JPS6065581A - 透明超伝導体電極型光検出素子 - Google Patents
透明超伝導体電極型光検出素子Info
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- JPS6065581A JPS6065581A JP58173667A JP17366783A JPS6065581A JP S6065581 A JPS6065581 A JP S6065581A JP 58173667 A JP58173667 A JP 58173667A JP 17366783 A JP17366783 A JP 17366783A JP S6065581 A JPS6065581 A JP S6065581A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
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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】
技術分野
本発明は製造が容易で、高感度の元検出菓子に関するも
のである。
のである。
従来技術
元ファイバ通信において高感度の受光素子は重要である
。現在主として用いられているアバランシェ型フォトダ
イオードは検出下限光量が０．１μＷ程度であシ、応答
できる波長範囲もＧｅ−ＡＰＤで１．５５μｍ以下、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ／ ＩｎＰ−ＡＰＤでも１．６／１ｍ以下
に限られる。
。現在主として用いられているアバランシェ型フォトダ
イオードは検出下限光量が０．１μＷ程度であシ、応答
できる波長範囲もＧｅ−ＡＰＤで１．５５μｍ以下、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ／ ＩｎＰ−ＡＰＤでも１．６／１ｍ以下
に限られる。
そこで酸化物超伝導材料ＢａＰｂ１□旧ｘＯ，（０，０
５＜Ｘ＜０．３５ ） ’ｚ用い、１ ｎＷの光量を検
出できる高感度素子が提案された。これは、特願昭５８
−８４８４５号として出願中であるが、それによると通
常光ファイバ通信方式の光検出に用いられているＡＰＤ
より高感度の素子が得られる。第１図は酸化物超伝導材
料Ｂａ Ｐｂ （−ｚ Ｂ １ ｚ Ｏｓの超伝導体多
結晶薄膜２の構造を示し、１は基板、３は超伝導体結晶
粒、４は結晶粒界で、その部分に粒界ジョセフソン接合
が形成されている。このような薄膜から第２図のように
光検出部５と電極部６，６′よシなる素子をエツチング
によシ作製する。この材料の臨界電流以上に電流を流す
と、素子は電圧状態になシ、元が照射されると材料のギ
ャップ・エネルギが変化して電圧−電流特性が変化し、
動作点が移シ、この変化が両電極間の電圧変化として検
出され、元を検出できる。しかし、これは有効な接合面
積が小さいため素子からの出力を大きくとる必要がある
ときは十分な出力を得るのは難かしかった。
５＜Ｘ＜０．３５ ） ’ｚ用い、１ ｎＷの光量を検
出できる高感度素子が提案された。これは、特願昭５８
−８４８４５号として出願中であるが、それによると通
常光ファイバ通信方式の光検出に用いられているＡＰＤ
より高感度の素子が得られる。第１図は酸化物超伝導材
料Ｂａ Ｐｂ （−ｚ Ｂ １ ｚ Ｏｓの超伝導体多
結晶薄膜２の構造を示し、１は基板、３は超伝導体結晶
粒、４は結晶粒界で、その部分に粒界ジョセフソン接合
が形成されている。このような薄膜から第２図のように
光検出部５と電極部６，６′よシなる素子をエツチング
によシ作製する。この材料の臨界電流以上に電流を流す
と、素子は電圧状態になシ、元が照射されると材料のギ
