JPH03174781A - 放射線検出素子およびジョセフソン素子 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は放射線検出素子およびジョセフソン素子に関す
るものである。詳しく述べると、本発明は、超電導トン
ネル接合を用いた放射線、光等の検出素子および演算素
子やマイクロ波の検出などに用いられるジョセフソン素
子に関するものである。

［従来の技術］ 超電導トンネル接合を用いた放射線検出素子は、従来の
半導体検出素子に比べて数１０倍優れたエネルキー分解
能を有する可能性があり、近年、開発が進められている
［例えば、応用物理　第５３巻　第６弓・　第５３２〜
５３７頁（１９８４年）、エイ、バローネ（Ａ　、　Ｂ
ａｒｏｎｅ）編「スーパーコンダクティブ、パーティク
ル、ディテクターズ（Ｓｕｐｅｒｃ。

ｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏ
ｒｓ）Ｊ　（１９８８）ワールド　サイエンティフィッ
ク（Ｗｏｒｌｄ　５ｃｉｅｎｔｆｆｆＣ）コ　。

また、いわゆる光は、放射線であるＸ線と同様に電磁波
であり、超電導トンネル接合を用いた光センサーは、遠
赤外から紫外領域までの広い波長域の光に対して高感度
となり得る。

従来、超電導トンネル接合を用いたＸ線、光等の放射線
の検出素子としては、第２３図および第２４図に示すよ
うな構造を有する素子が開発されている。

この第２３図および第２４図に示す検出素子においては
、下部電極となる超電導体１１１と、この下部電極とな
る超電導体１−１１の」二面および一側面を囲む形状を
有する対向電極である超電導体１１２との間の接合面全
面に薄い絶縁層（トンネル障壁層）１１３が配置される
構成となっている。

なお、第２４図において、符号１２７は一ヒ部配線を、
また符号］−２８は下部配線をそれぞれ表すものである
。

放射線検出素子あるいは光センサーとしての性能向上に
は、放射線あるいは光子の検出効率向上のために、放射
線や光子のエネルギー吸収体となる超電導体の平面積を
大きくすることが必要である。しかしながら、第２３図
および第２４図に示す構造を右する素子において平面積
を拡大するとそれに比例してトンネル接合の静電容量が
太き（なり、放射線や光子の検出信号が小さくなってし
まうという問題点が生じてしまうものであった。

ブース（Ｂｏｏｔｈ）はこの問題点を解決するために、
第２５図に示すような断面構造を右する素子を提案して
いる（アブライズド　フィジイックス　レターズ（Ａｐ
ｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、）　　第５０巻　第５
号第２９３〜２９５頁（１９８７年））。すなわち、下
部電極側の超電導体１１１として、平面積の大きな超電
導体層１１６の中央部９七に該超電導体１１６よりもエ
ネルギーギャップの小さくかつ平面積の小さな超電導体
層１１７を積層してなるものを用い、この平面積の小さ
な超電導体１１７の上面に絶縁層１１３を形成し、さら
にこの絶縁層１１３上に対向電極としての超電導体１１
２を積層してなる超電導トンネル接合素子である。

この素子においては、放射線や光子のエネルギー吸収体
となる超電導体層１１６より絶縁層１１３を小面積とす
ることができるために、素子としての静電容量を小さく
おさえることができ、大きな検出信号を取出すことが可
能となる。また、絶縁層１１３には、この超電導体層１
１６よりエネルギーギャップの小さい超電導体層１１７
が接合されるので、超電導体層１１６で放射線あるいは
光子１２０を吸収して励起された電子あるいはその空孔
（なお、本明細書中においては、簡略化のために、以下
、この両者を含めて単に「励起電子」と記す。）１２１
は、超電導体層１１６の内部を拡散して超電導体層１１
７に入った後には、エネルギーギャップの大きさに差が
あるために、再び超電導体層１１６に戻ることはあまり
なく、超電導体層１１７１４ｊｌこ閉じ込められる。こ
のように超電導体層１１７が、トラップ層として機能し
、励起電子を絶縁層１１３近傍に捕捉し続けるために、
励起電子１２１が再結合してしまうまでにトンネル効果
により絶縁層１１３を通過し、信号として寄勺、できる
確率が向上するものである。

ブースによって提唱された第２５図に示すような構造の
素子においては、励起電子の超電導体層１１６内での平
均自山行程が、超電導体層１１６の平面の代表的長さ（
例えは、この平面が円形であればその直径であり、また
正方形であればその辺の長さ）に比べてあまり小さくな
ければ、励起電子の超電導体層１１７への収集効率は高
いものとなる。しかしながら、一般に超電導体中での励
起電子の平均自山行程を、例えば、数１０μｍ以」二と
するのはかなり困難であるし、仮にバルクな形状の超電
導体中で平均自山行程を十分に大きくできたとしても、
超電導体を薄膜状とした場合には、その厚さで平均自由
行程がほぼ決定されてしまうため、平均自由行程を超電
導体層１１６の平面の代表的長さに近づけることは不可
能である。

すなわち、第２５図に示すような構造では、エネルギー
吸収体となる超電導体層１１６の平面積よりもトラップ
層となる超電導体層１１７の平面積が小さいため、第２
６図に示すように、超電導体層１１６の、超電導体層１
１７から遠い部分で、放射線もしくは光子１２０の吸収
が生じた際に励起された励起電子１２１は、絶縁層１１
３に到達するまでに、超電導体層１１７に比較的近い部
分で励起されたものに比べてはるかに長い時間をかけて
拡散によって超電導体層１１７に到達することがわかる
。実際、拡散によっである点からある０ 距離離れるのに要する平均時間は、その距離の２乗に比
例することはよく知られている。また、超電導体中では
放射線や光子によって励起された電子と空孔が、時間と
共に再結合してしまうこともよく知られている（例えば
、ニス、　　ビー、　　カブラン（Ｓ、　Ｂ、　Ｋａｐ
ｌａｎ）他、フィジカル　レビュービー（Ｐｈｙｓ、　
Ｉ？ｅｖ、　Ｂ）、第１４巻　第４８５４〜４８７３　
頁　（１９７６年））。トンネル接合素子において、絶
縁層をトンネル効果により通過するまえに再結合してし
まえば、その励起電子はもはや信号に寄与しないものと
なる。このように、放射線あるいは光子のエネルギーが
一定であっても、その入射位置によって信号の立上りの
早さと大きさが異なることとなる。さらにトラップ層と
なる超電導体層１１７に近い部分で励起された電子に関
しても、この励起電子が超電導体層１１７に達する前に
、超電導体層１１６中で超電導体層１１７から遠い部分
に拡散してしまうことがある。

また、第２５図の素子構造で、絶縁層１１３と超電導体
１１２の面積は一定のままとして、仮に１ 超電導体層１１７の平面積を超電導体層１１６の平面積
と同程度になるまで拡張したとしても、超電導体層１１
６内で励起された電子が超電導体層１１７中に拡散する
までの平均所要時間は短くなるものの、その場合には、
平面積の大きな超電導体層１１７から平面積の小さな絶
縁層１１３への到達時間が長くなり、絶縁層１１３をト
ンネル効果により通過するまえに再結合してしまう確率
が高くなる。

このように、従来の放射線検出素子においては、検出効
率向上のための大面積化が困難、あるいは大面積化する
と応答速度が遅くなる、放射線ないしは光子の入射位置
によって信号の立上り時間と信号の大きさが異なってし
まうという欠点があった。

さらに、放射線検出素子あるいは光センサーにおいて、
放射線あるいは光の検出効率を向上させるためには、エ
ネルギー吸収体となる超電導体の厚さを増加することは
有効なものであると考えられる。

２ しかしながら、一方で、放射線検出素子あるいは光セン
サーとして高感度であるためには、前記の記載からも明
らかなように放射線あるいは光子の入射によって検出器
内で励起された励起電子がトンネル障壁層をトンネル効
果で効率よく通過して信号電荷として接合の外部に取り
出される必要がある。トンネリングするまでに長い時間
を要すると、励起電子の多くはその間に再結合してしま
い信号電荷として取り出せなくなる。

従って、放射線あるいは光の検出効率を向上させるため
に超電導体の厚さを増加させた場合に、それに伴って励
起電子がトンネル障壁層をトンネリングするまでの時間
が増加してしまえば、励起電子の収集効率が低下してし
まうこととなる。

実際、従来の放射線検出素子においては、超電導体層−
層の厚みを厚くするとエネルギー分解能は大きく低下し
た。このことは、例えば第２３〜２４図あるいは第２５
〜２６図に示したような従来の放射線検出素子は、超電
導体として全て多結晶のものを用いていたことに大きく
起因する。

３ すなわち、放射線あるいは光子１２０の入射によって励
起された励起電子１２１が効率よくトンネル障壁層１１
３をトンネル効果するには、励起電子１２１が超電導体
層内を早く動き回ってトンネル障壁層に達し易い方がよ
い。そのためには、励起電子１２１の拡散の様子を表わ
した第２６図および第２７図から容易に理解できるよう
に、放射線ないしは光子１２０が入射される超電導体層
は、多結晶超電導体１１１ではなく、励起電子１２１の
平均自由工程が長くなる単結晶超電導体１３１の方が好
ましい。なお、このことはこれまでにも指摘されていた
（例えば、ニュークリア　インストゥルメンツス　アン
ド　メソッズ　インフィジックス　リサーチ、第２２７
巻、第４８３頁、１９８４年［ＮＵＣＬＥＡｌ？　ＩＮ
ＳＴＲＵＭＥＮＴＳ　ａｎｄ　ＭＥＴＯＤＳ　ｉｎ　Ｐ
ＨＹＳＩＣ８ＲＥＳＥＡＲＣＨ，Ｖｏｌ、　２７７、　
ｐ４８３　（１９８４）コ　）　。

