JPS6258157B2 - - Google Patents
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- JPS6258157B2 JPS6258157B2 JP58173668A JP17366883A JPS6258157B2 JP S6258157 B2 JPS6258157 B2 JP S6258157B2 JP 58173668 A JP58173668 A JP 58173668A JP 17366883 A JP17366883 A JP 17366883A JP S6258157 B2 JPS6258157 B2 JP S6258157B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/10—Junction-based devices
- H10N60/12—Josephson-effect devices
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
- Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
- Y10S505/873—Active solid-state device
- Y10S505/874—Active solid-state device with josephson junction, e.g. squid
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、結晶粒界にジヨセフソン接合をもつ
超伝導薄膜を用いた光検出素子に関するものであ
る。
超伝導薄膜を用いた光検出素子に関するものであ
る。
従来技術
光フアイバ伝送方式において中継器間隔を長く
することは伝送方式の経済化のため重要である。
そのため光フアイバの低損失化の努力がはらわ
れ、光波長約1.5μｍで0.2dB／km程度までの低
損失光フアイバが製造可能となつている。しか
し、光フアイバの低損失化は理論的極限に近く、
それだけの努力では中継間隔の延長はできない。
そこで受光器の光検出感度を向上させることは重
要である。
することは伝送方式の経済化のため重要である。
そのため光フアイバの低損失化の努力がはらわ
れ、光波長約1.5μｍで0.2dB／km程度までの低
損失光フアイバが製造可能となつている。しか
し、光フアイバの低損失化は理論的極限に近く、
それだけの努力では中継間隔の延長はできない。
そこで受光器の光検出感度を向上させることは重
要である。
特願昭58―84845によると通常光フアイバ通信
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Ａ，Ｂは酸化物超伝導
材料BaPb1-xBixO3の多結晶薄膜２の構造を示
し、３は結晶粒、４は結晶粒界で、その部分にジ
ヨ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′よりなる素子をエツチングにより作製する。
この材料の臨界電流以上に電流を流すと、素子は
電圧状態になり電流バイアスと電圧とにより、第
３図の実線で示した曲線１，２，３…と変化す
る。これらの曲線は光照射により材料のギヤツ
プ・エネルギが変化して点線で示した曲線に変化
する。そこでバイアスにより動作点をΓ印の点７
にしておくと、光照射により、●印の点８に動作
点が移り、この変化が両電極間の電圧変化として
検出され、光を検出できる。
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Ａ，Ｂは酸化物超伝導
材料BaPb1-xBixO3の多結晶薄膜２の構造を示
し、３は結晶粒、４は結晶粒界で、その部分にジ
ヨ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′よりなる素子をエツチングにより作製する。
この材料の臨界電流以上に電流を流すと、素子は
電圧状態になり電流バイアスと電圧とにより、第
３図の実線で示した曲線１，２，３…と変化す
る。これらの曲線は光照射により材料のギヤツ
プ・エネルギが変化して点線で示した曲線に変化
する。そこでバイアスにより動作点をΓ印の点７
にしておくと、光照射により、●印の点８に動作
点が移り、この変化が両電極間の電圧変化として
検出され、光を検出できる。
しかし、上記のようなヒステリシスのある特性
の素子では光量が多い場合や、外来雑音が大きい
場合、動作点が他の曲線（例えば曲線２のΓ印か
ら曲線１，３の同じ電流値の点）に移動し、動作
が不安定になる。
の素子では光量が多い場合や、外来雑音が大きい
