JP2002518853A - 超電導トンネル接合デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超電導トンネル接合デバイスであって、超電導領域（Ｓ₁）の準粒子は、ノーマル・メタル・トラップ（Ｎ₁）へ弛緩し、そのポテンシャル・エネルギを電子−電子の相互作用において解放し、トラップの中の励起されたチャージ・キャリヤの数を増やすようになっている。その励起されたチャージ・キャリヤは絶縁のトンネル接合障壁（Ｉ₂）を通って第２の超電導領域（Ｓ₂）へトンネルする。第１の超電導領域の準粒子は、エネルギの大きい粒子／放射線の吸収によって、あるいはベース領域からトンネルして入ってくるチャージ・キャリヤによる注入によって形成され、ベース領域は、ノーマル・メタル（Ｎ₀）または超電導体（またはその両方）または半導体であってよい。第２の超電導体に対するトラップからの電流は、ベース領域から出てくる電流より大きく、従って、電流増幅を提供する。従って、このデバイスは、三端子トランジスタに似たデバイスを形成する。それは粒子／放射線検出器として、あるいはその中でアナログ信号増幅器またはマイクロ冷却素子またはデジタル・スイッチとして使うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、電流および電圧の両方の低レベル信号を増幅器することができる超
電導トンネル接合デバイスに関する。

【０００２】 増幅機能を有し、入力が出力からよく隔離されている超電導三端子デバイスに
対する研究は、２０年以上にもわたって進捗してきている。半導体電子回路に比
べて超電導電子回路の利点は、２つの広い領域に基づいている。１つは、ジョセ
フソン接合の高いスイッチング速度および低い電力消費に基づいたデジタル的応
用であり、もう１つは、非常に広い周波数スペクトルでの電磁現象に対する極端
に高い感度および応答に基づいたアナログ的応用である。このスペクトルは、直
流および低周波の磁場（ＳＱＵＩＤデバイスが使われる場所）から、マイクロ波
およびミリ波、赤外線、光およびＵＶ照射まで、並びにＸ線およびγ線の検出お
よびスペクトル分析の範囲にまでわたっている。また、電子回路の温度を下げる
ことは、その本来的なノイズを減らす傾向がある。しかし、コンプリメント三端
子トランジスタに似たデバイスはなく、これらの利点は、非常に特殊化された応
用に対して限定される。ごく近い将来において、特に天体物理学に対する超電導
フォトン計数分光器の応用において、多くの検出器ピクセルおよびアナログ電子
回路チャネルが必要となる。

【０００３】 これらの利点を利用するために、三端子トランジスタに似たデバイスは、以下
の厳しい性質を満足しなければならない。 ・電流利得 ・電圧利得 ・入力と出力との隔離 ・高速度 ・超大規模集積（ＶＬＳＩ）への可能性 ・低消費電力 ・他のデバイスおよび伝送線路とのインピーダンスの互換性 ・製造性 デジタル設計の容易化のために、三端子デバイスは、反転型でラッチしないこ
とも必要である。

【０００４】 不平衡の超電導および準粒子力学に基づいた少なくとも３つの異なるデバイス
が提案され、研究されてきた。それらはグレイ効果トランジスタ、準粒子素子お
よび準粒子乗算器である。これらは、それぞれ以下に簡単に説明されるが、これ
らのデバイスのすべてが準粒子トンネリングを利用する。

【０００５】 グレイ効果トランジスタはＵＳ−Ａ−４，１５７，５５５号の中で記述され、
超電導体−絶縁物−超電導体（ＳＩＳ）接合における準粒子に対する２つのトン
ネル化プロセス（およびそれらの逆）が存在し、ある種の条件下では、複数のト
ンネル化が発生する可能性があるという事実に依存している。グレイ効果トラン
ジスタは、プレーナ並列配置構成における超電導材料の３つの薄膜を配置するこ
とによって、その膜を絶縁酸化物の層によって互いに絶縁することによって形成
され、２つのトンネル接合を形成する。１つの接合は、超電導のエネルギ・ギャ
ップの約２倍にバイアスされ、他の接合は、超電導のエネルギ・ギャップの２倍
以下にバイアスされている。１つの接合によって中央に準粒子を注入することに
より、第２の接合において電流利得が提供される。

【０００６】 この複数トンネル効果は、準粒子のトラッピングと組み合わされる時、単独の
Ｘ線量子の吸収からの低レベル信号を増幅するために使われてきた。比較的最近
になって、約２００以上の複数トンネル化増幅係数を有する同じ方式は、個々の
光量子のエネルギをカウントして測定するために使われてきている。この増幅方
式は、極端に有用であることが証明されているが、それは電流増幅ではなく、電
荷増幅を発生し、すなわち、電流パルスの振幅ではなく、その長さが拡張される
。

【０００７】 準粒子素子は、ＥＰ−ＡＩ−００８１００７号の中で記述されており、ダブル
ＳＩＳトンネル接合構造の中央電極のエネルギ・ギャップΔの抑圧によって利得
を発生する。このデバイスにおいては、中央の超電導層の超電導エネルギ・ギャ
ップがエネルギの大きい準粒子の過剰注入によって変えられ、そのエネルギ・ギ
ャップがその熱平衡値に関して大幅に変化し、ほとんどの場合、消滅させられる
ようになる。このデバイスの一例においては、三電極デバイスが電極間にトンネ
ル障壁を設けて作られる。第１のトンネル接合は、中央の超電導電極の中にエネ
ルギの大きい準粒子を大量に注入するために使われ、その超電導エネルギ・ギャ
ップを劇的に変化させる。順に、これは第２のトンネル接合の電流／電圧特性を
大幅に変更する。初期には、このデバイスは、非常に有望であるように思われた
が、アナログまたはスイッチングのいずれに対しても、すべての要求を満たすこ
とはなく、特に出力から入力の隔離の要求を満たさなかった。この問題は、トラ
ンジスタに似た動作の二液体（Ｌａｎｄａｕｅｒ）モデルを使って視覚化するこ
とができ、その中で、三端子デバイスは、液体駆動型の「ピストン」との類似性
において示され、「制御」液体が第２の「移動」液体の流れを制御する。適切な
動作のために、液体は、それらの間にほとんど混合がなく分離されることが重要
である。バイポーラ・トランジスタの場合、小さいベース電流がずっと大きなコ
レクタ電流を制御し、出力における変化が入力には、ほとんど影響しない。同様
な特徴は、ほとんどの他の半導体三端子デバイスに対しても適用される。しかし
、準粒子素子の場合、中央の超電体電極が僅かな程度の一方向性だけで入力と出
力との間で共有される。そのようなデバイスは、あまり有用ではない。さらに、
ギャップの抑圧は、平衡からの大きな偏位を要求する。

【０００８】 準粒子乗算器［Ｎ Ｅ ブース“Ｑｕａｓｉｐａｒｔｉｃｌｅ ｔｒａｐｐｉ
ｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｓｉｐａｒｔｉｃｌｅ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ”
（準粒子トラッピングおよび準粒子乗算器）、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，
５０，２９３（１９８７）］は、準粒子トラッピング方式を使用する。準粒子素
子と同様に、それはトンネル障壁によって分離された３つ（最小限）の導電性膜
から構成されている。中央の膜は、２つの超電導体の二層構造の膜であり、一次
膜Ｓ１のエネルギ・ギャップは、Δ１であり、トラッピング膜Ｓ２のエネルギ・
ギャップは、Δ２である。Δ２がΔ１の３分の１より小さい場合、トラッピング
のプロセスにおいて放射されるフォノンによって、追加の準粒子が作り出される
可能性があり、そのプロセスではＳ１からＳ２へ拡散していく準粒子が低い方の
エネルギ・ギャップへ弛緩する。準粒子素子と対照的に、高い方向性がある。元
々提案されたように、いくつかの段を光電子増倍器のようにカスケードに接続す
ることができるが、Ｎｂ−Ａｌ膜に対する１段当たりの利得は、３より大きくな
く、この値は、弛緩フォノンがトラップの中に吸収される場合（ほとんどあり得
ない）にのみ得られる。

【０００９】 上記の３つのデバイスのすべてがジョセフソン効果を抑圧するために小さな磁
場を印加する必要があることも注意する必要がある。

【００１０】 特定の応用を有する可能性のある他のデバイス、例えば、渦流に基づいたデバ
イスも提案され、研究されてきた。ごく最近、ノーマル・メタル膜を通る電流に
よる超電導電流の制御に基づいた新しいデバイスは、Ａ Ｆ モルプルゴ（Ｍｏ
ｒｐｕｒｇｏ）、Ｔ Ｍ クラプウェイク（Ｋｌａｐｗｉｊｋ）およびＢ Ｊ
バン・ウィーズ（ｖａｎ Ｗｅｅｓ）の“Ｈｏｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｎａ
ｂｌｅ Ｓｕｐｅｒｃｕｒｒｅｎｔ”（ホット・エレクトロン制御可能な超電導
電流）、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２，９６６（１９９８）において提
案された。

【００１１】 従って、満足できるトランジスタに似た超電導デバイスに対するニーズは、ま
だ満たされていない。

【００１２】 本発明は、１つのデバイスを提供し、その中で超電導領域からエネルギ・ギャ
ップΔで通常の領域へ移動している準粒子が電子−電子の相互作用において、そ
のポテンシャル・エネルギを失い、通常の領域において熱的に励起された平衡状
態の数より多い数の励起された電子を増加させる。この増加が電流増幅に対する
基本である。同じ効果がホールで発生する可能性がある。以下において、チャー
ジ・キャリヤという用語は、電子またはホールを指すために使われる。

【００１３】 さらに詳しく言えば、本発明に従って第１のノーマル領域と接触している第１
の超電導領域を含んでいる超電導トンネル接合デバイスが提供され、第１のノー
マル領域へ弛緩している第１の超電導領域からの準粒子のポテンシャル・エネル
ギが第１のノーマル領域のフェルミ・レベル以上に励起されたチャージ・キャリ
ヤの数の増加に変換される。

【００１４】 そのデバイスは、トンネル接合を形成するための絶縁トンネル障壁によって第
１のノーマル領域から分離されている第２の超電導領域をさらに含むことができ
、そのトンネル接合を横切ってチャージ・キャリヤが第２の超電導領域へトンネ
ルし、準粒子をその中で形成する。この第２の超電導領域は、そのデバイスの電
極を形成することができる。

【００１５】 第２の超電導領域および第１のノーマル領域を互いに相対的にバイアスし、第
２の超電導領域のエネルギ・ギャップが第１のノーマル領域のフェルミ・レベル
に近くなるようにすることができる。

【００１６】 従って、第１のノーマル領域（導電領域）は、第１の超電導領域からの準粒子
に対するトラップとして働き、準粒子がそのトラップに入ると、弛緩し、そのポ
テンシャル・エネルギがノーマル・トラップの中のチャージ・キャリヤの運動エ
ネルギに変換される。このノーマル・トラップは、ＮＩＳ（ノーマル、絶縁体、
超電導体）接合であるトンネル接合の通常の電極として働くように構成される。
弛緩している準粒子からのエネルギの転送によって、ノーマル・トラップの中の
チャージ・キャリヤの数が熱励起によって生成される平衡数以上に増加する。こ
れが電流増幅の基本である。ノーマル・トラップ領域は、以前には超電導電極か
らの準粒子のエネルギを消費させるために使われてきたが、本発明においては、
そのエネルギが消費されず、ノーマル・トラップの中のチャージ・キャリヤを励
起するために使われ、それによって増幅された電流が形成される。

【００１７】 この超電導デバイスの重要な特徴は、第１の超電導領域の中のエネルギ・ギャ
ップの存在であり、第１の超電導体領域の中の準粒子のポテンシャル・エネルギ
Δがチャージ・キャリヤの励起に変換され、それが順に、第２の超電導領域に対
してトンネル電流を形成し、それがノーマル・メタル・トラップの中に励起され
たチャージ・キャリヤが存在する時だけ流れる。

【００１８】 第１の超電導領域の中の準粒子は、そのデバイスが検出器として使われている
時、入射する放射または粒子（例えば、核粒子）によって、その中に直接、生成
されるか、あるいは「ベース」領域からトンネル接合を経由して注入されるかの
いずれかで生成することができる。（「ベース」という用語は「エミッタ」、「
コレクタ」と同様にバイポーラ・トランジスタとの類似性で使われている。ただ
し、明らかに、物理的な動作原理は異なっている）。ベース領域は、絶縁トンネ
ル障壁によって第１の超電導領域から分離されている第２のノーマル領域を含む
ことができる。そのベース領域は、トンネル障壁を通ってフェルミ・レベル以上
に励起されたチャージ・キャリヤが第１の超電導領域において準粒子を形成する
ように電気的にバイアスされる。従って、そのデバイスの構造は、Ｎ−Ｉ−ＳＮ
−Ｉ−Ｓとなっている。その増幅効果は、第１のノーマル領域（トラップ）の中
の励起されたチャージ・キャリヤの数を第２の領域に対して比較することによっ
て理解することができる。ベースにおいては、励起されたチャージ・キャリヤの
数は、単純に熱平衡の励起された数である。しかし、トラップにおいては、その
数は、第１の超電導領域からの弛緩している準粒子からのエネルギによって増加
される。この数の増加が増幅を表している。

【００１９】 ノーマルのベース領域についての上記のＮ−Ｉ−ＳＮ−Ｉ−Ｓデバイスにおい
て、第１のノーマル領域は、エミッタ電極を形成することができ、第２の超電導
領域がコレクタ電極を形成し、従って、バイポーラ・トランジスタに似たデバイ
スを生成している。

