JPH06164002A - 超電導光センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体窒素温度以上の温度で動作する超高感度
/超高速な超電導光センサを提供する。 【構成】 基板１上に形成されたＹＢＣＯ薄膜２,２'の
接合部３には、ｐ型ａ-Ｓi薄膜４,ｎ型ａ-Ｓi薄膜５お
よびｉ型ａ-Ｓi薄膜６から成るｐ-ｉ-ｎ型ａ-Ｓiホトダ
イオードを形成する。このような構造を有する超電導光
センサは液体窒素温度で光非照射時にはＳＮＳジョセフ
ソン接合となっており、臨界電流以下の電流を印加して
いる場合には出力電圧は０Ｖである。そして、光照射時
にはｐ-ｉ-ｎ型ａ-Ｓiホトダイオードに光起電力が生じ
て、約数百mＶと従来の超電導光センサの約千倍程度の
出力電圧が得られる。また、その際における応答速度は
１０^-10secと非常に高速である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、液体窒素温度以上の
温度で動作する超高感度/超高速な超電導光センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導体を用いた光センサとして
は、ＢaＢb_0.7Ｂi_0.3Ｏ₃系の超電導光センサやＹＢa₂Ｃ
u₃Ｏ_7-x系の超電導光センサが知られている。前者はマ
イクロブリッジ部の結晶粒界に光を照射した際における
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。また、後者はボロメトリック動作による臨界温度
付近の電流値の変化を検知するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のＢaＰb_0.7
Ｂi_0.3Ｏ₃(以下、ＢＰＢＯと略称する)系の超電導光セ
ンサは感度が極めて良好であり、半導体の光センサと比
較して長波長領域の光まで感度が低下しないという報告
がある。しかしながら、自然に生ずる結晶粒界をジョセ
フソン接合の弱結合部分として用いているために、素子
としての信頼性に欠けるという問題がある。また、上記
ＢＰＢＯ超電導体の臨界温度が約２０Ｋ付近なので、Ｂ
ＰＢＯ系の超電導光センサを動作させるためには液体ヘ
リウムを用いなければならず、経済性や効率の点でも問
題がある。

【０００４】一方、上記ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_7-x(以下、ＹＢＣ
Ｏと略称する)系の超電導光センサは、液体窒素温度以
上の温度で動作するので経済性や効率の面では利点があ
る。しかしながら、その動作はボロメトリック動作であ
るために、用いる材料の臨界温度付近で動作させなけれ
ばならず、動作温度が材料によって制約されるという問
題がある。また、動作温度の揺らぎや雑音によって特性
が大きく左右されるという問題もある。

【０００５】さらに、上記ＢＰＢＯ系やＹＢＣＯ系の超
電導光センサは、取り出される出力電圧が極めて低く、
増幅器が必要なのである。

【０００６】そこで、この発明の目的は、液体窒素温度
以上の温度で動作する超高感度/超高速な経済性に優れ
た超電導光センサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の発明の超電導光センサは、基板上に、夫々電
極となる二つの超電導体層と上記二つの超電導体層の間
に位置する光電変換層を含み、上記光電変換層とその光
電変換層に面する上記超電導体層の部分とが接合部とな
る積層体構造を設けたことを特徴としている。

【０００８】また、第２の発明は、基板上に、夫々電極
となる二つの超電導体層を並設し、上記二つの超電導体
層の互いに対向する端部に常電導体層から成る光電変換
層を積層して上記常電導体層と上記超電導体層の端部と
が接合部となることを特徴としている。

【０００９】また、第３の発明は、第１あるいは第２の
発明の超電導光センサであって、上記電極となる二つの
超電導体層の接合部の間隔は０.０２μm乃至２μmであ
ることを特徴としている。

【００１０】また、第４の発明は、第１乃至第３のいず
れか一つの発明の超電導光センサであって、上記光電変
換層は、光伝導性材料あるいは光起電力を生ずる材料を
用いて形成されていることを特徴としている。

【００１１】また、第５の発明は、第１乃至第４のいず
れか一つの発明の超電導光センサであって、上記光電変
換層は、ｐ型半導体,ｎ型半導体およびｉ型半導体から
構成されていることを特徴としている。

【００１２】また、第６の発明は、第１乃至第５のいず
れか一つの発明の超電導光センサであって、上記超電導
体層は、イットリウム(若しくは他のランタノイド族元
素)−バリウム−銅−酸素から成る超電導体、あるい
は、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸素
から成る超電導体、あるいは、タリウム−バリウム−カ
ルシウム−銅−酸素から成る超電導体を用いて形成され
ていることを特徴としている。

