JPH0368181A

JPH0368181A - 超伝導光検出デバイス

Info

Publication number: JPH0368181A
Application number: JP1202927A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Tanabe; 圭一田辺; Yoichi Enomoto; 陽一榎本; Kazuyuki Moriwaki; 森脇　和幸
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-08-07
Filing date: 1989-08-07
Publication date: 1991-03-25

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）本発明は光検出デバイスに関するものであり、さらに詳
述するならば、赤外の広い波長域において高感度検出、
高速応答が可能であり、かつその動作Ｋ、高価な液体ヘ
リウムによる冷却を必要としない超伝導光検出デバイス
に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体を用いた高速応答可能な光検出器が開発されてい
る。しかし、Ｓｔ、Ｇｅに代表される従来の光検出器に
用いられてきた半導体では、フォトンエネルギーの小さ
い赤外光に対してギヤツブ間遷移を起こすことができな
いため、光検出が不可能である。一方、赤外光でも励起
現象が起こるような狭いギャップ幅をもつＨｇ　Ｃｄ、
　Ｔ　ｅ等の半導体材料からなる光検出器の研究が近年
進められている。しかしながら、上記半導体材料が多成
分系であるため、キャリアの移動度の大きい均質な結晶
育成が困難で、赤外光に対して高速応答特性を有するよ
うな半導体を用いた光検出器は実現されていない。

また、酸化物超伝導体Ｂ　ａ　Ｐ　ｂ　１−ＸＢ　ｉＸ
Ｏ３（０，０５≦ｘ≦０．３５）を用いた弱結合型ある
いは積層型ジョセフソン接合のそれぞれ弱結合部あるい
は接合部を光検出部とする光検出デバイスが、特願昭５
８−１７３６６７号、特願昭５８−１７３６６８号等で
提案されている。これらの光検出デバイスは非平衡超伝
導現象を検出に利用しているが、その原理を以下に簡単
に説明する。

超伝導体では、その転移温度より低温において、電子は
クーパーベアを形威し、そのエネルギー状態密度分布に
は、フェルミ・エネルギーを中心として幅２Δの禁制帯
（エネルギーギャップ）が生じている。ここＫ、２Δを
越えるエネルギーをもつフォトンを照射すると、クーパ
ーペアは破壊され、準粒子がギャップの上に励起される
。励起された準粒子は、フォノンを放出しながらそのエ
ネルギーを失ってゆき、ギャップの直上にまで低エネル
ギー化された準粒子は再結合し、再びクーパーペアを形
成する。この再結合が生じるまでの緩和時間が有限（１
ｐＳ〜１．　ｎ　ｓ　）であること、また放出されたフ
ォノンが系の外に逃げ出す前にクーパーベアを再び破壊
する効果があることのためＫ、光の照射されている超伝
導体中では、準粒子密度が熱平衡時に比べ増大した非平
衡状態が形成される。非平衡状態における超伝導体のギ
ャソプパラメータΔは過剰準粒子密度にほぼ比例して減
少する。また、ジョセフソン電流値はΔの減少に比例し
て減少するため、光照射された弱結合型および積層型ジ
ョセフソン接合の電流−電圧特性は光照射前の特性を示
す第５図の実線から光照射された特性を示す破線へと変
化する。したがって、これらのジョセフソン接合に一定
のバイアス電流を与えておけば、光照射による電圧変化
が検出できるわけである。

上述した原理による超伝導光検出デバイスは超伝導体の
ギャップエネルギー２Δ（通常１〜１０ｍｅＶ）より大
きなフォトンエネルギーをもつ光、すなわち波長が１０
０μｍ〜１ｍｍより短い光すべてに応答可能のため、半
導体光検出デバイスよりはるかに広い応答波長域を有す
る。また、応答時間が準粒子の再結合時間でほぼ決定さ
れるため、Ｉｎｓ以下の比較的速い応答が実現できる。

