DE69602866T2

DE69602866T2 - Anordnung mit supraleitendem Übergang

Info

Publication number: DE69602866T2
Application number: DE69602866T
Authority: DE
Inventors: Hidetaka Higashino; Masahiro Sakai; Kentaro Setsune
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: JPH08264847A; EP0734080A1; JP3329127B2; EP0734080B1; US5869846A; DE69602866D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Supraleitungskontaktbauelement, das den Josephson- Effekt ausnutzt. Ein solches Element kann für Vorrichtungen wie zum Beispiel einen Empfangsoszillator, eine Vermittlung, einen Speicher, einen sehr schnellen Impulsoszillator und einen supraleitenden Mischer verwendet werden.
Ein Supraleitungskontaktbauelement wird in einem kondensierten Quantenzustand verwendet und ist somit kohärent an ein benachbartes externes elektromagnetisches Feld angekoppelt, wenn eine Kontaktspannung angelegt wird, damit es mit weniger Leistung bei hohen Geschwindigkeiten betrieben werden kann. Deshalb kann ein Supraleitungskontaktbauelement in verschiedenen Gebieten der Elektronik eingesetzt werden, und es wurden Untersuchungen für dessen Anwendung auf einen supraleitenden Computer oder einen supraleitenden Mischer angestellt. Insbesondere nachdem ein supraleitendes Hochtemperatur-Oxidmaterial mit einer kritischen Temperatur über flüssigem Stickstoff erfunden wurde, hat man den Supraleitungskontakt vom Standpunkt der Miniaturisierung eines Kühlelements oder Verminderung der Betriebskosten aus untersucht.
Oszillatoren, die das Supraleitungsphänomen ausnutzen (und im nachfolgenden Supraleitzungsoszillatoren genannt werden), werden durch ein Bauelement mit einem Josephson-Kontakt dargestellt, das ein verschichtetes Gefüge aus einem Supraleiter, einer Zwischenschicht und einem weiteren Supraleiter umfaßt. Die Zwischenschicht besteht aus einem Material wie zum Beispiel einem Isolator, einem Halbleiter, einem normalen Leiter oder einem supraleitenden Material. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Bauelements schwankt je nach der Art der Zwischenmaterialien. In einer supraleitenden Elektrode eines Josephson- Kontaktbauelements wird der Supraleitungsordnungsparameter, dessen Amplitude proportional zu der Quadratwurzel der Anzahl supraleitender Partikel ist, im wesentlichen sowohl in bezug auf seine Phase als auch seine Amplitude stabilisiert. Andererseits nimmt die Amplitude des Supraleitungsordnungsparameters in der Zwischenschicht ab. Deshalb wird, wenn eine Spannung V zwischen die Elektrode angelegt wird (Spannungsstufe), die Spannung V an die Zwischenschicht angelegt, in der Supraleitungsordnungsparameter der beiden supraleitenden Elektroden schwach miteinander verbunden sind. Die supraleitenden Partikel, die aus einer supraleitenden Elektrode mit höherer Energie durch die Zwischenschicht hindurch in die andere supraleitende Elektrode injiziert werden, geben eine Energiemenge als einen ev-Wert frei ("e" ist eine Elementarladung von 1,6021892 · 10&supmin;¹&sup9; C, und die Energie eV ist eine äußere Spannung, die beim Durchlaufen der Zwischenschicht gewonnen wird). Dieses Phänomen ist auf den Umstand zurückzuführen, daß die supraleitenden Partikel in dem kondensierten Zustand und dem Zustand der niedrigsten Energie bleiben. Die supraleitenden Partikel befinden sich in einem starken kohärenten Zustand und zeigen eine Wellenbewegungskennlinie. Deshalb werden die Partikel aufgrund des Tunnelphänomens zu der anderen supraleitenden Elektrode übertragen und koppeln sich dann direkt ohne Kollisionsrelaxation mit Quasipartikeln oder Phononen an ein externes elektromagnetisches Feld an und strahlen Photonenenergie aus. Anders ausgedrückt, strahlen sie direkt elektromagnetische Wellen aus. Wenn das Josephson-Kontaktbauelement mit externen elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird, dann wird die elektromagnetische Welle teilweise an der Tunnel- Zwischenschicht resonanzabsorbiert. Die absorbierbare Welle ist auf eine Frequenz von f = 2eV/h(Hz) Energie beschränkt, was gleich der Energiedifferenz eV ist, wobei h die Plancksche Konstante von 6,626176 · 10&supmin;³&sup4; J·s ist. Als Folge nimmt die Stromtunnelung durch das Josephson-Kontaktbauelement mit der Rate der absorbierten Photonenzahlen zu. Dieses Phänomen ist als der Wechselstrom-Josephson-Effekt wohlbekannt. Auf der Grundlage dieses Prinzips werden elektromagnetische Wellen mit genau definierter Oszillationsfrequenz verstrahlt, und eine Anschlußspannung eines Josephson- Kontaktbauelements, die mit Konstantstrom vorgespannt wird, ist in erster Linie bestimmt zur Verwendung als ein Bezugsspannungselement. Andererseits wird das Josephson-Kontaktbauelement mit einem Konstantspannungsvorstrom angewandt und als ein Oszillator verwendet. Im allgemeinen ist die Impedanz eines Josephson-Kontakts niedrig. Somit ist es für eine praktische Verwendung notwendig, durch Verbindung vieler Josephson-Kontaktbauelemente mit ähnlichen Kennlinien Seriell-Parallelanordnungen zusammenzustellen, um die Lastimpedanz zu koordinieren, den Oszillationseingang mit Energie zu versorgen und den Bezugsspannungspegel des Bezugsspannungselements zu erhöhen.
Fig. 21 ist eine in teilweisem Schnitt gezeigte perspektivische Ansicht einer Josephson- Kontaktanordnung, die für ein Bezugsspannungselement des Laufwellentyps verwendet wird ("Superconductor Electronics: Fundamentals and Microwave Applications", von J. H. Hinken, Übersetzung von Takuo Sugano, Springer Verlag, Tokyo 1992, Fig. 4-2, S. 85). Wie in Fig. 21 gezeigt, ist auf einem Substrat 111 eine Massefläche 112 ausgebildet, auf der als Teil der Übertragungsleitung eine Josephson-Kontaktanordnung ausgebildet ist. Die Josephson-Kontaktanordnung umfaßt ein Dielektrikum 113 (spezifische Dielektrizitätskonstante &epsi;r1 = 5,7, Dicke d&sub1; = 1 um), eine untere Elektrode 114, einen Tunneloxidfilm 115 aus einem Bleioxidfilm und eine obere Elektrode 116. Die Abmessung jedes Josephson-Kontakts ist vorbestimmt auf 27 um (Länge) · 70 um (Breite), und die Wiederholungslänge 1k auf alle 100 um bestimmt, um eine phasenungleiche Kopplung zwischen den Josephson- Kontakten zu vermeiden. Ein solches Element ist so aufgebaut, daß eine phasenungleiche Kopplung zwischen den Josephson-Kontakten vermieden wird, indem die Kennlinien standardisiert werden, so daß der Betrieb stabilisiert werden kann.
Außerdem kann ein Oszillator mit Josephson- Kontaktanordnung ausgeführt werden. Für einen solchen Oszillator wird die Kennlinie durch Synchronisierung der Phasen der elektrischen Wellen bestimmt, die durch jeden der in Reihe oder parallel geschalteten Josephson-Kontakte emittiert werden (vgl. "Superconducting Device", hrsg. von S. T. Ruggiero and D. A. Rudman, Academic Press, Inc., 1990, S. 146-165). In diesem Fall sollten die Kennlinien der Elemente ähnlich sein, um den Betrieb zu stabilisieren, damit die Phasendifferenz zwischen den in jedem der Kontaktelemente fließenden oszillierenden Josephson- Strömen des Grundwellentyps und dem induzierten Strom mit dem externen elektromagnetischen Feld fest ist. Als Folge wird zwischen den in den Josephson- Kontaktelementen fließenden Strömen eine Phasensynchronisierung erzielt. Anders ausgedrückt, sind die Josephson-Kontakte über die in den Kontakten fließenden Ströme oder über ein oszillierendes elektromagnetisches Feld der äußeren Teile schwach miteinander verbunden. Wenn das Element benutzt wird, sind die Oszillationsspannung und der Strom der Kontakte miteinander phasensynchronisiert. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Oszillationsenergie durch die Anzahl von Josephson-Kontakten hinzugefügt, so daß ein höherer Leistungspegel realisiert wird. Darüber hinaus kann die Impedanz zwischen den Anschlüssen der Anordnung größer sein, so daß die Anpassung an die Übertragungsleitungsimpedanz verbessert wird.