このように、エネルギー吸収体としての超電導体を単結
晶超電導体１３１で構成することは、励起電子１２１の
収集効率を高める」二で有利なもの４ である。ところが、第２８図に示すように下部超電導体
層に単結晶超電導体１３１を用いその上にトンネル障壁
層１１３および上部超電導体層１１２を積層した構造の
素子においては、リーク電流、すなわちトンネル効果に
よらずトンネル障壁層１１３内あるいはトンネル障壁層
１１３端部の欠陥を通じて流れる電流が大きくなってし
まうという欠点が生じてしまうものとなった。リーク電
流は、大きな電気的雑音の原因となり、微小な信号電荷
から個々の放射線ないし光のエネルギーを測定する放射
線検出素子においては、その欠点は致命的である。

ところで、超゛屯導トンネル接合放射線検出素子は、す
でに述べたように、励起電子を利用するものであって、
ジョセフソン効果を利用するものではなく、その作動原
理と使用方法もジョセフソン接合を用いたマイクロ波検
出器などとは全く異なる。実際、その使用に当っては磁
場をかけるなどしてジョセフソン効果は抑制して使用す
る。またその配線構造にもジョセフソン接合では必要と
さ５ れない独特の工夫が要求されるものである。しかし、接
合部の基本構造のみを見れば、超電導トンネル接合素子
とトンネル型ジョセフソン素子はほどんど同じものであ
る。

従来、トンネル型ジョセフソン素子においても超電導体
としては、多結晶超電導体が用いられていた。しかしな
がら、超電導体として多結晶超電導体のみを用いた素子
では、地磁気などの微弱な磁場中で転移温度以上の温度
からそれ以下の温度に冷却するときにも、多結晶には多
くの粒界があるために超電導体が一様にあるいは一方向
から均一には冷えていきにくいために、すでに超電導に
なった所からマイスナー効果によって押し出された磁場
がまだ超電導になっていない所に閉じ込められて磁束が
素子中にトラップされてしまうことがある（磁束トラッ
プ）。磁束トラップが生じるかどうかは、素子の冷え方
などの微妙な差によるので、コントロールは困難である
。

磁束トラップが生じるとＤＣジョセフソン電流が小さく
なるなど、ジョセフソン素子としての最６ 適な作動が困難となる。

このような問題を解消するために、トンネル型ジョセフ
ソン素子においても、超電導体層として単結晶体を用い
る試みがなされている（例えば、アイイーイーイー　ト
ランスアクションズ　オンマグネティック、Ｖｏｌ、　
ＨＡＧ−２１ＳＮｏ、　２、第５３９頁、１９８５年［
ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＭＡＣＮ
ＥＴＩＣ，Ｖｏｌ、　　ＮＡＧ−２１，Ｎｏ、２．　　
ｐ５３９　　（１９８５）コ　）　。

このようにトンネル型ジョセフソン素子において、入力
側の超電導体として単結晶体を用いたものでは、−様に
あるいは一方向から均一に冷えやすいために、磁束は素
子外に全て押し出されてしまい、磁束トラップは生じに
くいものと考えられる。ところが、ジョセフソン素子が
第２８図に示すように下部超電導体層に単結晶超電導体
１３１を用いその上にトンネル障壁層１１３および上部
超電導体層１１２を積層した構造を有する場合において
は、上記放射線検出素子の場合と同様に、リーク電流、
すなわちジョセフソン効果によらずトンネル障壁層１１
３内あるいはトンネル障壁層７ １１３端部の欠陥を通じて流れる電流が大きくなってし
まうという欠点が生じてしまうものとなった。リーク電
流は、ジョセフソン素子においても素子の誤動作の確率
を増加させるなどの大きな問題となってしまうものであ
った。

［発明が解決しようとする課題］ 従って本発明は、上記のごとき従来の問題を解決した新
規な放射線検出素子およびジョセフソン素子を提供する
ことを目的とするものである。本発明はまた、放射線な
いしは光子のエネルギー吸収体となる超電導体の大面積
化を図った超電導トンネル接合をｍいた放射線検出素子
を提供することを目的とするものである。本発明はさら
に、静電容量が小さく、放射線ないしは光子の検出効率
の高い超電導トンネル接合を用いた放射線検出素子を提
供することを目的とするものである。本発明はさらに、
励起電子の収集効率が高い一方、リーク電流も小さく高
分解能を発揮し得る超電導トンネル接合を用いた放射線
検出素子を提供することを目的とするものである。

８ 本発明はさらにまた、磁束！・ラップか生じにくいトン
ネル型ジョセフソン素子を提供することを目的とするも
のである。

［課題を解決するための手段］ ト記諸目的は、超電導体−トンネル障壁−超電導体から
なる超電導トンネル接合放射線検出素子において、前記
トンネル障壁層の一部を厚さ５〜１００Ａの絶縁体また
は厚さ５〜１０００Åの半導体で構成してなる薄肉部と
し、トンネル障壁層の他の部分を前記薄肉部の２倍以上
の厚さ絶縁体または半導体で構成してなる厚肉部として
、薄肉部をトンネル障壁層全体に不連続あるいは連続的
に均一に分布させ、かつｌＷ内部の総面積を厚肉部の総
面積より小さくしたことを特徴とする放射線検出素子に
よって達成される。

本発明はまた、トンネル障壁層の両側に存在する超電導
体の一方あるいは両方かそれぞれ、エネルギーギャップ
の大きさの異なる２つ以上の超電導体層を、トンネル障
壁層に近い程エネルギーギャップの小さいものとして積
層することにより構９ 成されているものである放射線検出素子も示すものであ
る。

上記連日的はまた、超電導体−トンネル障壁半導体から
なる超電導トンネル接合放射線検出素子において、前記
トンネル障壁層の一部を厚さ５〜１００Ａの絶縁体また
は厚さ５〜１００〇への半導体で構成してなる薄肉部と
し、トンネル障壁層の他の部分を前記薄肉部の２倍以」
−の厚さ絶縁体または半導体で構成してなる厚肉部とし
て、薄肉部をトンネル障壁層全体に不連続あるいは連続
的に均一に分４１させ、かつ薄肉部の総面積を厚肉部の
総面積より小さくしたことを特徴とする放射線検出素子
によっても達成される。

本発明はまた、トンネル障壁層の片側に７７在する超電
導体が、エネルギーギャップの大きさの異なる２つ以上
の超電導体層を、トンネル障壁層に近い程エネルギーギ
ャップの小さいものとして積層することにより構成され
ているものである放射線検出素子を示すものである。

上記連日的はまた、超電導体−トンネル障壁０ 超電導体からなる超電導トンネル接合放射線検出素子に
おいて、順に下部単結晶超電導体層、前記下部単結晶超
電導体層の２分の１以下の厚さの多結晶超電導体層、前
記多結晶超電導体層とは素制の異なるトンネル障壁層、
および上部超電導体層を形成した超電導トンネル接合を
有することを特徴とする放射線検出素子によって達成さ
れる。

本発明はまた、前記下部単結晶超電導体層は、エネルギ
ーギャップの大きさの異なる２つ以上の単結晶超電導体
層を、トンネル障壁層に近い程エネルギーギャップが小
さいものとして積層することにより構成されているもの
である放射線検出素子を示すものである。

一ヒ記諸目的はまた、超電導体−トンネル障壁半導体か
らなる超電導トンネル接合放射線検出素子において、順
に下部単結晶超電導体層、該下部単結晶超電導体層の２
分の１以下の厚さの部子結晶超電導体層、多結晶超電導
体層とは素材の異なるトンネル障壁層、および上部超電
導体層を形成した超電導トンネル接合を有することを特
徴とす２す る放射線検出素子によっても達成される。

本発明はまた、前記下部単結晶超電導体層は、エネルギ
ーギャップの大きさの異なる２つ以」二の単結晶超電導
体層を、トンネル障壁層に近い程エネルギーギャップが
小さいものとして積層することにより構成されているも
のである放射線検出素子を示すものである。

さらに上部諸目的は、超電導体−トンネル障壁超電導体
からなる超電導ｌ・ンネル接合放射線検出素子において
、前記トンネル障壁層の一部を厚さ５〜１００Ａの絶縁
体または厚さ５〜１００〇への半導体で構成してなる薄
肉部とし、トンネル障壁層の他の部分を前記薄肉部の２
倍以上の厚さの絶縁体または半導体で構成してなる厚肉
部として、薄肉部をトンネル障壁層全体に不連続あるい
は連続的に均一に分布させ、かつ薄肉部の総面積を厚肉
部の総面積より小さくする一方、下部超電導体を単結晶
超電導体層により形成し、かつ上部トンネル障壁層の少
なくとも薄肉部に当接する部位においては、該下部単結
晶超電導体層りに該単２２ 結晶超電導体層の２分の１以下の厘さの多結晶超電導体
層を形成し、この多結晶超電導体層がトンネル障壁層と
接合する１７４戊としたことを特徴とする放射線検出素
子によっても達成される。

