JPS6359271B2 - - Google Patents
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- JPS6359271B2 JPS6359271B2 JP58237607A JP23760783A JPS6359271B2 JP S6359271 B2 JPS6359271 B2 JP S6359271B2 JP 58237607 A JP58237607 A JP 58237607A JP 23760783 A JP23760783 A JP 23760783A JP S6359271 B2 JPS6359271 B2 JP S6359271B2
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- JP
- Japan
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- thin film
- superconductor
- carrier concentration
- josephson junction
- low carrier
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Links
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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
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明はウイークリンクによるジヨセフソン接
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。
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。
第１図ａ〜ｄは通常のマイクロブリツジ形ジヨ
セフソ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ξよ
り細く絞り、その両側の超伝導体薄膜電極１０
１，１０２を弱く結合する（ウイークリンク２）
ようにしたジヨセフソン接合で、全体の厚さは同
じようにしてある。第１図ｂおよびｃはウイーク
リンク２の部分を両側の超伝導体薄膜電極１０
１，１０２の部分より薄くしてある。この部分の
長さＬと幅Ｗは数μｍとし、厚さをコヒーレンス
長ξより薄くすることによつて結合度を調整し、
ジヨ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イークリンク２をつくる
ものである。
セフソ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ξよ
り細く絞り、その両側の超伝導体薄膜電極１０
１，１０２を弱く結合する（ウイークリンク２）
ようにしたジヨセフソン接合で、全体の厚さは同
じようにしてある。第１図ｂおよびｃはウイーク
リンク２の部分を両側の超伝導体薄膜電極１０
１，１０２の部分より薄くしてある。この部分の
長さＬと幅Ｗは数μｍとし、厚さをコヒーレンス
長ξより薄くすることによつて結合度を調整し、
ジヨ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イークリンク２をつくる
ものである。
このようなジヨセフソン接合は第２図の実線で
示した電流・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。外部からジヨセフ
ソン接合に電磁波が照射されると最大ジヨセフソ
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。そのた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VABから電磁波
を検出できる。これらマイクロブリツジ形ジヨセ
フソン接合では数100GHzより低い周波数で高感
度の電磁波検出が可能で約５×10-15W／√Hzの
N.E.P.（Noise Equivalent Power）をもつもの
がある。
示した電流・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。外部からジヨセフ
ソン接合に電磁波が照射されると最大ジヨセフソ
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。そのた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VABから電磁波
を検出できる。これらマイクロブリツジ形ジヨセ
フソン接合では数100GHzより低い周波数で高感
度の電磁波検出が可能で約５×10-15W／√Hzの
N.E.P.（Noise Equivalent Power）をもつもの
がある。
しかし、通常の金属超伝導体によるジヨセフソ
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、そのため高感度で
光を検出することができない。
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、そのため高感度で
光を検出することができない。
本発明は金属より電子密度（キヤリア密度）が
小さく、従つて反射率が金属より小さく透過率が
大きくて、1μｍ以上の光が有効に入射できる材
料をジヨセフソン接合のウイ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
のであり、以下詳細に説明する。
小さく、従つて反射率が金属より小さく透過率が
大きくて、1μｍ以上の光が有効に入射できる材
料をジヨセフソン接合のウイ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
のであり、以下詳細に説明する。
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0.5〜2μｍ、厚さ2000Å以下の低
キヤリア濃度の超伝導体単結晶薄膜でブリツジし