【００２０】 他の実施形態においては、ベース領域は、１つの超電導領域を含むことができ
、その場合、ベース−エミッタ接合がジョセフソン接合として働く。すなわち、
小さい磁場を印加することによって、その中のジョセフソン電流を抑圧すること
ができる。もう１つの代替案は、ベース領域が半導体膜である場合、例えば、放
射線検出器として使われる場合である。

【００２１】 上記Ｎ−Ｉ−ＳＮ−Ｉ−Ｓデバイスを密接に接触しているもう１つの超電導体
領域を有しているノーマルなベース領域によって変更し、ベースのノーマル膜が
もう１つの超電導領域の中で発生された準粒子に対するトラップとして働くよう
にすることができる。そのようなデバイスも放射線検出器として、特にＸ線また
はフォノン検出器として使うことができる。

【００２２】 コレクタ領域（第２の超電導体）は、エミッタ領域（第１のノーマル領域）に
対して相対的に電気的にバイアスされ、エネルギ・ギャップのトップがエミッタ
のフェルミ・レベルのすぐ上にあるようにし、チャージ・キャリヤのトンネリン
グを可能にするようになっている。同様に、ベース領域が提供されている場所で
は、ベースとエミッタが相対的に同様にバイアスされ、第１の超電導領域のエネ
ルギ・ギャップのトップをフェルミ・レベルのすぐ上に置き、チャージ・キャリ
ヤのトンネリングを可能にしている。

【００２３】 第２の超電導領域は、そのものがコレクタ電極を形成することができるが、そ
れに接触しているもう１つのノーマル領域をその領域からの準粒子に対してトラ
ップとしてさらに提供することも可能である。次に、そのノーマル領域がコレク
タ電極の電気的および熱的な接触を形成する。

【００２４】 上記のデバイスにおいて、ベース−エミッタ接合またはコレクタ−エミッタ接
合を２つまたはそれ以上の並列の接合に分割して加算回路、ファンアウト回路ま
たはダブル・コレクタ回路を提供することができる。

【００２５】 そのデバイスの中で使われる材料に関しては、超電導体は、任意の超電導材料
、例えば、ニオビウム、窒化ニオビウムまたはアルミニウムであってよく、ノー
マル領域は、金属と同様な導電性の領域、例えば、モリブデン、タングステン、
マグネシウム、カルシウム、銅、パラジウム、銀または金などの金属の領域であ
ってよい。その超電導材料は、特にアルミニウムが使われている場合、超電導コ
ヒーレンス長を減らすために不純あるいは不規則なものとすることができる。も
ちろん、高温超電導体または有機超電導体も使うことができる。

【００２６】 このデバイスは、半導体トランジスタに類似した方法でアナログ電気信号増幅
器として、あるいはデジタル・スイッチング・デバイスとして使うことができる
。また、広範囲の粒子／放射線、例えば、核粒子、フォトン、Ｘ線、フォノン、
二分子イオンまたは塵埃粒子などのための検出器としても使うことができる。従
って、それは各種の計測器、例えば、質量分析器、走査型電子顕微鏡と組み合わ
せて使うことができる。

【００２７】 また、このデバイスは、マイクロ冷却素子としても使うことができる。この理
由は、ベース領域から「ホット」チャージ・キャリヤを取り除くことによって、
その領域の電子冷却ができるからである。その冷却効果は、同じベース領域を冷
却するために２つまたはそれ以上のデバイスを使うことによって増加させること
ができる。

【００２８】 このデバイスは、ノーマル領域から超電導体へのチャージ・キャリヤのトンネ
ル化が電子またはホールのいずれかであるようにバイアスすることができること
が理解される。

【００２９】 従って、本発明のデバイスは、広範囲の各種の機能を実行することができ、ま
た超電導三端子デバイスに必要な性質のすべてを有することが理解される。単純
にバイアスの極性を逆にすることによって、同じデバイスからｐｎｐおよびｎｐ
ｎのバイポーラ・トランジスタの両方に等価な出力特性を実現することができる
。また、半導体の分野には存在しない２つの相補デバイス、すなわち、電流利得
が負であるデバイスを簡単に実現することができる。準粒子素子とは対照的に、
出力における変化の入力に及ぼす影響は、最小限であり、従って、入力と出力と
の間の分離が良好である。また、このデバイスは、ジョセフソン接合回路と簡単
に合同することができる。この理由は、上記の従来の技術において説明された３
種類の不平衡デバイスとは異なり、ジョセフソン効果を抑圧するための磁場が不
要であるからである。このデバイスは、高感度で光学的にカップルされた入力を
受け入れるように構成することができる。

【００３０】 １つの特定の利点は、放射線損傷に対する抵抗性が高いことである。これによ
って、このデバイスは、原子炉またはアクセラレータまたは宇宙（例えば、衛星
上）などの苛酷な環境において使うことができる。

【００３１】 本発明を添付の図面を参照しながら以下にさらに記述するが、これは単なる例
示にすぎない。

【００３２】 本発明の第１の実施形態の動作は、図１を参照して以下に説明される。簡単の
ために、準電子トンネル化に関して説明される。ただし、以下に説明されるよう
に、バイアス極性の１つまたは両方を逆転することによって、超電導領域におけ
る準ホールを形成するためにホールがトンネルする類似のデバイスが与えられる
。

【００３３】 それはノーマル・メタルＮ₁と、それにメタリックに接触しているエネルギ・
ギャップΔ₁の超電導体Ｓ₁から構成されている二層構造に基づいている。拡散ま
たは衝突によってＳ₁からＮ₁へ移動する準粒子は、励起された電子（およびホー
ル）の数を熱励起の平衡状態の数以上に増加させることによって、そのポテンシ
ャル・エネルギ≧Δ₁を解放する。フェルミ・レベル以上にチャージ・キャリヤ
の個数を増加させることは、トラップＮ₁がノーマル−絶縁物−超電導体（ＮＩ
Ｓ）接合のＮ個の電極としても使われる時の電流増幅のための基本である。

【００３４】 図１の上部に概略的に示されているように、入力段は、ノーマル・メタル領域
Ｎ₀、絶縁トンネル障壁Ｉ₁、その次に超電導領域Ｓ₁から構成されているＮＩＳ
トンネル接合Ｊ₁から構成されている。ノーマル・メタルの準粒子トラップＮ₁が
超電導領域Ｓ₁に対して付着されている。このノーマル・メタル・トラップＮ₁は
、絶縁のトンネル障壁Ｉ₂およびもう１つの超電導領域Ｓ₂によって形成される第
２接合Ｊ₂（Ｎ₁Ｉ₂Ｓ₂）のノーマル−メタル電極として働くように構成されてい
る。接合Ｊ₁およびＪ₂は、それぞれ準粒子素子との類似性における「インジェク
タ」および「アクセプタ」と考えることができる。シンボルＯは、電気的接触を
示す。一般に、その接触は、超電導性であるべきであるが、これは必ずしも不可
欠ではない。それらはバイポーラ・トランジスタに対するベース、エミッタおよ
びコレクタの接続に対するラベルとの類似性においてｂ、ｅ、ｃとラベルが付け
られている。

【００３５】 このデバイスの動作は、図１の下側の部分の中の電子エネルギ・レベルを参照
することによっても理解することができる。超電導体およびノーマル・メタルに
おける充填された（影付きの）および空の電子状態がエネルギの縦方向のプロッ
ト付きで示されている。また、フェルミ・レベル以上に励起された電子およびそ
の仲間のホールの状態も示されている。超電導体の中の価電子のほとんどが従来
のシンボルによって示されているようなフェルミ・レベルにおけるクーパ（Ｃｏ
ｏｐｅｒ）ペアの形式である。任意の動作温度Ｔにおいて、Ｎ₀の中のいくつか
の電子がフェルミ・レベルＥ_F以上の状態まで熱的に励起され、それに対応して
いるＥ_F以下のホール状態を残している。（励起された電子の数は、多くの方法
、例えば、Ｎ₀電極におけるエネルギの大きい電子の注入または放射の吸収によ
って増加させることができる）。Ｎ₀の中のエネルギがΔ₁とｅＶ_beとの差より大
きい電子（ここで、ｅは電荷であり、Ｖ_beはコンタクトｂとｅとの間のバイアス
電圧である）が絶縁のトンネル障壁Ｉ₁を通ってトンネルすることができ、Ｓ₁層
において準粒子となる。これはＮ₀電極における電子に及ぼす冷却効果を有する
。Ｎ₀の冷却効果は、Ｎ₀が放射またはフォノンの検出器として使われる時、その
デバイスが２段のマイクロ冷却素子として使われる時に重要である。しかし、デ
バイスが回路要素としてみなされる時、このＮ₀の冷却を無視することができる
。Ｓ₁の中に注入される各準粒子のポテンシャル・エネルギは、≧Δ₁である。拡
散または衝突の輸送によって準粒子がノーマル・メタル領域Ｎ₁に到達すると、
それらは、それぞれのポテンシャル・エネルギを解放することによって弛緩する
。本発明によると、このエネルギは、ノーマル・メタル領域Ｎ₁の中の他の電子
と共有することによって解放され、従って、Ｎ₁の中の電子システムを加熱し（
電子−電子相互作用）、トラップから脱出することができるフォノンを解放する
ことによってではなく、構造全体を加熱する（電子−フォノンの相互作用）。従
って、Ｎ₁におけるフェルミ・レベル以上の電子の平均個数における増加および
ホールの数における対応している増加がある。Ｎ₀とＮ₁が似た温度にある場合、
トラップされた各準粒子に対して約ｋ_BＴのエネルギまで励起された電子の数＜
ｎ＞がある。ここで、ｋ_Bは、ボルツマン定数である。ここで、ノーマル・メタ
ル領域Ｎ₁は、第２の接合Ｎ₁Ｉ₂Ｓ₂のノーマル・メタル電極として使われている
。この第２の接合の電流は、第１の接合の電流より大きくなり、それはそのノー
マル・メタル電極Ｎ₁の中に＜ｎ＞〜Δ₁／ｋ_BＴ倍の数の「ホット」電子がある
からである。従って、一次近似でΔ₁／ｋ_BＴの電流利得を伴う増幅効果がある。
電流が連続であるので、励起されたトンネル化電子は、電源からｅコンタクトの
中に注入されたフェルミ・レベルにおける電子によって置き換えられる。

【００３６】 二流体モデルの表現では、「制御」流体は、ベース−エミッタ電流、すなわち
、Ｎ₀からＮ₁への電流であり、「ピストン」は、エミッタ電極Ｎ₁の実効電子温
度Ｔ_eであり、「移動している」流体は、コレクタ電流、すなわち、Ｔ_eの強い関
数であるＮ₁からＮ₂への電流である。Ｎ₁の中の電子の温度変化がＮ₀の中の電子
の温度変化を発生するバック・ミキシングは、非常に間接的にしか発生しない可
能性があり、そのことは出力が入力からかなり十分に隔離されていることを意味
する。

【００３７】 バイポーラ・トランジスタまたは電界効果トランジスタとの類似性は、正確で
はない。バイアスの極性および電流の流れがエミッタに対して相対的に定義され
ている半導体デバイスを記述するための決まりにおいて、バイアス電圧がＶ_beお
よびＶ_ccとして示されている図１のデバイスの電流利得は、負である。このデバ
イスは、図８（ｃ）によって抽象的に記述されている。両方のバイアス極性が反
転された場合、図８（ｄ）のデバイスが得られ、その電流利得も負である。これ
らのデバイスに対応している半導体トランジスタはない。バイアスの極性が（ｃ
）または（ｄ）から逆転されている図８（ａ）および（ｂ）のデバイスの電流利
得は、正であり、ｎｐｎおよびｐｎｐのバイポーラ・トランジスタにそれぞれ最
もよく似ている。

【００３８】 ３つの電極のどれかを分割して、２つまたはそれ以上の並列の接合にすること
もできる。これは図９（ａ）において概略的に示されているように加算回路を作
るためのベース電極によって、図９（ｂ）によって示されているようなエミッタ
電極によって、またはファンアウト回路を作るためのコレクタ電極によって行う
ことができる。そのような回路には、ある種の応用があり得るが、並列の接続が
互いに十分には隔離されていないので、おそらくあまり有用ではない。もっと有
用なデバイスは、図８（ｅ）および（ｆ）に抽象的に示されているように、２つ
の出力（同じ接合領域の）が直列になっているダブル・コレクタ接合によるデバ
イスであり、その物理的構造が図９（ｃ）に概略的に示されている。これらのデ
バイスの電流利得は、単独コレクタ・デバイスの半分であるが、電圧利得は、倍
である。エミッタが接地されているように示されているが、これはその必要はな
い。そのバイアス電圧は、２つのコレクタ間のちょうど中間である必要がある。

【００３９】 もう１つのノーマル・メタル・トラップＮ₂を第２の超電導領域Ｓ₂の上に製造
することができ、これを１つまたはそれ以上のさらにカスケードに接続されてい
る段に対する入力電極として使うことができる。

【００４０】 このデバイスの直流動作が以下に説明される。ふたたび図１の中に概略的に示
されている実施形態およびエネルギ・レベルの図を参照する。

【００４１】 両方の接続に対する電流Ｉ_NIS、電圧Ｖと温度Ｔとの間の関係は、以下の既知
の近似ＮＩＳ式によって与えられる。

【００４２】 ここで、電流も（Δ／ｅ）／Ｒ_NNの単位で正規化された形式Ｉで書かれている
。ここで、Ｒ_NNは、接合のノーマル状態の抵抗であり、正規化された変数の項で
はＹおよびＺは、以下のように表される。

