JP2003086824A - 超高速光電気信号変換素子 - Google Patents
超高速光電気信号変換素子Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
- H10N99/03—Devices using Mott metal-insulator transition, e.g. field-effect transistor-like devices
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 既に、テラヘルツ領域の超高速領域でのモッ
ト絶縁体材料を用いて光電気信号変換素子が実現できる
ことを示したが、そこでは、光電気信号変換後に通常の
金属電極を用いている。しかし、テラヘルツ領域では、
金属抵抗、配線間容量もしくは配線層間に起因する寄生
容量により、速度遅延を引き起こし、電極および配線も
含めた素子全体の高速性を確保することが課題となる。 【解決手段】 上記課題を解決するために、光誘起絶縁
体―金属転移を用いた光電気信号変換素子において、電
極および配線に超伝導材料を用いることにより、素子全
体もしくは回路演算も含むデバイスとして電気信号の伝
播速度を大幅に向上させることに成功した。
ト絶縁体材料を用いて光電気信号変換素子が実現できる
ことを示したが、そこでは、光電気信号変換後に通常の
金属電極を用いている。しかし、テラヘルツ領域では、
金属抵抗、配線間容量もしくは配線層間に起因する寄生
容量により、速度遅延を引き起こし、電極および配線も
含めた素子全体の高速性を確保することが課題となる。 【解決手段】 上記課題を解決するために、光誘起絶縁
体―金属転移を用いた光電気信号変換素子において、電
極および配線に超伝導材料を用いることにより、素子全
体もしくは回路演算も含むデバイスとして電気信号の伝
播速度を大幅に向上させることに成功した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は、光電気変換素子
に係わり、特に検出部がピコ秒オーダーの光信号に応答
可能であり、テラヘルツ(1012Hz)のOn-OFF信号に追随す
ることができ、今までにない検知速度を可能とし、かつ
集積化に適した超高速光電気変換素子に関する。
に係わり、特に検出部がピコ秒オーダーの光信号に応答
可能であり、テラヘルツ(1012Hz)のOn-OFF信号に追随す
ることができ、今までにない検知速度を可能とし、かつ
集積化に適した超高速光電気変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光電気変換素子としては、半導体
のｐ-ｎ接合を利用したホトダイオード、あるいはｐｎ
ｐトランジスタのベース部に光を与えコレクタ電流を取
り出す光導電素子が使われている。その中で比較的応答
速度の早いSi-pin型（ｐ＋ｎｎ ＋）ホトダイオードの応
答速度は、270pSec．であり、Ge−pin型ホトダイオード
における応答速度は、200pSec．である（LSIハンドブッ
ク；電子通信学会p78参照）。
のｐ-ｎ接合を利用したホトダイオード、あるいはｐｎ
ｐトランジスタのベース部に光を与えコレクタ電流を取
り出す光導電素子が使われている。その中で比較的応答
速度の早いSi-pin型（ｐ＋ｎｎ ＋）ホトダイオードの応
答速度は、270pSec．であり、Ge−pin型ホトダイオード
における応答速度は、200pSec．である（LSIハンドブッ
ク；電子通信学会p78参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光ファイバー網を利用
した光通信は、大規模な情報を高速に転送することがで
きることから、今後の大規模情報通信の主要な通信手段
となるものと考えられる。このためには使用する光の周
波数を極限まで引き上げる必要がある。光のパルス幅は
すでに数10フェムト(10―１４)秒領域でのパルス形成が
可能となってきている。しかし、光受光応答部が上記の
ような数100pSec程度では、その光伝達情報量に制限を
与える要因となっている。大量情報伝達を実現するため
に、光電変換素子の応答速度向上が強く求められいる。
した光通信は、大規模な情報を高速に転送することがで
きることから、今後の大規模情報通信の主要な通信手段
となるものと考えられる。このためには使用する光の周
波数を極限まで引き上げる必要がある。光のパルス幅は
