JPH0212022A - 超伝導光検出素子 - 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、光検出素子、特に超伝導回路に組み込んで用
いられるのに適した光検出素子に関する。

〔従来の技術］ 近年、電子回路の小型化と高速化に対する要請は、非常
に強く、半導体集積回路の高密度化技術は、長足の進歩
を遂げた。この高密度化に伴なって、素子動作に伴なう
発熱量が増大し、これを有効に冷却することが重要な課
題となっている０回路の発熱増大に対処する方法として
、回路の素子や配線を超伝導体を用いて形成して、超伝
導集積回路とし、回路全体を低消費電力化することが考
えられる。このような超伝導回路の研究は、最近、Ｎｂ
を用いたジョセフソン接合素子の製造技術が進歩したこ
とや、液体窒素温度以上でも超伝導を示す物質が見い出
されたことによって注目されている。

一方で、情報の高密度伝送の必要から光を用いた伝送方
式が注目されている。これを用いるには受信側で光信号
を電気信号に変換することが必要であり、そのためのセ
ンサーとして、一般的には半導体センサーが使用されて
いる。

上述のように光による入力信号を処理する際に使用でき
、前記したような超伝導回路等に用いられる光検出用超
伝導素子として従来研究されてきた代表的な例は、Ｂａ
Ｐｔ１＋−ＪｉＪｓ　（Ｂ　Ｐ　Ｂ　Ｏ）の多結晶薄膜
を用いた光検出素子である（日本物理学会】９８４年秋
０分科会予稿集第２分冊ｐ１５９゜村上、種本、銘木に
よる講演２ｐ−ｓ−７参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

この素子の光検出は、次の原理に基づく。多結晶膜にお
ける結晶粒界は、適当な厚さのトンネル障壁の役割を果
し、膜全体としては多数のジョセフソン接合の集合とな
っている。この多結晶膜の電流−電圧特性は模式的に第
５図に示される。この多結晶膜に光を照射すると、超伝
導を担っている電子対（クーパ一対）が壊され準粒子が
生成される。それによって、超伝導体のエネルギーギャ
ップが減少することにより、ジョセフソン接合の電流−
電圧特性が変化して臨界電流値が変化する。多結晶膜の
電流−電圧特性は全体として第５図に示すよう曲線１３
から１４に変化する。

また、最近、ＹＢａ２ＣＵ３０７薄膜の光導電性半導体
を用いた光スイツチング素子が報告されている（例えば
ＴＲ１ＧＥＲ’８７８１号ｐ１０３参照）、動作原理等
の詳細は明らかにされていないが、光伝導性半導体から
の嘔粒子注入により前述のセンサーと同様の動作をする
ものと思われる。

上記従来例において、光の照射による特性変化の検出方
法として、素子の臨界電流よりやや大きな電流を流して
おき、素子の両端に現れる電圧の変化を読み取る。

この方法では、電流値が大きくなりすぎると、電圧の変
化量が小さくなってし２まい感度が低下してしまう。従
って、この素子に流すことのできる電流は限られており
、何らかの方法によってこの電流により別の素子を駆動
することはむずかしい。

そのため、この素子は信号を電圧どして取り出し、それ
に対応した電流を供給するための回路を必要とする。こ
のことは、回路構成上不利となる。

本発明の目的は、感度を低下させずに比較的大きな電流
を流すことができ、回路構成上有利な超伝導光検出素子
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成する本発明の超伝導光検出素子は、ト
ンネル障壁層を介して接合された少なくとも２つの超伝
導体と、前記超伝導体の一方に接合された光導電性半導
体とを有してなり、該両超伝導体上には、電極を設置す
るための電極部分をもつことを特徴とする。

光導電性半導体に光が照射されると、キャリアが生成さ
れ、それに接合された超伝導体内にキャリアが流入して
電子対は準粒子となる。超伝導体内で準粒子の数が増大
すると、エネルギーギャップが減少し、この超伝導体と
、もう一つの超伝導体の接合面を流れる電流が変化する
０本発明は、この作用を利用して、素子に流れる電流を
、光の照射量に応じて変化させ、光を検出するものであ
る。

前述の従来例では、接合を流れる電流が基本的には電子
対トンネル障壁によった、超伝導電流であり、それが臨
界値を越えたために、超伝導が破れたものであるのに対
し、本発明では、トンネル障壁層を通過する電流はもと
もと準粒子トンネル障壁による電流であるため、電流値
を大きくすることができる。