In den obigen Beispielen wird effektiv die Kennlinie eines einzelnen Josephson-Kontakts verwendet, während die nichtlineare Kennlinie nicht verändert wird.
Ein weiteres Supraleitungselement wird nachfolgend beschrieben. Ein nichtlineares Element von Fig. 22 wird in der veröffentlichten, nicht untersuchten japanischen (Kokai-) Patentanmeldung Nr. Hei 6-5937 angegeben. In Fig. 22 sind ein erster Josephson-Kontakt des Typs mit schwacher Verbindung und ein zweiter Josephson-Kontakt des Typs mit schwacher Verbindung auf einem Substrat 206 angeordnet, und die Kontakte sind durch eine Zwischenbrücke 203 verbunden. Der erste Josephson-Kontakt umfaßt eine erste supraleitende Elektrode 201, eine erste schwache Verbindung 204 und die Zwischenbrücke 203 (Supraleiter). Der zweite Josephson-Kontakt umfaßt eine zweite supraleitende Elektrode 202, eine zweite schwache Verbindung 205 und die Zwischenbrücke 203. Wenn sich der Supraleitungsordnungsparameter in der Zwischenbrücke 203 periodisch in dem Raum ändert, dann hat die kritische Stromdichte in der Zwischenbrücke 203 einen größeren Wert als der durch ihre eigene Materialkonstante bestimmte Wert. Als Folge nimmt die Spannung zwischen den supraleitenden Elektroden 201 und 202 ab. Anders ausgedrückt, erscheint in der Strom- Spannungs-Kennlinie ein Bereich mit negativem Widerstand. Das Material des Substrats 206 ist Strontiumtitanat. Die supraleitenden Dünnfilme der supraleitenden Elektroden 201 und 202 sind supraleitende Oxiddünnfilme auf YBCO-Basis mit einer Dicke von 50-150 nm und einer kritischen Temperatur von 90 Kelvin. Die schwachen Verbindungen (204, 205) sind supraleitende Oxiddünnfilme auf YBCO-Basis mit einer Dicke von 0,5-2 nm und einer kritischen Temperatur von 70 Kelvin. Die Zwischenbrücke 203 ist ein supraleitender Oxiddünnfilm auf YBCO-Basis mit einer Dicke von 5-100 nm und einer kritischen Temperatur von 80 Kelvin. Das Intervall zwischen der ersten und zweiten supraleitenden Elektrode beträgt 5 um. Da die Zwischenbrücke 203 ein Supraleiter ist, tritt aufgrund des Meissner-Effekts ein Abschirmeffekt auf. Somit ist die magnetische Flußkopplung oder elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten und zweiten schwachen Verbindung (204, 205) vernachlässigbar.
Eine sehr dünne (1-2 nm) und gleichförmige Isolations-Tunnelsperrschicht sollte ausgebildet werden, um die Umschalt-Kennlinie unter Verwendung eines einzigen Josephson-Kontaktbauelements zu erzielen. Dies ist jedoch sehr schwierig, und der Ertrag des Herstellungsprozesses ist niedrig. Zur Zeit eignet sich nur Niobium-Supraleitungsmaterial für diesen Zweck. Es ist schwierig, mit anderen Supraleitungsmaterialien wie zum Beispiel Oxid- Supraleitern (zum Beispiel YBCO-, Bioxid- (BSCCO-) oder Thallium-Basismaterial) eine Tunnelsperrschicht eines Isolators zu bilden. Wenn ein einziger Josephson- Kontakt aufgrund seiner Wechselstrom-Josephson-Effekte als ein Oszillator verwendet wird, dann wird die Oszillationsgrundfrequenz im wesentlichen auf 483597,9 · Vappl(GHz) bestimmt, wobei die angelegte Spannung des Josephson-Kontakts Vappl(V) ist. Aus diesem Grund wird der Josephson-Kontakt als ein Bezugsspannungselement verwendet. Die Oszillationsfrequenz ändert sich jedoch gemäß der Spannungsabweichung. Zur Lösung dieses Problems benötigt das Element eine Präzisions- Bezugsspannungsquelle zur Stabilisierung der Oszillationsfrequenz, obwohl dies für eine praktische Verwendung nicht vorzuziehen ist. Dasselbe Problem erscheint bei einer Josephson-Kontaktanordnung mit demselben kritischen Strom und normalem Widerstand.
Das Element mit nichtlinearer Kennlinie ist aus der veröffentlichten, nicht untersuchten japanischen (Kokai-) Patentanmeldung Nr. Hei 6-5937 bekannt. Die Kennlinie hängt von der Kontaktgrenzfläche zwischen dem Supraleiter und den schwachen Verbindungen ab. Obwohl die Erfinder das offenbarte Element unter Verwendung fortschrittlicher Kontaktbildungsfertigkeiten herstellten, wurde die in dem zitierten Dokument offenbarte Kennlinie nicht erreicht. Bei einer Untersuchung des Querschnitts des Elements unter einem Mikroskop zeigten sich Grenzflächenunregelmäßigkeiten der atomischen Ordnung. Dies könnte der Grund dafür sein, daß, wie die Erfinder erwähnten, der negative Widerstand nicht erreicht wurde. Gemäß der Ginzburg-Landau-Theorie bezüglich dieser Literaturstelle bestimmt die Verbindungsbedingung des Ordnungsparameters zwischen dem Supraleiter und den schwachen Verbindungen an der Grenzfläche die Form des Supraleitungsordnungsparameters in dem Supraleiter (einschließlich der Zwischenschicht). Wenn die Grenzfläche nicht sehr gut ausgebildet ist, dann nimmt der Ordnungsparameter an der Grenzfläche ab. Somit wird als ein stabiler Zustand in einem niedrigeren Energieniveau eine monotone Dämpfungslösung (oder monoton steigende Lösung) realisiert und steht im Gegensatz zu einer weiteren Lösung, die sich periodisch in einem Raum eines höheren Energieniveaus ändert. Als Folge wird die nichtlineare Kennlinie dieser Literaturstelle nicht beobachtet, wenn eine solche Grenzflächenverschlechterung besteht. In einem solchen Fall werden die Kennlinien der beiden unabhängigen Josephson-Kontakte volumenmäßig addiert. Gemäß der Literaturstelle sollte die Kontaktgrenzflächengenauigkeit streng kontrolliert werden, und ist die Herstellung äußerst schwierig.
Der Wechselstrom-Josephson-Effekt eines einzigen Josephson-Kontakts wird verwendet, wenn ein Oszillator mit einem supraleitenden Element hergestellt wird. In einem solchen Fall ändert sich die Oszillations-Momentanfrequenz proportional zu der Spannung. Somit bewirken die Spannungsänderungen und das Spannungsrauschen die Schwankung der Oszillationsfrequenz und die Änderung der Oszillations- Ausgangsleitung. Deshalb wird eine Ansteuerung mit ultra-niedriger Impedanz unter Verwendung einer Präzisions-Bezugsspannungsquelle benötigt, um einen Oszillator mit stabiler Frequenz zu konstruieren, wobei ein herkömmlicher Josephson-Kontakt oder eine herkömmliche Josephson-Kontaktanordnung verwendet wird. In der Praxis ist dies schwierig oder kostspielig. Außerdem wird die Ausgangsschwingung durch Ausstrahlen in den freien Raum emittiert und das Verfahren dadurch unzweckmäßig. Um einen Oszillator zusammenzustellen, der die Ansteuerung eines Lastkreises ermöglicht, wird die Schaltung so aufgebaut, daß die Vorspannung durch eine Lastimpedanz hindurch angelegt wird usw. Es zeigen sich jedoch weitere Probleme bei dem Verfahren: Zum Beispiel wird die Josephson-Schwingung zu einer nichtlinearen Schwingung mit einer zu der durch eine Lastimpedanz hindurch an den Kontaktanschluß angelegten Momentanspannung proportionalen Momentanfrequenz, wodurch die spektrale Frequenzreinheit der Schwingung vermindert wird. Als Folge wird die Oszillationsausgangsleistung vermindert, wenn sie durch ein Bandpaßfilter mit hoher Güte Q geleitet wird, um die spektrale Frequenzreinheit zu erhöhen.