すでに数10フェムト(10―１４)秒領域でのパルス形成が
可能となってきている。しかし、光受光応答部が上記の
ような数100pSec程度では、その光伝達情報量に制限を
与える要因となっている。大量情報伝達を実現するため
に、光電変換素子の応答速度向上が強く求められいる。
【０００４】本発明者は、既に、テラヘルツ領域の超高
速領域でのモット絶縁体材料を用いて光電気信号変換素
子が実現できることを示した。しかし、この発明におい
ては光電気信号変換後に通常の金属電極を用いている。
しかし、テラヘルツ領域では、金属抵抗、配線間容量も
しくは配線層間に起因する寄生容量により、速度遅延を
引き起こし、電極および配線も含めた素子全体の高速性
を確保することが課題となる。特に高集積化したLSIに
集積する用途を考えると、この配線遅延は深刻な問題と
なる。
速領域でのモット絶縁体材料を用いて光電気信号変換素
子が実現できることを示した。しかし、この発明におい
ては光電気信号変換後に通常の金属電極を用いている。
しかし、テラヘルツ領域では、金属抵抗、配線間容量も
しくは配線層間に起因する寄生容量により、速度遅延を
引き起こし、電極および配線も含めた素子全体の高速性
を確保することが課題となる。特に高集積化したLSIに
集積する用途を考えると、この配線遅延は深刻な問題と
なる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、光誘起絶縁体―金属転移を用いた光電気信号変換素
子において、電極および配線に超伝導材料を用いること
により、素子全体もしくは回路演算も含むデバイスとし
て電気信号の伝播速度を大幅に向上させることに成功し
た。
に、光誘起絶縁体―金属転移を用いた光電気信号変換素
子において、電極および配線に超伝導材料を用いること
により、素子全体もしくは回路演算も含むデバイスとし
て電気信号の伝播速度を大幅に向上させることに成功し
た。
【０００６】
【実施例１】図１に、本願発明に係る光電気変換素子の
鳥瞰図を示す。基板４の上に形成された光誘起絶縁体金
属転移を起こすモット絶縁体の薄膜部に超伝導材料でつ
くられた電極材料を光検知部に対向して電極を形成す
る。光パルスにより発生した電流パルスが光電気信号と
なる。
鳥瞰図を示す。基板４の上に形成された光誘起絶縁体金
属転移を起こすモット絶縁体の薄膜部に超伝導材料でつ
くられた電極材料を光検知部に対向して電極を形成す
る。光パルスにより発生した電流パルスが光電気信号と
なる。
【０００７】図２に、基板としてLaSrAlO4（ｂ）を用い
た実施例を示した。これは光誘起絶縁体―金属転移を起
こす材料であるSr2CuO3もしくはCa2CuO3（a）との格子
不整合が小さく基板上に極めて良質のモット絶縁体結晶
を形成することが可能である。通常の分子線エピタキシ
ー（MBE）法においても薄膜を作成することは可能であ
るが、本発明においては、レーザーアブレーションMBE
法により薄膜を作成した。光学スペクトルの異方性観察
から作成された薄膜試料（＊＊＊「観察から作成された
薄膜試料」という表現は言葉不足＊＊＊）は、良質な結
晶膜であることが確認できた。実際のLaSrAlO4、Sr2CuO
3もしくはCa2CuO3の格子を（ｃ）に示した。この上にNb
金属膜をスパッタ−装置で形成し、通常のホトリソグラ
フィー、エッチング技術で電極を形成した。さらに保護
膜としてレーザーアブレーション法でLaAlO3膜を積層し
た。この光電気信号変換素子を液体He温度4．2Kに冷却
し、光応答を観察、問題なく動作することを確認した。
た実施例を示した。これは光誘起絶縁体―金属転移を起
こす材料であるSr2CuO3もしくはCa2CuO3（a）との格子
不整合が小さく基板上に極めて良質のモット絶縁体結晶
を形成することが可能である。通常の分子線エピタキシ
ー（MBE）法においても薄膜を作成することは可能であ
るが、本発明においては、レーザーアブレーションMBE
法により薄膜を作成した。光学スペクトルの異方性観察
から作成された薄膜試料（＊＊＊「観察から作成された
薄膜試料」という表現は言葉不足＊＊＊）は、良質な結
晶膜であることが確認できた。実際のLaSrAlO4、Sr2CuO
3もしくはCa2CuO3の格子を（ｃ）に示した。この上にNb
金属膜をスパッタ−装置で形成し、通常のホトリソグラ
フィー、エッチング技術で電極を形成した。さらに保護