【００１３】

【作用】第１の発明では、基板上に形成された積層体構
造を構成する夫々が電極となる二つの超電導体層の臨界
温度以下の温度下において光電変換層に光が照射される
と、この光電変換層に光起電力が生じて、上記光電変換
層とその光電変換層に面する上記超電導体層の部分でな
る接合部におけるＳＮＳ型のジョセフソン接合が破壊さ
れる。こうして、上記二つの超電導体層に生ずる電気抵
抗によって両超電導体層間に流れる電流を検出すること
によって、入射光量が検出される。

【００１４】また、第２の発明では、基板上に並設され
た夫々電極となる二つの超電導体層の互いに対向する端
部に光電変換層としての常電導体層を積層している。そ
のために、表面に現れている光電変換層に対して効率良
く光が照射されて、入射光量が精度良く効果的に検出さ
れる。

【００１５】また、第３の発明では、上記電極となる二
つの超電導体層における接合部の間隔は０.０２μm乃至
２μmであるから、上述のような近接効果型接合特性が
適確に発揮されて、入射光量が精度良く検出される。

【００１６】また、第４の発明では、上記光電変換層を
形成する光伝導性材料あるいは光起電力を生ずる材料に
よって効率良く光起電力が発生されて、入射光量が精度
良く検出される。

【００１７】また、第５の発明では、ｐ型半導体,ｎ型
半導体およびｉ型半導体によって構成された光電変換層
によって容易に光起電力が発生されて、入射光量が検出
される。

【００１８】また、第６の発明では、イットリウム(若
しくは他のランタノイド族元素)−バリウム−銅−酸素
から成る超電導体、あるいは、ビスマス−ストロンチウ
ム−カルシウム−銅−酸素から成る超電導体、あるい
は、タリウム−バリウム−カルシウム−銅−酸素から成
る超電導体を用いて形成された超電導体層によって、液
体窒素温度以上の温度下においてＳＮＳ型のジョセフソ
ン接合の形成/破壊が適確に行われて、入射光量が精度
良く且つ容易に検出される。

【００１９】

【実施例】以下、この発明を図示の実施例により詳細に
説明する。この発明の超電導光センサは、超電導体層と
光電変換部と超電導体層とから成るＳＮＳ型のジョセフ
ソン接合を形成し、上記光電変換部に光を照射すること
によって接合部の電子状態を変調させる構造を有する。
以下に、超電導体層としてＹＢＣＯ薄膜を用い、光電変
換部としてａ-Ｓiホトダイオードを用いた場合を例に、
この発明の超電導光センサの動作原理を詳細に説明す
る。

【００２０】図１は本実施例の超電導光センサにおける
断面構造を示す。基板１上にＹＢＣＯ薄膜２およびＹＢ
ＣＯ薄膜２'を形成し、この両ＹＢＣＯ薄膜２,２'の接
合部分３にｐ型ａ-Ｓi薄膜４およびｎ型ａ-Ｓi薄膜５を
並列して形成し、さらにその上にｉ型ａ-Ｓi薄膜６を形
成している。

【００２１】つまり、上記接合部分３にはｐ-ｉ-ｎ型ａ
-Ｓiホトダイオードが形成されている。そして、このｐ
-ｉ-ｎ型ａ-Ｓiホトダイオードに対する光照射時に発生
する光起電力によって、基板１にキャリアを注入してＹ
ＢＣＯ薄膜２,２'の超電導状態を壊して生ずる電気抵抗
を検出するのである。

【００２２】したがって、上記構成の超電導光センサ
は、光非照射時にはＳＮＳ型のジョセフソン接合と成っ
ており、臨界電流以下の電流を印加している場合にはそ
の出力電圧は０mＶである。そして、上述のように光が
照射された場合には光起電力が発生してＳＮＳジョセフ
ソン接合が破壊され、約数百〜数千mＶの出力電圧が得
られるのである。この光照射時に得られる出力電圧は、
従来のＢＰＢＯ系のマイクロブリッジ型の超電導光セン
サやＹＢＣＯ系のボロメトリック動作型の超電導光セン
サに比べて、１００倍〜１００００倍程度の大きい出力
電圧が得られる。また、その応答速度は１０^-10secと非
常に高速である。

【００２３】尚、上記ＹＢＣＯ薄膜２とＹＢＣＯ薄膜
２'との接合間隔は０.０２μm〜２μmである。本実施例
における超電導光センサの接合は、超電導体からこの超
電導体間に介在した常電導体(半導体)への波動関数によ
って記述される粒子のしみ出しを利用した近接効果型接
合である。したがって、接合間隔が上記間隔より広い場
合には上述の接合特性が得られなくなる可能性がある。