Außerdem wird der Amplitude des mit einem Oszillationsschwingkreis hoher Güte Q gekoppelten oszillierenden Stroms aufgrund der nichtlinearen Schwingung nur eine Änderung in einem schmalen Bereich ermöglicht. Der Bereich hängt von der Leerlaufimpedanz der Vorstromschaltung und des Kontakts ab, so daß die Oszillationsausgangsleistung sogar nur 10&supmin;&sup7; W oder weniger beträgt (vgl. "Physics and Applications of the Josephson Effect" von A. Barone und G. Paternò, Übersetzung von Takuo Sugano, Hiroshi Ohta und Tsutomu Yamashita, veröffentlicht von Kindaikagakusha Shuppan, 1988, S. 289). Außerdem beträgt die Impedanz des Josephson-Kontakts nur einige wenige Q oder weniger, so daß die Impedanz nicht an die des freien Raums Eins oder an die der Übertragungsschaltung Eins angepaßt werden kann. Im Fall einer räumlichen Ausstrahlung beträgt der erreichbare Ausgangspegel maximal nur 10&supmin;³- bis 10&supmin;&sup4;-mal die Oszillationsamplitude.
Wenn die Josephson-Kontakte in einer Anordnung ausgebildet werden, zeigen sich Probleme in bezug auf die Frequenzschwankung wie im Fall eines einzelnen Josephson-Kontakts, was aus dem Wirkungsprinzip offensichtlich ist. Es ist erforderlich, Dutzende oder Hunderte von Josephson-Kontaktbauelementen mit denselben Kennlinien herzustellen und diese zu verbinden, um die Impedanz zwecks Verbesserung der Ausgangsankopplung anzupassen. Als Folge wird der supraleitende Oszillator größer (mit größerem Flächeninhalt), und der Ertrag der Herstellung verschlechtert sich.
Zusätzlich muß ein Element die Kennlinie mit negativem Widerstand bei der Betriebsfrequenz aufweisen, wenn ein Oszillator durch Verwendung des herkömmlichen Elements mit der Kennlinie mit negativem Widerstand zusammengestellt wird. Die Literatur elektrischer Schaltkreise lehrt im allgemeinen, daß diese Bedingung eine unabdingbare Voraussetzung ist.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Supraleitungskontakt mit Josephson-Effekten bereitzustellen, um diese Probleme der herkömmlichen Verfahren zu lösen. Ein solches Element ist leicht herzustellen und ist multifunktional.
Die vorliegende Erfindung zielt außerdem darauf ab, einen supraleitenden Oszillator bereitzustellen, der sowohl Resonanzschwingkreisphänomene als auch nichtlineare Josephson-Schwingungsphänomene realisiert.
Um diese Vorteile zu erzielen, weist ein Supraleitungskontaktbauelement der vorliegenden Erfindung mehrere Josephson-Kontakte auf, die durch Verbinden von Elektroden in Reihe geschaltet sind und verschiedene kritische Stromwerte aufweisen. Der dichteste Abstand zwischen den Kontakten beträgt nicht mehr als 10 um, und zwischen den Kontakten wird ein Koppelteil eines Dielektrikums bereitgestellt.
Vorzugsweise werden weiterhin eine Vorstromschaltung und ein Resonanzschaltkreiselement bereitgestellt. Die Vorstromschaltung liefert den Betriebsstrom, und das Resonanzschaltkreiselement ist zwischen den Elektroden des Josephson-Kontakts mit minimalem kritischem Stromwert angeschlossen. Außerdem wird weiterhin vorzugsweise mindestens einem der Elemente, das aus der Gruppe bestehend aus einer Elektrode und einem Resonanzschaltkreiselement des Josephson-Kontakts mit minimalen kritischen Stromwerten ausgewählt wird, ein Bandpaßfilter bereitgestellt, das kapazitiv oder elektromagnetisch angeschlossen ist.
Vorzugsweise werden die Josephson-Kontakte in Reihe geschaltet. Gemäß dieser Zusammenstellung sind die Phasenbeziehungen zwischen einem in einem Josephson-Kontakt fließenden Josephson-Strom und einem anderen Strom voneinander verschieden. Der andere Strom wird durch eine magnetische Flußkopplung über einen Koppelteil oder eine elektromagnetische Kopplung aus einem anderen Josephson-Kontakt zu dem ersten Josephson-Kontakt induziert. Das Medium der elektromagnetischen Kopplung ist ein magnetischer Fluß oder eine elektromagnetische Welle, die aus dem anderen Josephson-Kontakt ausgestrahlt wird.
Vorzugsweise werden die Josephson-Ströme der Josephson-Kontakte gegenphasig gekoppelt und in Reihe geschaltet, indem zwei schichtartige Josephson-Kontakte über einen Koppelteil hinweg nebeneinander angeordnet werden. Jeder der schichtartigen Josephson-Kontakte wird durch Verschichten einer unteren Elektrode, einer Sperrschicht mit einem dielektrischen oder induktiven Material und einer oberen Elektrode ausgebildet. Außerdem wird in diesem Fall vorzugsweise um die beiden Josephson-Kontakte (einschließlich des Koppelteils) herum eine reflektierende Wand mit einem Supraleiter oder einem Josephson-Kontakt bereitgestellt.
Vorzugsweise werden die Josephson-Ströme der beiden Josephson-Kontakte jeweils gegenphasig gekoppelt und in Reihe geschaltet. Zu diesem Zweck werden die beiden supraleitenden Elektroden, die sich auf derselben Seite über den Koppelteil hinweg befinden, gekoppelt. Außerdem wird in diesem Fall vorzugsweise über ein Dielektrikum hinweg um die beiden Josephson- Kontakte (einschließlich des Koppelteils) herum ein supraleitender Abschirmfilm bereitgestellt.
Vorzugsweise werden die Josephson-Ströme der beiden Josephson-Kontakte jeweils gegenphasig gekoppelt und in Reihe geschaltet. Zu diesem Zweck werden nebeneinander auf einem Substrat über einen Koppelteil hinweg zwei schwach verbundene Josephson-Kontakte ausgebildet, und die beiden supraleitenden Elektroden, die sich auf derselben Seite über den Kontaktteil der Josephson-Kontakte hinweg befinden, werden verbunden. Außerdem wird in diesem Fall vorzugsweise über ein Dielektrikum hinweg mindestens einem Element der Gruppe bestehend aus einer Unterseite, einer Oberseite und einer Seite der beiden schwach verbundenen Josephson- Kontakte (einschließlich des Koppelteils) eine reflektierende Wand mit einem Supraleiter bereitgestellt.
Vorzugsweise wird mindestens ein Element der Gruppe umfassend externer Kondensator und externer Widerstand elektrisch parallel zu mindestens einem der Josephson-Kontakte geschaltet.
Vorzugsweise ist das Material mindestens einer der supraleitenden Elektroden, aus denen die Josephson- Kontakte zusammengesetzt sind, ein Oxid-Supraleiter.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden über einen Koppelteil aus einem Dielektrikum hinweg mehrere Josephson-Kontakte mit verschiedenen kritischen Stromwerten so angeordnet, daß der dichteste Abstand zwischen den Kontakten höchstens 10 um beträgt. Somit zeigt sich in der Kontaktspannung eines Josephson- Kontakts mit einem kleineren kritischen Stromwert eine starke nichtlineare Kennlinie, wenn die anderen Josephson-Kontakte mit einem größeren kritischen Stromwert von dem Null-Spannungszustand zu dem Spannungszustand um den Vorstrom herum wandern.
