JPS60130182A - 低キヤリア濃度超伝導体によるマイクロブリツジ形光検出素子 - Google Patents

低キヤリア濃度超伝導体によるマイクロブリツジ形光検出素子

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JPS60130182A
JPS60130182A JP58237607A JP23760783A JPS60130182A JP S60130182 A JPS60130182 A JP S60130182A JP 58237607 A JP58237607 A JP 58237607A JP 23760783 A JP23760783 A JP 23760783A JP S60130182 A JPS60130182 A JP S60130182A
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superconductor
thin film
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weak link
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Toshiaki Murakami
敏明 村上
Yoichi Enomoto
陽一 榎本
Minoru Suzuki
実 鈴木
Kazuyuki Moriwaki
森脇 和幸
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/10Junction-based devices
    • H10N60/12Josephson-effect devices

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  • Light Receiving Elements (AREA)
  • 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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はウィークリンクによるジョセフンン接合を用い
た波長1μm以上における光通信用光検出素子に関する
ものである。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
第1図(、)〜→は通常のマイクロブリッジ形ジョセフ
ンン接合の原理図を示している。第1図(a)は超伝導
体薄膜の途中を材料のコヒーレンス長(f)よシ細く絞
シ、その両側の超伝導体薄膜電極101,102を弱く
結合する(ウィークリンク2)ようにしたジョセンンン
接合で、全体の厚さは同じようにしである。第1図(b
)および(C)はウィークリンク20部分を両側の超伝
導体薄膜電極101.102の部分より薄くしである。
この部分の長さしと幅Wは数μmとし、厚さ全コヒーレ
ンス長ξより薄くすることによって結合度を調整し、ジ
ョセフソン接合とするものである。第1図(d)は二つ
の超伝導体薄膜電極101.102部分を点接触させる
ことによりウィークリンク2をつくるものである。
このような−7ヨセフソン接合は第2図の実線で示しだ
電流・電圧特性を示す。今適当な電流バイアスにより動
作点をAにおく。外部からジョセフソン接合に電磁波が
照射されると最大ジョセフソン電流Imaxが減少して
点線のように電流・電圧特性が変化する。そのだめ電流
が一定のとき動作点Bに移り、そのときの電圧変化VA
Bから電磁波を検出できる。これらマイクロブリッジ形
ジョセフソン接合では数100 GHzより低い周波数
で高感度の電磁波検出が可能で約5 X 1 0−15
W/〆「7のN、E、P、(Noise Equiva
lentPower)をもつものがある。
1〜かし、通常の金属超伝導体によるジョセフソン接合
は光通信で用いられる1〜10μmの波長の光について
は反射率が大きく、そのため高感歴で光を検出すること
ができない。
〔発明の目的〕
本発明は金属より電子密度(キャリア密度)が小さく、
従って反射率が金属より小さく透過率が大きくて、1μ
m以上の光が有効に入射できる材料をジョセフソン接合
のウィークリンクとして用い、この波長領域での光検出
感度を大きくしたものであυ、以下詳細に説明する。
〔発明の概要〕
本発明は、二つの超伝導体薄膜電極の間隙を、幅、およ
び長さ05〜2μm1厚さ2000X以下の低キヤリア
濃度の超伝導体単結晶薄膜でブリッジしてマイクロブリ
ッジ形ノヨセフソン接合を形成し、光照射によるその電
流電圧特性の変化から光検出を行うことを特徴とし、更
に、超伝導体薄膜電極およびブリッジ部ともに低キヤリ
ア濃度の酸化物超伝導体B aP b 1−x B i
xO3(0,05,<X、<0.35 )単結晶薄膜を
用い、超伝導体薄膜電極部とブリッジ部の薄膜の厚さを
天に2000X以上、500〜200oXとして材料の
エネルギギャップを超伝導体薄膜電極部よシもブリッジ
部で小さくなるよう調整して・ゾヨセフノン接合の特性
を調整したことをll?徴とする、低キヤリア濃度超伝
導体によるマイクロブリッジ形光検出素子である。
〔発明の実施例〕
第3図は本発明によるジョセフソン接合の構造であって
、二つの超伝導体薄膜電極111゜112の間隙を、金
属より電子密度力(/J%さく、従って反射率が低く、