【００２４】次に、上記構成の超電導光センサの作成方
法をより具体的に説明する。 ＜第１実施例＞図２は本実施例における超電導光センサ
の各製造工程における断面図である。以下、図２に従っ
て本実施例における超電導光センサの製造方法について
詳細に説明する。

【００２５】先ず、ＳrＴiＯ₃(１００)の単結晶基板１
１を６５０℃に加熱し、反応性蒸着法を用いて、ＹＢa₂
Ｃu₃Ｏ_7-x(ＹＢＣＯ)薄膜１２(１２')をその組成比が
Ｙ:Ｂa:Ｃu＝１:２:３となるように１０００オングスト
ロームの厚さで着膜する。その際に、ＹＢＣＯ薄膜１２
(１２')が充分に酸化されるように、ＳrＴiＯ₃基板１１
に対してオゾンを１０％含んだ酸素ラジカルを照射させ
ながら蒸着を実施する。尚、その際におけるポンプ付近
の真空度は８.５×１０^-5Torrである。

【００２６】冷却後、基板をチャンバから取り出してレ
ジストをコーティングし、ホトリソグラフィ工程によっ
てレジストに幅２０００オングストロームの溝を作成す
る。そして、反応性イオンエッチングによって、図２
(a)に示すようにＹＢＣＯ薄膜１２(１２')に溝１３を設
けてＹＢＣＯ薄膜１２(１２')をＹＢＣＯ薄膜１２とＹ
ＢＣＯ薄膜１２'とに分割した後、上部のレジストをア
セトンで除去する。

【００２７】次に、図２(b)に示すようにホトリソグラ
フィ工程によってレジスト１７をパターニングし、図２
(c)に示すように、基板温度２００℃,ガス圧０.５Torr,
プラズマパワー密度０.１Ｗ/cm²の雰囲気中でシランガ
スに対して２００ppm〜８００ppmのジボランガスを混合
させた化学的気相成長(ＣＶＤ)法によって、膜厚１００
０オングストロームのｐ型ａ-Ｓi薄膜１４を堆積させ
る。同様にして、レジストをパターニングした後、図２
(d)に示すように、シランガスに対して２００ppm〜８０
０ppmのホスフィンガスを混合させたＣＶＤ法によっ
て、膜厚１０００オングストロームのｎ型ａ-Ｓi薄膜１
５を堆積させる。

【００２８】次に、図２(e)に示すように、膜厚１００
０オングストロームのｉ型ａ-Ｓi薄膜１６を堆積させ
る。こうして、ＹＢＣＯ薄膜１２,１２'の接合部にｐ-
ｉ-ｎ型ａ-Ｓiホトダイオードから成る光電変換層を形
成する。そして最後にＹＢＣＯ薄膜１２,１２'の夫々に
Ａuを蒸着することによって電流電極および電圧電極(共
に図示せず)を形成する。

【００２９】このようにして得られた超電導光センサ素
子を液体窒素で冷却し、電流電極に１mＡの直流電流を
印加した。その際におけるＹＢＣＯ薄膜１２,１２'の接
合部は超電導体層−光電変換層(常電導体層)−超電導体
層から成るＳＮＳ型のジョセフソン接合になっており、
そのために出力電圧は０Ｖを呈した。次に、上記ＳＮＳ
型の接合部にパワー密度:２μＷ/cm²,レーザ波長:５１
４nmのＡrレーザ光を照射したところ、０.５Ｖの出力電
圧が得られた。その際における上記超電導光センサ素子
の応答速度は１nsecであった。

【００３０】＜第２実施例＞本実施例においては、第１
実施例におけるａ-Ｓi薄膜を用いた光電変換層の代わり
にａ-Ｇe薄膜を用いた光電変換層を形成する超電導光セ
ンサの製造方法に関する。

【００３１】すなわち、第１実施例と同様に、ＳrＴiＯ
₃(１００)の単結晶基板上にＹＢＣＯ薄膜を形成し、ホ
トリソグラフィ工程および反応性イオンエッチングによ
ってＹＢＣＯ薄膜に溝を設ける。こうして形成された溝
を挟むＹＢＣＯ薄膜の接合部に、ゲルマンガスに対して
２００ppm〜８００ppmのジボランガスやホスフィンガス
を混合させたＣＶＤ法によって、ａ-Ｇe薄膜から成るｐ
-ｉ-ｎ型接合を形成する。

