JPH02114576A - 超電導電磁波検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は酸化物超電導体に、酸化物超電導体の構成元素
を置換した常電導体を介在させた層での近接効果のジョ
セフソン弱結合を直列アレイに構成した中・遠赤外線以
上の長波長の電磁波検出素子に関するものである。

〈従来の技術〉 従来は、赤外線以上の波長の電磁波の検出、又は、測定
には、電磁波の吸収による素子の温度上昇を利用する熱
的検出器と、光子で励起された電子や正孔により素子の
特性が変化することを利用した光量子的検出器の２種の
検出器があった。

熱的検出器には、電気伝導率の変化を利用するボロメー
タ、熱起電力を利用するサーモパイル。

温度変化に対応した誘電体の自発分極を用いる焦電検出
器、ガス圧変化を利用するニューマチイックセルなどが
あり、光量子的検出器には、電気伝導度の変化を利用す
る光伝導セル、光による起電力を利用する光起電力セル
などがある。

更に、超電導体の近接効果による弱結合や、酸化物超電
導体の粒界のアレイに起る集団的同期現象を利用する検
出器の提案もされていた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 従来の電磁波検出においてボロメータ、熱電対。

焦電検出器などの熱的検出器は室温でも動作し、感度に
波長依存性はないが、応答速度が遅い。このなかで焦電
形のセンサでは応答速度は大幅に向上するが、感度が悪
いという欠点がある。

光量予検出器には、光伝導セルに、ＰｂＳで代表される
多結晶や、ＩｎＳｂ　で代表される化合物単結の真性型
と、及び、Ｇｅ　：Ｈｇ　　で代表される不純物型があ
り、その他に光起電力型、光電磁効果型がある。

上記の光量子効果を利用したセンサは、前記の熱的効果
を利用するセンサと比較すると、応答速度が早く、感度
も高いが、感度に波長依存性があり、使用可能な波長領
域も比較的波長の短い領域に限定されている。波長が１
５μｍ以上の領域にも実用的な感度をもつＧｅ：Ｃｕ　
やＧｅ：Ｚｎ等は。

４．２にの極低温に冷却して動作させる必要があり、取
り扱いにも問題があった。

セラミック超電導体のＢａＰｂｏ　７　Ｂｉｏ　３０３
を用いた赤外線領域の検出素子は、最大零電圧ジョセフ
ソン弱結合が赤外線の電磁波照射によって感度よく高速
度で変化する特性を利用しているが、この特性は酸化物
の焼成時に結晶粒界に形成された弱結合によるもので、
その粒界の構成を制御するのが困難で、素子特性の再現
性に乏しく、又、この素子の動作温度が１３に以下の低
温で、取り扱い上の難点もあった。上記の超電導体を用
い上記と同様な原理で動作するマイクロ波検出素子も、
その素子とマイクロ波源との整合がとりにくいという問
題がある。

本発明は、従来の電磁波検出素子の問題点を解消させ、
広い波長領域にわたって高い感度をもち、取り扱いも容
易な超電導電磁波検出素子を提供することを目的として
いる。

く問題点を解決するだめの手段〉 本発明は、前記の目的を達成するため、次のような電磁
波検出素子の構成にしている。

臨界温度Ｔｃ　が高い酸化物超電導体薄膜と、この酸化
物超電導体の構成元素の一部を他の元素で置換すること
により、Ｔｃ　をその素子の動作温度以下と低くするか
超電導特性を消失させた酸化物を、その両側の超電導体
層間が近接効果による弱結合の状■になる厚さの酸化物
膜とを、交互に複数層積層したジョセフソン弱結合直列
アレイ構成の電磁波検出素子である。

以上の構成の酸化物の積層は、酸化物超電導体の元素を
置換して特性を変えた酸化物も、その結晶の格子定数や
熱膨張係数などを殆んど変わらないので、素子の層間で
の格子の整合性がよく、各層の境界での歪や剥離などを
生じない積層構造にすることができる。

