbundmaterials als Supraleiter 111 auf der Seite der unteren Elektrode, das auf dem mittleren Teil der supraleitenden Schicht 116 mit großer Oberfläche von einer supraleitenden Schicht 117 mit kleiner Oberfläche überlagert ist, die eine kleinere Energielücke als die supraleitende Schicht 116 aufweist; Ausbilden einer isolierenden Schicht 113 auf der oberen Oberfläche der supraleitenden Schicht 117 mit der geringen Oberfläche; und Auflegen eines Supraleiters 112 auf die isolierende Schicht 113, der als Gegenelektrode dient. Diese Vorrichtung kann ihre elektrostatische Kapazität einschränken und ein starkes Nachweissignal ableiten, da die isolierende Schicht 113 eine kleinere Oberfläche als die supraleitende Schicht 116 haben kann, die als Absorptionsmittel für die Energie der Strahlung oder des Photons dient. Da die supraleitende Schicht 117 mit der kleineren Energielücke als die supraleitende Schicht 116 außerdem mit der isolierenden Schicht 113 verbunden ist, werden die Elektronen oder Elektronenlöcher, die in der supraleitenden Schicht 116 durch die Absorption der Strahlung oder des Photons 120 angeregt werden (nachfolgend der Einfachheit halber gemeinsam als "angeregte Elektronen" bezeichnet) 121, nachdem sie im Inneren der supraleitenden Schicht 116 diffundiert und anschließend in die supraleitende Schicht 117 geleitet wurden, nicht erneut merklich in die supraleitende Schicht 116 zurückgeleitet, sondern sind in der supraleitenden Schicht 117 enthalten. Da die supraleitende Schicht 117 als Trappingschicht wirkt und die angeregten Elektronen in der Nähe der isolierenden Schicht 113 weiterhin einfängt, ist es möglich, daß die angeregten Elektronen 121 aufgrund des Tunneleffektes in die isolierende Schicht 113 eindringen und vor der Wiedervereinigung zum Signal beitragen.
Bei der von Booth vorgeschlagenen Vorrichtung mit der in Fig. 25 gezeigten Struktur ist der Sammlungsgrad für die angeregten Elektronen in der supraleitenden Schicht 117 hoch, wenn die mittlere freie Weglänge der angeregten Elektronen in der supraleitenden Schicht 116 im Vergleich mit der reprasentativen Länge der Ebene der supraleitenden Schicht 116 (z.B. der Durchmesser, wenn die Ebene kreisförmig ist, oder die Seitenlänge, wenn die Ebene quadratisch ist) nicht sehr gering ist. Es ist jedoch im allgemeinen sehr schwierig, die mittlere freie Weglänge der angeregten Elektronen im Supraleiter über den Wert von einigen zehn µm hinaus zu erhöhen. Wenn die mittlere freie Weglänge in einem voluminösen Supraleiter ausreichend erhöht werden kann, wird die mittlere freie weglänge in einem Supraleiter, der in Form eines dünnen Films produziert wird, im wesentlichen durch die Dicke des dünnen Films eingeschränkt. Es ist somit unmöglich, daß sich bei Fumdetektoren die mittlere freie Weglänge der repräsentativen Länge der Ebene der supraleitenden Schicht 116 nähert.
Da die Oberfläche der supraleitenden Schicht 117 bei der in Fig. 26 gezeigten Struktur, die als Trappingschicht dienen soll, kleiner als die der supraleitenden Schicht 116 ist, die als Absorptionsmittel für die Energie dienen soll, wird die Schlußfolgerung gezogen, daß die angeregten Elektronen 121, die als Folge der Absorption der Strahlung oder des Photons 120 im Abschnitt der supraleitenden Schicht 116 erzeugt werden, der von der supraleitenden Schicht 117 entfernt ist, zum Erreichen der supraleitenden Schicht 117 mittels Diffusion viel länger brauchen als jene, die in dem Abschnitt erzeugt wurden, der der supraleitenden Schicht 117 ziemlich nahe ist, ehe sie die isolierende Schicht 113 erreichen, dies ist in Fig. 26 gezeigt. Es ist tatsächlich allgemein bekannt, daß die durchschnittliche Zeit, die die angeregten Elektronen 121 benötigen, um von einem bestimmten Punkt durch Diffusion bis zu einem bestimmten Abstand zu gelangen, dem Quadrat dieses Abstands proportional ist. Es ist auch bekannt, daß die Elektronen und Elektronenlöcher in einem Supraleiter, die durch Strahlung oder ein Photon angeregt werden, eventuell wiedervereinigt werden [S.B. Kaplan et al., Physical Review B., Bd. 14, S. 4854 - 4873 (1976)]. Bei dieser Vorrichtung mit Tunnelübergang tragen die angeregten Elektronen nicht mehr zu den Signalen bei, wenn sie wiedervereinigt sind, bevor sie aufgrund des Tunneleffektes in die isolierende Schicht eindringen. Wenn die Energie der Strahlung oder des Photons fixiert wird, werden somit die Einschwingzeit und die Größenordnung des Signals durch die Position geändert, an der die Strahlung oder das Photon auftritt. Bei den Elektronen, die in dem Abschnitt angeregt werden, der nahe der supraleitenden Schicht 117 liegt, die als Trappingschicht dienen soll, gibt es außerdem Zeiten, zu denen die angeregten Elektronen im Abschnitt der supraleitenden Schicht 116 verteilt werden, der von der supraleitenden Schicht 117 entfernt ist, bevor sie die supraleitende Schicht 117 erreichen.
Wenn die Oberfläche der isolierenden Schicht 113 und die der supraleitenden Schicht 112 der Vorrichtung mit der in Fig. 25 gezeigten Struktur festgelegt werden, und die Oberfläche der supraleitenden Schicht 117 so vergrößert wird, daß sie gleich der der supraleitenden Schicht 116 ist, nimmt die erforderliche Durchschnittszeit ab, damit die in der supraleitenden Schicht 116 angeregten Elektronen in die supraleitende Schicht 117 verteilt werden. In diesem Fall nimmt jedoch die Zeit zu, die erforderlich ist, damit sich die angeregten Elektronen von der supraleitenden Schicht 117 mit der größeren Oberfläche zur isolierenden Schicht 113 mit der kleineren Oberfläche bewegen, und dadurch nimmt auch die Möglichkeit zu, daß sie vor dem Eindringen in die isolierende Schicht 113 aufgrund des Tunneleffektes wiedervereinigt werden.
Die herkömmliche strahlungsempfindliche Vorrichtung hat den Nachteil, daß eine deutliche Zunahme der Oberfläche nur schwer erreicht werden kann, damit der Wirkungsgrad des Nachweises verbessert wird; eine deutliche Zunahme der Oberfläche zur Verringerung der Ansprechgeschwindigkeit führt, und sich die Einschwingzeit des Signals und die Größenordnung des Signals mit der Position, an der die Strahlung oder das Photon auftrifft, ändern.
Bei einer strahlungsempfindlichen Vorrichtung oder einem Photosensor wird außerdem in Betracht gezogen, daß eine größere Dicke des Supraleiters, der als Absorptionsmittel für die Energie dient, den Wirkungsgrad der Erfassung der Strahlung oder des Lichtes wirksam verbessert.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich wird, müssen jedoch die angeregten Elektronen, die durch das Auftreffen einer Strahlung oder eines Photons im Sensor erzeugt werden, aufgrund des Tunneleffektes wirksam durch die Tunnelsperrschicht geleitet und in Form von Signalleitungen aus der Verbindung abgeführt werden, damit die strahlungsempfindliche Vorrichtung oder der Photosensor sehr empfindlich ist. Wenn die angeregten Elektronen für die Durchtunnelung durch die Sperrschicht lange benötigen, erfahren die meisten angeregten Elektronen innerhalb dieser Zeit eine Wiedervereinigung und werden nicht in Form von Signalladungen abgeführt.
Wenn die Dicke des Supraleiters erhöht wird, damit die Leistung bei der Erfassung von Strahlung oder Licht verbessert wird, und dadurch die Zeit zunimmt, die die angeregten Elektronen bei der Durchtunnelung der Tunnelsperrschicht benötigen, ergibt sich der Nachteil, daß der Sammlungsgrad der angeregten Elektronen abnimmt.
Bei einer herkömmlichen strahlungsempfindlichen Vorrichtung wird die Energieauflösungskapazität tatsächlich durch die wachsende Dicke der supraleitenden Schicht allein ernsthaft beeinträchtigt. Dieses Phänomen kann großteils der Tatsache zugeschrieben werden, daß die herkömmliche strahlungsempfindliche Vorrichtung, die wie in den Fig. 23 und 24 oder den Fig. 25 und 26 aufgebaut ist, Supraleiter verwendet, die ausnahmslos aus Polykristallen gebildet sind.
Damit die angeregten Elektronen 121, die durch das Auftreffen der Strahlung oder des Photons 120 erzeugt werden, eine wirksame Durchtunnelung der Tunnelsperrschicht 113 erreichen, ist es insbesondere erforderlich, daß die angeregten Elektronen 121 schnell in die supraleitende Schicht wandern und die Tunnelsperrschicht leicht erreichen können. Wie aus den Fig. 27 und 28 ersichtlich, die die Art der Diffusion der angeregten Elektronen 121 zeigen, ist es deshalb erwünscht, daß die supraleitende Schicht, auf der die Strahlung oder das Photon 120 auftrifft, kein polykristalliner Supraleiter 111 sondern ein Einkristall-Supraleiter 131 ist, bei dem die mittlere freie Weglänge der angeregten Elektronen 121 groß ist. Übrigens wurde diese Tatsache in der Literatur herausgestellt [Nuclear Instruments and Method in Physics Research, Bd. 277, S. 483 (1983)].
Die Tatsache, daß der Supraleiter als Energieabsorptionsmittel aus einem Einkristall-Supraleiter 131 gebildet wird, ist deshalb für einen besseren Sammlungsgrad der angeregten Elektronen von Vorteil. Bei einer Vorrichtung, die wie in Fig. 28 gezeigt hergestellt ist, wobei ein Einkristall-Supraleiter 131 als untere supraleitende Schicht verwendet und darauf eine Tunnelsperrschicht 113 und obere supraleitende Schicht 11 gelagert sind, ergibt sich der Nachteil, daß anstelle der Abhängigkeit vom Tunneleffekt der Leckstrom bzw. Fehlstrom zunimmt, das heißt der elektrische Strom, der durch die Störstellen in der Tunnelsperrschicht oder im Anschluß der Tunnelsperrschicht 113 fließt. Der Leckstrom selbst stellt eine wichtige Quelle für die elektrische Störung dar. Bei einer strahlungsempfindlichen Vorrichtung, die die Energie einzelner Teile der Strahlung oder des Lichtes aus schwachen Signalladungen mißt, ist dieser Nachteil fatal.
Die supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung vom Tunnelübergangs-Typ wendet wie bereits beschrieben die angeregten Elektronen und nicht den Josephson-Effekt an. Das Verfahrensprinzip und das Anwendungsverfahren dieser strahlungsempfindlichen Vorrichtung unterscheiden sich zum Beispiel vollkommen vom Mikrowellensensor, der den Josephson-Übergang verwendet. Die genannte strahlungsempfindliche Vorrichtung wird tatsächlich unter einem angelegten Magnetfeld gehalten, damit der Josephson-Effekt unterdrückt wird. Die Leiterführung für diese Vorrichtung erfordert auch einen besonderen Aufbau, der beim Josephson-Übergang nicht notwendig ist. Ausschließlich auf die grundsätzliche Anordnung des Übergangs bezogen, sind jedoch die supraleitende Vorrichtung mit Tunnelübergang und der Josephson-Übergang vom Tunneltyp im wesentlichen identisch.
Bisher wurden auch bei der Josephson-Vorrichtung vom Tunneltyp polykristalline Supraleiter als Supraleiter verwendet. Wenn bei einer Vorrichtung, die nur polykristalline Supraleiter als Supraleiter verwendet, die Umgebungstemperatur in einem schwachen Magnetfeld, zum Beispiel dem Erdmagnetismus, über die kritische Temperatur verringert wird, wird jedoch der Supraleiter nicht einfach gleichmäßig oder uniform in einer Richtung abgekühlt, da im polykristallinen Material zahlreiche Korngrenzen vorhanden sind. Somit ergibt sich die Möglichkeit, daß das Magnetfeld, das durch den Meissner- Effekt von der Stelle verdrängt wurde, die bereits mit Supraleitvermögen belegt ist, an einer Stelle eingefangen wird, die noch nicht mit Supraleitvermögen belegt ist, und der Magnetfluß somit in der Vorrichtung eingefangen wird (Magnetfluß-Trapping). Da das auftretende Magnetfluß-Trapping von einer geringfugigen Änderung der Art und Weise der Abkühlung abhängt, die in der Vorrichtung erfolgt, kann es nicht leicht gesteuert werden.
Wenn das Magnetfluß-Trapping auftritt, kann die Josephson- Vorrichtung nur mit Schwierigkeiten optimal arbeiten, da eine Abnahme des Josephson-Gleichstroms auftritt.
Zur Lösung dieses Problems wurde die Verwendung von Einkristallen als Supraleiterschicht in einer Josephson-Vorrichtung vom Tunneltyp versucht [IEEE Transactions on Magnetic, Bd. MAG-21, Nr. 2, S. 539 (1985)].
