DE69009109T2

DE69009109T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Lichtmessung.

Info

Publication number: DE69009109T2
Application number: DE69009109T
Authority: DE
Inventors: Tohru Den; Norio Kaneko; Takehiko Kawasaki; Taiko Motoi; Katsuhiko Shinjo
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-07-05
Filing date: 1990-07-04
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: EP0407166A2; EP0407166B1; US5155093A; DE69009109D1; EP0590738A1; EP0407166A3; DE69031501T2; DE69031501D1; EP0590738B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lichtmessung bzw. Lichterfassung unter Verwendung eines Supraleiters, beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lichtmessung bzw. Lichterfassung, die einen Josephson-Übergang verwenden.
Vorrichtungen zur Signalerfassung unter Verwendung eines Supraleiters, insbesondere Vorrichtungen zum Erfassen von Lichtsignalen unter Verwendung eines Supraleiters, sind bekannt [Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 23 L333 (1984)]. Solche Vorrichtungen zum Erfassen von Lichtsignalen (in Fig. 1 dargestellt) weisen einen aus einem Dünnfilm 191 eines Supraleiter-Qxids BaPb&sub0;.&sub7;Bi&sub0;.&sub3;0&sub3; (BPB0) ausgebildeten Josephson-Übergang 192 vom Mikrobrücken-Typ auf, und verwenden Änderungen des kritischen Stroms des Josephson-Übergangs, die durch die mittels einer optischen Faser 190 auf den Zonenübergang geleitete Strahlung verursacht werden. In der vorstehend beschriebenen Erfassungsvorrichtung besteht ein Lichtempfangsabschnitt 191 aus BPBO mit einer kritischen Temperatur von ungefähr 13 K. Anders ausgedrückt, es muß flüssiges Helium oder dergleichen zum Betreiben der Erfassungsvorrichtung verwendet werden. Weiterhin sind die Charakteristiken der Erfassungsvorrichtung von denen des Josephson-Übergangs abhängig.
Bei der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Erfassungsvorrichtung sind die optischen Charakteristiken (beispielsweise spektrale Charakteristiken) von den spektralen Charakteristiken des verwendeten Supraleiters abhängig, das heißt, daß die Wellenlängen des zu erfassenden Lichts durch die spektralen Charakteristiken des Supraleiters begrenzt sind, und die Signalerfassung über einen weiten Wellenlängenbereich ist schwierig.
Weiterhin ist die vorstehend beschriebene Erfassungsvorrichtung in einem Fall, in dem sie als Aufzeichnungsvorrichtung, Halbleiterspeicher oder Josephson-Speicher betrieben wird, da sie mittels eines elektrischen Signals betrieben wird, leicht durch die durch die Verdrahtungserweiterung verursachten elektrischen Störsignale zu beeinflussen.
Weiterhin ist es in einem Fall, in dem die vorstehend beschriebene Erfassungsvorrichtung mit einer großen Anzahl anderer Erfassungsvorrichtungen, wie beispielsweise in einem Bildsensor, betrieben wird, schwierig, herstellungsbedingte Änderungen der Charakteristiken der einzelnen Erfassungsvorrichtungen auszugleichen.
Durch das begrenzte Gebiet des Zonenübergangs, auf das die Strahlung gestrahlt wird, ist weiterhin eine hochgenaue Positionierung erforderlich.
Die vorstehend beschriebene herkömmliche Erfassungsvorrichtung erfordert Licht einer ausreichend hohen Intensität zum Bewirken einer ausreichenden Änderung im kritischen Strom des Josephson- Übergangs, was schwierig ist, und hat deshalb eine verschlechterte Empfindlichkeit.
Weiterhin bewirkt die Verwendung des gleichen Josephson- Übergangs als Lichtempfangsabschnitt und Lichterfassungsabschnitt Änderungen in den Charakteristiken der Vorrichtung.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 50486/1989 offenbart eine (in Fig. 2 dargestellte) Licht schaltende Vorrichtung mit einem PN-Halbleiter Lichtsignal-Erfassungsabschnitt 204, der auf einem Josephson-Übergang 203 eines auf einem Substrat 201 angeordneten Supraleiters 202 angeordnet ist. Da jedoch in einer solchen Licht schaltenden Vorrichtung der Halbleiter-Lichtsignal-Erfassungsabschnitt 204 direkt über den Josephson-Übergang 203 gelegt ist, wodurch er den ganzen Josephson-übergang abdeckt, ist die Lichtsignal-Erfassungs empfindlichkeit des Josephson-Übergangs 203 verschlechtert. Da weiterhin das Gebiet des Josephson-Übergangs 203 sehr klein und der auf dem Josephson-Übergang 203 ausgebildete Halbleiter- Lichtsignal-Erfassungsabschnitt 204 ebenfalls klein ist, ist ein Zuführen von Licht mit einem hohen Genauigkeitsgrad zu einem derart kleinen Gebiet schwierig.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lichtmessung bzw. Lichterfassung, die eine Lösung der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Probleme darstellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Lichterfassung (Lichterfassungsvorrichtung) geschaffen mit einem Signal-Eingabeabschnitt, der beim Zuführen eines Lichtsignals einen Strom erzeugt, mit einem Signal- Erfassungsabschnitt, der einen Supraleiter verwendet, der das Lichtsignal beim Injizieren des erzeugten Stroms erfaßt, und mit Elektroden, durch die der erzeugte Strom in den Supraleiter injiziert wird.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Lichterfassung kann einen einfachen Aufbau haben und eine ausgezeichnete Lichtsignal-Erfassungsempfindlichkeit aufweisen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Lichterfassung geschaffen, das die folgenden Schritte umfaßt:
Erzeugen eines Stroms durch Zuführen eines Lichtsignals zu einem Signal-Eingabeabschnitt;
Verwenden von Elektroden zum Injizieren des erzeugten Stroms in einen einen Supraleiter enthaltenden Signal- Erfassungsabschnitt; und Erfassen einer Änderung in den elektrischen Charakteristiken des Supraleiters zum Erfassen des Lichtsignals.
In den begleitenden Zeichnungen zeigen: Figuren 1 und 2 schematische Ansichten herkömmlicher Erfassungsvorrichtungen;
Figuren 3 und 4 das Prinzip der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung; und
Figuren 5 bis 9, 10 (A) und (B), 11, 12 (A) und (B), 13, 14 und 15 jeweils schematische Ansichten erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele.
Zum besseren Verständnis werden nachstehend bevorzugte Ausführungsbeispiele detailliert und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die folgende Beschreibung ist nur als Beispiel gedacht.
Das erste Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß ein Signal-Eingabeabschnitt, dem ein Lichtsignal zugeführt wird, und ein Signal-Erfassungsabschnitt, zum Erfassen des Lichtsignals, als unabhängige Einrichtungen geschaffen sind. Insbesondere sind der Signal-Eingabeabschnitt und der Signal- Erfassungsabschnitt prinzipiell aus unterschiedlichen Materialien geschaffen und haben getrennte Funktionen.
Das zweite Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Art der Anordnung des Signal-Eingabeabschnitts und des Signal- Erfassungsabschnitts. In der beschriebenen Anordnung sind der Signal-Eingabeabschnitt und der Signal-Erfassungsabschnitt getrennt angeordnet, obwohl sie mittels Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind.
Da bei der vorliegenden Erfindung der Signal-Eingabeabschnitt und der Signal-Erfassungsabschnitt als unabhängige Vorrichtungen geschaffen sind, kann der gesamte Aufbau vereinfacht und das Gebiet des Signal-Eingabeabschnitts (des Licht-Empfangsabschnitts) vergrößert werden, wodurch die Notwendigkeit der hochgenauen Positionierung des zugeführten Lichts beseitigt ist.
Da der Signal-Eingabeabschnitt aus einem Material bestehen kann, das Licht über einen weiten Wellenlängenbereich verarbeiten kann, ist weiterhin eine Begrenzung des zugeführten Lichts auf einen Wellenlängenbereich beseitigt.
Da weiterhin der Signal-Eingabeabschnitt und der Signal- Erfassungsabschnitt der vorliegenden Erfindung voneinander getrennt sind (nicht in Kontakt miteinander sind), gibt es keine Beschädigung des Signal-Erfasssungsabschnitts, beispielsweise eines Josephson-übergangs, dessen Beschädigung durch die Ausbildung des Signal-Eingabeabschnitts bedingt sein kann, wodurch eine ausgezeichnete Erfassungsempfindlichkeit erzielt werden kann.
Beim Verwirklichen der vorliegenden Erfindung kann jedes Material als Material für den Signal-Eingabeabschnitt verwendet werden, dem es möglich ist, ein in einem breiten Wellenlängenbereich liegendes Lichtsignal, einschließlich infraroten, sichtbaren und ultravioletten Lichts, zu verarbeiten, und dem es möglich ist, nach Bestrahlung mit Licht einen Strom oder eine Spannung zu erzeugen. Insbesondere sind photoleitende Materialien wünschenswert. Beispiele photoleitender Materialien, die einen großen Licht-Strombetrag erzeugen, sind lnSb, Si, GaAs, a-Si, CdS, CdSe, und Ge.
Zusätzlich zu den vorstehend aufgeführten Materialien können einen großen Licht-Strombetrag erzeugende Materialien verwendet werden, die auf dem photovoltaischen Effekt oder dem Dember- Effekt beruhen.
Beispiele von Materialien, die eine große photoelektromotorische Kraft erzeugen, sind ein PN-Übergang aus Si oder a-Si und ein Schottky-Übergang.
Jedes monokristalline oder polykristalline, supraleitfähige Material kann als Material für den Signal-Erfassungsabschnitt verwendet werden. In Bezug auf den Betrieb einer Erfassungsvorrichtung bei einer höheren Temperatur werden Materialien mit einer hohen kritischen Temperatur bevorzugt verwenden. Passende Materialien sind jene mit einer kritischen Temperatur oberhalb des Siedepunkts flüssigen Stickstoffs, der bei 77 K liegt, wie beispielweise Y-Ba-Cu-O Typ Keramiken, Bi-Sr-Ca-Cu-O Typ Keramiken, und Tl-Ba-Ca-Cu-O Typ Keramiken.