【００４３】 ｜Ｙ｜＜１の場合、順方向の特性は、指数関数的であり、これはｐｎ接合の特
性に似ている。しかし、半導体のｐｎ接合と対照的に、その逆方向特性は、順方
向特性の非対称的な特性である。図１において、Ｓ₁の中の準粒子のほとんどが
トラップＮ₁に入り、そのポテンシャル・エネルギ を与えることによってＮ₁のフェルミ・レベルの近くにまで弛緩する。超電導ト
ラップに関与した準粒子増倍器において、この弛緩は、フォノンの照射によって
発生した。しかし、本発明においては、この弛緩は、電子−フォノン（ｅ−ｐ）
の相互作用ではなく、電子−電子（ｅ−ｅ）の相互作用によって主として発生す
る。その望ましい結果は、トラップされた準粒子のエネルギがそのトラップの中
の電子システムを加熱し、フォノンの照射（それは主として、そのトラップを抜
け出して構造全体を加熱する）によって失われないことである。その望ましい結
果は、励起することができる大量の自由電子を有するノーマル・メタル・トラッ
プに対して起こりやすく、一方、超電導トラップにおいては、電子のほとんどが
クーパ・ペアにおいて束縛され、２個の励起された電子を発生するためには２Δ
のエネルギが必要である。例えば、３５〜２５０ｍＫの範囲内の温度において超
電導のアルミニウム膜の場合、ノーマル・メタル銀の並んで立っているトラッピ
ング膜によって、準粒子は、そのエネルギの８０％以上を銀の中の導電電子に対
して転送し、１００ｍＫにおける超電導アルミニウム膜の場合、並んで立ってい
るノーマル・メタル銀のトラッピング膜によって、準粒子は、そのエネルギーの
９０％以上を銀の中の導電電子に対して転送する。このプロセスに対する効率を
ηとすると、ベース電流Ｉ_bは、以下の式によって与えられるＮ₁へのパワーフロ
ーを発生する。

【００４４】 図２は、図１のデバイスにおけるパワーフローのメイン・ルートを概略的に示
している。パワーＰ_bは、信号励起に起因するベース電極Ｎ₀の中へ流れ込むパワ
ーを表している。ジュール・パワーＰ_j1＝Ｉ_bＶ_beおよびＰ_j2＝Ｉ_cＶ_ceは、第１
および第２の超電導領域Ｓ₁およびＳ₂において、それぞれフォノン・システムの
中で消費される。準粒子のトラッピングに起因するノーマル・メタルのエミッタ
電極Ｎ₁へのパワーフローＰ_eは、式（３）によって与えられる。ただし、損失Ｐ _L1 は、同じ形式であるが、ηが（１−η）によって置き換えられている。もちろ
ん、電流は、連続である。再結合によって失われる準粒子は、フェルミ・レベル
にあるクーパ・ペアによって置き換えられ、Ｎ層からトンネルする励起された電
子がフェルミ・レベルにある電子によって置き換えられる。上記のように、ＮＩ
Ｓのトンネリングは、ノーマル・メタル電極の中の電子を冷却するという顕著な
性質を有する。Ｐ_N0およびＰ_N1として示されている、ノーマル・メタル領域Ｎ₀
およびＮ₁からのトンネルに起因する冷却パワーは、以下の式によって与えられ
る。

【００４５】 前に説明されたように、ほとんどの場合、Ｐ_N0を無視する。また、最終の電気
抵抗に起因するバイアス電流によってＮ₀およびＮ₁の層の中でジュール・パワー
が消費される可能性もある。以下に説明されるデバイスの場合、これは無視でき
た。

【００４６】 量Ｐ_ep0およびＰ_ep1は、Ｎ₀およびＮ₁の電極の中の電子システムからそれぞれ
のフォノン・システムに対する、従って、温度Ｔ₀に保たれている基板に対する
熱的パワー損失である。これらの熱的パワー損失は、以下の式のように書くこと
ができる。

【００４７】 ここで、Ω_Nは、電子温度Ｔ_Nにあるノーマル・メタルのボリュームであり、Σは
、１〜５ｎＷμｍ^-3Ｋ^-5の範囲内の値の材料依存の量である。この式において、
Ｎ電極におけるフォノン温度は、ヒート・バスＴ₁と同じであると仮定した。こ
れが良好な近似となる範囲は、その膜の幾何学的構造およびそれぞれの基板に対
するカップリングの詳細によって変わる。

【００４８】 最後に、Ｐ_SSとして示されている残りのパワーは、基板の中で消費される必要
がある。このパワーは、 のエネルギにあるＳ₂における準粒子のポテンシャル・エネルギの中に主として
存在する。このエネルギは、主として粒子再結合によって失われ、結果の２Δの
フォノンがデバイスの中に逆にリークし、パワーフローを変える可能性がある。
この効果によって、準粒子が再結合する前にその接合から拡散するように、第２
の超電導領域Ｓ₂を大面積の電極とすることによって最小化することができる。
代わりに、ノーマル・メタル膜Ｎ₂は、例えば、図９、図１０、図１２および図
１３に示されているように、準粒子およびサーマライザに対するトラップとして
働くように第２の超電導領域Ｓ₂に対して付着させることができる。このもう１
つのノーマル・メタル膜Ｎ₂は、基板に十分結合されている必要がある。

【００４９】 上で得られたΔ₁／ｋ_BＴよりもっと実際的な電流利得の近似評価が以下に説明
される。

【００５０】 エミッタ電極Ｎ₁から出入りするパワーフローを考える。直流状態においては
、正味のフローは、０でなければならない。それによって以下の式が成立する。

【００５１】 第１項は、弛緩している準粒子によって与えられるパワーであり、第２項は、
上記の熱的パワー損失であり、右辺は、エミッタからコレクタへ流れるパワーで
ある。これは、このデバイスの動作を支配する基本式である。

【００５２】 ここで、式（６）の２つの異なるリミットを考える。ある場合（例えば、以下
に説明されるようなデバイスの場合）、コレクタ電流に起因する冷却パワーを無
視することができる。この場合、（Ａ）式（６）の右辺（ｒｈｓ）は、非常に小
さく、エミッタ電子温度は、左辺（ｌｈｓ）を０に設定することによって計算さ
れ、以下の式が得られる。

【００５３】 このＩ_bの値に対するＩ_cは、次に式（１）の中に、この値Ｔ_eを挿入すること
によって求めることができる（一定のＶ_ceに対して）。

【００５４】 簡単にＰ_epの項を無視して、以下の式（Ｂ）が得られる。

【００５５】 マイクロ冷却素子のテストにおいては、０．９〜０．９５のバイアス電圧ｅＶ
／Δが最も良い結果を与えた。従って、１０〜２０の電流利得がΔ₁≒Δ₂に対し
て実現可能である。

【００５６】 Ｐ_epの項を含めると、式（６）は、入力電流Ｉ_bをＩ_c、Ｖ_ceおよびエミッタ電
極Ｔ_eの電子温度の関数として解かなければならない。これらの３つの値は、パ
ワー平衡式（６）によって、および式（１）によって与えられているコレクタの
Ｉ／Ｖ特性の両方によって関連付けられていることに注意される。解の一例が図
３に示されており、その中では式（６）の両辺がスケールされたエミッタ温度Ｔ _e ／Ｔ₀（ここで、Ｔ₀はベースの温度である）の関数としてプロットされている
。その交点が動作点であり、エミッタの電子温度Ｔ_eおよびパワーフローの大き
さを与える。点ＡおよびＢは、上記のリミット（Ａ）および（Ｂ）に適応する。

【００５７】 このモデルによると、入力電流Ｉ_bは、Ｔ_cを増加させ、固定のＶ_ceに対して、
出力電流Ｉ_cの振幅が２つの接合のすべての極性の組合せに対して増加する。し
かし、Ｉ_cの増加がＩ_bの変化を生じる可能性がある直接のメカニズムは、存在し
ない。従って、出力から入力への分離は、大きい。フォノンの生成および幾何学
的配置構成に強く依存するＳ₂、Ｎ₁およびＳ₁から逆にＮ₀へ戻る転送の詳細のモ
デルは、トランジスタの場合の電圧フィードバック比に類似している間接のカッ
プリングを評価するために必要である。その電流利得は、図１に示されているよ
うに、バイアス電圧｜Ｖ_ce｜がΔ₂に近付く時に１を超える可能性がある。しか
し、｜Ｖ_ce｜は、Δ₂をあまり大きく超えてはならない。この理由は、ホールお
よび電子の両方がＮ₁の温度にほとんど依存せずに流れる可能性があるからであ
る。

【００５８】 コレクタ特性の例が１００ｍＫにおけるＡｌに対応しているΔ₁、Δ₂およびＴ ₀ に対して図５に示されている。

【００５９】 図に示されているように、線形の負荷線を選定して（ａ）一定電圧のバイアス
における電流利得または（ｂ）一定電流のバイアスにおける電圧利得（または任
意の中間の組合せ）のいずれかを与えることができる。例えば、正規化されたベ
ース電流の０．００２５から０．００５０までの変化によって、Ｒ_NN1＝Ｒ_NN2に
対して８．５の電流利得に対応して負荷線（ａ）に沿って、０．０２１の正規化
されたコレクタ電流の変化が与えられる。

【００６０】 線形動作の領域は、抵抗の負荷線に対して制限されるが、（ｃ）負荷として別
のデバイスを使うことによって線形の領域を拡大することができることが分かる
。図５の中の水平方向の目盛りは｜Ｙ_ce｜＝０．９８まで伸びており、この値に
おいて、式（１）の近似が下記の正確な式から大幅にずれはじめ、電流を４０％
だけ多く評価する。

【００６１】 式（６）において を使うことによって、Ｓ₁およびＳ₂を異なる超電導体とすることができる。また
、接合のノーマル状態の抵抗値Ｒ_NN1とＲ_NN2とが異なる配置構成およびＮ₁トラ
ップのボリュームを変更する（限度内で）ことも可能である。従って、設計にお
いて、かなりの柔軟性があり、特定の応用に対して設計を最適化するための可能
性がある。例えば、図３に戻って参照すると、図に示されているパラメータに対
して、１ｈｓとマークされている曲線がトラップのボリュームを変えることによ
って水平軸と交わる点を変更することができる。また、Δ₂またはＲ_NN2を変更す
ることによって、Ｒｈｓとマークされている曲線を定数（１より大きいか小さい
）で乗算することもできる。特に、２より僅かに大きい係数で、それを乗算する
ことによって、交点がＴ_e／Ｔ₀≒１になり、その結果、エミッタの温度がこの動
作点においてバス温度に近くなる。しかし、入力パワーによるエミッタ温度の変
化のレートは、減少する。他方、Ｒｈｓの大きさを減らした場合、ベース電流の
変化に起因する温度変化が増加するが、デバイスの挙動は、Ｐ_epの項にさらに依
存するようになる。以下に説明されるように、同様な考察がデバイスの時間応答
およびバンド幅に対しても適用される。

【００６２】 さらに、式（６）から分かるように、ベース電極の正確な性質は、それが準粒
子をＳ₁の中に注入できる限り無関係である。図１の実施形態において、それは
ノーマル・メタルであるが、それは例えば、図１１（ｆ）に示されているように
超電導体Ｓ₀とすることができる。この場合、接合Ｊ₁は、ジョセフソン接合とし
て働くことができ、あるいは、その接合面に小さな磁場を印加することによって
ジョセフソン電流を抑圧することができる。また、ベース電極は、半導体Ｓ_m、
例えば、図１１（ｅ）に示されているような光に感じる半導体材料の薄膜とする
こともできる。これらのデバイスについては、後でそれらが有用である特定の応
用に関して説明される。

【００６３】 ノーマルのベース電極を有するデバイスの入力特性が式（１）によって（ある
いは、より正確には式（Ａ１）によって）与えられている。小信号解析の場合、
一定温度におけるバイアス電圧に関して偏微分が必要であり、正規化された入力
コンダクタンスは、以下のようになる。

【００６４】 ここで、通常の動的入力抵抗ｒ_inを定義している。ここで、Ｖ_ce＞０で式（１
）に基づいた近似の結果およびその微分を主として使用する。それらは計算が比
較的容易であるだけでなく、比較的透過的な代数的結果を与えるからである。

【００６５】 ここで、エミッタに流れ込むパワーＰ_sig（ｔ）に起因するエミッタ温度Ｔ_eに
おける時間依存の変化ΔＴ_e（ｔ）を考える。式（６）は、より一般的な形式で
以下のように書き換えることができる。

【００６６】 ここで、Ｃ_eは、エミッタの電子的熱容量である。大きな温度変化に対して、
この式が数値的に解かれ、最も便利なのは、コレクタ−エミッタ接合の一定電流
または一定電圧のバイアスのいずれかに対して解かれる。小さい温度変化に対し
て、リミットΔＴ_e（ｔ）＜＜Ｔ_eにおいて、式（６）が式（９）から差し引かれ
、以下の式が得られる。

【００６７】 さらに解析を進めるために、時間依存性Ｐ_sig（ｔ）に対する１つの形式が選
択され、特に が選定される。これはボロメトリックな応答 を発生すると仮定される。これによって以下の式が得られる。

【００６８】 一定電圧バイアス（ＣＶＢ）または一定電流バイアス（ＣＣＢ）のいずれかに
おける微分ｄＰ_NI／ｄＴ_eが取られる。式（４）に与えられている式Ｐ_NIに対す
る近似の形式によって、以下のように放射感度が得られる。 （ａ）ＣＣＢの場合、

【００６９】 （ｂ）ＣＶＢの場合、

【００７０】 ここで、

【００７１】 ここで、この近似はＶ_CE＞０に対して式（１）を微分し、 で置き換えることによって得られ、ここで、ψ＝（Δ₂−ｅＶ_ce）／（ｋ_BＴ_e）
である。時定数は、以下の式で表される。