Bei einem Josephson- Element vom Tunneltyp, das auf der Eingabeseite Einkristalle als Supraleiter verwendet, tritt das Magnetfluß-Trapping vermutlich nicht einfach in einer Richtung auf, und als Folge wird der Magnetfluß vollständig aus der Vorrichtung verdrängt. Wenn das Josephson-Element wie in Fig. 28 gezeigt ausgebildet ist, wobei ein Einkristall-Supraleiter 131 als untere supraleitende Schicht verwendet und darauf eine Tunnelsperrschicht 113 und eine obere supraleitende Schicht 112 angeordnet werden, ergibt sich der unvermeidliche Nachteil, daß der Leckstrom, das heißt der elektrische Strom, der ohne Hilfe des Josephson-Effektes durch die Störstellen in der Tunnelsperrschicht 113 oder im Anschlußteil der Tunnelsperrschicht 113 strömt, ähnlich wie bei der oben genannten strahlungsempfindlichen Vorrichtung zunimmt. Selbst beim Josephson-Element stellt der Leckstrom ein ernsthaftes Problem dar, da die Wahrscheinlichkeit des fehlerhaften Betriebs der Vorrichtung zunimmt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Bereitstellung einer neuen strahlungsempfindlichen Vorrichtung, die sowohl neu als auch ohne die oben genannten Probleme aus dem Stand der Technik ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer strahlungsempfindlichen Vorrichtung, die einen supraleitenden Tunnelübergang verwendet, der einer deutlichen Vergrößerung der Oberfläche des Supraleiters dient, der als Absorptionsmittel für die Energie einer Strahlung oder eines Photons dienen soll.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer strahlungsempfindlichen Vorrichtung mit einem supraleitenden Tunnelübergang, die eine geringe elektrostatische Kapazität besitzt und einen hohen Wirkungsgrad beim Nachweis einer Strahlung oder eines Photons zeigt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer strahlungsempfindlichen Vorrichtung mit einem supraleitenden Tunnelübergang, die sich durch den Sammlungsgrad der angeregten Elektronen auszeichnet, wobei sie nur einen geringen Leckstrom hat, und die eine hohe Auflösungskapazität zeigt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Josephson-Vorrichtung vom Tunneltyp, die das Einfangen des Magnetflusses nicht ohne weiteres verursacht.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang bereitgestellt, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter umfaßt, wobei die strahlungsempfindliche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Teil der Tunnelsperrschicht aus einem dünnwandigen Teil gebildet ist, das aus einem Isolator mit einer Dicke von 0,5 bis 10 nm (5 bis 100 Å) oder einem Halbleiter mit einer Dicke von 0,5 bis 100 nm (5 bis 1000 Å) hergestellt ist, und der andere Teil der Sperrschicht aus einem dickwandigen Teil gebildet ist, das aus einem Isolator oder einem Halbleiter hergestellt ist, dessen Dicke mindestens das Doppelte der Dicke des dünnwandigen Teils beträgt; wobei das dünnwandige Teil diskontinuierlich oder kontinuierlich gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht verteilt ist; und das dünnwandige Teil eine kleinere Gesamtoberfläche als das dickwandige Teil hat.
Vorzugsweise werden jeder oder beide Supraleiter, die auf beiden Seiten der Tunnelsperrschicht angeordnet sind, jeweils gebildet, indem zwei oder mehr supraleitende Schichten mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert werden, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht umso geringer ist, je näher die supraleitende Schicht zur Tunnelsperrschicht ist.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang bereitgestellt, die die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter umfaßt, wobei die strahlungsempfindliche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Teil der Tunnelsperrschicht als dünnwandiges Teil ausgebildet ist, das aus einem Isolator mit einer Dicke von 0,5 bis 10 nm (5 bis 100 Å) oder einem Halbleiter mit einer Dicke von 0,5 bis 100 nm (5 bis 1000 Å) hergestellt ist, und der andere Teil der Sperrschicht aus einem dickwandigen Teil gebildet ist, das aus einem Isolator oder einem Halbleiter hergestellt ist, dessen Dicke mindestens das Doppelte der Dicke des dünnwandigen Teils beträgt; wobei das dünnwandige Teil diskontinuierlich oder kontinuierlich gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht verteilt ist; und das dünnwandige Teil eine kleinere Gesamtoberfläche als das dickwandige Teil hat.
Beim ersten Aspekt der Erfindung kann der Supraleiter vorzugsweise gebildet werden, indem zwei oder mehr supraleitende Schichten mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert werden, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht umso geringer ist, je näher die supraleitende Schicht zur Tunnelsperrschicht ist.
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung hat als erster und zweiter Aspekt der Erfindung eine Tunnelsperre, die aus einem dünnwandigen Teil und einem dickewandigen Teil gebildet ist.
Es ist ausschließlich das dünnwandige Teil der Tunnelsperrschicht, das die angeregten Elektronen aufgrund des Tunneleffektes leiten kann. Im Gegensatz dazu kann das dünnwandige Teil die angeregten Elektronen nicht leiten, obwohl es eine geringere elektrostatische Kapazität als das dünnwandige Teil aufweist. Indem das dünnwandige Teil mit einer Gesamtoberfläche gebildet wird, die geringer als die des dickwandigen Teils ist (und zwar indem nicht mehr als die Hälfte der Oberfläche der Tunnelsperre dem dünnwandigen Teil zugeordnet wird), kann somit der Anstieg der elektrostatischen Kapazität aufgrund einer größeren Oberfläche der Vorrichtung eingeschränkt werden. Indem das dünnwandige Teil gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht verteilt wird, kann außerdem der Abstand von der Stelle der Anregung der Elektronen in der supraleitenden Schicht bis zum dünnwandigen Teil der Tunnelsperrschicht in einem genügend kleinen, festgelegten Bereich gehalten werden, der keinen Bezug auf die Position der Anregung innerhalb des Supraleiters hat.
Vorteilhafterweise kann die supraleitende Schicht nach dem zweiten Aspekt oder eine der supraleitenden Schichten nach dem ersten Aspekt aus einer supraleitenden Einkristallschicht gebildet werden; eine polykristalline supraleitende Schicht mit einer Dicke von nicht mehr als der Hälfte der Dicke der supraleitenden Einkristallschicht wird auf der supraleitenden Einkristallschicht in dem Abschnitt ausgebildet, der zumindest mit dem dünnwandigen Teil der Tunnelsperrschicht zusammenhängt, und die supraleitende polykristalline Schicht grenzt an die Tunnelsperrschicht an.
Besonders bevorzugt kann diese supraleitende Einkristallschicht gebildet werden, wenn zwei oder mehr supraleitende Einkristalischichten mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert werden, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht umso geringer ist, je näher die supraleitende Einkristallschicht zur Tunnelsperrschicht ist.
Das dünnwandige Teil der Tunnelsperrschicht kann nach jedem beschriebenen Aspekt aus einem Isolator mit einer Dicke von 0,5 bis 3 nm (5 bis 30 Å) hergestellt sein, und das dickwandige Teil der Tunnelsperrschicht kann aus einem Isolator oder einem Halbleiter hergestellt sein, dessen Dicke nicht weniger als das Fünffache der Dicke des dünnwandigen Teils beträgt.
Die Gesamtoberfläche der Tunnelsperrschicht (S), die Gesamtoberfläche des dünnwandigen Teils (S&sub1;), der Höchstwert einer Anzahl von Abständen (die jeweils die kürzesten linearen Abstände in der gleichen waagerechten Ebene von allen entsprechenden willkürlichen Punkten auf dem dickwandigen Teil zum dünnwandigen Teil sind) erfüllen folgende Ungleichung:
0 < 1 < ( S - S&sub1; )/ π
Nach dem dritten Aspekt der Erfindung wird eine supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang bereitgestellt, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter umfaßt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der supraleitende Tunnelübergang in der Reihenfolge des zunehmenden Abstands von der Eingabeseite der Vorrichtung eine untere supraleitende Einkristalischicht, eine polykristalline supraleitende Schicht mit einer Dicke von nicht mehr als der Hälfte der Dicke der unteren supraleitenden Einkristallschicht, eine Tunnelsperrschicht aus einem Material, das sich vom Material der polykristallinen supraleitenden Schicht unterscheidet, und eine obere supraleitende Schicht umfaßt.
Nach dem vierten Aspekt der Erfindung wird eine supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang bereitgestellt, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter umfaßt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der supraleitende Tunnelübergang in der Reihenfolge des zunehmenden Abstands von der Eingabeseite der Vorrichtung eine untere supraleitende Einkristalischicht, eine polykristalline Halbleiterschicht mit einer Dicke von nicht mehr als der Hälfte der Dicke der unteren supraleitenden Einkristallschicht, eine Tunnelsperrschicht aus einem Material, das sich vom Material der polykristallinen Haibleiterschicht unterscheidet, und eine obere supraleitende Schicht umfaßt.
Die untere supraleitende Einkristallschicht kann nach dem nach dem dritten oder vierten Aspekt der Erfindung vorzugsweise gebildet werden, indem zwei oder mehr supraleitende Einkristalischichten mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert werden, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht umso geringer ist, je näher die supraleitende Einkristalischicht zur Tunnelsperrschicht ist.
Nach der bevorzugtesten Ausführungsform des dritten Aspektes der Erfindung ist die untere supraleitende Einkristallschicht dicker als die magnetische Eindringtiefe, wodurch der Fühler ein Josephson-Element vom Tunneltyp bildet.
Wir, die Erfinder, haben sorgfältige Untersuchungen vorgenommen, um die Ursache für den hohen Leckstrom zu finden, an dem eine Vorrichtung mit Tunnelübergang möglicherweise leidet, die wie oben beschrieben durch direktes Überlagern einer Tunnelsperrschicht und einer oberen supraleitenden Schicht auf einem Einkristall-Supraleiter gebildet wird. Wir haben somit die Schlußfolgerung gezogen, daß der hohe Leckstrom der Tatsache zugeschrieben werden kann, daß der Versuch zur Herstellung einer Tunnelsperrschicht auf einem Einkristall-Supraleiter leicht einen Film erzeugt, der ungleichmäßig ist, und in dem reichliche nadelfeine Löcher vorhanden sind, wie es nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Wir haben festgestellt, daß eine Tunnelübergangsstruktur, die nur einen geringen Leckstrom erleidet und eine sehr zufriedenstellende Leistung zeigt, erhalten wird, wenn eine polykristalline supraleitende Schicht mit geringer Dicke auf einer supraleitenden Einkristallschicht ausgebildet wird und außerdem darauf eine Tunnelsperrschicht und eine obere supraleitende Schicht angeordnet werden. Die so hergestellte strahlungsempfindliche Vorrichtung kombiniert somit die sehr befriedigende Qualität eines eingeschränkten Leckstroms mit einer hohen Leistung beim Sammeln der angeregten Elektronen als Signalladungen aufgrund der hohen mittleren freien Weglänge der angeregten Elektronen in der supraleitenden Einkristallschicht. Aus dem gleichen Grund kombiniert das auf gleiche Weise hergestellte Josephson-Element die sehr zufriedenstellende Qualität des eingeschränkten Leckstroms mit der Einschränkung, die dem auftretenden Magnetfluß-Trapping aufgrund der Verwendung des Einkristall-Supraleiters auferlegt wird.
In dieser Beschreibung sollte das Wort "Eingabeseite der Vorrichtung" als die Seite interpretiert werden, auf der die Elektronen angeregt werden.
Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: einen Querschnitt, der die typische Struktur der ersten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigt;
Fig. 2: eine Draufsicht der gleichen Struktur;
Fig. 3: einen Querschnitt, der den Verteilungszustand der angeregten Elektronen in der gleichen Struktur auf typische Weise darstellt;
Fig. 4 bis 6: Draufsichten, die andere typische Strukturen der ersten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigen;
Fig. 7 bis 10: Querschnitte, die weitere typische Strukturen der ersten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigen;
Fig. 11: einen Querschnitt, der eine weitere typische Struktur der ersten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigt;
Fig. 12: einen Querschnitt, der eine typische Struktur der zweiten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigt;
Fig. 13: einen Querschnitt, der den Verteilungszustand der angeregten Elektronen in der Struktur von Fig. 12 auf typische Weise darstellt;
Fig. 14 und 15: Querschnitte, die weitere typische Strukturen der zweiten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigen;
Fig. 16: einen Querschnitt, der eine typische Struktur der dritten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigt;
Fig. 17 und 18: Querschnitte, die weitere typische Strukturen der dritten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigen;
Fig. 19a bis 19d: Querschnitte, die das Verfahrensschema der Herstellung der ersten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigen, die in einem Arbeitsbeispiel genannt ist;
Fig. 20: eine Draufsicht der in diesem Arbeitsbeispiel hergestellten Vorrichtung;
Fig. 21 und 22: Querschnitte, die das Verfahrensschema bei der Herstellung der zweiten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigen, die in einem Arbeitsbeispiel aufgeführt ist;
Fig. 23: einen Querschnitt, der die typische Struktur einer herkömmlichen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigt;
Fig. 24: eine Draufsicht der herkömmlichen Vorrichtung;
Fig. 25: einen Querschnitt, der eine weitere typische Struktur einer herkömmlichen strahlungsempfindlichen Vorrichtung zeigt;
Fig. 26: einen Querschnitt, der den Verteilungszustand der angeregten Elektronen in der in Fig. 25 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung auf typische Weise zeigt;
Fig. 27: einen Querschnitt, der den Verteilungszustand der angeregten Elektronen in der in Fig. 23 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung auf typische Weise zeigt;