Ｌ記諸目的はさらにまた、超電導体−トンネル障壁−半
導体からなる超電導ｌ・ンネル接合放射線検出素子にお
いて、前記トンネル障壁層の一部を厚さ５〜１００Ａの
絶縁体または厚さ５〜１００〇への半導体で１１１１成
してなる薄肉部とし、トンネル障壁層の他の部分を前記
薄肉部の２倍以りの厚さの絶縁体または半導体で構成し
てなる厚肉部として、薄肉部をトンネル障壁層全体に不
連続あるいは連続的に均一に分布させ、かつγ専肉部の
総面積を厚肉部の総面積より小さくする一方、素子の入
力端に位置する超電導体を単結晶超電導体層により形成
し、かつ上記ｌ・ンネル障壁層の少なくとも薄肉部に当
接する部位においては、該下部単結晶超電導体層上に該
単結晶超電導体上の２分の１以下の厚さの多結晶超電導
体層を形成し１、この多結晶超電導体層がトンネル障ｕ
、％層と接合する構成３ としたことを特徴とする放射線検出素子によっても達成
される。

また上部諸目的は、超電導体−トンネル障壁超電導体か
らなるトンネル型ジョセフソン素子において、順に磁束
侵入長より厚い下部単結晶超電導体層、多結晶超電導体
層、該多結晶超電導体層とは素材の異なるトンネル障壁
層、および上部超電導体層を形成したことを特徴とする
ジョセフソン素子によっても達成される。

なお、本明細書において、「下部超電導体」とは、素子
において電子が励起され主要なる信号を発生する側の超
電導体を指すものである。

［作用］ しかして、本発明の放射線検出素子は、」１記のように
「超電導体−トンネル障壁−超電導体」構造あるいは「
超電導体−トンネル障壁−半導体」構造の超電導トンネ
ル接合において、ｌ・ンネル障壁を厚さの異なる薄肉部
と厚肉部とで構成したものである。このｌ・ンネル障壁
層の薄肉部のみが、励起された励起電子をトンネル効果
により通過さ４ せることのできるものであり、厚肉部は励起電子を通過
させることができないものであるが、薄肉部に比較して
静電容量が小さい。従って、薄肉部の総面積を厚肉部の
総面積より小さくする（すなわち、トンネル障壁の半分
以下の面積を薄肉部とする）ことによって、素子の平面
積の増大に伴なう静電容量の増加を押えることができ、
さらにこの薄肉部をトンネル障壁層全体に均一に分布さ
せることで、励起電子の超電導体中の励起位置からトン
ネル障壁の薄肉部までの距離を、超電導体中の励起位置
の場所によらず、十分に短い一定の範囲内に止めること
ができるものである。

また本発明の放射線検出素子は、「超電導体トンネル障
壁−超電導体」構造あるいは「超電導体−トンネル障壁
−半導体」構造の超電導トンネル接合において、下部超
電導体を、単結晶超電導体層とその上に設ける多結晶超
電導体層とで構成し、さらにその−Ｌにトンネル障壁層
と上部超電導体層を形成したものである。また本発明の
ジョセフソン素子も同様に、「超電導体−トンネル障壁
５ 超電導体」構造の超電導トンネル接合において、下部超
電導体を、単結晶超電導体層とその」二に設ける多結晶
超電導体層とで構成し、さらにその上にトンネル障壁層
と上部超電導体層を形成したものである。本発明者らは
、前述したように単結晶超電導体上に直接トンネル障壁
層と上部超電導体層を設けてトンネル接合を形成した素
子では大きなリーク電流が発生する虞れがあることの原
因を解団すべく鋭意研究を行なった結果、単結晶超電導
体上にトンネル障壁層を形成しようとする場合、以下に
詳述するように不均一でピンホールの多い膜になりやす
いためであるとの推論を得、リーク電流の少ない良好な
トンネル接合構造を得るために、単結晶超電導体層上に
薄層の多結晶超電導体層を形成し、さらにこの上にトン
ネル障壁層および上部超電導体層を形成することを見い
出したものである。これによって、放射線検出素子は、
単結晶超電導体層内における励起電子の長い平均自由工
程を利用することによる励起電子の信号電荷としての高
い収集効率と、リーク電流の少ない良６ 好な特性を兼ね備えたものとなり、またジョセフソン素
子も、単結晶超電導体を用いることによる磁束トラップ
の発生の低減化と、リーク電流の少ない良好な特性を兼
ね備えたものとなる。

以下、本発明を図面を参照しつつより詳細に説明する。

第１図は、本発明の第１の態様の放射線検出素子の一構
造例の断面図であり、また第２図は同構造例の平面図で
ある。

第１図および第２図に示す放射線検出素子は、下部電極
となる超電導体１１と対向電極となる超電導体１２との
接合面全面にトンネル障壁層１３を配置した超電導体−
トンネル障壁−超電導体構造を有するものであるが、こ
のトンネル障壁層１３は、薄い絶縁体または半導体で構
成される薄肉部１４と、厚い絶縁体または半導体で構成
される厚肉部１５とにより形成されている。

本発明の第１の態様の放射線検出素子において、前記ト
ンネル障壁層１３における薄肉部１４の厚さは、絶縁体
の場合で５〜１００Ａ、より好まし７ くは５〜３０Ａ１また半導体の場合で５〜１０００Ａ１
より好ましくは１０〜１００Ａとされる。

すなわち、薄肉部１４の厚さが上記範囲より薄いものは
、実質的に−様な膜の作製が困難であり、一方、」１記
範囲より厚いものでは、該薄肉部１４においてトンネル
効果による電子の通過が生じないためである。

さらに、前記トンネル障壁層１３における厚肉部１５の
厚さは、上部薄肉部１４を構成する絶縁体または半導体
の２倍以上の厚さ、より好ましくは５倍以上の厚さのも
のとされる。これは、厚肉部１５の厚さが薄肉部１４の
２倍未満のものであると、単位面積当りの静電容量が薄
肉部１４を構成する絶縁体あるいは半導体のものとあま
り変らず、このような厚肉部１５を設けたメリットが生
じないためである。

また、この薄肉部１４の総面積は、厚肉部１５の総面積
より小さいものである。本発明の放射線検出素子におい
て、上記薄肉部１４の総面積を、厚肉部１５の総面積よ
り小さいものとするのは、８ もし薄肉部１４の総面積が厚肉部１５の総面積より大き
いものであれば、素子の静電容量は、トンネル障壁層１
３全体を薄い絶縁体または半導体で構成した場合に比べ
て半分以下にもならず、このようにトンネル障壁層１３
に薄肉部１４と厚肉部１５を設けて平面積の増大に伴な
う静電容量の増加を抑制しようとするメリットが生じな
いためである。

さらにこの第１〜２図に示す構造例においては、薄肉部
１４は、複数の小さな正方形状のものとされ、トンネル
障壁層１３の全体にわたりほぼ均一に点在している。こ
のように、本発明の第１の態様の放射線検出素子におい
ては、実質的なトンネル障壁となる薄肉部１４への励起
電子ないしはその空孔の収集効率を高める上から、薄肉
部１４はトンネル障壁層１３全体にほぼ均一に分布させ
ることが必要であるが、この薄肉部１４の配置形態とし
ては、第２図に示すような形態に何ら限定されるもので
はない。すなわち、放射線あるいは光子の吸収による電
子の励起が生じる超電導体１１９ （ないしは超電導体１２）ｌの任意の位置から最短の薄
肉部１４までの距離が所望範囲内に収まるものであれば
、薄肉部１４は、不連続あるいは連続的な種々のパター
ンにてトンネル障壁層１３に形成され得るものであり、
例えば、第４〜６図に示すような配置形態などとするこ
とができる。

さらに、この点に関しては、トンネル障壁層１３の全面
積を８１薄肉部１４の総面積を８１、トンネル障壁層上
の任意の点から薄肉部１４への最短直線距離の最大値を
ρとするとき、 １１＜（１丁−Ｊ丁＋　）　／　Ｊｉ なる条件が成立するようにすることが望ましい。

これは、ρ＝（１丁−Ｊ丁＋　）　／　にｉなる条件は
、全面積Ｓの円形のトンネル障壁＠１３の中心部に面積
Ｓ１の薄肉部１４を１つの円形として配置した場合に成
立するものであることから、もしρ≧（１丁−Ｊ丁＋　
）／　ＪＴなる条件が成立するようであれば、薄肉部１
４がトンネル障壁層１３全体にほぼ均一に分布している
とは言い難いためである。

０ また、第１〜２図に示す構造列の放射線検出素子におい
ては、超電導体１１および超電導体１２は、それぞれ２
層からなる積層構造体とされている。すなわち、超電導
体１１は、トンネル障壁層１３に対して、外方側に第１
の超電導体層１６を、内方側に前記第１の超電導体層１
６よりもエネルギーギャップの小さい第２の超電導体層
１７を有しており、また超電導体１２も同様に、トンネ
ル障壁層１３に対して、外方側に第１の超電導体層１８
を、内方側に前記第１の超電導体層１８よりもエネルギ
ーギャップの小さい第２の超電導体層１つを有している
。このように、本発明のの放射線検出素子において、超
電導体が、エネルギーギャップの大きさの異なる２つ以
−ヒの超電導体層を、トンネル障壁層に近い程エネルギ
ーギャップが小さいものとして積層することにより構成
されたものであることは、トラップ効果によりトンネル
障壁層の薄肉部への励起電子の収集効率を高める上から
望ましいものである。すなわち、外方側の超電導体層で
放射線あるいは光子を吸収して励起さ１ れた励起電子は、この外方側の超電導体層の内部を拡散
してより内方側の超電導体層に入った後には、エネルギ
ーギャップの大きさに差があるために、再び外方側の超
電導体層に戻ることはあまりなく、内方側の超電導体層
中に閉じ込められ、トンネル障壁層の薄肉部近傍に捕捉
され続けるものである。