ャップ・エネルギが変化して電圧−電流特性が変化し、
動作点が移シ、この変化が両電極間の電圧変化として検
出され、元を検出できる。しかし、これは有効な接合面
積が小さいため素子からの出力を大きくとる必要がある
ときは十分な出力を得るのは難かしかった。
発明の目的
本発明はこれら従来の素子の出力が小さい欠点を除去す
るため電流を大きく取れる構造を得ることをその目的と
する。
るため電流を大きく取れる構造を得ることをその目的と
する。
発明の構成と原理
第３図は本発明による透明超伝梼体電極型元検出素子の
断面図を示し、１は基板、７は下部の超伝導電極であシ
、その上に８のトンネル障壁絶縁体又は半導体層力＼゛
形成れておシ、９は透明な超伝導体による上部電極であ
る。１０は照射されるレーザ元である。これら７ 、８
、９の各層は適当なターゲットを用いてスパック技術
により形成できる。
断面図を示し、１は基板、７は下部の超伝導電極であシ
、その上に８のトンネル障壁絶縁体又は半導体層力＼゛
形成れておシ、９は透明な超伝導体による上部電極であ
る。１０は照射されるレーザ元である。これら７ 、８
、９の各層は適当なターゲットを用いてスパック技術
により形成できる。
ＢａＰｂｔ −ｘ Ｂｓ Ｘ Ｃ）３ （０−０５＜
ｘ≦０．３５）やＬｉｌ＋ＸＴｉ！−Ｘ０４ （−０，
３＜ｘ＜０ ）などの酸化物は半金属で、しかも超伝導
性を示す。倒れも電子密度が小さいので金属より光透過
率は太きい。特に前者は九ファイバ通信方式に用いられ
る光波長範囲を含む０．８〜２．２μｍで反射率は数多
と小さく、吸収係数はｌｏ Ｂｅｎ１− ’であシ通常
の薄膜の厚さく約１０００Ｘ）を充分透過できる。
ｘ≦０．３５）やＬｉｌ＋ＸＴｉ！−Ｘ０４ （−０，
３＜ｘ＜０ ）などの酸化物は半金属で、しかも超伝導
性を示す。倒れも電子密度が小さいので金属より光透過
率は太きい。特に前者は九ファイバ通信方式に用いられ
る光波長範囲を含む０．８〜２．２μｍで反射率は数多
と小さく、吸収係数はｌｏ Ｂｅｎ１− ’であシ通常
の薄膜の厚さく約１０００Ｘ）を充分透過できる。
次に光照射にともなう動作について説明する。
一般に超伝導状態では電子のクーパ対ができ、フェルミ
レベルよシエネルギ△だけ低いレベルニオさえられてい
る。絶縁零度以上の温準ではクーパ対にならない単独の
電子（準粒子）も存在し、これらはフェルミレベルよ９
６以上高いエネルギにあり、この準粒子の最もエネルギ
の低い電子状態と、クーパ対のレベルとの間には２△だ
けのエネルギ・ギャップがある。
レベルよシエネルギ△だけ低いレベルニオさえられてい
る。絶縁零度以上の温準ではクーパ対にならない単独の
電子（準粒子）も存在し、これらはフェルミレベルよ９
６以上高いエネルギにあり、この準粒子の最もエネルギ
の低い電子状態と、クーパ対のレベルとの間には２△だ
けのエネルギ・ギャップがある。
電圧零での接合の電流、即ちジョセフソン電流の最大電
流密度Ｊｃは であられされる。
流密度Ｊｃは であられされる。
ここで△（Ｔ）はエネルギ・ギャップΔが温度の函数で
あることを示し、ＲＮは常伝導状態での接合の抵抗、ｈ
はブランク定数、ｅは電子電荷、ｋＢはボルツマン定数
でおる。このように最大ジョセフソン電流密度ＪＣは△
（Ｔ）に比例する。素子の最大ジョセフソン電流Ｉｃは
これに素子の面積を乗じたものになる。実際に素子を使
用するときは特定の温度に固定しておくので以後は△の
温度依存性は考えない。
あることを示し、ＲＮは常伝導状態での接合の抵抗、ｈ
はブランク定数、ｅは電子電荷、ｋＢはボルツマン定数
でおる。このように最大ジョセフソン電流密度ＪＣは△
（Ｔ）に比例する。素子の最大ジョセフソン電流Ｉｃは
これに素子の面積を乗じたものになる。実際に素子を使
用するときは特定の温度に固定しておくので以後は△の
温度依存性は考えない。