Bei der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise außerdem eine Vorstromschaltung und ein Resonanzkreiselement bereitgestellt. Die Vorstromschaltung liefert Betriebsstrom, und der Resonanzschaltkreis ist zwischen die End-Elektroden des Josephson-Kontakts mit minimalem kritischem Strom angeschlossen. Gemäß dieser Ausführungsform werden die folgenden Vorteile erwartet. Wenn ein Resonanzkreiselement in Reihe und/oder parallel zwischen die Elektroden des (nachfolgend als Minimalkontakt bezeichneten) Josephson-Kontakts mit einem minimalen kritischen Stromwert geschaltet wird, dann wird durch das Resonanzkreiselement, die Kapazität des Minimalkontakts und einen normalen Widerstand usw. ein Resonanzschaltkreis zusammengestellt. Wenn durch die Vorstromschaltung ein Betriebsstrom zugeführt wird, dann oszilliert der Minimalkontakt auf der Grundlage der Rückkopplungs-Josephson-Effekte (mit im Fall einer gegenphasigen Kopplung positiver Rückkopplung) und der Spannung der Resonanzfrequenzkomponente, die gemäß dem Gütewert Q verstärkt wird, und erscheint auf dem Resonanzschaltkreis. Dementsprechend tritt die Oszillationsspannung in der Kapazität des Minimalkontakts auf, die den Resonanzschaltkreis zusammenstellt, nämlich zwischen den Elektroden der Minimalkontakte, so daß der Josephson-Strom des Minimalkontakts mit der Resonanzfrequenz moduliert wird. Der modulierte Josephson-Strom des Minimalkontakts wird an den anderen Josephson-Kontakt mit einem größeren kritischen Stromwert und wiederum an den Minimalkontakt angekoppelt.
Nach der Wiederholung solcher Ankopplungen wird die Spannung zwischen den Elektroden des Minimalkontakts ohne inneren Widerspruch bestimmt. Als Folge kann ein Oszillationsausgangssignal mit besonders guter spektraler Frequenzreinheit aus dem Resonanzschaltkreis oder dem Anschluß des Minimalkontakts abgeleitet werden. Außerdem wird vorzugsweise mindestens einem ausgewählten Element aus der Gruppe umfassend Elektroden und Resonanzkreiselemente von Josephson- Kontakten mit den minimalen kritischen Stromwerten ein Bandpaßfilter bereitgestellt, das kapazitiv oder elektromagnetisch gekoppelt ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann einem Lastkreis leicht ein Oszillationsausgangssignal mit besonders guter spektraler Frequenzreinheit zugeführt werden.
In einem weiteren Fall wird ein Resonanzkreiselement parallel und/oder in Reihe mit einem einzelnen Josephson-Kontakt oder zwischen den beiden Endelektroden der Josephson-Kontaktanordnung geschaltet. In diesem Fall kann die Schwingung nicht mit einer einzigen Frequenz gewonnen werden. Dies ist folgendermaßen zu erklären. Die Josephson-Schwingung wird durch das Phänomen der nichtlinearen Oszillation verursacht. Das Phänomen der nichtlinearen Oszillation bedeutet, daß der Sinuswert der Phasendifferenz des Supraleitungsordnungsparameters als ein Josephson- Kontaktstrom fließt. Und der Supraleitungsordnungsparameter oszilliert mit einer Momentanfrequenz, die proportional zu den Spannungen zwischen Anschlüssen der Josephson-Kontakte ist. Dieses Phänomen der nichtlinearen Oszillation ist ein wesentliches Phänomen, das auftritt, wenn der Resonanzschaltkreis und die Josephson-Schwingung des Kontakts nicht getrennt werden können, da der Freiheitsgrad Eins ist (z. B. die Phasendifferenz des Ordnungsparameters zwischen den Elektroden oder die Kontakt-Anschlußspannung).
Gemäß dem Oszillator der vorliegenden Erfindung beträgt der Freiheitsgrad der Oszillation mindestens Zwei (z. B. die Anschlußspannung der zweiten Kontakte und die Anschlußspannung des ersten Kontakts des supraleitenden nichtlinearen Elements). Somit ist es möglich, die Anschlußspannung des zweiten Kontakts, die aus dem Resonanzschaltkreis erzeugt wird, und einen weiteren Strom, der in dem zweiten Kontakt fließt, voneinander zu trennen. Die Oszillationsfrequenz kann mit der Resonanzfrequenz des Resonators verriegelt werden. Ein solches Phänomen wird beobachtet, weil der erste Kontakt über die Kopplung mit starken Phasen, die voneinander verschieden sind, die nichtlineare Frequenzkomponente absorbiert und vervollständigt. Die nichtlineare Frequenzkomponente wird durch den zweiten Kontakt aufgrund der Josephson-Schwingung erzeugt, und die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises ist nicht in der Komponente enthalten. Ein solcher Oszillationsbetrieb kann bei beliebigen Vorstromwerten beobachtet werden. Insbesondere wenn sich der Supraleitungskontakt in einem Vorstromzustand befindet, der der konkurrierende Oszillationszustand werden soll, wird die Oszillationsstromamplitude vergrößert, und es kann ein Oszillationsausgangssignal gewonnen werden, das eine große Amplitude aufweist.
Vorzugsweise werden beide Josephson-Kontakte in Reihe geschaltet, damit der in einem Josephson-Kontakt fließende Josephson-Strom und ein weiterer Strom verschiedene Phasen aufweisen. Der erste Strom wird durch magnetische Flußkopplung über einen Koppelteil oder elektromagnetische Kopplung mittels einer aus dem zweiten Josephson-Kontakt verstrahlten elektromagnetischen Welle durch den zweiten Josephson- Kontakt in dem ersten Kontakt induziert. Gemäß dieser Ausführungsform werden die folgenden Vorteile erzielt. Die in jedem Josephson-Kontakt fließenden Ströme werden durch andere Josephson-Kontaktströme gegenphasig moduliert. Hier weist der erste Josephson-Kontakt den größeren kritischen Stromwert (Ic1) auf, während der zweite Josephson-Kontakt einen kleineren Wert (Ic2) aufweist. Der an das Supraleitungskontaktbauelement angelegte Strom ist I, und die Spannung zwischen den Anschlüssen ist V. Wenn I < Ic2 (Ic2 < Ic1) gilt, dann liegen die in dem ersten und zweiten Josephson-Kontakt fließenden Ströme unter dem kritischen Stromwert. Deshalb wird ein Null-Spannungszustand beibehalten und V = 0. Wenn Ic2 < I < Icp1 (< Ic1) gilt, dann fließt der Strom unter dem kritischen Stromwert nur in dem ersten Josephson-Kontakt, und der Null-Spannungszustand wird beibehalten. Deshalb fließt der Oszillationsstrom, der den gegenphasig gekoppelten Strom des zweiten Josephson-Kontakts widerspiegelt, in dem Strom des ersten Josephson-Kontakts. Der Oszillationsstrom, der in dem ersten Josephson-Kontakt fließt, wird gegenphasig an den Strom des zweiten Josephson-Kontakts angekoppelt. Als Folge wird der Strom des ersten Josephson-Kontakts teilweise in derselben Phase addiert (positiv rückgekoppelt), und es fließt ein, verglichen mit einem Fall ohne Kopplung größerer Oszillationsstrom in den Strom des zweiten Josephson-Kontakts. Somit ist die in dem zweiten Kontakt erzeugte Spannung stärker. Dementsprechend ist die Strom-Spannungs-Kennlinie des zweiten Josephson-Kontakts in der Richtung der Spannungsachse größer als in einem Fall ohne Kopplung. Wenn Icp1 < I gilt, dann übersteigt der in dem ersten Josephson-Kontakt fließende Stromwert Icp1, und die Phasendifferenz der Josephson-Kontakte bewirkt einen Phasenschlupf. Somit wird der Zustand in den Spannungszustand verwandelt, und der Josephson- Oszillationsstrom fließt hauptsächlich in dem Strom des ersten Josephson-Kontakts. Dieser wird gegenphasig an den zweiten Josephson-Oszillationsstrom angekoppelt, und es wird eine Zufalls-Schwebungsschwingung in dem zweiten Strom erzeugt. Aufgrund der nichtlinearen Kennlinie der Josephson-Schwingung wird eine Anschlußspannung erzeugt. Das Frequenzspektrum der Anschlußspannung breitet sich aus. Die Anschlußspannung wird durch die zeitlich konstante Schaltung gefiltert, die die Kapazität des Kontakts und den normalen Leitwert umfaßt. In diesem Fall wird der positive Rückkopplungseffekt des Stroms des zweiten Josephson- Kontakts über den ersten Strom aufgrund der nichtlinearen Zufalls-Schwebungsschwingung gesteuert. Somit wird die Spannung des zweiten Josephson-Kontakts verglichen mit dem Fall Icp2 < I < Icp1 kleiner. Die Kennlinienschwankung der Spannung des zweiten Josephson-Kontakts ist bemerkenswert, während Icp1 und I fast gleich sind. Deshalb wird der zweite Josephson- Kontakt um diesen Strom herum schnell verkleinert, und es wird in der Strom-Spannungs-Kennlinie ein Bereich mit negativem Widerstand erzeugt, wenn der erste Josephson-Kontakt von dem Null-Spannungszustand in den Spannungszustand überführt wird. Wenn ein solcher negativer Widerstand an den externen Resonator angekoppelt und verwendet wird, dann wird ein Oszillator mit einem stabilen und zweckmäßigen Mikrowellenband realisiert. Das Mikrowellenband ist von der Anlegungsspannung des Kontakts unabhängig.