さらＫ、酸化物超伝導体ＢａＰｂ、−ｘＢｉＸ○３（０
，０５≦ｘ；Ｓｏ、３５）は金属系超伝導体に比べ１桁
以上小さなキャリア密度をもつ。このため、赤外光領域
における反射率が低くフォトンが内部にまで侵入しやす
く、また非平衡現象におけるΔの変化率が大きいため、
この材料を用いた光検出デバイスでは高い感度と高速性
が両立できるという特徴があった。しかしながら、Ｂａ
Ｐｂ１−ＸＢｉｘ○３（０，０５≦ｘ≦０．３５）の超
伝導転移温度（Ｔ　ｃ　）は最高でもＩＩＫと低いため
、その動作には高価な液体ヘリウムによる冷却が必要と
いう欠点があった。

〔発明が解決しようとする課題）一方、近年、ｌ、ａ、−、Ｍ、Ｃｕ０ａ　（Ｍ＝ＣａＢ
ａ、Ｓｒ）、ＭＢａ２Ｃｕ、○ｔ−ｙ　（Ｍ　＝　Ｙ　
、　　Ｎ　ｄＳｍ、　　Ｅｕ、　　Ｇｄ、　　Ｄｙ、　
　Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ。

Ｙｂ）といった銅の酸化物をベースとした４０に級、９
０に級の高いＴｃをもつ超伝導体系が発見され、これら
の光検出デバイスへの適用も検討されてきている。しか
しながら、Ｂ　ａ　Ｐ　ｂ　１−ｘＢ　ｌ　ｘＯ３と同
様に低いキャリア密度を持つにもかかわらず、これらの
材料系を用いた光検出デバイスでは、薄膜のＴｃのごく
近傍でのみ大きな感度が観測されており、しかもその応
答速度は０．１μｓ〜０、Ｉｓと遅く、これは薄膜の温
度上昇によるポロメトリソク動作あるいはこれらの材料
系に特有の磁束クリープに起因するものであるという報
告がなされている。例えば、前者については「エム・フ
ォレスタ他、応用物理しターズ５３．１３３２頁、１９
８８年（Ｍ、Ｇ、Ｆｏｒｒｅｓｔｅｒ　ｅｔ　ａｌ、、
Ａｐｐｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｔｅｓＬｅｔｔｅｒｓ　５３
．ｐ、１３３２（１９８８））Ｊ　、後者については「
日経超伝導、第２９号８頁、　１９８９年」に記載され
ている。すなわち、これらの材料系を用いた光検出デバ
イスでは、高い感度と高速応答性を両立することはでき
ないという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、従来の半導体光検出器や超伝導
光検出デバイスの欠点を解決し、広い波長領域にわたっ
て高感度検出、高速応答が可能であり、かつその動作Ｋ
、高価な液体ヘリウムによる冷却を必要としない超伝導
光検出デバイスを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、基板上に形
成された超伝導体薄膜より成る２つの電極と、超伝導体
薄膜電極を結合するように形成された超伝導体多結晶薄
膜より戒る弱結合部とにより構成される弱結合型ジョセ
フソン素子を検出部とする超伝導光検出デバイスにおい
て、弱結合部の多結晶超伝導薄膜が、Ｂ　ａ　、−、Ｍ
、Ｂ　ｉ　、、Ｏｓ＋ｔ（ＭはＫ、Ｒｂの少なくともい
ずれか一方の金属、０．２５≦ｘ≦０．５５．０≦ｙｐ
ｏ、ｚ、−０．１≦ｚ≦０．３）より成るようにしたも
のである。

また、基板上に積層された超伝導薄膜より成る２つの電
極と、超伝導体薄膜電極間に挿入された絶縁体、半導体
あるいは常伝導金属より成るバリア層とにより構成され
る積層型ジョセフソン接合を検出部とする超伝導光検出
デバイスにおいて、少なくとも一方の超伝導体薄膜電極
が、Ｂ　ａ　ｔ−ｘＭ　ＸＢ　１１　＋ｙ　０３４１　
（ＭはＫ、Ｒｂの少なくともいずれか一方の金属、０．
２５≦ｘ≦０．５５．０≦ｙ≦０．２、−０．１≦ｚ≦
０．３）より成るようにしたものである。