第１図、第４図にそれぞれ本発明の実施態様を示す、第
１図に示す超伝導光検出素子は、基板１上に順次、第１
の超伝導体層２、トンネル障壁層３、第２の超伝導体層
４、光導電性半導体層５が設けられたものであり、画題
伝導体層２．４上には、電極６ａ、６ｂが備えられてい
る。第４図に示す超伝導光検出素子は、超伝導体層２ａ
、２ｂの間に絶縁領域１２が配され、これらの上に、ト
ンネル障壁層３、超伝導体層４、光導電性半導体層５が
設けられ、超伝導体層２ａ、２ｂの上に電極６ａ、６ｂ
が備えられている。このような態様とすることにより、
光検出素子は、電流の向きを逆転させた場合にも、同様
な特性を示すものとなる。

なお、本発明に用いられる超伝導体層、トンネル障壁層
、光導電性半導体層の材料は、特に限定されるわけでは
なく、後述の実施例に示すもの以外のものでもさしつか
えないが、良好な特性を得るだめには、光導電性半導体
層から注入される準粒子の濃度に比べて、超伝導体層の
キャリア濃度があまり大き過ぎないことが望ましい。し
かしながら、あまりキャリア濃度が小さすぎると（有機
超伝導体など）、電流値が低下してしまう、この点から
、超伝導体としては、１、ａ　１−ｘｓｒｚｃｕｏ４゜
ＥｒＢａｚＣｕｓＯｔ、ＢａＰｌ）＋−ｘＢ！ｘＯｓ　
、　Ｂ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ、Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ
−０等の酸化物が好適である。

〔実施例〕

第１図に示した構成の超伝導体光検出素子を作製した。

基板１としてはＳｒＴｉＯ３、第１の超伝導体層２とし
てはＥｒＢａａＣＩＩｓＯｔ、トンネル障壁層３として
はＭｇＯ、第２の超伝導体層４としては同じくＥｒＢａ
＊Ｃｕ５Ｏフ、光導電性半導ｔｌ’Ｗ５としてはＩｎＳ
ｂとした。

２つの超伝導体層２．４とトンネル障壁層３の形成には
、マグネトロンスパッタリング法を利用し５た。この際
、超伝導体層の厚さは両方とも約５０００人、トンネル
障壁層３の厚さは２ＯＡとなるように成膜レートと成膜
時間を選んだ、この間、基板温度は、７００±２０℃に
なるように保持しておいた。光導電性半導体層５は、真
空蒸着法により形成し、厚さ約６μ瓜とした。

この素子の動作を確かめるため、第２図に示す試験回路
、即ち上記の光検出素子８、電源９．５００Ωの抵抗１
０、電圧計１１からなる回路を作り、入射光量と、素子
を流れる電流の関係を調べた。光源７は波長６８０　ｎ
ｍの発光ダイオードであり、光量はダイオードに流す電
流により調整した。なお、光検出素子８は不図示のヘリ
ウム循環冷凍器により２０±２ｋに保持しておいた。

電源から５■の低電圧を供給し本素子の光に対する応答
性を調べた。

結果は、第３図に示すように、入射光量に比例して電流
値が減少することを示しており、本実施例が光検出素子
として働いていることを示している。また、電流値の変
化量は例えば、超伝導トランジスタ等を駆動するのに十
分な大きさである。

［発明の効果〕 以上詳細に説明したように、本発明の超伝導光検出素子
は、光に対する感度を低下させずに比較的大きな電流を
流すことができる。従って、次段の素子（例えば超伝導
トランジスタ）を駆動するに必要な電流を供給すること
ができ、超伝導回路の要素素子として利用価値の極めて
高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、第２図は本発明の実
施例の動作試験用の回路図、第３図は試験結果を示した
もの、第４図は他の実施例の構成図、第５図は薄膜を用
いた従来例の動作の説明図である。 】：　基板　　　　　２：第１の超伝導体層２ａ、２ｂ
：超伝導体層 ３・トンネル障壁Ｎ　４：第２の超伝導体層５：光導電
性半導体１１ｉ６ａ、６ｂ：電極７：光源 ８・実施例の光検出素子　　９・電源 ｌＯ：抵抗　　　　１１：電圧計 １２：絶縁領域 １３：従来例の光を照射しない場合の電流−電圧特性 １４：従来例の光を照射した場合の電流−電圧特性

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）トンネル障壁層を介して接合された少なくとも２つ
   の超伝導体と、前記超伝導体の一方に接合された光導電
   性半導体とを有してなり、該両超伝導体上には、電極を
   設置するための電極部分をもつことを特徴とする超伝導
   光検出素子。 ２）前記超伝導体が酸化物である請求項１記載の超伝導
   光検出素子。