JP2503091B2 - 超電導光機能素子 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光導電体と超電導体とを組み合わせた構造であり、超
高速の光スイッチ、光メモリまたは光検知装置に使用し
て好適な超電導光機能素子に関し、 前記光導電体への光照射の有無で常電導状態から超電
導状態へスイッチングし、より高速のスイッチ素子を提
供するとともに、光照射による永続超電導状態をメモリ
効果として利用したメモリ素子を提供することを目的と
し、 ２つの電極間に挟まれた光導電効果を有する超電導体
薄膜の素子構造を有し、所定の温度における光照射に応
答して常電導状態から超電導体状態に変化する特性を備
えた素子であって、前記超電導体が鉛カルコゲナイドの
三元半導体に鉛（Pb）および／またはインジウム（In）
を添加した材料で構成し、また、光導電体と複数の超電
導体とが接した構成の素子において、前記超電導体間の
距離を超電導の侵入長の500倍より短く構成し、所定の
温度において前記光導電体に光を照射したとき該光導電
体が超電導体性を示すよう構成する。
高速の光スイッチ、光メモリまたは光検知装置に使用し
て好適な超電導光機能素子に関し、 前記光導電体への光照射の有無で常電導状態から超電
導状態へスイッチングし、より高速のスイッチ素子を提
供するとともに、光照射による永続超電導状態をメモリ
効果として利用したメモリ素子を提供することを目的と
し、 ２つの電極間に挟まれた光導電効果を有する超電導体
薄膜の素子構造を有し、所定の温度における光照射に応
答して常電導状態から超電導体状態に変化する特性を備
えた素子であって、前記超電導体が鉛カルコゲナイドの
三元半導体に鉛（Pb）および／またはインジウム（In）
を添加した材料で構成し、また、光導電体と複数の超電
導体とが接した構成の素子において、前記超電導体間の
距離を超電導の侵入長の500倍より短く構成し、所定の
温度において前記光導電体に光を照射したとき該光導電
体が超電導体性を示すよう構成する。
本発明は超高速の光スイッチ、光メモリや赤外線検知
器等に利用できる超電導光機能素子に関する。
器等に利用できる超電導光機能素子に関する。
近年のコンピュータシステムの高速化の要求に伴い、
より高速のスイッチ素子やメモリ素子の開発が望まれて
いる。
より高速のスイッチ素子やメモリ素子の開発が望まれて
いる。
従来の高速スイッチとしては、超電導トランジスタが
あるが、これは超電導体に挟まれた半導体へ電気的に電
子や正孔を注入することによりスイッチングするもので
あり、この電子や正孔の注入には時間がかかるため、高
速化には限度があるという問題があった。
あるが、これは超電導体に挟まれた半導体へ電気的に電
子や正孔を注入することによりスイッチングするもので
あり、この電子や正孔の注入には時間がかかるため、高
速化には限度があるという問題があった。
本発明はこの電気的な注入の代わりに、光照射の有無
でスイッチングし、より高速のスイッチ素子を提供する
とともに、光照射によるメモリ効果を利用したメモリ素
子を提供することを目的としている。
でスイッチングし、より高速のスイッチ素子を提供する
とともに、光照射によるメモリ効果を利用したメモリ素
子を提供することを目的としている。
第１図は本発明の超電導光機能素子の一構成例を示す
図である。
図である。
図中、１は鉛カルコゲナイドの三元半導体を主体とし
た光導電効果を有する超電導性薄膜、2a,2bは電極、３
は基板を示す。
た光導電効果を有する超電導性薄膜、2a,2bは電極、３
は基板を示す。
前記光導電効果を有する超電導性薄膜１として、PbSn
Teのような鉛カルコゲナイドの三元半導体を主体とし、
微量のPbおよび／またはInを添加した材料を薄膜状態で
形成したところ、所定の温度において光を照射したとき
該薄膜が常電導状態から高速に超電導状態に切り換わる
ことを確認した。従って、この素子構造で超高速の光ス
イッチ素子を得ることができる。
Teのような鉛カルコゲナイドの三元半導体を主体とし、
微量のPbおよび／またはInを添加した材料を薄膜状態で
形成したところ、所定の温度において光を照射したとき
該薄膜が常電導状態から高速に超電導状態に切り換わる
ことを確認した。従って、この素子構造で超高速の光ス
イッチ素子を得ることができる。
また、光導電効果を有する超電導性薄膜１の三元半導
体に添加する不純物をInとすることにより、光照射を遮
断しても超電導状態が永続する特性が得られるのでメモ
