JPH07283447A - 超電導素子および超電導接合の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】平面型の超電導弱結合に輻射などによって生じ
るエネルギの散逸を同一平面上に形成したトンネル接合
によって検出する高感度の超電導検出素子。 【構成】常伝導体を介して第１，第２の超電導電極が対
向する平面型の超電導弱結合と、前記弱結合を構成する
常伝導体部分に絶縁層を介した第３の超電導電極によっ
て形成されるトンネル接合との二つの構造を同一平面上
の超電導接合に備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高感度センサに係り、
特に広帯域の輻射（電磁波，放射線等）を検出する素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】超電導素子を利用した広帯域輻射センサ
は、アプライド フィジックス レターズ第６３巻，第
２２号，第３０７５頁〜第３０７７頁（Applied Physic
s Letters,1993, Vol.６３，No.２２；３０７５〜３０
７７)にボロメータの例が開示されている。この従来技
術では、銅を常伝導体とし、鉛を超電導電極とし、常伝
導体部分の下方向に積層された絶縁層を介して設けられ
たアルミニウムのトンネル電極によって構成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、超
電導電極の電極間距離が大きい（１μｍ以上）ために、
超電導電極の間にはジョセフソン効果による超電導電流
は流れない。すなわち、従来技術では、超電導電極は常
伝導体中の常伝導電子が運ぶ熱エネルギを吸収して、エ
ネルギの散逸を効率的に抑制するために用いられてい
る。したがって、この素子を高感度(等価雑音電流〜１
０^-18Ｗ／√Ｈｚ）のボロメータとして用いるためには
絶対温度１Ｋ以下の極低温にする必要があり、そのため
に希釈冷凍機を用いなければならなかった。

【０００４】本発明の目的は、超電導電極間にジョセフ
ソン効果による超電導電流が流れる平面型の超電導弱結
合（Ｓ−Ｎ−Ｓ接合）を用いて希釈冷凍機を必要としな
い比較的高温の温度領域(絶対温度１Ｋ〜４.２Ｋ）で使
用可能な高感度の検出素子を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超電導素子は、常伝導体を介して第１，第
２の超電導電極が超電導的に結合する平面型の超電導弱
結合(Ｓ−Ｎ−Ｓ接合)と、さらに前記常伝導体部分に絶
縁層を介した第３の超電導電極によって構成されるトン
ネル接合（Ｓ−Ｉ−Ｎ接合）の二つの構造を含んで構成
される。

【０００６】本発明の超電導素子では、第１，第２の超
電導電極と常伝導体によって構成され前記超電導電極が
ジョセフソン効果によって超電導的に結合する平面型の
弱結合と同一平面上にトンネル接合を設けることにより
弱結合に生じるエネルギの散逸、もしくは電圧状態の変
化をこのトンネル接合の電圧の変化として検出すること
が可能となる。このような、同一平面上に超電導弱結合
とトンネル接合を含む本発明の素子構造により、効率的
かつ高感度の超電導検出器を実現できる。

【０００７】

【作用】本発明の超電導素子は第１および第２の超電導
電極によって形成される超電導弱結合と同一平面に第３
の超電導電極からなるトンネル接合を形成するので弱結
合の電圧状態の変化をトンネル接合で検出することが可
能となる。

【０００８】したがって、ジョセフソン効果によって弱
結合が超電導的に結合している場合には、臨界電流より
わずかに大きい値の電流でバイアスした状態で、外部か
らの輻射による電圧状態の変化を検出することができ
る。

【０００９】また、弱結合間で巨視的量子トンネリング
が生じている場合には電圧状態への遷移をトンネリング
によるものと熱的励起によるものをトンネル接合に生じ
る電圧の値によって判別できるので、高感度の光（ミリ
メートル波）検出器として用いることが可能となる。

【００１０】以上、いずれの場合にも弱結合間の常伝導
電子によるエネルギの散逸が第１および第２の超電導電
極間の超電導結合によって抑制されるため、トンネル接
合によりエネルギの散逸、もしくは電磁波の輻射などを
高感度で検出できる。また基本的な構成が平面型の超電
導弱結合であるので、エネルギの散逸を検出するトンネ
ル電極を形成しやすく作製プロセスが単純になる利点を
有する。また素子構造が平面型であるため、他の素子，
回路およびシステムとの接続および集積化も容易に可能
となる超電導素子を実現できる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例による超電導素
子の上面図であり、図３は図１におけるＡ−Ａ′断面を
示す断面図である。本発明による超電導素子は上記に説
明したように平面型の超電導弱結合を形成する超電導電
極３０１，３０２と超電導弱結合を形成する常伝導体２
００、およびトンネル接合を形成する第３の超電導電極
３０３とによって構成される。