【００７２】 Ｐ_sig（ｔ）がどのようにして発生されるかはまだ指定されていないので、こ
れらの関係は、任意のＮＩＳ接合に対して成立する。将来の参照のために、Ｇ_{CC B} およびＧ_CVBは、電熱的フィードバックを提供し、両方とも１つのモードの動作
に対してのみ安定性を有する他のボロメトリック・デバイスに対する状況とは対
照的に、ＣＣＢ（δＶ_ce／δＴ_e）Ｉが負であるので）およびＣＶＢの両方に対
して安定な動作を生じる傾向があるネガティブ・フィードバックを提供する。

【００７３】 電気的小信号パラメータを得るために、ここで、式（３）から以下の式を与え
る時間依存のベース電流 によって、Ｐ_sig（ｔ）が発生されると仮定する。

【００７４】 ＣＣＢに対して、小信号の順方向変換インピーダンスが以下のように導かれる
。

【００７５】 ここで、ｒ_trは、変換抵抗であり、それは三極管に対する類似性において電圧
増幅係数が以下のように導かれる。

【００７６】 ここで、一定に保たれている温度は、ベースの温度であり、エミッタの温度Ｔ _e ではないことに注意される。ＣＶＢに対して、小信号電流利得を直接以下のよ
うに導く。

【００７７】 最大電流利得は、Ｙ_ce＝１のすぐ下の電圧バイアス値において達成され、ここ
で、 が最大値であり、これは冷却パワーの挙動に似ている。

【００７８】 このデバイスと半導体バイポーラ・トランジスタとの間にいくつかの比較が得
られるが、その類似性は、あまり有用ではない。この理由は、トランジスタの場
合、そのコレクタ電流は、広い範囲にわたってＶ_ceにはほとんど無関係であり、
一方、このデバイスの場合は、強い依存性があり、真空管の三極管との共通性が
より多い。結果として、相互コンダクタンスは、有用なパラメータではない。

【００７９】 低周波電源および電流源の等価回路を使うことができる１つの有用なパラメー
タは、出力またはコレクタのコンダクタンスｇ_cであり、それは以下の式によっ
て与えられる。

【００８０】 正規化された形式においては、ｇ_Nc≡Ｒ_NN2ｇ_cは、図５に示されているコレク
タ特性の傾斜である。β₀および出力コンダクタンスｇ_Ncのプロットは、ふたた
び１００ｍＫにおけるＡｌの例に対して図６に示されている。その結果は、１０
〜２０の電流利得の評価が確認されている。

【００８１】 ここで、増幅器段の低周波利得は、式（１４）〜（１７）から得られる電圧源
または電流源の等価回路から推定することができ、それは図２０に示されている
。例えば、負荷Ｒ_Lに対して、図２０（ｂ）は、以下の式を与える。

【００８２】 一例として、０．１Ω^-1のｇ_cの値およびＲ_L＝５０Ωは、単独段に対して２０
０ＶＡ^-1に近い回路の変換抵抗を与えることができる。式（１８）の符号は、ｂ
−ｅまたはｃ−ｅのバイアス極性を反転することによって反転できることが思い
出される。

【００８３】 高い周波数での動作に対して、時定数τ_CCBおよびτ_CVBを考慮することができ
る。それぞれのＴ_eおよびＹ_ceによる変動は、非常に複雑である。この理由は、
これらの変数について、トンネリングおよび電子−フォノンのカップリングの両
方に起因して、エミッタの熱容量および熱電導率の依存性が異なるからである。
一例として、τ_CVBが図６の同じパラメータに対して図７にプロットされている
。この時定数についての詳しい説明が以下に与えられる。

【００８４】 このデバイスの感度（または増幅機能）および時定数について説明してきた。
敏感な粒子および放射線の検出および低レベル信号のアナログ増幅にとって特に
重要な第３の属性は、電子的ノイズである。どの応用においても。そのデバイス
に固有のノイズ源があり、周辺および負荷されているコンポーネントおよび他の
デバイスからの外来性のソースもある。ｅ−ｃ接合Ｎ₁−Ｉ₂−Ｓ₂が考慮される
。この理由は、それは動作を制御するＮ₁の中の電子の温度Ｔ_eであるからである
。ＮＩＳ接合に本来的なノイズの３つのソースがある。ただし、それらのうちの
２つは、相関がある。その第１は、電子−フォノンのパワーフローにおける変動
に起因する変動ノイズ、すなわち、「フォノン・ノイズ」である。エミッタにお
けるパワーに関する寄与は、パワー・スペクトル密度またはノイズ等価パワー（
ＮＥＰ）の項で書かれる。フォノンのノイズ項に対する平衡近似は、以下の式で
表される。

【００８５】 他の本来的な寄与は、接合におけるショット・ノイズの電気的および熱的効果
である。ｃ−ｅ接合におけるショット・ノイズは、 によって与えられる単位バンド幅における平均二乗電流変動を生じる。ショット
・ノイズの電流は、Ｉ_SN＝√２ｅＩ_cとして定義することができ、それはショッ
ト・ノイズ電圧Ｖ_SN＝√２ｅＩ_c／ｇ_cも与える。これらは、式（４）の冷却パワ
ーＰ_NIにおける変動を生じる。ショット・ノイズの熱的影響は、式（１１）〜（
１２）から導かれるのと同じステップに従うが、ＣＣＢにおいては、Ｖ_SNを使っ
てδＴ_eを発生し、ＣＶＢにおいては、Ｉ_SNを発生する。電気的影響と熱的影響
が加算される時に部分的な打ち消しがあり、その結果は、ＣＣＢとＣＶＢに対し
て同じである。すなわち、

【００８６】 ここで、

【００８７】 ここで、ｂ−ｅ接合が考察される。ふたたびショット・ノイズ があり、各準粒子がエネルギーΔ₁をエミッタの中に効率ηで搬送する。エミッ
タにおけるパワーと呼ばれるノイズ・パワーは、以下の式で表される。

【００８８】 この式において、Ｉ_bは、ｂ−ｅ接合のバイアス電流または信号電流である可
能性がある。そのとき、合計の本来的な｜ＮＥＰ（ω）｜²が式（１９）、（２
０）および（２２）の和で与えられる。

【００８９】 別のデバイス、例えば、近くの２段のＳＱＵＩＤ増幅器または入力の電流ノイ
ズが であって、電圧ノイズが である室温増幅器などに対する接続に対して、以下の追加の寄与がある。

【００９０】 ここで、Ｓ_IおよびＳ_Vは、式（１２）で定義されている。

【００９１】 ＮＥＰは、ボロメトリック・モードでの検出器の応答に対して重要であり、個
々の粒子またはフォトンのエネルギーが測定される時に、ＮＥＰをエネルギの分
解能に関連付けることができる。しかし、電子デバイスの場合、入力における等
価の電流および電圧のノイズ源を知ることの方がより有用である。このデバイス
の場合、式（３）に導く物理現象がエミッタにおけるパワーとベースにおける電
流入力との間の関係を提供し、入力における電流ノイズは、以下の式で与えられ
る。

【００９２】 ここで、τ_ep＝Ｃ_e／Ｇ_epである。また、どのベース・バイアス抵抗器Ｒ_bにおい
てもジョセフソン・ノイズがあり、それは の寄与を提供する。

【００９３】 ＜物理的構造＞ 本発明を実施しているデバイスは、シャドー・マスクまたはフォトリソグラフ
ィック・マスクのいずれかを使って薄膜技術で作ることができる。この技術は、
ＳＱＵＩＤなどの他の超電導デバイスの製造のために使われる技術と同じである
。シャドー・マスクを使って製造された上記のような非常に単純なＮ−Ｉ−ＳＮ
−Ｉ−Ｓデバイスが図４に概略的に示されており、それは縦方向の目盛りが大き
く誇張されていて、膜には前と同じようにラベルが付けられている。ベース電極
Ｎ₀に対するコンタクトは、膜が他の電極と接触しないように隔離するために、
酸化シリコンの膜を使って図の面に直角の方向に作られている。ミクロン・スケ
ールのリソグラフィの場合、準粒子素子のために開発されたプレーナ・スタック
型接合技術の修正を使って製造することができる。エッジ・スタック型の技法は
、中央電極が二層構造になっているので適切ではない。三端子デバイスのために
開発されたウェーハ全体の処理ルートの僅かな修正に基づいた技法が使える。ス
タック型接合の幾何学的配置は、準粒子がノーマル・メタル膜の中でトラップさ
れる前に移動しなければならない距離が最小になるので望ましい。しかし、接続
が基板上で隣り合っている幾何学的配置は、ある応用においては有用である可能
性があり、より良い冷却の利点があり得る。

【００９４】 製造の重要な条件は、高品質、超電導膜とそれぞれ対応しているノーマル・メ
タル・トラップのクリーンな界面である。この条件は、準粒子トラッピングを使
用するすべてのデバイスに対して適用される。本発明のデバイスの動作に対して
、エミッタ電極の超電導およびノーマルのコンポーネントの両方は、近接効果が
支配的でないように十分厚いことが重要である。両方のコンポーネントの厚さは
、超電導コンポーネントにおけるピッパード（Ｐｉｐｐａｒｄ）のコヒーレンス
長より大きい必要がある。それは純度によって変わるが、固有コヒーレンス長よ
り短い。固有コヒーレンス長は、いくつかの超電導体に対して知られており、例
えば、高純度のアルミニウムの場合、それは約１．６マイクロメートルであり、
ニオビウムの場合は、約０．０４マイクロメートルであり、より高い温度の超電
導材料の場合はずっと短い。実効的なコヒーレンス長は、不純あるいは不規則な
超電導材料を意図的に使うことによって短くすることができる。

【００９５】 さらに材料に関して言えば、ノーマル・メタルおよび超電導体の両方について
広い選択がある。検出器の応用の場合、１Ｋより十分に低い温度において動作す
ることが重要であり、アルミニウムがその超電導体として良い選択である。より
高い動作温度が使える、より一般的な応用の場合、ニオビウムおよび窒化ニオビ
ウムが良い選択である。ノーマル・メタル膜に対しては、モリブデンまたはタン
グステンがニオビウムまたは窒化ニオビウムと一緒に使うのに良い選択である。
この理由は、電子−フォノンの相互作用より電子−電子の相互作用が支配的であ
ることが、広い動作温度範囲にわたって期待されるからである。また、冶金学的
な良い理由もある。これらのノーマル・メタルは、超電導アルミニウムと一緒に
使うこともできる。アルミニウムと一緒に使うためのいくつかの可能性は、マグ
ネシウム、カルシウム、銅、パラジウム、銀および金である。ノーマル・メタル
膜としてマグネシウムを使うことの１つの可能な利点は、それが容易に酸化され
てメタル障壁を形成することである。これはトンネル障壁を超電導膜上だけに製
造しなければならないようなデバイス設計に対して柔軟性を追加する。上記のよ
うに、コヒーレンス長の理由で、不純な超電導材料を使うことが有利な可能性が
ある。ノーマル・メタルに対しては、不純または不規則な材料を使うことが有利
である可能性がある。この理由は、これによって電子−フォノンの相互作用の強
さに相対的に電子−電子の相互作用の強さが増加する傾向があるからである。

【００９６】 もちろん、このデバイスを高温超電導体または有機超電導体を使うことができ
る。より高い温度での動作の機能とは別に、高温超電導体のエネルギ・ギャップ
は、従来の低温超電導体のエネルギ・ギャップより大きい。これによって、従来
の超電導体で可能である数ミリボルトの代わりに、おそらく数百ミリボルトの出
力電圧振幅が可能である。

【００９７】 上記のように、ノーマル・メタル膜Ｎ₀（または超電導膜Ｓ₀）の代わりに薄い
半導体膜Ｓ_mを使うことができる。動作時に、その半導体膜Ｓ_mの導電性が十分に
高く、バイアス電圧Ｖ_beのほとんどが半導体膜Ｓ_mの両端ではなく、トンネル障
壁Ｉ₁の両端に現れる必要がある。このデバイスは、光導電性またはホット・エ
レクトロン効果を使っている放射検出において有用である。このコンテキストに
おいて、例えば、ＩｎＳｂなどの半導体に対する多くの可能性がある。

【００９８】 動作原理を示すテスト・デバイスが図１６に示されている。「ｅ、Ｓ₁」とラ
ベルが付けられている中央のストリップは、Ａｌ膜である。「ファー・インジェ
クタ（Ｆａｒ ｉｎｊｅｃｔｏｒ）」とマークされているＡｇ−Ｉ−Ａｌ接合は
、準粒子の損失を評価するために使われたものであり、それはメインのデバイス
構造の部分ではない。また、超電導のヒータ電極もメインのデバイス構造の一部
ではないが、準粒子のトラッピングによるＡｇトラップ（Ｎ₁とラベルが付けら
れている）の電子システムの加熱の効果をヒータ電極による電流の印加によるト
ラップのジュール加熱の効果と比較するために使われている。コレクタ接合Ｊ₂
を流れる電流またはその両端の電圧は、既知の方法でバス温度を変化させること
によって温度計として校正された。これが行われると、ヒータ電極と一緒にこの
接合を使ってＡｇの電子温度を測定すること、式（６）の有効性を示すこと、お
よび重要な量Σを測定することができる。ベース−エミッタ接合Ｊ₁（または「
ファー・インジェクタ」を経由して超電導性のＡｌストリップの中に準粒子を注
入することができ、Ａｌトラップの中に貯蔵されたエネルギを測定して、ヒータ
電極を使ったジュール加熱によって貯蔵されるエネルギと比較することができる
。これらのデバイスにおいては、トラップされた準粒子がそれらの励起エネルギ
ーの８０％以上を広い範囲の電子およびフォノンにわたってＡｇトラップの中の
電導電子に対して転送することが分かった。約１００ｍＫの遷移温度におけるＡ
ｌからＷへの準粒子の拡散に対して僅かに高い９０％のエネルギ転送効率のリミ
ットが見出された。