【００３２】このようにして得られた超電導光センサ素
子を液体窒素で冷却し、電流電極に１mＡの直流電流を
印加した。その際におけるＹＢＣＯ薄膜１２,１２'の接
合部はジョセフソン接合になっており、そのために出力
電圧は０Ｖを呈した。次に、上記ＳＮＳ型の接合部にパ
ワー密度:３０mＷ/cm²,レーザ波長:１０１５nmのＮd:Ｙ
ＡＧレーザ光を照射したところ、０.２Ｖの出力電圧が
得られた。その際における上記超電導光センサ素子の応
答速度は２nsecであった。

【００３３】＜第３実施例＞本実施例においては、イオ
ン注入法によって光電変換層を形成する超電導光センサ
の製造方法に関する。

【００３４】すなわち、第１実施例と同様に、ＳrＴiＯ
₃(１００)の単結晶基板上に形成されたＹＢＣＯ薄膜を
パターン化して溝を設ける。こうして形成された溝を挟
むＹＢＣＯ薄膜の接合部に、ＣＶＤ法によって膜厚１０
００オングストロームのｉ型ａ-Ｓi薄膜を堆積する。そ
して、このｉ型ａ-Ｓi薄膜における一方のＹＢＣＯ薄膜
側にはイオン注入装置によってボロンイオンを打ち込む
一方、他方のＹＢＣＯ薄膜側にはリンイオンを打ち込
む。こうして、ＹＢＣＯ薄膜の接合部にｐ-ｉ-ｎ型接合
を形成する。

【００３５】このようにして得られた超電導光センサ素
子を、第１実施例と同様の方法によって評価したとこ
ろ、０.３Ｖの出力電圧が得られた。その際における上
記超電導光センサ素子の応答速度は１nsecであった。

【００３６】＜第４実施例＞本実施例においては、第３
実施例におけるｉ型ａ-Ｓi薄膜の代わりにｉ型-Ｇe薄膜
を用いてイオン注入法によって光電変換層を形成する超
電導光センサの製造方法に関する。

【００３７】すなわち、ＳrＴiＯ₃(１００)の単結晶基
板上に形成されたＹＢＣＯ薄膜の接合部にＣＶＤ法によ
って膜厚１０００オングストロームのｉ型-Ｇe薄膜を堆
積する。そして、このｉ型-Ｇe薄膜における一方のＹＢ
ＣＯ薄膜側にはボロンイオンを打ち込む一方、他方のＹ
ＢＣＯ薄膜側にはリンイオンを打ち込んで、ＹＢＣＯ薄
膜の接合部にｐ-ｉ-ｎ型接合を形成する。

【００３８】このようにして得られた超電導光センサ素
子を、第２実施例と同様の方法によって評価したとこ
ろ、０.２Ｖの出力電圧が得られた。その際における上
記超電導光センサ素子の応答速度は２nsecであった。

【００３９】上記各実施例においては、超電導体層とし
てＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_7-xの酸化物超電導薄膜を用いたが、Ｌn
₁Ｂa₂Ｃu₃Ｏ_7-x、Ｌn₁Ｂa₂Ｃu₄Ｏ₈(Ｌn＝Ｎd,Ｐm,Ｓm,
Ｅu,Ｇd,Ｄy,Ｈo,Ｅr,Ｔm,Ｙb)、Ｂi₂Ｓr₂Ｃa₂Ｃu
₃Ｏ₁₀、Ｂi₂Ｓr₂Ｃa₁Ｃu₂Ｏ_x、Ｂi_1.7Ｐb_0.2Ｓb_0.1Ｃa
_2.0Ｓr_2.0Ｃu_2.8Ｏ_x、(Ｂi_0.7Ｐb_0.3)₂Ｓr₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏ
₁₀、Ｔl₂Ｂa₂Ｃa₂Ｃu₃Ｏ₁₀等を用いて超電導光センサ素
子を形成しても、同様の素子特性を得ることができる。

【００４０】また、上記各実施例においては基板として
ＳrＴiＯ₃(１００)単結晶基板を用いているが、ＳrＴi
Ｏ₃(１１０)基板やＭgＯ(１００)基板等でも同様の素子
特性を得ることができる。また、上記各実施例において
は反応性蒸着法によって超電導体層を形成しているが、
この発明はこれに限定されるものではなく、スパッタ
法,レーザ蒸着法,イオンクラスタビーム法およびＣＶＤ
法等によっても同様の素子特性を得ることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上より明らかなように、第１の発明の
超電導光センサは、基板上に、夫々電極となる二つの超
電導体層の間に位置する光電変換層を含み、上記光電変
換層とその光電変換層に面する上記超電導体層の部分と
が接合部となる積層体構造を設けたので、上記光電変換
層に光を照射することによって生ずる光起電力によって
上記接合部におけるＳＮＳ型のジョセフソン接合が瞬時
に破壊されて、上記両超電導体層間に大きな出力電圧が
得られる。したがって、この発明によれば、超高感度/
超高速な超電導光センサを提供できる。