Fig. 28: einen Querschnitt, der den Verteilungszustand der angeregten Elektronen in einer herkömmlichen Vorrichtung auf typische Weise darstellt, die einen Einkristall-Supraleiter verwendet;
Fig. 29: einen Querschnitt, der den Zustand der Tunnelsperrschicht auf typische Weise zeigt, die auf dem polykristallinen Supraleiter ausgebildet ist;
Fig. 30: einen Querschnitt, der den Zustand der Tunnelsperrschicht auf typische Weise zeigt, die auf dem Einkristall-Supraleiter ausgebildet ist;
Fig. 31a und 31b: graphische Darstellungen, die die Strom/Spannungs-Charakteristik eines herkömmlichen supraleitenden Tunnelübergangs zeigt, der einen Nb-Einkristallfilm als unteren Supraleiter verwendet; wobei Fig. 31a einen Übergang darstellt, bei dem Al und Nb für die obere Elektrode durch Zerstäubung gebildet sind, und Fig. 31b einen Übergang zeigt, bei dem Al und Nb für die obere Elektrode durch Vakuumverdampfung gebildet sind;
Fig. 32: eine graphische Darstellung, die die Strom/Spannungs-Charakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, die in einem Arbeitsbeispiel genannt ist;
Fig. 33: eine Mikroaufnahme, die das RHEED-Diagramm eines Al-Films zeigt, der auf einem Nb-Einkristallfilm ausgebildet ist;
Fig. 34: eine Aufnahme, die das RHEED-Diagramm eines Nb- Einkristallfilms zeigt;
Fig. 35: eine graphische Darstellung, die die Temperaturabhängigkeit der Größenordnung des Stroms bei 1 mV einer herkömmlichen Vorrichtung und eines typischen Beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
Fig. 36: eine graphische Darstellung, die die Meßimpulshöhe des Röntgenspektrums bei 5,9 KeV mit der herkömmlichen Vorrichtung zeigt, die nach dem SNEP- Verfahren hergestellt wurde; und
Fig. 37: eine graphische Darstellung, die die Meßimpulshöhe des Röntgenspektrums bei 5,9 KeV mit der Vorrichtung zeigt, die die vorliegende Erfindung verkörpert und nach dem SNIP-Verfahren hergestellt wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
Fig. 1 ist ein Querschnitt, der die typische Struktur der strahlungsempfindlichen Vorrichtung als erste Ausführungsform der Erfindung zeigt, und Fig. 2 ist eine Draufsicht der gleichen Struktur.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte strahlungsempfindliche Vorrichtung besitzt eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter, die eine Tunnelsperrschicht 13 aufweist, die über der gesamten Übergangsoberfläche zwischen dem Supraleiter 11, der als untere Elektrone dienen soll, und dem Supraleiter 12 angeordnet ist, der als Gegenelektrode dienen soll. Die Tunnelsperrschicht 13 besteht aus einem dünnwandigen Teil 14, das aus einem dünnen Isolator oder Halbleiter hergestellt ist, und einem dickwandigen Teil 15, das aus einem dicken Isolator oder Halbleiter hergestellt ist.
Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung der ersten Ausführungsform der Erfindung liegt die Dicke des dünnwandigen Teils 14 der Tunnelsperrschicht 13 im Bereich von 0,5 bis 10 nm (5 bis 100 Å), vorzugsweise 0,5 bis 3 nm (5 bis 30 Å), wenn der Teil aus einem Isolator hergestellt ist, oder im Bereich von 0,5 bis 100 nm (5 bis 1000 Å), vorzugsweise 1 bis 10 nm (10 bis 100 Å), falls das Teil aus einem Halbleiter hergestellt ist. Der Grund für diesen bestimmten Bereich der Dicke liegt darin, daß die gleichmäßige Herstellung des dünnwandigen Teils 14 des Films im wesentlichen nicht einfach ist, wenn die Dicke des dünnwandigen Teils unter der Untergrenze dieses Bereichs liegt, und der Durchgang der Elektronen aufgrund des Tunneleffektes beim dünnwandigen Teil 14 nicht erreicht wird, wenn die Dicke die Obergrenze dieses Bereichs übersteigt.
Die Dicke des dünnwandigen Teils 15 in der Tunnelsperrschicht 13 beträgt nicht weniger als das Doppelte, vorzugsweise nicht weniger als das Fünffache der des Isolators oder des Halbleiters, der das oben genannte dünnwandige Teil 14 bildet. Der Grund für diese Untergrenze der Dicke liegt darin, daß sich die elektrostatische Kapazität pro Oberflächeneinheit des dünnwandigen Teils 15 nicht deutlich von der des Isolators oder des Halbleiters unterscheidet, der das dünnwandige Teil 14 bildet, und der Sinn der Bereitstellung des dickwandigen Teils 15 nicht erreicht wird, wenn die Dicke weniger als das Zweifache der des dünnwandigen Teils 14 beträgt.
Die Gesamtoberfläche des dünnwandigen Teils 14 ist geringer als die des dickwandigen Teils 15. Der Grund für die Bedingung, daß die Gesamtoberfläche des dünnwandigen Teils 14 bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform dieser Erfindung kleiner als die des dickwandigen Teils 15 sein sollte, liegt darin, daß die elektrostatische Kapazität der Vorrichtung, wenn die Gesamtoberfläche des dünnwandigen Teils 14 größer als die des dickwandigen Teils 15 ist, nicht die Hälfte der einer Vorrichtung erreicht, deren Tunnelsperrschicht 13 allein aus einem dünnen Isolator oder Halbleiter hergestellt ist, und deshalb der Vorteil, der sonst durch die Bereitstellung der Tunnelsperrschicht 13 mit dem dünnwandigen Teil 14 und dem dickwandigen Teil 15 bei der Verhinderung der steigenden elektrostatischen Kapazität als Folge der zunehmenden Oberfläche erreicht wird, nicht entstehen würde.
Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten typischen Struktur ist das dünnwandige Teil 14 aus einer Anzahl kleiner quadratischer Stücke hergestellt, die über die gesamte Tunnelsperrschicht 13 im wesentlichen gleichmäßig angeordnet sind. Somit muß die erste erfindungsgemäße strahlungsempfindliche Vorrichtung ein dünnwandiges Teil 14 aufweisen, das im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht 13 verteilt ist, damit der Sammlungsgrad der angeregten Elektronen oder Elektronenlöcher im dünnwandigen Teil 14 verbessert wird, das als wesentliche Tunnelsperre dient. Das Muster, mit dem die quadratischen Teilstücke des dünnwandigen Teils 14 angeordnet sind, ist nicht auf das in Fig. 2 gezeigte begrenzt. Die quadratischen Stücke des dünnwandigen Teils 14 können so in der Tunnelsperrschicht 13 ausgebildet sein, daß sie diskontinuierlich oder kontinuierlich in einem veränderlichen Muster angeordnet sind, sofern der Abstand von einer gegebenen Stelle, an der die Elektronenanregung auf dem Supraleiter 11 (oder dem Supraleiter 12) durch die Absorption der Strahlung oder des Photons erfolgt, bis zum nächsten dünnwandigen Teil 14 im gewünschten Bereich liegt. Sie können zum Beispiel in einem der in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Muster angeordnet sein.
In diesem Zusammenhang muß außerdem die Bedingung der folgenden Gleichung erfüllt werden
1 < ( S - S&sub1; )/ π
wobei S die Gesamtoberfläche der Tunnelsperrschicht 13 bedeutet, S&sub1; die. Gesamtoberfläche des dünnwandigen Teils 14 bedeutet, und 1 den Höchstwert des kürzesten linearen Abstandes von einem gegebenen Punkt auf der Tunnelsperrschicht bis zum dünnwandigen Teil 14 darstellt. Der Grund für diese besondere Bedingung liegt darin, daß die dünnwandige Schicht 14 unter der Bedingung 1 ≥ ( S - S&sub1; )/ π nur schwer als im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht 13 verteilt bezeichnet werden kann, da die Bedingung 1 = ( S - S&sub1; )/ π erfüllt wird, wenn das dünnwandige Teil 14 der Gesamtoberfläche S&sub1; in Form einer kreisförmigen Figur in der Mitte der Tunnelsperrschicht 13 mit einer kreisförmigen Figur mit der Gesamtfläche S angeordnet ist.
Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung mit der in den Fig. 1 und 2 gezeigten typischen Struktur sind der Supraleiter 11 und der Supraleiter 12 jeweils als laminierte Struktur gezeigt, die aus zwei Schichten besteht. Insbesondere umfaßt der Supraleiter 11 eine erste supraleitende Schicht 16 auf der Außenseite und eine zweite supraleitende Schicht 17, die eine kleinere Energielücke als die erste supraleitende Schicht 16 aufweist und auf der inneren Seite angeordnet ist, wobei beides auf die Tunnelsperrschicht 13 bezogen ist. Der Supraleiter 12 umfaßt in ähnlicher Weise eine erste supraleitende Schicht 18 auf der Außenseite und eine zweite supraleitende Schicht 19, die eine kleinere Energielücke als die erste supraleitende Schicht 18 aufweist, auf der Innenseite, wobei beides auf die Tunnelsperrschicht 13 bezogen ist. Die Tatsache, daß die Supraleiter bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung jeweils aus mindestens zwei supraleitenden Schichten mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke gebildet sind, die so überlagert sind, daß die Größenordnung der Energielücke mit kleiner werdenden Abständen der supraleitenden Schichten von der Tunnelsperrschicht abnimmt, ist in Anbetracht eines besseren Sammlungsgrades der angeregten Elektronen im dünnwandigen Teil der Tunnelsperrschicht aufgrund des Trapping-Effektes erwünscht. Die angeregten Elektronen, die als Folge der Absorption von Strahlung oder eines Photons in der äußeren supraleitenden Schicht erzeugt werden, werden im Inneren der äußeren supraleitenden Schicht verteilt und in die innere supraleitende Schicht geleitet und anschließend aufgrund des hohen Unterschiedes der Energielücke in der inneren supraleitenden Schicht eingefangen, ohne daß sie merklich in die äußere supraleitende Schicht zurückgeleitet werden, und sie werden in der Nähe des dünnwandigen Teils der Tunnelsperrschicht kontinuierlich eingefangen.
Bei der erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung müssen jedoch nicht beide Supraleiter 11 und 12 in der Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter-Struktur als laminierte Struktur ausgebildet sein, wie es bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten typischen Struktur der Fall ist. Ein Supraleiter 11 allein kann zum Beispiel in einer überlagerten Struktur ausgebildet sein (die aus der ersten supraleitenden Schicht 16, die eine hohe Energielücke aufweist und auf der Außenseite angeordnet ist, und der zweiten supraleitenden Schicht 17 besteht, die eine kleine Energielücke aufweist und auf der Innenseite angeordnet ist - jeweils auf die Tunnelsperrschicht 13 bezogen), und der andere Supraleiter 12 kann als einschichtige Struktur ausgebildet sein, wie es bei der in den Fig. 7, 8 und 10 gezeigten typischen Struktur der Fall ist. Andererseits können beide Supraleiter 11 und 12 jeweils als einschichtige Struktur ausgebildet sein, wie es bei der in Fig. 9 gezeigten typischen Struktur der Fall ist. Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung ist es ausschließlich innerhalb des dünnwandigen Teils 14 der Tunnelsperrschicht 13 der Fall, daß die angeregten Elektronen aufgrund des Tunneleffektes geleitet werden. Wenn der Supraleiter 11 (oder der Supraleiter 12) die oben beschriebene laminierte Struktur annehmen, wird somit ein äußerst hoher Trapping-Effekt erhalten, selbst wenn die zweite supraleitende Schicht 17 nur in dem Abschnitt ausgebildet ist, der mit dem dünnwandigen Teil 14 zusammenhängt, wie es bei der in Fig. 8 gezeigten typischen Struktur der Fall ist.
Fig. 3 zeigt typischerweise die Art und Weise, in der die Strahlung oder das Photon auf die strahlungsempfindliche Vorrichtung mit der in den Fig. 1 und 2 gezeigten typischen Struktur auftrifft. Da das dünnwandige Teil 14, durch das der Durchgang der angeregten Elektronen aufgrund des Tunneleffektes erreicht wird, im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht 13 verteilt ist, und der kürzeste Abstand von einer gegebenen Position auf dem Supraleiter 11 bis zum dünnwandigen Teil 14 wie oben beschrieben ist, wenn die angeregten Elektronen 21 durch Absorption von Strahlung oder eines Photons 20 an jeder Position der ersten supraleitenden Schicht 16 des Supraleiters 11 erzeugt werden, ist die erforderliche Zeit, damit die angeregten Elektronen 21 durch Diffusion von der ersten supraleitenden Schicht zur zweiten supraleitenden Schicht gelangen und möglicherweise das dünnwandige Teil 14 erreichen, reichlich kurz und gleichmäßig.
Die Materialien, die für die Herstellung des Supraleiters 11 und des Supraleiters 12 bei der ersten erfindungsgemäßen strahlungsempfindlichen Vorrichtung verwendet werden können, umfassen insbesondere Aluminium, Indium, Zinn, Blei, Tantal, Niob, Vanadium, Nb&sub3;Sn, Nb&sub3;Ge, Nb&sub3;Al, Nb&sub3;Ga, NbN, Nb&sub3;Alo,75Geo,25, Nb0,55Ti0,45, V&sub3;Ga, V&sub3;Si, ein Pb&sub1;Mo5,1S&sub6;(SN)x-Hochpolymer und Oxidsupraleiter.
Die Materialien, die für die Bildung der Tunnelsperrschicht 13 (dünnwandiges Teil 14 und dickwandiges Teil 15) verwendbar sind, umfassen Oxide der oben aufgeführten supraleitenden Materialien, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Indiumoxid, Zinnoxid, Bleioxid, Tantaloxid, Nioboxid und Siliciumdioxid. Natürlich können Isolatoren verwendet werden, die von den Oxiden dieser supraleitenden Materialien verschieden sind. Halbleiter wie Si, Ge, GaAs, und InSb sind ebenfalls verwendbar.