リ素子として利用することもできる。
体に添加する不純物をInとすることにより、光照射を遮
断しても超電導状態が永続する特性が得られるのでメモ
リ素子として利用することもできる。
第１図は本発明の超電導光機能素子の一構造例を示す
図である。
図である。
基板３には弗化バリウム（BaF2）からなり1mm×5mmの
大きさのものを用いた。基板材料としてはBaF2の他、酸
化マグネシウム（MgO）、半絶縁性のガリウム・砒素（G
aAs）やシリコン（Si）等が使用できる。この基板３上
に、まずPbSnTeのような光導電効果を有する超電導性薄
膜をホットウォール法を用いて１μｍの厚さに形成し、
次いで超電導性薄膜の両端に金（Au）やIn等の電極2a,2
bを設けて超電導光機能素子を作った。
大きさのものを用いた。基板材料としてはBaF2の他、酸
化マグネシウム（MgO）、半絶縁性のガリウム・砒素（G
aAs）やシリコン（Si）等が使用できる。この基板３上
に、まずPbSnTeのような光導電効果を有する超電導性薄
膜をホットウォール法を用いて１μｍの厚さに形成し、
次いで超電導性薄膜の両端に金（Au）やIn等の電極2a,2
bを設けて超電導光機能素子を作った。
上記超電導性薄膜の形成方法はホットウォール法の
他、液相エピタキシャル成長法、MBE法またはMOCVD法で
もよい。
他、液相エピタキシャル成長法、MBE法またはMOCVD法で
もよい。
このような超電導光機能素子の前記電極2a,2b間に、
図示しないが定電流源を接続するとともに、極低温のも
とで光導電性薄膜１に光を照射してスイッチ機能および
メモリ機能を観測したところ以下の結果を得た。
図示しないが定電流源を接続するとともに、極低温のも
とで光導電性薄膜１に光を照射してスイッチ機能および
メモリ機能を観測したところ以下の結果を得た。
第２図は超電導体膜１にPb1-xSnxTe（Ｘ＝0.25）を用
いたときの特性であり、横軸は温度（Ｋ）を、縦軸は抵
抗（Ω）を示しており、第３図はより低温付近の特性を
分かり易くするためにプロットしたもので、縦軸は温度
が8Kのときの抵抗を１として規格化したものである。
いたときの特性であり、横軸は温度（Ｋ）を、縦軸は抵
抗（Ω）を示しており、第３図はより低温付近の特性を
分かり易くするためにプロットしたもので、縦軸は温度
が8Kのときの抵抗を１として規格化したものである。
図中、実線11は光を照射していない暗状態のときの特
性、点線12は300Kの黒体からの赤外線を照射したときの
特性、および一点鎖線13は波長１μｍで10μW/cm2の強
さの赤外線をLEDから照射したときの特性である。
性、点線12は300Kの黒体からの赤外線を照射したときの
特性、および一点鎖線13は波長１μｍで10μW/cm2の強
さの赤外線をLEDから照射したときの特性である。
なお、この場合、PbSnTe結晶として鉛（Pb）およびイ
ンジウム（In）を不純物としてそれぞれ１％添加したも
のを用いており、Pbを添加することにより、PbSnTe結晶
はストイキオメトリから外れている。
ンジウム（In）を不純物としてそれぞれ１％添加したも
のを用いており、Pbを添加することにより、PbSnTe結晶
はストイキオメトリから外れている。
第２図，第３図から明らかなように、赤外線を照射す
ることによって電気抵抗が減少しており、また照射によ
り、より高い温度で超電導状態を実現している。例え
ば、素子の温度が2Kのとき、暗状態では常電導状態であ
るか、LEDからの赤外線照射では超電導状態となること
が分かる。
ることによって電気抵抗が減少しており、また照射によ
り、より高い温度で超電導状態を実現している。例え
ば、素子の温度が2Kのとき、暗状態では常電導状態であ
るか、LEDからの赤外線照射では超電導状態となること
が分かる。
この現象は以下のように考察できる。すなわち上記三
元半導体の内部では、添加した不純物（Pb）の析出物、
または析出物によりできた粒界が半導体部分とそれぞれ
ジョセフソン結合しており、光照射により半導体中の電
子が励起され、キャリア濃度が速やかに増加し、このこ
とで半導体内部への超電導状態の侵入距離が長くなり、
ジョセフソン結合の障壁の厚さと同程度となる。このた
め半導体全体が超電導状態を示すと考えられる。
元半導体の内部では、添加した不純物（Pb）の析出物、
または析出物によりできた粒界が半導体部分とそれぞれ
ジョセフソン結合しており、光照射により半導体中の電
子が励起され、キャリア濃度が速やかに増加し、このこ
とで半導体内部への超電導状態の侵入距離が長くなり、