〔作用〕

本発明による超伝導光検出デバイスにおいては、ギャッ
プエネルギーを越えるエネルギーをもつ光の照射に対し
、高感度かつ高速の光応答が可能である。また、高価な
液体ヘリウムを用いることなく、高感度かつ高速の光検
出器が実現できる。

〔実施例〕

まず、本発明の特徴と従来技術との差異について述べる
。

本発明において、Ｂ　ａ　ｌ−ＸＭＸＢ　ｉ　＋＊ｙ０
３＋ｘ　（ＭはＫ、Ｒｂの少なくともいずれか一方の金
属、０．２５ＳｘＳＯ，５５，０≦ｙ≦０．２、−０．
１≦ｚ≦０．３）を用いる理由を以下に説明する。

Ｂ　ａ　＋−，Ｍ、Ｂ　ｉ　Ｏ（ＭはＫ、Ｒｂ）はＲ，
Ｊ、Ｃａｖａらによって発見された（「アール・ジエー
・キャバ他、ネーチャ３３２巻、８１４頁、１９８８年
（Ｒ，Ｊ’、Ｃａｖａ　ｅｔ　ａｌ、、Ｎａｔｕｒｅ　
ｖｏｌ、３３２．ｐ、８１４（１９８８））　Ｊ参照）
超伝導物質である。その結晶構造はＸがおよそ０，１か
ら０．５の範囲で、Ｂ　ａ　ｐ　ｂ　Ｈ−ｘＢ　ｉｘ○
。

と類似の立方晶（ペロブスカイト構造）であり、最高で
３０に程度のＴＣを示すことが報告されている。一方、
Ｌ　ａ　Ｚ−ＸＭｌ［Ｃｕ　０４　（Ｍ＝　Ｃａ　、　
Ｂ　ａＳｒ）＋　ＭＢａｚＣｕｉＯ？−、（Ｍ＝Ｙ、Ｎ
ｄ、ＳｍＥｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、）ｌｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ
）といった銅系の酸化物超伝導体は、酸素原子が銅原子
を８面体型あるいはピラミッド型に取り囲んだクラスタ
が構成する層と、希土類原子、アルカリ土類原子と酸素
原子がそれぞれ構成する層が積み重なった層状構造を有
し、その電子状態にも、２次元に近い強い異方性が現れ
ていることが知られている（例えば文献「北沢、岸尾、
応用物理５７巻、１６４４頁、１９８８年ｊ参照）。両
物質系は共Ｋ、２〜８　Ｘ　１０”ｃｍ−’程度と、金
属系超伝導体に比べ１桁程度低いキャリア密度をもつが
、超伝導特性に直接関係するフェルミレベルにおける状
態密度Ｎ　（０）の値は、表１に各種酸化物超伝導体の
物質パラメータとして示すようＫ、後者の方が１桁以上
大きい。これは、電子状態の次元性の違いに起因する。

すなわち、３次元系におけるＮ　（０）は有効質Ｉｍ＊
と、キャリア密度の１７３乗の積に比例するのに対し、
２次元系のＮ（０）はｍ＊にのみ比例し、キャリア密度
に依存しない。

したがって、キャリア密度の小さい酸化物では、２次元
系の方が状態密度は大きくなると考えられる。なお、表
１において、ＢＰＢＯ，ＢＫＢＯ。

ＬＳＣＯ，ＹＢＣＯはそれぞれＢ　ａ　ｐ　ｂ、−、Ｂ
　ｉＸＯｌ、Ｂａ　１−ＸＫＸＢ　ｉ　Ｏ３、Ｌ　ａ　
ｚ−ｘＳ　ｒ　、Ｃｕ　Ｏａ、Ｙ　Ｂ　ａ　ｚ　Ｃｕ　
３０　ｔ−ｙの略であり、括弧内の値は推定値である。