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform dieser Erfindung, die die oben beschriebene Struktur besitzt, kann durch Verfahren zur Herstellung dünner Filme, wie Bedampfen im Vakuum, Zerstäuben, ein Züchtungsverfahren in der Dampfphase, und durch Lithographieverfahren hergestellt werden, wobei die oben aufgeführten Materialien verwendet werden. Diese Herstellung erfolgt zum Beispiel, indem ein dünner Film des obengenannten supraleitenden Materials durch Bedampfung im Vakuum auf dem Substrat ausgebildet wird, wobei die Gesamtoberfläche des dünnen Films spontan oxidieren kann, wodurch die isolierende Schicht gebildet wird, die als dünnwandiges Teil der Tunnelsperrschicht dienen soll; danach wird gegebenenfalls ein dünner Film eines supraleitenden Materials durch Bedampfen im Vakuum gebildet, das als Teilschicht der Gegenelektrode dienen soll; anschließend wird durch ein Lithographieverfahren ein Resistfilm gebildet, der Teil, der nicht mit dem Resistfilm bedeckt ist, wird durch ein Anodenoxidationsverfahren oxidiert, wodurch eine isolierende Schicht gebildet wird, die als dünnwandiges Teil der Tunnelsperrschicht dienen soll (die isolierende Schicht, die durch Anodenoxidation gebildet wurde, erstreckt sich durch spontane Oxidation ausreichend unter der isolierenden Schicht, und der dünne Film des supraleitenden Materials, das als untere Elektrode dienen soll, wird nicht über die gesamte Dicke dieser Schicht oxidiert), wodurch eine Tunnelsperrschicht entsteht, die aus einem dünnwandigen Teil und einem dickwandigen Teil besteht und das gewünschte Muster aufweist; der Resistfilm wird entfernt und danach wird zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum ein dünner Film des supraleitenden Materials gebildet, das als Teilschicht der Gegenelektrode dienen soll. Das Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße strahlungsempfindliche Vorrichtung ist nicht auf das eben beschriebene Verfahren begrenzt. Für die Herstellung des dünnwandigen Teils und des dickwandigen Teils der Tunnelsperrschicht können zum Beispiel das Verfahren, das die Bildung einer Schicht des isolierenden Materials oder eines Halbleitermaterials auf der gesamten Oberfläche umfaßt, oder das teilweise Abdecken durch ein Verfahren zur Herstellung dünner Filme gewählt werden, zum Beispiel das Bedampfen im Vakuum.
Die bisherige Beschreibung betrifft eine supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang mit der Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter. Wenn einer der Supraleiter des supraleitenden Tunnelübergangs das Hauptabsorptionsmittel für die Strahlung oder das Photon darstellt, soll der andere Supraleiter allein die angeregten Elektronen abziehen und kann deshalb ein Halbleiter sein, der eine dem Supraleiter ähnliche Energielücke besitzt. Deshalb umfaßt die supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang nach der ersten Ausführungsform dieser Erfindung Vorrichtungen, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunsperre/Halbleiter aufweisen.
Bei einer weiteren typischen Struktur besitzt die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform dieser Erfindung eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter, die wie in Fig. 11 gezeigt eine Tunnelsperrschicht 13 aufweist, die über dem gesamten Übergang zwischen dem Supraleiter 11, der als untere Elektrode dienen soll, und dem Halbleiter 22 angeordnet ist, der als Gegenelektrode dienen soll. Die Tunnelsperrschicht 13 ist ähnlich wie beim entgegengesetzten Typ der obengenannten Vorrichtung mit der Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter aus einem dünnwandigen Teil 14, das aus einem dünnen Isolator oder Halbleiter hergestellt ist, und einem dickwandigen Teil 15 aufgebaut, das aus einem dicken Isolator oder Halbleiter hergestellt ist. Das Verhältnis zwischen dem dünnwandigen Teil 14 und dem dickwandigen Teil 15 bezüglich Dicke und Zusammensetzung ist ähnlich dem, das vorstehend für die Vorrichtung mit der Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter beschrieben wurde.
Auch bei der Vorrichtung mit der Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter kann in Anbetracht eines besseren Sammlungsgrades der angeregten Elektronen im dünnwandigen Teil der Tunnelsperrschicht aufgrund des Trapping-Effektes der Supraleiter, der auf einer Seite der Tunnelsperrschicht angeordnet ist, aus zwei oder mehr supraleitenden Schichten mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke bestehen, die so überlagert sind, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht umso geringer ist, je die supraleitende Schicht zur Tunnelsperrschicht ist. Bei der in Fig. 11 gezeigten typischen Struktur umfaßt zum Beispiel der Supraleiter 11 die erste supraleitende Schicht 16 auf der Außenseite, und die zweite supraleitende Schicht 17, die eine kleinere Energielücke als die erste supraleitende Schicht 16 aufweist, auf der Innenseite, dies ist jeweils auf die Tunnelsperrschicht 13 bezogen. Übrigens kann der auf der anderen Seite der Tunneisperre angeordnete Halbleiter in der gleichen Weise wie oben beschrieben aus zwei oder mehr Haibleiterschichten mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke bestehen.
Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung, die durch die erste Ausführungsform dieser Erfindung in Betracht gezogen wird und die oben beschriebene Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter besitzt, sind die Materialien, die für die Bildung des Supraleiters 11 und der Tunnelsperrschicht 13 (die aus dem dünnwandigen Teil 14 und dem dickwandigen Teil 15 besteht) verwendet werden können, die gleichen wie jene für die oben beschriebenen Gegenstücke der strahlungsempfindlichen Vorrichtung mit der Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter. Die für die Bildung des Halbleiters 12 verwendbaren Materialien umfassen zum Beispiel insbesondere Si, Ge, GaAs und InSb. Das Verfahren, das für die Herstellung der strahlungsempfindlichen Vorrichtung dieser Struktur verwendet wird, ist das gleiche wie oben beschrieben.
Fig. 12 ist ein Querschnitt, der die typische Struktur der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Die in Fig. 12 gezeigte strahlungsempfindliche Vorrichtung besitzt eine, Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter, bei der die Tunnelsperrschicht 13 über den gesamten Übergang zwischen dem unteren Supraleiter 11 und dem oberen Supraleiter 12 angeordnet ist. Der untere Supraleiter 12 besteht aus einer supraleitenden Einkristallschicht 23 und einer polykristallinen supraleitenden Schicht 24, die auf der Schicht 23 gelagert ist. Die Tunnelsperrschicht 13 wird deshalb auf der polykristallinen supraleitenden Schicht 24 gebildet.
Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung, die als zweite Ausführungsform dieser Erfindung betrachtet wird und die oben beschriebene Struktur hat, darf die Dicke der polykristallinen supraleitenden Schicht 24 nicht mehr als die Hälfte, vorzugsweise nicht mehr als ein Zehntel der der supraleitenden Einkristallschicht 23 betragen. Der Grund für diese besondere Obergrenze der Dicke liegt darin, daß selbst wenn die Dicke der polykristallinen supraleitenden Schicht 24 über den beschriebenen Wert anwächst oder die Dicke der supraleitenden Einkristallschicht 23 unter diesen Wert sinkt, nicht erwartet werden kann, daß der Sammlungsgrad der angeregten Elektronen als Signalentladungen zunimmt.
Fig. 13 zeigt auf typische Weise die Art, in der die Strahlung oder das Photon 20 auf die strahlungsempfindliche Vorrichtung mit der in Fig. 12 gezeigten typischen Struktur auftrifft. Da der Abschnitt, in dem die angeregten Elektronen 21 durch das Auftreffen der Strahlung oder des Photons 20 erzeugt werden, wie oben beschrieben aus der supraleitenden Einkristallschicht 23 gebildet ist, und die polykristalline supraleitende Schicht 24, die auf der supraleitenden Schicht 23 angeordnet ist, eine geringe Wanddicke hat, wird vermutlich die Durchschnittszeit, die für den Abschluß der Durchtunnelung der angeregten Elektronen 21 notwendig ist, verkürzt, und die Möglichkeit, daß angeregte Elektronen 21 als Signale entnommen werden, wird deutlich verbessert.
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung schränkt außerdem das ansonsten mögliche Auftreten eines Leckstroms merklich ein, da die Tunnelsperrschicht 13 nicht direkt auf der supraleitenden Einkristallschicht 23 ausgebildet ist, sondern auf der polykristallinen supraleitenden Schicht 24 gelagert ist, die bereits auf der supraleitenden Einkristallschicht 23 ausgebildet ist.
Insbesondere weist die Vorrichtung mit einem Tunnelübergang, der gebildet wird, indem die Tunnelsperrschicht 113 und die obere supraleitende Schicht 112 wie oben beschrieben direkt auf den Einkristall-Supraleiter 131 übereinander angeordnet werden (Fig. 28), einen zu starken Leckstrom auf, um sie wirksam als strahlungsempfindliche Vorrichtung mit hoher Auflösung zu verwenden. Die hier genannten Erfinder führten eine sorgfältige Untersuchung mit dem Ziel durch, die Ursache für diesen hohen Leckstrom zu finden. Somit wurde folgende Schlußfolgerung gezogen. Wenn die Tunnelsperrschicht 113 mit sehr geringer Dicke (im allgemeinen nicht mehr als 10 nm) zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum auf dem polykristallinen Supraleiter 111 gebildet wird, wie es in Fig. 29 gezeigt ist, bewegen sich die Atome oder Moleküle, die die obere Seite des Supraleiters 111 erreicht haben, nicht merklich entlang der Oberfläche des polykristallinen Supraleiters 111, sondern werden sofort darauf fixiert, wodurch ein gleichmäßiger Film entsteht, da im polykristallinen Supraleiter 111 zahlreiche Korngrenzen 130 vorhanden sind. Dieses Phänomen hängt natürlich von der Kombination der Substanz des Supraleiters 111 und der Substanz der Tunnelsperrschicht 113 ab. Wenn der Tunnelübergang durch Auflegen der Tunnelsperrschicht auf den polykristallinen Supraleiter gebildet wird, wie es vorstehend beschrieben wurde, erreicht die hergestellte Übergangsstruktur leicht die gewünschte Qualität, die nur einen schwachen Leckstrom zeigt. Da die Oberfläche des Supraleiters 131 im Größenmaßstab der Atome eben und gleichmäßig ist, wird jedoch in Betracht gezogen, daß zu Beginn der Bildung der Tunnelsperrschicht 113 auf dem Einkristall-Supraleiter 131 sich die Atome und Moleküle, die auf der Oberfläche landen, leicht auf der Oberfläche bewegen und zuerst ein Wachstum in Form von Inseln erreichen, und daß diese Inseln möglicherweise in Form eines Films wachsen, wenn die Menge der an der Oberfläche haftenden Atome und Moleküle zunimmt, und der Film eine ungleichmäßige Struktur annimmt und reichlich nadelfeine Löcher vorhanden sind. Deshalb beinhaltet die Bildung des Übergangs in diesem Fall leicht ein Anwachsen des Leckstroms.
Anhand der in einem Versuch erhaltenen Ergebnisse, der später ausführlich beschrieben wird, zeigte das Bild der Reflexionselektronenbeugung (RHEED) (Fig. 33) eines Al-Films, der im Vakuum mit einer Dicke von etwa 10 nm auf einen Nb-Einkristallfilm aufgedampft wurde, ein Einkristallmuster mit unebener Oberfläche, das sich deutlich vom ringförmigen Profil unterscheidet, das beim RHEED eines Al-Films erscheint, der im Vakuum auf einen üblichen polykristallinen Nb-Film aufgedampft wurde. Diese Tatsache zeigt, daß Al in Form von Inseln zu Kristallen gewachsen ist, oder daß die darunterliegenden Einkristalle von Nb nicht vollständig von den gewachsenen Al-Kristallen bedeckt wurden. Aus diesem Grund ist der Leckstrom in einem Übergang, der durch Überlagern eines Nb-Films auf eine Schicht von spontan oxidiertem Al hergestellt wurde, deutlich schlechter als der eines Übergangs, der den üblichen polykristallinen Supraleiter verwendet (Fig. 31a und 31b). Im Gegensatz dazu ist bei der Vorrichtung mit der durch die zweite Ausführungsform dieser Erfindung in Betracht gezogenen Struktur, die durch Bildung eines dünnen polykristallinen Nb- Films auf einem Nb-Einkristallfilm, Aufdampfen von Al im Vakuum, anschließendes Oxidieren der Al-Oberfläche, wodurch die Tunnelsperrschicht entsteht, und weiteres Überlagern mit einem Nb-Film als oberer Supraleiter hergestellt wird, der Leckstrom extrem niedrig und vorteilhaft mit dem einer herkömmlichen Vorrichtung vergleichbar, die nur polykristalline Supraleiter verwendet (Fig. 32 und Fig. 35). Die in diesem Fall verwendete Vorrichtung wird durch Verwendung von Supraleitern aus Nb und einer Tunnelsperrschicht aus Al mit oxidierter Oberfläche hergestellt. Es ist klar, daß die Struktur der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung in großem Umfang für andere Kombinationen verwendet werden kann. Wenn eine Tunnelsperrschicht, die ein unzureichendes Gitter zeigt, um mit dem Einkristallsubstrat zusammenzupassen, mit einer Dicke von nicht mehr als 10 nm auf dem Substrat gebildet wird, hat die Tunnelsperrschicht, die in den Tunnelübergang eingebracht wurde, schnell einen starken Leckstrom, da der Film im allgemeinen dazu neigt, in Form von Inseln zu wachsen und eine ungleichmäßige Struktur zu bilden. In diesem Zusammenhang ist es nur erforderlich, daß nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung ein Tunnelübergang gebildet wird, indem auf dem Einkristall-Supraleiter aus einer Substanz, die sich von der Substanz der Tunnelsperrschicht unterscheidet, ein Film eines polykristallinen Supraleiters gebildet wird, der zu einem Film wachsen kann (der die gleiche Substanz wie der Einkristall-Supraleiter sein kann), und die Tunnelsperrschicht darauf gelagert wird.
Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Struktur des oberen Supraleiters 12 nicht kritisch. Während es ausreicht, daß der obere Supraleiter 12 mit einem Supraleiter gebildet wird, ist es natürlich zulässig, daß dieser obere Supraleiter mit einer solchen Struktur hergestellt wird, die dem unteren Supraleiter 11 ähnlich ist, eine polykristalline supraleitende Schicht mit geringer Dicke auf der Seite angeordnet wird, die zur Tunnelsperrschicht 13 hin freigelegt ist, und darauf die supraleitende Einkristallschicht angeordnet wird.
Die Fig. 14 und 15 zeigen weitere typische Strukturen der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Damit der Trapping-Effekt für die angeregten Elektronen verbessert wird, besteht der untere Supraleiter bei jeder dieser Strukturen aus einer ersten supraleitenden Einkristallschicht 25, einer zweiten supraleitenden Einkristallschicht 26, die eine kleinere Energielücke als der erste Einkristall-Supraleiter 25 aufweist, und einer polykristallinen supraleitenden Schicht 24, die in der Reihenfolge des zunehmenden Abstandes von der Tunnelsperrschicht 13 getrennt angeordnet sind, und der obere Supraleiter 12 besteht aus einer ersten supraleitenden Schicht 18 auf der Außenseite und einer zweiten supraleitenden Schicht 19 mit kleinerer Energielücke, die auf der Innenseite angeordnet ist, dies ist jeweils auf die Tunnelsperrschicht 13 bezogen.
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt ähnlich wie die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der oben beschriebenen ersten Ausführungsform eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter (nicht gezeigt).
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung mit dieser Struktur kann unter Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung eines dünnen Films hergestellt werden, zum Beispiel das Bedampfungsverfahren im Vakuum, das Zerstäubungsverfahren oder das Züchtungsverfahren in der Dampfphase, wobei das gleiche Material verwendet wird, wie es bei der vorangegangenen Beschreibung der ersten Ausführungsform besonders erwähnt wurde. Diese Herstellung kann zum Beispiel erfolgen, wenn der Einkristall-Supraleiter der vorangegangenen Beschreibung zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum auf dem Substrat gebildet wird, anschließend durch Bedampfen im Vakuum oder Zerstäubung darauf ein dünner Film eines polykristallinen Supraleiters gelegt wird, im Anschluß daran in ähnlicher Weise durch Bedampfen im Vakuum oder Zerstäuben auf dem dünnen Film des polykristallinen Supraleiters eine Substanz abgeschieden wird, die der Bildung der Tunnelsperrschicht dient, die gesamte Oberfläche der abgeschiedenen Schicht spontan oxidieren kann und zu einer isolierenden Schicht wird, und danach zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum eine obere supraleitende Schicht gebildet wird. Das Verfahren zur Herstellung der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Verfahren begrenzt.
Fig. 16 zeigt einen Querschnitt, der die typische Struktur der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
Die in Fig. 16 gezeigte strahlungsempfindliche Vorrichtung weist eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter auf, wobei die Tunnelsperrschicht 13 über den gesamten Übergang zwischen dem Supraleiter 11, der die untere Elektrode bilden soll, und dem Supraleiter 12 angeordnet ist, der die Gegenelektrode bilden soll. Diese Tunnelsperrschicht 13 besteht aus einem dünnwandigen Teil 14, das aus einem dünnen Isolator oder Halbleiter hergestellt ist, und einem dickwandigen Teil 15, das aus einem dicken Isolator oder Halbleiter hergestellt ist. Der untere Supraleiter 11 besteht aus einer supraleitenden Einkristallschicht 23 und einer darauf gelagerten polykristallinen supraleitenden Schicht 24. Die Tunnelsperrschicht 13 (zumindest ihr dünnwandiges Teil 14) ist auf der polykristallinen supraleitenden Schicht 24 ausgebildet.
Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung ist das Verhältnis zwischen dem dünnwandigen Teil 14 und dem dickwandigen Teil 15 der Tunnelsperrschicht 13 in bezug auf Dicke und Anordnung das gleiche, wie es oben bezüglich der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben wurde. Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach dieser dritten Ausführungsfgrm sind das Verhältnis zwischen der supraleitenden Einkristallschicht 23 und der polykristallinen supraleitenden Schicht 24 des unteren Supraleiters bezüglich Dicke und dergleichen das gleiche wie es oben bezüglich der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben wurde.
Bei der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform muß der Abschnitt, in dem die polykristalline supraleitende Schicht 24 des unteren Supraleiters 12 ausgebildet ist, nur den Abschnitt einschließen, in dem die supraleitende Schicht 24 an zumindest das dünnwandige Teil 14 der Tunnelsperrschicht 13 angrenzt, wie es oben beschrieben ist. Der Grund für diese Bedingung ist der, daß ein Strukturfehler des Films, der schnell die Ursache für den Leckstrom bildet, im dickwandigen Teil 15 nicht ohne weiteres auftritt, das eine ausreichende Dicke aufweist, selbst wenn die Tunnelsperrschicht 13 aus einer Substanz hergestellt ist, die ein ungenügendes Gitter zeigt, um mit der supraleitenden Einkristallschicht 24 zusammenzupassen.
Fig. 17 und Fig. 18 zeigen weitere typische Strukturen der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform. Damit der Trapping-Effekt für die angeregten Elektronen verbessert wird, besteht der untere Supraleiter 11 bei jeder dieser Strukturen aus einer ersten supraleitenden Einkristallschicht 25, einer zweiten supraleitenden Einkristallschicht 26, die eine kleinere Energielücke als die erste supraleitende Einkristallschicht 25 aufweist, und einer polykristallinen supraleitenden Schicht 24, die in der Reihenfolge des zunehmenden Abstandes von der Tunnelsperrschicht 13 getrennt angeordnet sind, und der obere Supraleiter 12 besteht aus der ersten supraleitenden Schicht 18 auf der äußeren Seite und der zweiten supraleitenden Schicht 19 mit kleinerer Energielücke, die auf die inneren Seite angeordnet ist, dies ist beides auf die Tunnelsperrschicht 13 bezogen.
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung umfaßt ähnlich wie die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der ersten oben beschriebenen Ausführungsform eine strahlungsempfindliche Vorrichtung, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter besitzt (nicht gezeigt).
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung, die diese Struktur besitzt, zeigt tatsächlich hervorragende Eigenschaften, die auf dem Synergismus zwischen den strukturellen Vorzügen der oben genannten ersten und zweiten Ausführungsform beruhen. Da der Abschnitt, in dem die angeregten Elektronen durch das Auftreffen einer Strahlung oder eines Photons erzeugt werden, aus der supraleitenden Einkristallschicht gebildet wird, und die darauf gelagerte polykristalline supraleitende Schicht dünn ist, haben die angeregten Elektronen im Einkristall- Supraleiter eine hohe mittlere freie Weglänge. Deshalb wird die zum Abschluß der Durchtunnelung erforderliche Durchschnittszeit verkürzt. Da das dünnwandige Teil, durch das die angeregten Elektronen aufgrund des Tunneleffektes strömen können, im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht verteilt ist, und der kürzeste Abstand von einer gegebenen Position auf dem unteren Supraleiter bis zum dünnwandigen Teil innerhalb eines festgelegten Bereichs liegt, ist außerdem die Zeit, die die angeregten Elektronen aufgrund der Diffusion benötigen, um das dünnwandige Teil zu erreichen, ausreichend kurz und einheitlich, dabei spielt es keine Rolle, wo die Elektronen in der supraleitenden Einkristallschicht des unteren Supraleiters angeregt werden. Die Wahrscheinlichkeit, mit der die angeregten Elektronen als Signale entnommen werden, wird somit deutlich verbessert, und Schwankungen der Einschwingzeit und der Impulshöhe der Signale aufgrund der Stelle des Auftreffens werden auf geringe Werte begrenzt. Außerdem besitzt mindestens das dünnwandige Teil der Tunnelsperrschicht eine einheitliche Struktur und erzeugt nur spärlich Leckstrom, da es nicht auf der supraleitenden Einkristallschicht sondern auf der supraleitenden dünnwandigen polykristallinen Schicht gebildet ist, die auf der supraleitenden Einkristallschicht liegt.
Die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung, die diese Struktur besitzt, kann unter Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung eines dünnen Films, zum Beispiel das Bedampfungsverfahren im Vakuum, das Zerstäubungsverfahren, oder ein Züchtungsverfahren in der Dampfphase und ein Lithographieverfahren hergestellt werden, wobei das gleiche Material verwendet wird, wie es in der vorangegangenen Beschreibung für die strahlungsempfindliche Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform besonders aufgeführt ist. Diese Herstellung erfolgt zum Beispiel durch Bilden einer supraleitenden Einkristallschicht, zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum, auf dem Substrat, anschließendes Auflegen eines dünnen Films des polykristallinen Supraleiters, zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum oder Zerstäuben, auf der supraleitenden Einkristallschicht, Aufbringen eines Materials, das das dünnwandige Teil der Tunnelsperrschicht bilden kann, in ähnlicher Weise durch Bedampfen im Vakuum oder Zerstäubung, Ermöglichen der spontanen Oxidation der aufgebrachten Materialschicht und Entstehen einer isolierenden Schicht, die als dünnwandiges Teil der Tunnelsperrschicht dienen soll, anschließende wahlfreie Bildung einer Schicht eines supraleitenden Materials, das eine Teilschicht der, Gegenelektrode bilden soll, zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum, anschließende Bildung eines Resistfilms durch ein Lithographieverfahren, Ermöglichen der Oxidation des nicht mit dem Resistfilm bedeckten Abschnittes durch ein Anodenoxidationsverfahren, wodurch eine isolierende Schicht gebildet wird, die als dickwandiges Teil der Tunnelsperrschicht dienen soll (die isolierende Schicht durch diese Anodenoxidation erstreckt sich durch die oben genannte spontane Oxidation reichlich unter die isolierende Schicht, und das supraleitende Material, das die untere Elektrode bilden soll, wird nicht über die Dicke dieser Schicht oxidiert), und somit Entstehung einer Tunnelsperrschicht, die aus einem dünnwandigen Teil und einem dickwandigen Teil besteht und das gewünschte Muster aufweist, Entfernen des Resistfilms, und weitere Bildung eines dünnen Films eines supraleitenden Materials, das eine Teilschicht der Gegenelektrode bilden soll, zum Beispiel durch Bedampfen im Vakuum. Das Verfahren zur Herstellung der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der dritten Ausführungsform dieser Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Verfahren begrenzt.
Die Übergangsstruktur im Josephson-Element nach der vierten Ausführungsform dieser Erfindung ist im wesentlichen mit der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung identisch.
Insbesondere besitzt das Josephson-Element nach der vierten Ausführungsform dieser Erfindung eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter, die eine Tunnelsperrschicht 13 aufweist, die über den gesamten Übergang zwischen dem unteren Supraleiter 11 und dem oberen Supraleiter 12 angeordnet ist, wie es. in Fig. 12 gezeigt ist. Bei dieser Struktur besteht der untere Supraleiter 12 aus einer supraleitenden Einkristallschicht 23 und einer polykristallinen supraleitenden Schicht 24, und deshalb wird die Tunnelsperrschicht 13 auf der polykristallinen supraleitenden Schicht 24 gebildet.
Beim Josephson-Element nach der vierten Ausführungsform dieser Erfindung, das diese Struktur aufweist, muß die supraleitende Einkristallschicht 23 eine Dicke aufweisen, die die magnetische Eindringtiefe übersteigt, damit sie ein Magnetfeld abschirmen kann.
Da die Wahrscheinlichkeit, daß die Vorrichtung Leckstrom erzeugt, aus dem gleichen Grund wie oben bei der vorangegangenen Beschreibung der strahlungsempfindlichen Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform beschrieben in deutlichem Maße eingeschränkt ist, bewirkt das herzustellende Josephson-Element nach der vierten Ausführungsform der Erfindung eine deutliche Einschränkung für das aufgrund des Einkristall-Supraleiters auftretende Einfangen des Magnetflusses und zeigt eine gute Leistung.