1μm以上の光が有効に入射できる材料でブリッジして
ウィーク1ノンク12として用いる。13は基板である
。今、超伝導体薄膜1L極111.112の部分と、ウ
ィークリンク12の部分の超伝導転移温度をTClおよ
びTc2、さらに、それぞれのエネルギギャップを2Δ
1および2Δ2とする。第2図のような特性を示すため
には、ウィークリンク12の長さしと幅Wはコヒーレン
ス長ξと同程度の数100又にすることが望ましいが、
現在の微細)々ターン形成技術では1μm程度の加工し
かできない。
また出力電流を大きくしたい場合には幅Wと厚さは出来
るだけ大きくしたい。このような場合はウィークリンク
12はΔ2の小さい材料を用いるとり、Wが1μmの程
度でもジョセフソン接合の特性をもたせることが可能で
ある。そしてΔ2/Δ1比とり、Wと厚さ等によってジ
ョセフソン接合の最大電流Imaxを調整できる。
このようにして作製されたマイクロブリッジ形ジョセフ
ソン接合のウィークリンク12に光照射すると、この部
分のエネルギギャップ2Δ2る。ここにRnはウィーク
リンクの常伝導状態で析 の低抗)。
従ってエネルギギャップ2Δ2の変化が大きいと、この
ゾ目セフソン接合の光検出感度が高くなる。ところで、
次の二つの理由で電子密度の小さい超伝導材料をウィー
クリンク12に用いると光照射による2Δ2の変化が大
きくなる。その1つは上述したように電子密度が小さい
場合反射率が小さく、材料の内部迄光が侵入できること
である。今1つは次のよ、うなことである。
つまり、超伝導状態では大部分の電子はクーパ対をつく
っているが、このクーノや対が光照射によって破壊され
ると、対をなしてない電子(準粒子)になり、この準粒
子の密度”qpが増すとΔは”qp/N(0) (N(
0)はフェル面での状態密度で、電子密度が小さいもの
では小さい)に比例して減少する。そこでN (0)の
小さい材料はΔの変化が太きい。
以上二つの理由で第3図の構造において低キヤリア濃度
の超伝導材料を用いると、高感度光検出素子となる。し
かし、上記のような低キヤリア濃度−の拐料を用いる場
合、薄膜の構造が多結晶になると粒界にジョセフソント
ンネル接合が形成され、 (Y−Enomoto+et
al+”0brervatlonof Graln B
oundary Josephson Current
 1nBaPbo、7Bl、、O,Films、Jpn
、J、Appl、phys、、 Vol。
20扁9 PPL661−L664(1981)参照)
、特性が複雑になるので、単結晶のような粒界のない状
態の薄膜が望ましい。
以上の点を考慮すると、二つの超伝導体薄膜電極の間隙
をブリッジするブリッジ部は、低キヤリア濃度の超伝導
体単結晶薄膜が望ましく、かつこのブリッジ部は、幅お
よび長さが0.5〜2μm、厚さが2000X以下にす
ることが望ましい。特に、超伝導体薄膜電極およびブリ
ツノ部ともに低キヤリア濃度の酸化物超伝導体BaPb
1−、B 1x03(0,05≦x < 0.35 )
単結晶薄膜を用いる場合には、超伝導体薄膜電極部とブ
リツノ部の薄膜の厚さは、夫々2000X以上、500
〜2000Xとすることが望ましい。すなわち、前記ブ
リッジ部の厚さを500X以下にする場合には例えばサ
ファイア等の異なる結晶よりなる基板上に超伝導体単結
晶薄膜よりなるブリッジ部を形成しても超伝導体単結晶
薄膜としての安1定した特性が得られない。また、ブリ
ツノ部の厚さを20001以上にする場合にはブIJ 
ノジ部に照射された光がブリッジ部内の途中で吸収され
ブリッジ部の下面までとどかない。そのため、ウィーク
リンクとしての特性が得られない。
一方、超伝導体薄膜電極部の厚さを2000X以上にす
るのは、光がこの電極部に当っても電極部の下面まで光
がとどかないため、抵抗値が変わるようなことがなく、
超伝導体電極としての特性を得るためである。更に、前
記ブリッジ部の幅および長さを05μmより小さくした
場合には超伝導体としての特性が得られないばかシが、
加工上も困難となる。また、ブリツノ部の幅および長さ
を2μm以上にした場合には光を照射してもウィークリ
ンクとしての弱い部分が弱くならなく、ウィークリンク
としての特性が得られず、電極部と同じ特性になる。
実施例1. %#jf昭58−146702号で述ヘタ
方法ニより、チタン酸ストロチーウム又はサファイアを
第3図の基板13として、その上にBaPbo、、Bl
o、50゜なる組成の単結晶薄膜を一面に厚さ3000
〜4000λに形成し、その後エツチング液(HC4O
430% 。
HCtQ、 5%の水溶液)でエツチングして第3図の
電極111.112のパターン(線幅10〜100μm
1電極111.112間の幅0.5〜3卸)を形成した
。Tcは9,5にであった。
次に、ウィークリンク12を形成するため、先づ全面に
厚さ500−1500XのBaPbo、、Bl、303
単結晶膜を形成した。(厚さが薄い場合5.下層部の結
晶性が劣るため、電極111,112のギャップのとこ
ろには、電極111.112の厚い部分よりΔが小さい
薄膜となるTcは約5に0)その後、特願昭57−15
6666号のドライエツチング技術によシ線幅0.5〜
2μmに形成する。こうして得られたジョセフンン接合
のImaXは100μAで、感度は温度依存性があり、
6にで最高にナッテ10’V/’W (NEP テ3 
X 10 ” W/17Hz ) fあった。
上述の実施例では電極111.112にBaPbo、7