Ｑｗｅｎと５ｃａｌａｐｌｎｏによると△は準粒子密度
がｎ（ａｍ−”）のとき であられされ、ｎが増加すると共にΔ（ｎ）は減少する
。ここに△（ｎ）、△（０）は準粒子密度がｎおよび０
のときの△の値で、Ｎ（０）は７エルミレベルにおける
状態密度である。Δの変化はＮ（０）が小さい程大きく
なる。
がｎ（ａｍ−”）のとき であられされ、ｎが増加すると共にΔ（ｎ）は減少する
。ここに△（ｎ）、△（０）は準粒子密度がｎおよび０
のときの△の値で、Ｎ（０）は７エルミレベルにおける
状態密度である。Δの変化はＮ（０）が小さい程大きく
なる。
超伝導材料に元が照射されるとクーパ対がこわされ、準
粒子が生成され、これは光子数に比例する。こうしてｎ
が増加するとΔが減少する。
粒子が生成され、これは光子数に比例する。こうしてｎ
が増加するとΔが減少する。
第４図はこの素子におけるエネルギ・ダイヤグラムを示
し、（Ａ）は素子にバイアスを印加してない状態、（Ｂ
）は電圧Ｖのバイアスを印加したときの状態である。一
般には電流工と電圧Ｖの関係は第５図のようであシ、１
△ｌ−Δ２１で微小な電流が流れ、△ｌ＋△２で大きな
電流が流れる。■ｃはジョセフソン電流の最大値を示す
。
し、（Ａ）は素子にバイアスを印加してない状態、（Ｂ
）は電圧Ｖのバイアスを印加したときの状態である。一
般には電流工と電圧Ｖの関係は第５図のようであシ、１
△ｌ−Δ２１で微小な電流が流れ、△ｌ＋△２で大きな
電流が流れる。■ｃはジョセフソン電流の最大値を示す
。
第４図（Ｂ）では１△１＋△２１より僅かに小さい値に
バイアスした場合を示している。この状態において元１
０ヲ上から照射すると上部電極内において準粒子が励起
され、その部分のエネルギ・ギャップ△２がｎ ／ ２
Ｎ（０）に比例した量だけ減少し、第４図（Ｃ）の状態
になって急激に電流増加がみられるので、高感度の光検
出ができる。
バイアスした場合を示している。この状態において元１
０ヲ上から照射すると上部電極内において準粒子が励起
され、その部分のエネルギ・ギャップ△２がｎ ／ ２
Ｎ（０）に比例した量だけ減少し、第４図（Ｃ）の状態
になって急激に電流増加がみられるので、高感度の光検
出ができる。
発明の実施例
（実施例）
ＳｒＴｉ０ｇ単結晶（１００）面を基板とし、マグネト
ロンスバツ、りにより ７００℃〜８００℃の基板上に
、Ｂａ（ｐｉ、ｏ、 Ｂｉ。、８）＋、５０４ ｋター
ゲットとして薄膜を厚さ３０００＾堆積させると、Ｂａ
Ｐｂ６４ Ｂｉ ｏ、ａ Ｏｓなる組成の薄膜となＱ
１転転移度約１０にとなる。次にＢａＢ １０８ｆ：約
ａｏｉの厚さに形成する。この場合ＢａＢ１１．５０４
々る組成のセラミックをターゲットとして、ＲＦスパッ
タ法で行う。このＢａＢｔＯｓの上に直ちにマグネトロ
ンスパッタ法でＢａ（Ｐｂｏ、ｙ ＢｉＯ，１ｌ）１．
５０４をターゲットとしてＢａＰｌ）６．７Ｂ１ ｏ、
ａ ０８薄膜を厚さ約１５００ Ｘ堆積させた。
ロンスバツ、りにより ７００℃〜８００℃の基板上に
、Ｂａ（ｐｉ、ｏ、 Ｂｉ。、８）＋、５０４ ｋター
ゲットとして薄膜を厚さ３０００＾堆積させると、Ｂａ
Ｐｂ６４ Ｂｉ ｏ、ａ Ｏｓなる組成の薄膜となＱ
１転転移度約１０にとなる。次にＢａＢ １０８ｆ：約
ａｏｉの厚さに形成する。この場合ＢａＢ１１．５０４
々る組成のセラミックをターゲットとして、ＲＦスパッ
タ法で行う。このＢａＢｔＯｓの上に直ちにマグネトロ
ンスパッタ法でＢａ（Ｐｂｏ、ｙ ＢｉＯ，１ｌ）１．
５０４をターゲットとしてＢａＰｌ）６．７Ｂ１ ｏ、
ａ ０８薄膜を厚さ約１５００ Ｘ堆積させた。
この場合上下電極に同じ材料を用いたのでエネルギギャ
ップ△ｌ−△２となり、Δ１＋△２−２△ｚ ＝ ２ｍ
ｅＶであった。光検出感度は１．３μｍの波長において
４ｘ １０”Ｖ／Ｗであった。その他の波長に対しては