てマイクロブリツジ形ジ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
電極およびブリツジ部ともに低キヤリア濃度の酸
化物超伝導体BaPb1-xBixO3（0.05ｘ0.35）単
結晶薄膜を用い、超伝導体薄膜電極部とブリツジ
部の薄膜の厚さを夫々2000Å以上、500〜2000Å
として材料のエネルギギヤツプを超伝導体薄膜電
極部よりもブリツジ部で小さくなるよう調整して
ジヨセフ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
リツジ形光検出素子である。
幅、および長さ0.5〜2μｍ、厚さ2000Å以下の低
キヤリア濃度の超伝導体単結晶薄膜でブリツジし
てマイクロブリツジ形ジ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
電極およびブリツジ部ともに低キヤリア濃度の酸
化物超伝導体BaPb1-xBixO3（0.05ｘ0.35）単
結晶薄膜を用い、超伝導体薄膜電極部とブリツジ
部の薄膜の厚さを夫々2000Å以上、500〜2000Å
として材料のエネルギギヤツプを超伝導体薄膜電
極部よりもブリツジ部で小さくなるよう調整して
ジヨセフ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
リツジ形光検出素子である。
第３図は本発明によるジヨセフソン接合の構造
であつて、二つの超伝導体薄膜電極１１１，１１
２の間隙を、金属より電子密度が小さく、従つて
反射率が低く、1μｍ以上の光が有効に入射でき
る材料でブリツジしてウイークリンク１２として
用いる。１３は基板である。今、超伝導体薄膜電
極１１１，１１２の部分と、ウイークリンク１２
の部分の超伝導転移温度をTc1およびTc2、さら
に、それぞれのエネルギギヤツプを２Δ1および
２Δ2とする。第２図のような特性を示すために
は、ウイークリンク１２の長さＬと幅Ｗはコヒー
レンス長ξと同程度の数100Åにすることが望ま
しいが、現在の微細パ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イークリンク１２は
Δ2の小さい材料を用いるとＬ，Ｗが1μｍの程度
でもジヨ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Ｌ，Ｗと厚さ等に
よつてジヨセフソン接合の最大電流Imaxを調整
できる。
であつて、二つの超伝導体薄膜電極１１１，１１
２の間隙を、金属より電子密度が小さく、従つて
反射率が低く、1μｍ以上の光が有効に入射でき
る材料でブリツジしてウイークリンク１２として
用いる。１３は基板である。今、超伝導体薄膜電
極１１１，１１２の部分と、ウイークリンク１２
の部分の超伝導転移温度をTc1およびTc2、さら
に、それぞれのエネルギギヤツプを２Δ1および
２Δ2とする。第２図のような特性を示すために
は、ウイークリンク１２の長さＬと幅Ｗはコヒー
レンス長ξと同程度の数100Åにすることが望ま
しいが、現在の微細パ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イークリンク１２は
Δ2の小さい材料を用いるとＬ，Ｗが1μｍの程度
でもジヨ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Ｌ，Ｗと厚さ等に
よつてジヨ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ツジ形
ジヨセフソン接合のウイークリンク１２に光照射
すると、この部分のエネルギギヤツプ２Δ2が減
少し、Imaxが減少する（ジヨセフソン接合に抵
抗零で流れる最大電流ImaxはΔ／Rnに比例す
る。ここにRnはウイークリンクの常伝導状態で
の抵抗）。
ジヨセフソン接合のウイークリンク１２に光照射
すると、この部分のエネルギギヤツプ２Δ2が減
少し、Imaxが減少する（ジヨセフソン接合に抵
抗零で流れる最大電流ImaxはΔ／Rnに比例す
る。ここにRnはウイークリンクの常伝導状態で
の抵抗）。
従つてエネルギギヤツプ２Δ2の変化が大きい
と、このジヨ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
い超伝導材料をウイークリンク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。
と、このジヨ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
い超伝導材料をウイークリンク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
対をつくつているが、このクーパ対が光照射によ
つて破壊されると、対をなしてない電子（準粒
子）になり、この準粒子の密度nqpが増すとΔは
nqp／Ｎ（Ｏ）（Ｎ（Ｏ）はフエル面での状態密度
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（Ｏ）の小さい材料はΔの
変化が大きい。
対をつくつているが、このクーパ対が光照射によ
つて破壊されると、対をなしてない電子（準粒
子）になり、この準粒子の密度nqpが増すとΔは
nqp／Ｎ（Ｏ）（Ｎ（Ｏ）はフエル面での状態密度
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（Ｏ）の小さい材料はΔの
変化が大きい。
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
度の材料を用いる場合、薄膜の構造が多結晶にな
ると粒界にジヨセフソントンネル接合が形成さ
れ、（Y.Enomoto，etal，“Obrervation of
Grain Boundary Josephson Current in
BaPb0.7Bi0.3O3Films，Jpn.J.Appl.phys.，Vol.20
No.9PPL661−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。
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