【００９９】 図１７は、トラップの中の電子温度を上昇させるために必要であったヒータ電
極によって発生されたジュール・パワーＰ_jを示している。このスムースな曲線
は、Ｐ_j＝ΣＡｄ（Ｔ_e ⁵−Ｔ₀ ⁵）の形式に適合し、値Σ＝２．１ｎＷＫ^-5μｍ^-3
を生じる。図１８は、トラップ中の電子温度とベース−エミッタ接合Ｊ₁におい
て注入された準粒子電流との間の関係を示している。これは注入された準粒子が
トラップ中の電子を加熱すること、その加熱パワーは、式（３）によって予測さ
れているように注入された電流に比例していることを明確に示している。温度依
存性に対する詳細の適合は、平均の準粒子エネルギ がインジェクタの電流にどのように依存するか、また準粒子の拡散係数および準
粒子の自己再結合レートも含めなければならない。しかし、これらの詳細を無視
し、粗い適合を行うことによって、１／３の組み合わされた効率が準粒子のトラ
ッピングに対して、そのエネルギのトラップ中の電導電子に対する転送に対して
得られる。この数値はＪ₁からトラップへの拡散時の期待される準粒子の損失と
矛盾せず、その適合は、式（６）がこのデバイスの挙動を概略的に予測すること
を示している。

【０１００】 数組のＩ_c／Ｖ_ce点がいくつかのトラップ温度において測定され、その結果は
、図５の中に示されているのと定性的に同じであった。次に、０．０４５μＡの
一定コレクタ電流において走査が行われ、Ｖ_ceにおけるシフトがＪ₁における注
入された電流の関数として測定された。その結果が図１９（ａ）に示されている
。このスムースな曲線は、Δ₂およびＲ_NN2の測定値を使って式（１）から得られ
ている。その一致は、単に定性的であるが、絶対温度のスケールにおける１つの
不確実性があり、示されている領域の中で式（１）の精度も変化している。図１
９（ｂ）は、Ｖ_ceデータの数値微分から評価された実験的な変換抵抗を示してい
る。このスムースな曲線は、実験値η≒１／３を使った式（１４）の概略形式か
らの予測である。最後に、注入なしで測定されたＩ_c／Ｖ_ce曲線は、ｇ_c≒０．０
２ＡＶ^-1の値を与える。これを観測されたｒ_tr≒４．００ＶＡ^-1および式（１７
）と一緒に使って、β₀≒８が得られる。準粒子の損失を最小化するように設計
された幾何学的構造によって、２０の値が得られるはずである。

【０１０１】 ＜電気的特性＞ 電子回路デバイスとしてのノーマル・メタルのベース電極を有するデバイスの
使用が以下に説明される。

【０１０２】 ノーマル・メタル・ベース電極を備えた入力特性は、本質的に式（１）および
一定温度におけるバイアス電圧に関してその偏微分、正規化された入力コンダク
タンスｇ_Ninによって与えられる。逆の転送特性は、Ｓ₂、Ｎ₁およびＳ₁からＮ₀
への戻りのフォノンの転送に主として依存する。これらの影響がどの程度大きい
かは、幾何学的配置に非常に強く依存する。ベース電極がフォノンまたは放射の
検出器として使われる時、温度に関しての入力の電流および電圧の偏微分、（∂
Ｉ／∂Ｚ）_Yおよび（∂Ｙ／∂Ｚ）_Iが注目される。

【０１０３】 順方向転送および出力の特性を得るためには、パワー平衡の式（６）が解かれ
なければならない。動作温度Ｔ₀に対する広い範囲の可能性のために、Δの値が
異なっていて、Ｒ_NN、Ω_NNおよびΣの設計値が異なっている超電導体において、
（Δ₁／ｅ）²／Ｒ_NN1の単位で表現される正規化されたパワーＰ_iの項で式（６）
を書き直すことが有用である。

【０１０４】 ここで、

【０１０５】 ほとんどの計算は、η＝１およびＣ₂₁＝１を取る。

【０１０６】 コレクタ特性の例が１００ｍＫにおけるアルミニウムに対応しているΔ₁、Δ₂ およびＺ₀に対して図５に示されている。この曲線は、０．００２５のステップ
で０．００２５から０．０２５までの正規化されたベース電流の異なる値に対す
る曲線である。図に示されているように、線形の負荷線を電流利得と電圧利得の
両方を与えるように選定することができる。負荷線の例は、（ａ）負荷抵抗がＲ _NN ／１０で電源電圧が０．９Δ／ｅの負荷線、（ｂ）負荷抵抗が２０Ｒ_NNで電源
電圧が１．５Δ／ｅの負荷線、（ｃ）負荷として本発明による別のデバイス（こ
の場合、ΔがΔ₂の２倍、電源電圧が２．７Δ／ｅ）である。抵抗の負荷線に対
する線形動作の領域は、限られているが、負荷としてもう１つのデバイス（おそ
らくカスケード構成）を使うことによって線形の領域を拡張できることは、明ら
かである。

【０１０７】 本発明のデバイスをよく知られている半導体のバイポーラ・トランジスタと比
較することができる。その類似性は、あまり有用ではない。この理由は、トラン
ジスタの場合、コレクタ電流が広範囲のＶ_ceにほとんど無関係であり、一方、本
発明のデバイスにおいては、真空管の三極管との共通性がより大きいからである
。結果として、相互コンダクタンスは、あまり有用なパラメータではない。ほと
んどの場合、入力および出力のコンダクタンスおよび小信号電流利得βが使われ
る。

【０１０８】 コレクタ電流をベース電流とコレクタ電圧（一定電圧バイアス）の関数として
取ることによって、小信号電流利得は、以下の式によって与えられる。

【０１０９】 ここで、時定数τ_VBは、後で評価される。電流利得β₀と正規化された出力コン
ダクタンスｇ_Ncのプロットは、ふたたび１００ｍＫにおけるアルミニウムの例に
対して示されている。そのパラメータは、正規化されたベース電流の各種の値に
対して０．００２５のステップで０．００２５から０．０２５まで、正規化され
たコレクタ電圧に対してプロットされている。これは１０〜２０の電流利得が達
成できることの以前の評価を確認する。最大の電流利得は、Ｙ_ce＝１のすぐ下の
電圧バイアスにおいて実現され、それは冷却パワーの利得と同様な挙動である。
ｇ_Ncの値は、普通は０．１〜２の範囲にある。これはＲ_NNの０．５〜１０倍の範
囲内の出力抵抗を提供する。

【０１１０】 増幅器段の低周波利得が負荷Ｒ_Lに対する電流源等価回路の式からここで評価
される。

【０１１１】 ここで、ｒ_L＝Ｒ_L／Ｒ_NN2である。電圧源等価回路をｖ_in／ｉ_in≡ｒ_in＝Ｒ_nn1／
ｇ_Nbであることから簡単に導くことができる。

【０１１２】 高い周波数における動作の場合、時定数τ_VBを考慮しなければならず、これが
超電導のアルミニウム膜および１００ｍＫの動作について一定電圧に対して図７
にプロットされている。その曲線は、各種の値の正規化されたベース電流に対し
て、０．００２５のステップで０．００２５から０．０２５までの正規化された
コレクタ電圧に対してプロットされている。τ_VBの変動は、複雑である。この理
由は、それが依存する量、エミッタの熱容量およびトンネリングに起因し、電子
−フォノンのカップリングに起因する熱伝導度に依存しており、Ｔ_eおよびＹ_ce
の関数であるからである。τ_VBの値を制御する他のファクタについての説明は、
デジタル・スイッチとして使われる時のデバイスの速度に関連して以下に与えら
れる。

【０１１３】 検出器の応用の場合、１Ｋより十分低い温度において動作することが普通、重
要である場合、Ａｌが超電導体として受入れ可能な選択である。ただし、それは
あまり丈夫ではない。０．２Ｋ以上の温度において、電流利得は、Ｇ_epが温度に
強く依存するために主として減少し始める。これは図２１（ａ）に示されており
、ここで、β₀がエミッタ温度（実線の曲線）の関数としてＹ_ce＝０．９５に対
してプロットされている。Ｒ_NN2を減らすことによって、上方の温度範囲を拡大
することができる。点線の曲線は、Ｒ_NN2＝０．０１Ωまでの１００倍の減少の
効果を示している。しかし、この値は、おそらく技術能力の限界にある。点線の
曲線は、同時にＲ_NN2の同じ値で１０倍のファクタだけトラップのボリュームを
増加させる効果を示している。これは³Ｈｅ冷却システムに対応している約０．
３５Ｋ（ただし、これより高くない）のアルミニウムＡｌに基づいたデバイスを
動作させる必要があることを示している。

【０１１４】 より高い動作温度が使える、より一般的な応用に対して、ＮｂおよびＮｂＮは
、良い選択である。これらの材料は、Δの値がずっと大きいので、電圧出力をよ
り大きくすることもできる。図２１（ｂ）は、Ｎｂの場合の対応している曲線を
示している。ＮｂＮに対する結果は、同様であるが、約０．３Ｋだけ高い温度に
対してシフトされる。これはポンプされた³Ｈｅの約１．２Ｋの温度、ただし、
あまり大きくない温度において、効果的にＮｂまたはＮｂＮに基づいたデバイス
を動作させることがちょうど実現できることを意味する。適切な温度は、³Ｈｅ
のシステム、稀釈冷却素子および断熱消磁システムについて容易に得られる。

【０１１５】 ４０μｍ³のノーマル・メタル・トラップのボリュームに対して、０．１Ｋの
温度における動作に対して計算された図７にプロットされている時定数τ_CVBは
、期待される時間応答に対する粗いガイドを与えるに過ぎない。それは励起後の
熱的回復に対する時間の測度であり、デバイスの動作温度および製造パラメータ
を変更することによって数桁程度、変化させることができる。式（１２ｄ）およ
び（１６）の構造から、電流利得を回復時間に対して、あるいはその逆にトレー
ドオフすることができることは明らかである。図２２（ａ）は、Ａｌに対するτ _CVB が、図２１（ａ）を参照して説明されたようにエミッタの温度および他のパ
ラメータによって、どのように変化するかを示している。図２２（ｂ）は、Ｎｂ
に対する対応している結果を示している。ＮｂＮに対する結果は、非常によく似
ている。スタック型の接合の幾何学的配置のデバイスに対して数ナノ秒の回復時
間が可能である。隣り合った形の幾何学的配置の場合、トラップに対する準粒子
の拡散時間における広がりに対する時間応答に対する追加の寄与がある。

【０１１６】 １つの重要な製造条件は、Ｓ膜とそれぞれに対応しているＮメタル・トラップ
との間の高品質の界面、特にＳ₁Ｎ₁界面である。この条件は、準粒子のトラッピ
ングを使用するすべてのデバイスに対して適用される。また、エミッタ電極のＳ ₁ およびＮ₁の両方のコンポーネントが十分に厚く、Ｎ₁に対するＳ₁の接近に起因
するそのエネルギ・ギャップにおける変化なしにＳ₁が超電導にとどまり、Ｎ₁が
誘起されたエネルギ・ギャップなしにノーマルにとどまるようなデバイスの動作
に対しても重要である。それらが薄過ぎる場合、Ｓ₁のエネルギ・ギャップが減
少し、Ｎ₁が近接効果のために超電導性となる。Ｎ₁におけるすべてのフェルミ・
レベルにおける状態の密度の抑圧は、おそらく受入れ可能であるが、小さなエネ
ルギ・ギャップが存在する場合、磁場によって抑圧されない限りバイアスの不安
定性につながるジョセフソン電流がある。上記の説明から、このデバイスの動作
は、トンネル・コンダクタンスが高いこと（実際には接合面積が大きくなってい
ること）およびトラップ・ボリュームが小さいこと（実際にはＮ₁膜が薄くなっ
ていること）に対して改善されている。

【０１１７】 準粒子のトラッピングが最初に検討され、トンネル接合デバイスに対して適用
されていた時点で、近接効果の唯一の利用できるモデルは、非常に薄い層に限定
されていた。まだ制約があったが、粒子トラッピングに対する超電導の二層構造
のより一般的な理論がゴルボフ（Ｇｏｌｕｂｏｖ）およびその共同研究者によっ
て開発された。比較的最近、その理論が中規模の長さのスケールまで拡張された
が、Ｓ₁−Ｎ₁の界面の完全な透明性の限定されたケースにおいてのみであり、磁
気効果を含んでおり、トンネル接合検出器に対する二層構造の一般化されたモデ
ルに対して拡張されている。実際に使われる薄膜の場合、動作は普通、「ダーテ
ィ・リミット」にあり、その場合、電子の平均自由行程がＳ₁における超電導の
コヒーレンス長およびＮ₁における相関長より短い。このデバイスの場合、次の
事項を要約することができる。

【０１１８】 （１） 厚さｄ_Sおよびｄ_Nは、Ｓ₁における超電導のコヒーレンス長に比例す
る。従って、Ｓ₁のコヒーレンス長は短くなければならず、従って、薄い層を得
るためにはＡｌではなく、むしろＮｂおよびＮｂＮまたはＴａが選定される必要
がある。意図的に膜を汚すことによって長さのスケールも短くすることができる
が、これはＳ₁を通じておよびＳ₁−Ｎ₁界面を横切って良い準粒子転送が望まし
いので推奨されない。

【０１１９】 （２） Ｓ₁の厚さは、少なくとも１コヒーレンス長である必要があり、その
数倍が好ましい。Ｎｂに対する約３８ｎｍの固有コヒーレンス長で、これは問題
にならない。

