JP2896788B2 - 光検出素子 - Google Patents
光検出素子Info
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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、超伝導体を用いた光検出素子に関し、特に
ジョセフソン接合を用いた光検出素子に関する。
ジョセフソン接合を用いた光検出素子に関する。
［従来の技術］ 従来の超伝導体を用いた信号検出素子、特に光信号を
検出する素子としては、ジョセフソン接合を利用したも
のが知られている［Japanese Journal of Applied Phys
ics vol.23 L333（1984）］。この光信号検出素子は、
酸化物超伝導体Bapb0.7Bi0.3O3（BPBO）薄膜でマイクロ
ブリッジ型ジョセフソン接合を形成し、この接合部に光
を照射し、ジョセフソン接合の臨界電流値の変化を利用
するものである。かかる検出素子においては、受光部の
材料としてBPBOを用いており、これは臨界温度が約13K
と低い。すなわち、検出素子を動作させるには、液体ヘ
リウム等を使用しなければならない。また、かかる検出
素子の特性は、ジョセフソン接合の特性によって決定さ
れる。
検出する素子としては、ジョセフソン接合を利用したも
のが知られている［Japanese Journal of Applied Phys
ics vol.23 L333（1984）］。この光信号検出素子は、
酸化物超伝導体Bapb0.7Bi0.3O3（BPBO）薄膜でマイクロ
ブリッジ型ジョセフソン接合を形成し、この接合部に光
を照射し、ジョセフソン接合の臨界電流値の変化を利用
するものである。かかる検出素子においては、受光部の
材料としてBPBOを用いており、これは臨界温度が約13K
と低い。すなわち、検出素子を動作させるには、液体ヘ
リウム等を使用しなければならない。また、かかる検出
素子の特性は、ジョセフソン接合の特性によって決定さ
れる。
［発明が解決しようとする課題］ 上記従来例において、かかる素子の光学的特性（例え
ば分光特性）は、超伝導体の分光特性によって検出する
光の波長域が制限され、広範囲の波長帯域の信号検出に
適していないという問題がある。
ば分光特性）は、超伝導体の分光特性によって検出する
光の波長域が制限され、広範囲の波長帯域の信号検出に
適していないという問題がある。
また、記録素子，半導体メモリー，ジョセフソンメモ
リー等として作動させる場合、電気的信号により作動さ
せるため、配線の引きまわし等による電気的ノイズに弱
いという問題がある。
リー等として作動させる場合、電気的信号により作動さ
せるため、配線の引きまわし等による電気的ノイズに弱
いという問題がある。
すなわち、本発明の目的とするところは、光→電流変
換、さらに超伝導物質の磁気特性を利用することによ
り、上述のような問題点を解決することにある。
換、さらに超伝導物質の磁気特性を利用することによ
り、上述のような問題点を解決することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明の特徴とするところは、光の照射により電流を
発生する受光部と、該発生電流によって生じた磁場を検
出する信号検出部とを少なくとも有する光検出素子にお
いて、前記信号検出部に超伝導体，絶縁体，超伝導体の
積層構造から成るジョセフソン接合（以下、SIS素子と
記す。）を用いた光検出素子にある。
発生する受光部と、該発生電流によって生じた磁場を検
出する信号検出部とを少なくとも有する光検出素子にお
いて、前記信号検出部に超伝導体，絶縁体，超伝導体の
積層構造から成るジョセフソン接合（以下、SIS素子と
記す。）を用いた光検出素子にある。
また、前記受光部に光伝導性材料又は光起電力を生ず
る材料を用いた光検出素子にある。
る材料を用いた光検出素子にある。
ここで、かかる方法を達成するために用いられる信号
検出部としての超伝導体としては、単結晶又は多結晶か
ら成る超伝導特性を有する材料であれば何でも良い。
尚、検出素子をより高い温度で動作させるためには、臨
界温度の高い材料が好ましい。この点でＹ−Ba−Cu−Ｏ
系、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系、Tl−Sr−Ca−Cu−Ｏ系セラ
ミックス材料のような77Kより高い臨界温度を持つ物質
が適している。
検出部としての超伝導体としては、単結晶又は多結晶か
ら成る超伝導特性を有する材料であれば何でも良い。