ジョセフソン結合の障壁の厚さと同程度となる。このた
め半導体全体が超電導状態を示すと考えられる。
なお、上記三元半導体の場合、LEDからの光照射を停
止してもキャリア濃度は減少せず超電導状態を持続し
た。すなわち、これは不純物として添加したInが寄与し
ているものと考えられ、この超電導体は永続光導電特性
を有するので光メモリ素子として用いることができる。
止してもキャリア濃度は減少せず超電導状態を持続し
た。すなわち、これは不純物として添加したInが寄与し
ているものと考えられ、この超電導体は永続光導電特性
を有するので光メモリ素子として用いることができる。
また、上記の三元半導体に0.8μｍ以下の短波長の光
を照射したときは、永続光導電特性を示さず、光照射の
有無により、常電導と超電導の状態を切り換えることが
できた。このような素子はスイッチ素子として利用でき
る。
を照射したときは、永続光導電特性を示さず、光照射の
有無により、常電導と超電導の状態を切り換えることが
できた。このような素子はスイッチ素子として利用でき
る。
なお、本発明の超電導光機能素子に用いる光導電効果
を有する材料は、上記PbSnTe結晶に限られるものではな
く、半絶縁性（低キャリア濃度）で高易動度、かつキャ
リアのライフタイムが長いものであればよい。
を有する材料は、上記PbSnTe結晶に限られるものではな
く、半絶縁性（低キャリア濃度）で高易動度、かつキャ
リアのライフタイムが長いものであればよい。
従って、ガリウム・砒素（GaAs）にクロム（Cr）等を
添加し、あるいは高純度化することにより高抵抗体と
し、あるいはインジウム・燐（InP）に鉄（Fe）等を添
加して高抵抗体とする等、III-V族高抵抗体であれば、
スイッチ素子として用いることができる。
添加し、あるいは高純度化することにより高抵抗体と
し、あるいはインジウム・燐（InP）に鉄（Fe）等を添
加して高抵抗体とする等、III-V族高抵抗体であれば、
スイッチ素子として用いることができる。
また、上記GaAsやInPにDXセンタを導入することで永
続光導電特性を持たせることができる。
続光導電特性を持たせることができる。
さらに、CdTe,HgCdTeまたはCdS等のII-VI化合物半導
体でもよい。
体でもよい。
なお、上述した超電導性薄膜は、不純物の析出によっ
てできた無数の超電導微粒子と母体の半導体との間にそ
れぞれジョセフソン結合を構成したものと見なせるが、
このような超電導微粒子が無くとも超伝導光機能素子を
作ることができる。
てできた無数の超電導微粒子と母体の半導体との間にそ
れぞれジョセフソン結合を構成したものと見なせるが、
このような超電導微粒子が無くとも超伝導光機能素子を
作ることができる。
すなわち、第４図に示すように前述のような基板23上
に、まず超電導体膜（例えば、NdCeSrCuO膜）を形成
し、この膜の一部を除去して超電導体22a,22bを設け
る。次いでInを添加して高抵抗としたPbSnTeからなる光
導電体膜11を両超電導体22a,22bの間に被着し、超電導
光機能素子を形成する。
に、まず超電導体膜（例えば、NdCeSrCuO膜）を形成
し、この膜の一部を除去して超電導体22a,22bを設け
る。次いでInを添加して高抵抗としたPbSnTeからなる光
導電体膜11を両超電導体22a,22bの間に被着し、超電導
光機能素子を形成する。
この場合、前記超電導体間の距離ｌは超電導体の侵入
長の500倍以下とする。超電導体の侵入長はPbSnTeの場
合暗状態で約30Åであるが、ｌは0.5μｍとした。そし
て両超電導体に図示しないが電極を付け、低電流源を接
続して特性を調べた。
長の500倍以下とする。超電導体の侵入長はPbSnTeの場
合暗状態で約30Åであるが、ｌは0.5μｍとした。そし
て両超電導体に図示しないが電極を付け、低電流源を接
続して特性を調べた。
このような素子も光照射の有無に応答したスイッチ特
性とメモリ効果を示した。
性とメモリ効果を示した。
他の構造例としては第５図に示すものも有効である。
基板33上に鉛カルコゲナイドの三元半導体からなる光導
電膜31を一様に形成し、その上に前記のような超電導膜
を形成した後、この超電導膜の一部に前記距離ｌの溝を
設けて超電導体32a,32bとした。
基板33上に鉛カルコゲナイドの三元半導体からなる光導
電膜31を一様に形成し、その上に前記のような超電導膜
を形成した後、この超電導膜の一部に前記距離ｌの溝を
設けて超電導体32a,32bとした。