さて、準粒子注入により非平衡状態にある超伝導体のギ
ャップパラメータΔの減少量δΔは近似で与えられる。

ここで、Ｉ　ｑｐは光照射等による準粒子注入レート、
Ｒは準粒子の再結合レートであり、τ。、τ８はそれぞ
れフォノンの系外への逃げ出し過程と、フォノンによる
クーパーペアの破壊過程の特性時間である。

上式より、同一強度の光を照射した場合、状態密度Ｎ（
０）の小さな超伝導材料１３ａ、□ＭＸＢｉ○。

（Ｍ＝Ｋ、Ｒｂ）の方が、銅系の酸化物超伝導体に比べ
大きな検出電圧すなわち大きな感度が得られることがわ
かる。また、準粒子の再結合レートＲはＴｃのほぼ３乗
に比例するため、フォノンの逃げ出しが比較的速い場合
（τ。、〜ｒ！ｌ）、両者の感度の比は７０〜２００倍
と２桁近くになると考えられる。逆Ｋ、状態密度の大き
な材料で大きな出力を得るためには、より大きな強度の
光を照射する必要があるため、フォノンの蓄積による温
度上昇と低速の応答が起こりやすいと言える。

一方、応答時間τは、フォノンの逃げ出しが比較的速い
場合、１／Ｒで与えられる。ＢａＩ−ｘＭＸＢ　ｉ　Ｏ
ｓ　（Ｍ＝Ｋ、　、Ｒｂ）における準粒子の再結合時間
１／Ｒは、そのＴｃの大きさから、５〜１０ｐｓ程度と
予想される。したがって、τ。３／τ８の項による増倍
効果を考慮しても、ｉｎｓ以下の応答時間が期待できる
。

次Ｋ、非平衡現象以外に電圧発生原因となる磁束クリー
プ等の磁束の動きやすさについて考えてみる。銅系の酸
化物超伝導体では、その結晶のａ軸、ｂ軸方向のコヒー
レンス長く１５〜２０人〉に比べＣ軸方向の値は２人程
度と著しく小さい。

結晶内の点欠陥等による磁束のビン止めエネルギーは３
方向のコヒーレンス長の積にほぼ比例するため、これら
２次元的性質をもつ材料系ではその値が小さく、磁束ク
リープ等の現象が現れやすい。

一方、Ｂａ＋−、ＩＭｘＢ　ｉｏ、（Ｍ＝Ｋ、Ｒｈ）で
は、そのＴｃの高さからやはり２０〜３０人程度の比較
的小さなコヒーレンス長が予想されるが、等方向な性質
のためコヒーレンス長の積は銅系の材料に比べ１桁以上
大きく、磁束クリープが起こりにくいと考えられる。

さらＫ、銅系の酸化物材料では電気伝導の著しい異方性
のため、多結晶薄膜中の各粒界に形成されるポテンシャ
ルバリアの高さや厚みに大きな分布が存在すると考えら
れるのに対し、Ｂ　ａ　１−、Ｍ。

Ｂ　ｉ　０３　（Ｍ＝Ｋ、　　Ｒ，ｂ）では等方向な１
３ａＰｂ１−ｘＢｉ、Ｏ，の場合と同様により均質な粒
界バリアが期待できる。このため、多結晶膜を用いた弱
結合型の光検出デバイスにおいて、直列効果による感度
増倍へのより大きな寄与が予想される。