Obwohl die Erfassungsvorrichtung bei einer niedrigeren Temperatur als der kritischen Temperatur des verwendeten Supraleiters betrieben werden kann, ist unter dem Gesichtspunkt einer Verbesserung der Erfassungsempfindlichkeit eines Eingangssignals der Betrieb der Erfassungsvorrichtung bei einer Temperatur nahe der kritischen Temperatur vorzuziehen.
Der Signal-Erfassungsabschnitt kann jede Form oder jede Konfiguration aufweisen, solange seine Charakteristiken durch eine Strominjektion geändert werden können. Beispiele passender Konfigurationen schließen einen Mikrobrücken-Josephson-Übergang und einen Supraleiter-Isolator-Supraleiter (SIS) Josephson- Übergang ein. In einem Fall, in dem ein Josephson-Übergang als Signal-Erfassungsabschnitt verwendet wird, ist ein Mikrobrücken-Josephson-Übergang leichter herzustellen. Jedoch zeigt ein SIS Element eine Erfassungsempfindlichkeit, die größer ist als die eines Elements des Mikrobrücken-Typs.
Jedes ieitfähige Material kann als Material für die den Signal- Eingabeabschnitt und den Signal-Erfassungsabschnitt der vorstehend beschriebenen Anordnung der vorliegenden Erfindung elektrisch verbindenden Elektroden verwendet werden. Beispiele solcher Materialien schließen Metalle wie beispielsweise Au (Au-Cr) ein. Es gibt keine Begrenzung für die Form der Elektrode.
In der vorstehend beschriebenen Anordnung können der Signal- Eingabeabschnitt und der Signal-Erfassungsabschnitt, mit einer Elektrode dazwischen, aufeinandergelegt sein, solange sie keinen direkten Kontakt zueinander haben. In diesem Fall muß der Signal-Eingabeabschnitt gekühlt werden, wenn der Signal- Erfassungsabschnitt gekühlt wird. Deshalb ist eine Anordnung bevorzugt, in der der Signal-Eingabeabschnitt außerhalb einer den Signal-Erfassungsabschnitt enthaltenden Kühlvorrichtung angeordnet ist, und in der der Signal-Eingabeabschnitt und der Signal-Erfassungsabschnitt mittels Elektroden (Leiter) verbunden sind, da der Signal-Eingabeabschnitt bei Raumtemperatur betrieben und somit der Betriebs-Wirkungsgrad verbessert werden kann. Dies erlaubt auch die Verwendung von Materialien wie beispielsweise CdS oder a-Si, die nicht bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden können, aber vom Blickpunkt einer Empfindlichkeitsverbesserung wünschenswert sind.
In der vorliegenden Erfindung kann eine kleine Heizvorrichtung zum Heizen lediglich des Signal-Eingabeabschnitts enthalten sein, um die Erfassungsempfindlichkeit des Signal-Eingabeabschnitts zu verbessern. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Bauelemente eindimensional oder zweidimensional integriert werden, um einen Liniensensor oder einen Ebenensensor zu schaffen.
In der vorliegenden Erfindung ist es unter dem Gesichtspunkt einer weiteren Verbesserung der Erfassungsempfindlichkeit zudem wünschenswert, einen Vormagnetisierungsstrom, dessen Betrag geringfügig kleiner ist als der kritische Strom des den Signal- Erfassungsabschnitt bildenden Supraleiters, in dem Signal- Erfassungsabschnitt fließen zu lassen.
In einer bevorzugten Form enthält der erfindungsgemäße Erfassungsabschnitt einen Supraleiter zum Begrenzen des durch den erzeugten Strom entstehenden Magnetfelds aufgrund des Meissner-Effekts.
Wenn der das Magnetfeld begrenzende Supraleiter, der getrennt von dem vorstehend beschriebenen, signalerfassenden Supraleiter in einer Weise geschaffen ist, daß er zumindest den Signal- Erfassungsabschnitt bedeckt, in einem Zustand ist, in dem der Meissner-Effekt auftritt, können Streuverluste des erzeugten Magnetfelds oder ungünstige Effekte der Störsignale auf die Erfassungsvorrichtung eingeschränkt werden.
Dies führt zu Verbesserungen des Erfassungswirkungsgrads der Erfassungsvorrichtung und ermöglicht die parallele Verwendung einer Vielzahl von Erfassungsvorrichtungen.
Der den Signal-Erfassungsabschnitt bildenden-und der das Magnetfeld begrenzende Supraleiter kann derselbe oder ein anderer sein. Jedoch muß der das Magnetfeld begrenzende Supraleiter ein Supraleiter sein, dessen kritisches Magnetfeld um eine Größenordnung größer ist als das des erzeugten Magnetfelds.
Im folgenden wird das Prinzip der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem folgenden Phänomen: Wenn der beispielsweise aus einem photoleitenden Material bestehende Signal-Eingabeabschnitt einer Strahlung ausgesetzt wird, werden Elektronen im Valenzband angeregt und nehmen ein neues Energieniveau (im Leitungsband) ein. Wenn die Elektronen im Leitungsband durch ein daran angelegtes elektrisches Feld bewegt werden, fließt ein schwacher Strom.