Vorzugsweise werden zwei Paare schichtartiger Josephson-Kontakte nebeneinander über einen Koppelteil hinweg angeordnet, so daß die Josephson-Ströme der Josephson-Kontakte jeweils gegenphasig gekoppelt und in Reihe geschaltet sind. Der Josephson-Kontakt wird gebildet durch Verschichten einer unteren Elektrode, einer Sperrschicht aus einem Dielektrikum oder einem induktiven Material und einer oberen Elektrode. Gemäß dieser Ausführungsform kann der dreischichtige verschichtete Film mit einer unteren Elektrode, einer Sperrschicht und einer oberen Elektrode durch einen Photoprozeß so geätzt werden, daß die erste und zweite Sperrschicht abgeschnitten werden. Als Folge wird der Koppelteil gebildet. Deshalb kann ein Element mit nichtlinearer Kennlinie realisiert werden, wenn der Aufbau des Elements bestimmt wird durch Einsatz des Leckstroms für den normalen Leitwert. Auch wenn der Herstellungsprozeß ermöglicht, daß etwas Leckstrom an dem Kontakt verbleibt, geht der Vorteil nicht verloren. Außerdem wird die Schwingung leichter, da die Höhen der Kontakte gleichmäßig werden und die Kopplung zwischen den Kontakten stärker wird. Vorzugsweise wird um die beiden Josephson-Kontakte (einschließlich einem Koppelteil) herum eine reflektierende Wand aus einem Supraleiter oder einem Josephson-Kontakt bereitgestellt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die gegenphasige Kopplung stärker, und die nichtlineare Kennlinie wird auch dann sogar noch größer, wenn das Lückenintervall dasselbe ist. Deshalb wird ein Oszillationsausgangssignal mit größerer Amplitude realisiert, weil die reflektierende Wand mit Supraleitfähigkeit einen abschirmenden Effekt hat. Deshalb unterstützt die Wand einen supraleitenden Stromfluß in jeder Sperrschicht dabei, sich mit dem magnetischen Fluß zu einem benachbarten Kontakt zu koppeln. Die Wand unterstützt außerdem die Reflexion einer elektromagnetischen Welle durch eine reflektierende Wand, um zur Kopplung in einen weiteren Kontakt einzutreten. Die elektromagnetische Welle wird durch eine Josephson-Schwingung verursacht, die aus den Sperrschichten der Kontakte verstrahlt wird. Insbesondere wenn die reflektierende Wand die Josephson-Kontakte umfaßt, kann die Wand ausgebildet werden, wenn der Koppelteil während des Ätzprozesses des dreischichtigen verschichteten Films aus der unteren und oberen Elektrode und auch der Sperrschicht auf dem ersten und zweiten Kontakt ausgebildet wird. Das Ätzen wird untere Verwendung eines Fotoprozesses durchgeführt.
Außerdem werden vorzugsweise zwei supraleitende Elektroden auf derselben Seite über einen Kontaktteil der beiden Josephson-Kontakte hinweg verbunden, damit die Josephson-Ströme der Josephson-Kontakte gegenphasig gekoppelt und in Reihe geschaltet sind. Gemäß dieser Ausführungsform kann ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines schwachen Plangefüge- Verbindungselements verwendet werden. Es wird hauptsächlich ein Fotoprozeß angewandt. Außerdem wird in diesem Fall über das Dielektrikum hinweg um die beiden Josephson-Kontakte (einschließlich des Koppelteils) herum ein Abschirmfilm aus einem Supraleiter bereitgestellt. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird die gegenphasige Kopplung zwischen den Kontakten stärker, und die nichtlineare Kennlinie wird ebenfalls größer.
Vorzugsweise werden über einen Koppelteil hinweg zwei schwach verbundene Josephson-Kontakte ausgebildet, und dann auf derselben Seite über den Koppelteil hinweg zwei supraleitende Elektroden verbunden; dann werden die Josephson-Ströme der Josephson-Kontakte gegenphasig gekoppelt und in Reihe geschaltet. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Herstellung einfacher, da das Gefüge planar ist. In diesem Fall wird vorzugsweise mindestens einem Element der Gruppe bestehend aus der Unterseite, der Oberseite und der Seite der beiden schwach verbundenen Josephson- Kontakte (einschließlich eines Koppelteils) eine reflektierende Wand aus einem Supraleiter über das Dielektrikum hinweg bereitgestellt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Kopplung zwischen den Kontakten stärker, und das Oszillationsausgangssignal und der Abschirmeffekt werden verbessert.
Vorzugsweise wird mindestens ein Element der Gruppe umfassend externer Kondensator und externer Widerstand elektrisch parallel zu mindestens einem Josephson-Kontakt geschaltet. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Zeitkonstante der Filterschaltung des Josephson-Kontaktstroms variabel, so daß die Strom-Spannungs-Kennlinie des Elements feineingestellt werden kann.
Vorzugsweise ist das Material mindestens einer der supraleitenden Elektroden, aus denen die Josephson- Kontakte zusammengesetzt sind, ein Oxid-Supraleiter. Gemäß dieser Ausführungsform können eine hohe kritische Temperatur und ein großes Produkt IcRn verwendet werden, wobei Rn der normale Widerstand des Kontakts ist. Als Folge kann der Betrieb bei einer Temperatur erfolgen, die kleiner oder gleich der Temperatur von flüssigem Stickstoff ist (77,3 Kelvin), und es wird ein Oszillator mit großem Ausgangssignal und einer hohen Frequenzreinheit realisiert.
Obwohl der Oszillator der vorliegenden Erfindung einem herkömmlichen Oszillator mit einem Element mit negativem Widerstand ähnlich zu sein scheint, sind die Funktionsprinzipien wesentlich verschieden. Der herkömmliche Oszillator mit einem Element mit negativem Widerstand wird so aufgebaut, daß er den Leitwert des Resonanzkreises einschließlich des Lastkreises mit einem negativen Widerstandswert des Elements ausgleicht. Somit bewahrt der Resonanzschaltkreis seine Schwingung als ein reiner Reaktanzkreis. Dagegen ist der Oszillator der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage des folgenden Prinzips aufgebaut: Der Freiheitsgrad des Oszillators wird als Zwei oder mehr eingerichtet, indem mehrere nichtlineare Josephson-Oszillatoren stark gekoppelt werden und eingerichtet wird, daß sie einander beeinflussen, und die Spannung zwischen den Anschlüssen und der Josephson-Oszillationsstrom des Kontakts mit einem minimalen kritischen Stromwert getrennt werden, so daß ein Oszillator mit einer großen Amplitude und einer reinen Frequenz bereitgestellt wird. Insbesondere in dem konkurrierenden Oszillationszustand zwischen den stark verbundenen Kontakten fließen Josephson-Ströme mit dynamischer und großer nichtlinearer Amplitude. Deshalb ist der Schwingungsbetrieb mit großer Amplitude verfügbar. Während ein herkömmlicher Oszillator mit einem Element mit negativem Widerstand nur in einem Bereich mit negativem Widerstand funktionieren kann, oszilliert der Supraleitungsoszillator der vorliegenden Erfindung auch außerhalb des Bereichs mit falschem negativem Widerstand. Deshalb sind die Funktionsweise und das Prinzip der vorliegenden Erfindung völlig verschieden von denen des herkömmlichen Verfahrens.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des Supraleitungskontaktbauelements nach Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist ein Graph, der ein Beispiel der Strom-Spannungs-Kennlinie des zweiten Kontakts in einer Ausführungsform des Supraleitungskontaktbauelements der vorliegenden Erfindung anzeigt.