度の材料を用いる場合、薄膜の構造が多結晶にな
ると粒界にジヨセフソントンネル接合が形成さ
れ、（Y.Enomoto，etal，“Obrervation of
Grain Boundary Josephson Current in
BaPb0.7Bi0.3O3Films，Jpn.J.Appl.phys.，Vol.20
No.9PPL661−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
極の間隙をブリツジするブリツジ部は、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
のブリツジ部は、幅および長さが0.5〜2μｍ、厚
さが2000Å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ジ部ともに低キヤリ
ア濃度の酸化物超伝導体 BaPb1-xBixO3（0.05ｘ0.35）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ジ
部の薄膜の厚さは、夫々2000Å以上、500〜2000
Åとすることが望ましい。すなわち、前記ブリツ
ジ部の厚さを500Å以下にする場合には例えばサ
フア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ツジ部を形成しても超
伝導体単結晶薄膜としての安定した特性が得られ
ない。また、ブリツジ部の厚さを2000Å以上にす
る場合にはブリツジ部に照射された光がブリツジ
部内の途中で吸収されブリツジ部の下面までとど
かない。そのため、ウイ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2000Å以上にするのは、光がこの電極部に当つ
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、前記ブリツジ
部の幅および長さを0.5μｍ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りか、
加工上も困難となる。また、ブリツジ部の幅およ
び長さを2μｍ以上にした場合には光を照射して
もウイークリンクとしての弱い部分が弱くならな
く、ウイ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。
極の間隙をブリツジするブリツジ部は、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
のブリツジ部は、幅および長さが0.5〜2μｍ、厚
さが2000Å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ジ部ともに低キヤリ
ア濃度の酸化物超伝導体 BaPb1-xBixO3（0.05ｘ0.35）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ジ
部の薄膜の厚さは、夫々2000Å以上、500〜2000
Åとすることが望ましい。すなわち、前記ブリツ
ジ部の厚さを500Å以下にする場合には例えばサ
フア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ツジ部を形成しても超
伝導体単結晶薄膜としての安定した特性が得られ
ない。また、ブリツジ部の厚さを2000Å以上にす
る場合にはブリツジ部に照射された光がブリツジ
部内の途中で吸収されブリツジ部の下面までとど
かない。そのため、ウイ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2000Å以上にするのは、光がこの電極部に当つ
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、前記ブリツジ
部の幅および長さを0.5μｍ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りか、
加工上も困難となる。また、ブリツジ部の幅およ
び長さを2μｍ以上にした場合には光を照射して
もウイークリンクとしての弱い部分が弱くならな
く、ウイ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
特願昭58−146702号で述べた方法により、チタ
ン酸ストロチユウム又はサフアイアを第３図の基
板１３として、その上にBaPb0.7Bi0.3O3なる組成
の単結晶薄膜を一面に厚さ3000〜4000Åに形成
し、その後エツチング液（HClO430％、HCl0.5
％の水溶液）でエツチングして第３図の電極１１
１，１１２のパターン（線幅10〜100μｍ、電極
１１１，１１２間の幅0.5〜3μｍ）を形成した。
Tcは9.5Kであつた。
ン酸ストロチユウム又はサフアイアを第３図の基
板１３として、その上にBaPb0.7Bi0.3O3なる組成
の単結晶薄膜を一面に厚さ3000〜4000Åに形成
し、その後エツチング液（HClO430％、HCl0.5
％の水溶液）でエツチングして第３図の電極１１
１，１１２のパターン（線幅10〜100μｍ、電極
１１１，１１２間の幅0.5〜3μｍ）を形成した。
Tcは9.5Kであつた。
次に、ウイークリンク１２を形成するため、先
づ全面に厚さ500〜1500ÅのBaPb0.7Bi0.3O3単結
晶膜を形成した。（厚さが薄い場合、下層部の結
晶性が劣るため、電極１１１，１１２のギヤツプ
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5K。）その後、
特願昭57−156666号のドライエツチング技術によ
り線幅0.5〜2μｍに形成する。こうして得られた
ジヨセフソン接合のInaxは100μAで、感度は温度
依存性があり、6Kで最高になつて103V／Ｗ
（NEPで３×10-14W／√Hz）であつた。
づ全面に厚さ500〜1500ÅのBaPb0.7Bi0.3O3単結
晶膜を形成した。（厚さが薄い場合、下層部の結
晶性が劣るため、電極１１１，１１２のギヤツプ
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5K。）その後、