Bi、、O3を用いたが、これは同じ材料なら同じスパ
ッタ装置で作製できるからであって、この部分は他の金
属超伝導材料であっても同様の特性のものを作製するこ
とができる。(電極111.112とウィークリンク1
2の部分の相互作用によシ動作温度は変化する′)。
寸だ、素子の感度を大きくするため、第4図(a) 、
 (b)のように超伝導体薄膜電極111.112およ
びウィークリンク12よりなる素子を数個直列にすると
、各素子毎の変化が相加され大きな出力となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、低キャ′リア濃度
超伝導体を用いてマイクロブリッジを形成すると1〜1
0μmの光でも検出でき、通常の金属超伝導体より薄膜
内に光がよく侵入し、同じ光景でも・ノヨセフソン接合
の特性が太き・く変化するので高感度の光検出素子が得
られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のマイクロブリッジ形ジョセフソン接合を
示す構成図、第2図はマイクロブリッジ形ジ、セフソン
接合を電磁波検出に用いたときの出力電圧変化の一例を
示す電流電圧特性図、第3図は本発明の光検出素子の一
実施例を示す)I4成図、第4図は本発明の光検出素子
を多数個直列に接続した一例を示す構成説明図である。 111.112・・・超伝導体薄膜電極、12・・・ウ
ィークリンク、13・・・基板、L、W・・・ウィーク
リンクの長さと幅、’max・・・ジ田セフソン最大電
流、A、B・・・動作点、vAB・・・電磁波照射によ
る電圧変化。 出願人代理人 弁理士 鈴 江 武 彦手続補正書 es 、59.、!、−18 ′1−1許庁長官 若 杉 和 夫 殿1 事件の表示 特り?l昭58−237607号 2発明の名称 低キヤリア濃度超伝導体によるマイクロブリッジとの関
係 特許用11ilI+人(422) 日本電信電話公
社 4、代理人 5 自 発イ市1F 特許請求の範囲を制酸の通り訂正する。 2、特許請求の範囲 fi+ 二つの超伝導体薄膜゛岨イ4の間隙を、幅、お
よび長さ05〜2μm、厚さ2000 XU下の低キヤ
リア濃度の超伝導体単結薄11桑でブリッジしてマイク
ロブリツノ形ノヨセフソン接合を形成し、光照射Cニよ
る、その電流電圧特性の変化から光検出を行うことを特
徴とする低キャリアa度超伝導体によるマイクロブリッ
ジ形光検出素子。 (2) 超伝導体薄膜電極およびプリツノ部とも(二低
キャリアa度の酸化物超伝導体 BaPb1’−xBixO8(、0,05<;、X<0
.35 ) 単結晶薄膜を用い、超伝導体薄膜電極部と
ブリソノ部の薄膜の厚さを夫々2000X以上、500
〜2000にとして桐材のエネルギギャップを超伝導体
薄膜電極部よりもブリッジ部で小さくなるようAl7J
整してノヨセフソン接合の特性を調整したことを特徴と
する特許請求の範囲第1項記載の低キャリアa度超伝棉
体によるマイクロブリッジ形光検出素子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 二つの超伝導体薄膜電極の間隙を、幅、および長さ
    0.5〜2μm1厚さ2oooX以下の低キヤリア濃度
    の超伝導体単結晶薄膜でブリッジしてマイクロブリッジ
    形ゾヨセフソン接合を形成し、光照射による、その電流
    電圧特性の変化から光検出を行うことを特徴とする低キ
    ヤリア濃度超伝導体によるマイクロブリッジ形光検出素
    子。 2、超伝導体薄膜電極およびブリッジ部ともに低キヤリ
    ア濃度の酸化物超伝導体BaPb1−XBlxO5(0
    ,05<x<0.35 )単結晶薄膜を用い、超伝導体
    薄膜電極部とブリッジ部の薄膜の厚さを夫々2000X
    以上、5oo〜2oooXとして材料のエネルギギャッ
    プを超伝導体薄膜電極部よシもブリッジ部で小さくなる
    よう調整してジ百セ7ソン接合の特性を調整したことを
    特徴とする、低キヤリア濃度超伝導体によるマイクロブ
    リッジ形光検出素子。
JP58237607A 1983-12-16 1983-12-16 低キヤリア濃度超伝導体によるマイクロブリツジ形光検出素子 Granted JPS60130182A (ja)

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JPS6359271B2 JPS6359271B2 (ja) 1988-11-18

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5330612A (en) * 1991-10-02 1994-07-19 Advantest Corporation Method of fabricating nano-size thin wires and devices made of such thin wires
WO2006038706A1 (ja) * 2004-10-05 2006-04-13 National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency 電磁波検出素子およびそれを用いた電磁波検出装置

Cited By (5)

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