BEISPIELE

Zur ausführlicheren Darstellung der vorliegenden Erfindung werden folgende Beispiele aufgeführt, die nur erläuternd und die Erfindung in keiner Weise einschränkend sein sollen.

Versuch 1: Erläuterung der Ansprechgeschwindiakeit der Vorrichtung

Für die Herstellung einer Vorrichtung, die durch die erste Ausführungsform dieser Erfindung in Betracht gezogen wird (Beispiel) wurde ein Nb-Film 42 mit einer Dicke von 500 nm (5000 Å) als erste supraleitende Schicht des unteren Supraleiters auf ein Glassubstrat 41 aufgebracht, außerdem wurde ein Al-Film 43 mit einer Dicke von 50 nm (500 Å) durch Zerstäubung darauf als einfangende supraleitende Schicht aufgebracht, danach wurde die Oberfläche des Al-Films 43 in einer Vakuumvorrichtung unter Einführung von Sauserstoffgas bei Raumtemperatur spontan oxidiert, wodurch ein AlOx-Film 44 mit einer Dicke von 2 bis 3 nm (20 bis 30 Å) entstand, der als Tunnelsperre gedacht war (dünnwandige Schicht), und außerdem wurden darauf kontinuierlich durch Zerstäubung ein Al-Film 45 mit einer Dicke von 50 nm (500 Å), der als einfangende supraleitende Schicht gedacht war, und ein Nb-Film 46 mit einer Dicke von 20 nm (200 Å) aufgebracht.
Danach wurde die anodisch oxidierte Schicht 48, die das dickwandige Teil der Tunnelsperrschicht bilden soll, wie in Fig. 19b gezeigt durch Bildung eines Resistfilms 47 durch ein Lithographieverfahren hergestellt, so daß sie nur den Abschnitt bedeckte, in dem das dünnwandige Teil der Tunnelsperrschicht gebildet werden soll, und der Abschnitt, der nicht mit dem Resistfilm 47 bedeckt war, wurde der Anodenoxidation unterzogen. Der anodisch oxidierte Film 48 wurde sorgfältig hergestellt, so daß der Film ausreichend unter dem AlOx-Film 48 wuchs und der Al-Film 43 nicht vollständig oxidierte.
Danach wurde der Resistfilm entfernt, die Oberfläche wurde durch Ar-Zerstäubung in einer Vakuumvorrichtung gereinigt, und ein Nb-Film 49 mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) wurde auf der oberen Oberfläche der laminierten Struktur durch Bedampfen im Vakuum gebildet, wie es in Fig. 19c gezeigt ist.
Schließlich wurde der resultierende Laminatverbund durch Lithographie und reaktives Ionenätzen zu der Vorrichtung mit der Struktur verarbeitet, die in Fig. 19d gezeigt ist, und ein Nb-Film 51 für die obere Leitungsführung wurde durch Bedampfen im Vakuum darauf abgeschieden.
Fig. 20 ist eine Draufsicht, die die so hergestellte Vorrichtung zeigt. Bei dieser Vorrichtung bestand der Teil des AlOx- Films 44, der als dünnwandiges Teil verblieb, aus neun Bauteilen, die gleichmäßig über die gesamte Vorrichtung verteilt waren. Diese Bauteile hatten jeweils eine Oberfläche von 0,0009 mm². Die gesamte Oberfläche der Vorrichtung (ausschließlich der oberen Leiterführung 51 und der unteren Leiterführung 52) betrug 0,0729 mm².
Die Dicke des Abschnittes des anodisch oxidierten Films 48 betrug etwa 100 nm (1000 Å), und die Dicke des Abschnittes des AlOx-Films 44 betrug 2 bis 3 nm (20 bis 30 Å). Da die elektrostatische Kapazität eines Films dieser Art pro Oberflächeneinheit der Dicke des Films umgekehrt proportional ist, wurde die elektrostatische Kapazität der Vorrichtung im wesentlichen ausschließlich durch den Abschnitt des AlOx- Films 44 bestimmt, der als dünnwandiges Teil dienen soll und eine Gesamtoberfläche von 0,0081 mm² aufweist, obwohl die Oberfläche des Abschnitts des anodisch oxidierten Films 48 von 0,0648 mm² 89 % der Gesamtoberfläche des Fühlers ausmacht.
Im Falle einer Vorrichtung, die eine Gesamtoberfläche der Vorrichtung von 0,0729 mm² (0,27 mm im Quadrat) aufwies und einen AlOx-Filmabschnitt enthielt, der als dünnwandiges Teil dienen soll und eine Gesamtoberfläche von 0,081 mm² aufweist und selbst ein nicht getrenntes quadratisches Stück darstellt, das in der Mitte der Vorrichtung angeordnet ist (nachfolgend als "Vorrichtung der Kontrolle 1" bezeichnet), müssen die Elektronen oder Elektronenlöcher, die in den Ecken der Vorrichtung angeregt werden, beim Erreichen des dünnwandigen Teils der Tunnelsperrschicht über einen linearen Abstand von mindestens 126 µm diffundieren. Im Gegensatz dazu müssen bei der Vorrichtung von Beispiel 1 selbst die Elektronen oder Elektronenlöcher, die in den Ecken der Vorrichtung angeregt werden, über einen linearen Abstand von 42 µm diffundiert werden. Da der Diffusionsweg nur im Verhältnis zur 0,5. Potenz der Zeit zunimmt, führt dieser dreifache Unterschied der Diffusionslänge zu einem äußerst hohen Unterschied bezüglich der Ansprechgeschwindigkeit der Vorrichtung und der Einschwingzeit und der Größenordnung des Signals aufgrund der Position, an der die Strahlung oder das Photon auftrifft.
Um diesen Unterschied wirklich festzustellen, wurden die oben genannte Vorrichtung von Beispiel 1 und von Kontrolle 1 in ihrer gesamten Oberfläche gleichmäßig einem Impulslaserstrahl (Impulsbreite 200 ns) ausgesetzt, und die Ansprechzeit dieser Vorrichtungen wurde verglichen. Es wurde somit festgestellt, daß die Einschwingzeit des Signals bei der Vorrichtung von Beispiel 1 400 ns betrug, verglichen mit 600 ns bei der Vorrichtung bei der Kontrolle 1. Die Tatsache, daß das Verhältnis der Einschwingzeit des Signals zwischen diesen beiden Vorrichtungen etwa 1,5:1 betrug, kann durch die Voraussetzung logisch erklärt werden, daß die Impulsbreite selbst des für die Bestrahlung verwendeten Impulslaserstrahls 200 ns betrug und die Signale durch die durchschnittliche Diffusion der Elektronen oder Elektronenlöcher, die in den Ecken der Vorrichtung angeregt wurden, und die Elektronen oder Elektronenlöcher erzeugt wurden, die im mittleren Teil der Vorrichtung angeregt wurden, da die gesamten Oberflächen der Vorrichtungen gleichmäßig dem Impulsstrahl ausgesetzt werden. Es wird vermutet, daß das Verhältnis der Einschwingzeit ausschließlich für die Signale viel höher ist, die auf Elektronen oder Elektronenlöchern beruhen, die in den Ecken der Vorrichtung angeregt wurden.
Die Größenordnung des Peaks der Signale in der Vorrichtung von Beispiel 1, die bei diesem Versuch erfaßt wurden, betrug etwa das 1,3fache der der Vorrichtüng der Kontrolle 1, dies spiegelt die Bedingung wieder, daß der Anteil der angeregten Elektronen und Elektronenlöcher, die im Verlauf des Anstiegs des Signals zur Wiedervereinigung gebracht werden, im Verhältnis zur längeren Einschwingzeit zunimmt. Bezüglich der Größenordnung der Signale wird natürlich erwartet, daß das Größenverhältnis nur für die Signale aufgrund der in den Ecken der Vorrichtung angeregten Elektronen oder Elektronenlöcher viel höher ist.
Durch den erfindungsgemäßen Versuch wurde nachgewiesen, daß die strahlungsempfindliche Vorrichtung, die die erfindungsgemäße Struktur besitzt, hervorragende Eigenschaften hat. Es wurde außerdem festgestellt, daß selbst dann, wenn die gesamte Oberfläche des dünnwandigen Teils festgelegt wird, das als wesentliche Tunnelsperre wirkt, stärker erwünschte Ergebnisse erhalten werden, wenn die Oberfläche jedes Bauteils des dünnwandigen Teils verringert wird, die Anzahl dieser Bauteile erhöht wird und die Bauteile gleichmäßig über die gesamte Vorrichtung verteilt sind.