しかしながら、本発明の第１の態様の放射線検出素子に
おいて、第１〜２図に示す構造例におけるように、超電
導体−トンネル障壁、−超電導体構造の双方の超電導体
１１および１２をこのような積層構造とすることは必ず
しも必要とされるものではなく、例えば、第７図、第８
図および第１０図に示される構造例におけるように一方
の超電導体１１のみを積層構造としくトンネル障壁層１
３に対して外方側に位置するエネルギーギャップの大き
い第１の超電導体層１６と、内方側に位置するエネルギ
ーギャップの小さい第２の超電導体層１７）、もう一方
の超電導体１２は単層構造するものであっても、あるい
は第９図に示される構造２ 例におけるようにいずれの超電導体１１および１２も単
層構造とするものであってもよい。なお、本発明の第１
の態様の放射線検出素子において、励起電子のトンネル
効果による通過が生じるのは、１〜ンネル障壁層１３の
うち薄肉部１４のみであるので、超電導体１１（ないし
は超電導体１２）がこのような積層構造をとる場合、第
８図に示す構造例におけるごとく、エネルギーギャップ
の小さい第２の超電導体層１７は、この薄肉部１４に接
する部位のみに設けても、極めて有効なトラップ効果が
得られる。

第３図は、第１〜２図に示す構造例の放射線検出素子に
放射線もしくは光子が入射した際の様子を模式的に示す
ものであるが、前記したようにトンネル効果による通過
が可能な薄肉部１４はトンネル障壁層１３全体にほぼ均
一に分布され、超電導体１１上の任意の位置から最短の
薄肉部１４までの距離が一定範囲内にあるために、超電
導体１１の第１の超電導体層１６のいかなる位置におい
て、放射線もしくは光子２０の吸収により励起型３ 子２１が励起されても、該励起電子２１が、拡散によっ
てこの第１の超電導体層１６から第２の超電導体層１７
へ、さらには薄肉部１４へ到達するのにかかる時間は、
十分に短くかつ均一となる。

本発明の第１の態様の放射線検出素子において、超電導
体１１および超電導体１２の形成利料として具体的には
、例えば、アルミニウム、インジウム、錫、鉛、タンタ
ル、ニオブ、バナジウム、Ｎｂ３　Ｓｎ、Ｎｂ３　Ｇｅ
５Ｎｂ３　Ａ、Ｑ　５Ｎｂ３　Ｇａ。

Ｎ　ｂ　Ｎ、　Ｎ　ｂ３　Ａ、Ｑ　０．７５Ｇ　ｅ　０
．２５、Ｎｂ、）、５５Ｔｉ。４１、Ｖ３　Ｇａ、Ｖ３
　Ｓ　ｉＳＰｂＩＭｏ５１ｓ。

（ＳＮ、）、高分子、酸化物超電導体などが用いられ得
る。

またトンネル障壁層１３（薄肉ｆ４１４および厚肉部１
５）を形成する材料としては、上記超電導飼料の酸化物
、例えば、アルミナ、酸化インジウム、酸化錫、酸化鉛
、酸化タンタル、酸化ニオブ、シリカ等が用いられ得る
が、もちろん超電導体材料の酸化物以外の絶縁体を用い
てもよく、また５ｉＳＧｅ、ＧａＡｓ、Ｉ　ｎｓｂなど
のような半導４ 体でもよい。

そして、このような構成を右する本発明の第］の態様の
放射線検出素子は、上記のごとき飼料を用いて、真空蒸
着法、スパッタリング法、気相生長法等の薄膜形成技術
およびリソグラフィ技術等を応用することにより作製す
ることができる。例えば、基板上に、まず前記のごとき
超電導飼料の薄膜を真空蒸着などにより形成させ、その
全表面を自然酸化させてトンネル障壁層の薄肉部となる
絶縁層を形成し、その後、必要に応じて、対向電極の一
部分層となる超電導材料の薄膜を真空蒸着などにより形
成した後、リソグラフィ技術によりレジスト膜を形成し
、レジスト膜で覆われていない部位を陽極酸化法により
酸化して、トンネル障壁層の厚肉部となる絶縁層を形成
する（この陽極酸化による絶縁層は、前記自然酸化によ
る絶縁層より十分下部に至り、かつ下部電極となる超電
導材料の薄膜を全層厚にわたり酸化するものではない。

）。このようにして、薄肉部と厚肉部との所望のパター
ンを有するトンネル障壁層を形成し、５ レジスト膜の除去後に、さらに列内電極の一部分層とな
る超電導制料の薄膜を真空蒸着などにより形成するもの
である。しかしながら、本発明の第１の態様の放射線検
出素子の作製方法としては、このようなものに限定され
るものではなく、例えば、トンネル障壁層の薄肉部と厚
肉部の形成方法としても、絶縁体制料または半導体材料
からなる層を、真空蒸着などの薄膜形成技術により、全
面的にあるいはマスキングして部分的に形成する方法な
どを適用することも可能である。

以上は、超電導体−トンネル障壁−超電導体構造の超電
導ｌ・ンネル接合放射線検出素子に関して説明したが、
超電導トンネル接合の一方の超電導体が、放射線あるい
は光子の主たる吸収体であれば、もう一方は単に励起さ
れた電子を取り出すためのものであるから、超電導体と
同じようにエネルギーギャップを有する半導体でもよく
、本発明の第１の態様の超電導トンネル接合放射線検出
素子には、超電導体−トンネル障壁−半導体構造を有す
るものも含まれる。

６ すなわち、本発明の第１の態様の放射線検出素子のさら
に別の構造例は、例えは、第１１図に示すように、下部
電極となる超電導体１１と対向電極となる半導体２２と
の接合面全面にトンネル障壁層］、３を配置した超電導
体−トンネル障壁−半導体構造を有するものであるが、
このトンネル障壁層１３は、」１記した超７ｑ導体−ト
ンネル障壁超電導体構造の素子の場合と同様に、薄い絶
縁体または半導体で構成される薄肉部１４と、厚い絶縁
体または半導体で構成される厚肉部１５とにより形成さ
れており、この薄肉部１４と厚肉部１５との厚さ、配置
等の関係は上記した超電導体−トンネル障壁−超電導体
構造の素子において説明したものと同様である。

さらに、このような超電導体−トンネル障壁−半導体構
造の素子においても、トラップ効果によりトンネル障壁
層の薄肉部への励起電子の収集効率を高める」二から、
トンネル障壁層の片側に存在する超電導体は、エネルギ
ーギャップの大きさの異なる２つ以上の超電導体層を、
トンネル障壁層７ に近い程エネルギーギャップの小さいものとして積層さ
れたものとしてもよく、例えば第１−１−図に示す構造
例においては、超電導体１１は、トンネル障壁層１３に
対して、外方側に第コの超電導体層１６を、内方側に前
記第１の超電導体層１６よりもエネルギーギャップの小
さい第２の超電導体層１７を有している。なお、ｌ・ン
ネル障壁の他方側に位置する半導体も、このようにエネ
ルギーギャップの大きさの異なる２つ以−にの半導体層
を積層したものとして構成することも可能である。

このような超電導体−トンネル障壁−半導体構造を有す
る本発明の第１の態様の成剤線検出素子において、超電
導体１１およびトンネル障壁層１３（薄肉部１４および
厚肉部１５）を形成する材料としては、前記した超電導
体−トンネル障壁−超電導体構造の成剤線検出素子の場
合と同様のものであり、また半導体１２の形成材料とし
て具体的には、例えば、Ｓ　１ＳＧｅ、ＧａＡｓ５　Ｉ
　ｎＳｂなどが用いられ得る。そして、この構造の放射
線検出素子の作製方法としても、前記と同様のも８ のである。

第１２図は、本発明の第２の態様の放射線検出素子の一
構造例を示す断面図である。

第１２図に示す放射線検出素子は、下部超電導体１１と
上部超電導体１２との接合面全面にトンネル障壁層１３
を配置した超電導体−トンネル障壁−超′屯導体構造を
有するものであるが、下部超電導体１２は単結晶超電導
体）ｄ２３とその」二に設ける多結晶超電導体層２４と
て構成されており、従ってトンネル障壁層１３はこの多
結晶超電導体層２４ヒに形成されている。

このような構造を有する本発明の第２の態様の放射線検
出素子において、多結晶超電導体層２４の厚さは、単結
晶超電導体層２３の２分の１以下の厚さ、より好ましく
は１０分の１以下の厚さとする必要がある。すなわち、
多結晶超電導体層２４がそれ以−１−厚くても、あるい
は逆に単結晶超電導体層２３の厚みがそれ以１に薄くて
も、励起電子の信号電荷としての収集効率の向」二が望
めない虞れが高いためである。

９ 第１３図は、第１２図に示す構造例の放射線検出素子に
放射線もしくは光子２０が入射した際の様子を模式的に
示すものであるが、このように放射線もしくは光子２０
の入射により励起電子２１の発生する部位が単結晶超電
導体層２３により構成され、またその上部には多結晶超
電導体層２４が存在するものの薄肉であるために、励起
電子２１がトンネル障壁するまでに要する平均時間が短
くなり、信号として取り出される確率が大幅に向上する
ものと考えられる。

さらに、本発明の第２の態様の放射線素子においては、
単結晶超電導体層２３」二に直接トンネル障壁層１３を
形成することなく、単結晶超電導体操２３上にまず多結
晶超電導体層２４を形成し、トンネル障壁層１３はこの
多結晶超電導体層２４上に形成する構成としたことで、
リーク電流の発生が大きく低減化される。