場合、動作点が他の曲線（例えば曲線２のΓ印か
ら曲線１，３の同じ電流値の点）に移動し、動作
が不安定になる。
発明の目的
本発明はこの欠点を除去し、高感度で安定した
動作の光検出素子を得ることを目的とするもので
ヒステリシスのない粒界ジヨセフソン接合を有す
る光検出素子を得ようとするものである。
動作の光検出素子を得ることを目的とするもので
ヒステリシスのない粒界ジヨセフソン接合を有す
る光検出素子を得ようとするものである。
発明の構成及び作用
第４図の実線で示したのが本発明に用いるヒス
テリシスのない場合のジヨセフソン接合の電流・
電圧特性を示している。ところで、超伝導状態で
は電子のクーパ対ができ、フエルミレベルよりエ
ネルギ△だけ低いレベルにおさえられている。絶
対零度以上の温度ではクーパ対にならない単独の
電子（準粒子）も存在し、これらはフエルミレベ
ルより△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・ギヤツプがあ
る。
テリシスのない場合のジヨセフソン接合の電流・
電圧特性を示している。ところで、超伝導状態で
は電子のクーパ対ができ、フエルミレベルよりエ
ネルギ△だけ低いレベルにおさえられている。絶
対零度以上の温度ではクーパ対にならない単独の
電子（準粒子）も存在し、これらはフエルミレベ
ルより△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・ギヤツプがあ
る。
電圧零での接合の電流、即ちジヨセフソン電流
の最大電流密度Jcは Jc＝π／２ △（Ｔ）ｈ／ＲＮｅ・tanh（△（Ｔ）／
２ｋＢＴ）……(1)式 であらわされる。
の最大電流密度Jcは Jc＝π／２ △（Ｔ）ｈ／ＲＮｅ・tanh（△（Ｔ）／
２ｋＢＴ）……(1)式 であらわされる。
ここで△（Ｔ）はエネルギ・ギヤツプ△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はプランク定数、ｅは電子電荷、
ｋBはボルツマン定数である。このように最大ジ
ヨセフソン電流密度Jcは△（Ｔ）に比例する。素
子の電流（臨界電流）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。
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はプランク定数、ｅは電子電荷、
ｋBはボルツマン定数である。このように最大ジ
ヨセフソン電流密度Jcは△（Ｔ）に比例する。素
子の電流（臨界電流）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。
OwenとScalapinoによると△は準粒子密度がｎ
（cm-3）のとき △（ｎ）／△（０）＝１−ｎ／２Ｎ（０）△（０）…
…(2)式 であらわされ、ｎが増加すると共に△（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）はフエ
ルミレベルにおける状態密度である。△の変化は
Ｎ（０）が少さい程大きくなる。
（cm-3）のとき △（ｎ）／△（０）＝１−ｎ／２Ｎ（０）△（０）…
…(2)式 であらわされ、ｎが増加すると共に△（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）はフエ
ルミレベルにおける状態密度である。△の変化は
Ｎ（０）が少さい程大きくなる。
超伝導材料に光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△が減少するが、こ
れは(1)式を通じてジヨセフソン接合の電流電圧特
性に変化を生ずる。第４図において光照射しない
状態（実線）で電流バイアスにより９の点に素子
の動作点をおく。次に第２図の光検出部５に光照
射すると準粒子を生じ、△が減少してこの場合特
性は点線のように変化する。そのため動作点は１
０の点に移動して素子の出力電圧が変化する。こ
の電圧変化はｎに比例し、従つて光量に比例する
ので、この電圧を測ると光検出ができる。
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△が減少するが、こ
れは(1)式を通じてジヨセフソン接合の電流電圧特
性に変化を生ずる。第４図において光照射しない
状態（実線）で電流バイアスにより９の点に素子
の動作点をおく。次に第２図の光検出部５に光照
射すると準粒子を生じ、△が減少してこの場合特
性は点線のように変化する。そのため動作点は１
０の点に移動して素子の出力電圧が変化する。こ
の電圧変化はｎに比例し、従つて光量に比例する
ので、この電圧を測ると光検出ができる。