【００４２】また、第２の発明の超電導光センサは、基
板上に、夫々電極となる二つの超電導体層を並設し、上
記二つの超電導体層の互いに対向する端部に常電導体層
から成る光電変換層を積層して上記常電導体層と上記超
電導体層の端部とが接合部となるようにしたので、表面
に現れている上記光電変換層に対して効率良く/作業性
良く光を照射できる。したがって、この発明によれば、
超高感度/超高速であり、且つ、容易に入射光量を検出
可能な超電導光センサを提供できる。

【００４３】また、第３の発明の超電導光センサは、上
記電極となる二つの超電導体層の接合部の間隔は０.０
２μm乃至２μmであるので、上述のような近接効果型接
合特性が適確に発揮される。したがって、この発明によ
れば、より超高感度/超高速な超電導光センサを提供で
きる。

【００４４】また、第４の発明の超電導光センサは、上
記光電変換層を光伝導性材料あるいは光起電力を生ずる
材料を用いて形成したので、上記光電変換層によって容
易に光起電力が発生される。したがって、この発明によ
れば、より超高感度/超高速な超電導光センサを提供で
きる。

【００４５】また、第５の発明の超電導光センサは、上
記光電変換層をｐ型半導体,ｎ型半導体およびｉ型半導
体で構成したので、上記光電変換層は容易に形成可能で
あり且つ容易に光起電力を発生することができる。した
がって、この発明によれば、より超高感度/超高速な超
電導光センサを容易に提供できる。

【００４６】また、第６の発明の超電導光センサは、上
記超電導体層を、イットリウム(若しくは他のランタノ
イド族元素)−バリウム−銅−酸素から成る超電導体、
あるいは、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅
−酸素から成る超電導体、あるいは、タリウム−バリウ
ム−カルシウム−銅−酸素から成る超電導体を用いて形
成したので、上記超電導体層において、液体窒素温度以
上の温度下でＳＮＳ型のジョセフソン接合の形成/破壊
が適確に行われる。したがって、この発明によれば、液
体窒素温度以上の温度で動作する超高感度/超高速な経
済性に優れた超電導光センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の超電導光センサにおける断面構造を
示す図である。

【図２】図１に示す超電導光センサの各製造工程におけ
る断面図である。

【図３】図２に続く各製造工程における断面図である。

【符号の説明】

１…基板、２,２',１２,１２'…ＹＢa₂Ｃu₃Ｏ_7-x薄膜、
４,１４…ｐ型ａ-Ｓi薄膜、 ５,１５…ｎ型
ａ-Ｓi薄膜、６,１６…ｉ型ａ-Ｓi薄膜、 １１
…ＳrＴiＯ₃(１００)単結晶基板。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、夫々電極となる二つの超電導
   体層と上記二つの超電導体層の間に位置する光電変換層
   を含み、上記光電変換層とその光電変換層に面する上記
   超電導体層の部分とが接合部となる積層体構造を設けた
   ことを特徴とする超電導光センサ。
2. 【請求項２】 基板上に、夫々電極となる二つの超電導
   体層を並設し、上記二つの超電導体層の互いに対向する
   端部に常電導体層から成る光電変換層を積層して上記常
   電導体層と上記超電導体層の端部とが接合部となること
   を特徴とするプレーナ型の超電導光センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の超電導
   光センサであって、 上記電極となる二つの超電導体層の接合部の間隔は０.
   ０２μm乃至２μmであることを特徴とする超電導光セン
   サ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれか一つに
   記載の超電導光センサであって、上記光電変換層は、光
   伝導性材料あるいは光起電力を生ずる材料を用いて形成
   されていることを特徴とする超電導光センサ。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれか一つに
   記載の超電導光センサであって、上記光電変換層は、ｐ
   型半導体,ｎ型半導体およびｉ型半導体から構成されて
   いることを特徴とする超電導光センサ。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれか一つに
   記載の超電導光センサであって、 上記超電導体層は、イットリウム(若しくは他のランタ
   ノイド族元素)−バリウム−銅−酸素から成る超電導
   体、あるいは、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム
   −銅−酸素から成る超電導体、あるいは、タリウム−バ
   リウム−カルシウム−銅−酸素から成る超電導体を用い
   て形成されていることを特徴とする超電導光センサ。