JPH0351719A - 光検出素子 - Google Patents
光検出素子Info
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- JPH0351719A JPH0351719A JP1184424A JP18442489A JPH0351719A JP H0351719 A JPH0351719 A JP H0351719A JP 1184424 A JP1184424 A JP 1184424A JP 18442489 A JP18442489 A JP 18442489A JP H0351719 A JPH0351719 A JP H0351719A
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Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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。
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、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。
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、超伝導体を利用したものが知られ
ている［Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ＾ｐ
ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ、 ２３ Ｌ３３
３ （１９８４）］、この光信号検出素子は、酸化物超
伝導体ＢａＰｂｏ、 ｙＢｉｏ、 ３０３（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１３にと低い、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。
出する素子としては、超伝導体を利用したものが知られ
ている［Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ＾ｐ
ｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｏｌ、 ２３ Ｌ３３
３ （１９８４）］、この光信号検出素子は、酸化物超
伝導体ＢａＰｂｏ、 ｙＢｉｏ、 ３０３（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１３にと低い、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。
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。
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仁ころは、光→電流変換
、かかる電流を超伝導体に注入、超伝導体の有する電流
−電圧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。
、かかる電流を超伝導体に注入、超伝導体の有する電流
−電圧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、該発生電流を注入することによって光
信号を検出する超伝導体、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。
生する受光部と、該発生電流を注入することによって光
信号を検出する超伝導体、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。
）を用いた信号検出部とを少な（とも有する光検出素子
にある。
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。
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−０
系、Ｂ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔｌ−５ｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−０系セラミツクス材料のような液体窒素の沸点
である７１により高い臨界温度を持つ物質が適している
。
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−０
系、Ｂ１−３ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔｌ−５ｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−０系セラミツクス材料のような液体窒素の沸点
である７１に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。
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。
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−３ｉ、 ＳＬ、
ＩｎＳｂ。
ＩｎＳｂ。
ＧａＡｓ、 ＣｄＳｅ等があり、光起電力を発生する材
料としては、ＳＬ、 ａ−Ｓｉ等のＰＮ接合、あるいは