以上のようなジョセフソン弱結合の直列アレイの薄膜積
層構成の素子には集団的同期現象を発生させることがで
き、素子が電磁輻射を検出したときは、その積層構造の
直列ジョセフソン弱結合の総数Ｎに比例した出力電圧を
発生するが、その電磁波検出に伴うノイズは、そのジョ
セフソン弱結合の総数Ｎの平方根、つまり５に比例して
増加する。従ってノイズ対信号の比であるＳ／Ｎ比が改
善され、電磁波の高感度な検出が可能になった。

く作　用〉 複数個のジョセフソン弱結合の近接した直列アレイ構造
の検出素子に、測定する電磁波を照射したときジョセフ
ソン弱結合に集団的同期現象が生じるので、効率のよい
電磁波の検出ができる。

また、上記の積層構造がもつ全電気抵抗は、その電磁波
検出素子の作製時に任意に変更が可能なジョセフソン弱
結合の総数に比例するので、検出効率を上げるための検
出素子のインピーダンスの制御ができる。更に、Ｔｃ　
の高い酸化物超電導体を使用できるので検出素子の冷却
の問題も少なくなシ、取り扱いも容易になる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明のジゴセフソン弱結合直列積層構成の
超電導電磁波検出素子の一実施例の構成概要を示した断
面図である。

実施例は、ジルコニア（ＺｒＯｚ）　　にイツトリウム
（Ｙ）を添加して安定化したセラミックの基板７に、イ
ツトリウム−バリウム−銅の酸化物超電導体ＹＩＢａ２
Ｃｕ３０ｙｌの層をスパッタリング法により平滑に形成
し、本実施例の超電導電磁波検出素子の積層構成を形成
する面積（約５ｆｉＸ５ｍ）の周囲に絶縁層８をほぼ目
的の積層構成の高さに形成し、続いて、スパッタリング
のターゲットを、前記超電導体の組成である銅（Ｃｕ）
元素の一部を亜鉛（Ｚｎ）で置換したＹＩ　Ｂａ２　Ｃ
ｕ２５　Ｚｎｏ　ｓｏｙの組成で約５ＯＡの厚さの常電
導体薄膜２を形成した。この常電導層２の厚さは近接効
果を利用するため５００Ａ以下にする必要があり、良好
な特性にするためには５０Ａ〜１００Ａ程度にすること
が望しい。本実施例では５０層程度の厚さになるよう制
御して作製した。続いて作製する本実施例の積層構成を
絶縁層７内にのみ成膜するようにマスクを用いて、前記
のＹＩ　Ｂａｚ　Ｃｕ３０’１酸化物超電導体の約５０
０ＯＡの厚さの薄膜ｌと、約５ＯＡの厚さの常電導体薄
膜２を、交互に５０層ずつ前記のスパッタリング法で成
膜積層して、最後に形成した超電導体薄膜ｌは電極の３
と５をチタン（Ｔｉ）金層の蒸着で形成するため、絶縁
層８の上に延在するよう作製した。

続いて、電極３及び５と同時に、第１層の超電導体の電
極４及び６を形成した。この電極３及び４はｌ対の電流
電極であシ、電極５及び６は１対の電圧電極を形成する
ものである。

以上の積層膜に使用した、常電導体２の温度に対す抵抗
値の変化を測定したのが第３図であり、超電導体ｌの温
度に対する抵抗値の変化を測定したのが第４図である。

この図を比較すると、第３図のＹＩＢａｚ　Ｃｕｚ　ｓ
　Ｚｎｏ　ｓ　ＯＹ　２は室温でも電気抵抗が大きく、
また、温度を下げていくと、半導体の温度特性と類似し
た抵抗の増加を示した。

以上の、第３図と第４図はいずれも横軸が絶対温度で、
縦軸は比抵抗にしている。

超電導電磁波検出素子の電極３，４．５及び６に銀ペー
ストを用いてリード線の接続と配線を行い、液体窒素温
度（７７Ｋ）に冷却時の電流−電圧特性を示す曲線は電
磁波輻射オフのとき破線の曲線で示し、電磁波輻射オン
のとき実線の曲線で示した第２図のようになった。第２
図の横軸は、素子の電圧電極に発生した電圧で、縦軸は
素子の電流電極のバイアス電流である。