以下、本発明の実施例について説明する。

災施量上電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型のイオン源を備え
た多元蒸着装置を用い、Ｂａｌ−ｘＭＸＢ　１　＋−ｙ
Ｏｓ＋ｇ　（Ｍ　＝　Ｋ、　Ｒｂ　）薄膜を単結晶Ｍｇ
０（１００）基板上に形成した。Ｂａ、Ｋ　（Ｒｈ）Ｂ
ｉの蒸発源としてはにセルを用い、５０Ｖの電圧で加速
した酸素イオンを照射しなから底膜を行なった。酸素ガ
ス流量およびイオン電流密度はそれぞれ３ｓｃｃｍおよ
び５０＋ｌｊＡ／ｃｍ”とし、基板温度は４００〜４５
０℃とした。堆積速度約２０　ｎｍ／ｍ　ｉ　ｎで２０
０ｎｍ厚の薄膜を堆積した後、電子線マイクロプローブ
による薄膜組成の評価、Ｘ線回折による結晶構造の同定
、４端子法電気抵抗測定による超伝導転移温度Ｔｃ評価
を行なった。これらの特性を表２にまとめた。表２にお
いて、構造の欄のＣは立方晶の超伝導層、Ｔは正方晶、
Ｍ、Ｍ２は単斜晶の非超伝導層である。

以上の結果から、Ｘの値がほぼ０．２５から０．５５の
範囲で超伝導薄膜が得られること、また過剰なりｉは２
０％程度までＢａサイトに入り得ることがわかった。酸
素濃度については正確な分析が困難であるが、これらの
薄膜をＡｒ雰雰囲気中３０上し得る酸素欠損はＢ　ａ　
Ｐ　ｂ　＋−ｘＢ　Ｉ　ＸＯ３の場合と同じ３％程度と
推定された。

次Ｋ、上記の薄膜でＩＩＫ以上の超伝導転移温度を示し
たものについて、フォト工程を通し第１図に示すような
１０μｍ角のリンク部（弱結合部）４を有する弱結合型
のデバイスを作製した。第１図において（ｂ）は（ａｌ
のＢ　−　Ｂ線断面図であり、１は基板、２はＢ　ａ　
Ｉ−ＸＭｙＢ　ｉ　１４ｙ○，、、　（Ｍ　：　Ｋ。

Ｒｂ）超伝導体層、３はＡｕオーミック電極、５は照射
光である。超伝導薄膜のパターン形成はＡｒガスを用い
たイオンミリング（加速電圧：５００Ｖ）により、また
Ａｕ電極の形成はリフトオフにより行なった。これらの
デバイスＫ、単一モード光ファイバを通したアル稟す製
ガイドをファイバ端が弱結合部の直上に来るように接着
し、波長１、３μｒｎのレーザ光（周波数５００ｋＨｚ
で変調）に対する光検出特性（光照射によるデバイス間
の電圧の変化）を小型冷凍機を用い、１１〜３０にの温
度範囲内で測定した。これらのデバイスのいくつかは、
そのＴｃの１／２以下の低温で電流−電圧特性にヒステ
リシスを示したが、より高温ではいずれもヒステリシス
のない弱結合型ジョセフソン接合と類似の電流−電圧特
性が観測された。

表３には、温度とバイアス電流値を変化させて得られた
最大の検出感度（検出電圧／入射光パワー）と、その値
が観測された温度を個々のデバイスに対して示す。

以上のようＫ、ＩＩＫより高いＴｃをもつ薄膜を用いた
デバイスでは、１０３〜ＩＯ’Ｖ／ＷというＢ　ａ　Ｐ
　ｂ　ｌ−１１１Ｂ　１　ｘｉｓを用いた光検出デバイ
スと同程度の高い感度が得られた。さらにいくつかのデ
バイスに対しては、０．８ＧＨ２および１．２ＧＨｚで
変調したレーザ光に対する感度も測定した。

その結果を高速変調光に対する光検出デバイスの最大感
度として表４に示す。

以上のようＫ、１．２１０Ｈｚにおいても感度の低下は
非常に小さかった。表３の低周波の結果と比べ、全体的
に感度が低くなっているのは、電極配線の浮遊インダク
タンスの影響と考えられる。したがって、本検出デバイ
スは少なくともＩｎｓ以下の応答速度を示すことが明ら
かになった。