Versuch 2: Erläuterung des Leckstroms in der Vorrichtung (1)

Die Vorrichtung, die durch die zweite Ausführungsform dieser Erfindung in Betracht gezogen wird (Beispiel 2), wurde wie folgt hergestellt.
Als Substrat 61 wurde ein Einkristall-Saphir mit der Ebene (1 02) verwendet. Dieses Substrat 61 wurde in eine Verdampfungsvorrichtung mit ultrahohem Vakuum gegeben, die einen Vakuumgrad von etwa 133 10&supmin;¹&sup0; Pa (1 x 10&supmin;¹&sup0; Torr) erreichen kann, und auf etwa 700 ºC erwärmt, wobei die Heizvorrichtung hinter dem Substrat 61 angeordnet war. Ein Rohblock aus Nb wurde in einen wassergekühlten Schmelztiegel aus Kupfer gegeben und erwärmt, indem seine Oberfläche einem Elektronenstrahl ausgesetzt wurde, wodurch die Verdampfung von Nb im Vakuum erfolgte. Der Nb-Film 62 wurde somit auf dem Saphirsubstrat 61 abgeschieden und wuchs zu einem Einkristallfilm, dies wurde durch ein Diagramm der Reflexionselektronenbeugung (RHEED) gezeigt, das in Fig. 34 dargestellt ist. Dieser Film hatte eine Dicke von etwa 600 nm.
Das resultierende Verbundmaterial wurde anschließend aus der Vakuumbedampfungsvorrichtung entnommen und in eine Zerstäubungsvorrichtung gegeben, die mit Nb- und Al-Zerstäubungstargets ausgestattet war. In der Zerstäubungsvorrichtung wurde das Verbundmaterial (Substrat) mit Wasser auf nahezu Raumtemperatur gekühlt (etwa 20 ± 10ºC). In der Zerstäubungsvorrichtung wurde die Oberfläche des Nb-Films 62 durch Umkehrzerstäubung mit Ar bis zu einer Tiefe von etwa 3 nm geätzt, wodurch der Nb-Film 62 eine reine Oberfläche erhält. Danach wurden auf dem Verbundmaterial durch Zerstäubung ein Nb-Film 63 mit einer Dicke von 20 nm und ein Al-Film mit etwa 10 nm übereinander aufgebracht. Anschließend wurde die Oberfläche des Al-Films in der Zerstäubungsvorrichtung spontan mit Sauerstoffgas mit etwa 133 Pa (1 Torr) oxidiert, das in die Vorrichtung eingeführt wurde, wodurch der AlOx-Al-Film 64 erhalten wurde. Darauf wurde durch Zerstäubung ein polykristalliner Nb-Film 65 mit einer Dicke von etwa 200 nm als oberer Supraleiter aufgebracht. Der Zustand dieser Schichtbildung ist in Fig. 21 gezeigt.
Es wurde eine Vorrichtung mit dem in Fig. 22 gezeigten Aufbau hergestellt, indem das Produkt, das durch die obengenannte Überlagerung entsteht, auf der gesamten Oberfläche des Saphirsubstrats einer Feinbearbeitung durch SNIP (selbsteingestelltes Niobisolationsverfahren) unterzogen wurde. Der Nb- Film für die obere Leiterführung 71 wurde ebenfalls durch Zerstäubung aufgebracht. Die untere Leiterführung wurde durch Bearbeitung des Nb-Einkristallfilms gebildet. Die Breite des Leiters betrug 20 µm. Die Übergangsfläche betrug 80 µm x 80 µm. In Fig. 22 bezeichnet die Bezugsziffer 70 einen SiO- Film, der als isolierende Zwischenschicht dient.
Zum Vergleich wurden zwei Vorrichtungen wie folgt hergestellt (Kontrolle 2 und 3).
Bei der Herstellung der Vorrichtung der Kontrolle 2 wurde zuerst in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 ein Nb-Einkristallfilm gebildet, und ein Al-Film mit einer Dicke von etwa 10 nm wurde durch Zerstäubung direkt darauf aufgebracht, danach folgte das umgekehrte Zerstäuberreinigen mit Ar, ohne daß in der Zwischenzeit darauf ein polykristalliner Nb-Film worden war. Dann wurde der resultierende Verbundkärper nach der Ausführung von Beispiel 2 in eine Zerstäubungsvorrichtung gegeben, die Oberfläche des Al-Films wurde spontan oxidiert, indem in die Vorrichtung Sauerstoffgas mit etwa 1 Torr eingeführt wurde, und darauf wurde ein Nb-Film mit einer Dicke von etwa 200 nm durch Zerstäuben als oberer Supraleiter aufgebracht. Das resultierende Produkt der Überlagerung wurde der Feinbearbeitung durch das SNIP-Verfahren unterzogen, wodurch die Vorrichtung hergestellt wurde.
Bei der Herstellung der Vorrichtung der Kontrolle 3 wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 ein Nb-Einkristallfilm hergestellt, und ein Al-Film mit einer Dicke von etwa 10 nm wurde durch Vakuumbedampfung in der gleichen Vakuumbedampfungsvorrichtung direkt aufgebracht, ohne daß in der Zwischenzeit darauf ein polykristalliner Nb-Film gebildet worden war. Die RHEED des Verbundmaterials, das durch Bedampfen eines Al-Films im Vakuum auf diesen Nb-Einkristallfilm erhalten worden war, ist in Fig. 33 gezeigt. Schließlich wurde die Oberfläche des Al-Films spontan oxidiert, und es wurde ein Nb-Film mit einer Dicke von etwa 200 nm durch Vakuumbedampfung als oberer Supraleiter aufgebracht. Der resultierende Verbundkörper wurde einer Feinbehandlung durch das SNIP-Verfahren unterzogen, wodurch die Vorrichtung hergestellt wurde.
Die Vorrichtungen von Beispiel 2 und der Kontrollen 2 und 3, die wie oben beschrieben erhalten worden waren, wurden einer Prüfung der Strom/Spannungs-charakteristik bei 4,2 K unterzogen. Die Ergebnisse sind in Fig. 32 und in den Fig. 31a und b gezeigt.
Aus den Fig. 31a und b ist deutlich ersichtlich, daß bei den Vorrichtungen der Kontrollen 2 und 3, bei denen die Tunnelsperrschicht direkt auf den Einkristall-Supraleiter aufgebracht worden war, der Strom bei einer Spannung von nicht mehr als etwa 2 mV so hoch war, daß er einen hohen Leckstrom enthielt. Diese Eigenschaften sind jenen der Vorrichtungen deutlich unterlegen, die einen üblichen polykristallinen Supraleiter verwenden. Im Gegensatz dazu war der bei 4,2 K erkennbare Leckstrom bei der Vorrichtung von Beispiel 2 gleich oder geringer als der einer Vorrichtung, die nur herkömmliches polykristallines Nb verwendet.