尚、検出素子をより高い温度で動作させるためには、臨
界温度の高い材料が好ましい。この点でＹ−Ba−Cu−Ｏ
系、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系、Tl−Sr−Ca−Cu−Ｏ系セラ
ミックス材料のような77Kより高い臨界温度を持つ物質
が適している。
一方、検出素子の動作温度は、使用する超伝導体の臨
界温度より低い温度であれば良いが、入力信号の検出感
度を上げるためにも臨界温度に近い温度の方がより好ま
しい。
界温度より低い温度であれば良いが、入力信号の検出感
度を上げるためにも臨界温度に近い温度の方がより好ま
しい。
また、受光部に用いる材料は、光照射により電流が発
生するものであれば何でもよいが、光伝導性材料，光起
電力を発生する材料が望ましい。光伝導性材料として
は、CdS,a−Si,Si,InSb,GaAs,CdSe等があり、光起電力
を発生する材料としては、Si,a−Si等のPN接合、あるい
はショットキー接合等がある。
生するものであれば何でもよいが、光伝導性材料，光起
電力を発生する材料が望ましい。光伝導性材料として
は、CdS,a−Si,Si,InSb,GaAs,CdSe等があり、光起電力
を発生する材料としては、Si,a−Si等のPN接合、あるい
はショットキー接合等がある。
［作用］ 第１図に、本発明の動作原理を説明するため、素子の
概略構成図を示す。
概略構成図を示す。
本図において、先ず、光伝導性材料あるいは光起電力
を発生する材料より成る受光部１に光が照射される。
を発生する材料より成る受光部１に光が照射される。
ここで、かかる受光部１が光伝導性材料から成る場合
には、キャリアが増加し、価電子帯の電子は励起された
伝導帯に遷移する。この伝導帯中で励起された電子が、
直流電圧源３により印加された電場により移動すること
で導線２に光電流が生じる。
には、キャリアが増加し、価電子帯の電子は励起された
伝導帯に遷移する。この伝導帯中で励起された電子が、
直流電圧源３により印加された電場により移動すること
で導線２に光電流が生じる。
一方、受光部１がPN接合等の光起電力を生ずる材料か
ら成る場合には、直流電圧源３は不要で導線２を閉回路
にしておけばよい。
ら成る場合には、直流電圧源３は不要で導線２を閉回路
にしておけばよい。
かかる電流によって発生する磁場により、導線２の近
傍にあるSIS素子４のジョセフソン電流は、第２図に示
すように、IJ（磁場＝Ｏ）からIJ′（磁場≠Ｏ）に変化
する。ここで、IJ＞IJ′である。
傍にあるSIS素子４のジョセフソン電流は、第２図に示
すように、IJ（磁場＝Ｏ）からIJ′（磁場≠Ｏ）に変化
する。ここで、IJ＞IJ′である。
さて、直流電流源５によってあらかじめSIS素子４に
バイアス電流IBを流しておく。ここでIBをIJ′＜IB＜IJ
のように取っておけば、光信号を受けてSIS素子４のジ
ョセフソン電流がIJ→IBとなったときに、SIS素子４は
超伝導状態から電圧状態にスイッチすることになる。
バイアス電流IBを流しておく。ここでIBをIJ′＜IB＜IJ
のように取っておけば、光信号を受けてSIS素子４のジ
ョセフソン電流がIJ→IBとなったときに、SIS素子４は
超伝導状態から電圧状態にスイッチすることになる。
すなわち、SIS素子は、第２図中Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｂ
→Ｄ→Ｏのように動作し、磁場＝Ｏの時の動作点はＸ
（電圧＝Ｏ）、磁場≠Ｏの時の動作点はＹ（電圧≠Ｏ）
となる。
→Ｄ→Ｏのように動作し、磁場＝Ｏの時の動作点はＸ
（電圧＝Ｏ）、磁場≠Ｏの時の動作点はＹ（電圧≠Ｏ）
となる。
［実施例］ 以下、実施例により本発明を詳述する。
実施例１ 受光部にSi、SIS素子にNb/Al−AlOx/Nbを用いた本実
施例の素子構成図を第３図に示す。
施例の素子構成図を第３図に示す。
先ず、ノンドープのSiウエハー基板（100面）７上
に、半分だけ絶縁膜８（SiO2）を1000Å成膜し、該絶縁
膜８上に公知の方法により、下部電極９（Nb），絶縁層
10（Al/AlOx），上部電極11（Nb）を作製し、接合面積
５μｍ×５μｍのSIS素子12を作製した。次に、Siウエ
ハー７上で絶縁膜８のない部分をフッ化水素で処理した
後、くし形電極13,14（Cr/Au）をメタルマスクを用い
て、図中に示すような形状に厚さ1500Åだけ成膜した。
ここで、くし形電極の長さは4mm,電極間距離は0.1mm,受
光面積は0.05cm2であった。この方法により、SiとCr/Au