なお、このような素子上に保護膜を設けてもよいこと
は当然である。
は当然である。
このような本発明の超電導光機能素子を光ICと組み合
わせることで、小型の高速論理素子を実現することが可
能となる。また、光応答特性を有しているので、赤外線
を含む光検知装置にも適用できる。
わせることで、小型の高速論理素子を実現することが可
能となる。また、光応答特性を有しているので、赤外線
を含む光検知装置にも適用できる。
以上説明したように、本発明によれば従来の電気信号
によるスイッチングやメモリに比べると、より高速で動
作する機能素子が実現でき、工業的効果大なるものであ
る。
によるスイッチングやメモリに比べると、より高速で動
作する機能素子が実現でき、工業的効果大なるものであ
る。
第１図は本発明の超電導光機能素子の構成図、 第２図，第３図は本発明の超電導光機能素子の特性を示
す図、 第４図，第５図は他の実施例を示す図である。 図において、 １は超電導性薄膜、2a,2bは電極、３は基板21,31は光導
電体、22a,22b、32a,32bは超電導体を示す。
す図、 第４図，第５図は他の実施例を示す図である。 図において、 １は超電導性薄膜、2a,2bは電極、３は基板21,31は光導
電体、22a,22b、32a,32bは超電導体を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷹岡 貞夫 兵庫県神戸市東灘区深江南町２丁目12番 ８号
Claims (6)
- 【請求項１】２つの電極（2a,2b）間に挟まれた光導電
効果を有する超電導性薄膜（１）の素子構造を有し、所
定の温度における光照射に応答して常電導状態から超電
導体状態に変化する特性を備えた素子であって、 前記超電導性薄膜（１）が鉛カルコゲナイドの三元半導
体に鉛（Pb）および／またはインジウム（In）を添加し
た材料からなることを特徴とする超電導光機能素子。 - 【請求項２】前記超電導性薄膜（１）が不純物としてIn
を添加した鉛・錫・テルル（PbSnTe）からなり、光照射
による超電導状態が光照射遮断後も永続することを特徴
とする請求項（１）記載の超電導光機能素子。 - 【請求項３】光導電体（21,31）と複数の超電導体（22
a,22b、32a,32b）とが接した構成の素子において、 前記超電導体（12aと12b）間の距離を超電導の侵入長の
500倍より短く構成し、所定の温度において前記光導電
体（11）に光を照射したとき、該光導電体の中への超電
導状態の侵入長が長くなって超電導特性を示すことを特
徴とする超電導光機能素子。 - 【請求項４】前記光導電体（21,31）がPbSnTeであるこ
とを特徴とする請求項（３）記載の超電導光機能素子。 - 【請求項５】前記光導電体（21,31）がGaAs,InP等のIII
-V族化合物半導体であることを特徴とする請求項（３）
記載の超電導光機能素子。 - 【請求項６】前記光導電体（21,31）がCdTe,HgCdTe,CdS
等のII-VI族化合物半導体であることを特徴とする請求
項（３）記載の超電導光機能素子。
Priority Applications (5)
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| JP2064551A JP2503091B2 (ja) | 1990-03-14 | 1990-03-14 | 超電導光機能素子 |
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| US4990487A (en) * | 1988-03-11 | 1991-02-05 | The University Of Tokyo | Superconductive optoelectronic devices |
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- 1991-03-14 KR KR1019910004065A patent/KR950000523B1/ko not_active IP Right Cessation
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- 1992-08-25 US US07/934,306 patent/US5448098A/en not_active Expired - Lifetime
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