特願昭57−156666号のドライエツチング技術によ
り線幅0.5〜2μｍに形成する。こうして得られた
ジヨセフソン接合のInaxは100μAで、感度は温度
依存性があり、6Kで最高になつて103V／Ｗ
（NEPで３×10-14W／√Hz）であつた。
上述の実施例では電極１１１，１１２に
BaPb0.7Bi0.3O3を用いたが、これは同じ材料なら
同じスパツタ装置で作製できるからであつて、こ
の部分は他の金属超伝導材料であつても同様の特
性のものを作製することができる。（電極１１１，
１１２とウイークリンク１２の部分の相互作用に
より動作温度は変化する）。
BaPb0.7Bi0.3O3を用いたが、これは同じ材料なら
同じスパツタ装置で作製できるからであつて、こ
の部分は他の金属超伝導材料であつても同様の特
性のものを作製することができる。（電極１１１，
１１２とウイークリンク１２の部分の相互作用に
より動作温度は変化する）。
また、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
およびウイークリンク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。
ａ，ｂのように超伝導体薄膜電極１１１，１１２
およびウイークリンク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。
以上説明したように本発明によれば、低キヤリ
ア濃度超伝導体を用いてマイクロブリツジを形成
すると１〜10μｍ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、同じ光量
でもジヨセフソン接合の特性が大きく変化するの
で高感度の光検出素子が得られる。
ア濃度超伝導体を用いてマイクロブリツジを形成
すると１〜10μｍ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、同じ光量
でもジヨセフソン接合の特性が大きく変化するの
で高感度の光検出素子が得られる。
第１図は従来のマイクロブリツジ形ジヨセフソ
ン接合を示す構成図、第２図はマイクロブリツジ
形ジヨ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構成
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…
…ウイークリンク、１３……基板、Ｌ，Ｗ……ウ
イークリンクの長さと幅、Inax……ジヨセフソン
最大電流、Ａ，Ｂ……動作点、VAB……電磁波照
射による電圧変化。
ン接合を示す構成図、第２図はマイクロブリツジ
形ジヨ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構成
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…
…ウイークリンク、１３……基板、Ｌ，Ｗ……ウ
イークリンクの長さと幅、Inax……ジヨセフソン
最大電流、Ａ，Ｂ……動作点、VAB……電磁波照
射による電圧変化。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 二つの超伝導体薄膜電極の間〓を、幅、およ
び長さ0.5〜2μｍ、厚さ2000Å以下の低キヤリア
濃度の超伝導体単結晶薄膜でブリツジしてマイク
ロブリツジ形ジ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
るマイクロブリツジ形光検出素子。 ２ 超伝導体薄膜電極およびブリツジ部ともに低
キヤリア濃度の酸化物超伝導体 BaPb1-xBixO3（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ツジ部の薄膜の
厚さを夫々2000Å以上、500〜2000Åとして材料
のエネルギギヤツプを超伝導体薄膜電極部よりも
ブリツジ部で小さくなるよう調整してジヨセフソ
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58237607A JPS60130182A (ja) | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58237607A JPS60130182A (ja) | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60130182A JPS60130182A (ja) | 1985-07-11 |
| JPS6359271B2 true JPS6359271B2 (ja) | 1988-11-18 |
Family
ID=17017820
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58237607A Granted JPS60130182A (ja) | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60130182A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2976995B2 (ja) * | 1991-10-02 | 1999-11-10 | 株式会社アドバンテスト | 金属原子細線成長方法及び原子細線デバイス |
| US7979101B2 (en) | 2004-10-05 | 2011-07-12 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency | Electromagnetic wave detection element and electromagnetic wave detection device using the same |
-
1983
- 1983-12-16 JP JP58237607A patent/JPS60130182A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60130182A (ja) | 1985-07-11 |
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