失格拠童実施例１と同様の電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型
のイオン源を備えた多元蒸着装置を用い、Ｂ　ａ　＋−
ｘ　（ＫｙＲｂ　＋−ｙ）　ｘＢ　ｔ　Ｏｓ薄膜を単結
晶５ｒＴｉＯｓ（１００）基板上に形威した。基板温度
、堆積速度等の薄膜堆積条件、酸素イオンの照射条件は
実施例１と同じとした。膜厚１５０ｎｍの薄膜を形威し
た後、そのＴｃを評価した。

さらＫ、実施例１と同様に弱結合型の光検出デバイスを
作製し、５００ｋＨｚで変調したレーザ光（波長１，３
μｍ以下）に対する感度を調べた。その結果をＢ　ａ　
＋−ｘ　（ＫｙＲｂＩ−ｙ）　ｘＢ　１０ｓ薄膜を用い
た光検出デバイスの最大感度として表５にまとめた。表
５の番号はデバイス番号である。

以上のようＫ、いずれの組成においても１０”Ｖ／Ｗ以
上の大きな感度が得られた。次Ｋ、１゜３．８番のデバ
イスについて、ファイバガイドを脱着した後、光導゛大
型のタライオスタットに装着し、回折格子型分光器の光
源を用いて波長１〜８μｍの赤外〜遠赤外光に対する感
度の測定を行なった。チヨツパを用い、１ｋＨｚで光を
変調し、出力電圧はロックインアンプで測定した。第２
図には、相対感度の波長依存性を示す。第２図で、実線
は表５の番号１のデバイスを示し、点線は番号３のデバ
イスを示し、−点鎖線は番号８のデバイスを示す。どの
デバイスに対しても、感度は波長が長くなるにつれ増大
し、８μｍでも感度は１μｍでの値の３〜５倍高くなっ
ていることがわかる。このことにより、本発明の光検出
デバイスはＢ　ａ　Ｐ　ｂｌ−、Ｂ　１ｘＯａを用いた
デバイスと同様に広い波長範囲で高い感度を示すことが
明らかになった。

矢１０生１実施例１と同様の電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）型
のイオン源を備えた多元蒸着装置およびスパッタリング
装置を真空バルブを介して結合した薄膜製造装置を用い
、第３図に示すような積層型の光検出デバイスを作製し
た。まず、ＭｇＯ単結晶基板６上に厚さ３００ｎｍのＢ
ａｏｌＫｏ、３Ｂｔ○、薄膜７を４５０℃で堆積した後
、基板を冷却し、スパッタリング装置に真空を破ること
なしに移送した。次Ｋ、ＡｕおよびＭｇＯを連続して、
それぞれｄｃおよびｒｆマグネトロンスバソタで堆積し
Ａｕ層８、Ｍｇ０層９を形威した。ＡＵおよびＭｇＯの
堆積速度はそれぞれ０．２ｎｍ／Ｓと０．１ｎｍ／ｓと
し、膜厚はそれぞれ０〜５０ｎｍとＯ〜２ｎｍとした。

試料を再び蒸着装置に移送して、今度は基板温度４００
℃で厚さ１１００ｎのＢ　ａ、　ｏ、ｙＫｏ、３Ｂ　ｉ
　０３薄膜１０を堆積した。

このようにして作製した多層膜をフォト工程を通して加
工し、デバイスを作製した。まず、下部電極パターンを
フォトレジストをマスクとしてイオンミリングにより加
工した後、同様に１０×ｌＯμｍ２の上部電極パターン
をイオンごリングにより形威した。次Ｋ、上部電極パタ
ーン上のフォトレジストを利用し、ＳｆＯからなる絶縁
層１１を抵抗加熱蒸着によりセルファライン堆積した。

