JPS6232667A

JPS6232667A - 超伝導トンネル接合光検出器

Info

Publication number: JPS6232667A
Application number: JP60172121A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Enomoto; 陽一榎本; Juichi Noda; 野田　壽一; Toshiaki Murakami; 敏明村上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1985-08-05
Filing date: 1985-08-05
Publication date: 1987-02-12
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: JPH065790B2

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】産業上の利用分野本発明は、赤外の広い波長帯において高速で且つ高感度
な光検出器に関するものである。

従来の技術従来、光検出器として半導体材料を用いたものが開発さ
れてきている。しかし、半４１では、そのエネルギーギ
ャップが幅広いため、フォトンのエネルギーが低い赤外
光では、ギャップを越える励起が起こらず、検出が不可
能である。

詳述するならば、光伝導を用いる光検出器では、高速化
をはかるには深い準位を導入したり、アモルファスを用
いたりすることでキャリア寿命を短くする必要があるが
、これらの手法により、逆に量子効率が大幅に下がり、
感度の低下が起こる。

一方、フォトダイオードでは、反応速度がＣＲ時定数で
律速されるため、半導体の抵抗を下げ、接合の静電容量
を小さくすることで高速化が試みられているが、反対に
受光面積が小さくなり感度の低下が起きる。

このように、半導体材料を使用した光検出器では、高感
度と高速性を同時に満たすことが難しい。

また、赤外域の低エネルギー・フォトンに対しても励起
現象が起きる超伝導体を用いた光検出器では、応答速度
は、準粒子のクーパ一対への緩和時間および超伝導体か
らのフォノンの逃げの時間で決まり、Ｑ、　１ｎｓｅｃ
以下の高速特性を実現することが困難であった。

発明が解決しようとする問題点本発明は、これらの欠点を除去して、赤外域において高
速且つ高感度な光検出器を提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段本発明によるならば、超伝導体薄膜の下部電極と、トン
ネル障壁をなす中間層と、超伝導体薄膜の上部電極との
３層構造からなる光検出器において、光が照射される上
部電極中に、中間層に対して垂直にトンネルバリアを設
け、光励起された準粒子の閉じ込みを図り、それにより
、超伝導体光検出記の高感度を活しつつ高速特性を実現
する。

第１図は、本発明による超伝導体を用いた光検出器の構
造図を示すものであり、基板１上に下部の超伝導電極２
が設けられ、その上にトンネル障壁をなす絶縁体又は半
導体の中間層３が形成されており、更に、膜内にトンネ
ルバリア４を含む超伝導体による上部電極５が設けられ
ている。そして、超伝導体の上下電極２と５は絶縁層６
により分離されている。これらの４つの層２．３．５．
６の各層は、それぞれ真空蒸着法あるいは、適当なター
ゲットを用いたスパッター法による薄膜形成技術および
リングラフ法によるパターン形成技術により製作するこ
とができる。

芸月次に光照射７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はクーパ一対を形成し、フェ
ルミレベルよりエネルギーがΔだけ低いレベルとなる。

一方、クーパ一対は外部エネルギーにより破壊され、対
を組まない単一電子となる。この電子は準粒子と呼ばれ
、フェルミレベルより６以上高いエネルギーにある。こ
の準粒子の最もエネルギーの低い電子状態と、クーパ一
対のレベルとの間には２△だけのエネルギー・ギッヤプ
がある。

第２図に同種の超伝導材料を電極として用いたトンネル
接合における電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性を示す。

（ａ）はトンネル接合に電圧が印加されてない超伝導状
態を、わ）はバイアス電圧が超伝導エネルギーギャップ
幅△の２倍よりも低い場合を、（Ｃ）はバイアス電圧が
２Δを越えた場合である。（ａ）ではクーパ一対のトン
ネルは可能で、超伝導電流が流れるが、準粒子はトンネ
ル障壁により、両者間で密度差があっても流れる可能性
は小さい。（ｂ）および（Ｃ）ではクーパ一対は、バイ
アス電圧に比例した振動数で、トンネル障壁をトンネル
するが（交流ジョゼフソン効果）、直流の電流成分とし
ては寄与しない。従って、Ｉ−Ｖ特性は第２図に示され
るとおり、ら〕では超伝導中に熱等で励起された準粒子
のトンネルに伴う小さな電流が、（Ｃ）では電圧により
励起される大きな電流が流れることになる。