この点に関して詳述すると、前述したように単結晶超電
導体１３１１に直接トンネル障壁層１１３と−に部超電
導体層１１２を設けてトンネル接合０ を形成した素子（第２８図参照）では、リーク電流が大
きく高分解能放射線検出素子への応用は期待できなかっ
た。本発明者らは、この原因を解明すべく鋭意研究を行
なった結果、以下のような推論を得た。すなわち、第２
９図に示したように多結晶超電導体１１１−Ｊ−＝に非
常に薄いトンネル障壁層１１３（通常１０ｎｍ以下）を
真空蒸着などで形成する場合、多結晶超電導体１１１に
は多くの粒界１３０が存在するために、超電導体１１１
上に到達した１皇子または分子は多結晶超電導体１１１
表面をあまり動きまわることな（直ちに固着していき均
一な膜を形成しやすい。もちろん、これは超′屯導体１
１１の物質とトンネル障壁層１１３の物質との組合せに
も依存するが、このように多結晶超電導体−ヒにトンネ
ル障壁層を形成してトンネル接合を形成した場合にはリ
ーク電流の少ない良好な接合構造が得られやすい。とこ
ろが一方、第３０図に示したように、単結晶超電導体１
３１上にトンネル障壁層１１３を形成しはじめたときに
は、超電導体１３１表面が原子の大きさの尺度１ で平坦であるがために、その七についた原子や分子はそ
の表面上を動き回りやすく、まず島状に成長し、付着量
の増大とともに膜状にはなってくるが、不均一でピンホ
ールが多い膜になりやすいと考えられる。そのため、こ
の場合には接合を作製するとリーク電流が大となりやす
いというものである。

後述する実験例におけるデータを例とすると、単結晶Ｎ
ｂ膜上に約１０ｎｍのＡｆｌを蒸着した膜の高速電子反
射回折像（ＲＨＥＥＤ）（第３３図）を観察した場合、
通常の多結晶Ｎｂ膜」二にＡ！：ｌを蒸着した場合のリ
ング状のパターンと明らかに異なって表面の荒れた単結
晶的なパターンとなっている。このことからもＡ、Ｑが
島状に結晶成長しているか、あるいはＡ、Ｑが島状に結
晶成長しているために下地のＮｂ単結晶が完全には覆わ
れていないかであることがわかる。このため、このＡｆ
ｌを自然酸化させた」二にさらにＮｂ膜を形成して作製
した接合のリーク電流は、通常の多結晶超電導０体を用
いた接合の場合よりも明らかに劣る特性とな２ る（第３１ａ−ｂ図参照）。これに対し、単結晶Ｎｂ膜
上に薄い多結晶Ｎｂ膜を成膜し、その上にＡ、Ｑを蒸着
してからそのＡ２表面を酸化してトンネル障壁層を形成
し、さらにその上に上部起生導体としてＮｂ膜を成膜し
て作製した本発明の第２の態様に係わる構造の素子にお
いては、リーク電流は極めて少な〈従来の多結晶超電導
体のみを用いた素子と同等かそれ以下であることがわか
る（第３２図および第３５図参照）。さらに、この例に
おいては、超電導体としてＮｂ、　　トンネル障壁層と
してＡρとその表面を酸化させたものを用いたものであ
ったが、本発明の第２の態様の構成は、それ以外の組合
せにおいても広く適用できることは明らかである。なぜ
ならば、単結吊体の上にそれと格子整合の悪い数１０ｎ
ｍ以下の厚さのトンネル障壁層を成膜しようとする場合
、一般に膜はまず島状成長しやすいために不均一となり
やすく、トンネル接合とした場合にリーク電流が大とな
りやすい、その点本発明のこの第２の態様においては、
トンネル障壁層とは異なる物質であっ３ て単結晶の超電導体の上に膜成長しやすい多結晶の超電
導体（これは単結晶超電導体と同じ物質でもよい）を成
膜し、その−ヒにトンネル障壁層を形成すればよいから
である。

なお、本発明の第２の態様の放射線検出素子において上
部超電導体１２の構造としては特に限定されるものでは
なく、超電導体から構成されていれば十分であるが、下
部超電導体１１と同様にトンネル障壁層１３と接する側
に薄肉の多結晶超電導体層を配してその上部は単結晶超
電導体層となるような構成を取ることももちろん可能で
ある。

また、第１４図および第１５図は、この放射線検出素子
の別の構造例を示すものであるが、これらにおいては励
起電子のトラップ効果を高めるために、下部超電導体１
１は、トンネル障壁層１３に対して、外方側から第１の
単結晶超電導体層２５、前記第１の単結晶超電導体層２
５よりもエネルギーギャップの小さい第２の単結晶超電
導体層２６、および多結晶超電導体層２４を有して構成
されており、また上部超電導体１２も、トンネル４ 障壁層１３に対して、外方側に第１の超電導体層１８を
、内方側に前記第１の超電導体層１８よりもエネルギー
ギャップの小さい第２の超電導体層１９を有している。

また図示はしないが、本発明のこの放射線検出素子にお
いても、前記した構成の放射線検出素子の場合と同様に
、超電導体−トンネル障壁−半導体構造を有するものが
含まれる。

そして、このような構成を有する本発明の放射線検出素
子は、上記の第１の態様における説明において具体的に
開示したものと同様の材料を用いて、真空蒸着法、スパ
ッタリング法、気相生長法等の薄膜形成技術等を応用す
ることにより作製することができる。例えば、基板上に
、まず前記のごとき単結晶超電導体を真空蒸着などによ
り形成させ、次いでその上に多結晶超電導体の薄膜を真
空蒸着あるいはスパッタリングなどにより形成した後、
トンネル障壁層を形成する物質をこの多結晶超電導体薄
膜上に同じく真空蒸着あるいはスパッタリングなどによ
り形成し、その全表面を自然５ 酸化させてトンネル障壁層となる絶縁層を形成し、その
後、上部超電導体層を真空蒸着などにより形成すればよ
い。しかしながら、本発明の第２の態様の放射線検出素
子の作製方法としては、このようなものに限定されるも
のではない。

第１６図は本発明の第３の態様の放射線検出素子の一構
造例を示す断面図である。

第１６図に示す放射線検出素子は、下部電極となる超電
導体１１と対向電極となる超電導体１２との接合面全面
にトンネル障壁層１３を配置した超電導体−トンネル障
壁−超電導体構造を有するものであるが、このトンネル
障壁層１３は、薄い絶縁体または半導体で構成される薄
肉部１４と、厚い絶縁体または半導体で構成される厚肉
部１５とにより形成されている。さらに下部超電導体１
１は単結晶超電導体層２３とその上に設ける多結晶超電
導体層２４とで構成されており、従ってトンネル障壁層
１３（少なくとも薄肉部１４）は、この多結晶超電導体
層２４上に形成されている。

なお、この本発明の第３の態様の放射線検出素６ 子において、トンネル障壁層１３の薄肉部１４と肉厚部
１５との厚さ、配置等の関係は上記した本発明の第１の
態様の放射線検出素子において説明したものと同様であ
る。またこの第３の態様の放射線検出素子において、下
部超電導体１１の単結晶超電導体層２３と多結晶超電導
体層２４との厚さ等の関係は上記した本発明の第１の態
様の放射線検出素子において説明したものと同様である
。

さらにこの第３の態様の放射線検出素子において、下部
超電導体１２の多結晶超電導体層２４が形成される部位
が、上記したようにトンネル障壁層１３のうちの少なく
とも薄肉部１４に接する部位を含むものであれば十分で
あるとするのは、トンネル障壁層１３が単結晶超電導体
層２４に対して格子整合の悪い物質により形成されると
しても、十分な厚さを有して形成される厚肉部１５には
リーク電流発生の原因となるような膜構造欠陥が生じに
くいためである。

また、第１７図および第１８図は、この第３の態様の放
射線検出素子の別の構造例を示すもので７ あるが、これらにおいては励起電子のトラップ効果を高
めるために、下部超電導体１１は、トンネル障壁層１３
に対して、外方側から第１の単結晶超電導体層２５、前
記第１の単結晶超電導体層２５よりもエネルギーギャッ
プの小さい第２の単結晶超電導体層２６、および多結晶
超電導体層２４を有して構成されており、また上部超電
導体１２も、トンネル障壁層１３に対して、外方側に第
１の超電導体層１８を、内方側に前記第１の超電導体層
１８よりもエネルギーギャップの小さい第２の超電導体
層１つを有している。

また図示はしないが、本発明の第３の態様の放射線検出
素子においても、前記第１の態様の放射線検出素子の場
合と同様に、超電導体−トンネル障壁−半導体構造を有
するものが含まれる。

このような構成を有する本発明の第３の態様の放射線検
出素子においては、前記第１の態様における構成と第２
の態様における構成との利点が相乗され、極めて優れた
特性が発揮されるものとなる。すなわち、放射線もしく
は光子の入射により８ 励起電子の発生する部位が単結晶超電導体層により構成
され、またその−上部には多結晶超電導体層が存在する
ものの薄肉であるために、単結晶超電導体における励起
電子の平均白心工程が長くなることに依存して、トンネ
ル効果するまでに要する平均時間が矢αくなり、さらに
トンネル効果による通過が可能な薄肉部がトンネル障壁
層全体にほぼ均一に分布され、下部超電導体上の任意の
位置から最鳩の薄肉部までの距離が一定範囲内にあるた
めに、下部超電導体の単結晶超電導体層のいかなる位置
において、電子が励起されても、該励起電子が、拡散に
よって薄肉部へ到達するのにかかる時間は、より十分に
短くかつ均一となる。このため励起電子が信号として取
り出される確率が大幅に向上し、かつ入射位置による信
号の立上がりの早さと大きさの変動も小さいものに抑え
られる。