Fig. 3 ist eine Diagrammansicht einer Ersatzschaltung mit dem Kontaktmodell mit Ohmscher Abzweigung (RSJ-Modell, RSJ = resistively shunted junction), mit dem die Funktionsweise einer Ausführungsform des Supraleitungskontakts der vorliegenden Erfindung erläutert wird.
Fig. 4 ist ein Graph der nichtlinearen Kennlinienabhängigkeit von dem Lückenintervall zwischen den Kontakten bei einer Ausführungsform des Supraleitungskontakts der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist ein Graph, der ein Beispiel der Strom-Spannungs-Kennlinie anzeigt, wenn an den zweiten Kontakt bei einer Ausführungsform des Supraleitungskontakts der vorliegenden Erfindung Steuerstrom angelegt wird.
Fig. 6 ist eine Draufsicht des Supraleitungskontakts von Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I von Fig. 6.
Fig. 8 ist eine Draufsicht des Supraleitungskontakts von Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von Fig. 8.
Fig. 10 ist eine Draufsicht des Supraleitungskontakts von Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von Fig. 10.
Fig. 12 ist eine Draufsicht des Supraleitungskontakts von Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung im Querschnitt (um die Querschnittsansicht entlang der Linie V-V von Fig. 13 zu zeigen).
Fig. 13 ist eine vordere Draufsicht des Supraleitungskontakts von Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung in Querschnitt (um die Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 12 zu zeigen).
Fig. 14 ist ein Schaltbild eines Supraleitungsoszillators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 ist ein Schaltbild eines weiteren Supraleitungsoszillators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 16 ist ein Schaltbild eines weiteren Supraleitungsoszillators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht eines Supraleitungsoszillators gemäß Beispiel 6 der vorliegenden Erfindung.
Fig. 18A ist eine Draufsicht eines Supraleitungsoszillators gemäß Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung, und Fig. 18B ist die Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI von Fig. 18A.
Fig. 19A ist eine Draufsicht (die Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII von Fig. 19B) eines Supraleitungsoszillators gemäß Beispiel 9 der vorliegenden Erfindung, und Fig. 19B ist die Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII von Fig. 19A.
Fig. 20 ist eine Diagrammansicht einer Ersatzschaltung mit dem RSJ-Modell, mit der die Funktionsweise des Supraleitungskontakts gemäß Beispiel 10 der vorliegenden Erfindung erläutert wird.
Fig. 21 ist eine teilweise im Schnitt gezeigte perspektivische Ansicht eines Bezugsspannungselements als ein Beispiel eines herkömmlichen Elements mit nichtlinearer Kennlinie.
Fig. 22 ist eine Querschnittsansicht zur Darstellung des Aufbaus eines herkömmlichen Elements mit nichtlinearer Kennlinie.
Die vorliegende Erfindung wird nun ausführlich anhand der folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Supraleitungskontaktbauelements von Beispiel 1. Ein erster Kontakt (Josephson-Kontakt) 5a und ein zweiter Kontakt (Josephson-Kontakt) 5b sind auf einem Substrat 4 über einen Koppelteil 7 hinweg angeordnet. Der erste Kontakt umfaßt eine erste obere Elektrode 1a, eine erste Sperrschicht 2a und eine erste untere Elektrode 3a. Der zweite Kontakt umfaßt eine zweite obere Elektrode 1b, eine zweite Sperrschicht 2b und eine zweite untere Elektrode 3b. Die erste untere Elektrode 3a und die zweite untere Elektrode 3b sind über eine Verbindungselektrode 6 in Reihe geschaltet. Die oberen Elektroden (1a, 1b) und die unteren Elektroden (3a, 3b) sind Supraleiter, und die Sperrschichten (2a, 2b) bestehen aus Materialien, die aus der Gruppe bestehende aus Isolatoren, Halbleitern, normalen Leitern und Supraleitern ausgewählt werden. Der Koppelteil 7 ist ein Dielektrikum. Das Dielektrikum umfaßt natürlich Vakuum und Gas usw. sowie Feststoffe und Flüssigkeiten. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, Ströme zwischen der ersten oberen Elektrode 1a und der zweiten oberen Elektrode 1b fließen zu lassen, und eine Spannung, die an dem ersten Kontakt 5a oder dem zweiten Kontakt 5b zwischen den beiden oberen Elektroden 1a und 1b erzeugt wird, weist eine nichtlineare Kennlinie auf.
Die Breite des Koppelteils 7 beträgt höchstens 10 um, so daß eine starke Kopplung der Josephson- Kontakte aufrechterhalten wird.
In Beispiel 1 besteht die Kontaktelektrode 6 aus demselben Supraleitungsmaterial wie die unteren Elektroden (3a, 3b), das Material ist aber nicht darauf beschränkt. Es können auch andere Materialien kombiniert und auch ein normal leitfähiges Material verwendet werden. Diesbezüglich unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem Arbeitsprinzip des herkömmlichen Verfahrens.
Das Herstellungsverfahren für einen Supraleitungskontakt mit dem obigen Aufbau wird nun beschrieben.
Für das Substrat 4, auf dem ein supraleitender Oxidfilm ausgebildet wird, werden Oxidmaterialien wie zum Beispiel Magnesiumoxid, Strontiumtitanat oder Lanthanaluminat usw. verwendet. Das Material für das Substrat 4 ist jedoch nicht auf die oben identifizierten Materialien beschränkt. Es kann ein beliebiges Material verwendet werden, wenn es einen Verbund aufweist, der an den supraleitenden Dünnfilm angepaßt werden kann, und außerdem die Dispersion aus dem Substrat die Supraleitfähigkeit des Films nicht vermindert.
Als erstes werden supraleitende Oxidmaterialien wie zum Beispiel supraleitendes Material auf YBCO-Basis oder supraleitendes Material auf Bi-Basis auf dem Substrat 4 abgeschieden, wobei Verfahren wie zum Beispiel Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie verwendet werden, und die unteren Elektroden (3a, 3b) und die Verbindungselektrode 6 werden gleichzeitig mit einer Dicke von 50-300 nm ausgebildet. Als nächstes werden zur Gewinnung einer sauberen Oberfläche die Sperrschichten (2a, 2b) mit einer Dicke von 1-20 nm ausgebildet, ohne den Vakuumzustand zu unterbrechen. Isolatoren wie zum Beispiel Magnesiumoxid, Strontiumtitanat oder Lanthanaluminat oder supraleitende Materialien mit niedrigerer kritischer Temperatur, wie zum Beispiel Supraleiter auf YBCO- oder Bi-Basis, eignen sich für die Sperrschichten (2a, 2b) Zum Beispiel ist Bi&sub1;Sr&sub2;Cu&sub1;Ox eine supraleitende Phase mit einer Übergangstemperatur von etwa 12 Kelvin und arbeitet somit bei der Flüssigstickstofftemperatur von 77,3 Kelvin als ein normaler Leiter. Supraleitende Materialien auf YBCO- oder Bi-Basis sind vorzuziehen, da die Supraleitungsübergangstemperatur durch Hinzufügen magnetischer Materialien wie zum Beispiel Fe oder Nd verändert werden kann. Als nächstes werden 2-200 nm dicke supraleitende Dünnfilme, die später die oberen Elektroden (1a, 1b) sein werden, auf den Sperrschichten (2a, 2b) ausgebildet. Der supraleitende Dünnfilm ist aus Materialien zusammengesetzt, die fast dieselben wie die der unteren Elektroden sind. Die Supraleitungsübergangstemperatur der Materialien auf YBCO- oder Bi-Basis beträgt 80-110 Kelvin. Der dreischichtige verschichtete Film wird mit einem Fotoprozeß geätzt, damit die Sperrschichten 2a und 2b aufgeteilt werden, und dann ausgebildet, indem um sie herum in der Form des Koppelteils 7 angerissen wird. Deshalb kann ein supraleitendes Verbindungselement mit der obigen Kennlinie hergestellt werden.