BaPb1-xBixO3（0.05ｘ0.35）は金属超伝導
体よりＮ（０）が１桁以上小さいので、(2)式の第
２項の変化が大きい。また、電子密度が小さいの
で、光反射率が小さく光検出感度が高い。
体よりＮ（０）が１桁以上小さいので、(2)式の第
２項の変化が大きい。また、電子密度が小さいの
で、光反射率が小さく光検出感度が高い。
次にヒステリシスのない粒界ジヨセフソン接合
について説明する。粒界ジヨセフソン接合がヒス
テリシスのない第４図のブリツジ型の特性となる
ためには、粒界のポテンシヤルバリヤを低下させ
てやることが必要である。その手段の１つはキヤ
リア濃度を上げることであり、例えば
BaPb1-xBixO3においてBiの含有量、すなわちｘ
の値を制御することによつてヒステリシスのない
接合が得られる。他の手段は動作温度を上げる
（転移温度Tcに近づける）ことである。
について説明する。粒界ジヨセフソン接合がヒス
テリシスのない第４図のブリツジ型の特性となる
ためには、粒界のポテンシヤルバリヤを低下させ
てやることが必要である。その手段の１つはキヤ
リア濃度を上げることであり、例えば
BaPb1-xBixO3においてBiの含有量、すなわちｘ
の値を制御することによつてヒステリシスのない
接合が得られる。他の手段は動作温度を上げる
（転移温度Tcに近づける）ことである。
BaPb1-xBixO3にあつては、0.05ｘ0.35のう
ち0.275ｘ0.325を除く範囲においては、ヒス
テリシスがない（ブリツジ型）特性が例えば
4.2Kで得られ、0.275ｘ0.325（転位温度Tc＝
８〜9K）においては、動作温度５〜7Kでブリツ
ジ型の特性が得られる。特にこの0.275ｘ
0.325では光感度が良いブリツジ型であり、これ
までの最高感度はｘ＝0.3、動作温度6.5Kで得ら
れている。一般に動作温度が高くても良いことは
有利であり、この0.275ｘ0.325、動作温度５
〜7Kの範囲は光感度の良さと相俟つて有用な範
囲である。
ち0.275ｘ0.325を除く範囲においては、ヒス
テリシスがない（ブリツジ型）特性が例えば
4.2Kで得られ、0.275ｘ0.325（転位温度Tc＝
８〜9K）においては、動作温度５〜7Kでブリツ
ジ型の特性が得られる。特にこの0.275ｘ
0.325では光感度が良いブリツジ型であり、これ
までの最高感度はｘ＝0.3、動作温度6.5Kで得ら
れている。一般に動作温度が高くても良いことは
有利であり、この0.275ｘ0.325、動作温度５
〜7Kの範囲は光感度の良さと相俟つて有用な範
囲である。
本発明においては、このヒステリシスのない特
性を示すジヨセフソン接合が結晶粒界に沿つて形
成されている超伝導体多結晶薄膜を基板上に堆積
し、第２図のパターンすなわち、光検出部となる
細い線幅の第１部分５とその両側に形成された１
対の電極部６，６′となる太い線幅の第２部分及
び第３部分をホトエツチング等により形成する。
性を示すジヨセフソン接合が結晶粒界に沿つて形
成されている超伝導体多結晶薄膜を基板上に堆積
し、第２図のパターンすなわち、光検出部となる
細い線幅の第１部分５とその両側に形成された１
対の電極部６，６′となる太い線幅の第２部分及
び第３部分をホトエツチング等により形成する。
発明の実施例
（実施例 １）
Ba（Pb0.75Bi0.25）1.5O4なる組成のセラミツクを
ターゲツトとしてマグネトロンスパツタで、アル
ゴンと酸素の各50％混合気体のガス圧５×
10-3Torr、プレート電圧1.5KVにおいて、260℃
に加熱したサフアイア基板（１02）面上に厚さ
2000〜4000ÅにBaPb0.75Bi0.25O3なる組成の薄膜
を形成し、その後PbO2又はPb3O4粉末と一緒に
アルミナ容器に入れ、酸素雰囲気中で550℃にお
いて12時間熱処理を行つた。こうして薄膜は
Tc8Kのの超伝導多結晶体となり、粒界にジヨセ
フソン接合が形成される。HClO430％，HCl0.5
％の水溶液によりエツチングし、第２図のパター
ンを形成した。第４図の実線は厚さ2000Å、線幅
50μｍの素子の約6Kにおける電流・電圧特性を
示す。点線は光照射時の変化を示す。９，１０は
説明のため附した光照射前と後の動作点の例示で
ある。第５図は動作点による感度の変化、第６図
は検出感度の波長特性である。
ターゲツトとしてマグネトロンスパツタで、アル
ゴンと酸素の各50％混合気体のガス圧５×
10-3Torr、プレート電圧1.5KVにおいて、260℃
に加熱したサフアイア基板（１02）面上に厚さ
2000〜4000ÅにBaPb0.75Bi0.25O3なる組成の薄膜
を形成し、その後PbO2又はPb3O4粉末と一緒に
アルミナ容器に入れ、酸素雰囲気中で550℃にお
