JP2540511B2 - 超電導ホトトランジスタ - Google Patents

超電導ホトトランジスタ

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JP2540511B2 JP61040241A JP4024186A JP2540511B2 JP 2540511 B2 JP2540511 B2 JP 2540511B2 JP 61040241 A JP61040241 A JP 61040241A JP 4024186 A JP4024186 A JP 4024186A JP 2540511 B2 JP2540511 B2 JP 2540511B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、極低温で動作する光検出素子に係り、特に
トランジスタ構造を有し、検出した光信号を電気信号に
変換するために好適な超電導ホトトランジスタに関する
ものである。
〔従来の技術〕
極低温で動作する超電導体を用いた光検出素子として
は、従来、アイ・イー・イー・イー・、トランザクショ
ン・オン・マグネチクス・エムエージー17(IEEE Tran
s Magn MAG−17)No.1(1981年)88〜91頁に記載され
ているマイクロブリッジ構造を有するジョセフソン素子
を用いたもの、あるいは特開昭60−30114号に記載され
た超電導体中への準粒子注入効果によるサンドイッチ型
ジョセフソン素子を用いたもの、などが知られていた。
上記従来技術は、超電導体に光を照射したときに、上
記超電導体内に励起される準粒子(電子または正孔)に
よって、ジョセフソン素子を構成する薄膜超電導体が影
響を受け、その結果としてジョセフソン素子の特性が変
化することを利用し、光の検出を行っている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記ジョセフソン素子は2つの端子だけを有する2端
子素子であり、上記素子自身は信号の増幅機能を有して
いない。また。光の照射を行った場合に生じるジョセフ
ソン素子の特性変化、すなわち出力信号は、電圧に換算
すると超電導体のギャップ電圧Δに比して小さく、した
がってジョセフソン素子あるいは超電導トランジスタに
よって構成された回路に信号を伝えるためには、上記光
検出素子の出力信号を増幅する素子を設ける必要があっ
た。また、準粒子を利用した素子の特徴として、上記光
検出素子の動作時間はオン(ON)に較べてオフ(OFF)
が数倍から数十倍の値となり、回路動作が複雑になって
いた。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記の問題点を解決するために、半導体を介
して2つの対向する超電導電極の間の距離dNが、上記半
導体中のコヒーレンズ長さξの5〜20倍の長さに選ば
れて、上記2つの超電導電極間の超電導の波動関数が弱
く結合した弱結合を形成し、上記弱結合の程度を、半導
体中のキャリアを変化させるためのゲート電極を有する
MOS型の超電導トランジスタを用い、上記半導体部分に
光を照射することにより検出する光検出素子を構成し
た。
〔作用〕
本発明による超電導ホトトランジスタは、液体ヘリウ
ム温度(4.2K)あるいはこれに近い極低温に冷却して使
用する。半導体中にはn型あるいはp型の不純物を導入
するが、超電導ホトトランジスタである光検出素子の使
用温度が低いため、かなりの割合の不純物が活性化され
ず、キャリアの供給源とはならない。しかし、上記光検
出素子に光を照射して、その励起によりキャリアを増す
ことによって、光検出素子の2つの超電導電極間を流れ
る超電導電流の大きさを変化させることができる。この
際、い第3電極であるゲート電極に電圧を印加し、あら
かじめ一定量のキャリアを半導体中に蓄えておくことに
よって、微小な入射信号により大きな超電導電流の変化
を得ることができる。
半導体中に深い準位を有する不純物を導入し、かつ上
記半導体が蓄積状態になるようにゲート電圧を印加した
状態で光を照射しても、本発明の目的を達することがで
きる。この場合には、光の照射によって深い準位の不純
物にあったキャリアが、光によって励起され伝導に寄与
するようになるため、超電導電流の変化を得ることがで
きる。
上記のように本発明のよる光検出素子においては、ゲ
ート電極の存在と、ゲート電極に印加するゲート電圧と
が、効率よい光の検出と大きな出力信号を得るために重
要な役割を果している。すなわち、上記光検出素子は3
端子構造を有しており、出力信号はジョセフソン素子や
超電導トランジスタの動作電圧レベルとほぼ同じである
ために、他に増幅のための素子を必要とせず、したがっ
て、回路の構成や製造が容易である。
〔実施例〕
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。第1
図は本発明による超電導ホトトランジスタの第1実施例
の一部を示す断面図、第2図は上記第1実施例の電気特
性を示す図、第3図は本発明の第2実施例の一部を示す
断面図、第4は上記第2実施例の電気特性を示す図、第
5図は本発明の第3実施例を示す図、第6図は上記第3
実施例の使用状態を例示する図、第7図は本発明の第4
実施例による超電導ホトトランジスタを用いた信号伝送
系の説明図である。第1図において、半導体1はp型の
不純物(例えばほう素)を1×1018cm-3の濃度に含んだ
Si単結晶基板であり、結晶方位は(100)である。上記
半導体基板1上に、厚さ約150nmのNb薄膜よりなる超電
導電極2および3をArガスを用いたDCマグネトロンスパ
ッタ法により成膜し、CF4ガスを用いた反応性プラズマ
エッチングにより幅10μmに加工して形成した。つぎに
化学的気相成長法により厚さ約60nmの絶縁膜4を形成
し、CF4ガスによる反応性プラズマエッチングによって
加工する。最後に厚さ20nmのNb薄膜よりなるゲート電極
5を形成して、本発明の超電導ホトトランジスタを得る
ことができた。上記超電導電極2と3との距離は0.2μ
m程度あるいはそれ以下に選ぶことが望ましいが、半導
体1中のキャリアの移動度が大きい場合には上記の値よ
り広くてもよい。
上記光検出素子に光信号7を入射すると、第2図に示
したように、上記光検出素子の2つの超電導電極2、3
間の電気特性が変化し、特に負のゲート電圧をあらかじ
め印加しておくことによって、超電導電極2と3との間
に超電導的な結合が生じる。この際、上記結合が強すぎ
るときは光信号の入射に関係なく超電導電流が流れ、ま
た、上記結合が弱すぎるときは光信号が入射しても超電
導電流が流れない。したがって、必要なぎりぎりの量の
キャリアをあらかじめ蓄えておくことにより、効率がよ
い光の検出を行うことができる。このことは光源の強度
を小さくできることを意味し、小型の発光源を使用でき
るので、ジョセフソン素子を用いたコンピュータ等の高
密度な実装を実現するのに役立つ。上記超電導ホトトラ
ンジスタの出力電圧は2〜3mV程度あり、したがって他
の増幅用素子を用いることなく、直接ジョセフソン素子
や超電導トランジスタを駆動することが可能である。
つぎに第3図および第4図を用いて、本発明の第2実
施例を説明する。第3図に示す断面図は、基本的な構成
が第1図に示す第1実施例と同じであるが、りんを1×
1019cm-3の濃度にイオン打込み法で導入して作った不純
物導入部6を、半導体基板1と超電導電極2および3と
の間に有し、かつ半導体基板1中にほう素を加え、イン
ジウムを5×1017cm-3濃度で深さ約100nmの範囲に拡散
させ、深い準位が形成されている。上記光検出素子を液
体ヘリウム温度(4.2K)に冷却し、波長2〜7μmの赤
外光を照射したところ、ゲート電極5に−5V程度の電圧
を印加して半導体1を強くアキュムレートさせた場合、
光検出素子の2つの超電導電極2および3の間の電気特
性は、第4図に示したように変化し、光信号を電気信号
に変換することができた。
上記2つの実施例においては、半導体基板1にSiを用
いたが、Siの代りにGaAs、InAs、InSb、InP、Ge等を用
いても同様の効果を得ることができる。また超電導体は
Nbに換えてNbN、MoN、Nb3Al、Nb3Si、V3Si、Nb3Sn、Pb
合金等の材料を使用してもよいことはいうまでもない。
また、ゲート電極5の厚さは、照射する光が半導体1へ
達することができるように、その厚さを選ぶことが必要
である。
さらに、光を入射する手段を半導体基板の裏面に設け
ても、本発明の目的を達成することができる。第5図に
示す本発明の第3実施例は、Si(100)単結晶基板11を
裏面から異方性エッチングすることによって得たSi単結
晶薄膜12を半導体として用いた例である。本実施例で
は、超電導電極13と14がSi単結晶膜12の表面に設けられ
ており、これら超電導13、14へSi単結晶薄膜12を介して
超電導弱結合を形成している。Si単結晶薄膜12には、不
純物としてほう素を1×1026m-3の濃度に拡散してあ