Wenn ein in einem Supraleiter fließender Strom den kritischen Stromwert des Supraleiters überschreitet, findet im Supraleiter ein Übergang von der supraleitenden Phase statt, und eine Spannung tritt auf.
In Fig. 3 wird zunächst der aus einem photoleitenden Material oder einem eine photo-elektromotorische Kraft erzeugenden Material bestehende Signal-Eingabeabschnitt 1 Licht ausgesetzt.
In einem Fall, in dem der Signal-Eingabeabschnitt 1 aus einem photoleitenden Material besteht, erhöht das Belichten des Signal-Eingabeabschnitts 1 die Überschuß-Ladungsträger und regt die Elektronen im Valenzband derart an, daß sie über das verbotene Band in das Leitungsband gelangen. Wenn die Elektronen im Leitungsband durch das durch eine daran angelegte Gleichspannungsguelle 3 erzeugte elektrische Feld bewegt werden, fließt in einem Leitungsdraht 2 ein schwacher Strom, und der erzeugte Strom wird in den Signal-Erfassungsabschnitt 4 injiziert (injizierter Strom Ip).
Injektionselektroden 2a und 2b sind an dem Signal- Erfassungsabschnitt 4 ausgebildet.
In einem Fall, in dem der Signal-Eingabeabschnitt 1 aus einem eine photo-elektromotorische Kraft erzeugenden Material besteht, wie beispielsweise einem PN-Übergang, ist die Gleichspannungsquelle 3 nicht nötig, und der Leiter 2 ist derart beschaffen, daß er einen durchgehenden Strompfad ausbildet.
Ein Vormagnetisierungsstrom IB, der kleiner ist als der Josephson-Strom IJ wird zuvor dem Signal-Erfassungsabschnitt 4 mittels einer Gleichspannungsguelle 5 zugeführt.
Wenn IB + IP > IJ gilt, geht der Signal-Erfassungsabschnitt 4 von einem Supraleitungszustand in einen Spannungszustand über.
Solch ein Schaltvorgang ist in der Kennlinie in Fig. 4 dargestellt. Wenn der Signal-Erfassungsabschnitt ein SIS Element enthält, werden die Arbeitspunkte der Kennlinie in der Reihenfolge O - A - B - c - B - D - O durchlaufen. Bei Ip = 0 ist das SIS Element im Arbeitspunkt x (Spannung = 0), und wenn IP 0 und IB + IP > IJ gilt, befindet sich das SIS Element im Arbeitspunkt Y (Spannung 0).
Die vorstehend beschriebene, vorliegende Erfindung hat die folgenden Vorteile.
1. Verglichen mit einem herkömmlichen Gerät (in dem beispielsweise ein Josephson-Übergang einer Strahlung ausgesetzt ist), ist das Positionieren eines Lichtsignals auf die Erfassungsvorrichtung vereinfacht. Das heißt, daß ein Signal einem Eingabeabschnitt (Signal-Empfangsabschnitt) einer willkürlichen Größe zugeführt werden kann.
2. Da der Auswahlbereich der Materialien des optischen Signal- Eingabeabschnitts (Lichtempfangsabschnitt) vergrößert ist, können Signale über einen größeren Wellenlängenbereich erfaßt werden.
3. Verglichen mit einer herkömmlichen Vorrichtung (in dem herkömmlichen Josephson-Übergang sind die Erfassungscharakteristiken von den Charakteristiken des Übergangs abhängig und es gibt Änderungen in den Charakteristiken der einzelnen Vorrichtungen eines Multi-Struktur-Sensors), sind die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit verbessert und Änderungen der Charakteristiken vermindert. Dies erleichtert die Integration von Erfassungsvorrichtungen.
4. Wenn der den Erfassungsabschnitt bildende Supraleiter bei einer näher an der kritischen Temperatur liegenden Temperatur betrieben wird, kann die Erfassungsempfindlichkeit verbessert werden.
5. In einem Fall, in dem die Hysterese eines SIS Elements ausgenutzt wird, zeigt die erhaltene Lichterfassungsvorrichtung eine hohe Erfassungsempfindlichkeit, die den Betrieb als Speichervorrichtung ermöglicht. In einem Fall, in dem die Lichterfassungsvorrichtung als Speichervorrichtung betrieben wird, kann, da ein Lichtsignal verwendet wird, die Substratverdrahtung reduziert werden. Somit ist eine Erfassungsvorrichtung geschaffen, die elektrischen und magnetischen Störsignalen gut widersteht.
6. Da das von dem durch Bestrahlung erzeugten Strom erzeugte Magnetfeld aufgrund des Meissner-Effekts eines Supraleiters begrenzt ist, kann die Erfassungsempfindlickeit verbessert werden und gegenseitige Einflüsse zwischen den Erfassungsvorrichtungen beseitigt werden. Dies ermöglicht eine Integration der Erfassungsvorrichtungen und erhöht die Erfassungsempfindlichkeit.
7. In einem Fall, in dem der Signal-Erfassungsabschnitt innerhalb einer Kühlvorrichtung angeordnet ist, während der Signal-Eingabeabschnitt außerhalb der Kühlvorrichtung angeordnet ist, kann der Signal-Eingabeabschnitt bei Raumtemperatur betrieben und der Verarbeitungswirkungsgrad verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun nachstehend anhand von Beispielen beschrieben.