【００１２】まず、図２および図３によって本発明によ
る超電導素子の基本的な作製プロセスを説明する。シリ
コン単結晶よりなる基板１００の表面に熱酸化法によっ
て厚さ約２０ｎｍの二酸化シリコン膜１０１を形成す
る。次に高真空中で分子ビーム法によってＡｌよりなる
厚さ５０ｎｍの薄膜（常伝導体層２００）を形成した
後、同様の高真空中で分子ビーム法により超電導体Ｎｂ
よりなる厚さ１００ｎｍの超電導体層３００を形成す
る。以上の工程で、常伝導体層であるＡｌの層２００と
超電導体層であるＮｂの層３００は大気中に取り出すこ
となく連続して形成した。

【００１３】常伝導体層２００と超電導体層３００より
なる２層膜を、電子線直接描画法により形成したレジス
トパタンをマスクとして、反応性イオンエッチング法に
よって加工し、さらに下層膜であるＡｌを化学エッチン
グによって取り除き平面型の超電導弱結合を得る。以上
の工程を経た後に電子線直接描画法によって形成された
レジストパタンを除去した後ただちに、酸素雰囲気中で
トンネル電極の絶縁層として用いるＡｌの酸化膜２０１
を形成する。

【００１４】次に光リソグラフィーによるレジストパタ
ンを形成し超電導電極と常伝導体上部に２酸化シリコン
(ＳｉＯ₂）を加熱蒸着によって形成し、第１および第２
の超電導電極と第３の超電導電極の絶縁を図るための絶
縁層１０２をリフトオフによって形成する。最後に再び
光リソグラフィーによるレジストパタンを形成し常伝導
体上部に形成した絶縁層２０１の上にＰｂ／Ｉｎ合金を
加熱蒸着によって形成し、リフトオフによって第３の超
電導電極を形成する。

【００１５】次に本発明の超電導素子の寸法の一例を示
す。図１に示した超電導電極３０１，３０２の幅は０.
３μｍ である。また超電導電極が常伝導体を介して対
向する弱結合部の電極間隔は０.２μｍ である。この寸
法は一例であってこれに限るものではない。推奨される
寸法は、各超電導電極の幅の寸法が５〜０.０２μｍ で
あり、超電導弱結合の電極間隔は５〜０.０１μｍ であ
る。より望ましい寸法は、各超電導電極の幅の寸法が１
〜０.０５μｍ であり、超電導弱結合の電極間隔は２〜
０.０５μｍ である。さらに、推奨される超電導層の膜
厚は０.００１〜１０μｍであり、常伝導層の膜厚は０.
００１〜５μｍ である。より望ましい膜厚は、超電導
層が０.０１〜０.５μｍであり、常伝導層が０.００１
〜０.５μｍである。

【００１６】この素子は広帶域の輻射（電磁波，放射線
等）の検出器として用いることができる。図４に超電導
弱結合の電流−電圧特性を示す。図に矢印で示した電圧
状態に遷移する臨界電流よりわずかに大きな値でバイア
スする。この時弱結合の部分に何らかの輻射（電磁波，
Ｘ線，放射線など）が入るとこの特性は変化する。図に
示した特性は輻射のない場合が曲線１０でありエネルギ
０.４ｍｅＶ のミリメートル波を照射した場合の特性が
曲線１１である。この電圧の変化は第３の超電導電極か
ら構成されるトンネル電極でより高感度に検出すること
が可能である。

【００１７】図５は、第３の超電導電極と常伝導体の間
に形成されたトンネル電極の電流−電圧特性図である。
図に示したトンネル電極の特性はそれぞれ第１と第２の
超電導電極間に流れる常伝導電流が０.４μＡ と４０μ
Ａの場合であり、前者が輻射のない場合１０，後者が輻
射のある場合１１に相当する。常伝導体中のエネルギの
散逸はそれぞれの場合で２ｐＷ，２００ｐＷである。動
作温度は１.２Ｋ でありこのとき、素子の等価雑音電流
は７.８×１０^-18Ｗ／√Ｈｚである。

【００１８】図６は本発明の第２の実施例による超電導
素子の上面図である。本実施例の超電導素子の作製工程
および使用材料は本発明の第１の実施例と同様であって
よい。但し本実施例では、超電導弱結合を構成する超電
導電極のそれぞれが先端の細くなった凸型の形状を有し
ておりまた第１と第２の超電導電極間の距離が１μｍと
設計されている点が異なっている。