との間はオーミック接触がとれた。電流線路部15は、SI
S素子12と10μｍの距離にあるようにした。上記の方法
で作製した光検出素子を用いて光応答性を評価したとこ
ろ、温度20Kにおいてバイアス電流1.2mA,He−Neレーザ
ー（波長633nm）0.1mW照射，くし形電極間印加電圧10V
で、SIS素子のスイッチング（OmV→2.8mV）が確認でき
た。
に、半分だけ絶縁膜８（SiO2）を1000Å成膜し、該絶縁
膜８上に公知の方法により、下部電極９（Nb），絶縁層
10（Al/AlOx），上部電極11（Nb）を作製し、接合面積
５μｍ×５μｍのSIS素子12を作製した。次に、Siウエ
ハー７上で絶縁膜８のない部分をフッ化水素で処理した
後、くし形電極13,14（Cr/Au）をメタルマスクを用い
て、図中に示すような形状に厚さ1500Åだけ成膜した。
ここで、くし形電極の長さは4mm,電極間距離は0.1mm,受
光面積は0.05cm2であった。この方法により、SiとCr/Au
との間はオーミック接触がとれた。電流線路部15は、SI
S素子12と10μｍの距離にあるようにした。上記の方法
で作製した光検出素子を用いて光応答性を評価したとこ
ろ、温度20Kにおいてバイアス電流1.2mA,He−Neレーザ
ー（波長633nm）0.1mW照射，くし形電極間印加電圧10V
で、SIS素子のスイッチング（OmV→2.8mV）が確認でき
た。
実施例２ 受光部にアモルファスSi、SIS素子にＹ系／酸化銀/Pb
を用いた本実施例の素子構成図を第４図に示す。
を用いた本実施例の素子構成図を第４図に示す。
先ず、MgO基板（100面）16上にRFマグネトロンスパッ
タ法により、Ｙ−Ba−Cu−Ｏ酸化物超伝導体から成る下
部電極17をアルゴン，酸素中で、基板温度550℃にて500
0Å成膜し、真空を破らずに絶縁層（Ag/Ag2O）18をアル
ゴン中で基板温度100℃にて100Å成膜した。次に、酸素
を導入し400℃に加熱してAgを酸化させた。次に、フォ
トリソグラフィー・プロセスにより、幅10μｍのブリッ
ジパターンを作成した（第４図中17,18）。次に、メタ
ルマスクを用い上部電極19（Pb）を厚さ500Åだけ蒸着
した。ブリッジ部に重なる部分の幅は100μｍであり、
接合面積100μｍ×10μｍとなるが、実際は、Ag酸化膜
の不均一性等から、実効面積は１ケタ以上小さい。次
に、CVD法により、受光部として2mm×2mmのアモルファ
スSi20を2000Å成膜し、最後に電極21、くし形電極22,2
3（Cr/Au）を500Å成膜した。ここで、電流線路部24
は、SIS素子と10μｍの距離にあるようにした。上記の
方法で作製した光検出素子を用いて光応答性を評価した
ところ、温度20K,バイアス電流0.85mA,He−Neレーザー
（波長633nm）0.1mW照射，くし形電極間印加電圧10V
で、SIS素子のスイッチング（OmV→20mV）が確認でき
た。
タ法により、Ｙ−Ba−Cu−Ｏ酸化物超伝導体から成る下
部電極17をアルゴン，酸素中で、基板温度550℃にて500
0Å成膜し、真空を破らずに絶縁層（Ag/Ag2O）18をアル
ゴン中で基板温度100℃にて100Å成膜した。次に、酸素
を導入し400℃に加熱してAgを酸化させた。次に、フォ
トリソグラフィー・プロセスにより、幅10μｍのブリッ
ジパターンを作成した（第４図中17,18）。次に、メタ
ルマスクを用い上部電極19（Pb）を厚さ500Åだけ蒸着
した。ブリッジ部に重なる部分の幅は100μｍであり、
接合面積100μｍ×10μｍとなるが、実際は、Ag酸化膜
の不均一性等から、実効面積は１ケタ以上小さい。次
に、CVD法により、受光部として2mm×2mmのアモルファ
スSi20を2000Å成膜し、最後に電極21、くし形電極22,2
3（Cr/Au）を500Å成膜した。ここで、電流線路部24
は、SIS素子と10μｍの距離にあるようにした。上記の
方法で作製した光検出素子を用いて光応答性を評価した
ところ、温度20K,バイアス電流0.85mA,He−Neレーザー
（波長633nm）0.1mW照射，くし形電極間印加電圧10V
で、SIS素子のスイッチング（OmV→20mV）が確認でき
た。
実施例３ 実施例２のアモルファスSiをＮ型1500Å,P型1500Åの
積層とし、PN接合にした。また、くし形電極23,24を短
絡させた。この素子に温度40Kにおいてバイアス電流0.8
5mAを流し、He−Neレーザー（波長633nm）2mWを照射し
たところ、SIS素子のスイッチング（OmV→20mW）が確認