加えて、トンネル障壁層の少なくとも薄肉部は、単結晶
超電導体層上に形成されたものではなく、単結晶超電導
体層上に形成された薄肉の多結晶超電導体層上に形成さ
れたものであるために均一な４つ 構造を有し、リーク電流の発生も少ないものとなる。

このような構成を有する本発明の第３の態様の放射線検
出素子は、上記第１の態様の放射線検出素子の説明にお
いて具体的に例示したものと同様の材料を用いて、真空
蒸着法、スパッタリング法、気相生長法等の薄膜形成技
術およびリソグラフィ技術等を応用することにより作製
することができる。例えば、基板上に、まず単結晶超電
導体層を真空蒸着などにより形成させ、次いでこの単結
晶超電導体層の上部に多結晶超電導体の薄膜を真空蒸着
あるいはスパッタリングなどにより形成し、さらにその
上部にトンネル障壁層の薄肉部を構成する材料を同じく
真空蒸着あるいはスパッタリングなどにより形成し、こ
の材料を自然酸化させてトンネル障壁層の薄肉部となる
絶縁層を形成し、その後、必要に応じて、対向電極の一
部分層となる超電導材料の層を真空蒸着などにより形成
した後、リソグラフィ技術によりレジスト膜を形成し、
レジスト膜で覆われていない部位を陽極酸化法に０ より酸化して、トンネル障壁層の厚肉部となる絶縁層を
形成する（この陽極酸化による絶縁層は、前記自然酸化
による絶縁層より十分下部に至り、かつ下部電極となる
超電導月料を全層厚にわたり酸化するものではない。）
。このようにして、薄肉部と厚肉部との所望のパターン
を有するｌ・ンネル障壁層を形成し、レジスト膜の除去
後に、さらに対向７は極の一部分層となる超′屯導制料
の薄膜を真空蒸着などにより形成するものである。しか
しながら、本発明の第３の態様の放射線検出素子の作製
方法としては、このようなものに限定されるものではな
い。

本発明の第４の態様であるジョセフソン素子の接合構造
は、前記本発明の第２の態様の放射線検出素子のものと
ほぼ同様なものである。

すなわち、この第４の態様であるジョセフソン素子は、
第１２図に示すように、下部超電導体１１と上部超電導
体１２との接合面全面にトンネル障壁層１３を配置した
超電導体−トンネル障壁超電導体構造において、下部超
電導体１２が重粘１ 晶超電導体層２３とその上に設ける多結晶超電導体層２
４とで構成されており、従ってトンネル障壁層１３はこ
の多結晶超電導体層２４上に形成されているものである
。

なお、このような構造を有する本発明の第４の態様のの
ジョセフソン素子において、単結晶超電導体層２３の厚
さは、磁場を遮蔽できるように、磁束侵入長辺−にの厚
さとされる必要がある。

本発明の第４の態様のジョセフソン素子においては、上
記第２の態様の放射線検出素子の説明において詳述した
と同様の理山によって、リーク電流の発生が大きく低減
化されることとなるから、単結晶超電導体を利用した磁
束トラップが生じにくくかつ高性能なジョセフソン素子
となるものである。

［実施例］ 以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

実験例１：素子応答速度の考察 本発明の第１の態様に係わる素子（実施例１．）２ を得るために、まず第１−９ａ図に示すように、ガラス
基板４１」二に、下部電極の第１の超電導体層としての
厚さ５０００ＡのＮｂ成膜２を、さらにその上にトラッ
プ層用超電導体層としての厚さ５００ＡのＡｐ成膜３を
スパッタリングにより成膜し、次いで真空装置内に酸素
ガスを導入して室温でＡ、Ｑ膜４３表面を自然酸化させ
て、トンネル障壁（薄肉層）としての厚さ２０〜ＢＯＡ
のＡ、Ｑ’０８膜４４膜形４し、さらにこの−トに、対
向電極のトラップ層用超電導体層としての厚さ５００Ａ
のＡｆｉ膜４５、および厚さ２００ＡのＮｂ膜４６をス
パッタリングにより連続的に成膜した。

次に第１９ｂ図に示すように、トンネル障壁層の薄肉部
を形成しようとする部位のみを覆うように、リソグラフ
ィ技術によりレジスト膜４７を形成した後、レジスト膜
４７で覆われていない部位に陽極酸化法により、トンネ
ル障壁層の厚肉部となる陽極酸化膜４８を作製した。陽
極酸化膜４８は、Ａｇｅ、膜４４より十分下部に至り、
かつＡｇ膜４３を全部酸化することがないようにして作
３ 製した。

その後、第１．９　ｃ図に示すように、レンスＩ・膜を
除去し、真空装置内でＡｒスッパッタによるクリーニン
グを行なってから、積層構造体上面に厚さ１００ｏＡの
Ｎｂ成膜９を真空蒸着により形成した。

最後に、リソグラフィと反応イオンエツチングで、第１
９ｄ図に示すように素子構造に加工し、層間絶縁層５０
を形成した後、上部配線用のＮｂ膜膜上１真空蒸着によ
り作製した。

第２０図は、このようにして作製した素子の平面図であ
る。

この素子において、薄肉部となるＡ、Ｑ　Ｏ０膜４４の
残された部分は、第２０図に示すように素子全体に均一
に分布して９箇所あり、その１箇所当りの平面積は、０
．０００９ｍｍ２であった。またこの素子の全平面積（
上部配線５１、および下部配線５２を除いた部分）は、
０．０７２９ｍｍ２であった。

ここで陽極酸化膜４８部位の厚さは１０００八４ 程度であり、一方Ａｇ００膜４４部拉の１早さは２０〜
３０六程度である。これらの膜の単位面積当りの静電容
量は、膜厚に反比例するため、陽極酸化膜４８部位の平
面積０．０６４８ｍｍ２か検出素子の全平面積の８９％
を山めているにもかかわらず、素子の静電容量は薄肉部
となる維手面積０゜００８１　ｍｍ２のＡρＯ工膜４４
部位のみによりほとんど決まっている。

また、この実施例１の素子と間しく、素子全４４面積が
０．０７２９ｍｍ２　（−辺０．２７ｍｍの正方形）で
、薄肉部となるＡρＯ０膜部位の維手面積が０．０８１
ｍｍ２ではあるが、このｌ　０８膜部位を素子の中央部
に正方形になるように１つにまとめた素子（以下、比較
例１の素子と称する。）を考えれば、この比較例１の素
子においては、素子の角で励起された電子ないしその空
孔は、トンネル障壁層の薄肉部に達するために少なくと
も直線距離で１２６μｍ拡散しなければならない。

これに対し、実施例１の素子では、素子の角で励起され
た電子ないしその空孔の場合でも、直線距５ 離で４２μｍ拡散すればよい。この拡散長における３倍
の違いは、拡散長が時間の０．５乗に比例してしか長く
ならないことを考慮すれば、素子の応答速度と放射線あ
るいは光子の入射位置による信号の立上り時間およびそ
の大きさに関して極めて大きな差をもたらす。

実際に、この差を調べるために、上記の実施例１の素子
および比較例１の素子の全面にパルスレーザ−光（パル
ス幅２００ｎ　ｓ）を−様に照射して、それぞれの素子
の応答を比較した。その結果、比較例１の素子では、信
号の立４−り時間は６００ｎｓと長かったが、実施例１
の素子では４００ｎＳと短かった。なお、この両者にお
ける信号の立上り時間の比が１．５倍程度であるのは、
照射したパルスレーザ−光のパルス幅自体が２００ｎｓ
と長いことと、素子の全面に一様にパルス光を照射した
ために素子の角で励起された電子あるいはその空孔なら
びに素子の中心部で励起された電子あるいはその空孔な
どの平均的拡散によって信号が生じているためであると
思われ、仮に素子の角６ で励起された電子あるいはその空孔による信号のみを観
察すれば立上り時間の比は更に大きくなることが予想さ
れる。

また、この実験において検出された実施例１の素子での
信号のピークの大きさは、立上り時間が長くなればその
間に再結合してしまう励む電子および空孔の割合が大き
くなってしまうことに対応して、比較例１の素子のもの
の約１．３倍であった。信号の大きさに関しても、仮に
素子の角で励起された電子あるいはその空孔による信号
のみを観察すれば、その比が更に大きくなることが当然
期待できるものである。

このように本発明の構成ををする放射線検出素子が、優
れた特性を有することは、この実験によっても明らかで
ある。さらに実質的なトンネル障壁である薄肉部の維手
面積は一定としても、この薄肉部１箇所当りの平面積を
小さくして、薄肉部の数を多くし、素子全体により均一
に分布するように配置すれば、より好ましい結果が得ら
れるであろうことは明らかである。

７ 実験例２：素子におけるリーク電流の考察１まず本発明
の第２の態様に係わる素子（実施例２）を以下のように
して作製した。

基板６１としては、（１１０２）面の単結晶サファイア
を用いた。基板６１を到達真空度が、約ｌＸｌ０’　１
０Ｔｏ　ｒ　ｒの超高真空蒸着装置内に置き、基板６１
の裏面からヒーターで約７００　’Ｃに加熱した。Ｎｂ
のインゴットを水冷した銅の坩堝に入れ、表面に電子ビ
ームを照射して加熱し、Ｎｂを真空蒸着した。サファイ
ア基板６１−Ｌに蒸着されたＮｂ成膜２は、第３４図に
示す高速電子反射回折像（ＲＨＥＥＤ）パターンかられ
かるように単結晶膜となった。膜厚は約６００ｎｍであ
る。