この第２図の特性の電磁波検出素子の対向する電流電極
の間に０．１ｍＡのバイアス電流を流しておくと、電磁
波の照射がないときは電圧電極５゜６間に電位差がない
が、この素子に電磁波を照射すると電圧電極に１．７　
ｍ　Ｖの電圧が生じた。

この素子に照射した電磁波は、波長が５ｍｍの帯域であ
った。実施例の素子は５０段の積層構造になっているの
で電磁波輻射がオンのとき電圧電極５と６の間に発生す
る電圧は、１段のジヲセフソン弱結合の場合の約５０倍
の値になったが、ノｌ／ イズ電圧は１段のときの約（５０）　　２になったので
、信号対ノイズの比（Ｓ／Ｎ比）は約７倍になり、良好
な感度の電磁波検出素子の特性を得ることができた。

≠ また、この測定から、素子の応答速度は０．１　季いて
、従来の同種の電磁波検出素子と比較すると高速な動作
の素子になっていた。

本発明の実施例では、Ｙ　−Ｂ　ａ　−Ｃｕ−０系の酸
化物超電導体で説明したが、この他のＴ／−ＢａＣａ−
Ｃｕ−０系、又は、　Ｂ１−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ　−０系
などの酸化物超電導体を用いることもできる。

更に、実施例では超電導体の構成元素であるＣｕ元素の
一部をＺｎ元素に置換して常電導体にしたが、この他、
Ｃｕ元素の一部をＮｉｌ　Ｃｏｔ　Ｆｅ＋Ｍｎ＋Ｃｒ、
又は、Ａｇなどの元素で置換してもよく、Ｙやランタノ
イド元素の一部をＳｃ、Ｃｅ　などの元素で置換しても
よい。

以上のように、超電導体の構成元素の一部を、原子の大
きさや特性などがほぼ同じ元素で置換してその超電導の
転移温度を、少なくとも、素子の使用温度以下にするか
、その超電導状態へ転移しない組成にした常電導体薄膜
を、もとの組成の超電導体に介在させることによシ、そ
の積層構造においても格子定数や熱膨張係数をほぼ等し
くできるので、素子の内部で歪を発生したり、層間で剥
離を生じることはなく、電気的にも安定した動作の素子
になった。

以上は、本発明の超電導電磁波検出素子の一実施例につ
いて説明したが、この素子で検出する電磁波の種類や、
その電磁波の強度などの条件によって、この超電導電磁
波検出素子の面積、又は、ジョセフソン弱結合の薄膜を
介在させた積層段数を変えて調整することができる。

〈発明の効果〉 本発明による超電導電磁波検出素子は、その感度特性に
関連するジョセフソン弱結合の特性を決定する常電導膜
の組成、厚さ、及び９段数を制御できるので、所定の規
格に揃えた超電導電磁波検出素子を作製することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電磁波検出素子の実施例の断面図、第
２図は実施例の素子の電流−電圧特性図、第３図は実施
例の常電導薄膜の電気抵抗−温度特性図、第４図は実施
例の超電導薄膜の電気抵抗−温度特性図である。 ｌは超電導体薄膜。 と４は電流電極。 板、　８は絶縁層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸化物超電導体薄膜層間に、前記酸化物超電導体の
   構成元素を置換して臨界温度の低下又は超電導性を消失
   させ、かつ、近接効果によるジョセフソン弱結合を形成
   する厚さにした酸化物薄膜層を介在させた積層構造で形
   成したことを特徴とする超電導電磁波検出素子。 ２、前記酸化物超電導体層と、その構成元素を置換した
   酸化物薄膜層とを複数層積層したことを特徴とする請求
   項１記載の超電導電磁波検出素子。 ３、前記ジョセフソン弱結合の積層構成が、電磁波検出
   のとき集団的同期現象による出力信号を形成する厚さで
   あることを特徴とする請求項１又は２記載の超電導電磁
   波検出素子。