ところで、第２図の（ａ）とら）の状態では、トンネル
する粒子が異なるため、ジョゼフソン接合は、クーパ一
対と準粒子を識別し分離するフィルターとしての機能を
もつ。すなわち、状態（ａ）ではクーパ一対はバリアを
透過するが、準粒子は移動できずに蓄積される。他方、
ら）では、準粒子はバリアを通過し、直流電流に寄与す
るが、クーパ一対は、寄与しない。この特性に注目し、
臨界電流値の異なる接合を直列に接続し、バイアス電流
により各接合の状態を電圧状態あるいは超伝導状態に適
当に置くことにより、準粒子とクーパ一対を用いる素子
の効率化をはかることができる。

第１図の光検出器において、トンネル接合を構成してい
る超伝導体５に、２Δのギャップ幅を越えるエネルギー
をもつ光を照射するとクーパ一対が破壊され、超伝導体
に吸収された光子数（光量）に比例する準粒子が、上部
電極５中に生成される。

トンネル障壁すなわちトンネル接合部３が第２図（ｂ）
の状態にバイアスされていると、光により励起された上
部電極５中の準粒子は接合障壁３をトンネルし電流とし
て流れる。この電流値を測定することにより光検出（フ
ォトン検波）が可能である。

第２図のＩ−Ｖ特性で破線は、光照射した場合の特性を
表わしている。

第３図に典型的な検出回路を示す。第３図の検出回路は
、定電圧源８、超伝導光検出接合９、負荷抵抗Ｒを存し
、その抵抗Ｒは、高速動作の場合、測定系とのインピー
ダンス整合から５０Ωが良く選択される。なお、この回
路で、定電圧源の出力電圧を■、にした場合の負荷直線
の例を第２図の［−Ｖ特性中に示す。光照射により、こ
の負荷直線上を動作点が移動し、光検出が可能である。

この超伝導トンネル現象を用いる光検出器では、電子を
トンネルさせるために、接合抵抗が低く抑えられており
、また電極も超伝導体であるため抵抗が零である。この
ため検出器の等価回路に、直列、並列に入る抵抗は、非
常に小さく、電気回路的な遅れを起こすＲＣ定数は小さ
くなる。実際、同種の構造からなるジョセフソン接合を
用いたスイッチング回路では、既に６　Ｘ　１０−　”
　ｓｅｃの応答速度が報告されている。

次に準粒子の緩和特性を述べる。励起準粒子は、ある時
間でフォノンを放出して、クーパ一対に緩和する。この
緩和時間は、フォノンとの相互作用を過程中に含むため
、超伝導機構に関係し、電子−フォノン相互作用が強い
強結合超伝導体では１０−　”　ｓｅｃ程度と、また相
互作用が弱い弱結合超伝導体では、それより長いと見積
られている。一方、準粒子の速度は、フェルミ面の電子
の速度とほぼ同じであるため、通常約ＬＯ８ｃｍ／ｓｅ
ｃである。従って、光照射で励起された準粒子は、運動
遣保存則のため、上部電極５（膜厚約０．１μｍ）を表
面から底面のバリアまで直線的に運動して横断するに要
する時間は１０−　”　ｓｅｃとなる。このため、準粒
子はクーパ一対に緩和することなく、バリアをトンネル
することができる。なお、準粒子のクーパ一対への緩和
で生じるフォノンによる準粒子励起は、下部電極２で起
きるためトンネル電流に寄与しない。

以上の他に励起準粒子は、フォノンあるいは電極５中の
欠陥により散乱される。この過程は、電気抵抗と同じも
のであり、室温では１０−”〜１Ｏ−１５ｓｅｃで起き
る。しかし、極低温ではフォノン密度が低下するため、
フォノンによる散乱確率は下がる。