最後にＡｕからなる上部電極用の配線層１２をリフトオ
フにより形威し、電極を充放した。なお、１３は接合部
、１４は下部電極コンタクト接合である。

これらのデバイスＫ、マルチモード光ファイバを通した
アルミナ製のガイドを基板裏面より、ファイバ端が接合
部の直下にくるように接着し、光応答の測定を行なった
。デバイスの冷却には実施例１と同様、Ｈｅガス循環型
の小型冷凍器を用いた。まずデバイスの光来照射時にお
ける電流−電圧特性を１１にで測定したところ、Ａｕ層
およびＭｇＯ層の厚みにより、第４図（ａ）〜（Ｃ）に
示すようＫ、弱結合ジョセフソン接合と類似のヒステリ
シスを示さない曲線、わずかなヒステリシスとギャソブ
電圧に対応する電圧からの電流の立ち上がりが見られる
曲線、および直流ジョセフソン電流が全く見られない特
性の３種類が観測された。表６には、各デバイスの電流
−電圧特性のタイプと波長１．３．ｕｍのレーザ光（変
調周波数５００ｋＨｚ）に対する最大感度をまとめた。

以上から、バリア層（ここではＡｕ層とＭｇＯ層）の厚
さを適当に選ぶことで１０３Ｖ／Ｗ以上の高い感度が得
られることがわかる。

次Ｋ、高い感度が得られた４、７，８．１０番のデバイ
スについて、半導体レーザからの緩和振動モードによる
５ａｐｓ幅の光パルスを照射し、発生した電圧波形を高
速の前置増幅器で増幅した後サンプリングオシロスコー
プで観測した。その結果、電圧波形の立ち上がり時間は
、いずれのデバイスについても前置増幅器の応答限界で
ある１ｏｏｐｓより短かった。また、立ち下がり時間は
４００〜８００ｐｓであり、本デバイスはｌｌｓ以下の
応答時間をもつことが明らかになった。

大旌拠土実施例３と同様の積層型の光検出デバイスを今度は種々
の組成のＢ　ａ　＋−＋ｃＭＪ　ｉ　Ｏ，ＣＭ＝　ＫＲ
ｂ）薄膜を下部電極として作製した。多層膜の作製には
実施例３と同一の複合装置を用い、酸化物超伝導体、Ａ
ｕ　（膜厚１．５ｎｍ）およびＭｇ０（膜厚１ｎｒｎ）
の薄膜堆積条件は同じとした。

但し、ＭｇＯ堆積後スパッタリング装置内で上部電極用
薄膜として膜厚１１００ｎのＮｂＮ層を反応性ｄｃマグ
ネトロンスパッタにより基板温度２００℃で堆積した。

その際、１５ｍ、Ｔｏｒｒの圧力のＡｒ＋２０％Ｎ２ガ
スを用いた。堆積速度はおよそｌ　５　ｎｍ／ｍ　ｉ　
ｎとした。ＮｂＮｉ膜のＴＣは１５に前後であった。作
製した多層膜を実施例３と同様のプロセスで加工したが
、上部電極のＮｂＮｖｉｉ膜の加工は、ＳＦ＆＋５％０
２ガスを用いた反応性イオンエソチングによった。

作製したデバイスの裏面にマルチモード光ファイバをガ
イドを用い接着し、ＩＧＨｚに変調した１、３μｍレー
ザ光に対する感度をＩＩＫで測定した０表７に各デバイ
スのＩ−Ｖ特性のタイプとバイアス電流を変化させて得
た最高感度をまとめた。