Beispiel 1

Fig. 5 zeigt das Konzept des Beispiels 1. In Fig. 5 kennzeichnet Bezugszeichen 21 einen Supraleiter; 22 strominjiziernde Elektroden; 23 spannungmessende Elektroden; 25 eine eine photoleitende Zelle betreibende Spannungsguelle; 26 eine photoleitende Zelle; und 27 ein signalerfassendes Voltmeter.
Zuerst wurde ein Supraleiteroxid YBa&sub2;Ca&sub3;O7-d (0 ≤ δ ≤ 0.5) auf einem (nicht gezeigten) MgO Substrat mittels der Magnetron- Sputter-Technik oder dergleichen ausgebildet und der erhaltene Dünnfilm dann mittels der Photolithographie-Technik oder dergleichen bearbeitet. In diesem Beispiel hat das Supraleiteroxid eine gürtelähnliche Form mit einer Dicke von 500 nm (5000 Å), einer Weite von 2 mm und einer Länge von 5mm. Das Mikrobrückenteil hat eine Weite von 8 um und ein Länge von 12 m. Als nächstes wurden die strominjizierenden Elektroden 22 und die spannungmessenden Elektroden 23 aus Cr, Au mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) und einer Weite von 50 um auf der gürtelähnlichen Form des Supraleiters ausgebildet.
Die kritische Temperatur des Supraleiters beträgt 88 K. Der Signal-Erfassungsabschnitt dieser Erfassungsvorrichtung war in flüssigen Stickstoff eingetaucht (77 K), und eine die photoleitende Zelle betreibende Spannungsquelle 25 von 10 V wurde angelegt. Wenn die photoleitende Zelle 26 nicht beleuchtet wurde, floß in der photoleitenden Zelle ein Dunkelstrom von 5 mA. Das signalerfassende Voltmeter 27 zeigte 0 V an, was bedeutet, daß sich der Supraleiter im Supraleitungszustand befand. Wenn die photoempfindliche Zelle 26 mittels eines He-Ne-Lasers bei Raumtemperatur mit Licht einer Strahlungsleistung von 5 mW bestrahlt wurde, zeigte das signalerfassende Voltmeter 27 eine Spannung von 2V an. Das heißt, daß eine Beleuchtung der photoleitenden Zelle einen Strom verursacht, dessen Wert größer ist als der im Supraleiter 21 fließende kritische Stromwert, und den Supraleiter 21 zu einem Übergang zu einem nicht-supraleitenden Zustand veranlaßt.

Beispiel 2

Fig. 6 zeigt Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung. Der Signal-Empfangsabschnitt dieser Erfassungsvorrichtung verwendet einen den photovoltaischen Effekt ausnutztenden PN-Übergang 28. Wenn der PN-Übergang in flüssigem Stickstoff nicht dem Licht ausgesetzt war, trat keine Spannung auf. Wenn der PN-Übergang 28 in der gleichen Weise wie im Fall des Beispiels 1 beleuchtet wurde, trat eine Spannung auf. Das heißt, das der im Supraleiter 21 fließende Strom aufgrund des photovoltaischen Effekts erhöht wurde und der Supraleiter in einen nichtsupraleitenden Zustand überging.
Die Lichtempfangs-Empfindlichkeit kann durch das Bereitstellen einer kleinen Heizvorrichtung am PN-Übergang verbessert werden.

Beispiel 3

Fig. 7 zeigt Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung. In dieser Erfassungssvorrichtung wurde ein photoleitender (aus a-Si hergestellter) Dünnfilm 29 auf einer der strominjizierenden Elektroden 22 des Signal-Erfassungsabschnitts ausgebildet, und eine Elektrode 30 wurde dann auf dem photoleitenden Dünnfilm 29 ausgebildet. Anders ausgedrückt, der Signal-Eingabeabschnitt und der Signal-Erfassungsabschnitt wurden als eine Einheit geschaff en. Wenn dieselbe Messung wie die in Beispiel 1 durchgeführte mit dieser Erfassungsvorrichtung durchgeführt wurde, erhielt man dieselben Ergebnisse.

Beispiel 4

Fig. 8 zeigt Beispiel 4, das einen aus Si hergestellten Signal-Eingabeabschnitt und ein Nb / Al-AlOx / Nb SIS Element verwendet.
Zuerst wurde ein isolierender Film 38 (SiO&sub2;) einer Dicke von 100 nm (1000 Å) auf einer Hälfte eines undotierten Si-Wafer- Substrats 37 (100 Ebene) ausgebildet, und eine untere Elektrode 36 (Nb), eine lsolatorschicht 31 (Al-AlOx), und eine obere Elektrode 32 (Nb) wurden dann auf dem isolierenden Film 38 durch eine bekannte Technik ausgebildet, um so ein SIS Element 33 mit einer Sperrschichtfläche von 5 um * 5 um auszubilden. Als nächstes wurde der von dem isolierenden Film 38 unbedeckte Teil des Si Wafers 37 mit Flußsäure bearbeitet, und Kammelektroden 34 und 35 (Cr, Au) einer Dicke von 150 nm (1500 Å) wurden dann, wie in Fig. 8 gezeigt, mittels einer Metallmaske ausgebildet. Die Länge der Kammelektroden beträgt 4 mm, die Distanz zwischen benachbarten Elektroden beträgt 0.1 mm, und das lichtempfangende Gebiet der Kammelektroden beträgt 0.05 cm². Auf diese Weise wurde ein ohmscher Kontakt zwischen dem Si und dem Cr/Au erhalten. Wenn eine Licht-Antwort der so hergestellten Lichterfassungsvorrichtung geschätzt wurde, konnte ein Schalten des SIS Elements ( 0 mV bis 2.8 mV) bei einer Temperatur von 4.2 K mit einem Vormagnetisierungsstrom von 1.2 mA, bei 0.3 mW Strahlungsleistung der Beleuchtung mittels eines He-Ne-Lasers (mit einer Wellenlänge von 633 nm) und einer an die Kammelektroden angelegten Spannung von 10 V bestätigt werden.