できた。
積層とし、PN接合にした。また、くし形電極23,24を短
絡させた。この素子に温度40Kにおいてバイアス電流0.8
5mAを流し、He−Neレーザー（波長633nm）2mWを照射し
たところ、SIS素子のスイッチング（OmV→20mW）が確認
できた。
実施例４ 実施例２において、受光部20をCdS薄膜にし、くし形
電極23にYBaCuO系超伝導体を用い、電流線路部24をコイ
ル形にした。かかるコイル形状の構成を第５図に示す。
上記構成において、電極配線部の抵抗がＯとなること、
電流線路部をコイルにすることによって発生磁場が大き
くなることから、SIS素子のスイッチング感度を著しく
上げることが可能となる。
電極23にYBaCuO系超伝導体を用い、電流線路部24をコイ
ル形にした。かかるコイル形状の構成を第５図に示す。
上記構成において、電極配線部の抵抗がＯとなること、
電流線路部をコイルにすることによって発生磁場が大き
くなることから、SIS素子のスイッチング感度を著しく
上げることが可能となる。
［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の光検出素子によれば、受
光部で発生した電流によって生ずる磁場をSIS素子で検
出することができる。本発明において、受光部の材料を
選択することにより、所望の波長帯域での光検出が可能
となる。また、SIS素子特有のヒステリシス特性を用い
ているために、高感度の光検出素子となり、記憶素子と
しても機能させることが可能である。記憶素子として作
動させる場合、信号は光であるので、基板上の配線等が
少なくなり、電気的磁気的ノイズに強いものとなる。
光部で発生した電流によって生ずる磁場をSIS素子で検
出することができる。本発明において、受光部の材料を
選択することにより、所望の波長帯域での光検出が可能
となる。また、SIS素子特有のヒステリシス特性を用い
ているために、高感度の光検出素子となり、記憶素子と
しても機能させることが可能である。記憶素子として作
動させる場合、信号は光であるので、基板上の配線等が
少なくなり、電気的磁気的ノイズに強いものとなる。
第１図は、本発明の動作原理を説明するための素子の概
略構成図である。第２図は、SIS素子のスイッチング動
作図を説明するＩ−Ｖ線図である。第３図は、実施例１
の素子構成図である。第４図は、実施例２の素子構成図
である。第５図は、実施例４の電流線路部を示した図で
ある。 １…受光部、２…導線 ３…直流電圧源、４…SIS素子 ５…直流電流源、６…負荷抵抗 ７…基板（Si）、８…絶縁膜（SiO2） ９…下部電極（Nb）、10…絶縁層（Al/AlOx） 11…上部電極（Nb） 12…SIS素子（Nb/Al−AlOx/Nb） 13,14,22,23…くし形電極 15,24…電流線路部、16…基板（MgO） 17…下部電極（Ｙ系）、18…絶縁層（Ag/Ag2O） 19…上部電極（Pb） 20…受光部（アモルファスSi） 21…電極（Cr/Au） 25…コイル形電極（下部） 26…絶縁体 27…コイル形電極（上部）
略構成図である。第２図は、SIS素子のスイッチング動
作図を説明するＩ−Ｖ線図である。第３図は、実施例１
の素子構成図である。第４図は、実施例２の素子構成図
である。第５図は、実施例４の電流線路部を示した図で
ある。 １…受光部、２…導線 ３…直流電圧源、４…SIS素子 ５…直流電流源、６…負荷抵抗 ７…基板（Si）、８…絶縁膜（SiO2） ９…下部電極（Nb）、10…絶縁層（Al/AlOx） 11…上部電極（Nb） 12…SIS素子（Nb/Al−AlOx/Nb） 13,14,22,23…くし形電極 15,24…電流線路部、16…基板（MgO） 17…下部電極（Ｙ系）、18…絶縁層（Ag/Ag2O） 19…上部電極（Pb） 20…受光部（アモルファスSi） 21…電極（Cr/Au） 25…コイル形電極（下部） 26…絶縁体 27…コイル形電極（上部）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 岳彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 金子 典夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−86575（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−37528（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−46520（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01J 1/02 H01L 39/22