る。上記不純物は、りん、またはひ素、もしくはアンチ
モンであっても本発明の目的を十分に達することができ
る。Si単結晶基板12の裏面には、厚さ約40nmのSiO2より
なるゲート絶縁膜15とゲート電極16とを設けた。ゲート
電極16は光を透過し、かつ液体ヘリウム温度で超電導性
を有することが望ましく、厚さ約100nmのBaPbBiO3ある
いは厚さ約20nmのNbN薄膜を用いるとよい。上記光検出
素子を4.2Kに冷却し、Si単結晶基板11の裏面から光ファ
イバ19を用いて波長632.8nmの光17を入射させたとこ
ろ、光検出素子として動作し、本発明の目的を達するこ
とができた。上記光検出素子を回路として使用し、第6
図に示すように、いわゆるフェースダウンでチップキャ
リア18上に実装して使用する場合は、光源をSi単結晶基
板11の裏面に設けることができるため、光ファイバ19等
の光源と上記光検出素子とを容易に接続し、かつ受信し
た信号を周辺回路へ高速で伝送できる利点がある。
つぎに第7図により本発明の第4実施例を説明する。
第7図は本発明による超電導ホトトランジスタを用いた
室温側から極低温側への信号伝送装置の一部を示す図で
ある。室温側の発光ダイオード51からの光信号は、光フ
ァイバ52を通って極低温容器55内の液体ヘリウム温度に
ある超電導ホトトランジスタ50へ導かれ、上記光信号は
電気信号に変換されて、ジョセフソン素子53あるいは超
電導トランジスタ54などによって構成されたデジタル信
号処理回路へと伝送される。光ファイバ52は熱の伝導性
が悪いために、同軸ケーブルを用いた信号の伝送に較べ
て低温系への熱流入を小さくすることができ、したがっ
て冷凍機の負荷を軽くしてシステムの運転コストを低減
し、あるいは冷凍機そのもののコストを低減することが
できる。
本実施例では光源として発光ダイオードを用いたが、
発光ダイオードの代りに半導体レーザを用いてもよく、
また、上記半導体レーザを光源として用いる場合には、
光の偏波面が保存できる光ファイバを用い、超電導ホト
トランジスタの上に検光子を置くことにより、位相を変
調した信号の伝送もできることはいうまでもない。
〔発明の効果〕
上記のように本発明による超電導ホトトランジスタ
は、半導体と、該半導体に接して所定の距離を隔てて設
けられた超電導体よりなる2つの電極と、上記半導体の
上面または下面であって、上記2つの電極間に絶縁膜を
介して設けたゲート電極と、該ゲート電極の半導体層が
形成されている面とは反対の面に、直接光が照射するよ
うに設けた光照射手段とを有することにより、3端子型
の極低温で動作する光検出器を実現し、かつ検出効率が
よく出力電圧が大きいため他の増幅素子を必要とせず、
したがって回路を構成する素子数を減少させて集積度を
向上させることができる。また、本発明によれば光信号
による極低温と室温との信号伝送が可能となり、極低温
側への熱流入を減らすことができるので、システムの冷
凍に関するコストが引下げられるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による超電導ホトトランジスタの第1実
施例の一部を示す断面図、第2図は上記第1実施例の電
気特性を示す図、第3図は本発明の第2実施例の一部を
示す断面図、第4図は上記第2実施例の電気特性を示す
図、第5図は本発明の第3実施例を示す図、第6図は上
記第3実施例の使用状態を例示する図、第7図は本発明
の第4実施例による超電導ホトトランジスタを用いた信
号伝送系の説明図である。 1、11……半導体 2、3、13、14……超電導電極 4、5……絶縁膜、5、16……ゲート電極 7、17……光信号

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体と、該半導体に接して所定の距離を
    隔てて設けられた超電導体よりなる2つの電極と、上記
    半導体の上面または下面であって、上記2の電極間に絶
    縁膜を介して設けたゲート電極と、光がゲート電極を通
    してソースとドレインとの間の半導体層を照射するよう
    に設けた光照射手段とを有する超電導ホトトランジス
    タ。
  2. 【請求項2】上記ゲート電極は、厚さが100nm以下であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載した超
    電導ホトトランジスタ。
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