Beispiel 5

Fig. 9 zeigt eine Lichterfassungsvorrichtung, die amorphes Silizium im Signal-Eingabeabschnitt und ein Y-Ba-Cu-O / Silberoxid / Pb SIS Element verwendet.
Während die Temperatur des Substrats 40 auf 550ºC gehalten wurde, wurde zunächst mittels der RF-Magnetron-Sputter-Technik in Argon und Sauerstoff eine untere Elektrode 41 durch Abscheiden eines Y-Ba-Cu-O Supraleiteroxids einer Dicke von 500 nm (5000 Å) auf ein MgO Substrat 40 (100 Ebene) ausgebildet, um daraufhin, während die Temperatur des Substrats auf 100 ºC gehalten wurde, in Argon und Sauerstoff eine Isolatorschicht 42 (Ag/Ag&sub2;O) einer Dicke von 10 nm (100 Å) auszubilden. Als nächstes wurde Ag durch das Zuführen von Sauerstoff während des Heizens auf eine Temperatur von 400 ºC oxidiert. Danach wurde in einem photolithographischen Verfahren ein Brückenmuster (41 und 42 in Fig. 9) einer Weite von 10 um ausgebildet. Als nächstes wurde eine obere Elektrode 43 (Pb) in einer Dicke von 50 nm (500 Å) unter Verwendung einer Metallmaske abgeschieden. Das auf das Brückenmuster gelegte Teil der oberen Elektrode 43 hatte eine Weite von 100 um und eine Sperrschichtfläche von 100 um * 10 um. Das wirksame Gebiet war aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Ag Oxidfilms um eine Größenordnung geringer. Als nächstes wurde amorphes Si 44 In einer Dicke von 200 nm (2000 Å) in einem 2 mm * 2 mm großen Gebiet zum Ausbilden eines Signal-Eingabeabschnitts mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden, und schließlich wurden Kammelektroden 45 und 46 (Cr/Au) in einer Dicke von 50 nm (500 Å) ausgebildet. Wenn eine Licht-Antwort der in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten Lichterfassungsvorrichtung geschätzt wurde, konnte ein Schalten des SIS Elements (0 mV bis 20 mV) bei einer Temperatur von 4.2 K und mit einem Vormagnetisierungsstrom von 0.75 mA, bei 0.3 mW Strahlungsleistung der Beleuchtung mittels eines He-Ne-Lasers (mit einer Wellenlänge von 633 nm) und einer an die Kammelektroden angelegten Spannung von 10 V bestätigt werden.

Beispiel 6

Die Erfassungsvorrichtung gemäß Beispiel 6 wurde in der selben Weise wie Beispiel 5 hergestellt, mit der Ausnahme, daß ein PN- Übergang durch das Ausbilden N-Typ amorphen Si einer Dicke von 150 nm (1500 Å), auf dem dann P-Typ amorphes Si einer Dicke von 150 nm (1500 Å) ausgebildet wurde, geschaffen und die obere Elektrode 43 (Pb) und die Kammelektrode 46 kurzgeschlossen wurden. Wenn bei einer Temperatur von 4.2 K diesem Gerät ein Vormagnetisierungsstrom von 0.8 mA zugeführt wurde, und das Gerät mittels eines He-Ne-Lasers (mit einer Wellenlänge von 633 nm) mit Licht einer Strahlungsleistung von 3 mW bestrahlt wurde, konnte ein Schalten des SIS Elements ( 0 mV bis 20 mV) bestätigt werden.

Beispiel 7

Die Figuren 10A und 10B zeigen das Konzept und das Herstellungsverfahren gemäß Beispiel 7.
Zunächst wurde eine als Licht-Erfassungsabschnitt dienende supraleitende Elektrode 52 durch Abscheiden eines supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-X (0 ≤ x ≤ 0.5) Dünnfilms einer Dicke von 500 nm (5000 Å) mittels des Magnetron-Sputter-Verfahrens auf einem MgO Substrat 51 und mit anschließender Strukturierung des supraleitenden Dünnfilms mittels der Photolithographie- Technik derart ausgebildet, daß der Dünnfilm eine Weite von 20 um und eine Länge von 1 mm aufweist. Als nächstes wurde ein CdS Dünnfilm einer Dicke von 1 um in einem 0.8 mm * 0.8 mm großen Gebiet auf dem Teil des MgO Substrats abgeschieden, auf dem keine einen Signal-Eingabeabschnitt 53 bildende Elektrode ausgebildet wurde. Weiterhin wurde ein Pt Dünnfilm mittels der Ionenstrahl-Sputter-Technik zum Ausbilden der Spannungs-Erfassungselektroden 54, 55, Strom-Injektionselektroden 56, 57, und 58, und Kammelektroden 59 und 60 abgeschieden. Danach wurde ein Mgo Dünnfilm einer Dicke von 800 nm (8000 Å) mittels des Magnetron-Sputter-Verfahrens auf den Strom-Injektionselektroden 56, 57 und 58 abgeschieden, um, wie in Fig. 10B dargestellt, isolierende Schichten 61, 62 und 63 auszubilden. Das Magnetfeld begrenzende supraleitende Schichten 64, 65 und 66 wurden dann auf dieselbe Weise, in der die supraleitende Elektrode 52 ausgebildet wurde, auf den isolierenden Schichten 61, 62 und 63 ausgebildet.
Bei einer derart hergestellten Erfassungsvorrichtung sind alle Supraleiter bei einer Temperatur von 82 K in einem Supraleitungszustand. Die Vorrichtung zur Lichterfassung wurde durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff auf 77 K gekühlt.
Wenn in einem Zustand, in dem der Signal-Eingabeabschnitt 53 nicht mit Licht bestrahlt wurde, eine Spannung von 10 V zwischen die Strom-Injektionselektroden 57 und 58 angelegt wurde, trat keine Spannung zwischen den Spannungerfassungs- Elektroden auf. Wurde der Signal-Eingabeabschnitt 53 mittels eines He-Ne-Lasers mit Licht einer Strahlungsleistung von 5 mw bestrahlt und der in der supraleitenden Elektrode 52 fließende Strom überschritt dadurch den kritischen Stromwert, ging die supraleitende Elektrode in einen Spannungszustand über, und 10 mV Spannung traten auf.