第６図に光検出感度の波長に対する相対的変化として示
した。
ップ△ｌ−△２となり、Δ１＋△２−２△ｚ ＝ ２ｍ
ｅＶであった。光検出感度は１．３μｍの波長において
４ｘ １０”Ｖ／Ｗであった。その他の波長に対しては
第６図に光検出感度の波長に対する相対的変化として示
した。
この実施例において、構造上接合が照射光に対面してお
シ有効接合面積が大きいので素子の面積が１００ ｐｍ
２のとき、最大ジョセフソン電流はＩｍＡと大きく、素
子の出力抵抗は十分低いので例えばので外部に対して従
来よシ大きな電流をとれる。
シ有効接合面積が大きいので素子の面積が１００ ｐｍ
２のとき、最大ジョセフソン電流はＩｍＡと大きく、素
子の出力抵抗は十分低いので例えばので外部に対して従
来よシ大きな電流をとれる。
通常の回路は５０Ω〜７５Ωなので、負荷抵抗の大きさ
は広い範囲で選択でき、外部に充分な大きさの出力を取
出せる。
は広い範囲で選択でき、外部に充分な大きさの出力を取
出せる。
以上説明した素子の動作はＢａＰｂ１−ｘＢｔＸＯ，だ
けでなく、他の超伝導材料でも実現できるが、上部電極
の厚さについてＢａ Ｐｂ １−Ｘ Ｂ ｉ Ｘ Ｏｓ
では１５００人でも充分内部進光が入射可能なのに対し
、金属材料では同様な光検出感度を得るため数１ｏｏ
Ｘ迄薄くしなければならず製造上の困難が伴なう。
けでなく、他の超伝導材料でも実現できるが、上部電極
の厚さについてＢａ Ｐｂ １−Ｘ Ｂ ｉ Ｘ Ｏｓ
では１５００人でも充分内部進光が入射可能なのに対し
、金属材料では同様な光検出感度を得るため数１ｏｏ
Ｘ迄薄くしなければならず製造上の困難が伴なう。
発明の効果
本発明の素子は前記先願の多結晶薄膜ジョセフソン接合
素子の出力が小さいと云う欠点がなく、しかも元ファイ
バ通信方式に現在用いられているＧｅ −ＡＰＤやＩｎ
ＧａＡｓＰ −ＡＰＤよシ広い波長範囲で使用でき、し
かも１〜２桁高い感度を有している。
素子の出力が小さいと云う欠点がなく、しかも元ファイ
バ通信方式に現在用いられているＧｅ −ＡＰＤやＩｎ
ＧａＡｓＰ −ＡＰＤよシ広い波長範囲で使用でき、し
かも１〜２桁高い感度を有している。
第１図は超伝導体多結晶薄膜の構造で、（Ａ）は上面図
、（Ｂ）は断面図、第２図は従来の光検出素子パターン
、第３図は本発明による光検出素子の説明図、第４図は
素子のエネルギ・ダイヤグラム−８（Ａ）はバイアスの
ない状態、（Ｂ）はバイアスＶを印加した状態（Ｃ）は
光照射による変化、第５図は電流・電圧特性で、点線は
光照射効果を示すグラフ、第６図は検出感度の波長依存
性を示すグラフ。 １・・・基板、２・・・超伝導体多結晶薄膜、３・・・
超伝導体結晶粒、４・・・粒界ジョセフソン接合（結晶
粒界）、５・・・元検出部、６・・・電極部、７・・・
超伝導体による下部電極、８・・・ｌ・ンネル障壁絶縁
体又は半導体層、９・・・透明な超伝導体による上部電
極、１０・・・レーザ元、１１ 、１２・・・第５図中
で素子の動作点。 特許出願人 日本電信電話公社
、（Ｂ）は断面図、第２図は従来の光検出素子パターン
、第３図は本発明による光検出素子の説明図、第４図は
素子のエネルギ・ダイヤグラム−８（Ａ）はバイアスの
ない状態、（Ｂ）はバイアスＶを印加した状態（Ｃ）は
光照射による変化、第５図は電流・電圧特性で、点線は
光照射効果を示すグラフ、第６図は検出感度の波長依存
性を示すグラフ。 １・・・基板、２・・・超伝導体多結晶薄膜、３・・・
超伝導体結晶粒、４・・・粒界ジョセフソン接合（結晶
粒界）、５・・・元検出部、６・・・電極部、７・・・
超伝導体による下部電極、８・・・ｌ・ンネル障壁絶縁
体又は半導体層、９・・・透明な超伝導体による上部電
極、１０・・・レーザ元、１１ 、１２・・・第５図中
で素子の動作点。 特許出願人 日本電信電話公社
Claims (1)
- （１）基板上に下部電極として超伝導体薄膜が形成され