【０１２０】 （３） ｄ_Nが有限である時、Ｎ₁の中には非ゼロのエネルギ・ギャップ（ミニ
ギャップ）が常に存在する。そのギャップの大きさは、ｄ_Nが増加するにつれて
ほぼ１／ｄ_N ²で短くなる。ミニギャップは、その界面がより透明である場合に高
くなる。これは最も望ましくない。

【０１２１】 （４） スピン・フリップの散乱レートΓ_sfを導入することによってミニギャ
ップが抑圧され、Γ_sf≧０．４Δ／ｈの場合にギャップのない状況に導くことが
できる。スピン・フリップ散乱は、磁気不純物によって発生する可能性があり、
これがＮ₁においてブレークするクーパ・ペアにつながる。印加される磁場もペ
アのブレーキング機構であり、Ｎ₁におけるミニギャップを取り除くために使う
ことができる。

【０１２２】 銅（Ｃｕ）の膜が２５０〜５００ｎｍの範囲の厚さで高純度のＩｎの単結晶の
上にデポジットされ、トンネル接合がそのＣｕの上に作られ、それらの特性が０
．３５Ｋと１Ｋとの間の温度において測定された。界面転送が比較的乏しいデバ
イスの場合、Ｃｕにおけるミニギャップは、２５０ｎｍのＣｕに対する２４μｅ
Ｖから、５００ｎｍのＣｕに対する１０μｅＶにまでスムースに減少した。界面
転送が非常に高いデバイスの場合、そのミニギャップは、４５０ｎｍのＣｕに対
して１８０μｅＶであった。

【０１２３】 トンネル接合がＡｇ上に作られている２００ｎｍのＡｇと２００ｎｍのＡｌと
から構成されている二層構造の場合、Ａｌが超電導であって、０．４３Ｋ以上の
温度においては、Ａｇがノーマルであったが、この温度以下では、５０μｅＶの
ミニギャップでＡｇが超電導性になったことが分かっている。また、０．１８Ｋ
において、Ａｇにおける超電導性は、４．５ｍＴの磁場を印加することによって
消すことができた。スタック型の接合デバイスを製造するための最初の試みにお
いて、Ａｌ（３８０ｎｍ）−Ａｇ（３００ｎｍ）の二層構造のＡｇ側に作られた
接合でジョセフソン電流が観測された。これはＡｇが超電導性であることを示し
ている。

【０１２４】 これらの結果は、共にＮ₁の厚さが５００ｎｍ程度に大きい場合でさえも、少
なくともＳ₁がＡｌまたはＩｎである時には、Ｎ₁は、普通、超電導性であること
を示している。Ｉｎ結晶での結果の場合、Ｓ₁におけるコヒーレンス長は、４４
０ｎｍのバルク値に確かに近かった。

【０１２５】 別の実験においては、Ａｌとよく接触しているＣｕ線における状態の密度が界
面から２００、３００および８００ｎｍの距離において測定された。フェルミ・
エネルギに近い状態の密度における減少がＣｕにおいて見られたが、ミニギャッ
プはなかった。このミニギャップが存在しなかったのは、Γ_sf＝１．５×１０¹⁰ ｓ^-1の当てはめられた値でのスピン・フリップの散乱のためであった。この実験
で使われた幾何学的構造は、図１６の並んで立っている幾何学的構造に似ている
（ただし、約５０のファクタだけ線形のスケールにおいて縮小されている）。

【０１２６】 このことは、並んで立っている幾何学的構造が使われている場合、Ｎ₁におけ
るミニギャップを避けることが簡単であることを示している。スタック型の幾何
学的構造の場合、小さな磁場を印加する必要がある可能性があり、あるいは磁気
的不純物をＮ₁の中に導入する必要があり得る。もう１つの可能性は、低温にお
ける磁化率が高い金属、例えば、Ｐｄを使うことである。さもなければ、Ｎ₁の
ための材料は、冶金学的な理由に対して選定される必要がある。例えば、Ｍｏま
たはＷは、ＮｂまたはＮｂＮと一緒に使うのに良い選択である。他の可能性とし
ては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＡｇおよびＡｕなどがある。Ｍｇを使うことの
１つの利点は、それが容易に酸化されてトンネル障壁を形成することである。こ
れによって、この方法によらない場合には、トンネル障壁をＳ膜上だけに作らな
ければならないデバイス設計に対して柔軟性が追加される。

【０１２７】 低温におけるメタルの中のホット・エレクトロン効果は、よく知られている。
低温でメタルの中に電流Ｉが流れる時、標準の二温度モデルは、Ｉ²Ｒのパワー
がその電子システムにおいて消費されること、その電界からの電子によって得ら
れるエネルギがメタルの中の電子−フォノンの相互作用によって、温度Ｔ₀にお
ける格子および基板システムに対して転送されることを仮定している。低温にお
いては、電子−フォノンのカップリングが弱くなるので、エネルギが電子間の衝
突によって、それが格子へ転送されるより速く分配される。これは、格子温度よ
り高い電子温度Ｔ_eによって特徴付けられる新しい電子分布に導く。エネルギは
、式（５）に従って電子とフォノン・システムとの間で転送され、低温における
導電電子とフォノン・システムとの間の実効熱電導率は、Ｔ⁴に比例する。

【０１２８】 しかし、もっと前のフェーズを考慮する必要がある。準粒子がノーマル膜に入
る時、それらがどのように、どんな効率でそれぞれのエネルギを他の電子と共有
し、温度Ｔ_eによって特徴付けることができるエネルギ分布を形成するのであろ
うか。それらは、エネルギΔ₁でトラップに入ることが思い出される。そのエネ
ルギは、温度Δ₁／ｋ_Bに対応し、その値は、Ａｌの場合、約２．０Ｋであり、Ｎ
ｂの場合、約１７Ｋである。励起エネルギＥは、文献での慣例によりケルビンの
単位で表される。熱中性子化の間にΔ₁／ｋ_B以下のすべてのエネルギは関連する
。エネルギ・スケールの他端においては、Ｋの１００ｓの電子エネルギを生じる
メタル膜のパルス型のレーザ励起による実験がある。

【０１２９】 このデバイスは、カスケード・プロセスにおいて膜の他の電子の間に分布され
る膜Ｎ₁の中にトラップされた準粒子のエネルギを使用する。トラップされた準
粒子は、そのエネルギを電子−電子相互作用によって、あるいはフォノンの放出
によって他の電子へ転送することができ、その後、フォノンは、別の電子によっ
て吸収される。弛緩フォノンが電子を励起する前に膜Ｎ₁から立ち去る場合、ト
ラップの電子システムから準粒子のエネルギーが失われる。従って、このデバイ
スは、電子−電子（ｅ−ｅ）、電子−フォノン（ｅ−ｐ）、フォノン−電子（ｐ
−ｅ）およびフォノンの脱出（ｅｓｃ）プロセスの相対的なレートを使用する。
直接の測定は、トラップされた準粒子がその励起エネルギのほとんどを他の電子
に対して転送することを示す。上記に類似のデバイスにおいては、準粒子は、超
電導のＡｌからノーマルのＡｇの中へトラップされ、熱中性子化の効率が８０％
以上であり、３８０ｍＫ以下のバス温度においては、温度に無関係であった。関
与した各種のプロセスの散乱レートの評価は、これらの結果を支持し説明する。
この解析は、以下に要約される。

【０１３０】 ｅ−ｅの散乱レートは、散乱電子のエネルギ、サンプルの実効次元（Ｄ）およ
び存在する不規則性の程度に強く依存する。電子の励起エネルギがトラップを横
断する輸送時間に関連付けられたエネルギにおける不確実性より小さい時、その
トラップにおいて３Ｄから２Ｄへのクロスオーバが発生する。このデバイスのよ
うな薄膜デバイスにおいては、そのトラップは、２Ｄに似ている。以下の場合、
そのトラップ膜は、汚れていると考えられる。

【０１３１】 ここで、τ_elは、弾性散乱時間、ｋ_Fは、フェルミ波数、ｄ_Nは、トラップの厚さ
である。クリーン散乱およびダーティ散乱の両方が発生し、ダーティ散乱は、中
性子化がカスケードに、より低いエネルギへ進行する場合に支配的となる。ｅ−
ｅの散乱時間は、次のように要約することができる。

【０１３２】 ここで、Ｒ_sqは、シート抵抗であり、数値は、Ａｇ膜に対して適用される。 ふたたびＥおよびＥ_Fは、ケルビンの単位である。 比較において、変形ポテンシャル・モデルを使ってｅ−ｐおよびｐ−ｅの散乱
時間が計算された。その結果は、Ａｇ膜に対して以下の通りであった。

【０１３３】 ここで、Ｅ_pは、ケルビンの単位でのフォノンのエネルギである。従って、Δ₁ｋ _B ≒２ＫでのＡｌからトラップに入る準粒子の場合、 は、τ_epよりほぼ１０倍短く、従って、トラップされた準粒子のエネルギは、ト
ラップの電子の間に分配される。 とτ_epが同等程度であり、より高いエネルギの場合（Ｎｂから入る準粒子の場合
のように）、フォノンの放射が同等程度になる場合、そのフォノンのエネルギは
、トラップの電子の中にまだ保持されている。この理由は、ｐ−ｅの散乱時間τ _ep が小さく、フォノンの脱出時間τ_escよりおそらく非常に短いからである。４
つの散乱プロセスが準粒子の熱中性子化の詳細モデルに統合化されると、９０％
以上の熱中性子化効率が予測される。また、そのモデルは、超電導体がより大き
いギャップの超電導体、例えば、ＴａまたはＮｂなどから１Ｋに近い温度におい
てノーマル・メタルの中にトラップされる時、９０％より大きい熱中性子化効率
を予測する。これらの計算はデバイスを広い範囲の超電導材料から作ることがで
き、かなりの広い温度範囲にわたって動作させることができることを示している
。また、これらの散乱レートは、遷移温度においてＡｌからＷへのトラッピング
に対しても評価され、電子の高い熱中性子化効率がＡｌ−Ｗのシステムから示さ
れている。

【０１３４】 ＜応用＞ 本発明は、広い範囲に応用される。それらは、例えば、（ａ）マイクロ冷却に
おいて、（ｂ）パルス・モードおよび連続波（ＣＷまたはボロメトリック）モー
ドの両方における粒子および放射線の検出において、（ｃ）他のタイプの低温粒
子および放射線の検出器および他のセンサに対する前置増幅器として、（ｄ）汎
用のアナログ電子デバイスとして、（ｅ）デジタルの電子回路において有用なス
イッチング・デバイスとして使われる。これらの応用と共に、（ｆ）低温クライ
オスタットから室温の電子回路に至るまでの回路からの低レベル信号を得るため
の増幅のインターフェース・デバイスとしての動作および（ｇ）検出器アレイの
アナログおよびデジタル電子回路の大規模集積化に対して適用される可能性を有
する。以下、本発明に基づいたデバイスをどのように使うことができるかのいく
つかの例を示す。

【０１３５】 ａ） マイクロ冷却 個々のＮＩＳ接合または２つの接合を直列にして使ったマイクロ冷却素子が提
案されている（例えば、Ｍ ナーム（Ｎａｈｕｍ）、Ｔ Ｍ アイルス（Ｅｉｌ
ｅｓ）およびＪ Ｍ マルチネス（Ｍａｒａｔｉｎｉｓ）の“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃ ｍｉｃｒｏｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｎｏｒｍ
ａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｕｎｎｅｌ ｊ
ｕｎｃｔｉｏｎ”（ノーマル−絶縁物−超電導体トンネル接合に基づいた電子マ
イクロ冷却素子）、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５，２１２３（１９９４
））。さらに、（ｉ）冷却しようとしているノーマル・メタル電極を加熱するバ
ック・トンネリングの量を減らすため、（ｉｉ）再結合プロセスにおいて作られ
たフォノンによってノーマル・メタル層の加熱に導く超電導層の中の準粒子の再
結合のレートを減らすために、超電導電極に注入される準粒子を取り除くことに
よって、その性能を改善するために、ＮＩＳ接合の超電導電極上にノーマル・メ
タル・トラップを使うことも知られている。しかし、本発明によると、ノーマル
層は、エミッタ電極であるように構成され、その冷却効果が増幅される。これは
より低い温度の発生または開始温度をより高くすることの可能性に繋げることが
でき、やはり最終的に低い温度を達成することができる。そのような２つのデバ
イスを使ってノーマル・メタルＮ₀のベース領域を冷却するための冷却素子の設
計の概略が図１０に示されている。ベース領域Ｎ₀に対するバイアスは示されて
いないが、接合が同一でない場合は、追加のバイアスが必要となる可能性がある
。

【０１３６】 ｂ） 粒子および放射線の検出 本発明は、放射線の検出のためにボロメトリック・モードで、あるいは個々の
フォノンまたは粒子の計数モードのいずれかにおいて、いくつかの方法で使うこ
とができる。両方の場合において、放射線は、図２の入射パワーＰ_bによって、
あるいは図１１（ａ）の中の入射フォトンによって概略的に示されているように
ベース電極Ｎ₀に吸収されることによって検出することができる。この場合、本
発明は、Ｎ₀の追加の冷却を生じる可能性があり、それはＮ₀の熱容量を下げ、従
って、感度を改善し、信号の増幅も提供する。フォトン計数スペクトロメータと
して使われる時、このデバイスは、図１１（ｂ）に概略的に示されているオック
スフォード・インスツルメント（Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）との
共同でのヨーロッパ宇宙局（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｐａｃｅ Ａｇｅｎｃｙ）に
よって開発されたような粒子トラップおよびグレイ（Ｇｒａｙ）効果を使ったＳ
ＩＳデバイスと競合できる。