Beispiel 8

Fig. 11 zeigt Beispiel 8, in dem zwei den Aufbau gemäß Beispiel 7 verwendende Erfassungsvorrichtungen einander sehr nahe angeordnet sind, so daß die Distanz zwischen den Supraleitenden Elektroden 52 der zwei Erfassungsvorrichtungen 10 um beträgt.
Wenn einer der Licht-Eingabeabschnitte in einer Weise gemäß Beispiel 7 beleuchtet wurde, wurden die selben Ergebnisse wie jene gemäß Beispiel 7 für die beleuchtete Vorrichtung zur Lichterfassung erhalten. Die andere Vorrichtung zur Lichterfassung wurde dadurch nicht im geringsten beeinflußt.

Beispiel 9

Die Figuren 12A und 12B zeigen Beispiel 9 der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wurde ein Mgo Dünnfilm einer Dicke von 800 nm (8000 Å) auf ein vom Dotieren mittels des Magnetron-Sputter-Verfahrens ausgenommenes Si Substrat 51 zum Ausbilden einer Isolatorschicht 67 abgeschieden. Eine als Signal-Erfassungsabschnitt dienende supraleitende Elektrode 52 wurde dann durch Abscheiden eines supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-X Dünnfilms (0 ≤ x ≤ 0.5) einer Dicke von 500 nm (5000 Å) mittels des Cluster-Ionenstrahl-Abscheidungs-Verfahrens und anschließender Strukturierung des Dünnfilms auf dem MgO Film 67 derart abgeschieden, daß der Dünnfilm dieselbe Form wie die supraleitende Elektrode 52 gemäß Beispiel 7 aufwies. Danach wurden die Spannungs- Erfassungselektroden 54, 55, die Strom-Injektionselektroden 56, 57 und 58 (die Elektrode 58 ist auf Elektrode 52 ausgebildet) und die Kammelektroden 59 und 60 ausgebildet. Zur Schaffung eines Licht-Eingabeabschnitts wurden die Kammelektroden 59 und 60 direkt auf dem photoleitenden Si Substrat ausgebildet. Danach wurden, wie in Fig. 12B dargestellt, isolierende MgO Schichten 61 und 62 auf den Elektroden 56 und 58 ausgebildet, und das Magnetfeld begrenzende supraleitende Schichten 64 und 65 wurden dann in der gleichen Weise wie in Beispiel 8 auf den isolierenden Schichten 61 und 62 ausgebildet.
Die auf diese Weise hergestellte Licht-Erfassungsvorrichtung zeigte denselben Licht-Erfassungseffekt, der auch bei Beispiel 8 beobachtet wurde.

Beispiel 10

Fig. 13 zeigt das Konzept des Beispiels 10. In Fig. 13 kennzeichnet Bezugszeichen 71 einen Supraleiter, 72 Strom- Injektionselektroden, 73 Spannungs-Meßelektroden, 75 eine eine photoleitende Zelle betreibende Spannungsguelle, 76 eine photoleitende Zelle, und 77 ein signalerfassendes Voltmeter.
Zunächst wurde ein YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ Supraleiteroxid (0 ≤ δ ≤ 0.5) mittels der Magnetron-Sputter-Technik oder dergleichen auf einem (nicht gezeigten) MgO Substrat ausgebildet, und der erhaltene Dünnfilm wurde durch die Photolithographie-Technik oder dergleichen zum Ausbilden des gürtelförmigen Supraleiters 71 bearbeitet. Gemäß diesem Beispiel hat der Supraleiter 71 eine Dicke von 500 nm (5000 Å), eine Weite von 20 um und eine Länge von 5 mm. Nachfolgend wurden vier Cr, Au Elektroden einer Dicke von 100 nm (1000 Å) und einer Weite von 50 um auf dem gürtelförmigen Supraleiter 71 als Strom-Injektionselektroden 72 und Spannungs-Meßelektroden 73 ausgebildet.
Die kritische Temperatur des Supraleiters der derart aufgebauten Erfassungsvorrichtung beträgt 88 K. Die Erfassungsvorrichtung wurde in flüssigen Stickstoff (77 K) eingetaucht und eine die photoleitende Zelle betreibende Spannungsguelle 75 von 10 V wurde zum Einstellen eines Vormagnetisierungsstroms von 5 mA angelegt. Wenn die photoleitende Zelle 76 bei Raumtemperatur betrieben und nicht beleuchtet wurde1 zeigte das signalerfassende Voltmeter 77 eine Spannung von 0 V an, das heißt, der Supraleiter befand sich im Supraleitungszustand. Wurde die photoleitende Zelle 76 mittels eines He-Ne-Lasers mit Licht einer Strahlungsleistung von 5 mW beleuchtet, zeigte das signalerfassende Voltmeter eine Spannung von 3 mV an. Das heißt, daß eine Beleuchtung der photoleitenden Zelle einen Strom im Supraleiter 71 verursacht, dessen Wert größer als der kritische Stromwert ist, wodurch der Supraleiter 71 vom Supraleitungszustand in einen nicht-supraleitenden Zustand Übergeht.

