DE19629583C2 - Emitter and / or detector device for submillimeter-wave radiation with a multiplicity of Josephson contacts, method for its production and uses of the device - Google Patents

Emitter and / or detector device for submillimeter-wave radiation with a multiplicity of Josephson contacts, method for its production and uses of the device

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DE19629583C2 DE19629583A DE19629583A DE19629583C2 DE 19629583 C2 DE19629583 C2 DE 19629583C2 DE 19629583 A DE19629583 A DE 19629583A DE 19629583 A DE19629583 A DE 19629583A DE 19629583 C2 DE19629583 C2 DE 19629583C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Emitter- und/oder Detektorbauelement für Submillimeter­ wellen-Strahlung mit einer Vielzahl von Josephson-Kontakten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der US 5 114 912 A bekannt ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements sowie Verwendungen des Bauelements.The invention relates to an emitter and / or detector component for submillimeters wave radiation with a variety of Josephson contacts according to the generic term of claim 1, as is known from US 5 114 912 A. Also concerns the invention a method for producing the component and uses of the component.

In der US 5 114 912 A wird ein Hochfrequenz-Oszillator beschrieben, der sich auf eine in der Fläche liegende Anordnung von Josephson-Kontakten gründet. Er wird über eine Gleichstromquelle angeregt, und die Frequenz kann über diesen Gleichstrom durchgestimmt werden. Impedanzanpassung kann über die Wahl der Anzahl von Josephson-Kontakten in der flächigen Anordnung bzw. durch Anschluss entsprechender Shunt-Widerstände erreicht werden. Als Anwendung wird ein durchstimmbarer Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter im GHz-Gebiet und selbst bis zu THz-Frequenzen angegeben. US Pat. No. 5,114,912 A describes a high-frequency oscillator based on an arrangement of Josephson contacts lying in the surface establishes. He will excited by a DC power source, and the frequency can go through this Direct current can be tuned. Impedance matching can be done via the choice of Number of Josephson contacts in the flat arrangement or by connection corresponding shunt resistors can be achieved. As an application, a Tunable DC-AC converter in the GHz range and even up to THz frequencies.  

Ein Nachteil dieses Bauelements ist seine ausdrückliche Beschränkung auf eine 2- dimensionale flächige Anordnung von nebeneinander liegenden Josephson- Kontakten auf einem Chip. Eine solche Geometrie impliziert eine strenge Limitierung der maximal möglichen Zahl von Josephson-Kontakten. Namentlich liegt die minimale Fläche eines einzelnen Kontaktes wegen der begrenzten Leistungsfähigkeit der Photolithographie bei etwa 1 µm2. Die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit sind hoch, es wird ein beachtlicher kritischer Strom benötigt (nicht weniger als 1 mA für optimale Leistung), der zudem über Leitungen mit niedrigem Kontaktwiderstand zuzuführen ist. Andererseits beschränkt die Forderung zur Phasensynchronisation die Längsausdehnung des Bauelements auf etwa λ/4, ein Wert, der für eine Frequenz von 1 THz bei etwa 75 µm liegt. Lässt man geringfügige Abstände zwischen den Kontakten zu, dann kann man maximal mit ein- bis zweitausend solcher Einzelelemente rechnen. In der Praxis wurden Anordnungen von 10 × 10 = 100 Kontakten realisiert. Ein solches Bauelemente-Design liefert nicht die für interessante Anwendungen erforderliche Minimalleistung von 0,1-1 mW. Es soll dargelegt werden, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen alternativen Designs eine wesentlich höhere Packungsdichte von Josephson-Kontakten erlauben mit der Aussicht auf eine wesentlich höhere emittierte Leistung und damit auf eine Vielzahl neuer Anwendungen, die mit flächigen (planaren) Anordnungen, wie dort dargestellt, nicht möglich sind.A disadvantage of this component is its express limitation to a two-dimensional planar arrangement of Josephson contacts lying next to one another on a chip. Such a geometry implies a strict limitation of the maximum possible number of Josephson contacts. In particular, the minimal area of a single contact is approximately 1 µm 2 due to the limited performance of photolithography. The requirements for uniformity are high, a considerable critical current is required (not less than 1 mA for optimal performance), which is also to be supplied via lines with low contact resistance. On the other hand, the requirement for phase synchronization limits the longitudinal expansion of the component to approximately λ / 4, a value which is approximately 75 μm for a frequency of 1 THz. If you allow small distances between the contacts, you can expect a maximum of one to two thousand such individual elements. In practice, arrangements of 10 × 10 = 100 contacts were realized. Such a component design does not provide the minimum power of 0.1-1 mW required for interesting applications. It should be shown that the alternative designs proposed according to the invention allow a significantly higher packing density of Josephson contacts with the prospect of a significantly higher emitted power and thus of a multitude of new applications that do not have flat (planar) arrangements, as shown there possible are.

In der US 3 725 213 wird ein supraleitendes Barriere-Bauelement und seine Herstellungstechnologie beschrieben, das neben anderen Zielstellungen auch als Generator und Detektor für Millimeterwellen- und Submillimeterwellen-Strahlung geeignet ist und sich auf eine granulare Struktur des supraleitenden Materials stützt. Während eine höhere Strahlungsleistung bzw. Empfindlichkeit durch die Summation von vielen Josephson-Kontakten zwischen Kristallkörnern zustande kommen soll, bestehen wenig Möglichkeiten für eine reproduzierbare Fertigung, elektronische Steuerung, Phasensynchronisation und Impedanzanpassung an das Vakuum. Dieses Bauelement kann über ein strom-impuls-induziertes Magnetfeld zwischen den beiden Zuständen normalleitend und supraleitend geschaltet werden, jedoch wird eine Steuerung der emittierten Strahlungsfrequenz über das magnetfeldabhängige Energiegap nicht versucht. US Pat. No. 3,725,213 discloses a superconducting barrier component and its Manufacturing technology described, which as well as other objectives Generator and detector for millimeter wave and sub millimeter wave radiation is suitable and is based on a granular structure of the superconducting material. While a higher radiation power or sensitivity due to the summation many Josephson contacts between crystal grains, there are few opportunities for reproducible manufacturing, electronic Control, phase synchronization and impedance matching to the vacuum. This Device can use a current-pulse-induced magnetic field between the two States are switched normally and superconducting, however, one Control of the emitted radiation frequency via the magnetic field dependent Energy gap not tried.  

Ein magnetischer Steuerungsmodus für die emittierte oder detektierte Strahlungs­ frequenz wird in der EP 0 513 557 A2 beschrieben, wo das Bauelement aus vertikalen Stapelfolgen von Josephson-Kontakten besteht, die zudem seitlich aufgebrachte galvanische Anschlüsse aufweisen. Zwischen jedem Paar von benachbarten Supraleiter/Barriere/Supraleiter-Strukturen (SIS-Strukturen) ist eine weitere supraleitende Schicht vorgesehen, die durch eine Isolatorschicht beidseitig von dem benachbarten Josephson-Kontakt getrennt ist. Diese Schicht soll zur Steuerung des Einzelbauelementes dienen: Indem man einen Strom über seitliche Kontakte durch diese Steuerschicht leitet, soll ein Magnetfeld erzeugt werden, das das Energie-Gap des Josephson-Kontaktes beeinflusst.A magnetic control mode for the emitted or detected radiation Frequency is described in EP 0 513 557 A2, where the component is made of vertical stacking of Josephson contacts, which is also on the side have applied galvanic connections. Between every pair of neighboring superconductor / barrier / superconductor structures (SIS structures) is one further superconducting layer provided on both sides by an insulator layer is separated from the neighboring Josephson contact. This layer is intended to Control of the individual component serve: By passing a current over the side Conducting contacts through this control layer, a magnetic field is to be generated that affects the energy gap of the Josephson contact.

Dieses Bauelement hat mehrere Nachteile, die seine praktische Realisierung im Rahmen der gegenwärtig bekannten Werkstoffeigenschaften und verfügbaren Mikrofabrikations-Technologien unmöglich machen. Insbesondere erfordert (i) seine Herstellung die Abscheidung supraleitender Kontakte von etwa 0.01 µm Breite über isolierenden Schichten an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen von senkrecht dazu gewachsenen Stapelstrukturen mit Josephson-Kontakten. Dafür ist gegen­ wärtig keine Technologie verfügbar. Es sind des weiteren (ii) keine Supraleiter bekannt, die solch große Ströme zur Erzeugung der erforderlichen hohen Magnet­ feldstärken aushalten können, die man zur Verringerung des Energie-Gaps in Hochtemperatur-Supraleitern in den Grenzen der erforderlichen geometrischen Bauelementeabmessungen benötigen würde. Selbst unter der Annahme, dass dies irgendwie möglich wäre, würde (iii) das Magnetfeld einer bestimmten Steuerschicht mehr als nur einen Josephson-Kontakt beeinflussen, zu unerwünschtem 'cross-talk' zwischen mehreren Josephson-Kontakten führen. Schließlich wäre (iv) die abgestrahlte Leistung zu gering für viele Anwendungen, da eine Schaltkreis- Optimierung der Josephson-Kontakte zur Impedanzanpassung an den Außenraum nicht vorgesehen ist.This component has several disadvantages that its practical implementation in the Under the currently known material properties and available Make microfabrication technologies impossible. In particular, (i) requires its Production of the deposition of superconducting contacts of about 0.01 µm in width insulating layers on two opposite side faces from perpendicular in addition grown stack structures with Josephson contacts. For that is against currently no technology available. Furthermore, (ii) they are not superconductors known to have such large currents to produce the high magnet required field strengths that can be used to reduce the energy gap in High temperature superconductors within the limits of the required geometric Component dimensions would need. Even assuming that this is would be somehow possible, (iii) the magnetic field of a particular control layer influence more than just a Josephson contact, to unwanted cross-talk between multiple Josephson contacts. After all, (iv) would be radiated power too low for many applications, because a circuit Optimization of the Josephson contacts for impedance matching to the outside is not provided.

Nach der DE 41 24 048 C2 kann man Cuprat-Supraleiter als natürliche (intrinsische) Stapelfolgen von Josephson-Kontakten mit einem Abstand von 0,6 . . . 2,5 nm auffassen und in einigen Fällen wurde Phasensynchronisation von mehr als 1000 Josephson-Kontakten erzielt, im allgemeinen jedoch nur partiell erreicht, wie das die Vielzahl von Zweigen in den I-V-Kennlinien (in allen bisherigen Arbeiten) zeigt. Namentlich dann, wenn die zu einem Stapel gehörenden Josephson-Kontakte nicht alle identisch sind, d. h., wenn ihr kritischer Strom von Kontakt zu Kontakt verschieden ist, fallen sie nicht im selben Punkt der Kennlinie in den normalleitenden Zustand zurück, sobald der Stromdurchfluss erhöht wird. Als Folge davon muss sich die Strahlungsemission als Überlagerung kohärenter (schmalbandiger) Strahlung ergeben. Diese Unterschiede in den Eigenschaften der Josephson-Kontakte rühren von nicht perfektem Kristallwachstum und dem Lithographie-Prozess zur Definition der Mesa-Strukturen her, was auch zu Unterschieden in der Querschnittsfläche der Mesa-Strukturen führt. Die bisher gemessene höchste Frequenz emittierter Strahlung liegt bei ν = 95 GHz, was allerdings die Folge unzureichender Labor- Nachweistechnik ist.According to DE 41 24 048 C2, cuprate superconductors can be used as natural (intrinsic) Stacking sequences of Josephson contacts with a distance of 0.6. . . 2.5 nm  and in some cases, phase synchronization was greater than 1000 Josephson contacts achieved, but generally only partially achieved, such as that Plenty of branches in the I-V characteristics (in all previous work) shows. Especially when the Josephson contacts belonging to a stack are not all are identical, d. i.e. when their critical current is from contact to contact is different, they do not fall at the same point in the characteristic curve in the normal conducting State as soon as the current flow is increased. As a result of this the radiation emission is a superposition of coherent (narrow-band) radiation surrender. These differences in the properties of the Josephson contacts affect from imperfect crystal growth and the lithography process for definition of the mesa structures, which also leads to differences in the cross-sectional area of the Mesa structures leads. The highest frequency so far emitted Radiation is at ν = 95 GHz, but this is the result of insufficient laboratory Detection technology is.

Wenngleich Mesa-Strukturen in dünnen Cuprat-Schichten nichtlineare I-U-Kennlinien mit zahlreichen Zweigen und Schalten zwischen den Zweigen, Hysterese, sowie auch durch Mikrowellenstrahlung hervorgerufene Shapiro-Stufen, und selbst Mikrowellen-Emission zeigten, bleiben die I-V-Kennlinien und andere Eigenschaften dieser Mesa-Strukturen weit hinter denjenigen idealer phasensynchronisierter Stapelfolgen von Josephson-Kontakten zurück. Insbesondere liegt die emittierte Mikrowellenleistung nur im pW-Gebiet, was gleichbedeutend damit ist, dass solche Stapelfolgen für praktische Anwendungen uninteressant sind.Although mesa structures in thin cuprate layers, non-linear I-U characteristics with numerous branches and switching between branches, hysteresis, as well also Shapiro steps caused by microwave radiation, and themselves Microwave emission showed the I-V characteristics and other properties remain of these mesa structures far behind those of ideal phase-locked ones Batch sequences of Josephson contacts back. In particular, the emitted Microwave power only in the pW range, which is equivalent to the fact that such Stack sequences are of no interest for practical applications.

Dafür sind 3 Hauptgründe verantwortlich: (a) Die Josephson-Kontakte waren nicht uniform bezüglich ihrer Werte von Ic und RN; (b) die Flächen der Josephson- Kontakte waren im allgemeinen zu groß, typischerweise etwa 30 × 30 µm2; und (c) die Bauelemente waren nicht optimiert bezüglich ihrer Impedanzanpassung an den freien Raum. Infolge von (a) und (b) ist die Phasensynchronisation nicht perfekt, instabil und zufällig. Natürliche Josephson-Kontakte in Cuprat-Supraleitern weisen relativ große kritische Stromdichten in c-Achsen-Richtung auf (104-106 A/cm2), so dass solche Kontakte bei weitem zu große kritische Ströme haben, 100 mA und darüber. Große Josephson-Kontakte zeigen viele komplexe Anregungsmoden, Supraströme, die in beiden Richtungen fließen, Fluxon-Bewegung, usw. Obwohl diese Probleme bekannt sind, waren die Wissenschaftler der genannten Gruppen nicht in der Lage, die Kontaktfläche wegen zu hoher elektrischer Widerstände wesentlich zu reduzieren. Zu große elektrische Kontaktwiderstände bewirken eine deutliche Aufheizung der Stapelfolgen, wodurch die Phasensynchronisation erschwert wird und die kritischen Ströme inhomogen werden. In extremen Fällen brennen die Josephson-Kontakte durch.There are three main reasons for this: (a) The Josephson contacts were not uniform in their values of I c and R N ; (b) the areas of the Josephson contacts were generally too large, typically about 30 x 30 µm 2 ; and (c) the devices were not optimized for their impedance matching to the free space. As a result of (a) and (b), phase synchronization is not perfect, unstable and random. Natural Josephson contacts in cuprate superconductors have relatively large critical current densities in the c-axis direction (10 4 -10 6 A / cm 2 ), so that such contacts have critical currents that are far too large, 100 mA and above. Large Josephson contacts show many complex excitation modes, super currents flowing in both directions, fluxon movement, etc. Although these problems are known, the scientists in the groups mentioned were unable to significantly reduce the contact area due to excessive electrical resistances . Excessive electrical contact resistances cause the stack sequences to heat up significantly, which makes phase synchronization more difficult and the critical currents become inhomogeneous. In extreme cases, the Josephson contacts burn out.

Eine aktuelle Entwicklung, die zur praktischen Umsetzung in ein neuartiges Bauelement geeignet ist, besteht in einer Technologie zur Züchtung dünner Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiter, in denen die CuO2-Ebenen nicht parallel zum Substrat angeordnet sind. Diese können tatsächlich durchweg senkrecht zum Substrat stehen, und wir wollen eine solche Dünnschicht als 'a-Achsen' orientierte Schicht bezeichnen. Dieser Name ist abgeleitet von dem spezifischen Fall, dass die einkristalline Schicht in einer solchen epitaxialen Beziehung zum Substrat gezüchtet wird, dass die a-Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats steht. Wir wollen diesen Fall nicht von demjenigen unterscheiden, dass die b-Achse (in orthorhombi­ schen Kristallen mit a ≠ b) senkrecht auf dem Substrat steht, sowie auch wenn die a-Achse willkürlich geneigt ist, solange nur die c-Achse parallel zur Substratober­ fläche verläuft, d. h. also, solange die CuO2-Ebenen senkrecht auf der Substratober­ fläche stehen. Unter Verwendung einer ähnlichen üblicherweise akzeptierten (obgleich ungenauen) Terminologie werden wir die ganze Gruppe epitaxialer Orientierungen, bei denen die CuO2-Ebenen einen von 90° oder 0° verschiedenen Winkel zum Substrat annehmen, in dem Begriff "geneigte a-Achsen"-Schicht zusammenfassen.A current development that is suitable for practical implementation in a novel component is a technology for growing thin high-temperature cuprate superconductors in which the CuO 2 planes are not arranged parallel to the substrate. In fact, these can all be perpendicular to the substrate, and we want to refer to such a thin layer as an 'a-axis' oriented layer. This name is derived from the specific case that the monocrystalline layer is grown in such an epitaxial relationship to the substrate that the a-axis is perpendicular to the surface of the substrate. We do not want to distinguish this case from the fact that the b axis (in orthorhombic crystals with a ≠ b) is perpendicular to the substrate, as well as if the a axis is arbitrarily inclined, as long as only the c axis is parallel to the substrate Surface runs, that is, as long as the CuO 2 planes are perpendicular to the substrate surface. Using a similar commonly accepted (though inaccurate) terminology, we will refer to the whole set of epitaxial orientations where the CuO 2 planes are at 90 ° or 0 ° angles to the substrate in the term "inclined a-axis" layer sum up.

Es wurden bereits dünne Bi2Sr2CaCu2O8-Schichten mit um 45° geneigten CuO2- Ebenen mittels Magnetron-Sputtertechnik auf SrTiO3-Substraten abgeschieden, die mit einem Winkel von 5° von der (110)-Richtung abwichen. Ebenso kamen MgO- Substrate mit der gleichen Charakteristik und zusätzlichen Pufferschichten zur Anwendung. Die gewünschte geneigte a-Achsen-Orientierung wurde mittels RHEED (Beugung hochenergetischer Elektronen in Reflexionslage) und TEM (Transmissions- Elektronenmikroskopie) in Querschnittsabbildung sowie durch die Messung von Transporteigenschaften nachgewiesen.Thin Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 layers with CuO 2 planes inclined by 45 ° have already been deposited on SrTiO 3 substrates using magnetron sputtering technology, which deviated from the ( 110 ) direction at an angle of 5 °. MgO substrates with the same characteristics and additional buffer layers were also used. The desired inclined a-axis orientation was demonstrated by means of RHEED (diffraction of high-energy electrons in the reflection position) and TEM (transmission electron microscopy) in cross-sectional imaging and by measuring transport properties.

Im wesentlichen vollständig a-Achsen-orientierte YBa2Cu3O7-Schichten wurden auf (100)-orientierten LaSrCaO4-Substraten mit einer PrBa2Cu3O7-Pufferschicht mittels Einzeltarget-Sputterns erhalten. Ähnlich orientierte Filme aus Nd1+xBa2-xCu3O7-d wurden direkt auf (100)-orientierte SrTiO3-Substrate mittels Laser-Aufdampftechnik gebracht, wobei im wesentlichen besondere Sorgfalt auf die richtige Einstellung der Wachstumsparameter gerichtet war.Essentially completely a-axis-oriented YBa 2 Cu 3 O 7 layers were obtained on ( 100 ) -oriented LaSrCaO 4 substrates with a PrBa 2 Cu 3 O 7 buffer layer by means of single target sputtering. Similarly oriented films made of Nd 1 + x Ba 2-x Cu 3 O 7-d were applied directly to ( 100 ) -oriented SrTiO 3 substrates by means of laser vapor deposition, whereby special care was taken to set the growth parameters correctly.

a-Achsen-orientierte Schichten aus Hochtemperatur-Supraleitern sind aus der WO 92/22426 A1 und der JP 5-291632 A bekannt.A-axis oriented layers made of high temperature superconductors are from WO 92/22426 A1 and JP 5-291632 A known.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlungsemitter und Detektor für elektromagnetische Strahlung im Submillimeterwellen-Gebiet verfügbar zu machen, der gleichzeitig eine Vielzahl von Stapelfolgen von Josephson-Kontakten in einer flächigen (2-dimensionalen) Anordnung anwendet, so dass die Erzeugung von Mikrowellenleistung oder die Empfindlichkeit zum Nachweis von Mikrowellen­ strahlung beträchtlich erhöht wird.It is an object of the present invention to provide a radiation emitter and detector for electromagnetic radiation in the submillimeter-wave range which simultaneously uses a multiplicity of stacking sequences of Josephson contacts in a flat ( 2- dimensional) arrangement, so that the generation of microwave power or the sensitivity to the detection of microwave radiation is increased considerably.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und Anspruchs 13 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen der Erfindung geben die Ansprüche 2 bis 12 und 14 bis 19 an. Mit anderen Worten wird mit der vorliegenden Erfindung ein zweidimensionales Netzwerk von supraleitenden Mikrobrücken mit Stapelfolgen von (nativen) Josephson-Kontakten geschaffen, wobei Teile des Netzwerks in vorbestimmter Weise gruppiert und (seriell, parallel) zusammengeschaltet, sowie über Kontakte mit einer externen elektronischen Steuerungseinheit betrieben werden können. This object is achieved by the characterizing part of claim 1 and Claim 13 specified features solved. Advantageous configurations and Applications of the invention are set out in claims 2 to 12 and 14 to 19. With in other words, the present invention becomes a two-dimensional one Network of superconducting micro bridges with stacking sequences of (native) Josephson contacts created, parts of the network in predetermined Grouped and interconnected (serial, parallel), as well as via contacts with an external electronic control unit can be operated.  

Der erfindungsgemäße Strahlungsemitter im Submillimeterwellen-Gebiet weist eine Impedanz auf, mit der eine Impedanzanpassung an den die Strahlung aufnehmenden Raum möglich ist, wodurch die abgestrahlte Leistung maximale Werte annimmt.The radiation emitter according to the invention in the submillimeter wave region has one Impedance with which an impedance matching to the one receiving the radiation Space is possible, whereby the radiated power assumes maximum values.

Der erfindungsgemäße Strahlungsemitter im Submillimeterwellen-Gebiet weist eine sehr geringe Emissionslinienbreite (weniger als den millionsten Teil der Strahlungs­ frequenz) innerhalb seines bis zu einigen THz reichenden Submillimeterwellen- Bandes auf.The radiation emitter according to the invention in the submillimeter wave region has one very narrow emission line width (less than one millionth of the radiation frequency) within its submillimeter wave Tape on.

Die Emissionsfrequenz bzw. die Detektionsfrequenz des erfindungsgemäßen Strahlungsemitters und -detektors im Submillimeterwellen-Gebiet kann mittels einer elektronischen Steuerung über einen breiten spektralen Bereich kontinuierlich verändert werden.The emission frequency or the detection frequency of the invention Radiation emitters and detectors in the submillimeter-wave range can be measured using a electronic control over a wide spectral range continuously to be changed.

Die emittierte Mikrowellenstrahlung des erfindungsgemäßen Strahlungsemitters und -detektors im Submillimeterwellen-Gebiet kann elektronisch moduliert bzw. aus- und eingeschaltet werden, was auch einem schnellen elektronischen Schalter für Supraleitungselektroniken entspricht.The emitted microwave radiation of the radiation emitter according to the invention and -detectors in the submillimeter wave range can be electronically modulated or out and be turned on, which is also a fast electronic switch for Corresponds to superconducting electronics.

Die Funktionen Emission und Detektion sind bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet unabhängig voneinander, in Kanälen mit verschiedenen Frequenzen oder elektrisch variablen und gesteuerten Frequenzen, möglich.The functions of emission and detection are in the case of the invention Radiation emitter and detector in the submillimeter wave range independent from each other, in channels with different frequencies or electrically variable and controlled frequencies, possible.

Der erfindungsgemäße Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen- Gebiet erlaubt eine Inversion des Emissions- und Detektionsmodus mit externen elektronischen Mitteln.The radiation emitter and detector according to the invention in submillimeter wave Area allows an inversion of the emission and detection mode with external ones electronic means.

Der erfindungsgemäße Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen- Gebiet ist für eine Einbeziehung in Supraleiter/Halbleiter-Hybridschaltungen geeignet.The radiation emitter and detector according to the invention in submillimeter wave Field is for inclusion in superconductor / semiconductor hybrid circuits suitable.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail with the aid of exemplary embodiments. In the associated drawing shows:

Fig. 1 Eine Einheitszelle des Kristalls eines Hochtemperatur-Supra­ leiters, die eine CuO2-Ebene enthält. Fig. 1 is a unit cell of the crystal of a high-temperature super conductor, which contains a CuO 2 plane.

Fig. 2 Eine "a-Achsen"-orientierte Schicht eines Hochtemperatur- Supraleiters. Die CuO2-Ebenen stehen senkrecht auf dem Substrat. Fig. 2 An "a-axis" oriented layer of a high temperature superconductor. The CuO 2 planes are perpendicular to the substrate.

Fig. 3 Eine dünne Schicht eines Hochtemperatur-Supraleiters mit "geneigter a-Achse". Die CuO2-Ebenen sind mit einem Winkel Θ gegenüber dem Substrat geneigt. Fig. 3 A thin layer of a high-temperature superconductor with "inclined a-axis". The CuO 2 planes are inclined at an angle Θ with respect to the substrate.

Fig. 4A Eine Mikrobrücke, die aus einem Hochtemperatur-Supraleiter mit "a-Achsen"-orientierter Wachstumsrichtung hergestellt wurde. FIG. 4A is a microbridge of a high temperature superconductor having "a-axis" -oriented growing direction was prepared.

Fig. 4B Einen Äquivalentschaltkreis für das in Fig. 4A gezeigte Bauelement: Eine einfache, lineare (serielle) Anordnung von Josephson-Übergängen. Fig. 4B An equivalent circuit for the device shown in Fig. 4A: A simple, linear (serial) arrangement of Josephson junctions.

Fig. 5 Eine Mikrobrücke, die aus einem Hochtemperatur-Supraleiter mit "geneigter a-Achsen"-Wachstumsrichtung hergestellt wurde. Der Äquivalentschaltkreis entspricht dem aus Fig. 4B. Fig. 5 is a microbridge made from a high temperature superconductor with "inclined a-axis" growth direction. The equivalent circuit corresponds to that of Fig. 4B.

Fig. 6A Eine parallele Anordnung von Mikrobrücken, die jeweils Stapelfolgen natürlicher Josephson-Kontakte enthalten, hergestellt aus einer epitaxialen "a-Achsen"- bzw. "geneig­ ten a-Achsen"-Schicht durch chemisches oder Ionen-Ätzen von Gräben, die die Mikrobrücken gegeneinander elektrisch isolieren. Fig. 6A shows a parallel arrangement of microbridges, each containing stacking sequences of natural Josephson contacts, made from an epitaxial "a-axis" or "inclined a-axis" layer by chemical or ion etching of trenches that the Electrically isolate micro bridges from each other.

Fig. 6B Einen Äquivalentschaltkreis für das Bauelement aus Fig. 6A: Parallelschaltung von zwei linearen Stapelfolgen von Jo­ sephson-Kontakten. Fig. 6B is a equivalent circuit for the device of Figure 6A. Parallel connection of two linear stacking sequences of Jo sephson contacts.

Fig. 7A Eine Parallel-Schaltung von drei identischen Gruppen (cluster) mit jeweils 10 Mikrobrücken. FIG. 7A, a parallel circuit of three identical groups (clusters) with 10 microbridges.

Fig. 7B Einen Äquivalentschaltkreis für das Bauelement aus Fig. 7A. Fig. 7B a equivalent circuit for the device of FIG. 7A.

Fig. 8 Eine Anordnung mehrerer Gruppen von Mikrobrücken, die jeweils Stapelfolgen von Josephson-Kontakten enthalten, entlang einer Streifenleitung. Die Entfernung zwischen den einzelnen Segmenten von zusammengefassten Emittern entspricht der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Struktur. Figure 8 shows an arrangement included. More groups of micro-bridges, each stacking sequences of Josephson junctions, along a strip line. The distance between the individual segments of combined emitters corresponds to the wavelength λ of the electromagnetic radiation within the structure.

Fig. 9 Einen grundsätzlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements, das in einer dünnen supraleitenden Epitaxie­ schicht eine zweidimensionale laterale Anordnung parallel geschalteter Mikrobrücken (Stege) (a) enthält, die durch bis auf das Substrat reichende Gräben (b) voneinander getrennt sind und damit den Stromfluss durch die Mikrobrücken bzw. Gruppen von Mikrobrücken lenken. Jede Mikrobrücke enthält eine Stapelfolge von Josephson-Kontakten, deren Anord­ nung in Fig. 2 und Fig. 3 erklärt wird. Die elektrischen Anschlüsse (c) und (d) erlauben eine Verbindung zu einer äußeren Steuerungselektronik (e). Fig. 9 A basic structure of the device according to the invention, the layer in a thin superconducting epitaxy contains a two-dimensional lateral arrangement of parallel connected micro-bridges (webs) (a), which are separated from each other by trenches (b) extending to the substrate and thus the current flow steer through the micro bridges or groups of micro bridges. Each microbridge includes a stacking sequence of Josephson contacts whose Anord voltage in Fig. 2 and 3 is explained Fig.. The electrical connections (c) and (d) allow a connection to external control electronics (e).

Anhand einer Verkörperung des erfindungsgemäßen Bauelements wird im folgenden die Erfindung näher beschrieben, dessen grundsätzliche Struktureinheit, d. h. die lineare Stapelfolge von Josephson-Kontakten, in einer Dünnschicht hoher Qualität eines Hochtemperatur-Supraleiters gebildet wird, wobei sich die dünne Schicht in einer speziellen epitaxialen Beziehung mit dem Substrat befindet.Based on an embodiment of the component according to the invention is the following described the invention in more detail, the basic structural unit, d. H. the linear stacking sequence of Josephson contacts, in a thin layer of high quality a high-temperature superconductor is formed, the thin layer in a special epitaxial relationship with the substrate.

1. Mikrobrücken in "a-Achsen-orientierten" und "geneigten a-Achsen-orientierten" Dünnschichten1. Micro bridges in "a-axis oriented" and "inclined a-axis oriented" Thin layers

Zur Erklärung muss anhand Fig. 1 bemerkt werden, dass die kristallografische Einheitszelle aller bekannten Cuprat-Supraleiter ein verlängertes Parallelepiped mit den Seitenlängen a ≈ b ≈ 3.8 Å und c < a, b darstellt. Zum Beispiel ist c ≈ 6.5 Å in La1.85Sr0.15CuO4, c ≈ 11.7 Å in YBa2Cu3O7, c ≈ 15.4 Å in Bi2Sr2CaCu2O8, etc. [Genauer gesagt ist die c-Achsen-Periodizität in La1.85Sr0.15CuO4 und Bi2Sr2Ca­ Cu2O8 doppelt so groß wegen des Vorhandenseins einer Gleitebene, obwohl dieser Sachverhalt für die vorliegende Diskussion wenig Bedeutung hat, ebenso wie derjenige einer leichten orthorhombischen Verzerrung mit a ≠ b in YBa2Cu3O7]. Be noticed 1 for declaration must reference to FIG. That the crystallographic unit cell of all known cuprate superconductors is a long parallelepiped with sides a ≈ b ≈ 3.8 Å and c "b. For example, c ≈ 6.5 Å in La 1.85 Sr 0.15 CuO 4 , c ≈ 11.7 Å in YBa 2 Cu 3 O 7 , c ≈ 15.4 Å in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , etc. [More specifically, the c- Axis periodicity in La 1.85 Sr 0.15 CuO 4 and Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8 is twice as large due to the presence of a sliding plane, although this fact is of little importance for the present discussion, as is that of a slight orthorhombic distortion with a ≠ b in YBa 2 Cu 3 O 7 ].

Werden speziell geschnittene Substrate verwendet, so ist es möglich, epitaxiale Anordnungen zu erzielen, in denen die CuO2-Ebenen senkrecht zur großen Fläche des Substrates verlaufen. In einem solchen Falle ist die a-Achse des Cuprat- Supraleiters (oder völlig gleichbedeutend die b-Achse) senkrecht zur großen Fläche des Substrates angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Solche Hochtemperatur- Supraleiter-Dünnschichten werden zur Abkürzung als "a-Achsen-orientierte HTS- Schichten" bezeichnet.If specially cut substrates are used, it is possible to achieve epitaxial arrangements in which the CuO 2 planes are perpendicular to the large area of the substrate. In such a case, the a-axis of the cuprate superconductor (or the b-axis, which is completely equivalent) is arranged perpendicular to the large area of the substrate, as shown in FIG. 2. Such high-temperature superconductor thin layers are referred to for short as "a-axis oriented HTS layers".

Eine Methode, diese Orientierung zu erreichen, besteht im folgenden (hier ist La1.85Sr0.15CuO4 als Beispiel gewählt, wobei a ≈ 3.8 Å kund c ≈ 6.5 Å beträgt):One way to achieve this orientation is as follows (here La 1.85 Sr 0.15 CuO 4 is chosen as an example, where a ≈ 3.8 Å kund c ≈ 6.5 Å):

Man wählt das Substrat und seinen "Schnitt" (d. h. die Polier-Richtung oder die Orientierung der Oberflächenebene des Substrats) so aus, dass die Periodizität der Oberflächenebene 3.8 Å × 6.5 Å beträgt. Dann stellt sich die Möglichkeit ein, dass die Schicht mit ihrer a-Achse senkrecht zum Substrat aufwächst. Ein anderer Gesichtspunkt ist die Zahl "günstiger Kontakte" zwischen Kationen und Anionen von Schicht und Substrat, die auf energetische Beziehungen in der Grenzfläche Einfluss nehmen. Natürlich benötigt man für jeden unterschiedlichen Hochtempera­ tur-Supraleiter unterschiedliche Substrate oder zumindest Substrat-Schnitte.The substrate and its "cut" (ie the direction of polishing or the orientation of the surface plane of the substrate) are selected such that the periodicity of the surface plane is 3.8 Å × 6.5 Å. Then there is the possibility that the layer grows with its a-axis perpendicular to the substrate. Another aspect is the number of "favorable contacts" between cations and anions of the layer and the substrate, which influence the energetic relationships in the interface. Of course, different substrates or at least substrate cuts are required for each different high-temperature superconductor.

Eine weitere Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird durch eine mögliche andere epitaxiale Beziehung geliefert, die in Fig. 3 gezeigt ist. Hierfür werden alle CuO2-Ebenen der Cuprat-Filme in einem Winkel zum Substrat gezüchtet, der von 0° und 90° verschieden ist. Ein solcher Winkel ist abhängig vom Substratschnitt und kann typischerweise 1° bis 10° betragen, obwohl größere oder kleinere Winkel auch möglich sind. Für den Zweck der vorliegenden Diskussion nehmen wir an, dass der Winkel etwa 5° beträgt. Dies erfordert die Existenz von Stufen im Substrat, die 3.8 Å hoch sind und einen Abstand von etwa d = 3.8 × tan 85° Å haben. Another embodiment of the present invention is provided by a possible other epitaxial relationship shown in FIG. 3. For this purpose, all CuO 2 planes of the cuprate films are grown at an angle to the substrate which is different from 0 ° and 90 °. Such an angle depends on the substrate cut and can typically be 1 ° to 10 °, although larger or smaller angles are also possible. For the purpose of the present discussion, we assume that the angle is approximately 5 °. This requires the existence of steps in the substrate that are 3.8 Å high and have a distance of approximately d = 3.8 × tan 85 ° Å.

Wie bereits ausgeführt, stellen Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiter, wie zum Beispiel Bi2Sr2CaCu2O8, Ti2Ba2Ca2Cu3O10, HgBa2CaCu2O6.2, La1.85, Sr0.15CuO4, etc. natürliche supraleitende Supergitter vom SIS . . ., oder SINIS-Typ dar. Benutzt man eine der genannten Orientierungen der Dünnschicht, dann lassen sich einfache Mikrobrücken der in Fig. 4.A. und Fig. 5 gezeigten Art und somit also eine Stapelfolge von Josephson-Kontakten erzeugen. Solche Stapelfolgen in Mikrobrüc­ ken stellen die Grundstruktur für das erfindungsgemäße Bauelement dar. Jedoch müssen zur Einstellung eines optimalen Betriebs des Bauelements mehrere solcher Mikrobrücken in einem supraleitenden Netzwerk zusammengeschaltet werden, wie im weiteren Text beschrieben.As already stated, high-temperature cuprate superconductors such as Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , Ti 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 , HgBa 2 CaCu 2 O 6.2 , La 1.85 , Sr 0.15 CuO 4 , etc. natural superconducting superlattices from SIS. , ., or SINIS type. If one of the orientations of the thin layer is used, then simple microbridges of the type shown in FIG. 4.A. and FIG. 5 type and thus thus generate a stacking sequence of Josephson contacts. Such stacking sequences in micro bridges represent the basic structure for the component according to the invention. However, in order to set an optimal operation of the component, several such micro bridges must be interconnected in a superconducting network, as described in the further text.

2. Zusammenschaltung von Mikrobrücken: Schaltkreis-Optimierung2. Interconnection of micro bridges: circuit optimization

Es wird zuerst eine einzelne Stapelfolge von Josephson-Kontakten betrachtet. Der maximal erlaubte kritische Strom durch einen einzelnen Kontakt ist etwa Ic = 1 mA. Größere Werte führen zu sehr gestörten Strom-Spannungs-Kennlinien infolge sich einstellender besonderer Flussbedingungen. Der Josephson-Kontakt verhält sich wie ein "langer Kontakt" mit Strömen, die an verschiedenen Orten hin und her fließen. Mit dem Beispiel von IcR = 10 mV und Ic = 1 mA erhält man als typischen unteren Grenzwert für den elektrischen Widerstand R = 10 Ω. Impedanzanpassung des Bauelements an das Vakuum erfordert einen Gesamtwiderstand RTOT = NR ≅ 300 Ω. Mit R = 10 Ω erhält man also N = 30 als Wert für die Zahl einzubringender Jo­ sephson-Kontakte in der Stapelfolge einer Mesa-Struktur. Falls Ic kleiner wäre als 1 mA, hätte sich ein noch größerer Wert für R und damit ein kleinerer Wert für N eingestellt. Demzufolge wäre dieser Wert N eine untere Grenze für eine einzelne Mesa-Struktur mit Impedanzanpassung an das Vakuum.A single stacking sequence of Josephson contacts is considered first. The maximum allowed critical current through a single contact is about I c = 1 mA. Larger values lead to very disturbed current-voltage characteristics due to the occurrence of special flow conditions. The Josephson contact behaves like a "long contact" with currents flowing back and forth in different places. Using the example of I c R = 10 mV and I c = 1 mA, the typical lower limit for the electrical resistance is R = 10 Ω. The impedance matching of the component to the vacuum requires a total resistance R TOT = NR ≅ 300 Ω. With R = 10 Ω you get N = 30 as the value for the number of Jo sephson contacts to be inserted in the stacking sequence of a mesa structure. If I c were less than 1 mA, an even larger value for R and thus a smaller value for N would have occurred. As a result, this value N would be a lower limit for a single mesa structure with impedance matching to the vacuum.

Ebenfalls sind die geometrischen Abmessungen des Kontaktes mit den genannten Werten schon festgelegt. Falls jc = 104 A/cm2 ist, erhält man mit Ic = 1 mA als Fläche des Josephson-Kontaktes
The geometric dimensions of the contact are also already defined with the values mentioned. If j c = 10 4 A / cm 2 , then I c = 1 mA is the area of the Josephson contact

A = Ic/jc = 10-3 A/104 A/m2 = 10-7 cm2 = 10 µm2.
A = I c / j c = 10 -3 A / 10 4 A / m 2 = 10 -7 cm 2 = 10 µm 2 .

Würde man quadratische Josephson-Kontakte benutzen, sollten diese eine Kantenlänge von 3 µm aufweisen.If you were to use square Josephson contacts, this should be one Have an edge length of 3 µm.

Dieser Wert von jc = 104 A/cm2 betrifft natürliche Josephson-Kontakte in sehr anisotropen Hochtemperatur-Supraleiter-Werkstoffen, wie z. B. Bi2Sr2CaCu2O8. Bei weniger anisotropen Hochtemperatur-Supraleiter-Verbindungen kann jc höhere Werte (bis zu 106 A/cm2 in YBa2Cu3O7) annehmen, wodurch man noch kleinere Kontaktquerschnittsflächen erlangen könnte.This value of j c = 10 4 A / cm 2 relates to natural Josephson contacts in very anisotropic high-temperature superconductor materials, such as. B. Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 . With less anisotropic high-temperature superconductor compounds, j c can assume higher values (up to 10 6 A / cm 2 in YBa 2 Cu 3 O 7 ), which could result in even smaller contact cross-sectional areas.

Die Ausgangsleistung einer solchen einfachen Stapelfolge ist jedoch recht beschei­ den: PMAX out = 1/8NIc 2R = (1/8) × 30 × 106 × 10 A2Ω = 5 × 10-4 mW.The output power of such a simple stacking sequence, however, is quite modest to: P MAX out = 1 / 8Ni c 2 R = (1/8) × 30 × 10 6 × 10 2 Ω A = 5 × 10 -4 mW.

Höhere abgestrahlte Leistungen kann man nur dann erwarten, wenn komplexere Systeme mit in Reihe und parallel geschalteten Gruppen von Mesa-Strukturen zur Anwendung kommen. Im wesentlichen besteht die Idee darin, den Gesamtstrom durch das Bauelement dadurch zu erhöhen, ohne dass Ic MAX = 1 mA für einen einzelnen Kontakt überschritten wird, dass mehrere Stapelfolgen parallel geschaltet werden (Fig. 6). Eine Verringerung des Gesamtwiderstands kann durch eine Erhöhung der Zahl von Josephson-Kontakten in jeder Stapelfolge einfach ausgegli­ chen werden.Higher radiated power can only be expected if more complex systems with series and parallel groups of mesa structures are used. Essentially, the idea is to increase the total current through the component without exceeding I c MAX = 1 mA for a single contact by connecting several stack sequences in parallel ( FIG. 6). A reduction in overall resistance can be easily compensated for by increasing the number of Josephson contacts in each stacking sequence.

Für eine Parallelschaltung von M Stapelfolgen, in denen jede davon N Josephson- Kontakte in Serienschaltung enthält, stellt sich als Gesamtwiderstand RTOT = (N/M)R ein. Für RTOT = 300 Ω und R = 10 Ω erhält man also N/M = 30 oder N = 30 M.For a parallel connection of M stack sequences, in which each contains N Josephson contacts in series connection, the total resistance is R TOT = (N / M) R. For R TOT = 300 Ω and R = 10 Ω you get N / M = 30 or N = 30 M.

Der Gesamtstrom wird I = MIc, so dass die Gesamtleistung PTOT out = (1/8) × 10-6 × 300 × M2A2Ω ≈ 0.4 × M2 mW entsteht.The total current is I = MI c, so that the total power P TOT out = (1/8) × 10 -6 × 300 × M 2 A 2 Ω ≈ 0.4 × M 2 mW arises.

Man sieht damit, dass die gesamte abgestrahlte Leistung zu M2 proportional ist, und es könnte scheinen, als wäre die Leistung beliebig steigerbar. Jedoch werden Beschränkungen durch die maximal mögliche Größe des Netzwerks und natürlich der noch akzeptablen Dimensionen der einzelnen Stapelfolgen auferlegt. It can thus be seen that the total radiated power is proportional to M 2 , and it could appear that the power can be increased at will. However, restrictions are imposed by the maximum possible size of the network and of course the still acceptable dimensions of the individual batch sequences.

Namentlich für eine gruppierte Anordnung von Josephson-Kontakten kann Phasen­ synchronisation nur über eine Entfernung von näherungsweise λ/4 erreicht werden, wobei λ die Wellenlänge der emittierten elektromagnetischen Strahlung ist. Wäre die gewünschte abgestrahlte Frequenz ν = 3 THz, dann beträgt λ = 100 µm; für ν = 1 THz erhält man λ = 300 µm.In particular, for a grouped arrangement of Josephson contacts, phases can occur synchronization can only be achieved over a distance of approximately λ / 4, where λ is the wavelength of the emitted electromagnetic radiation. Would the desired radiated frequency ν = 3 THz, then λ = 100 µm; For ν = 1 THz gives λ = 300 µm.

Zur Optimierung von Bauelementeparametern (z. B. um Impedanzanpassung an das Vakuum und eine Reduzierung der inneren Reflexion von elektromagnetischer Strahlung an der Kristall/Vakuum-Grenzfläche zu erreichen) ist es wünschenswert, Mikrobrücken in jeder gewollten Art elektrisch zu kombinieren. Dabei sollten allerdings die elektrischen Verbindungen aus Supraleitern bestehen und nicht zur Herausbildung von 'weak links' (schwachen Kopplungen) führen, die dann als Josephson-Kontakte in Reihenschaltung mit der Stapelfolge von Josephson- Kontakten in der Mesa-Struktur wirken. Mit anderen Worten gesagt, es sind Hochtemperatur-Supraleiter-Elektroden von der gleichen Art supraleitenden Werkstoffes erforderlich.To optimize component parameters (e.g. to match impedance to the Vacuum and a reduction in internal reflection from electromagnetic Radiation at the crystal / vacuum interface), it is desirable To combine micro bridges electrically in any desired way. Doing so however, the electrical connections consist of superconductors and not for Formation of 'weak links', which are then called Josephson contacts connected in series with the stacking sequence of Josephson Contacts work in the mesa structure. In other words, they are High temperature superconducting electrodes of the same type of superconducting Material required.

Sowohl Serien- als auch Parallel-Schaltung von Mesa-Strukturen ist in praktisch relevanten Fällen erforderlich. Im folgenden Abschnitt soll eine Methode erklärt werden, mit der die Serienschaltung einfacher Mikrobrücken oder von Gruppen (cluster) von Mikrobrücken erreicht wird, die bereits als Parallelschaltung vorliegen. Des weiteren werden realistische Abschätzungen zur maximal möglichen Zahl phasenstarrer Josephson-Kontakte in solchen Stapelfolgen und Netzwerken angegeben.Both series and parallel connection of mesa structures is practical relevant cases required. A method is explained in the following section with the series connection of simple micro-bridges or groups (cluster) is achieved by micro bridges that already exist as a parallel connection. Furthermore, realistic estimates of the maximum possible number phase-locked Josephson contacts in such batch sequences and networks specified.

3. Beispiel3rd example

Eine Analyse der realistischen Grenzen linearer Stapelfolgen und deren paralleler und serieller Zusammenschaltung erfolgt in der folgenden Weise: Nehmen wir IcR ≈ 25 mV und Ic MAX = 1 mA als gegeben an, dann ist R = 25 Ω der Widerstand eines Josephson-Kontaktes. Damit ist N auf Werte von 10-15 beschränkt, wenn Impedanzanpassung an das Vakuum mit RTOT = NR ≅ 300 Ω angestrebt wird. Das ist offensichtlich nicht sehr günstig für eine reine a-Achsen-orientierte HTS-Schicht (Fig. 2, Fig. 4.A), da in einem solchen Fall die Länge der Mikrobrücken (in a-Achsen- Schichten wird die Bezeichnung "Mikrobrücke" für die vordem bezeichnete "Mesa- Struktur" in c-Achsen-Schichten gewählt weniger als 15 × 20 Å = 300 Å betragen würde, was für gängige lithografische Verfahren zu klein ist.An analysis of the realistic limits of linear stack sequences and their parallel and serial interconnection takes place in the following way: Assuming I c R ≈ 25 mV and I c MAX = 1 mA as given, then R = 25 Ω is the resistance of a Josephson contact . N is therefore limited to values of 10-15 if impedance matching to the vacuum is sought with R TOT = NR ≅ 300 Ω. This is obviously not very favorable for a pure a-axis-oriented HTS layer ( Fig. 2, Fig. 4.A), because in such a case the length of the microbridge (in a-axis layers the term "microbridge "for the previously designated" mesa structure "in c-axis layers would be less than 15 × 20 Å = 300 Å, which is too small for common lithographic processes.

Die Situation verbessert sich für geneigte a-Achsen-orientierte HTS-Schichten (Fig. 3, Fig. 5), wo der Neigungswinkel relativ klein (etwa 5°) ist. Hier bekommt man für N = 15 und c = 15 Å eine Gesamtlänge L der Mikrobrücke von d/tanθ, wobei d die Schichtdicke ist. Für d = 1000 Å und θ = 5° erhält man also L ≈ 10000 Å = 1 µm, was einem vernünftigen Wert für gegenwärtig übliche Lithographie-Verfahren darstellt. Und diese Länge kann mit wachsenden Schichtdicken weiter vergrößert werden.The situation improves for inclined a-axis oriented HTS layers ( Fig. 3, Fig. 5), where the angle of inclination is relatively small (about 5 °). Here one gets a total length L of the microbridge of d / tanθ for N = 15 and c = 15 Å, where d is the layer thickness. For d = 1000 Å and θ = 5 ° one obtains L ≈ 10000 Å = 1 µm, which is a reasonable value for currently used lithography processes. And this length can be increased further with increasing layer thicknesses.

Wir haben jedoch auch die erforderlichen seitlichen (lateralen) Dimensionen zu untersuchen. Beschränkungen kommen hier von der Stromdichte jc. Eine typische Stromdichte für c-Achsen-orientierte Schichten liegt bei jc = 104 A/cm2. Mit einem erwünschten kritischen Strom von Ic = 1 mA erhält man die schon genannte Kontaktfläche A = Ic/jc = 10-3/104 cm2 = 10 µm2. Es ist jedoch zu beachten, dass die effektive Breite jetzt gleich der Schichtdicke dividiert durch den Tangens des Neigungswinkels ist, d. h. d/tanθ. Mit d = 1000 Å und θ = 5° erhält man d/tanθ = 1 µm. Dies bedeutet, dass die Breite der Mikrobrücken 1 µm betragen soll, was sicherlich zu erreichen ist.However, we also have to examine the required lateral dimensions. Restrictions come from the current density j c . A typical current density for c-axis oriented layers is j c = 10 4 A / cm 2 . With a desired critical current of I c = 1 mA, the aforementioned contact area A = I c / j c = 10 -3 / 10 4 cm 2 = 10 µm 2 is obtained . However, it should be noted that the effective width is now equal to the layer thickness divided by the tangent of the angle of inclination, ie d / tanθ. With d = 1000 Å and θ = 5 ° you get d / tanθ = 1 µm. This means that the width of the micro bridges should be 1 µm, which can certainly be achieved.

Allerdings wird eine solche Mikrobrücke, die eine Stapelfolge von Josephson- Kontakten enthält, nur eine relativ kleine Leistung emittierter Strahlung erzeugen, nämlich Pout = (1/8)Ic 2RTOT = (1/8)(10 -3)2300 W ≈ 0.4 mW.However, such a micro-bridge, which contains a stacking sequence of Josephson junctions will produce only a relatively small power emitted radiation, namely, P out = (1/8) I c 2 R TOT = (1/8) (10 -3) 2 300 W ≈ 0.4 mW.

Um diese Leistung zu erhöhen, benötigt man erneut eine Parallelschaltung vom M solcher Mikrobrücken, da in diesem Fall Pout = (1/8)(MIc)2RTOT = M2 × 0.4 mW beträgt, vorausgesetzt, dass die Zahl N der natürlichen Josephson-Kontakte in jeder Mikrobrücke so eingestellt wird, dass die Impedanzanpassung an das Vakuum erfüllt bleibt. Für RTOT = RN/M ≅ 300 und R = 15-30 Ω erhalten wir N/M ≈ 10- 20, oder typischerweise N = 15 M.In order to increase this performance, it again requires a parallel connection of M such micro-bridges, as in this case, P out = (1/8) (MI c) 2 R TOT = M is 2 × 0.4 mW, provided that the number N of natural Josephson contacts in each microbridge is set so that the impedance matching to the vacuum remains fulfilled. For R TOT = RN / M ≅ 300 and R = 15-30 Ω we get N / M ≈ 10- 20, or typically N = 15 M.

Dies liefert den Ansatzpunkt, um ein sehr einfaches Bauelement zu schaffen, das in Fig. 6 gezeigt ist und aus einer parallelen Anordnung von M identischen Mikrobrücken besteht. Diese werden dadurch gebildet, dass ganz einfach eine Folge äquidistanter Gräben durch chemisches oder Ionen-Ätzen bis herab an das Substrat erzeugt wird.This provides the starting point for creating a very simple component, which is shown in FIG. 6 and consists of a parallel arrangement of M identical micro bridges. These are formed by simply creating a series of equidistant trenches down to the substrate by chemical or ion etching.

Für N = 15 M erhält man um das M-fache verlängerte Mikrobrücken. Ein reiner a- Achsen-orientierter HTS-Film führt auf eine Mikrobrückenlänge von 15 × 300 Å = 4500 Å oder 0,45 µm, was noch immer ein sehr kleiner Wert und technologisch schwierig herstellbar ist. Hingegen wird die Länge der Mikrobrücken in geneigten a-Achsen-orientierten HTS-Schichten für d = 1000 Å, N = 300 und θ = 5° etwa M µm betragen.For N = 15 M one obtains micro-bridges which are elongated by M times. A pure a- Axis-oriented HTS film leads to a microbridge length of 15 × 300 Å 4500 Å or 0.45 µm, which is still a very small value and technologically is difficult to manufacture. In contrast, the length of the microbridge is inclined a-axis oriented HTS layers for d = 1000 Å, N = 300 and θ = 5 ° approximately M µm.

Oben hatten wir bereits geschlussfolgert, dass für jc = 104 A/cm2 und Ic = 1 mA die Kontaktfläche A = 10 µm2 und die Mikrobrücken-Breite etwa 10 µm (unsere Standardwahl d = 1000 Å und θ = 5° beträgt). Damit ist M stark eingeschränkt, da die gesamte Breite des Bauelements für eine Emissionsfrequenz von ν = 3 THz (λ = 100 µm) also 25 µm und für ν = 1 THz (λ = 300 µm) 75 µm betragen kann. Folglich erhält man für M = 3-7, was einer recht beträchtlichen Ausgangsleistung von Pout = 1-20 mW entspräche.We had already concluded above that for j c = 10 4 A / cm 2 and I c = 1 mA the contact area A = 10 µm 2 and the microbridge width about 10 µm (our standard choice d = 1000 Å and θ = 5 ° is). M is thus severely restricted since the entire width of the component can be 25 µm for an emission frequency of ν = 3 THz (λ = 100 µm) and 75 µm for ν = 1 THz (λ = 300 µm). Consequently, for M = 3-7 one obtains, which would correspond to a quite considerable output power of P out = 1-20 mW.

Weitere Verbesserungen in der Emissionsleistung könnte man dadurch erhalten, dass man weniger anisotrope Hochtemperatur-Supraleiter mit einer höheren kritischen Stromdichte für die c-Achsen-Richtung wählt. Beispielsweise beträgt für YBa2Cu3O7 jc ≈ 106 A/cm2 in c-Achsen-Richtung. In einem solchen Falle hätte man viel kleinere Kontaktflächen vorzusehen, sagen wir 0.1-1 µm2, was wesentlich schmalere Gräben, eine vergrößerte Zahl von Mikrobrücken und damit eine höhere Emissionsleistung bewirkt. Eine praktische Grenze für die Breite von Mikrobrücken könnte bei 1 µm liegen mit sehr schmalen Gräben dazwischen. Das würde bei 3 THz auf Werte für M von etwa 25 und die doch erhebliche Ausgangsleistung von etwa P ≈ 240 mW führen.Further improvements in emission performance could be obtained by choosing less anisotropic high-temperature superconductors with a higher critical current density for the c-axis direction. For example, for YBa 2 Cu 3 O 7 j c ≈ 10 6 A / cm 2 in the c-axis direction. In such a case, much smaller contact areas would have to be provided, say 0.1-1 µm 2 , which results in much narrower trenches, an increased number of micro bridges and thus a higher emission power. A practical limit for the width of micro bridges could be 1 µm with very narrow trenches in between. At 3 THz this would lead to values for M of around 25 and the considerable output power of around P ≈ 240 mW.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung steckt in der sehr geringen Länge von Mikrobrücken (≦ 1 µm) für a-Achsen-orientierte HTS-Schichten. Man könnte ein Bauelement entsprechend der Fig. 7 entwerfen. Unter Verwendung der verfügbaren Bauelementelänge von 25 µm (für 3 THz) wurden in dieser Fig. 7 drei parallele Segmente (Streifen) von jeweils 10 parallelen Mikrobrücken zusammengeschaltet. Die supraleitende elektrische Verbindung zwischen den 3 Segmenten ist parallel. Man verfügt folglich über einen Gesamtwert M von Mikrobrücken, der sich aus der Zahl der Mikrobrücken pro Segment multipliziert mit der Zahl der Segmente ergibt. Realistische Werte können bis zu 25 Mikrobrücken pro Segment und bis zu 10 Segmenten gehen, was einem M = 250 entspräche. Unter idealen Bedingungen entstünde hierbei eine immense Emissionsleistung von
Another possibility for improvement lies in the very short length of micro bridges (≦ 1 µm) for a-axis oriented HTS layers. One could design a device according to FIG. 7. Using the available component length of 25 μm (for 3 THz), three parallel segments (strips) of 10 parallel micro bridges each were interconnected in this FIG. 7. The superconducting electrical connection between the 3 segments is parallel. One therefore has a total value M of micro bridges, which results from the number of micro bridges per segment multiplied by the number of segments. Realistic values can go up to 25 micro bridges per segment and up to 10 segments, which would correspond to an M = 250. Under ideal conditions, this would result in an immense emission output of

P = (250)2 0.4 mW = 25 W!P = ( 250 ) 2 0.4 mW = 25 W!

Obwohl der bisherige Wert für die Ausgangsleistung sicher wegen einer Anzahl anderer begrenzender Faktoren eine zu hohe Schätzung darstellt, so wird doch das Potential sichtbar, das in einem solchen Bauelement stecken könnte. Beachtenswert ist auch die Einfachheit der Herstellung, die einen einzigen lithographischen Prozessschnitt ohne jegliche besondere Ausrichtungsanforderung erfordert.Although the previous value for the output power certainly because of a number other limiting factors is too high an estimate, it will Potential visible that could be in such a component. Noteworthy is also the ease of manufacture that a single lithographic Process cutting without any special alignment requirement.

Wegen der größeren Breite der Materialstreifen senkrecht zu den Mikrobrücken kann hier auch ein höherer Strom fließen als in einem einzelnen Segment von Mikrobrüc­ ken. Der Strom fließt in diesen Streifen entlang der CuO2-Ebenen, was der "einfachen" (d. h. leitfähigeren) Richtung entspricht; jc kann in dieser Richtung (parallel zur a-Achse) 10-1000 mal höher sein als in der "harten" (d. h. c-Achsen-) Richtung, entlang derer der Strom durch die Mikrobrücken fließt. Auf diese Weise werden 'weak links' zwischen diesen Kontaktbahnen und den Mikrobrücken vermieden. Because of the greater width of the material strips perpendicular to the micro bridges, a higher current can flow here than in a single segment of micro bridges. The current flows in these strips along the CuO 2 planes, which corresponds to the "simple" (ie more conductive) direction; j c can be 10-1000 times higher in this direction (parallel to the a-axis) than in the "hard" (ie c-axis) direction along which the current flows through the microbridges. In this way, weak links between these contact tracks and the micro bridges are avoided.

Schließlich ist zu bemerken, dass die elektrische Verbindung zur externen Elektronik über dicke (0.5-1 µm) und großflächige (1 mm2) normalleitende Metall-Kontakte (Gold, Silber, etc.) erfolgt, die auf der supraleitenden Schicht abgeschieden wurden. Eine Aufheizung des Bauelements durch resistives Verhalten dieser Kontakte wird dadurch beträchtlich minimiert. Anbonden externer Verbindungen ist einfach.Finally, it should be noted that the electrical connection to the external electronics takes place via thick (0.5-1 µm) and large-area (1 mm 2 ) normally conductive metal contacts (gold, silver, etc.), which have been deposited on the superconducting layer. Heating of the component due to the resistive behavior of these contacts is thereby considerably minimized. Bonding external connections is easy.

Die hier diskutierte Verkörperung des erfindungsgemäßen Bauelements verfügt über den zusätzlichen Vorteil, dass die Josephson-Kontakte eine sehr kleine Quer­ schnittsfläche und damit eine sehr kleine elektrische Kapazität C aufweisen. Ein reiner a-Achsen-orientierter YBa2Cu3O7-Film mit einer kritischen Stromstärke in c- Richtung von jc = 106 A/cm2 weist bei einem optimalen Strom eine Querschnitts­ fläche von A = 10-9 cm2 = 0.1 µm2 auf. Dies entspricht auch genau einer Schichtdicke von 1000 Å und der Mikrobrücken-Breite von 1 µm, so wie oben bereits beschrieben.The embodiment of the component according to the invention discussed here has the additional advantage that the Josephson contacts have a very small cross-sectional area and thus have a very small electrical capacitance C. A pure a-axis-oriented YBa 2 Cu 3 O 7 film with a critical current in the c direction of j c = 10 6 A / cm 2 has a cross-sectional area of A = 10 -9 cm 2 = at an optimal current 0.1 µm 2 . This corresponds exactly to a layer thickness of 1000 Å and the microbridge width of 1 µm, as already described above.

Aus den bekannten Materialeigenschaften für Cuprate und für isolierende Schichten kann man eine Kapazität von C ≈ 5 × 10-15 F in solch kleinen Kontakten erwarten. [Die spezifische Kapazität von Nb/NbOx/Nb-Josephson-Kontakten beträgt 50 fF/µm2]. Dieser Wert kann 5 mal geringer gemacht werden, wenn anstelle der Schichtdicke von 1 µm nur 20 nm zum Einsatz kämen. Ein Nachteil würde dann die Verringerung der maximalen kritischen Stromdichte und eine Reduktion der abgestrahlten Leistung sein.A capacitance of C ≈ 5 × 10 -15 F in such small contacts can be expected from the known material properties for cuprates and for insulating layers. [The specific capacitance of Nb / NbO x / Nb-Josephson contacts is 50 fF / µm 2 ]. This value can be made 5 times lower if only 20 nm would be used instead of the layer thickness of 1 µm. A disadvantage would then be the reduction in the maximum critical current density and a reduction in the radiated power.

Auf der anderen Seite weisen solche Kontakte den Vorteil einer kritischen Dämpfung auf. Der McCumber Parameter ist β = 2πIcR2C/Φ0 ≦ 1, wobei Φ0 = h/2e = 2 × 10-15 Vs das Fluss-Quant, h das Planck'sche Wirkungsquantum und e die Elektronenladung ist. Es ist bekannt, dass β klein sein soll (≦ 1), wenn eine optimale abgestrahlte Leistung und Durchstimmbarkeit der Frequenz gefordert ist.On the other hand, such contacts have the advantage of critical damping. The McCumber parameter is β = 2πI c R 2 C / Φ 0 ≦ 1, where Φ 0 = h / 2e = 2 × 10 -15 Vs is the flux quantum, h the Planck quantum of action and e is the electron charge. It is known that β should be small (≦ 1) if optimal radiated power and frequency tuning is required.

Die obige Betrachtung ist auf den Fall einer einzelnen Gruppe (cluster) von Josephson-Kontakten beschränkt. Tatsächlich ist es aber möglich, die maximal abgestrahlte Leistung weiter zu erhöhen, indem man eine verteilte Anordnung solcher Gruppen wählt. Man kann Gruppen in äquidistantem Abstand in Entfernun­ gen von λ zwischen ihnen (sagen wir λ = 300 µm für ν = 1 THz) anordnen.The above consideration is in the case of a single group (cluster) of Josephson contacts limited. In fact, it is possible to get the maximum  radiated power can be further increased by using a distributed arrangement such groups chooses. Groups can be spaced equidistantly apart arrange the λ between them (let's say λ = 300 µm for ν = 1 THz).

Indem man die gesamte entstehende Struktur (Schicht) mit einem Isolierstoff (z. B. SiO2, MgO, CeO2, etc.) bedeckt und darüber eine Metallschicht (z. B. Gold oder Silber) aufbringt, lässt sich eine Transmissionsleitung schaffen, durch die die elektromagnetische Strahlung fortgeleitet wird (siehe Fig. 8).By covering the entire structure (layer) with an insulating material (e.g. SiO 2 , MgO, CeO 2 , etc.) and applying a metal layer (e.g. gold or silver), a transmission line can be created, through which the electromagnetic radiation is transmitted (see Fig. 8).

Phasensynchronisation kann in solchen Strukturen über ziemlich lange Strecken erreicht werden, wodurch die abgestrahlte Leistung beträchtlich werden kann. Der Nachteil solcher Leitungen ist aber offenbar, dass die Betriebsfrequenz wegen der Gruppenabstände λ ziemlich festgelegt ist. Höhere Leistung lässt sich nur um den Preis einer verringerten Durchstimmbarkeit erzielen. Weitere Aspekte zur Optimie­ rung beinhalten die Integration einer Antenne, wobei bequemerweise die existieren­ de supraleitende Schicht dafür herangezogen werden kann.Phase synchronization can take place in such structures over fairly long distances can be achieved, whereby the radiated power can be considerable. The The disadvantage of such lines is obviously that the operating frequency because of Group spacing λ is fairly fixed. Higher performance can only be achieved by Achieve price of reduced tunability. Other aspects of optimization include the integration of an antenna, which conveniently exist de superconducting layer can be used for this.

4. Mikrowellen-Strahlungsquelle4. Microwave radiation source

Nachdem man eine Dünnschichtstruktur mit einer Anordnung von Mikrobrücken (im allgemeinen in paralleler und Serienschaltung) hergestellt und mit weiteren Standardkomponenten der Mikrowellentechnik (Antenne, Ausbreitungsleitung) verbunden hat, kann man diese an eine übliche Steuerelektronik mit regelbarer Stromquelle (bis zu 100 mA), Steuereinrichtungen, Anzeigen für Frequenz und Leistung, usw. anschließen. Dies stellt dann eine komplette Quelle für schmalbandi­ ge elektromagnetische Strahlung dar, die in einem weiten Frequenzbereich und bis zu hohen Frequenzen von 5-10 THz durchgestimmt werden kann.After a thin film structure with an arrangement of micro bridges (in generally in parallel and series connection) and with others Standard components of microwave technology (antenna, propagation line) connected, you can connect this to a conventional control electronics with adjustable Power source (up to 100 mA), controls, displays for frequency and Connect power, etc. This then provides a complete source for narrowband ge electromagnetic radiation that is in a wide frequency range and up can be tuned to high frequencies of 5-10 THz.

Dieses Bauelement der vorliegenden Erfindung wird von uns als Grundvariante des Tunneltrons bezeichnet. Es ist in Fig. 9 gezeigt. We call this component of the present invention the basic variant of the tunnel tron. It is shown in FIG. 9.

5. Anwendungsbereiche5. Areas of application

Die vorliegende Erfindung ist in beinahe allen Anwendungsbereichen einsetzbar, in denen Millimeter und Submillimeterwellen-Strahlung emittiert oder detektiert wird. Außerdem eröffnen sich gänzlich neue Anwendungsfelder, wofür im folgenden einige Beispiele gegeben werden:The present invention can be used in almost all areas of application in which millimeter and submillimeter wave radiation is emitted or detected. In addition, entirely new fields of application open up, for which in the following some examples are given:

Einige Laser und Rückwärtswellen-Röhren (Carcinotrons) arbeiten im Submillimeter­ wellen-Gebiet, sie sind jedoch voluminöse Strahlungsquellen mit hohem Leistungs­ verbrauch. Festkörper-Oszillatoren, wie zum Beispiel GUNN- oder IMPATT-Dioden, sind auf den Millimeterwellenbereich beschränkt.Some lasers and reverse wave tubes (carcinotrons) work in the submillimeter wave area, but they are voluminous sources of radiation with high power consumption. Solid-state oscillators, such as GUNN or IMPATT diodes, are limited to the millimeter wave range.

Josephson-Kontakte, die an den Außenwiderstand reflexionsfrei angepasst und zu einem Netzwerk zusammengefasst sind, können über eine Spannung gesteuert werden und einen breiten Frequenzbereich bis in das Terrahertz-Gebiet hinein überdecken.Josephson contacts that are adapted to the external resistance without reflection and too a network can be controlled by a voltage and a wide frequency range into the Terrahertz area cover up.

Quantendetektion elektromagnetischer Strahlung - ein umfangreich genutztes Konzept im sichtbaren und infraroten Spektralbereich - war bisher im Mikrowellen- und Millimeterwellen-Gebiet nur im schmalen Bereich des Spektrums möglich, der sich um die Resonanzfrequenz von MASER-Verstärkern gruppiert. Die Standardme­ thoden zum Nachweis in diesem Frequenzbereich nutzen nichtlineare elektrische Widerstände, wie zum Beispiel Schottky-Dioden als klassische Gleichrichter und Überlagerungsempfänger. Deren Arbeitsprinzip gründet sich auf die Umwandlung von empfangener Leistung zwischen verschiedenen Frequenzbereichen anstelle der Konversion von Photonen in elektrische Ladungsträger, dem Funktionsprinzip von Quantendetektoren.Quantum detection of electromagnetic radiation - a widely used one Concept in the visible and infrared spectral range - was previously in the microwave and millimeter wave range only possible in the narrow range of the spectrum is grouped around the resonance frequency of MASER amplifiers. The standard measure Methods for detection in this frequency range use nonlinear electrical Resistors, such as Schottky diodes as classic rectifiers and Overlay receiver. Their working principle is based on the transformation of received power between different frequency ranges instead of Conversion of photons into electrical charge carriers, the functional principle of Quantum detectors.

Die abrupte Nichtlinearität in der I-U-Kennlinie von SIS-Tunnelbarrieren für Einteilchentunneln stellt eine nutzbare Eigenschaft für resistives Mischen dar. Überlagerungsempfänger mit Josephson-Kontakten als solche Mischstufen weisen eine Empfindlichkeit auf, die sich dem Quantenlimit bei Frequenzen bis zu mehreren GHz nähert. Die Funktion eines Überlagerungsempfängers (Heterodyns) besteht darin, ein schwaches Nutzsignal der Frequenz νs mit der Frequenz eines Lokaloszil­ lators νLo zu mischen, wobei eine Zwischenfrequenz νif = |νs - νLo| entsteht und elektronisch weiterverarbeitet wird. Ein Photonenstrom mit einer Eintreffrate von einem Photon pro Nanosekunde ist ein typischer Wert der Nachweisempfindlichkeit eines solchen Empfängers. Solche Lichtleistungen sind typisch für die Radioastrono­ mie, die im Millimeter- und Submillimeterwellen-Gebiet interstellare Materie zur Erklärung der Struktur des Universums untersucht. Zwischen 100 und 1000 µm Wellenlänge treten zahlreiche Linien molekularer Rotations- und Vibrations-Spektren auf, die im Prinzip zur Aufklärung zahlreicher physikalischer Eigenschaften im Universum herangezogen werden können. Forschungen der 115 GHz-Rotations­ schwingung des interstellaren Kohlenmonoxids (CO) mit einem Empfänger für λ = 2,6 mm deutet auch auf das Leistungsvermögen solcher Mikrowellenspektrometer in anderen praktischen Anwendungen hin.The abrupt non-linearity in the IU characteristic of SIS tunnel barriers for single-particle tunnels represents a useful property for resistive mixing. Superimposed receivers with Josephson contacts as such mixing stages have a sensitivity that approaches the quantum limit at frequencies up to several GHz. The function of a heterodyne receiver is to mix a weak useful signal of the frequency ν s with the frequency of a local oscillator ν Lo , with an intermediate frequency ν if = | ν s - ν Lo | arises and is further processed electronically. A photon current with an arrival rate of one photon per nanosecond is a typical value of the detection sensitivity of such a receiver. Such light outputs are typical of radio astronomy, which examines interstellar matter in the millimeter and submillimeter wave range to explain the structure of the universe. Numerous lines of molecular rotation and vibration spectra occur between 100 and 1000 µm wavelength, which can in principle be used to elucidate numerous physical properties in the universe. Research into the 115 GHz rotational vibration of the interstellar carbon monoxide (CO) with a receiver for λ = 2.6 mm also indicates the performance of such microwave spectrometers in other practical applications.

Spektroskopie in seiner allgemeinen Bedeutung impliziert die Untersuchung von Absorption und Emission elektromagne­ tischer Strahlung von Stoffen, die von einer externen Quelle angeregt werden oder selbst emittieren. Das Tunneltron-Bauelement weist die besondere Eigenschaft auf, dass es als Anregungsquelle des zu spektroskopierenden Mediums und als Strahlungsempfänger der aus dem Medium heraustretenden Strahlung eingesetzt werden kann. Um ein Beispiel zu nennen: Das Tunneltron ermöglicht die Unter­ suchung organischer und anorganischer Verbindungen in Dämpfen, Flüssigkeiten und Festkörpern bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung und geometrischen und energetischen Struktur sowie auch von Wechselwirkungsprozessen; all dies ist möglich in Funktion verschiedener äußerer Parameter und im zeitaufgelösten Regime. Es gibt zahlreiche Fälle, wo spektroskopische Messungen von Interesse sind, z. B. beim Nachweis auch versteckter Stoffe organischer Moleküle und chemischer Verbindungen (biologische Substanzen, Drogen und Plastik-Stoffe, . . .) nach einer geeigneten Anregung im Submillimeterwellen-Gebiet, oder auch Geräte zur Qualitätskontrolle für spezifische Substanzen (z. B. Wassergehalt oder Verunreinigungen in festen Stoffen, Fettschichtdicken auf Fleischunterlagen, etc.). Spectroscopy in its general Significance implies the study of absorption and emission electromagnetic radiation from substances excited by an external source or emit itself. The Tunneltron component has the special property that it is used as a source of excitation for the medium to be spectroscoped and as Radiation receiver used for the radiation emerging from the medium can be. To give an example: The tunnel tron enables the sub search for organic and inorganic compounds in vapors, liquids and solids with regard to their chemical composition and geometric and energetic structure as well as interaction processes; all of this is possible in function of various external parameters and in time-resolved Regime. There are numerous cases where spectroscopic measurements are of interest are, e.g. B. in the detection of hidden substances of organic molecules and chemical compounds (biological substances, drugs and plastic substances,...) after a suitable excitation in the submillimeter wave area, or devices for quality control of specific substances (e.g. water content or Contamination in solid substances, fat layer thickness on meat underlays, etc.).  

Das Tunneltron als kohärente und durchstimmbare Strahlungsquelle weist Eigenschaften des Wellenfeldes auf, die z. B. bei der Interferometrie und Holographie zum Tragen kommen. Holographie ist im Prinzip eine Methode zur Erzeugung einer einzigartigen fotografischen Abbildung eines kohärent belichteten Objekts, bei der ein ungestörter (direkter) Strahl und der vom Objekt herrührende reflektierte Strahl in einem Nachweissystem zur Interferenz gebracht werden. Die Rekonstruktion dieses Interferenzbildes liefert ein dreidimensionales Bild des Objekts.The tunnel tron shows as a coherent and tunable radiation source Properties of the wave field on the z. B. in interferometry and holography come to fruition. In principle, holography is a method of generating a unique photographic illustration of a coherently exposed object in which an undisturbed (direct) beam and the reflected beam originating from the object are brought to interference in a detection system. The reconstruction this interference image provides a three-dimensional image of the object.

Die Möglichkeit der Frequenzdurchstimmung des kohärenten Tunneltrons, sowie auch die Möglichkeit der Ausbreitung durch Medien, die für das menschliche Auge undurchsichtig, für die Submillimeter-Strahlung des Tunneltrons jedoch transparent sind, eröffnet zahlreiche weitere Anwendungen.The possibility of frequency tuning of the coherent tunnel tron, as well also the possibility of spreading through media that is for the human eye opaque, but transparent to the submillimeter radiation of the tunnel tron opens up numerous other applications.

Kommunikation und Datenübermittlung ist ein weiteres Anwendungsgebiet des hier vorgeschlagenen Bauelements, wobei ein Frequenzband zugänglich wird, das weit oberhalb desjenigen liegt, das bisher von der ITU (Intern. Telecom. Union) verwaltet wird. Das neue Frequenzgebiet ermöglicht eine beträchtliche Erhöhung der Zahl nutzbarer Kanäle sowohl für Satelliten- als auch für erdgebundene Kommunikation. [Betrachtet man eine Kanalbreite von 20 MHz, dann liefert der Frequenzbereich bis 5 THz etwa 250000 Kanäle. Dies ist zu vergleichen mit den beispielsweise 40 Kanälen für die Satellitenkommunikation im Frequenzband von 11.7-12.5 GHz, das von der ITU für die Region 1, Afrika, Europa und die frühere Sowjetunion zusammen, zur Verfügung gestellt wurde.] Nimmt man eine 4 kHz-Kanalbreite für Sprachkommunikation an, würde man 2 Milliarden Sprachkanäle erzeugen, die auf einem solchen Träger transportiert werden könnten.Communication and data transmission is a further area of application of the component proposed here, a frequency band being accessible which is far above that which has been managed up to now by the ITU (Intern. Telecom. Union). The new frequency range enables a significant increase in the number of usable channels for both satellite and ground-based communication. [Looking at a channel width of 20 MHz, the frequency range up to 5 THz provides about 250,000 channels. This can be compared with the 40 channels for satellite communication in the frequency band from 11.7-12.5 GHz, which was provided by the ITU for Region 1 , Africa, Europe and the former Soviet Union.] If you take a 4 kHz- Channel width for voice communication, one would generate 2 billion voice channels that could be transported on such a carrier.

Übertragung auf hohem Qualitätsstandard erfordert digitale Systeme mit Impuls­ modulation (PCM - pulse code modulation), da Frequenzmodulation die Rausch­ leistung weit über das Maß von 3 pW/km (etwa 52 dB) treiben würde, das von der CCIR als obere Rauschgrenze empfohlen wurde. Transmission to a high quality standard requires digital systems with impulses modulation (PCM - pulse code modulation), since frequency modulation reduces the noise power would drive far beyond the level of 3 pW / km (about 52 dB) that of the CCIR was recommended as the upper noise limit.  

Digitale Systeme lassen eine Regeneration der Signale in Zwischenstationen zu, wodurch die Anhäufung von Fehlern vermieden wird.Digital systems allow signals to be regenerated in intermediate stations, thereby avoiding the accumulation of errors.

Es ist selbst denkbar, dass ein völlig neues drahtloses terrestrisches Mikrowellen­ kommunikations-Netzwerk, ein breitbandiger drahtloser Link zum Internet und ein breitbandiger Link zur Satellitenkommunikation mit allen genannten Vorteilen der hohen Zahl von Telefonie-Kanälen und dem zusätzlichen Nutzen einer reduzierten Strahlungsbelastung infolge der verringerten Absorptionstiefe der menschlichen Haut für Submillimeter-Strahlung geschaffen wird.It is even conceivable that a completely new wireless terrestrial microwave communication network, a broadband wireless link to the Internet and a Broadband link for satellite communication with all the advantages of high number of telephony channels and the added benefit of a reduced Radiation exposure due to the reduced absorption depth of the human Skin is created for submillimeter radiation.

Bildgebende Multifrequenz-Mikrowellen-Radiometer (MIMR) für die Erkundung des erdnahen Gebiets von Satelliten oder anderen Flugobjekten aus hat bereits ein hohes Nutzungspotential. Zukünftige Fernerkundungs-Satelliten werden hyperspek­ trale Gerätschaften mit sich führen, die zur bildgebenden Erkundung in einer großen Zahl von Frequenzkanälen geeignet sind, anstelle der sieben Kanäle, die gegen­ wärtig mit multispektralen Instrumenten zum Einsatz kommen.Imaging multifrequency microwave radiometer (MIMR) for exploring the near-Earth area from satellites or other flying objects already has one high potential for use. Future remote sensing satellites will be hyperspec carry central devices with them, which are used for large-scale imaging exploration Number of frequency channels are suitable, instead of the seven channels that go against to be used with multispectral instruments.

Bildgebende Rundum-Beobachtung aus nächster Nähe ist bedeutungsvoll für die Sicherheit und Manövrierbarkeit von Hubschraubern und den Landeanflug von Flugzeugen.Imaging all-round observation at close range is significant for the Safety and maneuverability of helicopters and the landing approach from Airplanes.

Ähnliches trifft auf den straßengebundenen Verkehr und selbst für Roboter- Anwendungen mit widrigen Umgebungsbedingungen zu. Das Grunderfordernis ist hierbei immerein leistungsfähiger, durchstimmbarer, möglichst monochromatischer und kohärenter Submillimeterwellen-Emitter (und entsprechender Detektor), so wie das mit dem Bauelement der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt wird.The same applies to road traffic and even for robotic Applications with adverse environmental conditions too. The basic requirement is always a powerful, tunable, as monochromatic as possible and coherent submillimeter wave emitter (and corresponding detector) such as that is provided with the device of the present invention.

Als 'on-chip'-integriertes bzw. separates Emitter- und Detektor-Bauelement ist es für Radarmessungen im allgemeinsten Sinn geeignet, d. h., für Ortungs-, Naviga­ tions- und Früherkennungssysteme. Dem wachsenden Bedarf von kompakten Radar-Baugruppen niedriger Leistung für zivile und militärische Nutzung kommt das erfindungsgemäße Bauelement entgegen. Alarmgebende oder auch Kollisionswarn- Systeme können verbessert werden. It is an 'on-chip' integrated or separate emitter and detector component suitable for radar measurements in the most general sense, d. that is, for location, Naviga tion and early detection systems. The growing need for compact This is where low-power radar assemblies for civil and military use come in Component according to the invention. Alarm or collision warning Systems can be improved.  

Das Tunneltron kann ein aktiver Sensor für SAR (synthetic aperture radar)- Anwendung sein. Ein SAR-System sendet Mikrowellenstrahlung auf das Objekt (die Erde, wenn Forschungssatelliten der Ausgangspunkt sind), und empfängt die zurückkommende Strahlung. Die Feinabstimmung des Emitters lässt eine Positionie­ rung der Frequenz innerhalb von Absorptionsband-Minima der Atmosphäre zu. Die Möglichkeit, die Richtung des Wellenfeldes des Tunneltrons elektronisch zu verändern, erweist sich als weiterer Vorteil zur Abrasterung des Beobachtungs­ gebietes.The tunnel tron can be an active sensor for SAR (synthetic aperture radar) - Application. A SAR system sends microwave radiation onto the object (the Earth, if research satellites are the starting point), and receives the returning radiation. Fine-tuning the emitter leaves a position frequency within absorption band minima of the atmosphere. The Possibility to electronically control the direction of the tunnel tron's wave field change, proves to be a further advantage for scanning the observation area.

Biologische und medizinische Anwendungen (Tomographie, bildgebende Thermogra­ phie usw.) sind in großer Zahl aus den Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauelements einfach zu schlussfolgern.Biological and medical applications (tomography, imaging thermography phie etc.) are in large numbers from the properties of the invention Component easy to conclude.

Claims (19)

1. Emitter- und/oder Detektorbauelement für Submillimeterwellen-Strahlung mit einer Vielzahl von Josephson-Kontakten, bestehend aus einem Substrat, elek­ trischen Zuführungen an Elektroden, die sich zu beiden Seiten des Bauelements auf einem Supraleiter befinden und mit einer äußeren Stromquelle verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement in einer dünnen, einkristallinen und a-Achsen-orientierten oder geneigten a-Achsen-orientierten Schicht eines Hochtemperatur-Supraleiters (HTS) durch Ausbildung von die Josephson-Kontakte enthaltenden Mikrobrücken (a) und isolierenden Gräben (b) so geschaffen ist, dass die Mikrobrücken (a) beidseitig von supraleitenden Kontakten (c, d) des die Schicht bildenden Hochtemperatur-Supraleiters ausgehen und durch entsprechende Führung der Gräben (b) in Reihen- und/oder Parallelschaltung kombiniert und einzeln oder in Gruppen extern steuerbar sind.1. Emitter and / or detector component for submillimeter-wave radiation with a multiplicity of Josephson contacts, consisting of a substrate, electrical leads on electrodes, which are located on both sides of the component on a superconductor and can be connected to an external power source, characterized in that the component in a thin, single-crystal and a-axis-oriented or inclined a-axis-oriented layer of a high-temperature superconductor (HTS) by forming micro bridges (a) and insulating trenches (b) containing the Josephson contacts is created in such a way that the micro bridges (a) on both sides start from superconducting contacts (c, d) of the high-temperature superconductor forming the layer and are combined by appropriate routing of the trenches (b) in series and / or parallel connection and individually or in groups externally are controllable. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte a-Achsen-orientierte HTS-Schicht epitaxial mit der c-Achse parallel zur Substratoberfläche gewachsen ist und die a- Achse mit einem Winkel von 1° bis 89° gegenüber der Normalenrichtung auf das Substrat geneigt ist.2. Component according to claim 1, characterized in that the inclined a-axis oriented HTS layer has grown epitaxially with the c-axis parallel to the substrate surface and the a- Axis at an angle of 1 ° to 89 ° with respect to the normal direction Substrate is inclined. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung von mindestens zwei bis einigen hundert Mikrobrücken in Parallelschaltung, mit jeweils zwei bis einigen hundert in Richtung der c-Achse gestapelten Josephson-Kontakten pro Mikrobrücke, wobei alle Mikrobrücken über gemeinsame supraleitende elektrische Kontakte verfügen.3. Component according to claim 1 or 2, characterized by an arrangement of at least two to a few hundred Micro bridges in parallel, each with two to a few hundred in the direction the c-axis stacked Josephson contacts per microbridge, all Micro bridges have common superconducting electrical contacts. 4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte eine Spannungsmessung für Detektorbetrieb erlauben. 4. The component according to claim 3, characterized in that the electrical contacts measure a voltage Allow for detector operation.   5. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Parallel-Baugruppen, die durch eine geeignete Grabenführung zur Bildung eines Segmentes führen, in Reihe geschaltet sind.5. The component according to claim 3, characterized in that several parallel assemblies, through a suitable trench routing lead to the formation of a segment, connected in series are. 6. Verwendung eines Bauelements nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche in einer verteilten Anordnung vollständiger Gruppen von Mikrobrüc­ ken entlang eines Mikrowellen-Streifenleiters zur Erzielung einer höheren abgestrahl­ ten Leistung.6. Use a device according to one or more of the preceding the claims in a distributed arrangement of complete groups of micro bridges along a microwave strip line to achieve a higher radiation performance. 7. Verwendung eines Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 für die Kommunikation und Datenübertragung.7. Use of a component according to one or more of the claims 1 to 5 for communication and data transmission. 8. Verwendung eines Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 in Radaranlagen.8. Use of a component according to one or more of the claims 1 to 5 in radar systems. 9. Verwendung eines Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 als Vielkanal-Emitter- und Detektor in satellitengestütztem SAR (Synthetic Aperture Radar).9. Use of a component according to one or more of the claims 1 to 5 as multi-channel emitter and detector in satellite-based SAR (Synthetic Aperture Radar). 10. Verwendung eines Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 in bildgebenden Mehrkanal-Mikrowellen-Radiometern.10. Use of a component according to one or more of the claims 1 to 5 in multi-channel microwave imaging radiometers. 11. Verwendung eines Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 in der Spektroskopie.11. Use of a component according to one or more of the claims 1 to 5 in spectroscopy. 12. Verwendung eines Bauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 als Lokaloszillator in Überlagerungsempfängern, beispielsweise für astronomische Anwendungen. 12. Use of a component according to one or more of the claims 1 to 5 as a local oscillator in heterodyne receivers, for example for astronomical applications.   13. Verfahren zur Herstellung eines Emitter- und/oder Detektorbauelements für Submillimeterwellen-Strahlung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Prozessschritte:
  • a) Epitaxiales Aufwachsen einer HTS-Schicht mit geneigter a-Achse, 100-500 nm dick, auf einem geeignet geschnittenen Substrat mit oder ohne eine oder mehrere Pufferschichten;
  • b) Lithographie zur Herstellung der Gräben;
  • c) Ionenätzen bis zur Substratoberfläche;
  • d) Entfernung des Photolacks von Schritt (b); und
  • e) Anbringen von Metallkontakten an die HTS-Elektroden.
13. A method for producing an emitter and / or detector component for submillimeter-wave radiation according to one or more of claims 1 to 5, characterized by the following process steps:
  • a) epitaxial growth of a HTS layer with an inclined a-axis, 100-500 nm thick, on a suitably cut substrate with or without one or more buffer layers;
  • b) lithography for the production of the trenches;
  • c) ion etching up to the substrate surface;
  • d) removing the photoresist from step (b); and
  • e) attaching metal contacts to the HTS electrodes.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Schicht durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder Atomlagenepitaxie (ALE) oder Feinfokus- Ionenstrahlepitaxie (FIBE) erzeugt wird.14. The method according to claim 13, characterized in that the high temperature superconductor (HTS) layer through Molecular beam epitaxy (MBE) or atomic position epitaxy (ALE) or fine focus Ion beam epitaxy (FIBE) is generated. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während der Molekularstrahlepitaxie spektroskopi­ sche Verfahren zur Beobachtung der Grenzfläche und zur Steuerung des Wachs­ tums der HTS-Schicht eingesetzt werden.15. The method according to claim 14, characterized in that during the molecular beam epitaxy spectroscopy cal methods for monitoring the interface and for controlling the wax of the HTS layer. 16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Schicht durch chemische Gasphasen- Abscheidung (CVD) hergestellt wird.16. The method according to claim 13, characterized in that the HTS layer is formed by chemical gas phase Deposition (CVD) is made. 17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Schicht durch Laserimpulsabscheidung (PLD) hergestellt wird und dass während der Laserimpulsabscheidung spektroskopische Verfahren zur Grenzflächenbeobachtung und Steuerung des Wachstumsvorganges eingesetzt werden. 17. The method according to claim 13, characterized in that the HTS layer by laser pulse deposition (PLD) is produced and that during the laser pulse deposition spectroscopic Interface monitoring and growth process control be used.   18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die HTS-Schicht durch Sputterabscheidung (SD) hergestellt wird und dass während der Sputterabscheidung spektroskopische Verfahren zur Grenzflächenbeobachtung und Steuerung des Wachstumsvorganges eingesetzt werden.18. The method according to claim 13, characterized in that the HTS layer by sputter deposition (SD) is produced and that during the sputter deposition spectroscopic Interface monitoring and growth process control be used. 19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente-Struktur unter Verwendung von Mikromasken erzeugt wird.19. The method according to one or more of claims 13 to 18, characterized in that the component structure using Micromasks is generated.
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