(57)【要約】【課題】紫外線から赤外線までの広い波長領域の光に対して感度の波長依存性が小さくて高速且つ高感度な光センサーを提供することを課題とする。【解決手段】単結晶基板に光を吸収させ、光子のエネルギーを非平衡フォノンに変換し、非平衡フォノンを超伝導直列接合に吸収させ、それによって超伝導直列接合で信号を発生させることにより、紫外線から赤外線までの広い波長領域の光に対して感度の波長依存性が小さく、且つ高速および高感度とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導トンネル接合を用いた光センサーにおいて、エネルギーギャップの大きさが０．５ｅＶ以下の半導体を基板とし、当該基板の表面に６個以上の超伝導トンネル接合を直列に接続して構成した超伝導直列接合を設けたことを特徴とする超伝導体光センサー。
【請求項２】
超伝導トンネル接合を用いた光センサーにおいて、不純物準位が荷電子帯端あるいは伝導電子端から０．５ｅＶ以下の不純物を含む半導体あるいは絶縁体の単結晶を基板とし、当該基板の表面に６個以上の超伝導トンネル接合を直列に接続して構成した超伝導直列接合を設けたことを特徴とする超伝導光センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光から紫外光のいわゆる光などを測定する光センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光子および放射線用の撮像センサーとしては半導体のＣＣＤが広く用いられており、２次元の位置分解能も１０００チャンネル×１０００チャンネルすなわち１００万画素を大きく上回るものも市場に出回っている。
【０００３】
超伝導体を用いた放射線センサーとして超伝導トンネル接合検出器（超伝導単接合検出器）が提案され（非特許文献１参照）、近年、半導体検出器をはるかに上回るエネルギー分解能が実現されている（非特許文献２参照）。しかしながら、１つの超伝導単接合検出器で光子を直接吸収させてそのエネルギーを測定する単接合検出器では、面積が数１００μｍ×数１００μｍ程度と小さいために検出効率が低く、また厚さも数百ｎｍと薄いためにエネルギーが数ｋｅＶ以上の光子に対しては吸収効率が１０％以下と低い。１つのチップ上に超伝導単接合検出器素子を複数設け、それぞれの素子からの信号を測定すれば、検出効率は素子数に比例して向上する。どの素子から信号が発生したかで放射線の入射位置も測定できる。しかしながら、全ての画素からの信号を１つの増幅器で処理できるＣＣＤと異なり、超伝導トンネル接合の場合、素子特性にばらつきがあるそれぞれの素子からの信号を別々に処理しなければならないため、１００チャンネル以上の多素子化は困難である。その上、この方法では吸収効率を向上させることはできないという問題もある。
【０００４】
Ｘ線や荷電粒子のエネルギーを基板で吸収させて非平衡フォノンに変換し、非平衡フォノンを基板表面上に設けた直列に接続した多数の超伝導トンネル接合からなる１つの直列接合で吸収させて信号を発生させる超伝導直列接合検出器では、高検出効率かつ高吸収効率のエネルギー超高分解能光子検出器を実現できる（特許文献１）。また、１つの超伝導直列接合検出器に複数の直列接合を用いることによって、２次元の位置分解能すなわち撮像が可能である（特許文献２）。しかしながら、撮像素子では基板上に超伝導トンネル接合のない不感領域を設け、不感領域の周りに不感領域を取り囲むように独立に作動する４つ以上の直列超伝導トンネル接合を設けたことを特徴とするものであったため、１ｃｍ２のオーダーの大面積化と半導体ＣＣＤに相当する位置の高分解能化は困難であるという欠点があった。すなわち、不感領域の面積が大きいと非平衡フォノンが直列接合に達するのに時間がかかるのとともにその前に超伝導体中で電子を励起できない熱フォノンとなってしまう割合が多くなってしまい、高感度および高速性が困難になるという欠点があった。
【０００５】
従来、光センサーとしては半導体を用いた光伝導体や光ダイオードなどの半導体光センサーが広く利用されている。半導体光センサーには、光による荷電子帯から伝導体への電子の励起を利用するものと、半導体中に高濃度の不純物を導入し、光による荷電子帯から不純物レベルまたは不純物レベルから伝導体への電子の励起を利用するものの２種類がある。しかしながら、半導体光センサーは、用いる半導体材料のエネルギーギャップの大きさＥｇあるいはエネルギーギャップ中の不純物レベルよりも少しエネルギーの大きい光子に対しては感度が高いものの、それよりエネルギーの大きい光子に対しては上記の電子の励起に必要なエネルギー以上の余剰のエネルギーはフォノンの生成に費やされて信号に寄与しないために感度が低下してしまう。エネルギーギャップの大きさＥｇあるいはエネルギーギャップ中の不純物レベルよりもエネルギーの小さい光子は電子をエネルギーギャップの上に励起できないために、半導体光センサーはそれらよりエネルギーの小さい光子に対しては感度が極めて低い。そのため、広い波長範囲の光を計測するには、何種類もの半導体光センサーが必要となり、感度の波長依存性が大きいために各波長ごとの光の強度の決定には複雑な操作が必要であった。
【０００６】
感度が光の波長に余り依存せず、紫外線から遠赤外線までの測定が可能な光センサーとしてはボロメーターがあるが、光の入射による昇温を測定して光の強度を測定するものであるため、光の非入射時の温度を高精度に制御しなければならず、しかも温度変化を測定するために低速であるという欠点があった。
【０００７】
また、超伝導トンネル接合に光を照射すれば超伝導体中で電子が励起され、励起電子がトンネル効果で信号として取り出せることが知られているが（非特許文献３参照）、１つの接合で光を直接吸収するために光センサーとしての有効面積が狭い、光を超伝導体で吸収する効率が光の波長に大きく依存し、特に赤外線に対しては反射率が大きくなってしまい、吸収効率が極めて低くなってしまうという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許２７９９０３６
【特許文献２】特開Ｈ８−２６２１４４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】応用物理、第５３巻、１９８４年、５３３−５３７ページ
【非特許文献２】日本物理学会誌、第５１巻、１９９６年、４２５−４３３ページ
【非特許文献３】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２８、（１９８９）Ｌ５４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、紫外線から赤外線までの広い波長領域の光に対して感度の波長依存性が小さくて高速且つ高感度な光センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
いわゆる光に対しては、超伝導トンネル接合で直接に光子を吸収させるのでなく、単結晶基板に光を吸収させ、光子のエネルギーを非平衡フォノンに変換して超伝導直列接合で信号を発生させることにより、紫外線から赤外線までの広い波長領域の光に対して感度の波長依存性が小さく、且つ高速および高感度とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、エネルギーギャップの大きさが０．５ｅＶ以下の半導体または不純物準位が０．５ｅＶ以下の絶縁体または半導体の基板を光吸収体として用い、光によって生成された非平衡フォノンを当該基板上に設けた超伝導直列接合で効率よく収集して電子を励起させ、励起電子をトンネル効果で電気信号に変換することによって、感度が光の波長に殆ど依存せず、かつ高速の高感度光センサーが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】１実施例のセンサー素子の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】１実施例のセンサー素子の超伝導トンネル接合側の平面図である。（実施例１）
【発明を実施するための形態】
【００１４】
対象とする光子のエネルギーよりもエネルギーギャップの小さい半導体あるいは不純物レベルの浅い不純物を高濃度に添加した半導体または絶縁体の基板で光を吸収させる。
【００１５】