ショットキー接合等がある。
料としては、ＳＬ、 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。
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ｌに光が照射される。
発生する材料より成る受光部ｌに光が照射される。
ここで、かかる受光部ｌ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、かかる光電流は超伝導体４に注
入される（注入電流■ｐ）。
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、かかる光電流は超伝導体４に注
入される（注入電流■ｐ）。
尚、注入電極２ａ、 ２ｂは、超伝導体４のＳＩＳ接合
部分以外の部位に設置されている。
部分以外の部位に設置されている。
一方、受光部ｌ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。
さて、直流電流源６によってあらかじめＳＩＳ素子５に
ジョセフソン電流■、よりも小さなバイアス電流Ｉ６を
流してお（。
ジョセフソン電流■、よりも小さなバイアス電流Ｉ６を
流してお（。
ここで、Ｊｓ＋Ｉｐ＞Ｌとなったときに、ｓｒｓ素子５
は超伝導状態から電圧状態にスイッチすることになる。
は超伝導状態から電圧状態にスイッチすることになる。
かかるスイッチング動作図を第２図に示す。
ＳＩＳ素子は０→Ａ−ＩＢ−４０−＋Ｂ−４Ｄ−〇のよ
うに動作し、■、＝０の時の動作点はＸ（電圧＝０）、
Ｉｐ≠０でＩａ＋ ＩＰ＞ Ｌの時の動作点はＹ（電圧
≠０）となる。
うに動作し、■、＝０の時の動作点はＸ（電圧＝０）、
Ｉｐ≠０でＩａ＋ ＩＰ＞ Ｌの時の動作点はＹ（電圧
≠０）となる。
［実施例］
以下、実施例により本発明を詳述する。
見立■ユ
受光部にＳｉ％ＳＩＳ素子にＮｂ／Ａｊｉ’−Ａｉ）Ｏ
ｘ／Ｎｂを用いた本実施例の素子構成図を第３図に示す
。
ｘ／Ｎｂを用いた本実施例の素子構成図を第３図に示す
。
先ず、ノンドープのＳｉウェハー基板（１００面）８上
に、半分だけ絶縁膜９ （ＳｉＯ□）を１０００人成膜
し、該絶縁膜９上に公知の方法により、下部電極１０（
Ｎｂ）、絶縁層１１ （ＡＩ！／Ａｊ）Ｏｘ） 、上部
電極１２（Ｎｂ）を作製し、接合面積５ＰＩｎＸ５１Ｌ
ｌ！ＩのＳＩＳ素子１３を作製した。次に、ＳＬウェハ
ー８上で絶縁膜９のない部分をフッ化水素酸で処理した
後、くし形電極１４゜１５ （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１５００人
だけ成膜した。ここで、くし形電極の長さは４ ｍｍ、
電極間距離は０．１１ＩＩｍ。
に、半分だけ絶縁膜９ （ＳｉＯ□）を１０００人成膜
し、該絶縁膜９上に公知の方法により、下部電極１０（
Ｎｂ）、絶縁層１１ （ＡＩ！／Ａｊ）Ｏｘ） 、上部
電極１２（Ｎｂ）を作製し、接合面積５ＰＩｎＸ５１Ｌ
ｌ！ＩのＳＩＳ素子１３を作製した。次に、ＳＬウェハ
ー８上で絶縁膜９のない部分をフッ化水素酸で処理した
後、くし形電極１４゜１５ （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１５００人
だけ成膜した。ここで、くし形電極の長さは４ ｍｍ、
電極間距離は０．１１ＩＩｍ。
受光面積は０．０５ｃｍ”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。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１．２ｍ
Ａ、 Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ） ０．３
ｍＷ照射、（シ形電極間印加電圧ｔＯＶで、ＳＩＳ素子
のスイッチング（ＯｍＶ→２．８ｍＶ）が確認できた。
ＳｉとＣｒ／Ａｕとの間はオーミック接触がとれた。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１．２ｍ
Ａ、 Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ） ０．３
ｍＷ照射、（シ形電極間印加電圧ｔＯＶで、ＳＩＳ素子
のスイッチング（ＯｍＶ→２．８ｍＶ）が確認できた。
夫胤ｌユ
受光部にアモルファスＳＬ、 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
。
銀／Ｐｂ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−０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５０００人成膜し、真空を破らずに絶
縁層（Ａｇ／ＡｇｚＯ） １ｇをアルゴン中で基板温度
１００℃にて１００人成膜した。次に、酸素を導入し４
００℃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１０Ｐｍ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（ＰｂＪを厚さ５００人だ
け蒸着した。ブリッジ部に重なる部分の幅は１００弘ｍ
であり、接合面積１００μｍＸ１Ｏ糾ｍとなるが。
ロンスパッタ法により、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−０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５０００人成膜し、真空を破らずに絶
縁層（Ａｇ／ＡｇｚＯ） １ｇをアルゴン中で基板温度
１００℃にて１００人成膜した。次に、酸素を導入し４
００℃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１０Ｐｍ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（ＰｂＪを厚さ５００人だ
け蒸着した。ブリッジ部に重なる部分の幅は１００弘ｍ
であり、接合面積１００μｍＸ１Ｏ糾ｍ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２
ｍａ＋Ｘ ２ ｍｍのアモルファスＳｉ ２０を２０
００人成膜し、最後にくし形電極２１．２２（Ｃｒ／Ａ
ｕ）を５００人成膜した。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２０に、
バイアス電流０．７５ｍＡ、 Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波
長６３３ｎｍ） ０．３ｍＷ照射、クシ形電極間印加電
圧１０Ｖで、ＳＩＳ素子のスイッチング（ＯｍＶ→２０
ｍＶ）が確認できた。
タ以上小さい。次に、ＣＶＤ法により、受光部として２
ｍａ＋Ｘ ２ ｍｍのアモルファスＳｉ ２０を２０
００人成膜し、最後にくし形電極２１．２２（Ｃｒ／Ａ
ｕ）を５００人成膜した。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２０に、
バイアス電流０．７５ｍＡ、 Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波
長６３３ｎｍ） ０．３ｍＷ照射、クシ形電極間印加電
圧１０Ｖで、ＳＩＳ素子のスイッチング（ＯｍＶ→２０
ｍＶ）が確認できた。
見立■ユ
実施例２のアモルファスＳｉをＮ型１５００人、Ｐ型１
５００人の積層とし、ＰＮ接合にした。また、上部電極
１９（Ｐｂ）と（し形電極２２を短絡させた。この素子
に温度４０Ｋにおいてバイアス電流０．８ｍＡを流し、
Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ） ３ ｍＷを照
射したところ、ＳＩＳ素子のスイッチング（ＯｍＶ −
２０ｍＶ）が確認できた。
５００人の積層とし、ＰＮ接合にした。また、上部電極
１９（Ｐｂ）と（し形電極２２を短絡させた。この素子
に温度４０Ｋにおいてバイアス電流０．８ｍＡを流し、
Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３３ｎｍ） ３ ｍＷを照
射したところ、ＳＩＳ素子のスイッチング（ＯｍＶ −
２０ｍＶ）が確認できた。
［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
部で発生した電流を超伝導体に注入することによってＳ
ＩＳ素子をスイッチングすることができる。本発明にお
いて、受光部の材料を適宜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。
部で発生した電流を超伝導体に注入することによってＳ
ＩＳ素子をスイッチングすることができる。本発明にお
いて、受光部の材料を適宜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。 ｌ・・・受光部 ２・・・導線２ａ、 ２ｂ
・・・注入電極 ４・・・超伝導体 ６・・・直流電流源 ８・・・基板（ＳＬ） ｌＯ・・・下部電極（Ｎｂ） １２・・・上部電極（Ｎｂ） １３・・・ＳＩＳ素子（Ｎｂ／Ａ１１−Ａｊ）Ｏｘ／Ｎ
ｂ）１４、１５．２１．２２・・・（し形電極１６・・
・基板（ＭｇＯ）１７・・・下部電極（Ｙ系）１８・・
・絶縁層（Ａｇ／ＡｇａＯ） １９・・・上部電極（
Ｐｂ）２０・・・受光部（アモルファス５ｉ）３・・・
直流電圧源 ５・・・ＳＩＳ素子 ７・・・負荷抵抗 ９・・・絶縁膜（Ｓｉｎ２）
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。 ｌ・・・受光部 ２・・・導線２ａ、 ２ｂ
・・・注入電極 ４・・・超伝導体 ６・・・直流電流源 ８・・・基板（ＳＬ） ｌＯ・・・下部電極（Ｎｂ） １２・・・上部電極（Ｎｂ） １３・・・ＳＩＳ素子（Ｎｂ／Ａ１１−Ａｊ）Ｏｘ／Ｎ
ｂ）１４、１５．２１．２２・・・（し形電極１６・・
・基板（ＭｇＯ）１７・・・下部電極（Ｙ系）１８・・
・絶縁層（Ａｇ／ＡｇａＯ） １９・・・上部電極（
Ｐｂ）２０・・・受光部（アモルファス５ｉ）３・・・
直流電圧源 ５・・・ＳＩＳ素子 ７・・・負荷抵抗 ９・・・絶縁膜（Ｓｉｎ２）
Claims (2)
- （１）光の照射により電流を発生する受光部と、該発生
電流を注入することによって光信号を検出する超伝導体
、絶縁体、超伝導体の積層構造から成るジョセフソン接
合を用いた信号検出部とを少なくとも有することを特徴
とする光検出素子。 - （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 |
|---|---|---|---|
| JP1184424A JP2737008B2 (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 |
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-
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