なお、（ａ）〜（Ｃ１は第４図のＩ−Ｖ特性のタイプを
示す。

このようＫ、適当な薄膜組成を選べば、ＩＧＨｚの変調
周波数においても高い感度が得られることがわかった。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、弱結合ジョセフソ
ン素子型あるいは積層されたジョセフソン接合型光検出
デバイスにおいて、弱結合部の多結晶超伝導薄膜あるい
は上部、下部電極のうち少なくとも一方の超伝導体薄膜
電極がＢ　ａｌ−ＸＭＸＢ１＋＋ｙｋｚ　（ＭはＫ、Ｒ
ｂの少なくともいずれか一方の金属、０．２５≦ｘ≦０
．５５、Ｏ≦ｙ≦０．２、−０．１≦ｚ≦０．３）より
成るようにしたことにより、これらの材料は従来の金属
超伝導体およびＣｕ系の高Ｔｃ酸化物超伝導体に比べ１
桁以上小さなフェルミレベルにおける状態密度をもつた
め非平衡超伝導現象によるギャップパラメータの変化が
起こりやすく、また、電子状態がＣｕ系高Ｔｃ酸化物超
伝導体と異なり等方向であるため磁束りリーブ等の比較
的低速な電圧発生要因がほとんど無視できるので、ギャ
ップエネルギーを越えるエネルギーをもつ光の照射に対
し、非平衡超伝導現象による電圧発生が支配的になるた
め、高感度かつ高速の光応答が可能である。

さらＫ、上記の組成の薄膜は１１に以上の高いＴｃをも
つため、これを用いることにより、高価な液体ヘリウム
を用いることなしＫ、循環式の小型冷凍器や安価な液体
水素（２０Ｋ）や液体ネオン（２７Ｋ）による冷却で動
作可能で、高感度かつ高速の光検出器が実現できるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ｔａ）および山）は本発明の第１の実施例の超伝
導光検出デバイスの構造を示す平面図および断面図、第
２図は本発明の第２の実施例の光検出デバイスの相対感
度の波長依存性を示すグラフ、第３図は本発明の第３の
実施例を示す概略断面図、第４図は本発明の第３の実施
例において観測された電流−電圧特性のタイプを模式的
に示すグラフ、第５図は弱結合型および積層型（トンネ
ル型）ジョセフソン接合のＩ−Ｖ特性の光照射による変
化を模式的に表わすグラフである。１．６・・・基板、２，７．１　（１”Ｂａ、−、Ｍ、
Ｂ　ｉ、。ｙ０３゜、（Ｍ：Ｋ、Ｒｂ）超伝導体層、３
，１２・・・Ａｕオーミフク電極、４・・・弱結合部、
５・・・照射光、８・・・Ａｕ層、９・・・ＭｇＯ層、
１１・・・絶縁層、１３・・・接合部、１４・・・下部
電極コンタクト接合。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に形成された超伝導体薄膜より成る２つの
電極と、前記超伝導体薄膜電極を結合するように形成さ
れた超伝導体多結晶薄膜より成る弱結合部とにより構成
される弱結合型ジョセフソン素子を検出部とする超伝導
光検出デバイスにおいて、前記弱結合部の多結晶超伝導
薄膜が、Ｂａ＿１＿−＿ｘＭ＿ｘＢｉ＿１＿＋＿ｙＯ＿
３＿＋＿ｚ（ＭはＫ、Ｒｂの少なくともいずれか一方の
金属、０．２５≦ｘ≦０．５５、０≦ｙ≦０．２、−０
．１≦ｚ≦０．３）より成ることを特徴とする超伝導光
検出デバイス。
（２）基板上に積層された超伝導薄膜より成る２つの電
極と、前記超伝導体薄膜電極間に挿入された絶縁体、半
導体あるいは常伝導金属より成るバリア層とにより構成
される積層型ジョセフソン接合を検出部とする超伝導光
検出デバイスにおいて、少なくとも一方の超伝導体薄膜
電極が、Ｂａ＿１＿−＿ｘＭ＿ｘＢｉ＿１＿＋＿ｙＯ＿
３＿＋＿ｚ（ＭはＫ、Ｒｂの少なくともいずれか一方の
金属、０．２５≦ｘ≦０．５５、０≦ｙ≦０．２、−０
．１≦ｚ≦０．３）より成ることを特徴とする超伝導光
検出デバイス。