いて12時間熱処理を行つた。こうして薄膜は
Tc8Kのの超伝導多結晶体となり、粒界にジヨセ
フソン接合が形成される。HClO430％，HCl0.5
％の水溶液によりエツチングし、第２図のパター
ンを形成した。第４図の実線は厚さ2000Å、線幅
50μｍの素子の約6Kにおける電流・電圧特性を
示す。点線は光照射時の変化を示す。９，１０は
説明のため附した光照射前と後の動作点の例示で
ある。第５図は動作点による感度の変化、第６図
は検出感度の波長特性である。
（実施例 ２）
第７図に示すのは、超伝導体薄膜２と基板１の
中間に反射鏡１０を設けたものであり、他は実施
例１と同様である。反射鏡１０は照射光を反射し
光が薄膜を通過して逃げることを防止するのでジ
ヨセフソン接合型素子の光の検出感度を高めるこ
とができる。反射鏡１０は基板１上に鏡面を形成
する金属層、例えば銀層や白金層を形成し、その
上に短絡を防止するための薄い絶縁膜、例えばア
ルミナ膜を設けることにより形成される。なお、
各部の番号は第１図と共通する部分には同じ番号
を付してある。
中間に反射鏡１０を設けたものであり、他は実施
例１と同様である。反射鏡１０は照射光を反射し
光が薄膜を通過して逃げることを防止するのでジ
ヨセフソン接合型素子の光の検出感度を高めるこ
とができる。反射鏡１０は基板１上に鏡面を形成
する金属層、例えば銀層や白金層を形成し、その
上に短絡を防止するための薄い絶縁膜、例えばア
ルミナ膜を設けることにより形成される。なお、
各部の番号は第１図と共通する部分には同じ番号
を付してある。
以上の実施例において、BaPb1-xBixO3の組成
0.05ｘ0.35において第４図の特性を示す素子
を形成できる。超伝導転移温度が高い程、第４図
の特性になる温度が高くなる。さらに、このよう
な光検出素子はBaPb1-xBixO3のみでなく、第１
図に示した構造の粒界ジヨセフソン接合をもつ超
伝導多結晶薄膜が形成でき、第４図の特性を示
し、電子密度が小さい材料ならどの材料を用いて
も実現できる。
0.05ｘ0.35において第４図の特性を示す素子
を形成できる。超伝導転移温度が高い程、第４図
の特性になる温度が高くなる。さらに、このよう
な光検出素子はBaPb1-xBixO3のみでなく、第１
図に示した構造の粒界ジヨセフソン接合をもつ超
伝導多結晶薄膜が形成でき、第４図の特性を示
し、電子密度が小さい材料ならどの材料を用いて
も実現できる。
発明の効果
以上説明したように粒界ジヨセフソン接合の特
性をヒステリシスのない形にしたため、動作の不
安定性がなく、光感度で光検出ができる。高周波
における感度はSi，GeなどのAPDより１〜２桁
高く、光の波長に対しては1.0μｍより長波長に
おいて応答できる。
性をヒステリシスのない形にしたため、動作の不
安定性がなく、光感度で光検出ができる。高周波
における感度はSi，GeなどのAPDより１〜２桁
高く、光の波長に対しては1.0μｍより長波長に
おいて応答できる。
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図は従来及び本発明で用
いられる光検出素子のパターン、第３図は粒界ジ
ヨセフソン接合の電流・電圧特性（従来のヒステ
リシスをもつ特性）、第４図は本発明におけるヒ
ステリシスのない粒界ジヨセフソン接合の（ブリ
ツジ型）特性、第５図は動作位置における光検出
感度の相対的変化、第６図は光波長に対する感度
の変化を示す。第７図は本発明の粒界ジヨセフソ
ン接合型光検出素子の実施例の断面図。 １……基板、２……超伝導体多結晶薄膜、３…
…結晶粒、４……粒界ジヨセフソン接合（結晶粒
界）、５……光検出部、６，６′……電極部、７…
…光入力のないときの動作点、８……光入力によ
り変化後の位置、Ic……臨界電流。
面図、Ｂは断面図、第２図は従来及び本発明で用
いられる光検出素子のパターン、第３図は粒界ジ
ヨセフソン接合の電流・電圧特性（従来のヒステ
リシスをもつ特性）、第４図は本発明におけるヒ
ステリシスのない粒界ジヨセフソン接合の（ブリ
ツジ型）特性、第５図は動作位置における光検出
感度の相対的変化、第６図は光波長に対する感度
の変化を示す。第７図は本発明の粒界ジヨセフソ
ン接合型光検出素子の実施例の断面図。 １……基板、２……超伝導体多結晶薄膜、３…
…結晶粒、４……粒界ジヨセフソン接合（結晶粒
界）、５……光検出部、６，６′……電極部、７…
…光入力のないときの動作点、８……光入力によ
り変化後の位置、Ic……臨界電流。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 結晶粒界に沿つてジヨセフソン接合が形成さ
れている超伝導体多結晶薄膜が基板上に備えら