膜としてレーザーアブレーション法でLaAlO3膜を積層し
た。この光電気信号変換素子を液体He温度4．2Kに冷却
し、光応答を観察、問題なく動作することを確認した。
【０００８】
【実施例２】実施例１に示した基板、光検知材料を形成
後にCu酸化物超伝導材料であるYba2Cu3O7薄膜超伝導電
極を形成する。電極形成にはFIB（Field Ion Beam）
法を用いる。Sr2CuO3膜上のYba2Cu3O7薄膜のみをFIBで
剥離する。この場合FIBのビームによる光検知部の損傷
を小さくする目的で側面からイオンビームを照射しYba2
Cu 3O7薄膜を剥離する。この時に数nm程度Sr2CuO3を剥離
するが光検知部として機能するのには問題ない。光は波
長程度に浸入するからである。これにより電極と光検知
部が形成される。さらに保護膜としてレーザーアブレー
ション法によりLaAlO3膜を積層した。この光電気信号変
換素子を液体窒素により温度77Kに冷却し、光応答を観
察した。信号強度は、Nb金属膜より若干弱くなるものの
問題なく動作することを確認した。
後にCu酸化物超伝導材料であるYba2Cu3O7薄膜超伝導電
極を形成する。電極形成にはFIB（Field Ion Beam）
法を用いる。Sr2CuO3膜上のYba2Cu3O7薄膜のみをFIBで
剥離する。この場合FIBのビームによる光検知部の損傷
を小さくする目的で側面からイオンビームを照射しYba2
Cu 3O7薄膜を剥離する。この時に数nm程度Sr2CuO3を剥離
するが光検知部として機能するのには問題ない。光は波
長程度に浸入するからである。これにより電極と光検知
部が形成される。さらに保護膜としてレーザーアブレー
ション法によりLaAlO3膜を積層した。この光電気信号変
換素子を液体窒素により温度77Kに冷却し、光応答を観
察した。信号強度は、Nb金属膜より若干弱くなるものの
問題なく動作することを確認した。
【０００９】実際の光電気信号変換装置は、この素子を
中心に大規模な演算回路で構成される。しかし、本願発
明に係る光電気変換素子装置を使用すると、光から電気
信号に変換さらた信号は、大規模な配線、回路で引き回
された場合においても抵抗成分は0になるので、信号遅
延無く伝播することが可能となる。
中心に大規模な演算回路で構成される。しかし、本願発
明に係る光電気変換素子装置を使用すると、光から電気
信号に変換さらた信号は、大規模な配線、回路で引き回
された場合においても抵抗成分は0になるので、信号遅
延無く伝播することが可能となる。
【００１０】
【発明の効果】以上説明したとおり、本願発明によっ
て、絶縁物から金属への転移を利用した光電気変換装置
が提供される。この絶縁体―金属転移は、広くモット絶
縁体でおこり、また、この材料は、最近の高温超伝導材
料の母体物質の一次元版である銅酸化物A2CuO3（A=Ca,
Sr, Ba,La系列原子）であり、二次元銅酸化物A2CuO3（A
=Ca, Sr, Ba,La系列原子）である。この現象は、電極や
配線材料に超伝導材料を用いると、なお一層好ましい特
性を引き出すことができる。これら光誘起絶縁体-金属
転移材料、及び超伝導材料は、比較的安定な材料である
ので、Si半導体とも組み合わせることができる。また、
特に銅酸化物超伝導材料は、液体窒素による低温化手段
により比較的簡便に超伝導になり、実用上大きなメリッ
トを与える。また、該銅酸化物超伝導材料は、Si材料と
もなじみがある。このことからテラHz領域の光ファイバ
ーからの直接の通信やその信号処理は、この超高速光電
気変換素子を中心とした超伝導体演算部で実施し、遅い
部分は、従来のSi−LSIで演算処理するという組み合わ
せも可能である。このように、本願発明は、今後情報通
信手段として主役となる光通信情報産業において中心的
な役割をはたす可能性がある。特にテラHz領域の超高速
の光通信と今後0.1μｍ以下にゲートが微細化された超
高速Si半導体やGaAs半導体の超高速演算の橋渡しとして
はかりしれない効果を与えることが期待できる。
て、絶縁物から金属への転移を利用した光電気変換装置
が提供される。この絶縁体―金属転移は、広くモット絶
縁体でおこり、また、この材料は、最近の高温超伝導材
料の母体物質の一次元版である銅酸化物A2CuO3（A=Ca,
Sr, Ba,La系列原子）であり、二次元銅酸化物A2CuO3（A
=Ca, Sr, Ba,La系列原子）である。この現象は、電極や
配線材料に超伝導材料を用いると、なお一層好ましい特