このため、準粒子は電極中での衝突なしにトンネル層へ
浸入し、透過する。

次に、準粒子がバリア層をトンネルする過程を考えてみ
る。バリア層の厚みが数ｎｍと薄く、しかもｌ子トンネ
ル効果のため、通過時間は短時間である。ところで、準
粒子がバリア層を透過するのは確率過程であり、一部の
準粒子はバリアで反射され、上部電極５に戻り、緩和時
間に遅れを起こす。この確率は接合部のバイアス電圧に
依存し、高い電圧程、透過確率が上がり、緩和時間は短
くなる。

以上から電気回路および準粒子の緩和過程を考慮した検
出素子の応答速度は１０−　”　ｓｅｅ以下となる。

有限温度の場合、熱励起で生じる準粒子によりトンネル
電流が流れ暗電流となる。この暗電流は、雑音として作
用し、Ｓ／Ｎ比を低下させる。この暗電流値は、熱励起
準粒子密度に比例するため温度Ｔに依存し、ｅｘｐ　（
−Δ／ｋＴ）に比例する。このため、温度の低下により
減少し、絶対零度では零となる。従って、検出素子温度
を下げることにより低雑音となり、微弱光の高感度検出
が可能となる。なお、温度が下がっても構造は変化せず
、したがって高速応答特性は保たれる。

ところで、超伝導体のエネルギー・ギャップΔはｍｅＶ
と狭い。このため波長が１ｍｍまでの遠赤外光に対して
も準粒子は励起され、トンネル電流が流れる。従って、
広い波長域にわたって高速の光信号を検出することがで
きる。一方、高いエネルギーをもつ波長の短い赤外線が
入射した場合、準粒子緩和による時間遅れか起き、応答
速度の低下が生じる。すなわち、高エネルギーに励起し
た準粒子は、クーロン力あるいは磁場を介してクーパ一
対とあるいはフォノンと相互作用し、低エネルギー状態
へ緩和する。この過程で再びクーパ一対が壊れ、新たに
準粒子が生成され、第４図（ａ）に図解するように、ト
ンネルバリア４がない場合には、上部電極内に拡散する
。例えば波長１μｍの光により励起された準粒子は、フ
ェルミエネルギーと同程度のエネルギー（＃１０’にで
速度の増加は１０５ｃｍ／５ｅｃ）をもつため、パウリ
排他律による電子−電子相互作用の確率低下は起こらず
、短時間（１０−”　ｓｅｃ　）にクーパ一対と衝突し
、準粒子励起が生じることになる。また、この準粒子の
運動で生じる磁界によ茗クーパ一対破壊も同程度の時間
起きる。この準粒子は、空間的に拡がるため最終的にフ
ォノンを放出し、クーパ一対にもどるまでトンネル電流
に寄与する。従って、電流の立ち下りは、準粒子のクー
パ一対への緩和時間（＝　ＩＱ−”　５ｅｃ）だけ続き
、尾を引くことになる。

他方、第４図０：ｌ）に図解するように、上部電極５中
にトンネルバリア４を形成し、それを超伝導状態とする
と先に述べた様に準粒子のトンネルは起こりにくい。こ
のため光励起で生じた準粒子の拡散運動はバリアで止め
られ、上部電極５内の広い空間領域への拡散は起きない
。更に、電極の外に拡散したとしても、それがバリアで
囲まれた領域に再び浸入する確率は小さい。このように
、光により励起した準粒子はバリアで囲まれた狭い領域
に閉じ込められるため、空間的に拡がることで生じる立
ち下りの遅れはなくなり、高速応答が可能となる。なお
、第４図かられかるように、電流は下部電極から上部電
極へと流さねばならない。