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Element mit nichtlinearer Kennlinie sogar dann realisiert werden, wenn während des Herstellungsprozesses einige Leckströme in den Kontakten verbleiben. Zu diesem Zweck wird das Element unter Einführung der Leckströme als der normale Leitwert aufgebaut. Dies ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, der bei einem Element mit der Kennlinie eines Tunnel-Supraleiter-Isolator- Supraleiter-Josephson-Kontakts (SIS-Josephson-Kontakt) oder einem herkömmlichen Element mit nichtlinearer Kennlinie, das eine perfekte Kontaktgrenzfläche erfordert, nicht beobachtet werden kann. Die Größe eines Supraleitungskontakts der vorliegenden Erfindung ist folgendermaßen. Die innere Größe des Substrats des ersten Kontakts 5a beträgt 10 um · 10 um, die innere Größe des Substrats des zweiten Kontakts 5b beträgt 10 um · 5 um und die Länge der gegenüberliegenden Seiten der Kontakte (5a, 5b) beträgt 10 um. Die Breite des Koppelteils 7 zwischen den Kontakten 5a und 5b liegt in dem Bereich von etwa 0,1 bis 10 um. Die Breite des Koppelteils 7 ist einer der wichtigen Parameter zur Bestimmung der nichtlinearen Kennlinie des Supraleitungskontaktbauelements. Die minimale Breite von 0,1 um kann geändert werden, um die Verminderung des Herstellungsprozesses zu berücksichtigen. Theoretisch kann sie auf die Größe eines Atoms herabgesetzt werden.
Das Supraleitungskontaktbauelement wird wie in Fig. 1 gezeigt geschaltet, um seine Strom-Spannungs- Kennlinie zu messen. Fig. 2 zeigt das Ergebnis. Die Messung wurde bei 4,2 Kelvin durchgeführt, um das Experiment zu vereinfachen. Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;Ox diente als das supraleitende Dünnfilmmaterial. Bi&sub2;Sr&sub2;Cu&sub1;Ox diente als das Material für die Sperrschichten (2a, 2b) mit einer Dicke von 50 nm. Die innere Größe der Substratoberfläche des ersten Kontakts (5a) beträgt 10 um · 10 um, die innere Größe der Substratoberfläche des zweiten Kontakts (5b) beträgt 10 um · 5 um und die Lücke (die Breite des Koppelteils 7) zwischen den Kontakten 5a und 5b beträgt 2 um. Der kritische Strom der Kontakte 5a und 5b beträgt 1 mA bzw. 0,5 mA und die Widerstände der normalen Leitfähigkeit betragen 1,0 Ω bzw. 2,2 Ω. Als eine Energiequelle 8 wird eine Konstantstromquelle verwendet. Die Messung erfolgte unter Anschluß von 10 kΩ für den Lastwiderstand (RL) 9.
In Fig. 2 zeigt die Abszissenachse den Wert der Kontaktspannung V&sub2; des Kontakts 5b. Der Wert ist standardisiert durch das Produkt des kritischen Stroms Ic2 des Kontakts 5b und des Widerstands der normalen Leitfähigkeit Rn2. Die Achse der Ordinate zeigt den Wert des angelegten Stroms I standardisiert durch den kritischen Strom Ic2 des zweiten Kontakts 5b. Wie in Fig. 2 gezeigt, erscheint in der Kontaktspannung V&sub2; des zweiten Kontakts 5b eine stark nichtlineare Kennlinie ungefähr um den Vorstrom herum, bei dem der erste Kontakt 5a (mit dem größeren kritischen Strom) von dem Null-Spannungszustand zu dem Spannungszustand übergeht.
Dieses Phänomen wird nachfolgend mit Bezug auf das Kontaktmodell mit ohmscher Abzweigung (vgl. "Physics and Applications of the Josephson Effect", Seiten 112-149) untersucht. Die Ersatzschaltung des Josephson-Kontakts in dem RSJ-Modell wird als eine Sinusfunktion mit einer Phasendifferenz φ&sub1; für den ersten Kontakt J&sub1; angegeben. Die Schaltung kann durch den Josephson-Strom IJ1, den Leitwert G&sub1; (Kehrwert des Widerstands der normalen Leitfähigkeit) und die (Kontakt-) Kapazität C&sub1; angegeben werden (siehe Fig. 3). Der Josephson-Strom IJ1 oszilliert bei Auftreten von Phasenschlupf mit einer zu der Kontaktspannung V&sub1; proportionalen Frequenz. Der Leitwert G&sub1; führt normal leitenden Strom parallel zu dem Josephson-Strom. Die Kapazität C&sub1; tritt parallel in den Kontakt ein. Der zweite Kontakt weist dieselbe Konstruktion auf. Die beiden Kontakte werden in Reihe geschaltet. Fig. 1 zeigt, daß der Josephson-Strom entweder magnetisch oder elektromagnetisch an den benachbarten Josephson-Kontakt angekoppelt ist. Die Josephson-Schwingung wird aus dem Josephson-Kontakt verstrahlt. Wenn der Kopplungskoeffizient als k&sub1; dargestellt wird, dann fließt der gekoppelte Strom von k&sub1; · IJ2 in dem Josephson-Kontaktkreis parallel. Fig. 3 ist die Ersatzschaltung des auf diese Weise gewonnenen Supraleitungskontaktbauelements. Im folgenden wird von "gegenphasiger Kopplung" gesprochen, wenn die Kopplungskoeffizienten (k&sub1;, k&sub2;) negativ sind. Die Gegenphase ist in Fig. 1 gezeigt. Die Gleichung der zeitlichen Abhängigkeit dieser Schaltung wird nachfolgend gegeben.
wobei t die Zeit ist, und
δ = (C&sub1; · G&sub2;)/(C&sub2;/G&sub1;), In = I/IC2,
V1n = V&sub1;(G&sub1; · IC1), V2n = V&sub2;(G&sub2; · Ic2)
Die obigen Formeln sind jedoch nichtlineare Differentialgleichungen mit einer transzendenten Funktion, wodurch es schwierig ist, eine allgemeine Lösung zu finden. Die Erfinder haben eine ausführliche numerische Berechnung durchgeführt und folgendes festgestellt: im Fall von Gegenphase wird eine große nichtlineare Kennlinie in der V2n - In-Kennlinie erzeugt, und insbesondere wird die nichtlineare Kennlinie größer, wenn sich der Absolutwert des Kopplungskoeffizienten Eins nähert, und es tritt, wie in Fig. 2 gezeigt, ein negativer Widerstand auf. Außerdem wurde festgestellt, daß diese nichtlinearen Kennlinien bei dem Strom Ic1 beobachtet werden können, wobei der erste Josephson-Kontakt einen größeren kritischen Stromwert aufweist, von dem Null- Spannungszustand zu dem Spannungszustand übergeht. Wenn Elemente durch Ausbilden zweier Josephson-Kontakte mit ähnlichen Kennlinien des kritischen Stromwerts usw. hergestellt werden (z. B. sind in Fig. 1 die Kontaktflächeninhalte gleich), dann sind die nichtlinearen Kennlinien nicht bemerkenswert. Dieses Ergebnis entspricht einem simulierten Fall, bei dem α = γ = δ = 1. In diesem Fall zeigt sich außerdem ein reiner Widerstand. Das Ergebnis der Simulation entspricht sehr gut den experimentellen Ergebnissen. Die Erfinder beziehen sich auf dieses Ergebnis und erläutern das Funktionsprinzip des Supraleitungskontakts auf die folgende Weise.