Versuch 3: Erläuterung des Leckstroms in der Vorrichtung (2)

Für eine bewußtere Untersuchung des Leckstroms ist es von Vorteil, wenn die Temperatur der Probe verringert wird. Die Ursache liegt darin, daß der elektrische Strom, der durch den Tunneleffekt der thermisch angeregten Elektronen fließt, durch Verringerung der Temperatur abnimmt, wohingegen der Leckstrom nicht temperaturabhängig ist.
Die oben beschriebene Vorrichtung von Beispiel 2 wurde sogar auf die Temperaturabhängigkeit der Größenordnung des elektrischen Stroms bei 1 mV untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 35 gezeigt.
Als herkömmliche Vorrichtungen, die zum Vergleich verwendet werden sollen, wurden die Vorrichtung mit der Struktur aus polykristallinem Nb-Film/AlOx-Film/polykristallinem Nb-Film durch das SNIP-Verfahren (Kontrolle 4) und die Vorrichtung mit der Struktur aus polykristallinem Nb-Film/AlOx-Film/polykristallinem Nb-Film (Kontrolle 5) durch das SNEP-Verfahren (selektives Niob-Ätzverfahren) hergestellt. Diese Vorrichtungen wurden auf ähnliche Weise auf die Temperaturabhängigkeit der Größenordnung des elektrischen Stroms bei 1 mV untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 35 gezeigt. Bei den Vorrichtungen der Kontrolle 4 und der Kontrolle 5 hatten die Nb- Filme eine Dicke von etwa 200 nm, und die AlOx-Filme hatten eine Dicke von etwa 2 - 3 nm.
Es wurde somit festgestellt, daß der Leckstrom in der Vorrichtung von Beispiel 2, die dieser Erfindung entspricht, beträchtlich geringer als der der Vorrichtung von Kontrolle 4 war, wie es in Fig. 35 gezeigt ist, und gleich oder geringer als der der Vorrichtung von Kontrolle 5 war, die nach dem SNEP-Verfahren hergestellt worden war, das auf die Anodenoxidation zurückgreift, die den Leckstrom an der Seite des Übergangs verringern kann. Diese Ergebnisse können durch die Annahme logisch erklärt werden, daß bei der Vorrichtung von Beispiel 2 der darauf gebildete Al-Film nicht in Form von Inseln gewachsen war, und daß der Nb-Einkristallfilm, der epitaktisch auf dem Saphirsubstrat gewachsen war, eine so hohe mechanische Festigkeit aufwies, daß das schnelle auftreten von Störstellen auf der Innenoberfläche der Tunnelsperre oder in Seitenteilen der Tunnelsperre im Verlauf der Feinformung ausgeschlossen war, da die Oberfläche des Nb-Einkristallfilms mit einem polykristallinen Nb-Film bedeckt war.
Übrigens war bei den oben beschriebenen Vorrichtungen der Kontrolle 2 und 3, bei denen die Tunnelsperrschicht direkt auf dem Einkristall-Supraleiter lag (nicht gezeigt), die Größenordnung des Stroms nur wenig verringert, wenn die Temperatur in der oben beschriebenen Weise gesenkt wurde. Diese Tatsache unterstützt die Ergebnisse von Versuch 2.

Versuch 4: Erläuterung der Strahlungsempfindlichkeitskapazität der Vorrichtung

Für eine direkte Untersuchung des Einflusses dieser Erfindung auf die Leistung der strahlungsempfindlichen Vorrichtung wurden die Vorrichtung von Beispiel 2, die der Behandlung mit dem SNIP-Verfahren unterzogen worden war, die Vorrichtung von Kontrolle 4, die auf ähnliche Weise einer Behandlung mit dem SNIP-Verfahren unterzogen worden war, und die Vorrichtung der Kontrolle 5, die einer Behandlung mit dem SNEP-Verfahren unterzogen worden war, getrennt einem Röntgenstrahl mit etwa 5,9 KeV ausgesetzt, und die folglich von den Vorrichtungen abgegebenen Signale wurden in Spektren der Impulshöhe überführt. Bei diesem Versuch wurden die Vorrichtungen konstant auf 0,4 K abgekühlt.
Bei der Vorrichtung der Kontrolle 4, und zwar einer herkömmlichen Vorrichtung, die der Behandlung mit dem SNIP-Verfahren unterzogen worden war, wurde kein erkennbares Signal festgestellt, selbst wenn die Oberfläche der Vorrichtung auf 20 µm x 20 µm verringert wurde, um den Leckstrom zu vermindern. Das Signal durch Röntgenstrahlen war, falls es erzeugt worden war, geringer als die Störung und konnte deshalb nicht von der Störung unterschieden werden.
Bei der Vorrichtung der Kontrolle 5, und zwar einer herkömmlichen Vorrichtung, die der Behandlung durch das SNEP-Verfahren unterzogen worden war, konnte das Signal durch Röntgenstrahlen bei einer Oberfläche der Vorrichtung von 20 µm x 20 µm von der Störung unterschieden werden. Diese Verbesserung des Signals kann durch die Annahme logisch erklärt werden, daß der Leckstrom bei dieser Vorrichtung geringer als der bei einer herkömmlichen Vorrichtung war, die der Behandlung durch das SNIP-Verfahren unterzogen worden war, wie es in Fig. 35 gezeigt ist. Das Spektrum der Impulshöhe ist in Fig. 36 gezeigt. Die Grtßenordnung der elektrischen Ladung des Signals durch Röntgenstrahlung, d.h. die Größenordnung des Signals, das dem Peak des Spektrums der Impulshöhe entspricht, betrug etwa das Zehnfache einer herkömmliche strahlungsempfindlichen Halbleitervorrichtung, die Si oder Ge verwendet. Die so in Form von Signalen gewonnene elektrische Ladung betrug noch ca. 1 Hundertstel der theoretisch geschätzten Größenordnung der angeregten Elektronen, die durch den Röntgenstrahl in Nb erzeugt worden waren, dies weist darauf hin, daß die angeregten Elektronen nicht effizient als Signalladung abgeführt worden waren.
Im Gegensatz dazu wurde bei der Vorrichtung von Beispiel 2, die der vorliegenden Erfindung entspricht, ein Spektrum der Impulshöhe erhalten, das in Fig. 37 gezeigt ist, wenn die Oberfläche der Vorrichtung 80 µm x 80 µm betrug. Da die Verstärkungsverhältnisse der verwendeten Signalverstärker unterschiedlich waren, entsprechen gleiche Kanalzahlen nicht gleichen Signalgrößen zwischen der waagerechten Achse der Fig. 36 und der waagerechten Achse der Fig. 37. In beiden Spektren glichen die Werte des Peaks entlang der waagerechten Achse 5,9 kev. Fig. 37 zeigt sichtlich bessere S/N-Verhältnisse (Verhältnis von Signalgröße/Störgröße) als Fig. 36. Im Falle des Spektrums der Fig. 37 betrug die Größenordnung der elektrischen Ladung des Signals durch Röntgenstrahlung das 150- bis 180ache der der herkömmlichen strahlungsempfindlichen Halbleitervorrichtung, die Si oder Ge verwendet, und etwa das 20fache der einer herkömmlichen Vorrichtung, die einer Behandlung durch das SNEP-Verfahren unterzogen worden war.

Claims

1. Supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter umfaßt, wobei die strahlungsempfindliche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Teil der Tunnelsperrschicht (13) aus einem dünnwandigen Teil (14) gebildet ist, das aus einem Isolator mit einer Dicke von 0,5 bis 10 nm (5 bis 100 Å) oder einem Halbleiter mit einer Dicke von 0,5 bis 100 nm (5 bis 1000 Å) hergestellt ist, und der andere Teil der Sperrschicht (13) aus einem dickwandigen Teil (15) gebildet ist, das aus einem Isolator oder einem Halbleiter hergestellt ist, dessen Dicke mindestens das Doppelte der Dicke des dünnwandigen Teils beträgt; wobei das dünnwandige Teil diskontinuierlich oder kontinuierlich gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht (13) verteilt ist; und das dünnwandige Teil (14) eine kleinere Gesamtoberfläche als das dickwandige Teil (15) hat.

2. Strahlungsempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Supraleiter (11, 12), die auf beiden Seiten der Tunnelsperrschicht angeordnet sind, jeweils gebildet sind, indem zwei oder mehr supraleitende Schichten (16, 17, 18, 19) mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert werden, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht umso geringer ist, je näher die supraleitende Schicht zur Tunnelsperrschicht ist.

3. Supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter umfaßt, wobei die strahlungsempfindliche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Teil der Tunnelsperrschicht (13) als dünnwandiges Teil (14) ausgebildet ist, das aus einem Isolator mit einer Dicke von 0,5 bis 10 nm (5 bis 100 Å) oder einem Halbleiter mit einer Dicke von 0,5 bis 100 nm (5 bis 1000 Å) hergestellt ist, und der andere Teil der Sperrschicht (13) aus einem dickwandigen Teil (15) gebildet ist, das aus einem Isolator oder einem Halbleiter hergestellt ist, dessen Dicke mindestens das Doppelte der Dicke des dünnwandigen Teils beträgt; wobei das dünnwandige Teil diskontinuierlich oder kontinuierlich gleichmäßig über die gesamte Tunnelsperrschicht (13) verteilt ist; und das dünnwandige Teil (14) eine kleinere Gesamtoberfläche als das dickwandige Teil (15) hat.

4. Strahlungsempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter (11), der auf einer Seite der Tunnelsperrschicht angeordnet ist, gebildet ist, indem zwei oder mehr supraleitende Schichten (16, 17) mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert sind, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht (11) umso geringer ist, je näher die supraleitende Schicht zur Tunnelsperrschicht (13) ist.

5. Strahlungsempfindliche Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oder eine der supraleitenden Schichten (11) aus einer supraleitenden Einkristallschicht (23) gebildet ist; eine polykristalline supraleitende Schicht (24) mit einer Dicke von nicht mehr als der Hälfte der Dicke der supraleitenden Einkristallschicht (23) in dem zumindest mit dem dünnwandigen Teil (14) der Tunnelsperrschicht zusammenhängenden Abschnitt auf der supraleitenden Einkristallschicht (23) ausgebildet ist, und die polykristalline supraleitende Schicht (24) an die Tunnelsperrschicht (13) angrenzt

6. Strahlungsempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Einkristallschicht (23) gebildet ist, indem zwei oder mehr supraleitende Einkristallschichten (25, 26) mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert sind, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht (11) umso geringer ist, je näher die supraleitende Einkristallschicht der Tunnelsperrschicht (13) ist.

7. Strahlungsempfindliche Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dünnwandige Teil der Tunnelsperrschicht (14) aus einem Isolator mit einer Dicke von 0,5 bis 3 nm (5 bis 30 Å) oder einem Halbleiter mit einer Dicke von 1 bis 10 nm (10 bis 100 Å) besteht, und der dickwandige Teil der Tunnelsperrschicht (15) aus einem Isolator oder Halbleiter hergestellt ist, dessen Dicke nicht weniger als das Fünffache der Dicke des dünnwandigen Teils (14) beträgt.

8. Strahlungsempfindliche Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung der folgenden Gleichung erfüllt wird:

0 < 1 < ( S - S&sub1; )/ π

worin S die Gesamtoberfläche der Tunnelsperrschicht bedeutet; S&sub1; die Gesamtoberfläche des dünnwandigen Teils bedeutet; den Höchstwert einer Anzahl von Abständen bedeutet, wobei die Anzahl der Abstände jeweils die kürzesten linearen Abstände in der gleichen waagerechten Ebene von allen entsprechenden willkürlichen Punkten auf dem dickwandigen Abschnitt zum dünnwandigen Teil sind.

9. Supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Supraleiter umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Tunnelübergang in der Reihenfolge des zunehmenden Abstands von der Eingabeseite der Vorrichtung eine untere supraleitende Einkristallschicht (23), eine polykristalline supraleitende Schicht (24) mit einer Dicke von nicht mehr als der Hälfte der Dicke der unteren supraleitenden Einkristallschicht, eine Tunnelsperrschicht (13) aus einem Material, das sich vom Material der polykristallinen supraleitenden Schicht unterscheidet, und eine obere supraleitende Schicht (12) umfaßt.

10. Supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang, die eine Struktur aus Supraleiter/Tunnelsperre/Halbleiter umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Tunnelübergang in der Reihenfolge des zunehmenden Abstands von der Eingabeseite der Vorrichtung eine untere supraleitende Einkristallschicht (23), eine polykristalline Halbleiterschicht (24) mit einer Dicke von nicht mehr als der Hälfte der Dicke der unteren supraleitenden Einkristallschicht, eine Tunnelsperrschicht (13) aus einem Material, das sich vom Material der polykristallinen Halbleiterschicht (12) unterscheidet, und eine obere supraleitende Schicht umfaßt.

11. Strahlungsempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die untere supraleitende Einkristallschicht (23) gebildet ist, indem zwei oder mehr supraleitende Einkristallschichten (25, 26) mit unterschiedlicher Größenordnung der Energielücke in der Weise überlagert sind, daß die Größenordnung der Energielücke der supraleitenden Schicht (11) umso geringer ist, je näher die supraleitende Einkristalischicht zur Tunnelsperrschicht (13) ist.

12. Supraleitende strahlungsempfindliche Vorrichtung mit Tunnelübergang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der unteren supraleitenden Einkristallschicht (23) größer als die magnetische Eindringtiefe ist, wodurch der Fühler eine Josephson-Vorrichtung vom Tunnel- Typ bildet.