Claims (2)
- 【請求項１】光の照射により電流を発生する受光部と、
該発生電流によって生じた磁場を検出する信号検出部と
を少なくとも有する光検出素子において、前記信号検出
部に超伝導体，絶縁体，超伝導体の積層構造から成るジ
ョセフソン接合を用いたことを特徴とする光検出素子。 - 【請求項２】前記受光部に光伝導性材料又は光起電力を
生ずる材料を用いたことを特徴とする請求項１記載の光
検出素子。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1184425A JP2896788B2 (ja) | 1989-07-19 | 1989-07-19 | 光検出素子 |
| EP93203066A EP0590738B1 (en) | 1989-07-05 | 1990-07-04 | Light detecting device and light detecting method using a superconductor |
| DE69009109T DE69009109T2 (de) | 1989-07-05 | 1990-07-04 | Vorrichtung und Verfahren zur Lichtmessung. |
| EP90307302A EP0407166B1 (en) | 1989-07-05 | 1990-07-04 | Light detecting device and light detection method |
| DE69031501T DE69031501T2 (de) | 1989-07-05 | 1990-07-04 | Vorrichtung und Verfahren zur Lichtmessung unter Verwendung eines Supraleiters |
| US07/548,212 US5155093A (en) | 1989-07-05 | 1990-07-05 | Light detecting device and light detecting method using a superconnector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1184425A JP2896788B2 (ja) | 1989-07-19 | 1989-07-19 | 光検出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0351720A JPH0351720A (ja) | 1991-03-06 |
| JP2896788B2 true JP2896788B2 (ja) | 1999-05-31 |
Family
ID=16152931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1184425A Expired - Fee Related JP2896788B2 (ja) | 1989-07-05 | 1989-07-19 | 光検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2896788B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69522075T2 (de) * | 1994-11-02 | 2002-01-03 | Trw Inc., Redondo Beach | Verfahren zum Herstellen von multifunktionellen, monolithisch-integrierten Schaltungsanordnungen |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2737006B2 (ja) * | 1989-07-14 | 1998-04-08 | キヤノン株式会社 | 信号検出器 |
-
1989
- 1989-07-19 JP JP1184425A patent/JP2896788B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0351720A (ja) | 1991-03-06 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |