JPH065792B2 - 超伝導性光伝導基本物質Ｂｉ▲下２▼０▲下３▼系材料を用いた超伝導オプトエレクトロニクス装置 - Google Patents
超伝導性光伝導基本物質Ｂｉ▲下２▼０▲下３▼系材料を用いた超伝導オプトエレクトロニクス装置Info
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- JPH065792B2 JPH065792B2 JP2205264A JP20526490A JPH065792B2 JP H065792 B2 JPH065792 B2 JP H065792B2 JP 2205264 A JP2205264 A JP 2205264A JP 20526490 A JP20526490 A JP 20526490A JP H065792 B2 JPH065792 B2 JP H065792B2
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- Y10S505/702—Josephson junction present
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、Ｂｉ系酸化物超伝導材料と、その臨界温度以
下の温度に対応して光伝導現象を示す超伝導性光伝導基
本物質Ｂｉ２Ｏ３とよりなる“超伝導オプトエレクトロ
ニクス装置”に関するものである。
下の温度に対応して光伝導現象を示す超伝導性光伝導基
本物質Ｂｉ２Ｏ３とよりなる“超伝導オプトエレクトロ
ニクス装置”に関するものである。
（従来の技術） 超伝導材料の開発に伴い種々の超伝導材料が見い出され
ており、例えば、Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物又はＢ
ａ−Ｋ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸
化物超伝導材料が見い出されている。しかしながら、現
在の超伝導材料の開発は、臨界温度を高めることが目的
とされ、光学的性質の解明、特にその利用がなされてい
ないのが現状である。この理由は、超伝導性と、光吸収
性並びに光伝導性等とは相反する物性であると考えられ
ており、ＢＣＳ理論のギャップエネルギー以上の波数の
光を照射することにより超伝導体の安定性が破壊される
ものと考えられていたことによる。さらに、これまでに
開発された超伝導材料は主として金属やそれらの合金で
あり、光学的に有益な性質を有する超伝導性光伝導材料
は、いまだに判明していない。
ており、例えば、Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物又はＢ
ａ−Ｋ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸
化物超伝導材料が見い出されている。しかしながら、現
在の超伝導材料の開発は、臨界温度を高めることが目的
とされ、光学的性質の解明、特にその利用がなされてい
ないのが現状である。この理由は、超伝導性と、光吸収
性並びに光伝導性等とは相反する物性であると考えられ
ており、ＢＣＳ理論のギャップエネルギー以上の波数の
光を照射することにより超伝導体の安定性が破壊される
ものと考えられていたことによる。さらに、これまでに
開発された超伝導材料は主として金属やそれらの合金で
あり、光学的に有益な性質を有する超伝導性光伝導材料
は、いまだに判明していない。
しかしながら、最近の高温酸化物超伝導材料と、その臨
界温度以下の温度で特有な光学的性質を有する超伝導性
光伝導材料とを組み合せれば、超伝導配線などを背景に
持ちながら撮像素子は勿論のこと、電力損失のないスイ
ッチイング素子や光演算素子を実現でき、光論理演算や
空間並列型光演算が可能になり、低電力で作動する高速
演算装置を実現することができる。
界温度以下の温度で特有な光学的性質を有する超伝導性
光伝導材料とを組み合せれば、超伝導配線などを背景に
持ちながら撮像素子は勿論のこと、電力損失のないスイ
ッチイング素子や光演算素子を実現でき、光論理演算や
空間並列型光演算が可能になり、低電力で作動する高速
演算装置を実現することができる。
（発明が解決しようとする課題） 上述したように、現在の超伝導材料の研究は臨界温度の
上昇を主目的としている。しかしながら、本発明者は、
超伝導材料に関する種々の実験及び解析の結果、三酸化
ビスマスＢｉ２Ｏ３，またはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝
Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）の形で安定化された単結晶がＢａ−
Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
系酸化物よりなる超伝導材料の臨界温度以下で対応して
光伝導性を生ずると云う予期し得ない顕著な効果を有す
ることを見い出した。すなわち、この酸化物は、常温で
は電気的絶縁性または半導体的性質を呈するが、この酸
化物と関連する酸化物超伝導材料の転移温度以下の温度
においては入射光量に応じたキャリャが発生し、その伝
導率が変化する光伝導性を有していることが判明した。
従って、例えば超伝導性光伝導状態にある三酸化ビスマ
スＢｉ２Ｏ３、又はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕ）と、これと関連する超伝導状態にある酸化
物、たとえばＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物、Ｂａ−Ｋ
−Ｂｉ−Ｏ又はＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超
伝導体とを組み合せることにより電力損失のない有益な
超伝導オプトエレクトロニクス素子を構成することがで
きる。ここで、超伝導オプトエレクトロニクス素子と
は、超伝導性材料とその臨界温度以下の温度で光伝導性
を有する超伝導性光伝導基本物質とを組み合せたオプト
エレクトロニクス素子をいうものとする。
上昇を主目的としている。しかしながら、本発明者は、
超伝導材料に関する種々の実験及び解析の結果、三酸化
ビスマスＢｉ２Ｏ３，またはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝
Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）の形で安定化された単結晶がＢａ−
Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ
系酸化物よりなる超伝導材料の臨界温度以下で対応して
光伝導性を生ずると云う予期し得ない顕著な効果を有す
ることを見い出した。すなわち、この酸化物は、常温で
は電気的絶縁性または半導体的性質を呈するが、この酸
化物と関連する酸化物超伝導材料の転移温度以下の温度
においては入射光量に応じたキャリャが発生し、その伝
導率が変化する光伝導性を有していることが判明した。
従って、例えば超伝導性光伝導状態にある三酸化ビスマ
スＢｉ２Ｏ３、又はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕ）と、これと関連する超伝導状態にある酸化
物、たとえばＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物、Ｂａ−Ｋ
−Ｂｉ−Ｏ又はＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超
伝導体とを組み合せることにより電力損失のない有益な
超伝導オプトエレクトロニクス素子を構成することがで
きる。ここで、超伝導オプトエレクトロニクス素子と
は、超伝導性材料とその臨界温度以下の温度で光伝導性
を有する超伝導性光伝導基本物質とを組み合せたオプト
エレクトロニクス素子をいうものとする。
従って、本発明の目的は、超伝導体に関する従来技術と
その問題点を解決しようとするものでなく、本発明者が
新たに見い出した超伝導性光伝導基本物質、すなわち超
伝導領域につながる材料の特有の光学的性質を有効に利
用した超伝導オプトエレクトロニクス素子及び装置を提
供するものである。
その問題点を解決しようとするものでなく、本発明者が
新たに見い出した超伝導性光伝導基本物質、すなわち超
伝導領域につながる材料の特有の光学的性質を有効に利
用した超伝導オプトエレクトロニクス素子及び装置を提
供するものである。
なお、以下ではＢｉ２Ｏ３セラミックス及びＢｉ
２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶を総称
して“超伝導性光伝導基本物質Ｂｉ２Ｏ３系材料”と呼
び、それぞれＢｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋あるいは
総合してＢｉ２Ｏ３系と表現する。
２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶を総称
して“超伝導性光伝導基本物質Ｂｉ２Ｏ３系材料”と呼
び、それぞれＢｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋あるいは
総合してＢｉ２Ｏ３系と表現する。
（問題点を解決するための手段） 本発明による臨界温度以下の温度条件下において超伝導
状態となる電極領域と、 これら電極領域の間に形成され、上記臨界温度以下の温
度条件下においてその温度と対応して光伝導性となる受
光領域と、 上記電極領域間に接続したバイアス源とを具え、 前記電極領域をＢｉ系酸化物超伝導材料で構成し、 前記受光領域をＢｉ２Ｏ３系酸化物材料よりなる超伝導
性光伝導材料で構成し、 前記受光領域に入射する光量に応じて前記電極間電流が
制御されるように構成したことを特徴とする超伝導性光
伝導基本物質Ｂｉ２Ｏ３系材料を用いた超伝導オプトエ
レクトロニクス装置。
状態となる電極領域と、 これら電極領域の間に形成され、上記臨界温度以下の温
度条件下においてその温度と対応して光伝導性となる受
光領域と、 上記電極領域間に接続したバイアス源とを具え、 前記電極領域をＢｉ系酸化物超伝導材料で構成し、 前記受光領域をＢｉ２Ｏ３系酸化物材料よりなる超伝導
性光伝導材料で構成し、 前記受光領域に入射する光量に応じて前記電極間電流が
制御されるように構成したことを特徴とする超伝導性光
伝導基本物質Ｂｉ２Ｏ３系材料を用いた超伝導オプトエ
レクトロニクス装置。
本発明の他の目的とする所は前記受光領域をＢｉ２Ｏ３
セラミックスまたはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕ）の形で安定化された単結晶で構成し、前記電
極領域を、一般式 Ｃａ(X-x)Ｓｒ(x)Ｂｉ(Y-y)Ｃｕ(y)Ｏｚ（ここで、２≦
Ｘ≦３，３≦Ｙ≦４， １≦ｘ≦２，０＜ｙ≦２，４≦ｚ≦９）の組成の酸化物
超伝導性材料で構成した超伝導オプトエレクトロニクス
装置を提供するにある。
セラミックスまたはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕ）の形で安定化された単結晶で構成し、前記電
極領域を、一般式 Ｃａ(X-x)Ｓｒ(x)Ｂｉ(Y-y)Ｃｕ(y)Ｏｚ（ここで、２≦
Ｘ≦３，３≦Ｙ≦４， １≦ｘ≦２，０＜ｙ≦２，４≦ｚ≦９）の組成の酸化物
超伝導性材料で構成した超伝導オプトエレクトロニクス
装置を提供するにある。
本発明の更に他の目的とする所は前記受光領域をＢｉ２
Ｏ３セラミックスまたはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｃｕ）の形で安定化された単結晶で構成し、
前記電極領域を、一般式 Ｂａ−Ｐｂ（１−ｘ）−Ｂｉ(x)−Ｏｚ ここで、0.20≦ｚ≦0.35 の組成の超伝導材料で構成した超伝導オプトエレクトロ
ニクス装置を提供するにある。
Ｏ３セラミックスまたはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓ
ｒ，Ｃａ，Ｃｕ）の形で安定化された単結晶で構成し、
前記電極領域を、一般式 Ｂａ−Ｐｂ（１−ｘ）−Ｂｉ(x)−Ｏｚ ここで、0.20≦ｚ≦0.35 の組成の超伝導材料で構成した超伝導オプトエレクトロ
ニクス装置を提供するにある。
本発明の他の目的とする所は前記超伝導オプトエレクト
ロニクス素子を２次元アレイ状に集積化した超伝導オプ
トエレクトロニクス装置を提供するにある。
ロニクス素子を２次元アレイ状に集積化した超伝導オプ
トエレクトロニクス装置を提供するにある。
ここで、超伝導性光伝導性材料とは、常温では絶縁体
で、かつ、同一材料系の酸化物超伝導材料の超伝導状態
への転移温度に対応して光伝導性を生ずる材料を意味す
る。換言すれば、同一材料系の超伝導現象と共役な関係
にある光伝導現象、すなわち超伝導共役性光伝導現象を
発生する材料を意味する。
で、かつ、同一材料系の酸化物超伝導材料の超伝導状態
への転移温度に対応して光伝導性を生ずる材料を意味す
る。換言すれば、同一材料系の超伝導現象と共役な関係
にある光伝導現象、すなわち超伝導共役性光伝導現象を
発生する材料を意味する。
（作用） 本発明者は、各種超伝導材料についてその超伝導性並び
に光学的性質について実験解析を行なった結果、種々の
超伝導材料においては、その転移温度以下の温度におい
て超伝導性と並行して光伝導性を呈することを見い出し
た。すなわち、例えばＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物及
びＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物いおいては、そ
の転移温度以下においてＢａ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕの含有量に応じて超伝導性材料となることが知
られている。一方、上記のような光伝導性も発見されて
いる。さらに最近、本発明者は三酸化ビスマスＢｉ２Ｏ
３，またはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃ
ｕ）単結晶において、同様な、しかしより基本的な現象
を発見した。
に光学的性質について実験解析を行なった結果、種々の
超伝導材料においては、その転移温度以下の温度におい
て超伝導性と並行して光伝導性を呈することを見い出し
た。すなわち、例えばＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系酸化物及
びＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物いおいては、そ
の転移温度以下においてＢａ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕの含有量に応じて超伝導性材料となることが知
られている。一方、上記のような光伝導性も発見されて
いる。さらに最近、本発明者は三酸化ビスマスＢｉ２Ｏ
３，またはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃ
ｕ）単結晶において、同様な、しかしより基本的な現象
を発見した。
第１図(a),(b)、第２図(a)(b)は(a)Ｂｉ２Ｏ３よりなる
酸化物セラミックス及び(b)Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝
Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶が超伝導性光伝導性を示す典
型的な実験結果である。第１図(a),(b)は本発明者が基
本物質と考えるＢｉ２Ｏ３系材料の光伝導応答の温度依
存性を示す。第２図(a)はＴ＝77KにおけるＢｉ２Ｏ３セ
ラミックス、(b)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕ）単結晶の光伝導応答の波長依存性を示す。本
発明者は、Ｂｉ２Ｏ３系材料よりなる酸化物について種
々の実験及びその解析を行なった結果、励起光波長λ＝
460〜750nm及びＴ≦180Ｋの温度領域の条件において超
伝導性光伝導を示すことを見出した。すなわちＢｉ２Ｏ
３、系酸化物においては上記の波長λ及び温度Ｔの範囲
においては超伝導性光伝導を示し、前記超伝導体（Ｂａ
−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系又はＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系
酸化物）の転移温度以下の温度Ｔにおいて光伝導を示す
ことを新規に知見した。
酸化物セラミックス及び(b)Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝
Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶が超伝導性光伝導性を示す典
型的な実験結果である。第１図(a),(b)は本発明者が基
本物質と考えるＢｉ２Ｏ３系材料の光伝導応答の温度依
存性を示す。第２図(a)はＴ＝77KにおけるＢｉ２Ｏ３セ
ラミックス、(b)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃ
ａ，Ｃｕ）単結晶の光伝導応答の波長依存性を示す。本
発明者は、Ｂｉ２Ｏ３系材料よりなる酸化物について種
々の実験及びその解析を行なった結果、励起光波長λ＝
460〜750nm及びＴ≦180Ｋの温度領域の条件において超
伝導性光伝導を示すことを見出した。すなわちＢｉ２Ｏ
３、系酸化物においては上記の波長λ及び温度Ｔの範囲
においては超伝導性光伝導を示し、前記超伝導体（Ｂａ
−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系又はＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系
酸化物）の転移温度以下の温度Ｔにおいて光伝導を示す
ことを新規に知見した。
第１図(a)及び(b)は基本物質であるＢｉ２Ｏ３系材料に
おけるＱ（λ，Ｔ）の温度依存性を示し、第２図(a),
(b)は同様に波長依存性を示す。
おけるＱ（λ，Ｔ）の温度依存性を示し、第２図(a),
(b)は同様に波長依存性を示す。
基本物質であるＢｉ２Ｏ３系の光吸収、及びそれによる
光伝導はこれまであまり知られていないが、上記の如き
波長依存性を示し、620nmより短波長側に移行するに従
って光応答性が徐々に増大するが、575nm以下では急激
に増大する。しかし、一方620nmより長波長側ではほぼ
小さい光応答性を特定の波長以下で示すに過ぎない。い
ずれにしても、これらの励起光による光伝導度Ｑ（λ，
Ｔ）がまたある特定の温度ＴＰＳ以下で成長し、しかも
その温度がＢｉ２Ｏ３系の酸化物超伝導材料での超伝導
転移温度ＴＳＣと対応していることが発見された。そこ
で、このように超伝導転移温度と対応した温度以下の温
度で光伝導性を有する材料と、転移温度以下の温度で超
伝導性を有する材料とを結合すれば、臨界温度以下の温
度において超伝導性と光伝導性を併有する有用な超伝導
オプトエレクトロニクス素子を実現することができる。
従って、受光領域を超伝導性光伝導材料で構成し、電極
領域を超伝導材料で構成すれば、電極間において受光領
域に入射する光量に応じた出力電流を取り出すことがで
き、これにより電力損失のない高速応答できる光スイッ
チング素子、光検出器、光増幅素子等の“超伝導オプト
エレクトロニクス素子”及び“超伝導オプトエレクトロ
ニクス装置”を実現することができる。
光伝導はこれまであまり知られていないが、上記の如き
波長依存性を示し、620nmより短波長側に移行するに従
って光応答性が徐々に増大するが、575nm以下では急激
に増大する。しかし、一方620nmより長波長側ではほぼ
小さい光応答性を特定の波長以下で示すに過ぎない。い
ずれにしても、これらの励起光による光伝導度Ｑ（λ，
Ｔ）がまたある特定の温度ＴＰＳ以下で成長し、しかも
その温度がＢｉ２Ｏ３系の酸化物超伝導材料での超伝導
転移温度ＴＳＣと対応していることが発見された。そこ
で、このように超伝導転移温度と対応した温度以下の温
度で光伝導性を有する材料と、転移温度以下の温度で超
伝導性を有する材料とを結合すれば、臨界温度以下の温
度において超伝導性と光伝導性を併有する有用な超伝導
オプトエレクトロニクス素子を実現することができる。
従って、受光領域を超伝導性光伝導材料で構成し、電極
領域を超伝導材料で構成すれば、電極間において受光領
域に入射する光量に応じた出力電流を取り出すことがで
き、これにより電力損失のない高速応答できる光スイッ
チング素子、光検出器、光増幅素子等の“超伝導オプト
エレクトロニクス素子”及び“超伝導オプトエレクトロ
ニクス装置”を実現することができる。
（実施例） 三酸化ビスマスＢｉ２Ｏ３系は古典的にはｎ，ｐ型半導
体の１つである。そこで、本発明の基礎であるその光伝
導現象の実施例から述べる。この物質の光学的及び格子
振動的視点からの諸性質もあまり調べられてはいない。
したがって、この物質の真性半導体としての電気伝導機
構、特に室温より以下の低温領域における光伝導機構
も、殆んど解明されて来ていない。
体の１つである。そこで、本発明の基礎であるその光伝
導現象の実施例から述べる。この物質の光学的及び格子
振動的視点からの諸性質もあまり調べられてはいない。
したがって、この物質の真性半導体としての電気伝導機
構、特に室温より以下の低温領域における光伝導機構
も、殆んど解明されて来ていない。
(1)Ｂｉ２Ｏ３セラミックス及びＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋単
結晶における伝導電子や正孔のホール(Hall)易動度につ
いては、これまでも殆んど実験が行われて来ていなの
で、格子振動による散乱や、格子欠陥の影響なども調べ
られていない。純粋の三酸化ビスマスの低温安定相は、
単斜晶系α相（monoclinic）であるが、（第３図(a)参
照）、高温相の立方晶系δ相（face-centered cubi
c）、準安定相である正方晶系β相（tetragonal）、体
心立方晶系γ相（body-centered cubic）も種々の添加
物により室温まで安定化することができる。
結晶における伝導電子や正孔のホール(Hall)易動度につ
いては、これまでも殆んど実験が行われて来ていなの
で、格子振動による散乱や、格子欠陥の影響なども調べ
られていない。純粋の三酸化ビスマスの低温安定相は、
単斜晶系α相（monoclinic）であるが、（第３図(a)参
照）、高温相の立方晶系δ相（face-centered cubi
c）、準安定相である正方晶系β相（tetragonal）、体
心立方晶系γ相（body-centered cubic）も種々の添加
物により室温まで安定化することができる。
ここでの基本物質Ｂｉ２Ｏ３系の１つは、Ｂｉ２Ｏ３；
Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶で表わされ、Ｍ
２＋で安定化された三方晶系（rhomeohedral）単結晶の
もので、Ｂｉ２Ｔｅ３，ＢｉＩ３に類似している（第３
図(b)〜(d)参照）この物質は、超伝導物質Ｂｉ−Ｓｒ−
Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系に密接に関係しているが、低温におけ
るこれらの物質の高抵抗性つまり絶縁体的性格のため
に、それらの物性は殆んど調べられていない。
Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶で表わされ、Ｍ
２＋で安定化された三方晶系（rhomeohedral）単結晶の
もので、Ｂｉ２Ｔｅ３，ＢｉＩ３に類似している（第３
図(b)〜(d)参照）この物質は、超伝導物質Ｂｉ−Ｓｒ−
Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系に密接に関係しているが、低温におけ
るこれらの物質の高抵抗性つまり絶縁体的性格のため
に、それらの物性は殆んど調べられていない。
第８図(a)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（♯Ｓ２１３）と通常
の光伝導体ＡｇＣｌとの光応答性とを比較した特性図で
ある。
の光伝導体ＡｇＣｌとの光応答性とを比較した特性図で
ある。
第８図(b)はＢａ１Ｐｂ（１−ｘ）Ｂｉ１Ｏ３（Ｓ５
４）（ｘ＝１）の光応答の温度依存性を示す特性図であ
る。
４）（ｘ＝１）の光応答の温度依存性を示す特性図であ
る。
第８図(c)は同Ｂａ１Ｐｂ（１−ｘ）ＢｉｘＯ３におい
てｘ＝0.5，ｘ＝0.4の光応答の温度依存性を示す特性図
である。
てｘ＝0.5，ｘ＝0.4の光応答の温度依存性を示す特性図
である。
第８図(c)及び(d)はＣａ（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃｕ
２Ｏ２におけるｘ＝０及びｘ＝１における光応答Ｑ
（λ，Ｔ）と暗抵抗Ｒ（ｍΩ）とのそれぞれの温度依存
性の特性図である。
２Ｏ２におけるｘ＝０及びｘ＝１における光応答Ｑ
（λ，Ｔ）と暗抵抗Ｒ（ｍΩ）とのそれぞれの温度依存
性の特性図である。
本発明者は独自の研究を行い、4.2Ｋ〜77Ｋ、さらには
4.2〜300Ｋに及ぶ温度領域でのＢｉ２Ｏ３系材料のう
ち、特にＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋を用いてこの系の伝導電子
帯、価電子帯に光励起によってつくられた伝導電子、正
孔による光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）及び磁気抵抗易動度の測
定結果を得た。（第４図参照）これらの解析をＬＯフォ
ノン散乱による担体−格子相互作用の理論にもとづいて
行い、Ｂｉ２Ｏ３系における伝導電子や正孔の真性的散
乱機構を4.2Ｋ〜100Ｋに及ぶ広い温度領域で初めて明ら
かにした。
4.2〜300Ｋに及ぶ温度領域でのＢｉ２Ｏ３系材料のう
ち、特にＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋を用いてこの系の伝導電子
帯、価電子帯に光励起によってつくられた伝導電子、正
孔による光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）及び磁気抵抗易動度の測
定結果を得た。（第４図参照）これらの解析をＬＯフォ
ノン散乱による担体−格子相互作用の理論にもとづいて
行い、Ｂｉ２Ｏ３系における伝導電子や正孔の真性的散
乱機構を4.2Ｋ〜100Ｋに及ぶ広い温度領域で初めて明ら
かにした。
三酸化ビスマスＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋単結晶Ｍ（Ｓｒ−Ｃ
ａ−Ｃｕ）は次の方法で作製した。高純度の原料Ｂｉ２
Ｏ３を少量のＳｒＣＯ３，ＣａＣＯ３，ＣｕＯとともに
Ａｌ２Ｏ３ルツボ内で、860℃で溶解した後除冷する。
作製された物質に黄色部分が試料の典型的なもので、そ
の大きさは５×５×１０−２mm3である。Ｓｒ，Ｃａ，
Ｃｕのモル混入率は、それぞれ17.15％、5.50％、0.73
％であり、約２０％のＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏを含
んでいると考えられる。
ａ−Ｃｕ）は次の方法で作製した。高純度の原料Ｂｉ２
Ｏ３を少量のＳｒＣＯ３，ＣａＣＯ３，ＣｕＯとともに
Ａｌ２Ｏ３ルツボ内で、860℃で溶解した後除冷する。
作製された物質に黄色部分が試料の典型的なもので、そ
の大きさは５×５×１０−２mm3である。Ｓｒ，Ｃａ，
Ｃｕのモル混入率は、それぞれ17.15％、5.50％、0.73
％であり、約２０％のＢｉ２Ｓｒ２Ｃａ１Ｃｕ２Ｏを含
んでいると考えられる。
さて、たとえば300K以下の低温では、Ｂｉ２Ｏ３の電気
抵抗は非常に大きくなる。このような温度領域では、殆
んどの半導体での電流磁気効果の測定に広く利用されて
いる接触電極を用いた標準的方法では、信号雑音比（Ｓ
／Ｎ比）が小さく悪くなることや、電極の非オーム性な
どのために測定が著しく困難になる。そこでホール易動
度の測定には本発明者はイオン性結晶でのポーラロンの
運動問題についてかねてから発展させて来ていたブロッ
キング電極を用いてパルス光伝導測定技術をＢｉ
２Ｏ３；Ｍ２＋について採用した。用いられた電極配置
は第５図(a)及び第５図(b)に示されている。
抵抗は非常に大きくなる。このような温度領域では、殆
んどの半導体での電流磁気効果の測定に広く利用されて
いる接触電極を用いた標準的方法では、信号雑音比（Ｓ
／Ｎ比）が小さく悪くなることや、電極の非オーム性な
どのために測定が著しく困難になる。そこでホール易動
度の測定には本発明者はイオン性結晶でのポーラロンの
運動問題についてかねてから発展させて来ていたブロッ
キング電極を用いてパルス光伝導測定技術をＢｉ
２Ｏ３；Ｍ２＋について採用した。用いられた電極配置
は第５図(a)及び第５図(b)に示されている。
第４図は三酸化ビスマスＢｉ２Ｏ３の光吸収や光伝導ス
ペクトルを説明するためのエネルギー状態の模式図であ
る。吸収端は、励起子のＩｓ帯への電子の直接遷移によ
るものである。（これらについては後に第１９図でやや
詳しく述べる。） パルス光伝導測定での光源としては、第６図に示したよ
うにＮ２レーザー励起により発振させることが出来るパ
ルス幅５ｎsecの色素レーザーが用いられλex≦750nmの
発振波長で用いられた。観測された磁場Ｈ内における光
伝導応答ＱｘＨ＝０及び磁気抵抗信号Ｑｘ（Ｈ≠０）レ
ーザ光に同期して測定した。その結果は、光励起で生成
した担体は伝導電子と正孔が共存することを示してい
る。光励起によってつくられた自由正孔の密度は１０
−６〜１０−８cm-3の桁の大きさである。温度Ｔは、標
準的なＡｕ＋0.7％クロメル熱電対を試料に固定させて
指示させた。低温における担体の易動度はかなり大きい
ので、担体の速度が物質の音速を越えたりしないよう
に、印加電場を設定するなど特別の注意を払った。磁場
は超伝導磁石を用いて印加した。また、空間電荷層の形
成の影響を除去する（depolarize）ためにさらに長波長
の光（λ800nm）をかさねて照射した。
ペクトルを説明するためのエネルギー状態の模式図であ
る。吸収端は、励起子のＩｓ帯への電子の直接遷移によ
るものである。（これらについては後に第１９図でやや
詳しく述べる。） パルス光伝導測定での光源としては、第６図に示したよ
うにＮ２レーザー励起により発振させることが出来るパ
ルス幅５ｎsecの色素レーザーが用いられλex≦750nmの
発振波長で用いられた。観測された磁場Ｈ内における光
伝導応答ＱｘＨ＝０及び磁気抵抗信号Ｑｘ（Ｈ≠０）レ
ーザ光に同期して測定した。その結果は、光励起で生成
した担体は伝導電子と正孔が共存することを示してい
る。光励起によってつくられた自由正孔の密度は１０
−６〜１０−８cm-3の桁の大きさである。温度Ｔは、標
準的なＡｕ＋0.7％クロメル熱電対を試料に固定させて
指示させた。低温における担体の易動度はかなり大きい
ので、担体の速度が物質の音速を越えたりしないよう
に、印加電場を設定するなど特別の注意を払った。磁場
は超伝導磁石を用いて印加した。また、空間電荷層の形
成の影響を除去する（depolarize）ためにさらに長波長
の光（λ800nm）をかさねて照射した。
第１図は、低電場Ｅ、弱磁場Ｈ内にあるＢｉ２Ｏ３系の
伝導電子及び正孔による光伝導信号ＱＴ，Ｅ，Ｈ）の温
度依存性を示す典型的な例である。ここで記号Ｑｘは電
場Ｅｘ方向の光電流信号をあらわし、この場合時間的に
は積分されている。また、ここでは伝導電子も正孔もと
もに運動しうるが、両者の適切な立場での平均されたも
のを光生成担体と考えておく。このように仮定すると先
に述べたとおり、Ｑｘ（Ｈ）Ｈ≠０の測定から担体の易
動度の概略値を求めることができる。温度を減少させて
行くとＱｘ（０）Ｈ＝０）も出現し、増大するがＱｘ
（Ｈ）Ｈ≠０の方は、よりゆるやかに増大する。高抵抗
物質でのパルス測定では、磁気抵抗易動度μＭは、電圧
ではなく電流の相対比をとおして から計算される。そこで、これは担体の易動度が急激に
増加することを示唆している。これらの結果をまとめ
て、磁気抵抗易動度μＭ（Ｔ）の温度依存性を示したの
が第７図である。最低温度における担体の易動度の最高
値はＴ＝5.0Ｋで実に20,000cm2／Ｖ・secにも達する。
これらの易動度の温度依存性は、定性的には標準的理論
に比べることによって理解し得る。第１図に示されたよ
うに、３０Ｋより以下では観測された易動度は殆んど温
度に依存しない。これは、この温度領域では中性不純物
散乱が支配的であることを示している。４０Ｋ以上で
は、磁気抵抗易動度μＭが（１／Ｔ）に対して大体指数
関数的依存性をもつことが認められ、これは有極性ＬＯ
フォノン散乱ｔωＬＯ＝21.1meＶが優勢になってきたこ
とを示唆している。ここでこの直線の勾配はかなりゆる
やかであり、比較的小さいエネルギーのＬＯフォノンが
関与していることが解る。
伝導電子及び正孔による光伝導信号ＱＴ，Ｅ，Ｈ）の温
度依存性を示す典型的な例である。ここで記号Ｑｘは電
場Ｅｘ方向の光電流信号をあらわし、この場合時間的に
は積分されている。また、ここでは伝導電子も正孔もと
もに運動しうるが、両者の適切な立場での平均されたも
のを光生成担体と考えておく。このように仮定すると先
に述べたとおり、Ｑｘ（Ｈ）Ｈ≠０の測定から担体の易
動度の概略値を求めることができる。温度を減少させて
行くとＱｘ（０）Ｈ＝０）も出現し、増大するがＱｘ
（Ｈ）Ｈ≠０の方は、よりゆるやかに増大する。高抵抗
物質でのパルス測定では、磁気抵抗易動度μＭは、電圧
ではなく電流の相対比をとおして から計算される。そこで、これは担体の易動度が急激に
増加することを示唆している。これらの結果をまとめ
て、磁気抵抗易動度μＭ（Ｔ）の温度依存性を示したの
が第７図である。最低温度における担体の易動度の最高
値はＴ＝5.0Ｋで実に20,000cm2／Ｖ・secにも達する。
これらの易動度の温度依存性は、定性的には標準的理論
に比べることによって理解し得る。第１図に示されたよ
うに、３０Ｋより以下では観測された易動度は殆んど温
度に依存しない。これは、この温度領域では中性不純物
散乱が支配的であることを示している。４０Ｋ以上で
は、磁気抵抗易動度μＭが（１／Ｔ）に対して大体指数
関数的依存性をもつことが認められ、これは有極性ＬＯ
フォノン散乱ｔωＬＯ＝21.1meＶが優勢になってきたこ
とを示唆している。ここでこの直線の勾配はかなりゆる
やかであり、比較的小さいエネルギーのＬＯフォノンが
関与していることが解る。
Ｂｉ２Ｏ３系の群論的な解析にもとづく格子力学的考察
は、これからの問題であるがＬＯフォノン様式による散
乱と、中性不純物散乱、それに３０Ｋ〜５０Ｋ近くに温
度領域で有効な音響型ＬＡフォノン様式による散乱を加
えて議論することが適切であろう。
は、これからの問題であるがＬＯフォノン様式による散
乱と、中性不純物散乱、それに３０Ｋ〜５０Ｋ近くに温
度領域で有効な音響型ＬＡフォノン様式による散乱を加
えて議論することが適切であろう。
以上を要約すれば、４０Ｋ以上では、担体の散乱は、ソ
フト・モードＬＯフォノン、３０〜５０Ｋでは音響型Ｌ
Ａフォノン、それに３０Ｋ以下とは中性不純物の効果の
組み合さった結果で定められている。しかし、ここでそ
の端緒が見出される最も大きな特色は第１図でのパルス
光伝導度の明確な温度依存性の結果で、普通の光伝導現
象とは逆に、温度を下げていくと信号が成長して来る顕
著な光伝導現象で、これについては次にさらに研究した
結果を述べる。
フト・モードＬＯフォノン、３０〜５０Ｋでは音響型Ｌ
Ａフォノン、それに３０Ｋ以下とは中性不純物の効果の
組み合さった結果で定められている。しかし、ここでそ
の端緒が見出される最も大きな特色は第１図でのパルス
光伝導度の明確な温度依存性の結果で、普通の光伝導現
象とは逆に、温度を下げていくと信号が成長して来る顕
著な光伝導現象で、これについては次にさらに研究した
結果を述べる。
(2)三酸化ヒスマスＢｉ２Ｏ３系の主として価電子帯−
伝導帯間遷移（帯間零移と略称することがある）、によ
る光伝導性については、これまでに殆んど実験的研究が
存在しない。
伝導帯間遷移（帯間零移と略称することがある）、によ
る光伝導性については、これまでに殆んど実験的研究が
存在しない。
しかし、最近我々は低温でのＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋価電子
帯に、基礎的収端すなわち価電子帯と伝導帯との間の禁
止帯幅Ｅｇよりも小さいエネルギー、つまりより長い波
長λの光励起でつくられた励起及びその分解によって生
成された伝導電子及び正孔による光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）
とそれらの磁気抵抗易動度μＭ（Ｔ）に対する新しい実
験結果を得た（(1)の項参照）。
帯に、基礎的収端すなわち価電子帯と伝導帯との間の禁
止帯幅Ｅｇよりも小さいエネルギー、つまりより長い波
長λの光励起でつくられた励起及びその分解によって生
成された伝導電子及び正孔による光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）
とそれらの磁気抵抗易動度μＭ（Ｔ）に対する新しい実
験結果を得た（(1)の項参照）。
しかし、ここで最も注目すべきことは、Ｂｉ２Ｏ３での
パルス光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）の温度依存性には、他のビ
スマス系合物たとえばＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂａ−
Ｋ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の場合
と同様な驚くべき異常な挙動、すなわち温度を下げて行
くと普通減少し消滅して行く光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）が逆
に段階的に続けて現れて来るという現象である。これら
の現象は、ＬＯフォノン雲や、他の価電子による電子雲
を伴った正孔ポーラロンや、伝導電子ポーラロンが帯間
遷移の光によって生成され、それらの“飛程(Schubwe
g)”つまり易動度μｄと寿命τ(t)の積がある温度以下
では特別の理由で大きく延長されることによっている。
この飛程の異常な延長は伝導電子や正孔の新しい状態へ
の本質的な意味での凝縮が起っていることを啓示してい
る。しかも驚くべきことはこれらの光伝導信号Ｑ（λ，
Ｔ）の出現温度や階段温度Ｔｐｓとその関連物質である
酸化物超伝導体の臨界温度ＴＳＣとは一致するか少なく
ともよく対応している。普通の物質ではＱ（λ，Ｔ）は
温度を下げ行くと指数関数的に減少するのと比べて、こ
れはまったく逆の現象である。そこでこのような異常な
光伝導現象を“超伝導性光伝導度(Superconductive Pho
toconductivity)”と呼ぶことにする。
パルス光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）の温度依存性には、他のビ
スマス系合物たとえばＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂａ−
Ｋ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の場合
と同様な驚くべき異常な挙動、すなわち温度を下げて行
くと普通減少し消滅して行く光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）が逆
に段階的に続けて現れて来るという現象である。これら
の現象は、ＬＯフォノン雲や、他の価電子による電子雲
を伴った正孔ポーラロンや、伝導電子ポーラロンが帯間
遷移の光によって生成され、それらの“飛程(Schubwe
g)”つまり易動度μｄと寿命τ(t)の積がある温度以下
では特別の理由で大きく延長されることによっている。
この飛程の異常な延長は伝導電子や正孔の新しい状態へ
の本質的な意味での凝縮が起っていることを啓示してい
る。しかも驚くべきことはこれらの光伝導信号Ｑ（λ，
Ｔ）の出現温度や階段温度Ｔｐｓとその関連物質である
酸化物超伝導体の臨界温度ＴＳＣとは一致するか少なく
ともよく対応している。普通の物質ではＱ（λ，Ｔ）は
温度を下げ行くと指数関数的に減少するのと比べて、こ
れはまったく逆の現象である。そこでこのような異常な
光伝導現象を“超伝導性光伝導度(Superconductive Pho
toconductivity)”と呼ぶことにする。
既に本発明者は、Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｃａ−Ｓｒ
−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系で、伝導電子や正孔を生成すること
に対して光励起によるドーピングがＰｂ，Ｓｒ−ドーピ
ングと同等であるという考え方を確立している。したが
ってＱ（λ，Ｔ）の実験結果を綜合してみると、波長選
択により注意深く光励起されたＢｉ２Ｏ３系の励起状態
での新規な“光伝導性”は、先にＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ
系、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系で示されたように、
Ｂｉ系酸化物高温超伝導体の基底状態での“超伝導性”
と深い相関をもっていることを確認した。
−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系で、伝導電子や正孔を生成すること
に対して光励起によるドーピングがＰｂ，Ｓｒ−ドーピ
ングと同等であるという考え方を確立している。したが
ってＱ（λ，Ｔ）の実験結果を綜合してみると、波長選
択により注意深く光励起されたＢｉ２Ｏ３系の励起状態
での新規な“光伝導性”は、先にＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ
系、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系で示されたように、
Ｂｉ系酸化物高温超伝導体の基底状態での“超伝導性”
と深い相関をもっていることを確認した。
簡単のために、これまでの所で得られている絶縁性Ｂｉ
２Ｏ３単結晶および多結晶、ならびにＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ
−Ｃｕ−Ｏ系セラミックス試料の異常なパルス光伝導度
Ｑ（λ，Ｔ）の実験結果を、従来認められている光伝導
度(Normal Photoconductivity)を示すＡｇＣｌ単結晶で
の典型的なデータ例とともに、新たに第８図(a)〜(e)に
一括して示す。驚くべきことには、ＡｇＣｌの場合を除
くこれらのすべての実験結果は温度を下げていくと、明
らかに超伝導性光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）の出現することを
示している。また第８図(d)は関連した超伝導性物質で
あるＢｉ−Ｓｒ−Ｏ−Ｃｕ−Ｏ系の暗抵抗ρ（ｔ）の温
度依存性を例示したものである。また、第２図(a)（Ｔ
＝77Ｋ），(b)Ｔ＝5.0Ｋ、第９図(a)（Ｔ＝77Ｋ）Ｅ＝3
20Ｖ／cm、第９図(b)Ｅ＝2.2ＫＶ／cmには、光伝導度Ｑ
（λ，Ｔ）の波長依存性が示されている。
２Ｏ３単結晶および多結晶、ならびにＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ
−Ｃｕ−Ｏ系セラミックス試料の異常なパルス光伝導度
Ｑ（λ，Ｔ）の実験結果を、従来認められている光伝導
度(Normal Photoconductivity)を示すＡｇＣｌ単結晶で
の典型的なデータ例とともに、新たに第８図(a)〜(e)に
一括して示す。驚くべきことには、ＡｇＣｌの場合を除
くこれらのすべての実験結果は温度を下げていくと、明
らかに超伝導性光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）の出現することを
示している。また第８図(d)は関連した超伝導性物質で
あるＢｉ−Ｓｒ−Ｏ−Ｃｕ−Ｏ系の暗抵抗ρ（ｔ）の温
度依存性を例示したものである。また、第２図(a)（Ｔ
＝77Ｋ），(b)Ｔ＝5.0Ｋ、第９図(a)（Ｔ＝77Ｋ）Ｅ＝3
20Ｖ／cm、第９図(b)Ｅ＝2.2ＫＶ／cmには、光伝導度Ｑ
（λ，Ｔ）の波長依存性が示されている。
これまでの結果から、絶縁体領域における光伝導信号Ｑ
（λ，Ｔ）の段階温度Ｔｐｓと超伝導体領域でのρ
（Ｔ）での臨界温度ＴＳＣとの間には、第１０図に示す
ように深い相関があることが確認された。
（λ，Ｔ）の段階温度Ｔｐｓと超伝導体領域でのρ
（Ｔ）での臨界温度ＴＳＣとの間には、第１０図に示す
ように深い相関があることが確認された。
なお、ここでは純粋に凝縮系物理学の基本問題としての
議論の詳細は省略するが、いずれにしても、Ｂｉ系での
超伝導性光伝導と超伝導現象とは、互いに相補的なもの
でどちらがより本質的であるとは云えない。
議論の詳細は省略するが、いずれにしても、Ｂｉ系での
超伝導性光伝導と超伝導現象とは、互いに相補的なもの
でどちらがより本質的であるとは云えない。
以上の状況の下で、我々は“超伝導性光伝導度(Superco
nductive Photocorductivity)”を先に述べたように定
義する。すなわち、本来母体となる絶縁体の光伝導で、
関連した伝導性物質での超伝導転移温度と一致あるいは
少くとも対応した温度以下で出現し、いくつかの段階的
部分を示すような特異な温度依存性を示す光伝導現象
を”超伝導性光伝導”と呼ぶ。このような命名は自然な
ものと考えられるが、本発明者はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ
系、Ｂａ−Ｋ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏ系と同類の“超伝導性光伝導”現象をＢｉ２Ｏ３系で
も最初に発見したということが出来る。このような光励
起でのＢｉ２Ｏ３系での恐らく励起子を伴い、本質的に
凝縮した伝導電子や正孔系による新規な“超伝導性光伝
導現象”は、Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂａ−Ｋ−Ｂｉ
−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系のようないろい
ろなBi系酸化物超伝導体の基底状態での“高温超伝導”
現象と深い相関を持っていることは確かと考えられる。
nductive Photocorductivity)”を先に述べたように定
義する。すなわち、本来母体となる絶縁体の光伝導で、
関連した伝導性物質での超伝導転移温度と一致あるいは
少くとも対応した温度以下で出現し、いくつかの段階的
部分を示すような特異な温度依存性を示す光伝導現象
を”超伝導性光伝導”と呼ぶ。このような命名は自然な
ものと考えられるが、本発明者はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ
系、Ｂａ−Ｋ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−
Ｏ系と同類の“超伝導性光伝導”現象をＢｉ２Ｏ３系で
も最初に発見したということが出来る。このような光励
起でのＢｉ２Ｏ３系での恐らく励起子を伴い、本質的に
凝縮した伝導電子や正孔系による新規な“超伝導性光伝
導現象”は、Ｂａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｂａ−Ｋ−Ｂｉ
−Ｏ系、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系のようないろい
ろなBi系酸化物超伝導体の基底状態での“高温超伝導”
現象と深い相関を持っていることは確かと考えられる。
(3)(1)に述べたように、第１図(b)で特に低温での三酸
化ビスマスＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶を波長λｅｘ540n
mで光学的に選択して励起した場合のパルス光伝導Ｑ
（λ，Ｔ）と第７図で担体の磁気抵抗易動度μＭ（Ｔ）
の新しい観測結 を示した。そこで(2)に述べた状況に
対応させて、4.2Ｋ〜300Ｋという更に広い温度領域での
Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶内での担体によるＱ（λ，
Ｔ）、μＭ（Ｔ）のデータの詳細を、“超伝導性光伝
導”を解明するために再検討した。その結果、新しく本
質的に大切な情報を得た。光伝導に寄与する担体の密度
np（Ｔ）の詳細をしらべるために、これらのデータを解
析することにより、我々はＢｉ２Ｏ３系における光伝導
信号Ｑ（λ，Ｔ）がその温度依存性でいくつかの階段状
変化をする温度“階段温度(Step Temperature)Ｔｐｓ”
と同様に担体密度np（Ｔ）にもいくつかの系列をなす
“下端温度(Clew Temperature)，ＴＣ”または渋滞温度
をもつことを初めて発見した。これらはともに励起光下
にあるＢｉ２Ｏ３系で自由な伝導電子と正孔が規則的に
凝縮して電荷移動型（Charge.transferＣＴ型）励起子
をつくることによるもので高温超伝導の基底状態に密接
な相関をもつものである。
化ビスマスＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶を波長λｅｘ540n
mで光学的に選択して励起した場合のパルス光伝導Ｑ
（λ，Ｔ）と第７図で担体の磁気抵抗易動度μＭ（Ｔ）
の新しい観測結 を示した。そこで(2)に述べた状況に
対応させて、4.2Ｋ〜300Ｋという更に広い温度領域での
Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶内での担体によるＱ（λ，
Ｔ）、μＭ（Ｔ）のデータの詳細を、“超伝導性光伝
導”を解明するために再検討した。その結果、新しく本
質的に大切な情報を得た。光伝導に寄与する担体の密度
np（Ｔ）の詳細をしらべるために、これらのデータを解
析することにより、我々はＢｉ２Ｏ３系における光伝導
信号Ｑ（λ，Ｔ）がその温度依存性でいくつかの階段状
変化をする温度“階段温度(Step Temperature)Ｔｐｓ”
と同様に担体密度np（Ｔ）にもいくつかの系列をなす
“下端温度(Clew Temperature)，ＴＣ”または渋滞温度
をもつことを初めて発見した。これらはともに励起光下
にあるＢｉ２Ｏ３系で自由な伝導電子と正孔が規則的に
凝縮して電荷移動型（Charge.transferＣＴ型）励起子
をつくることによるもので高温超伝導の基底状態に密接
な相関をもつものである。
実験に際しては、Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋単結晶及び多結晶
が用いられ、その詳細を調べ直した。
が用いられ、その詳細を調べ直した。
互いに直交し、ともに弱い電場Ｅｘ及び磁場Ｈｚ内にあ
る絶縁性試料での正孔による光伝導信号の２成分Ｑｘ
（Ｔ，Ｏ）、Ｑｘ（Ｔ，Ｈ）、それに磁気抵抗易動度μ
Ｍ（Ｔ）を測定するに際して、我々はポーラロンの運動
問題の研究でかねてから発展せて来ていたブロッキング
電極を用いたパルス光伝導測定技術を励起光波長λex
（あるいはただλ）で採用した。光励起担体の“飛程(S
chubweg)”が多結晶の粒塊内においてさえも、充分小さ
くなるように、電場Ｅｘは弱電場領域に設定された。光
伝導信号Ｑ（λ，Ｔ，Ｅｘ，Ｈｚ）のＥｘ依存性は線型
でありこれが上記の条件が成立していることを保証して
いる。これらの実験における本質的な問題点はこれまで
の研究で充分検討されていて、５０ｎｍ〜１μｍのサイ
ズのＡｇＢｒ 微粒子結晶の場合についても確かめられ
ている。実施例(1)，(2)と異なる新しい部分は、ここで
のＱｘ（Ｔ，Ｏ）、Ｑｘ（Ｔ，Ｈ）、それにこれらから
得られたμＭ（Ｔ）のデータとを注意深く再検討するこ
とによって得られた担体密度np（Ｔ）の主として温度依
存性いついてのもので次の関係式 Ｑｘ(T)＝σ(T)Ｅｘ＝np(T)eμｄ(T)Ｅｘ (1) Ｑｘ(T,H)＝σ（τ）Ｅｘ＋δ(T,H)ＥｘＨｚ２ δ(T,H)＝np(T)eμｄ(T)ＥｘＨｚ２／Ｃ２(2) に基づくものである。ここでσ，δは弱い外場の極限で
は一定の値をもち横磁気抵抗は であたえられる。したがって光伝導に貢献する担体濃度
np（Ｔ）は np(T)≡Ｑｘ(T)／ｅμＭ(T)Ｅｘ (4) でその温度依存性を求めることが出来る。なおこれ以後
本発明は記号を簡略化しＱｘ（Ｔ，Ｈ＝０）Ｑｘ（Ｔ，
Ｈ≠０）をＱｘ（０），Ｑｘ（Ｈ）と書くことにする。
る絶縁性試料での正孔による光伝導信号の２成分Ｑｘ
（Ｔ，Ｏ）、Ｑｘ（Ｔ，Ｈ）、それに磁気抵抗易動度μ
Ｍ（Ｔ）を測定するに際して、我々はポーラロンの運動
問題の研究でかねてから発展せて来ていたブロッキング
電極を用いたパルス光伝導測定技術を励起光波長λex
（あるいはただλ）で採用した。光励起担体の“飛程(S
chubweg)”が多結晶の粒塊内においてさえも、充分小さ
くなるように、電場Ｅｘは弱電場領域に設定された。光
伝導信号Ｑ（λ，Ｔ，Ｅｘ，Ｈｚ）のＥｘ依存性は線型
でありこれが上記の条件が成立していることを保証して
いる。これらの実験における本質的な問題点はこれまで
の研究で充分検討されていて、５０ｎｍ〜１μｍのサイ
ズのＡｇＢｒ 微粒子結晶の場合についても確かめられ
ている。実施例(1)，(2)と異なる新しい部分は、ここで
のＱｘ（Ｔ，Ｏ）、Ｑｘ（Ｔ，Ｈ）、それにこれらから
得られたμＭ（Ｔ）のデータとを注意深く再検討するこ
とによって得られた担体密度np（Ｔ）の主として温度依
存性いついてのもので次の関係式 Ｑｘ(T)＝σ(T)Ｅｘ＝np(T)eμｄ(T)Ｅｘ (1) Ｑｘ(T,H)＝σ（τ）Ｅｘ＋δ(T,H)ＥｘＨｚ２ δ(T,H)＝np(T)eμｄ(T)ＥｘＨｚ２／Ｃ２(2) に基づくものである。ここでσ，δは弱い外場の極限で
は一定の値をもち横磁気抵抗は であたえられる。したがって光伝導に貢献する担体濃度
np（Ｔ）は np(T)≡Ｑｘ(T)／ｅμＭ(T)Ｅｘ (4) でその温度依存性を求めることが出来る。なおこれ以後
本発明は記号を簡略化しＱｘ（Ｔ，Ｈ＝０）Ｑｘ（Ｔ，
Ｈ≠０）をＱｘ（０），Ｑｘ（Ｈ）と書くことにする。
第４図では、Ｂｉ２Ｏ３系の価電子帯と伝導帯の模式的
なエネルギー状態図で励起光波長λexのいくつかの場合
の状況を定性的に示している。
なエネルギー状態図で励起光波長λexのいくつかの場合
の状況を定性的に示している。
さて、第11図のように、実際、(4)式を用いると、励起
光によって生成された担体の密度ｎ（Ｔ）の相対値の温
度依存性を直ちに導き出すことが出来る。ただし、ここ
で相対比（μＨ／μｄ）の値は（３π／８）と１の間の
値でnp（Ｔ）の変化の幅に比べると殆んど一定と考えて
も差支えないものとする。このようにして求めた結果を
見ると、ｎ（Ｔ）に認められる“下端温度(Clew Temper
ature)，Ｔpcの１つながりの段階構造の系列は、確かに
ある物理的意味を示唆している様にも考えられる。そこ
で、以下に若干の考察を行なう。
光によって生成された担体の密度ｎ（Ｔ）の相対値の温
度依存性を直ちに導き出すことが出来る。ただし、ここ
で相対比（μＨ／μｄ）の値は（３π／８）と１の間の
値でnp（Ｔ）の変化の幅に比べると殆んど一定と考えて
も差支えないものとする。このようにして求めた結果を
見ると、ｎ（Ｔ）に認められる“下端温度(Clew Temper
ature)，Ｔpcの１つながりの段階構造の系列は、確かに
ある物理的意味を示唆している様にも考えられる。そこ
で、以下に若干の考察を行なう。
まず第１に、励起光波長λex＝620〜540nmで励起された
Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶内に生成され、パルス光伝導や
磁気抵抗易動度などの実験に関与している担体が伝導帯
の伝導電子と価電子帯の自由正孔の調和をもつ集合であ
ることは、自ら明確である。
Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶内に生成され、パルス光伝導や
磁気抵抗易動度などの実験に関与している担体が伝導帯
の伝導電子と価電子帯の自由正孔の調和をもつ集合であ
ることは、自ら明確である。
第２に、本発明者は、Ｑ（λ，Ｔ）に“階段温度Ｔps”
及び励起光によって生成された担体密度np（Ｔ）に１つ
ながりの“下端温度Ｔpcまたは渋滞温度”が予想外に規
則正しく配列していることを始めて見出した。これらは
後に実験結果で示すようにいずれも自由な伝導電子と正
孔の実空間での凝縮によるものであろう。
及び励起光によって生成された担体密度np（Ｔ）に１つ
ながりの“下端温度Ｔpcまたは渋滞温度”が予想外に規
則正しく配列していることを始めて見出した。これらは
後に実験結果で示すようにいずれも自由な伝導電子と正
孔の実空間での凝縮によるものであろう。
驚くべきことは、これらのＢｉ２Ｏ３系結晶光伝導にお
ける階段温度Ｔpsや担体密度の下端温度Ｔpcまたは渋滞
温度がBi系酸化物高温超伝導体の臨界温度Ｔscと明確な
相関をもつことである。
ける階段温度Ｔpsや担体密度の下端温度Ｔpcまたは渋滞
温度がBi系酸化物高温超伝導体の臨界温度Ｔscと明確な
相関をもつことである。
結論としてＢｉ２Ｏ３系結晶内に励起光によって生成さ
れた担体による光伝導Ｑ（λ，Ｔ）やそれらの易動度μ
Ｍ（Ｔ）の温度依存性の実験結果を注意深くしらべるこ
とにより、λex＝540nmで光励起されたＢｉ２Ｏ３系に
おいては温度を下げて行くとＱ（Ｔ），μＭ（Ｔ）が急
激に増加するにもかかわらず光伝導信号Ｑ（λ，Ｔ）に
いくつかの“階段温度Ｔps”が、或いははそれから求め
られる担体密度ｎ（Ｔ）に１つながりの新しい“下端温
度Ｔec”または渋滞温度の系列が現れることを本発明者
は世界で最初に知見した。
れた担体による光伝導Ｑ（λ，Ｔ）やそれらの易動度μ
Ｍ（Ｔ）の温度依存性の実験結果を注意深くしらべるこ
とにより、λex＝540nmで光励起されたＢｉ２Ｏ３系に
おいては温度を下げて行くとＱ（Ｔ），μＭ（Ｔ）が急
激に増加するにもかかわらず光伝導信号Ｑ（λ，Ｔ）に
いくつかの“階段温度Ｔps”が、或いははそれから求め
られる担体密度ｎ（Ｔ）に１つながりの新しい“下端温
度Ｔec”または渋滞温度の系列が現れることを本発明者
は世界で最初に知見した。
Ｔps及びＴpcの値の１つながりの新しい系列は、励起光
によって生成された自由な伝導電子や正孔が、電荷移動
型（ＣＴ型）励起子とともに全体としても運動しうる調
和した集団に実空間で凝縮してしまうものと考えられ、
“超伝導性光伝導”の視点から注目すべきものである。
によって生成された自由な伝導電子や正孔が、電荷移動
型（ＣＴ型）励起子とともに全体としても運動しうる調
和した集団に実空間で凝縮してしまうものと考えられ、
“超伝導性光伝導”の視点から注目すべきものである。
実際これらがなんらかの意味で凝縮し始めていること
は、光吸収や光伝導スペクトルにおける黄色系励起子の
温度依存性の凍結についての結果から再認識される。
は、光吸収や光伝導スペクトルにおける黄色系励起子の
温度依存性の凍結についての結果から再認識される。
(4)磁気抵抗易動度μＭ（λ，Ｔ）のＴ＝5.0Ｋにおける
波長依存性を光伝導応答スペクトルと対応させて第12図
に示した。
波長依存性を光伝導応答スペクトルと対応させて第12図
に示した。
568ｎｍ付近での励起子吸収μ＝２以下、ｎ＝３などに
対応するかの如きμＭの増減に伴う構造が認められる
が、それより短波長側では概して一定値をもつ。ただし
その値はμＭ１２，０００cm2／Ｖ・secとかなり大き
い。
対応するかの如きμＭの増減に伴う構造が認められる
が、それより短波長側では概して一定値をもつ。ただし
その値はμＭ１２，０００cm2／Ｖ・secとかなり大き
い。
(5)ところで、これらＢｉ２Ｏ３系の超伝導性光伝導の
結果を実際に用いる際には、適切な波長領域λと温度領
域Ｔを設定することが必要となる。温度領域について
は、素子を作製する際に併用する超伝導物質で同系統の
Bi系酸化物との関係を考えると、動作温度にはＴ＝4.2
〜110Ｋに設定することが望ましく、一方用いる励起光
の波長としては、吸収係数を考えると、実用的な波長領
域としてはλ＝470〜600nmをとることが望ましい。そこ
で例として、以下ではλex＝540〜570nmとし、Ｔ＝4.2
〜77Ｋにおいてパルス光伝導信号Ｑ（λ，Ｔ）の励起光
強度Ｉex依存性をＱｘ／Ｉexの形でしらべた。その結果
が第13〜15図である。これらの結果から容易に判るよう
に、Ｑ（λ，Ｔ）＝ｎ（λ，Ｔ）ｅμｄ（Ｔ）Ｅは、Ｔ
＝5.0ＫではμＭ（Ｔ）（その値はμｄと同程度と考え
てよい）がＩexにより急激に減小することを反映して、
Ｉexに対しては著しい非線型性を示す（第１３図(a)ま
た(b)はそれらの対数目盛でのプロットを示す）。この
機構の内容を示唆しているのが第14図である。ここに示
すように、担体の数ｎはＩexに殆ど比例している（プロ
ットａ）。プロット(b)は（ｎ／Ｉex）を示す。またそ
れらの変化分Δｎ（プロットｃ）そのものがＩexに依存
しているが、Δｎ∝Ｉex2の関係があるためその原因は
中性不純物濃度を上まわる帯間励起子の生成に基づく散
乱機構によるものであることが解る。そこで実用上、よ
り高い操作温度を目指してＴ＝77ＫでのＩex−依存性に
ついて検討した。第15図に示すようにＴ＝77Ｋでも（Ｑ
ｘ／Ｉex）は急激に減少する。しかし、後に述べる超伝
導オプトエレクトロニクス素子の材料としてＢｉ２Ｏ３
系を用いるには、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系と組合
わせてＴ＝77Ｋの窒素温度近傍で用いることが最適であ
ることが理解出来る。
結果を実際に用いる際には、適切な波長領域λと温度領
域Ｔを設定することが必要となる。温度領域について
は、素子を作製する際に併用する超伝導物質で同系統の
Bi系酸化物との関係を考えると、動作温度にはＴ＝4.2
〜110Ｋに設定することが望ましく、一方用いる励起光
の波長としては、吸収係数を考えると、実用的な波長領
域としてはλ＝470〜600nmをとることが望ましい。そこ
で例として、以下ではλex＝540〜570nmとし、Ｔ＝4.2
〜77Ｋにおいてパルス光伝導信号Ｑ（λ，Ｔ）の励起光
強度Ｉex依存性をＱｘ／Ｉexの形でしらべた。その結果
が第13〜15図である。これらの結果から容易に判るよう
に、Ｑ（λ，Ｔ）＝ｎ（λ，Ｔ）ｅμｄ（Ｔ）Ｅは、Ｔ
＝5.0ＫではμＭ（Ｔ）（その値はμｄと同程度と考え
てよい）がＩexにより急激に減小することを反映して、
Ｉexに対しては著しい非線型性を示す（第１３図(a)ま
た(b)はそれらの対数目盛でのプロットを示す）。この
機構の内容を示唆しているのが第14図である。ここに示
すように、担体の数ｎはＩexに殆ど比例している（プロ
ットａ）。プロット(b)は（ｎ／Ｉex）を示す。またそ
れらの変化分Δｎ（プロットｃ）そのものがＩexに依存
しているが、Δｎ∝Ｉex2の関係があるためその原因は
中性不純物濃度を上まわる帯間励起子の生成に基づく散
乱機構によるものであることが解る。そこで実用上、よ
り高い操作温度を目指してＴ＝77ＫでのＩex−依存性に
ついて検討した。第15図に示すようにＴ＝77Ｋでも（Ｑ
ｘ／Ｉex）は急激に減少する。しかし、後に述べる超伝
導オプトエレクトロニクス素子の材料としてＢｉ２Ｏ３
系を用いるには、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系と組合
わせてＴ＝77Ｋの窒素温度近傍で用いることが最適であ
ることが理解出来る。
そこで次に、電極領域の材料として、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ
−Ｃｕ−Ｏ系酸化物を例にとり説明する。第８図(b)〜
(d)はＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物の超伝導性
光伝導及び超伝導性の実験結果である。第８図(c)はＣ
ａ（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃａ２Ｏｚ（ｘ＝０）の光
応答の温度依存性を示し、第８図(d)はＣａ（２−ｘ）
Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃａ２Ｏｚ（ｘ＝１）の暗抵抗率の温度
依存性を示している。
−Ｃｕ−Ｏ系酸化物を例にとり説明する。第８図(b)〜
(d)はＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物の超伝導性
光伝導及び超伝導性の実験結果である。第８図(c)はＣ
ａ（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃａ２Ｏｚ（ｘ＝０）の光
応答の温度依存性を示し、第８図(d)はＣａ（２−ｘ）
Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃａ２Ｏｚ（ｘ＝１）の暗抵抗率の温度
依存性を示している。
一般式Ｃａ(X-x)Ｓｒ(x)Ｂｉ(Y-y)Ｃｕ(y)Ｏｚで表わさ
れるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物においては、
たとえばＸ＝２，Ｙ＝３，ｙ＝２としてＳｒの含有量ｘ
及び酸素の含有量ｚに応じて超伝導性から光伝導性に移
行し、１≦ｘ≦2,6≦ｚ≦７の範囲において超伝導性を
呈し、０≦ｘ＜１，7.0＝ｚの範囲においてその転移温
度以下の温度で光伝導性を呈することを見出した。第８
図(c)及び(d)に示すように、Ｃａ（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂ
ｉ１Ｃｕ２Ｏｚ系においてｘ＝０においてはその臨界温
度以下の温度において光伝導性をｘ＝１においては超伝
導性を呈していることが明確に確認されている。Ｂａ−
Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系についてこれらと類似の状況をまとめ
た結果が第10図であり、広い意味での相関を示してい
る。
れるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物においては、
たとえばＸ＝２，Ｙ＝３，ｙ＝２としてＳｒの含有量ｘ
及び酸素の含有量ｚに応じて超伝導性から光伝導性に移
行し、１≦ｘ≦2,6≦ｚ≦７の範囲において超伝導性を
呈し、０≦ｘ＜１，7.0＝ｚの範囲においてその転移温
度以下の温度で光伝導性を呈することを見出した。第８
図(c)及び(d)に示すように、Ｃａ（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂ
ｉ１Ｃｕ２Ｏｚ系においてｘ＝０においてはその臨界温
度以下の温度において光伝導性をｘ＝１においては超伝
導性を呈していることが明確に確認されている。Ｂａ−
Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系についてこれらと類似の状況をまとめ
た結果が第10図であり、広い意味での相関を示してい
る。
これらの結果により、Ｃａ（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃ
ｕ２Ｏｚ系の伝導材料において０≦ｘ＜１の場合は超伝
導性光伝導材料を構成し、１≦ｘ≦２の範囲において超
伝導性材料を構成することになる。したがって電極領域
の材料としては後者を用いることができる。
ｕ２Ｏｚ系の伝導材料において０≦ｘ＜１の場合は超伝
導性光伝導材料を構成し、１≦ｘ≦２の範囲において超
伝導性材料を構成することになる。したがって電極領域
の材料としては後者を用いることができる。
しかし、このような転移温度以下の温度で光伝導性を有
する材料として、ここでは特にそれらの基本物質である
Ｂｉ２Ｏ３系材料と、転移温度以下の温度で超伝導性を
有する材料、たとえばＣａ(X-x)Ｓｒ(x)Ｂｉ(Y-y)Ｃｕ
(y)Ｏｚとを結合すれば、臨界温度以下の温度において
超伝導性と光伝導性を併有する有用な超伝導オプトエレ
クトロニクス装置を実現することができる。従って、受
光領域を超伝導材料で構成し、電極領域を超伝導性材料
で構成すれば、電極間において受光領域に入射する光量
に応じた出力電流を取り出すことができ、これにより電
力損失のない高速応答できる光スイッチング素子、光検
出器、光増幅素子等の“超伝導オプトエレクトロニクス
装置”を実現することができる。
する材料として、ここでは特にそれらの基本物質である
Ｂｉ２Ｏ３系材料と、転移温度以下の温度で超伝導性を
有する材料、たとえばＣａ(X-x)Ｓｒ(x)Ｂｉ(Y-y)Ｃｕ
(y)Ｏｚとを結合すれば、臨界温度以下の温度において
超伝導性と光伝導性を併有する有用な超伝導オプトエレ
クトロニクス装置を実現することができる。従って、受
光領域を超伝導材料で構成し、電極領域を超伝導性材料
で構成すれば、電極間において受光領域に入射する光量
に応じた出力電流を取り出すことができ、これにより電
力損失のない高速応答できる光スイッチング素子、光検
出器、光増幅素子等の“超伝導オプトエレクトロニクス
装置”を実現することができる。
さて第１６図は本発明による超伝導オプトエレクトロニ
クス素子の一例の構成を示す線図的断面図である。
クス素子の一例の構成を示す線図的断面図である。
第１６図において、３１は基板、３２はゲート領域、３
３はソース領域、３４はドレイン領域、３５は絶縁体
層、３６は透明なネサガラス、３７は励起光を示す。Ｖ
ｇは電源を示す。
３はソース領域、３４はドレイン領域、３５は絶縁体
層、３６は透明なネサガラス、３７は励起光を示す。Ｖ
ｇは電源を示す。
本例では、超伝導フォトトランジスタ（Ｖｇ≠０）とし
て利用する例について説明する。
て利用する例について説明する。
ＳｒＴｉＯ３またはＭｇＯより成る基板３１を用い、こ
の基板３１上に光伝導性ゲート領域３２を形成する。ゲ
ート領域３２は、幅0.2μｍ〜1.0mmで厚さ１〜１０μｍ
の光伝導性Ｂｉ２Ｏ３層で構成する。このＢｉ２Ｏ３層
はＣａ１Ｓｒ１Ｂｉ１Ｃｕ２Ｏｚより成る超伝導材料の
臨界温度以下の温度で460〜620nmの励起光波長域で特有
な光伝導性をそなえている。ゲート領域３２の両側にソ
ース領域３３及びドレイン領域３４を形成する。これら
ソース領域３３及びドレイン領域３４を、臨界温度９０
Ｋで超伝導性を示すＣａ１Ｓｒ１Ｂｉ１Ｃｕ２Ｏｚ又は
Ｃａ１Ｓｒ２Ｂｉ２Ｃｕ２ＯｚいわゆるＢｉ１Ｓｒ２Ｃ
ａ１Ｃｕ２Ｏｚ材料で構成する。さらに、ゲート領域３
２、ソース領域３３及びドレイン領域３４上に光学的に
透明で電気的絶縁性を有する厚さ１μｍのＳｉＯ２層５
を形成し、この上に透明なネサガラス層３６を形成す
る。ネサガラス上の電極とソース領域３３との間にバイ
アス源Ｖｇを接続すると共にソース領域３３とドレイン
領域３４との間にバイアス源Ｖsp及び出力抵抗Ｒを接続
する。
の基板３１上に光伝導性ゲート領域３２を形成する。ゲ
ート領域３２は、幅0.2μｍ〜1.0mmで厚さ１〜１０μｍ
の光伝導性Ｂｉ２Ｏ３層で構成する。このＢｉ２Ｏ３層
はＣａ１Ｓｒ１Ｂｉ１Ｃｕ２Ｏｚより成る超伝導材料の
臨界温度以下の温度で460〜620nmの励起光波長域で特有
な光伝導性をそなえている。ゲート領域３２の両側にソ
ース領域３３及びドレイン領域３４を形成する。これら
ソース領域３３及びドレイン領域３４を、臨界温度９０
Ｋで超伝導性を示すＣａ１Ｓｒ１Ｂｉ１Ｃｕ２Ｏｚ又は
Ｃａ１Ｓｒ２Ｂｉ２Ｃｕ２ＯｚいわゆるＢｉ１Ｓｒ２Ｃ
ａ１Ｃｕ２Ｏｚ材料で構成する。さらに、ゲート領域３
２、ソース領域３３及びドレイン領域３４上に光学的に
透明で電気的絶縁性を有する厚さ１μｍのＳｉＯ２層５
を形成し、この上に透明なネサガラス層３６を形成す
る。ネサガラス上の電極とソース領域３３との間にバイ
アス源Ｖｇを接続すると共にソース領域３３とドレイン
領域３４との間にバイアス源Ｖsp及び出力抵抗Ｒを接続
する。
なお、Ｃａ（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃｕ２Ｏｚの組成
をｘ＝０→１に連続的に変化させて光伝導性領域２から
超伝導性領域３，４を構成することも可能であるが、こ
こでは領域２には、より光応答Ｑ（λ，Ｔ）が著しく大
きい超伝導性基本物質Ｂｉ２Ｏ３系を用いるのが特色で
ある。
をｘ＝０→１に連続的に変化させて光伝導性領域２から
超伝導性領域３，４を構成することも可能であるが、こ
こでは領域２には、より光応答Ｑ（λ，Ｔ）が著しく大
きい超伝導性基本物質Ｂｉ２Ｏ３系を用いるのが特色で
ある。
上述した構成の超伝導オプトエレクトロニクス素子をＢ
ｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導性光伝導材料層の臨
界温度８０Ｋまたは110Ｋ以下の温度に冷却し、励起波
長域の光を照射すると、入射光量に応じたキャリアがゲ
ート領域２に生成される。生成されたキャリアはソース
ドレイン間バイアスＶspによって加速され電流となり出
力抵抗Ｒに出力電圧が発生する。なお、光生成キャリア
は照射光量及びバイアス源Ｖｇに応じて生成密度が定ま
り、それに比例して１次光電流をあたえるＱ（λ，Ｔ）
及び、ひいては２次光電流すら定まるから、目的に応じ
てＶｇを適切に設定することができる。このように構成
すれば、入射光量に応じた出力特性を得ることができ、
従って超伝導光スイッチング素子を実現することができ
る。特にソース領域及びドレイン領域を超伝導材料で構
成しているので、動作時の発熱を伴なわない本質的な超
伝導オプトエレクトロニクス素子を実現することができ
る。
ｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導性光伝導材料層の臨
界温度８０Ｋまたは110Ｋ以下の温度に冷却し、励起波
長域の光を照射すると、入射光量に応じたキャリアがゲ
ート領域２に生成される。生成されたキャリアはソース
ドレイン間バイアスＶspによって加速され電流となり出
力抵抗Ｒに出力電圧が発生する。なお、光生成キャリア
は照射光量及びバイアス源Ｖｇに応じて生成密度が定ま
り、それに比例して１次光電流をあたえるＱ（λ，Ｔ）
及び、ひいては２次光電流すら定まるから、目的に応じ
てＶｇを適切に設定することができる。このように構成
すれば、入射光量に応じた出力特性を得ることができ、
従って超伝導光スイッチング素子を実現することができ
る。特にソース領域及びドレイン領域を超伝導材料で構
成しているので、動作時の発熱を伴なわない本質的な超
伝導オプトエレクトロニクス素子を実現することができ
る。
第１７図は、第１６図に示す超伝導オプトエレクトロニ
クス素子をアレイ状に集積化した例を示す線図である。
本発明による超伝導オプトエレクトロニクス素子を１次
元又は２次元アレイ状に高密度に集積化すれば、素子間
の適切な超伝導配線をも背景にしながら動作時の発熱作
用を最小に抑制した撮像素子を実現できると共に、空間
的に並列演算を行なう光コンピュータの信号検出などの
主要部分を実現することができる。また用いる光源の波
長選択による多重チャネル化の可能性も考えられる。
クス素子をアレイ状に集積化した例を示す線図である。
本発明による超伝導オプトエレクトロニクス素子を１次
元又は２次元アレイ状に高密度に集積化すれば、素子間
の適切な超伝導配線をも背景にしながら動作時の発熱作
用を最小に抑制した撮像素子を実現できると共に、空間
的に並列演算を行なう光コンピュータの信号検出などの
主要部分を実現することができる。また用いる光源の波
長選択による多重チャネル化の可能性も考えられる。
第１８図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
素子を用いて、空間並列光コンピュータにおける投影相
関光学系での光演算を行なう例を示す線図である。アレ
イ状光源４０から複数の光信号を並列してマスクパター
ン４１に向けて投射する。マスクパターン４１には演算
処理内容に応じた符号化像情報がマスク状に形成されて
おり、マスクパターン４１を通過した複数の光ビームは
スクリーン４２を経て複合マスク受光素子アレイ４３の
対応する各素子にそれぞれ並列に入射する。各受素子に
はマスクスクリーンによって変調された符号化信号が形
成されるので、各受素子からの光電出力信号から演算結
果が求められる。受素子アレイ４３の各素子を本発明に
よる超伝導オプトエレクトロニクス素子で構成すれば、
動作時の発熱を最小に抑制した状態で並列光演算を行な
うことができる。
素子を用いて、空間並列光コンピュータにおける投影相
関光学系での光演算を行なう例を示す線図である。アレ
イ状光源４０から複数の光信号を並列してマスクパター
ン４１に向けて投射する。マスクパターン４１には演算
処理内容に応じた符号化像情報がマスク状に形成されて
おり、マスクパターン４１を通過した複数の光ビームは
スクリーン４２を経て複合マスク受光素子アレイ４３の
対応する各素子にそれぞれ並列に入射する。各受素子に
はマスクスクリーンによって変調された符号化信号が形
成されるので、各受素子からの光電出力信号から演算結
果が求められる。受素子アレイ４３の各素子を本発明に
よる超伝導オプトエレクトロニクス素子で構成すれば、
動作時の発熱を最小に抑制した状態で並列光演算を行な
うことができる。
なお、上述した実施例では、３端子素子を例にして説明
したが、２端子素子としてい利用することもできる。す
なわち、Ｖｇ＝０で生成されたキャリアは超伝導性光伝
導による超伝導近接効果を有しているから、この超伝導
オプトエレクトロニクス素子は光の照射に基く超伝導ジ
ョセフソン接合素子としても作用させ得ることも予測さ
れる。この２端子素子は、“超伝導性光伝導制御ジョセ
フソン接合素子”として位置付けることができる。この
場合には、ゲート幅と入射光量とを適切に選択する必要
がある。
したが、２端子素子としてい利用することもできる。す
なわち、Ｖｇ＝０で生成されたキャリアは超伝導性光伝
導による超伝導近接効果を有しているから、この超伝導
オプトエレクトロニクス素子は光の照射に基く超伝導ジ
ョセフソン接合素子としても作用させ得ることも予測さ
れる。この２端子素子は、“超伝導性光伝導制御ジョセ
フソン接合素子”として位置付けることができる。この
場合には、ゲート幅と入射光量とを適切に選択する必要
がある。
そこで先に述べたいくつかの実施例をとおして考察する
と、適切な励起光の下では三酸化ビスマスＢｉ２Ｏ３系
材料のセラミックス結晶はBi系酸化物を基礎とした高温
超伝導体のすべての系に対して、一貫した基本物質の役
目を果していることは明確で、これは本発明者が世界で
最初に知見したものである。
と、適切な励起光の下では三酸化ビスマスＢｉ２Ｏ３系
材料のセラミックス結晶はBi系酸化物を基礎とした高温
超伝導体のすべての系に対して、一貫した基本物質の役
目を果していることは明確で、これは本発明者が世界で
最初に知見したものである。
したがってこれらの絶縁体Ｂｉ２Ｏ３系材料をBi系高温
超伝導体と組合わせてオプトエレクトロニクス素子を作
製すれば、各々の階段温度Ｔpsあるいは下端温度Ｔpcま
たは渋滞温度と臨界温度Ｔscの整合性から、それらの温
度以下できわめて調和のとれた、本質的な意味での"超伝
導オプトエレクトロニクス素子及び超伝導オプトエレクトロニクス装置"を創作
することが可能となるのである。これらはまったく革新
的な最先端科学技術分野である。"超伝導オプトエレクトロニクス"と
いう新分野の開拓をもたらすものである。
超伝導体と組合わせてオプトエレクトロニクス素子を作
製すれば、各々の階段温度Ｔpsあるいは下端温度Ｔpcま
たは渋滞温度と臨界温度Ｔscの整合性から、それらの温
度以下できわめて調和のとれた、本質的な意味での"超伝
導オプトエレクトロニクス素子及び超伝導オプトエレクトロニクス装置"を創作
することが可能となるのである。これらはまったく革新
的な最先端科学技術分野である。"超伝導オプトエレクトロニクス"と
いう新分野の開拓をもたらすものである。
さらに、上述した実施例では、Bi-Sr-Ca-Cu-O系材料を用
いることを考えたがBa-Pb-Bi-O系や、Ba-K-Bi-O系材料の
ような別の超伝導性材料系を用いることもできる。例え
ば、ゲ-ト領域をBi2O3系の材料で構成し、電極領域を超伝導
性を有するBa-Pb-Bi-O系材料で構成すれば、同様な効果
を有する超伝導光伝導オプトエレクトロニクス素子を実現すること
ができる。
いることを考えたがBa-Pb-Bi-O系や、Ba-K-Bi-O系材料の
ような別の超伝導性材料系を用いることもできる。例え
ば、ゲ-ト領域をBi2O3系の材料で構成し、電極領域を超伝導
性を有するBa-Pb-Bi-O系材料で構成すれば、同様な効果
を有する超伝導光伝導オプトエレクトロニクス素子を実現すること
ができる。
なお、先にも述べたBa-Pb-Bi-O系、Ba-K-Bi-O系、Bi-Sr-Ca
-Cu-O系の超伝導性光伝導現象は、ここでの基本物質Bi2O
3系と深い関係があり、以下の機構に基づくものと考えら
れる。第1図(b)及び第９図(a)，(b)及び(c)に示した光伝
導のスペクトル応答Ｑ（λ，Ｔ）はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−
Ｏ系又はＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の試料の内部
に、原子的な意味でＢｉ２Ｏ３系と類似する領域が存在
していることを暗示している。Ｂｉ２Ｏ３系による光吸
収並びに光伝導性は、実験的にも励起子理論によてもあ
まり詳しく解明されてはいない。Wannier型励起子、ま
たは陽イオン殻間での電荷移動型励起子の典型的な例で
あると思われる。ここでの光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）におけ
る微細構造の位置はＢｉ２Ｏ３系そのものの基礎吸収端
付近の構造（第１図）とよく一致している。Ｂｉ２Ｏ３
系ではいくつかの際立った恐らく励起子によるものであ
ろうと考えられる微細構造を認めることが出来る。また
たとえばＢｉ２Ｏ３と類似してＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ
−Ｏ系の光伝導応答スペクトルのλ≒580nm近傍にＢｉ
２Ｏ３の黄色系列励起子のｎ＝２状態に対応するものと
考えられる構造が認められる。そこで、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂ
ｉ−Ｃｕ−Ｏ系の物質の内部には無視することのできな
い、少なくとも有限の比率でのＢｉ２Ｏ３に類似する相
が存在する。そして、そこではそれぞれの結晶構造に若
干の相異をもつものの、光によって励起された伝導電子
と正孔が確かに動きまわれる状態にある（第２０図(a)
(b)及び(c)参照）。
-Cu-O系の超伝導性光伝導現象は、ここでの基本物質Bi2O
3系と深い関係があり、以下の機構に基づくものと考えら
れる。第1図(b)及び第９図(a)，(b)及び(c)に示した光伝
導のスペクトル応答Ｑ（λ，Ｔ）はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−
Ｏ系又はＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の試料の内部
に、原子的な意味でＢｉ２Ｏ３系と類似する領域が存在
していることを暗示している。Ｂｉ２Ｏ３系による光吸
収並びに光伝導性は、実験的にも励起子理論によてもあ
まり詳しく解明されてはいない。Wannier型励起子、ま
たは陽イオン殻間での電荷移動型励起子の典型的な例で
あると思われる。ここでの光伝導度Ｑ（λ，Ｔ）におけ
る微細構造の位置はＢｉ２Ｏ３系そのものの基礎吸収端
付近の構造（第１図）とよく一致している。Ｂｉ２Ｏ３
系ではいくつかの際立った恐らく励起子によるものであ
ろうと考えられる微細構造を認めることが出来る。また
たとえばＢｉ２Ｏ３と類似してＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ
−Ｏ系の光伝導応答スペクトルのλ≒580nm近傍にＢｉ
２Ｏ３の黄色系列励起子のｎ＝２状態に対応するものと
考えられる構造が認められる。そこで、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂ
ｉ−Ｃｕ−Ｏ系の物質の内部には無視することのできな
い、少なくとも有限の比率でのＢｉ２Ｏ３に類似する相
が存在する。そして、そこではそれぞれの結晶構造に若
干の相異をもつものの、光によって励起された伝導電子
と正孔が確かに動きまわれる状態にある（第２０図(a)
(b)及び(c)参照）。
第２０図(a)〜(c)いおいて、４４はＢｉ（６ｐ）伝導
帯、４５は帯間遷移励起、４６はＢｉ（６ｓ）−Ｏ（２
ｐ）混成価電子帯を示す。
帯、４５は帯間遷移励起、４６はＢｉ（６ｓ）−Ｏ（２
ｐ）混成価電子帯を示す。
標準的なタイプのＢｉ２Ｏ３結晶内の伝導電子と正孔
は、やや“小さいポーラロン”を形成していると考えら
れている。また、Ｂｉ２Ｏ３やＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ
−Ｏ系絶縁体的試料においては、“光伝導度Ｑ（λ，
Ｔ）の出現”が、“超伝導度の出現”と明確に関係して
いて、あたかも超伝導性が光伝導性の現象のうらに潜在
しているかのように見える。そこでポーラロンの効果に
ついていえば、それがＬＯフォノンとの相互作用にもと
づく“大きなポーラロン”であろうと、或いはヤーンテ
ラー効果による“小さなポーラロン”であろうと、また
は両者に基ずく中間結合の領域のものであろうと、ある
いはまた“電子分極によるポーラロン効果”であろうと
少なくとも潜在的には、“ポーラロン効果”は重要なも
のである。それらポーラロン効果は、コヒーレントに混
成した形での素励起としての複合した効果をもっている
と思われる。ここで電子分極によるポーラロンに特別の
注意を払う必要があり、それは別名“電子雲ポーラロ
ン”または“励起子ポーラロン”とも呼ばれているもの
である。ここでの実験結果を見ると、ポーラロンや励起
子の間に密接な関係があることが認められる。
は、やや“小さいポーラロン”を形成していると考えら
れている。また、Ｂｉ２Ｏ３やＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ
−Ｏ系絶縁体的試料においては、“光伝導度Ｑ（λ，
Ｔ）の出現”が、“超伝導度の出現”と明確に関係して
いて、あたかも超伝導性が光伝導性の現象のうらに潜在
しているかのように見える。そこでポーラロンの効果に
ついていえば、それがＬＯフォノンとの相互作用にもと
づく“大きなポーラロン”であろうと、或いはヤーンテ
ラー効果による“小さなポーラロン”であろうと、また
は両者に基ずく中間結合の領域のものであろうと、ある
いはまた“電子分極によるポーラロン効果”であろうと
少なくとも潜在的には、“ポーラロン効果”は重要なも
のである。それらポーラロン効果は、コヒーレントに混
成した形での素励起としての複合した効果をもっている
と思われる。ここで電子分極によるポーラロンに特別の
注意を払う必要があり、それは別名“電子雲ポーラロ
ン”または“励起子ポーラロン”とも呼ばれているもの
である。ここでの実験結果を見ると、ポーラロンや励起
子の間に密接な関係があることが認められる。
第２０図(a)に示すように、これらのポーラロンや励起
子は、どれも酸素の（２ｐ）とＢｉの（６ｓ）の混成価
電子状態から後に（２Ｐ）６（６Ｓ）１あるいは（２
Ｐ）５（６Ｓ）２の配置で“正孔”（白丸印）を残し
て、ＬＯフォノンとも相互作用をしながら主としてＢｉ
の（6P）伝導帯４４への帯間遷移によって（6P）１の伝
導電子とがつくり出されたものである。しかし、Ｃａ
（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃｕ２Ｏｚ系のポーラロンは
光学的励起でも、ＣａをＳｒで置換するいわば化学的圧
力効果でもつくり出すことができる（第２０図(b)及び
(c)参照）この場合ｘ＝１で超伝導体に移行している。
Ｂｉ（６Ｓ）とＯ（２Ｐ）の混成帯内の正孔は帯間また
は帯内いずれの遷移によっても多体系の基底状態からつ
くり出すことができるから、電子間の相関効果は勿論き
わめて重要である。特にＢｉ３＋とＢｉ５＋の間の動的
な価電子揺動にも一層注意を払わなければならない。そ
れゆえ、高臨界温度をもつ超伝導機構に対しては、その
大小を問わずポーラロンの集合、特に励起子と密接に関
係した集合の潜在的役割を考える理由は充分存在する。
ポーラロンと励起子の集合はバイポーラロン、ポーラロ
ン励起子の集合、および／または最もありそうなのは動
的な電子−フォノン相互作用と同様に動的な電子相関に
基づく、“励起子媒介のバイポーラロン”であると考え
られる。第９図(a),(b)及び(c)に示すように、Ｃａ−Ｓ
ｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系での光伝導応答Ｑ（λ，Ｔ）は第
２図(a),(b)に示すＢｉ２Ｏ３系の光吸収応答のスペク
トルに極めて類似している。したがって、既に述べたと
おりここでの素励起の研究は尨大なキャリァー密度の差
にもかかわらず、超伝導基底状態の性質を啓示している
と考えられる。さらに、第２０図(a)及び(b)の素励起状
態（絶縁体）においても、第２０図(c)の基底状態（超
伝導体）におけるジョセフソン効果と同様な現象の出現
が予測できる。本発明者の知識の及ぶ限りでは、これら
が高臨界温度をもち反磁性を確かに示すことが知られて
いるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の超伝導性に登場す
るポーラロンと励起子による機構の最初明確な実験的証
拠である。
子は、どれも酸素の（２ｐ）とＢｉの（６ｓ）の混成価
電子状態から後に（２Ｐ）６（６Ｓ）１あるいは（２
Ｐ）５（６Ｓ）２の配置で“正孔”（白丸印）を残し
て、ＬＯフォノンとも相互作用をしながら主としてＢｉ
の（6P）伝導帯４４への帯間遷移によって（6P）１の伝
導電子とがつくり出されたものである。しかし、Ｃａ
（２−ｘ）Ｓｒ(x)Ｂｉ１Ｃｕ２Ｏｚ系のポーラロンは
光学的励起でも、ＣａをＳｒで置換するいわば化学的圧
力効果でもつくり出すことができる（第２０図(b)及び
(c)参照）この場合ｘ＝１で超伝導体に移行している。
Ｂｉ（６Ｓ）とＯ（２Ｐ）の混成帯内の正孔は帯間また
は帯内いずれの遷移によっても多体系の基底状態からつ
くり出すことができるから、電子間の相関効果は勿論き
わめて重要である。特にＢｉ３＋とＢｉ５＋の間の動的
な価電子揺動にも一層注意を払わなければならない。そ
れゆえ、高臨界温度をもつ超伝導機構に対しては、その
大小を問わずポーラロンの集合、特に励起子と密接に関
係した集合の潜在的役割を考える理由は充分存在する。
ポーラロンと励起子の集合はバイポーラロン、ポーラロ
ン励起子の集合、および／または最もありそうなのは動
的な電子−フォノン相互作用と同様に動的な電子相関に
基づく、“励起子媒介のバイポーラロン”であると考え
られる。第９図(a),(b)及び(c)に示すように、Ｃａ−Ｓ
ｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系での光伝導応答Ｑ（λ，Ｔ）は第
２図(a),(b)に示すＢｉ２Ｏ３系の光吸収応答のスペク
トルに極めて類似している。したがって、既に述べたと
おりここでの素励起の研究は尨大なキャリァー密度の差
にもかかわらず、超伝導基底状態の性質を啓示している
と考えられる。さらに、第２０図(a)及び(b)の素励起状
態（絶縁体）においても、第２０図(c)の基底状態（超
伝導体）におけるジョセフソン効果と同様な現象の出現
が予測できる。本発明者の知識の及ぶ限りでは、これら
が高臨界温度をもち反磁性を確かに示すことが知られて
いるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系の超伝導性に登場す
るポーラロンと励起子による機構の最初明確な実験的証
拠である。
（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、電極領域をBi系酸
化物超伝導材料で構成し、受光領域を上記超伝導材料の
臨界温度と一致または対応して、しかも特に大きな光伝
導性を示す“超伝導性光伝導基本材料Ｂｉ２Ｏ３系で構
成しているから、高感度で動作でき、しかも動作時のジ
ュール熱等の発熱作用を最小に抑制した本質的な意味で
の“超伝導オプトエレクトロニクス素子”たとえば“超
伝導性光伝導制御ジョセフソン接合素子”、超伝導フォ
トトランジスタ”などを実現することができる。また、
本発明による素子を２次元アレイ状に高密度に集積化し
た場合、電極部及びリード部等が完全反磁性を持つか
ら、これら相互間の電磁的相互作用や外部磁界による影
響を受けず、ノイズの発生伝達を有効に抑制することが
できる。従って、熱的及び電磁的に最良の条件下で動作
できる受光素子アレイを実現でき、例えば高速演算速度
を持つ空間並列光演算装置のような本質的にすぐれた
“超伝導オプトエレクトロニクス装置”の実現が可能で
ある。これらの効果は“超伝導オプトエレクトロニク
ス”という最先端の科学技術分野をさらに大きく拓くこ
とを可能にした点で工業大顕著な効果がある。
化物超伝導材料で構成し、受光領域を上記超伝導材料の
臨界温度と一致または対応して、しかも特に大きな光伝
導性を示す“超伝導性光伝導基本材料Ｂｉ２Ｏ３系で構
成しているから、高感度で動作でき、しかも動作時のジ
ュール熱等の発熱作用を最小に抑制した本質的な意味で
の“超伝導オプトエレクトロニクス素子”たとえば“超
伝導性光伝導制御ジョセフソン接合素子”、超伝導フォ
トトランジスタ”などを実現することができる。また、
本発明による素子を２次元アレイ状に高密度に集積化し
た場合、電極部及びリード部等が完全反磁性を持つか
ら、これら相互間の電磁的相互作用や外部磁界による影
響を受けず、ノイズの発生伝達を有効に抑制することが
できる。従って、熱的及び電磁的に最良の条件下で動作
できる受光素子アレイを実現でき、例えば高速演算速度
を持つ空間並列光演算装置のような本質的にすぐれた
“超伝導オプトエレクトロニクス装置”の実現が可能で
ある。これらの効果は“超伝導オプトエレクトロニク
ス”という最先端の科学技術分野をさらに大きく拓くこ
とを可能にした点で工業大顕著な効果がある。
第１図(a),(b)はＢｉ２Ｏ３セラミックス及びＢｉ２Ｏ
３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶の温度に対
する光伝導特性を示すグラフ、 第２図はＢｉ２Ｏ３の光応答特性の励起光波長依存性を
示すグラフ、 第２図(a),(b)はＢｉ２Ｏ３セラミックス及びＢｉ２Ｏ
３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶の光伝導特
性の波長依存性を示すグラフ、 第３図はＢｉ２Ｏ３系のＸ線による結晶構造解析の結果
(a)Ｂｉ２Ｏ３セラミックス、(b),(c)Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ
２＋粉末単結晶、(d)Ｂｉ２Ｏ３結晶に類似していると
考えられるＢｉ２Ｔｅ３の結晶構造と結合様式、 第４図はＢｉ２Ｏ３の光吸収スペクトルを説明するため
のエネルギー状態の模式図、 第５図(a)及び(b)は光応答測定原理の構成を示す線図、 第６図は光応答測定装置の回路構成を示す回路図、 第７図はＢｉ２Ｏ３の磁気抵抗移動度を示す特性図、 第８図(a)〜(c)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋単結晶、Ｂａ−Ｐ
ｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミ
ックスの光応答特性を示す特性図、 第８図(d)はＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミック
スの暗抵抗の温度依存性を示す特性図、 第９図(a)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶、第９図(b)は純粋
Ｂｉ２Ｏ３結晶の光応答特性の波長依存性を示す特性
図、 第９図(c)はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂ
ｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミックス光伝導応答の温度及び波長
依存性を示す特性図、 第１０図はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系セラミックスの超伝
導状態から光伝導状態への移行を示す模式図、 第１１図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の担体密度と温度の関係
を示す特性図、 第１２図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の光伝導応答特性及び磁
気抵抗易動度μｍの広い励起光波長依存性を示す特性
図、 第１３図(a)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の励起光強度Ｉexと
Ｑｘ／Ｉex及びμｍとの関係を示す特性図、第１３図
(b)はそれらを対数目盛で表わした特性図（ともにＴ＝
5.0Ｋ）、 第１４図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋のＩexとキャリヤ濃度及
びその減少分Δｎとの関係を示す特性図、 第１５図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の７７ＫにおけるＩexと
Ｑ２／Ｉexの関係を示す特性図、(a)線型目盛、(b)対数
目盛、 第１６図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
素子の一例の構成を示す線図的断面図、 第１７図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
装置の一例の構成を示す線図、 第１８図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
素子アレイを用いた空間並列演算装置の構成を示す線
図、 第１９図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の光伝導応答の励起光波
長依存性Ｑ（λ，Ｔ）を励起子模型で解析した模型図、 第２０図(a)〜(c)はＢｉ２Ｏ３結晶及びＣａ−Ｓｒ−Ｂ
ｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミックスのエネルギー（Ｅ）と状態
密度Ｎ（Ｅ）との関係を示す模式図である。 １…基板、２…ゲート領域 ３…ソース領域、４…ドレイン領域 Ｖｇ…ゲートバイアス源 Ｖsp…ソース−ドレイン間バイアス源
３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶の温度に対
する光伝導特性を示すグラフ、 第２図はＢｉ２Ｏ３の光応答特性の励起光波長依存性を
示すグラフ、 第２図(a),(b)はＢｉ２Ｏ３セラミックス及びＢｉ２Ｏ
３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）単結晶の光伝導特
性の波長依存性を示すグラフ、 第３図はＢｉ２Ｏ３系のＸ線による結晶構造解析の結果
(a)Ｂｉ２Ｏ３セラミックス、(b),(c)Ｂｉ２Ｏ３；Ｍ
２＋粉末単結晶、(d)Ｂｉ２Ｏ３結晶に類似していると
考えられるＢｉ２Ｔｅ３の結晶構造と結合様式、 第４図はＢｉ２Ｏ３の光吸収スペクトルを説明するため
のエネルギー状態の模式図、 第５図(a)及び(b)は光応答測定原理の構成を示す線図、 第６図は光応答測定装置の回路構成を示す回路図、 第７図はＢｉ２Ｏ３の磁気抵抗移動度を示す特性図、 第８図(a)〜(c)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋単結晶、Ｂａ−Ｐ
ｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミ
ックスの光応答特性を示す特性図、 第８図(d)はＣａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミック
スの暗抵抗の温度依存性を示す特性図、 第９図(a)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋結晶、第９図(b)は純粋
Ｂｉ２Ｏ３結晶の光応答特性の波長依存性を示す特性
図、 第９図(c)はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系、Ｃａ−Ｓｒ−Ｂ
ｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミックス光伝導応答の温度及び波長
依存性を示す特性図、 第１０図はＢａ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ｏ系セラミックスの超伝
導状態から光伝導状態への移行を示す模式図、 第１１図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の担体密度と温度の関係
を示す特性図、 第１２図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の光伝導応答特性及び磁
気抵抗易動度μｍの広い励起光波長依存性を示す特性
図、 第１３図(a)はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の励起光強度Ｉexと
Ｑｘ／Ｉex及びμｍとの関係を示す特性図、第１３図
(b)はそれらを対数目盛で表わした特性図（ともにＴ＝
5.0Ｋ）、 第１４図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋のＩexとキャリヤ濃度及
びその減少分Δｎとの関係を示す特性図、 第１５図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の７７ＫにおけるＩexと
Ｑ２／Ｉexの関係を示す特性図、(a)線型目盛、(b)対数
目盛、 第１６図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
素子の一例の構成を示す線図的断面図、 第１７図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
装置の一例の構成を示す線図、 第１８図は本発明による超伝導オプトエレクトロニクス
素子アレイを用いた空間並列演算装置の構成を示す線
図、 第１９図はＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋の光伝導応答の励起光波
長依存性Ｑ（λ，Ｔ）を励起子模型で解析した模型図、 第２０図(a)〜(c)はＢｉ２Ｏ３結晶及びＣａ−Ｓｒ−Ｂ
ｉ−Ｃｕ−Ｏ系セラミックスのエネルギー（Ｅ）と状態
密度Ｎ（Ｅ）との関係を示す模式図である。 １…基板、２…ゲート領域 ３…ソース領域、４…ドレイン領域 Ｖｇ…ゲートバイアス源 Ｖsp…ソース−ドレイン間バイアス源
Claims (4)
- 【請求項１】臨界温度以下の温度条件下において超伝導
状態となる電極領域と、 これら電極領域の間に形成され、上記臨界温度以下の温
度条件下においてその温度と対応して光伝導性となる受
光領域と、 上記電極領域間に接続したバイアス源とを具え、 前記電極領域をＢｉ系酸化物超伝導材料で構成し、 前記受光領域をＢｉ２Ｏ３系酸化物材料よりなる超伝導
性光伝導材料で構成し、 前記受光領域に入射する光量に応じて前記電極間電流が
制御されるように構成したことを特徴とする超伝導性光
伝導基本物質Ｂｉ２Ｏ３系材料を用いた超伝導オプトエ
レクトロニクス装置。 - 【請求項２】前記受光領域をＢｉ２Ｏ３セラミックスま
たはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）の形
で安定化された単結晶で構成し、前記電極領域を、一般
式Ｃａ（X-x）Ｓｒ(x)Ｂｉ(Y-y)Ｃｕ(y)Ｏｚ（ここで、
２≦Ｘ≦３，３≦Ｙ≦４， １≦ｘ≦２，０＜ｙ≦２，４≦ｚ≦９）の組成の酸化物
超伝導性材料で構成した請求項１に記載の超伝導オプト
エレクトロニクス装置。 - 【請求項３】前記受光領域をＢｉ２Ｏ３セラミックスま
たはＢｉ２Ｏ３；Ｍ２＋（Ｍ＝Ｓｒ，Ｃａ，Ｃｕ）の形
で安定化された単結晶で構成し、前記電極領域を、一般
式 Ｂａ−Ｐｂ（１−ｘ）−Ｂｉ(x)-Oz ここで、0.20ｚ≦0.35 の組成の超伝導材料で構成した請求項１に記載の超伝導
オプトエレクトロニクス装置。 - 【請求項４】請求項１から３までのいずれか１項に記載
の超伝導オプトエレクトロニクス素子を２次元アレイ状
に集積化したことを特徴とする超伝導オプトエレクトロ
ニクス装置。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2205264A JPH065792B2 (ja) | 1990-08-03 | 1990-08-03 | 超伝導性光伝導基本物質Ｂｉ▲下２▼０▲下３▼系材料を用いた超伝導オプトエレクトロニクス装置 |
| EP91307111A EP0469922B1 (en) | 1990-08-03 | 1991-08-02 | Superconductive optoelectronic devices with the basic substance Bi203 of superconductive-conjugate photoconductivity |
| DE69124307T DE69124307T2 (de) | 1990-08-03 | 1991-08-02 | Supraleitende optoelektronische Vorrichtungen mit der Grundsubstanz Bi203 von supraleitend-konjugierter Photoleitfähigkeit |
| DE199191307111T DE469922T1 (de) | 1990-08-03 | 1991-08-02 | Supraleitende optoelektronische einrichtung mit supraleitend konjugierter photoleitfaehigkeit und der basis-substanz bi203. |
| CA002048392A CA2048392C (en) | 1990-08-03 | 1991-08-02 | Superconductive optoelectronic devices with the basic substance bi2o3 ofsuperconductive-conjugate photoconductivity |
| US08/195,833 US5462916A (en) | 1990-08-03 | 1994-02-14 | Superconductive optoelectronic devices with the basic substance Bi2 O3 of superconductive-conjugate photoconductivity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2205264A JPH065792B2 (ja) | 1990-08-03 | 1990-08-03 | 超伝導性光伝導基本物質Ｂｉ▲下２▼０▲下３▼系材料を用いた超伝導オプトエレクトロニクス装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0496282A JPH0496282A (ja) | 1992-03-27 |
| JPH065792B2 true JPH065792B2 (ja) | 1994-01-19 |
Family
ID=16504105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2205264A Expired - Lifetime JPH065792B2 (ja) | 1990-08-03 | 1990-08-03 | 超伝導性光伝導基本物質Ｂｉ▲下２▼０▲下３▼系材料を用いた超伝導オプトエレクトロニクス装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5462916A (ja) |
| EP (1) | EP0469922B1 (ja) |
| JP (1) | JPH065792B2 (ja) |
| CA (1) | CA2048392C (ja) |
| DE (2) | DE469922T1 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07109905B2 (ja) * | 1991-07-16 | 1995-11-22 | 東京大学長 | Ｂｉ−ＳｒＣａ（ＬａＹ）−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超伝導共役性光伝導物質及びその製造法並びにこれを用いた超伝導オプトエレクトロニクス装置 |
| CN101317279B (zh) * | 2005-12-28 | 2011-04-20 | Czt股份有限公司 | 在比超导温度Tc高的温度下操作超导体的方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4990487A (en) * | 1988-03-11 | 1991-02-05 | The University Of Tokyo | Superconductive optoelectronic devices |
| JPH06102549B2 (ja) * | 1988-08-12 | 1994-12-14 | 東京大学長 | Ｃａ−Ｓｒ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｏ系酸化物超伝導性光伝導物質及びその製造法 |
-
1990
- 1990-08-03 JP JP2205264A patent/JPH065792B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1991
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