JPH0351720A - 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、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。

［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［ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ　ｏ
ｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｖｏｌ、　２３
　Ｌ３３３（１９１１４月、この光信号検出素子は、酸
化物超伝導体１１ａＰｂ６．　、ａｔｏ、　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ａｐｅｏ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。

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。

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。

［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。

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。

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、Ｂ１−５ｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０系、Ｔ？５ｒ−Ｃａ−
Ｃｕ−０系セラミツクス材料のような７７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、人力信号の検出感度
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−５Ｌ、　ＳＬ、
　ＩｎＳｂ。

ＧａＡｓ、　ＣｄＳｅ等があり、光起電力を発生する材
料としては、５１．　ａ−Ｓｌ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。

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。

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
導帯に遷穆する。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。

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５１５素子４のジョセフソン電流は、第２図に示
すように、Ｌ（磁場＝０）から夏、’　　（ｉｆｆ場≠
０）に変化する。ここで、Ｌ＞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Ｉａを流しておく、ここでＩｎをＩＪ’　
＜　Ｉａ＜　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■４→Ｉ、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、５１５素子は、第２図中０−Ａ−Ｂ→Ｃ→Ｂ
→Ｄ−０のように動作し、磁場■０の時の動作点はＸ（
電圧＝０）、磁場≠０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。

えｇユ 受光部にＳｉ％５１５素子にＮｂハＪ−ＡｊＯｘ／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Ｓｔウェハー基板（１００面）７上
に、半分だけ絶縁Ｈａ　（Ｓｉｏ、）を１０００人成膜
し、該絶縁膜８上に公知の方法により、下部電極９（Ｎ
ｂ）、絶縁層１０（＾！ハＪＯｘ）　、上部電極１１（
Ｎｂ）を作製し、接合面積５μｍＸ５μｍのＳＩＳ素子
１２を作製した。次に、Ｓｔラウェハーフ上絶縁膜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（Ｃ「／＾Ｕ）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４ａ＋ｍ、電極間距離は０．１ｍｍ
　、受光面積は０．０５ｃ１１”であった、この方法に
より、Ｓｌ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、Ｓ１５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８３３ｎｍ）０．１ｍＷ照射照射口形電極間印加電圧
１０Ｖで、ＳＩＳ素子のスイッチング（ＯｍＶ→２．８
＋＋Ｖ）が確認できた。

医】Ｃ１且 受光部にアモルファスＳｔ、　Ｓ１５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
。

先ず、ＭｇＯ基板（１００面）　１Ｂ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（Ａ　ｇ／＾ｇ２０）　１８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
４００℃に加熱して八ｇを酸化させた０次に、フォトリ
ソグラフィー・プロセスにより、幅ｌθμ燻のブリッジ
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５００
人だけ蒸着した。ブリッジ部に重なる部分の幅は１００
μｍであり、接合面積１００μｍｘｌＯμｍ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
ｍｍｘ２ｍｍのアモルファス５１２０を２０００人成膜
し、最後に電極２１、くし形電極２２．２３（Ｃｒ／Ａ
ｕ）を５００人成膜した。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２０に、バイアス電流０．８５ｍＡ
、　Ｈｅ−Ｎｅ　レーザー（波長６３３ｔ＋ｍ）　Ｏ，
１ｍＷ照射照射口形電極間印加電圧１０Ｖで、ＳＩＳ素
子のスイッチング（ＯｍＶ　−２０ｍＶ）が確認できた
。

えｔＡ１ユ 実施例２のアモルファスＳ玉をＮ型１５００人１．Ｐ型
１５００人の積層とし、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０．８５ｇ＋Ａを流し、）Ｉａ−Ｎ
ｅレーザー（波長６３３ｎｍ）　２　ａ＋Ｗを照射した
ところ、５１５素子のスイッチング（ＯｍＶ→２ＧｍＶ
）が確認できた。

Ｌｉ■１ 実施例２において、受光部２ｏ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。

［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、５１Ｓ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６ｆｌ気的ノイズに強いものとな
る。

【図面の簡単な説明】

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、ｓｒｓ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（Ｓｔ）　　　
　　　８・・・絶縁ＩＩＩ　（ｓｔｏ、）９・・・下部
電極（Ｎｂ）　　　　１０・・・絶縁層（八ｊ／ＡＲＯ
ｘ）１１・・・上部電極（Ｎｂ） １２・・・ＳｔＳ素子（Ｎｂハト八へ’Ｏｘ／Ｎｂ）し
形電極 １６・・・基板（ＭｇＯ） １８・・・絶縁層（Ａｇ／Ａｇ２０） １３、　１４．２２．２３・・・く １５、２４・・・電流線路部 １７・・・下部電極（Ｙ系） １９・・・上部電極（Ｐｂ） ２０・・・受光部（アモルファス５ｔ）２１−・・電極
（Ｃｒ／Ａｕ） ２５・・・コイル形電極 ２６・・・絶縁体 ２７・・・コイル形電極 （上部） （下部）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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。
2. （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。