半導体または絶縁体の基板で光を吸収させる場合、光子は半導体中で電子を励起する。励起電子は余剰のエネルギーをフォノンとして放出する。半導体光センサーの場合と異なり、励起電子を電場を利用して外部に信号として取り出すことはしない。そのため、エネルギーギャップの上に緩和した電子は空孔と再結合、または伝導帯から不純物レベルあるいは不純物レベルから荷電子帯へと戻り、エネルギーを非平衡フォノンとして放出して光子によって励起される以前のエネルギー状態へと戻る。上記の基板中の非平衡フォノンは基板の表面に設けたエネルギーギャップの小さい超伝導体で作製された多数の超伝導トンネル接合で吸収され、超伝導トンネル接合中で電子を励起させる。超伝導体のエネルギーギャップは１ｍｅＶ程度あるいはそれ以下と小さいために、非平衡フォノンは電子を効率良く励起することができる（非特許文献２）。そのため、上記の過程で放出された非平衡フォノンは超伝導トンネル接合中で電子を効率良く励起することが出来る。なお、いわゆる光を基板で吸収してそのエネルギーを非平衡フォノンに変換する方法では、フォノンを高効率に吸収するために超伝導トンネル接合は直列接合であることは重要であるが、必ずしも複数の超伝導直列接合を用いる必要はない。複数の直列接合を用いた場合には撮像も可能となる。
【００１６】
超伝導直列接合は大面積であって非平衡フォノンの吸収効率が高い、すなわち半導体中の励起電子から放出されたフォノンが熱化される前にそれらを素早く吸収し、そのエネルギーを超伝導体中の励起電子に変換することが出来る。そのため、本発明の光センサーでは光子１個当たり信号電荷が１個のみ得られるのではなく、個々の光子のエネルギーに比例した信号電荷を得ることが出来、光吸収用の超伝導薄膜あるいは光吸収用の基板として用いる半導体のエネルギーギャップあるいは不純物準位よりエネルギーの大きい光子に対してその波長・エネルギーにかかわらず高検出効率の光センサーとなる。しかも、効率は光の波長に殆ど依存しないという利点をもつ。光量をセンサーの温度変化で測定するボロメーターと異なり、熱フォノンではなく非平衡フォノンを利用するため、光への応答速度は1/10000秒程度以下と高速である。
【００１７】
以下、本発明の実施例を示すことにより、本発明をより詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
第１の実施例を図１と図２に示す。ＨｇＣｄＴｅの半導体基板１の上に１００個の超伝導トンネル接合からなるＮｂ系超伝導直列接合２を設ける。直列接合は２並列の超伝導トンネル接合を５０個直列に接続したものである。当該光センサーをヘリウム３クライオスタットで約０．３５Ｋに冷却し、波長が１μｍから１０μｍの光３を基板の超伝導体直列接合を設けた面の反対側の面に照射した。接合には、電圧ゼロで流れるジョセフソン電流を抑制するために、接合面に平行に約０．０１テスラの磁場を印加した。波長１０μｍ以下の光子に対して感度の波長による変動は１０％以下であり、感度はＨｇＣｄＴｅ半導体光センサーの約１０ミクロンの光に対するものの３倍以上である。赤外光は、チョッパーを用いて、１０ヘルツから２０００ヘルツで照射したが、感度は周波数に殆ど依存しなかった。波長が約０．８ミクロンの周期的パルスレーザー光に対しては、周波数１０ヘルツから１００ｋヘルツで感度の周波数による変動は１５％以下と小さなものであった。
【実施例２】
【００１９】
第２の実施例においては、高濃度の銅をドープしたゲルマニューム半導体基板を実施例１のＨｇＣｄＴｅの半導体基板の代わりに用いた。その他の素子構造は実施例１と同様である。この場合も、波長１０μｍ以下の光子に対して感度の波長による変動は１０％以下であり、感度はＨｇＣｄＴｅ半導体光センサーの約１０ミクロンの光に対するものの３倍以上である。赤外光は、チョッパーを用いて、１０ヘルツから２０００ヘルツで照射したが、感度は周波数に殆ど依存しなかった。波長が約０．８ミクロンの周期的パルスレーザー光に対しては、周波数１０ヘルツから１００ｋヘルツで感度の周波数による変動は２０％以下と小さなものであった。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本願発明は、光を利用した様々な分析装置に利用できる。
【符号の説明】
【００２１】
１    単結晶基板
２    超伝導直列接合
３    非平衡フォノン
５    光子
６    下部電極
７    上部電極
８    配線
９    ボンディングパッド
【図１】
2010278452.tif 000003
【図２】
2010278452.tif 000004