【０１３７】 より単純なデバイスにおいても、図１１（ｃ）に示されているベース電極なし
の二端子ＳＮＩＳデバイスも競合できる。図１１（ｂ）および（ｃ）に示されて
いる両方のデバイスにおいて、個々のフォトンが超電導領域Ｓ₁の中のクーパ・
ペアをブレークし、準粒子を発生する。図１１（ｂ）のデバイスにおいては、過
剰な準粒子が超電導トラップＳ_Tの中にトラップされ、それらは両方向にトンネ
ル障壁を横切ってトンネルし、２００までの電荷増幅係数を導く。図１１（ｃ）
のデバイスにおいては、過剰な準粒子は、ノーマル・メタル・トラップの中にト
ラップされ、β₀の電流増幅を導き、β₀は、２０以上となる可能性があり、積分
時間が減少する。β₀の別のファクタによる更なる増幅は、図１１（ｄ）に示さ
れているようなベース電極の一部として吸収する超電導膜Ｓ₀のあるデバイスを
使うことによって達成することができる。図１１（ａ）、（ｃ）および（ｄ）の
本発明のすべてのデバイスは、磁場が印加される必要がなく、一方、図１１（ｂ
）のデバイスは、ジョセフソン電流を抑圧するために磁場が必要であることに注
意される。

【０１３８】 これは検出器デバイスのアレイが必要である場合に特に重要である。そのよう
なデバイスにおいては、個々の接合は、普通は２０〜１００μｍ平方となる。Ｓ
ＩＳデバイスのアレイ、例えば、図１１（ｂ）に示されているようなフォノン媒
介型の粒子検出またはトラッピング・デバイスに対するＳＩＳ接合の直列接続さ
れたアレイに対して最適である磁場の値を見つけることは困難であることが分か
っている。本発明におけるジョセフソン電流およびフィスク（Ｆｉｓｋｅ）ステ
ップが存在しないことによって、デバイスをバイアスすることが非常に簡単にな
る。フォトンまたは他の粒子がＮ₀層に吸収される時、その分光学的機能は、比
較的良好であることが期待される。この理由は、励起スペクトルの統計値がずっ
と高いからである。ノーマル・メタル層Ｎ₀の場合、励起のために必要なエネル
ギは、ｋ_BＴに過ぎないが、一方、ＳＩＳ検出器の場合、それはΔであり、Δは
、ｋ_BＴよりずっと大きい。従って、本発明は、ＮＩＳ接合の分光学的品質を信
号の内部増幅と組み合わせることができる。

【０１３９】 ノーマル・メタル膜を粒子または放射線の吸収膜として使う場合の１つの問題
点は、ノーマル・メタルの熱容量が遷移温度より十分低い超電導体に比べてずっ
と高いことである。ノーマル・メタルの吸収膜の場合、その熱容量は、その面積
×厚さに比例し、絶対温度に比例する。Ｘ線の分光分析の場合、その厚さは十分
に大きくなければならず、エネルギーが高いＸ線に対しては、さらに増加する。
しかし、ＵＶから赤外線までの範囲の放射線に対して、非常に薄い層だけで済む
。これは質量分析器における二分子イオンなどの重い粒子または塵埃の粒子に対
するケースでもある。Ｘ線分光分析に対する応用の場合、ある程度の厚さが必要
であり、検出器デバイスは、面積が非常に小さくならざるを得ない。この問題は
、マイクロチャネル・フォーカシング光学系を使うことによってある程度緩和す
ることができる。１つの異なる解決策は、ノーマル・メタルのベース領域Ｎ₀に
対して付着され、より厚いおよび／またはより大きな面積の超電導膜Ｓ₀の中に
Ｘ線（または他の量子または粒子）を吸収する方法である。これは既に図１１（
ｄ）において示され、その場合、ノーマル・メタルのベース領域Ｎ₀は、Ｓ₀の中
のエネルギのデポジションにおいて生じた準粒子に対する準粒子トラップとして
働く。超電導層Ｓ₀におけるエネルギ吸収によって、それがノーマル・メタル層
Ｎ₀に直接吸収された場合よりも励起が少なくなることが、前に説明したように
ノーマル・メタル・トラップのホット・エレクトロンの発生によっておおむね克
服される。言い換えれば、Ｓ₀Ｎ₀の二層構造は、増幅器として働き、本発明の効
果に起因する追加の内部増幅がある。このアイデアを拡張して準粒子の拡散に基
づいた大面積の位置センシティブな検出器を作ることができる。そのようなデバ
イスは、大面積のフォノン検出器としても使える可能性がある。トップから入射
する放射線または粒子あるいは基板からのフォノンの検出のために使える可能性
および位置センシティブな検出器に対する１つの可能性が図１２に概略的に示さ
れている。粒子または放射線（または基板からのフォノン）は、超電導膜Ｓ₀で
ブレークするクーパ・ペアによって吸収される。その準粒子のいくつかがＮ₀（
それはベース電極である）へ拡散し、それらが準粒子トラッピングによって励起
された電子を発生する。２つまたはそれ以上のデバイスを使って位置感知ストリ
ップ検出器（その一端がここに示されている）、あるいは二次元の位置感知検出
器を実装することができる。Ｓ₀Ｎ₀ＩＳ₁Ｎ₁ＩＳ₂Ｎ₂デバイスが１つだけここに
示されているが、２つ以上をＳ₀の吸収膜に対して接続することができる。理想
的な形式でここに示されているデバイスは、既知のスタック型接合のウェーハ全
体の処理技法を適切に変更することによって作ることができる。

【０１４０】 本発明の各デバイスは、絶縁増幅器として働き、追加のそのようなデバイスは
、同様な検出器デバイスのアレイから読み出すためのバッファまたはマルチプレ
クサとして働くように使うことができることも強調されるべきである。

【０１４１】 冷却素子として使われるデバイスを粒子および放射線の検出のために使われる
他のデバイスと組み合わせることができる。冷却によって感度が高くなり、分光
学的分解能がよくなり、一方、その検出器は、内部増幅を提供する。これらの機
能を有するデバイスが図１３に概略的に示されている。その検出器は、放射線ま
たは粒子を吸収するノーマル膜Ｎ₀から構成され、Ｎ₀は、例えば、熱容量および
熱電導率が低いＳｉ₃Ｎ₄の薄膜上に作られる。２つのデバイスＱ₁およびＱ₂が直
列に接続されたものが膜を冷却するために使われ、一方、第３のＱ₃が信号を増
幅するために検出器の一体化された部分として使われる。

【０１４２】 粒子および放射線の検出器に対するもう１つの可能性は、膜Ｎ₀が超電導性の
材料であり、図１３のデバイスＱ₁およびＱ₂がそれを冷却し、それがちょうどそ
の超電導性からノーマルへの遷移温度であるようにすることである。この場合、
それは遷移エッジ・センサとして働き、その電子温度における変化がＮ₀からＳ₁ へのトンネリングによって、もう１つのデバイス構造Ｑ₃に対して伝えられる。
Ｎ₀が正しくその遷移温度になっているので、バイアスを複雑化するジョセフソ
ン電流またはフィスク・ステップはないはずである。

【０１４３】 特定の周波数帯域において放射線を検出するために半導体がよく使われる。そ
の検出機構は、通常、放射線による電子−ホール対の生成であり、それによって
電流が発生する。従って、薄い半導体Ｓ_mをベース電極として、図１１（ｅ）に
よって示されているように使うことができ、内部増幅のある選択的な放射線検出
器を提供することができる。

【０１４４】 ｃ） 粒子および放射線のセンサのための前置増幅器 上記のように、本発明は、外部刺激がベース電極またはそれに付着されている
いくつかの層に吸収される時に増幅型の放射線および粒子検出器として使うこと
ができる。また、本発明は、他のタイプのセンサ、例えば、ＳＩＳ接合またはＴ
ＥＳセンサなどと組み合わせて使うこともできる。近年、ＴＥＳセンサの使用が
伸びている。この理由は、それらが一定電圧バイアスでの電熱的フィードバック
（ＥＴＦ）によって安定にバイアスすることができ、その電流信号をＳＱＵＩＤ
増幅器によって読み出すことができるからである。本発明のデバイスは、高価な
ＳＱＵＩＤ増幅器の代わりに前置増幅器として使うことができ、ＴＥＳと同じ温
度で動作させることができるという利点がある。それはＥＴＦの利点を維持し、
ダブル・コレクタ構成によって大きな電圧出力を与えることができる。１つの単
純な回路が図１４に示されており、ＳＱＵＩＤ回路との比較も行われている。図
１４（ａ）は、ＳＱＵＩＤの前置増幅器を備えた抵抗Ｒ（Ｔ）のＴＥＳの読出し
のための回路を示している。ＴＥＳは、電圧バイアスされており、一方、ＳＱＵ
ＩＤは、定電流でバイアスされている。図１４（ｂ）は、本発明によるダブル・
コレクタ・デバイスＱを使っているＴＥＳの読出しのための回路を示している。
図１４（ｃ）は、デバイスＱの入力Ｉ／Ｖ特性および遷移において２つの僅かに
異なる温度のＴＥＳの負荷線を示している。励起に起因する動作点の移動が矢印
によって示されている。Ｉ／Ｖ特性の形状のために、負の電熱的フィードバック
が維持されている。式（１０）および図６から、ＳＱＵＩＤの読出しにおいて実
現できる１０⁴ＶＡ^-1の数倍の領域におけるｖ_out／ｉ_inの値が本発明に基づいた
比較的単純な段によって得られる。

【０１４５】 ｄ） アナログの電子デバイス 既に示されたように、本発明は、三端子のトランジスタに似たデバイスに対す
るすべての基準を満足するデバイスを提供することができ、上記のように、その
デバイスを増幅器として使うことができる。２つ以上のデバイスを一緒に使って
ロングテール・ペア、電流ミラー、カスケード構成および場合によっては、演算
増幅器などの複数トランジスタに似た回路を実装することができる。本発明は、
図８に抽象的に示されている４＋２種類のデバイスのために、おびただしい数の
可能性を提供する。これらのタイプのすべてを超電導電子回路ファンドリ・プロ
セスにおいて同時に作ることができる。例えば、これによって、次に図１４（ｂ
）の単純な回路は、本発明のデバイスを使って製造されたフィードバック演算増
幅器を使用している図１５の回路によって置き換えられる。

【０１４６】 多くの同様な応用において、このデバイスは、センサとして、例えば、図１１
（ａ）〜（ｅ）に示されているように使われ、これらの次に受動部品と一緒に回
路要素として使われる他のデバイスを続けるか、あるいは他のデバイスの中に集
積化されるようにすることができる。これらのセンサは、光学的入力カップリン
グを組み込むこともできる。

【０１４７】 ｅ） デジタル・スイッチング回路 図５に示されている非線形の入力特性および非線形のコレクタ特性は、本発明
を実施しているデバイスをバイポーラ・トランジスタの場合と同様にスイッチと
して動作させることができることを示している。本発明を使用したスイッチング
回路の設計は、単に電源の接続によって反転型あるいは非反転型の出力を選定す
る追加の特徴を有する。さらに、ダブル・コレクタ構成は、出力電圧振幅を倍に
することができ、あるいはファンアウトの機能を提供することができる。

【０１４８】 多くのスイッチングの応用において、特にコンピュータのプロセッサの論理回
路においては、スピードが重要である。これは超電導のジョセフソン接合に基づ
いた電子論理回路の開発が進行していることの主要な理由の１つである。本発明
は、動作のスピードに関してジョセフソン接合に基づいた最新バージョンのデバ
イスと競合することはできない。しかし、それは程良いスイッチングの機能と組
み合わせた電力利得を提供することができ、従って、異なる演算または信号処理
構造間のカップリングまたはインターフェース用のデバイスとして使うことがで
きる。

【０１４９】 図７にプロットされている時定数τ_VBは、４０μｍ³のノーマル・メタル・ト
ラップのボリュームおよび０．１Ｋの温度における動作に対して計算されたもの
であり、デジタル・スイッチング時間に対する非常にラフな手引きを与えるだけ
である。それはこれらの条件下での励起の後の熱的回復のための時間の１つの測
度であり、そのデバイスの動作温度および製造パラメータを変更することによっ
て数桁程度、変化させることができる。例えば、ノーマル・メタル電極Ｎ₁の熱
容量は、Ｔ_eに比例するが、ｅ−ｐのカップリングに起因する熱電導率は、Ｔ_e ⁴
に比例し、従って、純粋の熱的影響は、Ｔ_e ^-3として変化する。従って、他のこ
とが等しいとして、０．１Ｋにおけるアルミニウムに対して図７にプロットされ
ている１００ｎｓまでのτ_VBの純粋に熱的な部分は、１Ｋにおけるニオビウムに
対して０．１ｎｓとなる。しかし、より高い温度においては、式（５）の中の指
数５が実質的に１になり、従って、使用されるノーマル・メタルに依存する最適
な温度範囲がある。

【０１５０】 熱電導率に対して他の寄与、すなわち、トンネリングに起因するものは、コレ
クタ−エミッタ接合の電導率に比例している。ノーマル・メタル・トラップ電極
Ｎ₁をできるだけ薄くすることによって、トンネリング時間を最小化することが
できる。これは高速の動作に対して、超電導領域Ｓ₁の超電導コヒーレンス長が
小さくなければならないことを意味する。これに関して、ニオビウムまたは窒化
ニオビウムまたは高温超電導体を使うことは、アルミニウムを使うよりずっと良
い。これまで既に、コヒーレンス長を小さくするために不純あるいは不規則な超
電導材料を使うことを説明してきた。