次にその試料を真空蒸着装置から取り出し、ＮｂとＡＪ
７のスパッタリングターゲットを備えたスパッタリング
装置内に導入した。スパッタリング装置内では、水冷に
よって試料（基板）温度は室温程度（約２０℃±１０℃
）に保持された。スパッタリング装置では、まず試料の
Ｎｂ成膜２表面のクリーニングのためにＡｒによる逆ス
パッター８ でＮｂ１ｌｉ６２表面を約３ｎｍエツチングした。次に
試料上に約２０ｎｍのＮｂ成膜３と約１０ｎｍのＡ、Ｑ
をスパッタリングによって成膜した。その後、スパッタ
リング装置内に約ＩＴｏｒｒの酸素ガスを導入してＡρ
膜の表面を自然酸化させてＡｇ０ｘ−Ａρ膜６４を形成
し、さらにその上に上部超電導体として約２００ｎｍの
多結晶Ｎｂ膜６５をスッパッタリングで成膜した。この
状態を第２１図に示す。

さらにこのようにしてサファイヤ基板全面に成膜した試
料を５ＮＩＰ法（Ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ　Ｎｉｏｂ
ｉｕｍＩｓｏｌａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）によって
微細加圧して第２２図に示すような素子を作製した。上
部配線７１のＮｂもスパッタリングで成膜したものであ
る。

また下部配線は単結晶Ｎｂ膜を加工して形成された。配
線幅は２０μｍであった。接合の面積は、８０μｍ×８
０μｍである。なお、第２２図において符号７０は層間
絶縁層としての５ｉ０２を示す。

一方、比較のために以下のようにして２つの素９ 子（比較例２および３）を作製した。

すなわち、比較例２の素子の作製においては、まず実施
例２におけると同様に単結晶Ｎｂ膜を形成した後、この
上に多結晶Ｎｂ膜を形成することなく、Ａｒによる逆ス
パツタ−クリーニングを施した−にでスパッタリングに
より約１０ｎ’ｍのＡＩを直接成膜した。その後、実施
例２と同様に、スパッタリング装置内に約ＩＴｏｒｒの
酸素ガスを導入してＡρ膜の表面を自然酸化させ、その
−にに上部超電導体として約２００ｎｍのＮｂをスッパ
ッタリングで成膜し、さらに５ＮＩＰ法によって微細加
工して素子を作製した。

また比較例３の素子の作製においては、まず実施例２に
おけると同様に単結晶Ｎｂ膜を形成した後、この上に多
結晶Ｎｂ膜を形成することなく、園じ真空蒸着装置内で
真空蒸着により約１０ｎｍのＡρを直接成膜した。なお
、この単結晶Ｎｂ膜」二にＡρを蒸着した膜のＲＨＥＥ
Ｄを第３３図に示す。その後、Ａ、Ｑ膜の表面を自然酸
化させ、その」−に上部超電導体として約２００ｎｍの
Ｎｂを０ 真空蒸着で成膜し、さらに５ＮＩＰ法によって微細加工
して素子を作製した。

上記のようにして得られた実施例２および比較例２〜３
の素子の４．２Ｋにおける電流−電圧特性を調べた。結
果を第３２図および第３１ａ−ｂ図に示す。

第３１ａ−ｂ図から川らかなように、単結晶超電導体上
に直接トンネル障壁層を形成した比較例２〜３の素子に
おいては、約２　ｍ　Ｖ以下での電流が大きく、リーク
電流が大である。これは通常の多結晶超電導体を用いた
接合の場合よりも明らかに劣る特性である。これに対し
、本発明に係わる実施例２の素子においては、４．２Ｋ
において見えているリーク電流は従来の多結晶Ｎｂのみ
を用いたものと同等かそれ以下となっている。

実験例３：素子におけるリーク電流の考察２リーク電流
をより詳しく調べるには、温度を下げてみればよい。こ
れは、熱的に励起されている電子のトンネル効果で流れ
る電流は温度を下げれば減少するが、一方、リーク電流
は温度に依存し１ ないためである。

実際に上記実施例２の素子の１ｍＶにおける電流値の温
度変化を調べた。結果を第３５図に示す。

一方、比較のために従来型の素子として、多結晶Ｎｂ膜
−Ａ、Ｇｏ、膜−多結晶Ｎｂ膜構造を有する５ＮＩＰ法
で作製した素子（比較例４）および多結晶Ｎｂ膜−Ａ、
ＱＯ，膜−多結晶Ｎｂ膜構造を有する５ＮＥＰ法（Ｓｅ
ｌｅｃｔｉｖＱＮｉｏｂｉｕｍ　ＩＥｔｃｈｉｎｇＰｒ
ｏｃｅｓｓ　）で作製した素子（比較例５）を用意し、
同様に１ｍＶにおける電流値の温度変化を調べた。

結果を第３５図に示す。なお、比較例４および比較例５
の素子において、各Ｎｂ層の厚さは約２０Ｑｎｍであり
、ＡｇＯｘ層の厚さは約２〜３ｎｍであった。

この結果、本発明に係わる実施例２の素子におけるリー
ク電流は、第３５図に示すように、比較例４のものより
かなり小さく、また接合の端部でのリーク電流を小さく
する陽極酸化を用いた５ＮＥＰ法で作製した比較例５の
素子のものと同程度かそれ以下であった。これは、実施
例２の素子に２ おいては、単結晶Ｎｂ膜の表面を薄い多結晶Ｎｂ膜で覆
ったためにその−にに形成されたＡρ膜が、島状成長し
なかったためと、サファイア基板」二にエピタキシャル
成長した単結晶Ｎｂ膜が機械的に強く、微細加工中にト
ンネル障壁面内やトンネル障壁端部に欠陥が発生しにく
かったためと思われる。

なお、図示はしていないが、単結晶超電導体」二に直接
トンネル障壁層を形成した前記比較例２〜３の素子にお
いては、このように温度を低減させても、電流値はほと
んど低下しなかった。このことは、実験例２の結果を裏
付けるものであった。

実験例４：素子における放射線検出能の考察本発明が放
射線検出素子の性能にどう影響えお与えるかをより直接
的に調べるために、５ＮＩＰ法で加工した上記実施例２
の素子、同じ＜５ＮＩＰ法で加工した上記比較例４の素
子、および５ＮＥＰ法で加工した上記比較例５の素子の
それぞれに、約５．９ｋｅＶのＸ線を照射して、それぞ
れの素子からの信号の波高スペクトルを測定した。

３ なお、いずれの場合も素子は０；　４Ｋに冷却した。

この結果、５ＮＩＰ法で加工した従来型の素子である比
較例４の素子では、リーク電流を小さくするために素子
面積を２０μｍ×２０μｍと小さくした素子でも信号は
認められなかった。すなわち、Ｘ線による信号は、発生
していたとしてもノイズよりも小さいためにノイズと識
別できなかった。

また５ＮＥＰ法で加工した従来型の素子である比較例５
の素子では、素子面積が２０μｍ×２０μｍのものでＸ
線による信号をノイズと識別できた。これは第３５図に
示すように５ＮＩＰ法で加工した従来型の素子よりもリ
ーク電流が小さくなったためと思われる。この波高スペ
クトルを第３６図に示す。Ｘ線による信号の電荷量、す
なわち波高スペクトルのピークに相当する信号の大きさ
は従来のＳｉやＧｅを用いた半導体放射線検出器の約１
０倍と大きなものになっている。しかし、理論的に予想
されるＮｂ中でのＸ線による励起電子の量に比べると、
信号として取り出されている４ 電荷はまだ１００分の１程度と小さく、励起電子が信号
電荷として効率的に取り出されていないことがわかる。

一方、これに対して本発明に係わる実施例２の素子にお
いては、８０μｍ×８０μｍの接合面積のもので第３７
図に示すような波高スペクトルが得られた。用いた信号
増幅機の増幅率も異なるので、第３６図の横軸と第３７
図の横軸とでは同じチャンネル数が同じ信号の大きさに
は対応していないが、どちらのスペクトルでもピークの
横軸の値が５．９ｋｅＶに相当している。第３７図では
第３６図よりも叩らかにＳ／Ｎ比（信号の大きさ／ノイ
ズの大きさの比）が向」ニしている。第３７図のスペク
トルの場合、Ｘ線による信号の電荷量は、従来のＳｉや
Ｇｅを用いた半導体放射線検出器のそれの１５０〜１８
０倍となっており、第３６図のスペクトル、すなわち５
ＮＥＰ法で加圧した従来型素子の場合よりも約２０倍も
大きなものとなっている。

［発明の効果コ ５ 以上述べたように、本発明による放射線検出素子は、ト
ンネル障壁を厚さの異なる薄肉部と厚肉部とで構成する
ものであるために、放射線あるいは光子の検出効率を向
」ニさせるためにこれらの吸収体である超電導体を大面
積化しても、静電容量の増大は低く抑えることができ、
検出信号が小さくなることはない。さらに、放射線ある
いは光子の入射位置によらず、これによって励起された
電子あるいはその空孔を信号としてすばやく取り出すこ
とができ、入射位置による信号の立上りの早さと大きさ
の変動も小さいものである。

また本発明による放射線検出素子は、下部超電導体に単
結晶超電導体を用いるが、この単結晶超電導体にトンネ
ル障壁を直接積層せず、単結晶超電導体層上に薄い多結
晶超電導体層を形成しその上にトンネル障壁を形成する
ものであるために、リーク電流の少ない良好なトンネル
接合構造が形成され、単結晶超電導体を用いたことによ
る励起電子の信号電荷としての高い収集効率を享受でき
るものとなる。