【００１９】この超電導素子では、常伝導体中に染みだ
した超電導波動関数によって実効的な量子細線が形成さ
れるため、第１と第２の超電導電極間に巨視的量子トン
ネリングによる電圧状態への遷移が生じる。この事情が
あるために、弱結合をパルス電流で駆動した場合に電圧
状態に遷移する場合と遷移しない場合とが生じる。電圧
状態への遷移は熱的な揺らぎによっても生じるので、電
圧状態のみをモニタした場合に、それが巨視的量子トン
ネリングによるものかどうかを判別することができな
い。

【００２０】本発明の超電導素子では、トンネル電極を
通じて常伝導体中のエネルギの散逸を定量的に観測する
ことが可能である。したがってトンネル電極の電圧の変
化と弱結合の電圧状態への遷移を同時にモニタして巨視
的量子トンネリングによる電圧状態への遷移事象を判別
することができる。動作例を図７に示す。この図で３０
で示した動作特性は電圧状態に遷移しなかった場合であ
り、３１で示した特性は熱的な揺らぎによる励起により
電圧状態に遷移した場合であり、さらに３２で示した特
性は巨視的量子トンネリングにより電圧状態に遷移した
場合である。

【００２１】この原理を用いて本実施例における超電導
素子は次のように検出器として用いることが可能であ
る。弱結合に臨界電流の７０〜９０％の値のバイアス電
流を流す。このようにバイアスした状態で弱結合部に光
（電磁波）が当たると光のエネルギを吸収して巨視的量
子トンネリングが生じる。この過程が生じる機構を図８
に摸式的に示す。図に示すように、超電導波動関数の感
じるポテンシャルのエネルギ準位は離散化されている。
したがって隣接するポテンシャル井戸のエネルギ準位と
の差が光のエネルギと等しくなると光を吸収して巨視的
量子トンネリングが生じる。バイアス電流の値によって
ポテンシャルの傾きが調節できるのでエネルギ準位の
差、すなわち検出する光のエネルギをある程度選択する
ことが可能である。この動作原理を用いて本実施例にお
ける超電導素子を高感度の光検出機として用いることが
できる。

【００２２】図９は本発明の第３の実施例による超電導
素子の上面図である。この図に示されている円形が１個
の超電導素子を構成する第１と第２の超電導電極からな
る弱結合であり、影をつけて示している部分が第３の超
電導電極からなるトンネル電極である。図１０は図９の
Ａ−Ａ′断面を示す断面図である。

【００２３】本実施例の超電導素子の作製工程および使
用材料は本発明の第１の実施例と同様であってよい。但
し本実施例では、超電導素子を構成する弱結合が１０個
直列に形成された素子配列が並列に４列形成されている
点が異なっている（超電導素子配列）。またトンネル電
極はすべての直列に接続された弱結合に対して並列に接
続されかつすべての弱結合に対して共通に設けられてい
る。

【００２４】本発明の超電導素子配列をミリメートル波
の検出器として用いる場合に図９に示した素子の構成に
すると次のような利点がある。検出器の素子性能の重要
な指標として等価雑音電力がある。この指標は一般に素
子の体積を小さくすることによって向上する。この条件
は本発明の第１の実施例に示した素子寸法であれば充分
に達せられる。一方、宇宙線や高エネルギの粒子を対象
とした検出器として用いる場合には先に述べた等価雑音
電力の向上と同時により効率よく宇宙線や高エネルギ粒
子を検出するためにある程度の面積が必要となる。図９
のような構成にするとこの二つの相反する条件を同時に
満たすことが可能となる。

【００２５】図１１は本発明の第４の実施例による超電
導素子の上面図である。この図に示されている円形が１
個の超電導素子であり、影をつけて示している部分がト
ンネル電極である。図１２は図９のＡ−Ａ′断面を示す
断面図である。

【００２６】本実施例の超電導素子の作製工程および使
用材料は本発明の第３の実施例と同様であってよい。但
し、本実施例では、トンネル電極がすべての超電導接合
に対して共通にかつ直列に接続されている点が異なって
いる。本実施例による素子の動作特性は本発明の第３の
実施例による超電導検出素子と同様であるが、本実施例
の場合にはトンネル電極が直列に形成されているので、
トンネル電極の合成容量が小さくなりまたこれによりリ
ーク電流を抑制することができるので検出感度はさらに
向上する。

【００２７】以上のすべての実施例で、超電導体として
Ｎｂを用いたがこれに代えてＰｂ、あるいはＰｂの合
金，Ｎｂの金属間化合物、たとえばＮｂＮ，Ｎb₃Ｓn，
Ｎb₃Ｇe，Ｎｂ₃Ａｌ，Ｎｂ₃Ｓｉなどを用いてもよい。
また常伝導体としてＡｌ，Ｓｉを用いたがこれに代えて
Ａｕ，Ａg，Ｃu、あるいは半導体化合物、例えば、Ｇa
Ａs，ＩｎＡｓなどを用いてもよい。また以上のすべて
の実施例における動作温度は１.２Ｋである。