、その上にトンネル障壁を形成する絶縁体又は半導体の
中間層が設けられ、さらにその上に０．８μｍ以上の波
長の元に対して透明な超伝導体が（２）前記上部電極お
よび下部電極として酸化物超伝導体Ｂａ Ｐｂ Ｉ −
Ｘ Ｂ Ｉ Ｘ ０６ （但し、０．０５＜Ｘ＜０．３
５）を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の透明超伝導体電極型光検出素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58173667A JPS6065581A (ja) | 1983-09-20 | 1983-09-20 | 透明超伝導体電極型光検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58173667A JPS6065581A (ja) | 1983-09-20 | 1983-09-20 | 透明超伝導体電極型光検出素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6065581A true JPS6065581A (ja) | 1985-04-15 |
Family
ID=15964860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58173667A Pending JPS6065581A (ja) | 1983-09-20 | 1983-09-20 | 透明超伝導体電極型光検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6065581A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5102862A (en) * | 1987-07-28 | 1992-04-07 | The University Of Tokyo | Method for manufacturing a tunneling josephson element |
| US5121173A (en) * | 1989-07-10 | 1992-06-09 | Santa Barbara Research Center | Proximity effect very long wavlength infrared (VLWIR) radiation detector |
-
1983
- 1983-09-20 JP JP58173667A patent/JPS6065581A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5102862A (en) * | 1987-07-28 | 1992-04-07 | The University Of Tokyo | Method for manufacturing a tunneling josephson element |
| US5155094A (en) * | 1987-07-28 | 1992-10-13 | The University Of Tokyo | Tunneling josephson element with a blocking layer inert to oxygen |
| US5121173A (en) * | 1989-07-10 | 1992-06-09 | Santa Barbara Research Center | Proximity effect very long wavlength infrared (VLWIR) radiation detector |
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