実施例以下、本発明の詳細な説明する。しかし、本発明はこれ
ら実施例になんら限定されるものではない。

実施例ＩＢａ（Ｐｂｏ、　７ＢＩ０．３）　１．５０４なる組成
の磁器をターゲットとして、高周波スパッタでアルゴン
と酸素の各５０％の混合気体のガス圧１０−’Ｔｏｒｒ
下、プレート電圧１．４にＶにおいて、５００℃に加熱
した５ｒＴｉ０３単結晶基板（１１０）向上に、厚さ約
１５００人のＢａＰｂｏ、　７ＢＩＯ，３０３なる組成
の単結晶薄膜を形成した。こうして得られた薄膜は８〜
９にの超伝導温度をもつ。次に、その単結晶薄膜をフォ
トリングラフ法と化学エッチ法により下部電極に成形す
る。次にバリア層としてＡ１゜０３を約３０人の厚さに
形成した。この場合Ａ　ｌ　２０３磁器をターゲットと
してＲＦスパッタ法で、基板温度３００℃で堆積させた
。このＡｌ２Ｏ３バリア層の上に基板温度は３００℃と
変えずに直ちに高周波スパッタ法で他の条件は下部電極
形成と同じスパッタ条件でＢａＰｂｏ、　ｔＢｌｏ、　
３０３の多結晶薄膜を厚さ２０００人堆積させた。この
多結晶薄膜は、結晶粒界に沿って基板に垂直にトンネル
バリアが形成されており、Ａｌ２Ｏ３バリアよりも、ジ
ョゼフソン臨界電流値が大きい。従って、電極内のトン
ネル接合を超伝導状態としたまま、Ａｌ２Ｏ３バリアを
電圧状態にすることが可能であり、準粒子トンネル電流
変化を観測することで光検出ができた。

実施例２高周波スパッタ法により５００℃に加熱したサファイア
基板上にＮｂ金属薄膜を約３０００人堆積して、下部電
極を形成する。次にバリア層としてＡ１゜０３を下部電
極上に約３０人の厚さに、電子ビーム蒸着法により堆積
させる。このＡｌ２Ｏ３バリア層上に、直ちに、ｐｂ覆
結晶金属薄膜を形成する。ｐｂは、純酸素１０−　’Ｔ
ｏｒｒのペルジャー内で蒸着法により堆積した。その結
果形成された上部電極の多結晶膜は、結晶粒界に沿って
薄い酸化膜が蒸着中に形成されトンネルバリアとなる。

このトンネルバリアはＡｌ２Ｏ３バリアよりもジョゼフ
ソン臨界電流値が大きく、従って、前述の動作が可能で
あり、高速の光検出ができる。

発明の詳細な説明したように、本発明の光検出器は赤外の広い波長
域で弱い光を高周波まで電気信号に変換することができ
る。この電気信号は、超伝導トンネル接合の電流変化で
あるため、高速スイッチング特性をもつジョセフソン接
合を用いた回路系と同一冷却槽中で接続し、信号処理の
動作をさせることができる。このような点から赤外域で
の高速光通信用あるＣ）は高速の物理現象解析用の検出
器として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光検出器の断面図、第２図は検出器の電流−電圧特性と動作特性を示すグラ
フ、第３図は測定回路系の一例の回路図、第４図は光励起準粒子の電極内での挙動を説明するもの
で、（ａ）は、上部電極内にトンネルバリアがない場合
、ら）は、上部電極内に超伝導状態のトンネルバリアが
ある場合である。（主な参照番号）１・・基板、　２・・下部電極、３・・トンネルバリアをなす中間層、４・・トンネルバリア、　　５・・上部電極、６・・絶
縁層、　７・・入射光、８・・定電圧源、　９・・光検出器、Ｒ・・負荷抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超伝導体薄膜からなる下部電極と、該下部電極上
に設けられトンネル障壁を形成する中間層と、該中間層
上に設けられ垂直にトンネルバリア層が形成されている
超伝導薄膜からなる上部電極とを具備して３層構造から
なることを特徴とする超伝導トンネル接合光検出器。
（２）前記上部電極は、酸化物超伝導体ＢａＰｂ＿１＿
−＿ｘＢｉ＿ｘＯ（但し、０．０５≦ｘ≦０．３５）多
結晶薄膜で形成されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の超伝導トンネル接合光検出器。
（３）前記上部電極は、Ｐｂ多結晶金属薄膜で形成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の超
伝導トンネル接合光検出器。