【０１５１】 ジョセフソン接合デバイスを補完するものとしての潜在的な使用は別として、
既に述べられたように、デバイスのベース電極を図１１（ｅ）に示されているよ
うに超電導体Ｓ₀として、それによってジョセフソン接合Ｊ₁をその構造の一体部
分として組み込むことが可能である。Ｊ₁がゼロ電圧状態にある時、トラップＮ₁ の中への準粒子の注入はなく、Ｊ₂を流れる電流は、小さい。Ｊ₁が抵抗性の状態
にスイッチされると、準粒子の流れが生じ、それによってＪ₂を通る電流が増加
する。そのようなデバイスは、ジョセフソン接合論理回路に対するインターフェ
ース回路として、またはファンアウトとして動作することができる。また、磁場
を使ってジョセフソン効果を抑圧することもでき、その場合、この構造は、内部
増幅を有するＳＩＳ検出デバイスのように動作する。これは、ある種の準粒子の
ミキサの応用において有用である可能性がある。

【０１５２】 ＜大規模集積＞ この構造および製造ステップを構成する薄膜は、ジョセフソン接合および他の
超電導デバイスを作るために使われるものと、まったく同じではないにしても、
非常によく似ている。その膜および構造は、現代の半導体集積回路において使わ
れるものに似ている。超電導電子回路に対するファウンドリ・スタイルの製造手
順が多くの産業によって完成されてきている。従って、このデバイスの大規模集
積が、そのジョセフソン接合論理回路への組込みを含めて可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 デバイスの異なる部分に関連付けられたエネルギ・レベルを示した本発明の第
１の実施形態の略図である。

【図２】 図１のデバイスにおける電気的および熱的なパワーフローの略図である。

【図３】 図１のデバイスにおけるパワーフローの平衡を示すグラフである。

【図４】 図１のデバイスに対する概略製造図である。

【図５】 図１のデバイスのコレクタの特性を示すグラフである。

【図６】 図１のデバイスの小信号パラメータを示すグラフであり、 （ａ）は、電流利得β₀を示し、 （ｂ）は、正規化された出力コンダクタンスｇ_Ncを示す。

【図７】 ０．１Ｋにおけるアルミニウム・デバイスの熱回復に対する時定数を示すグラ
フである。

【図８】 本発明の各種のタイプの実施形態の略図である。

【図９】 本発明のもう１つの実施形態であり、 （ａ）は、加算器の応用に対する２つの別々のベース・エミッタ接合を示し、 （ｂ）は、２つの別々のエミッタ−コレクタ接合を示し、 （ｃ）は、出力電圧振幅を倍にするダブル・コレクタ構成を示す。

【図１０】 ２つのデバイスがマイクロ冷却素子を形成するために使われている本発明の１
つの実施形態を示す。

【図１１】 （ａ）および（ｃ）〜（ｆ）は、各種の応用に対してデバイスのベース領域が
変えられている本発明の実施形態を示しており、図１１（ｂ）は比較のための従
来の技術を示す。

【図１２】 本発明の実施形態を使った粒子／放射検出器構造の略図である。

【図１３】 もう１つのコンポジットの粒子／放射検出器の略図である。

【図１４】 超電導遷移エッジ・センサによる本発明の実施形態の使用を示しており、（ａ
）は、ＳＱＵＩＤ前置増幅器を使用した従来の回路を示しており、（ｂ）は、本
発明の１つの実施形態を使用した回路図を示しており、（ｃ）は、（ｂ）の回路
の入力のＩ／Ｖ特性を示す。

【図１５】 本発明の実施形態を使った集積回路の演算増幅器を使っている低温センサの略
図である。

【図１６】 本発明の一実施形態によるテスト・デバイスの写真である。

【図１７】 図１６のデバイスにおけるジュール・パワーと電子温度との間の関係を示す。

【図１８】 図１６のデバイスにおける電子温度と注入された準粒子電流との間の関係を示
す。

【図１９】 （ａ）は、図１６のデバイスにおける注入された電流とＶ_CEのシフトとの間の
関係を示す。（ｂ）は、図１６のデバイスに対する注入された電流の関数として
の変換抵抗値の間の関係を示す。

【図２０】 （ａ）および（ｂ）は、等価回路を示す。

【図２１】 グラフ表示を示す。

【図２２】 グラフ表示を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，Ｕ Ｓ (72)発明者 ウロム、ジョエル、ナザン アメリカ合衆国 マサチューセッツ、ケン ブリッジ、ディパートメント オブ フィ ジクス、ハーバード ユニバーシティ (72)発明者 ナハム、マイケル アメリカ合衆国 マサチューセッツ、ケン ブリッジ、ディパートメント オブ フィ ジクス、ハーバード ユニバーシティ Ｆターム(参考） 4M113 AB08 AB15 AC24 AC44 AC50 CA12 CA13 CA17 CA42

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のノーマル領域（Ｎ₁）と接触している第１の超電導領
   域（Ｓ₁）を含んでいる超電導トンネル接合デバイスであって、前記第１のノー
   マル領域（Ｎ₁）の中へ弛緩する第１の超電導体領域（Ｓ₁）からの準粒子のポテ
   ンシャル・エネルギーは、前記第１のノーマル領域（Ｎ₁）のフェルミ・レベル
   以上に励起されたチャージ・キャリヤの数の増加に変換されるデバイス。
2. 【請求項２】 請求項１記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、絶縁
   のトンネル障壁（Ｉ₂）によって前記第１のノーマル領域（Ｎ₁）から隔てられた
   第２の超電導領域（Ｓ₂）をさらに含み、トンネル接合（Ｊ₂）を形成し、前記ト
   ンネル接合を横切って前記チャージ・キャリヤは、前記第２の超電導領域（Ｓ₂
   ）の中へトンネルし、その中に準粒子を形成するデバイス。
3. 【請求項３】 請求項２記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、前記
   第２の超電導領域（Ｓ₂）と前記第１のノーマル領域（Ｎ₁）は、相対的に電気的
   にバイアスされ、前記第２の超電導領域（Ｓ₂）のエネルギ・ギャップのトップ
   は、前記第１のノーマル領域（Ｎ₁）のフェルミ・レベルのすぐ上にあるデバイ
   ス。
4. 【請求項４】 請求項２または３記載の超電導トンネル接合デバイスにおい
   て、前記第２の超電導領域（Ｓ₂）は、前記デバイスの電極を形成しているデバ
   イス。
5. 【請求項５】 前記請求項のいずれかに記載の超電導トンネル接合デバイス
   において、前記第１の超電導領域（Ｓ₁）の中に準粒子を注入するためのベース
   領域（Ｎ₀、Ｉ₁）をさらに含むデバイス。
6. 【請求項６】 請求項５記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、前記
   ベース領域は、絶縁のトンネル障壁（Ｉ₁）によって前記第１の超電導領域（Ｓ₁ ）から隔てられている第２のノーマル領域（Ｎ₀）を含み、そのフェルミ・レベ
   ル以上に励起されたチャージ・キャリヤは、前記トンネル障壁を通ってトンネル
   し、前記第１の超電導領域（Ｓ₁）に準粒子を形成するように電気的にバイアス
   されているデバイス。
7. 【請求項７】 請求項６記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、前記
   第１のノーマル領域（Ｎ₁）と前記第２の超電導領域（Ｓ₂）は、前記デバイスの
   エミッタおよびコレクタの電極を形成し、前記第２のノーマル領域（Ｎ₀）は、
   前記デバイスのベース電極を形成し、前記ベース電極は、前記コレクタ電極とエ
   ミッタ電極との間の電流を制御するデバイス。
8. 【請求項８】 請求項５記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、前記
   ベース領域は、絶縁のトンネル接合障壁（Ｉ₁）によって前記第１の超電導領域
   （Ｓ₁）から隔てられている第３の超電導領域（Ｓ₀）を含むデバイス。
9. 【請求項９】 請求項８記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、前記
   第１の超電導領域と前記第３の超電導領域との間のジョセフソン電流は、磁場の
   印加によって抑圧されるデバイス。
10. 【請求項１０】 請求項５記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、前
    記ベース領域は、絶縁のトンネル接合障壁（Ｉ₁）によって前記第１の超電導領
    域（Ｓ₁）から隔てられている半導体領域（Ｓ_m）を含むデバイス。
11. 【請求項１１】 請求項６記載の超電導トンネル接合デバイスにおいて、前
    記ベース領域は、前記第２のノーマル領域（Ｎ₀）と接触している第３の超電導
    領域（Ｓ₀）をさらに含み、前記第３の超電導領域（Ｓ₀）で発生された準粒子は
    、前記第２のノーマル領域（Ｎ₀）へ弛緩し、そのポテンシャル・エネルギをフ
    ェルミ・レベル以上に励起されたチャージ・キャリヤの数の増加に変換するデバ
    イス。
12. 【請求項１２】 前記請求項のいずれかに記載の超電導トンネル接合デバイ
    スにおいて、前記第２の超電導領域（Ｓ₂）から準粒子を受け取るために、前記
    第２の超電導領域（Ｓ₂）と接触しているノーマル領域（Ｎ₂）をさらに含むデバ
    イス。
13. 【請求項１３】 請求項５またはこれに従属する任意の請求項に記載の超電
    導トンネル接合デバイスにおいて、前記ベース領域は、２つの別々の領域を含み
    、それぞれが前記第１の超電導領域（Ｓ₁）に準粒子を注入するデバイス。
14. 【請求項１４】 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の超電導トンネ
    ル接合デバイスにおいて、前記第２の超電導領域（Ｓ₂）は、２つの別々の超電
    導領域を含み、それぞれが前記第１のノーマル領域（Ｎ₁）からトンネルするチ
    ャージ・キャリヤを受け取るデバイス。
15. 【請求項１５】 請求項１から請求項１２のいずれかに記載の超電導トンネ
    ル接合デバイスにおいて、前記第１の超電導領域（Ｓ₁）は、２つの別々の超電
    導領域を含み、前記別々の各領域からの準粒子は、２つの別々の第１のノーマル
    領域（Ｎ₁）へ弛緩するデバイス。
16. 【請求項１６】 請求項１から請求項１５のいずれかに記載の超電導トンネ
    ル接合デバイスにおいて、少なくとも１つの前記超電導領域は、アルミニウム、
    ニオビウム、窒化ニオビウムから選択され、前記ノーマル領域の少なくとも１つ
    は、モリブデン、タングステン、マグネシウム、カルシウム、銅、パラジウム、
    銀および金から選択されるデバイス。
17. 【請求項１７】 前記請求項のいずれかに記載の超電導トンネル接合デバイ
    スにおいて、前記超電導領域の少なくとも１つは、不純または不規則なものであ
    るデバイス。
18. 【請求項１８】 請求項６記載の超電導トンネル接合デバイスを含んでいる
    粒子／放射線検出器において、前記第２のノーマル領域（Ｎ₀）は、検出器要素
    を形成し、受け取られた粒子または放射線によって前記絶縁のトンネル接合障壁
    を通ってトンネルするチャージ・キャリヤの励起が発生する検出器。
19. 【請求項１９】 請求項８記載の超電導トンネル接合デバイスを含んでいる
    粒子／放射線検出器において、前記第３の準粒子（Ｓ₀）は、検出器要素を形成
    し、受け取られた粒子または放射線は、前記絶縁のトンネル接合障壁（Ｉ₁）を
    通ってトンネルする準粒子を形成する検出器。
20. 【請求項２０】 請求項１０記載の超電導トンネル接合デバイスを含んでい
    る粒子／放射線検出器において、前記半導体領域（Ｓ_m）は、検出器要素を形成
    し、受け取られた粒子または放射線によって前記絶縁のトンネル接合障壁（Ｉ₁
    ）を通ってトンネルするチャージ・キャリヤの励起が発生する検出器。
21. 【請求項２１】 請求項１１記載の超電導トンネル接合デバイスを含んでい
    る粒子／放射線検出器において、前記第３の超電導領域（Ｓ₀）は、検出器要素
    を形成し、受け取られた領域または放射線は、準粒子を形成し、前記準粒子が前
    記第２のノーマル領域（Ｎ₀）へ弛緩して前記絶縁のトンネル接合障壁（Ｉ₁）を
    通ってトンネルするチャージ・キャリヤの励起を発生する検出器。
22. 【請求項２２】 請求項１８、請求項１９、請求項２０または請求項２１記
    載の粒子／放射線検出器において、フォトン、Ｘ線、フォノン、二分子イオンま
    たは塵埃の粒子を検出するための検出器。
23. 【請求項２３】 請求項１から請求項６のいずれかに記載の超電導トンネル
    接合デバイスを含むマイクロ冷却素子。
24. 【請求項２４】 請求項２３記載のマイクロ冷却素子において、２つの超電
    導トンネル接合デバイスがあり、第１の超電導領域（Ｓ₁）は、絶縁のトンネル
    接合障壁（Ｉ₂）によってノーマルの冷却領域（Ｎ₀）から隔てられているように
    構成され、前記ノーマルの冷却領域（Ｎ₀）のフェルミ・レベル以上に励起され
    たチャージ・キャリヤの第１の超電導領域（Ｓ₁）へのトンネリングによって、
    前記ノーマルの冷却領域（Ｎ₀）の冷却が生じるマイクロ冷却素子。
25. 【請求項２５】 請求項７記載の超電導トンネル接合デバイスを含んでいる
    アナログ電気信号増幅器であって、前記ベースまたはエミッタの電極は、増幅さ
    れるべき電気信号を受け取るための入力を形成し、出力は、前記コレクタ電極と
    前記エミッタ電極との間または前記コレクタ電極と前記ベース電極との間に現れ
    る増幅器。
26. 【請求項２６】 請求項７記載の超電導トンネル接合デバイスを含んでいる
    デジタル・スイッチング・デバイスにおいて、前記ベース電極に印加された信号
    は、前記コレクタおよびエミッタを通して流れる電流をスイッチするデバイス。