【００２８】

【発明の効果】本発明では、平面型の超電導弱結合（Ｓ
−Ｎ−Ｓ接合）の常伝導体上部に第３の超電導電極によ
るトンネル接合（Ｎ−Ｉ−Ｓ接合）を設けることにより
一つの素子に二つの接合を組み込んだ超電導素子を実現
した。この素子を用いて常伝導体中に生じるエネルギの
散逸や光の入射による巨視的量子トンネリングを効率よ
くかつ高感度で検出することが可能となる。さらに本発
明の超電導素子を直並列に接続しトンネル電極を共通に
設けることにより高感度の超電導ボロメータもしくは光
検出器を実現できる。これら本発明による超電導素子の
特徴を活かすと集積性に優れた広いエネルギ領域におけ
る超電導センサシステムの実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の超電導弱結合素子の上
面図。

【図２】本発明の第１の実施例の超電導弱結合素子形成
の基本となる超電導−常伝導２層膜の断面図。

【図３】図１のＡ−Ａ′の断面図。

【図４】本発明の第１の実施例の超電導素子を構成する
Ｓ−Ｎ−Ｓ接合の電流−電圧特性図。

【図５】本発明の第１の実施例の超電導素子を構成する
トンネル接合(Ｓ−Ｉ−Ｎ接合)の電流−電圧特性図。

【図６】本発明の第２の実施例の超電導素子の上面図。

【図７】本発明の第２の実施例の超電導素子のバイアス
電流に対する電圧応答の説明図。

【図８】本発明の第２の実施例の超電導素子を巨視的量
子トンネリングに基づいた光検出器として用いる場合の
動作原理図。

【図９】本発明の第３の実施例の超電導素子配列の上面
図。

【図１０】図９のＡ−Ａ′の断面図。

【図１１】本発明の第４の実施例の超電導素子配列の上
面図。

【図１２】図１１のＡ−Ａ′断面図。

【符号の説明】

１０１…酸化シリコン膜、２００…常伝導体層（Ａ
ｌ）、２０１…絶縁体層（Ａｌ酸化物）、３０１，３０
２，３０３…超電導電極。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】常伝導体を介して第１，第２の超電導電極
   が対向する平面型の超電導弱結合の構造と、前記常伝導
   体の部分に絶縁層を介した第３の超電導電極によって形
   成されるトンネル接合の二つの構造を同一素子の同一平
   面上に含んで構成されることを特徴とする超電導素子。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第３の超電導電極
   を前記超電導弱結合と同一平面上に形成するために、対
   向する前記第１，第２の超電導電極間距離が変化するよ
   うに前記第１および前記第２の超電導電極の平面形状に
   矩形の段差を設けている超電導素子。
3. 【請求項３】請求項１において、前記超電導弱結合を複
   数個直列に接続した配列を構成し、さらに前記配列を複
   数個並列に接続して超電導弱結合の２次元的な配列を構
   成し、前記２次元的な配列を構成する超電導弱結合すべ
   てに対して共通に絶縁層を介した第３の超電導電極を直
   列もしくは並列に設ける超電導素子。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、前記超電
   導弱結合にはジョセフソン結合が生じることにより超電
   導電流が流れるように素子寸法および超電導電極，常伝
   導体の形状が設定されている超電導素子。
5. 【請求項５】請求項１，２または３において、前記超電
   導弱結合には巨視的量子トンネリングによる電圧状態へ
   の遷移が生じるように素子寸法および超電導電極，常伝
   導体の形状が設定されている超電導素子。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
   前記超電導弱結合を形成する超電導体は鉛，鉛の合金，
   ニオブ，ニオブ金属間化合物より選ばれた材料であり、
   常伝導体は金，銀，銅、またはアルミニウムおよびその
   合金、もしくは半導体や化合物半導体、例えば、Ｓｉ，
   ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ、あるいはその化合物より選ばれた
   少なくとも一つの材料によって構成される超電導接合。
7. 【請求項７】常伝導体を介して第１，第２の超電導電極
   が対向する平面型の超電導弱結合の構造と、前記常伝導
   体部分に絶縁層を介した第３の超電導電極によって形成
   されるトンネル接合の二つの構造を同一平面上の同一素
   子に含んで構成する超電導素子において、電子線直接描
   画法を用い前記超電導弱結合の超電導膜の加工を行う工
   程を含むことを特徴とする超電導接合の製造方法。