６ さらに本発明によるジョセフソン素ｒも、間柱に下部超
′Ｉ″し導体を単結晶超電導体およびその上に形成され
る多結晶超電導体層により構成するために、単結晶超電
導体を用いたことによる磁束トラップの発生の低減化と
、リーク電流の少ない長杆な特性を兼ね備えたものとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の態イ、ｌの放射線検出素子の一
構造例を示す断面図、第２図は同構造例の平面図、第３
図は同構造例における励起電子の拡散状態を模式的に示
す断面図、第４〜６図はそれぞれ本発明の第１の態様の
放射線検出素子の別の構造例の平面図、第７〜１０図は
それぞれ本発明の第１の態様の放射線検出素子のさらに
別の構造例の構成を示す断面図、第１１図は本発明の第
１の態様の放射線検出素子のさらに別の構造例を示す断
面図、第１２図は本発明の第２の態様の放射線検出素子
の一構造例を示す断面図、第１３図は同構造例における
励起電子の拡散状態を模式的に示す断面図、第１４〜１
５図はそれぞれ本発明の第７ ２の態様の放射線検出素子の別の構造例を示す断面図、
第１６図は本発明の第３の態様の放射線検出素子の一構
造例を示す断面図、第１７〜１８図はそれぞれ本発明の
第３の態様の放射線検出素子の別の構造例の断面図、第
１．９　ａ　−ｄ図は本発明の第１の態様の放射線検出
素子の実施例における素子の作製行程を示す断面図、第
２０図は１ｒｉＪ実施例において作製した素子の平面図
、第２１図および第２２図は本発明の第２の態様の放Ｉ
・１線検出素子の実施例における素子の製作工程を示す
断面図、第２３図は従来の放射線検出素子の一構造例を
示す断面図、第２４図は同従来例の平面図、第２５図は
従来の放射線検出素子の別の構造例を示す断面図、第２
６図は第２５図に示した従来例における励起電子の拡散
状態を模式的に示す断面図、第２７図は第２３図に示し
た従来例における励起電子の拡散状態を模式的に示す断
面図、第２８図は単結ｌＷ１超電導体を用いた従来の放
射線検出素子における励起電子の拡散状態を模式的に示
す断面図、第２９図は多結晶超電導体の」二に成膜した
トンネ８ ル障壁層の状態を模式的に示す断面図、第３０図は単結
晶超電導体の上に成膜したトンネル障を層の状態を模式
的に示す断面図、第３１ａおよびｂ図は、下部超電導体
として単結晶Ｎｂ膜を用いた従来例の超電導トンネル接
合の電流−電圧特性を示すグラフであり、第３１ａ図は
Ａρと上部電極用Ｎｂをスパッタリングで成膜したもの
、第３１ｂ図はＡρと−に都電極用Ｎｂを真空蒸着で成
膜したものであり、第３２図は本発明の素子の一実施例
における電流−電圧特性を示すグラフ、第３３図は単結
晶Ｎｂ成膜に成膜したＡｇ膜のＲＨＥＥＤパターン像を
示す写真、第３４図は単結晶Ｎｂ膜のＲＨＥＥＤパター
ン像を示す写真、第３５図は従来型素子と本発明素子の
一実施例との１ｍＶにおける電流値の温度依存性を示す
グラフ、第３６図は５ＮＥＰ法で加工した従来型素子に
よる５゜９　ｋ　ｅ　ＶのＸ線測定波高スペクトルを示
ずグラフであり、また第３７図は５ＮＩＰ法で川下した
本発明の実施例の素子による５、９ｋｅＶのＸ線測定波
高スペクトルを示すグラフである。 ９ １１・・・超電導体（下部電極）、 ２・・・超電導体（対向電極）、 ３・・・トンネル障壁層、 ４・・・薄肉部、１５・・・肉厚部、 ６・・・第１の超電導体層（下部電極）、７・・・第２
の超電導体層（下部電極）、８・・・第１の超電導体層
（対向電極）、９・・・第２の超電導体層（対向電極）
、０・・・放射線もしくは光子、２１・・・励起電子、
２・・・半導体（対向電極）、 ３・・・単結晶超電導体層、 ４・・・多結晶超電導体層、 ５・・・第１の単結晶超電導体層、 ６・・・第２の単結晶超電導体層。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）超電導体−トンネル障壁−超電導体からなる超電
   導トンネル接合放射線検出素子において、前記トンネル
   障壁層の一部を厚さ５〜１００Åの絶縁体または厚さ５
   〜１０００Åの半導体で構成してなる薄肉部とし、トン
   ネル障壁層の他の部分を前記薄肉部の２倍以上の厚さの
   絶縁体または半導体で構成してなる厚肉部として、薄肉
   部をトンネル障壁層全体に不連続あるいは連続的に均一
   に分布させ、かつ薄肉部の総面積を厚肉部の総面積より
   小さくしたことを特徴とする放射線検出素子。
2. （２）トンネル障壁層の両側に存在する超電導体の一方
   あるいは両方はそれぞれ、エネルギーギャップの大きさ
   の異なる２つ以上の超電導体層を、トンネル障壁層に近
   い程エネルギーギャップが小さいものとして積層するこ
   とにより構成されているものである請求項１に記載の放
   射線検出素子。
3. （３）超電導体−トンネル障壁−半導体からなる超電導
   トンネル接合放射線検出素子において、前記トンネル障
   壁層の一部を厚さ５〜１００Åの絶縁体または厚さ５〜
   １０００Åの半導体で構成してなる薄肉部とし、トンネ
   ル障壁層の他の部分を前記薄肉部の２倍以上の厚さの絶
   縁体または半導体で構成してなる厚肉部として、薄肉部
   をトンネル障壁層全体に不連続あるいは連続的に均一に
   分布させ、かつ薄肉部の総面積を厚肉部の総面積より小
   さくしたことを特徴とする放射線検出素子。
4. （４）トンネル障壁層の片側に存在する超電導体は、エ
   ネルギーギャップの大きさの異なる２つ以上の超電導体
   層を、トンネル障壁層に近い程エネルギーギャップが小
   さいものとして積層することにより構成されているもの
   である請求項３に記載の放射線検出素子。
5. （５）超電導体−トンネル障壁−超電導体からなる超電
   導トンネル接合放射線検出素子において、順に下部単結
   晶超電導体層、該下部単結晶超電導体層の２分の１以下
   の厚さの多結晶超電導体層、多結晶超電導体層とは素材
   の異なるトンネル障壁層、および上部超電導体層を形成
   した超電導トンネル接合を有することを特徴とする放射
   線検出素子。
6. （６）超電導体−トンネル障壁−半導体からなる超電導
   トンネル接合放射線検出素子において、順に下部単結晶
   超電導体層、該下部単結晶超電導体層の２分の１以下の
   厚さの多結晶超電導体層、多結晶超電導体層とは素材の
   異なるトンネル障壁層、および上部超電導体層を形成し
   た超電導トンネル接合を有することを特徴とする放射線
   検出素子。
7. （７）前記下部単結晶超電導体層はさらに、エネルギー
   ギャップの大きさの異なる２つ以上の単結晶超電導体層
   を、トンネル障壁層に近い程エネルギーギャップが小さ
   いものとして積層することにより構成されているもので
   ある請求項５または６に記載の放射線検出素子。
8. （８）超電導体−トンネル障壁−超電導体からなる超電
   導トンネル接合放射線検出素子において、前記トンネル
   障壁層の一部を厚さ５〜１００Åの絶縁体または厚さ５
   〜１０００Åの半導体で構成してなる薄肉部とし、トン
   ネル障壁層の他の部分を前記薄肉部の２倍以上の厚さの
   絶縁体または半導体で構成してなる厚肉部として、薄肉
   部をトンネル障壁層全体に不連続あるいは連続的に均一
   に分布させ、かつ薄肉部の総面積を厚肉部の総面積より
   小さくする一方、下部超電導体を単結晶超電導体層によ
   り形成し、かつ上記トンネル障壁層の少なくとも薄肉部
   に当接する部位においては、該下部単結晶超電導体層上
   に該単結晶超電導体層の２分の１以下の厚さの多結晶超
   電導体層を形成し、この多結晶超電導体層がトンネル障
   壁層と接合する構成としたことを特徴とする放射線検出
   素子。
9. （９）超電導体−トンネル障壁−半導体からなる超電導
   トンネル接合放射線検出素子において、前記トンネル障
   壁層の一部を厚さ５〜１００Åの絶縁体または厚さ５〜
   １０００Åの半導体で構成してなる薄肉部とし、トンネ
   ル障壁層の他の部分を前記薄肉部の２倍以上の厚さの絶
   縁体または半導体で構成してなる厚肉部として、薄肉部
   をトンネル障壁層全体に不連続あるいは連続的に均一に
   分布させ、かつ薄肉部の総面積を厚肉部の総面積より小
   さくする一方、下部超電導体を単結晶超電導体層により
   形成し、かつ上記トンネル障壁層の少なくとも薄肉部に
   当接する部位においては、該下部単結晶超電導体層上に
   該単結晶超電導体層の２分の１以下の厚さの多結晶超電
   導体層を形成し、この多結晶超電導体層がトンネル障壁
   層と接合する構成としたことを特徴とする放射線検出素
   子。
10. （１０）超電導体−トンネル障壁−超電導体からなるト
    ンネル型ジョセフソン素子において、順に磁束侵入長よ
    り厚い下部単結晶超電導体層、多結晶超電導体層、該多
    結晶超電導体層とは素材の異なるトンネル障壁層、およ
    び上部超電導体層を形成したことを特徴とするジョセフ
    ソン素子。