Beispiel 11

Fig. 14 zeigt Beispiel 11 der vorliegenden Erfindung. Der Signal-Eingabeabschnitt dieser Erfassungsvorrichtung verwendet einen den photovoltaischen Effekt ausnutzenden PN-Übergang 78. Wenn der PN-Übergang 78 in flüssigem Stickstoff nicht dem Licht ausgesetzt war, trat keine Spannung auf. Wenn der PN-Übergang in der gleichen Weise wie in Beispiel 10 dargestellt beleuchtet wurde, trat eine Spannung auf. Das heißt, daß der im Supraleiter 71 fließende Strom durch den photovoltaischen Effekt größer wurde und der Supraleiter in einen nicht supraleitenden Zustand übergegangen ist.
Die Licht-Empfangsempfindlichtkeit wird durch Bereitstellen einer kleinen Heizvorrichtung am PN-Übergang verbessert, da die photoleitende Zelle 76 gemäß Beispiel 10 bei Raumtemperatur betrieben wurde.

Beispiel 12

Fig. 15 stellt Beispiel 12 dar, bei dem die in Fig. 14 dargestellten Lichterfassungsvorrichtungen in Form einer Matrix angeordnet sind (nachfolgend als Array bezeichnet). Bezugszeichen 71 kennzeichnet dünne, entlang einer geraden Linie ausgerichtete, supraleitende Drähte. Jeder der dünnen supraleitenden Drähte 71 hat eine Dicke von 0.5 um, eine Weite von 15 um und eine Länge von 50 um. Bezugszeichen 79 kennzeichnet eine die Spannung jeden supraleitenden dünnen Drahts anzeigende Spannungsmeßschaltung. Eine Reihe von Licht-Erfassungsabschnitten 78 (PN-Übergänge) sind von den supraleitenden Drähten getrennt angeordnet, sodaß die Temperatureinstellung der supraleitenden Abschnitte 71 und der Licht-Erfassungsabschnitte 78 getrennt vorgenommen werden kann. Wenn die linke Hälfte dieses Arrays mit einer Beleuchtungsstärke von 10 mlx beleuchtet wurde, trat eine Spannung in der linken Hälfte auf. Das heißt, daß dieses Array als Liniensensor verwendet werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Lichtmessung bzw. Lichterfassung, mit: einem Signal-Eingabeabschnitt (1), der auf ein Zuführen eines Lichtsignals hin einen Strom erzeugt;

einem getrennten Signal-Erfassungsabschnitt (4), der das Lichtsignal auf eine Injektion des erzeugten Stroms hin erfaßt; und Elektroden (2a, 2b), die den erzeugten Strom in den Supraleiter injizieren.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Signal-Erfassungs abschnitt (4) einen Josephson-Übergang (21) des Mikrobrücken- Typs aufweist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Signal-Erfassungs abschnitt (4) einen Supraleiter-Isolator-Supraleiter Josephson- Übergang (33) aufweist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Signal-Eingabeabschnitt (1) aus einem aus photoleitenden Materialien oder eine photo-elektromotorische Kraft erzeugenden Materialien ausgewählten Material geschaffen ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die zudem einen das Magnetfeld begrenzenden Supraleiter (64, 65, 66) aufweist, um aufgrund des Meissner-Effekts ein durch den erzeugten Strom erzeugtes Magnetfeld zu begrenzen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die zudem eine Kühlvorrichtung zum Kühlen zumindest des Signal-Erfassungsabschnitts (4) aufweist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der Signal-Erfassungs abschnitt (4) innerhalb der Kühlvorrichtung angeordnet ist, während der Signal-Eingabeabschnitt (1) außerhalb der Kühlvorrichtung angeordnet ist.

8. Verfahren zur Lichtmessung bzw. Lichterfassung, das die folgenden Schritte umfaßt:

Erzeugen eines Stroms durch Zuführen eines Lichtsignals zu einem Signal-Eingabeabschnitt;

Verwenden von Elektroden zum Injizieren des erzeugten Stroms in einen getrennten, einen Supraleiter enthaltenden Signal- Erfassungsabschnitt; und Erfassen einer Änderung in den elektrischen Charakteristiken des Supraleiters zum Erfassen des Lichtsignals.