性を引き出すことができる。これら光誘起絶縁体-金属
転移材料、及び超伝導材料は、比較的安定な材料である
ので、Si半導体とも組み合わせることができる。また、
特に銅酸化物超伝導材料は、液体窒素による低温化手段
により比較的簡便に超伝導になり、実用上大きなメリッ
トを与える。また、該銅酸化物超伝導材料は、Si材料と
もなじみがある。このことからテラHz領域の光ファイバ
ーからの直接の通信やその信号処理は、この超高速光電
気変換素子を中心とした超伝導体演算部で実施し、遅い
部分は、従来のSi−LSIで演算処理するという組み合わ
せも可能である。このように、本願発明は、今後情報通
信手段として主役となる光通信情報産業において中心的
な役割をはたす可能性がある。特にテラHz領域の超高速
の光通信と今後0.1μｍ以下にゲートが微細化された超
高速Si半導体やGaAs半導体の超高速演算の橋渡しとして
はかりしれない効果を与えることが期待できる。
【図１】光電気信号変換素子の鳥瞰図
【図２】（ａ）光誘起絶縁体―金属転移材料；Sr2CuO3,
Ca2CuO3 （ｂ）基板に用いられるLaSrAlO3の結晶構造 （ｃ）LaSrAlO3, Sr2CuO3, Ca2CuO3 の格子定数と積層
構造
Ca2CuO3 （ｂ）基板に用いられるLaSrAlO3の結晶構造 （ｃ）LaSrAlO3, Sr2CuO3, Ca2CuO3 の格子定数と積層
構造
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 金子 良夫
茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法
人産業技術総合研究所つくばセンター内
Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB14 BA31 BA40
4M118 AA10 AB05 BA30 DA33 EA01
5F088 AA20 AB01 BA02 BA03 CB20
FA05 GA02
Claims (10)
- 【請求項１】 光励起により絶縁体から金属へ相転移を
起こす相転移材料を用いた光電気信号変換素子におい
て、検知部に固体の上記相転移材料を用い、該検知部の
電極及び配線材料に超伝導材料を用いたことを特徴とす
る光電気信号素子。 - 【請求項２】 上記電極及び上記配線に用いる超伝導材
料が金属超伝導材料であることを特徴とする請求項１記
載の光電気信号変換素子。 - 【請求項３】 上記電極及び上記配線に用いる超伝導材
料が銅酸化物であることを特徴とする請求項１記載の光
電気信号変換素子。 - 【請求項４】 上記銅酸化物は、LnSrxBa２-xCu3O6＋ｙ
（LnはYまたはランタニド元素。ｘおよびｙは０≦ｘ＜
1.5および０＜ｙ＜２の数字である。）であることを特
徴とする請求項３記載の光電気信号変換素子。 - 【請求項５】 上記銅酸化物は、LnSr2Cu3-xMxO6＋ｙ
（LnはYまたはランタニド元素。MはTl,Pb,Bi。ｘおよび
ｙは０＜ｘ≦1および０＜ｙ＜２の数字である。）であ
ることを特徴とする請求項３記載の光電気信号変換素
子。 - 【請求項６】 上記相転移材料は、モット絶縁体である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光
電気信号変換素子。 - 【請求項７】 上記モット絶縁体は、遷移金属酸化物で
あることを特徴とする請求項６に記載の光電気信号変換
素子。 - 【請求項８】 上記遷移金属酸化物は、銅酸化物である
ことを特徴とする請求項７に記載の光電気信号変換素
子。 - 【請求項９】 上記銅酸化物は、一次元銅酸化物A2CuO3
（A=Ca, Sr, Ba, La系列原子)であることを特徴とする
請求項８に記載の光電気信号変換素子。 - 【請求項１０】 上記銅酸化物は、二次元銅酸化物A2Cu
O4, A2CuO2Cl2（A=Ca,Sr,Ba,La系列原子）であることを
特徴とする請求項８記載の光電気信号変換素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001279311A JP3511098B2 (ja) | 2001-09-14 | 2001-09-14 | 超高速光電気信号変換素子 |
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