れ、該ジヨセフソン接合はヒステリシスがなくな
るように粒界のポテンシヤルバリヤが小さくなさ
れており、前記超伝導体多結晶薄膜は、光検出部
となる細い線幅の第１部分とその両側に形成され
た１対の電極となる太い線幅の第２部分及び第３
部分に形成されて、バイアス電流によつて前記光
検出部となる細い線幅の第１部分の粒界ジヨセフ
ソン接合のみが電圧状態となるようにし、光照射
により生ずる準粒子数増加により、超伝導体エネ
ルギ・ギヤツプが減少し、粒界ジヨセフソン接合
の電圧が変化することによつて前記１対の電極間
にあらわれる電圧変化を検出して光検出を行なう
ことを特徴とする粒界ジヨセフソン接合型光検出
素子。 ２ 前記超伝導体多結晶薄膜が酸化物超伝導体材
料BaPb1-xBixO3（但し、0.05ｘ0.35）の薄膜
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の粒界ジヨセフソン接合型光検出素子。 ３ 結晶粒界に沿つてジヨセフソン接合が形成さ
れている超伝導体多結晶薄膜が基板上に備えら
れ、さらに該基板と前記超伝導体多結晶薄膜との
間には反射鏡が備えられた構造であつて、前記ジ
ヨセフソン接合はヒステリシスがなくなるように
粒界のポテンシヤルバリヤが小さくなされてお
り、前記超伝導体多結晶薄膜は、光検出部となる
細い線幅の第１部分とその両側に形成された１対
の電極となる太い線幅の第２部分及び第３部分に
形成されており、バイアス電流によつて前記光検
出部となる細い線幅の第１部分の粒界ジヨセフソ
ン接合のみが電圧状態となるようにして、光照射
により生ずる準粒子数増加により、超伝導体エネ
ルギ・ギヤツプが減少し、粒界ジヨセフソン接合
の電圧が変化することによつて前記１対の電極間
にあらわれる電圧変化を検出して光検出を行なう
ことを特徴とする粒界ジヨセフソン接合型光検出
素子。 ４ 前記超伝導体多結晶薄膜が酸化物超伝導体材
料BaPb1-xBixO3（但し、0.05ｘ0.35）の薄膜
であることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載の粒界ジヨセフソン接合型光検出素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58173668A JPS6065582A (ja) | 1983-09-20 | 1983-09-20 | 粒界ジヨセフソン接合型光検出素子 |
| GB08423202A GB2148646B (en) | 1983-09-20 | 1984-09-14 | Photodetecting device |
| US06/651,069 US4578691A (en) | 1983-09-20 | 1984-09-14 | Photodetecting device |
| FR848414363A FR2552267B1 (fr) | 1983-09-20 | 1984-09-19 | Dispositif de photodetection a jonctions josephson |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58173668A JPS6065582A (ja) | 1983-09-20 | 1983-09-20 | 粒界ジヨセフソン接合型光検出素子 |
Publications (2)
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|---|---|
| JPS6065582A JPS6065582A (ja) | 1985-04-15 |
| JPS6258157B2 true JPS6258157B2 (ja) | 1987-12-04 |
Family
ID=15964880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58173668A Granted JPS6065582A (ja) | 1983-09-20 | 1983-09-20 | 粒界ジヨセフソン接合型光検出素子 |
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| JP (1) | JPS6065582A (ja) |
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- 1984-09-19 FR FR848414363A patent/FR2552267B1/fr not_active Expired
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