Zwei Josephson-Kontakte mit verschiedenen kritischen Stromwerten sind so gekoppelt, daß die in jedem Kontakt fließenden Josephson-Wechselströme gegenphasig werden. Dann erhalten die Josephson- Kontakte Vorstrommodulation in Gegenphase durch den Strom des anderen Josephson-Kontakts. Wenn I < Icp2 (Ic2 < Ic1) gilt, dann beträgt der Strom, der in beiden Kontakten fließt, weniger als der kritische Stromwert. Deshalb wird ein Null-Spannungszustand aufrechterhalten, und V&sub2; = 0. Wenn Icp2 < I < Icp1 (< Ic1) gilt, dann fließt Strom mit einem Wert von weniger als die Spannung des kritischen Stromwerts ein, und der Null- Spannungszustand dauert an. Deshalb fließt ein Oszillationsstrom, der den zweiten Josephson- Kontaktstrom IJ2 widerspiegelt, zu dem ersten Josephson-Strom IJ1. Der Strom IJ2 wird gegenphasig gekoppelt. Oszillationsstrom, der in dem ersten Josephson-Kontakt fließt, wird gegenphasig an den zweiten Josephson-Kontaktstrom IJ2 angekoppelt, so daß der erste Josephson-Kontaktstrom IJ1 teilweise hinzuaddiert wird (positiv rückgekoppelt wird). Deshalb wird der Oszillationsstrom, der in dem zweiten Josephson-Kontaktstrom IJ2 fließt, verglichen mit dem Fall, bei dem keine Kopplung auftritt (k&sub1; = k&sub2; = 0) größer. Als Folge wird die an dem zweiten Josephson- Kontakt erzeugte Spannung V&sub2; größer. Deshalb wird die Spannungs-Kennlinie des zweiten Josephson-Kontakts verglichen mit dem Fall ohne Kopplung betont. Wenn Icp1 < I gilt, dann übersteigt der Stromwert, der in dem ersten Josephson-Kontakt fließt, Ic1, und die Phasendifferenz der Josephson-Kontakte verursacht Phasenschlupf. Deshalb wechselt der Zustand zum Spannungszustand, und Oszillationsstrom mittels der Josephson-Schwingung fließt im wesentlichen in den ersten Josephson-Kontaktstrom IJ1. Dieser wird gegenphasig an den zweiten Josephson-Strom IJ2 angekoppelt, und es wird in dem zweiten Josephson- Kontaktstrom IJ2 eine Schwebungsschwingung erzeugt. Dieser Oszillationsstrom IJ2 schwingt mit einer Frequenz, die von der Josephson-Kontaktspannung V&sub2; abhängt, so daß die Frequenz eine nichtlineare Schwebungsschwingung zeigt. IJ2 wird durch eine Zeitkonstantenschaltung gefiltert, die eine Kontaktkapazität und einen normalen Leitwert umfaßt, und wird zu der Josephson-Kontaktspannung V&sub2;. In diesem Fall wird der positive Rückkopplungseffekt von IJ2 über IJ1 gesteuert, weil die nichtlineare Schwebung auf unvorhersehbare Weise schwingt. V&sub2; wird verglichen mit dem anderen Fall, bei dem Icp2 < Icp1 ist, kleiner. Die Kennlinienschwankung von V&sub2; tritt bemerkenswerterweise dann auf, wenn Icp1 und I annähernd gleich sind. Deshalb nimmt, wenn der erste Josephson-Kontakt von dem Null-Spannungszustand zu dem Spannungszustand übergeht, der zweite Josephson-Kontaktstrom rasch ab, und es wird ein Bereich mit negativem Widerstand erzeugt. Wenn die gegenphasige Kopplung schwach wird, dann geht der Bereich mit negativem Widerstand verloren. Die oben genannte nichtlineare Kennlinie der Strom- Spannungskurve wird jedoch aufrechterhalten. Als Folge können Supraleitungskontaktbauelemente mit negativem Widerstand andauernd bereitgestellt werden, wobei statt eines Josephson-Tunnelkontakts, der nicht leicht herzustellen ist, ein Josephson-Kontakt mit schwacher Verbindung mit einem größeren normalen Leitwert verwendet wird.
Das Wirkungsprinzip der vorliegenden Erfindung wird in den obigen Absätzen kurz erläutert. Aus der Erläuterung ist vielleicht einsichtlich, daß der Grad der Kopplung einer der wichtigen Parameter ist. Fig. 4 zeigt die Lückenintervallabhängigkeit zwischen den nichtlinearen Kontakten in den Supraleitungskontaktbauelementen, die den Aufbau von Fig. 1 aufweisen. Fig. 4 zeigt einen Fall an, bei dem α = 2. Die Ordinate zeigt die Änderungsgeschwindigkeit des Kleinsignalwiderstands, wenn der Wert des angelegten Stroms der Strom-Spannungskurve des zweiten Kontakts (mit einem kleineren kritischen Stromwert) dem des ersten Kontakts ähnelt. Der größere Wert bedeutet eine größere nichtlineare Kennlinie. Wie in Fig. 4 gezeigt, sollte die gegenphasige Kopplung bis zu dem Lückenintervall unter Erfüllung der Phasenbeziehung beobachtet werden, obwohl jedoch bei Experimenten etwa 10 um beobachtet werden können. Ein Lückenintervall von mehr als 10 um ergibt im Vergleich mit einem Fall ohne Kopplung keinen bemerkenswerten Unterschied. Deshalb ist ein Lückenintervall von höchstens 10 um ein praktischer Kopplungsabstand. Wenn das Lückenintervall schmaler wird, dann wird die nichtlineare Kennlinie größer. Insbesondere erscheint ein Bereich mit negativem Widerstand, wenn das Lückenintervall 3 um oder weniger beträgt.
Zusätzlich wird die Kontaktelektrode 6 (untere Elektrode 3) von Fig. 1 als eine Steuerelektrode betrachtet, und es wird zwischen der Steuerelektrode und der zweiten oberen Elektrode 1b ein Steuerstrom fließen gelassen. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Strom- Spannungs-Kennlinie eines solchen Falls. Fig. 5 zeigt den Fall, bei dem ein Steuerstrom von Ic2 fließen gelassen wird. Der Steuerkreis, in dem der Strom fließt, verläuft von der Kontaktelektrode 6 aus zu der oberen Elektrode 1b durch die zweite untere Elektrode 3b. Aus dem Vergleich mit Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Strom-Spannungskurve durch den Steuerstrom gesteuert werden kann. Somit kann das Supraleitungskontaktbauelement auch für ein Element mit drei Anschlüssen verwendet werden. Anders ausgedrückt, kann das Supraleitungskontaktbauelement der vorliegenden Erfindung als ein Schaltelement, ein Verstärkungs- Oszillationselement und ein Element mit drei Anschlüssen usw. verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann außer dem in Beispiel 1 beschriebenen Supraleitungskontaktbauelement für verschiedene Elemente verwendet werden.

Beispiel 2

Fig. 6 ist eine Draufsicht des Supraleitungskontaktbauelements von Beispiel 2 der vorliegenden Erfindung. Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I von Fig. 6. Wie in Fig. 6 und 7 gezeigt, sind auf einem Substrat 14 ein erster Kontakt (Josephson-Kontakt) 15a und ein zweiter Kontakt (Josephson-Kontakt) 15b angeordnet und werden durch einen Koppelteil 17 getrennt. Der erste Kontakt umfaßt eine erste obere Elektrode 11a, eine erste Sperrschicht 12a und eine erste untere Elektrode 13a. Der zweite Kontakt umfaßt eine zweite obere Elektrode 11b, eine zweite Sperrschicht 12b und eine zweite untere Elektrode 13b. Die erste untere Elektrode 13a und die zweite untere Elektrode 13b sind über eine Verbindungselektrode 16 in Reihe geschaltet. Der Koppelteil 17 ist ein Dielektrikum. Diese Ausführungsform stellt einen Aufbau bereit, bei dem Ströme, die in den beiden Josephson-Kontakten fließen, gegenphasig gekoppelt werden. Um die beiden Josephson- Kontakte, einschließlich des Koppelteils 17 (der erste und zweite Kontakt 15a, 15b), herum wird eine reflektierende Wand 19 bereitgestellt. Die reflektierende Wand 19 umfaßt einen durch die Verbindungselektrode 16 verbundenen Supraleiter. Der obere Teil der reflektierenden Wand 19 sollte die Sperrschichten (12a, 12b) der Kontakte (15a, 15b) umgeben. Anders ausgedrückt, sollte die Oberseite höher als die Sperrschichten (12a, 12b) positioniert werden. Die reflektierende Wand 19, die einen Supraleiter umfaßt, hat aufgrund seiner Supraleitfähigkeit eine Abschirmwirkung. Somit unterstützt die Wand 19 den supraleitenden Strom, der in den Sperrschichten (12a, 12b) fließt, dabei, sich an benachbarte Kontakte in magnetischem Fluß anzukoppeln. Sie hilft der Josephson- Schwingung, durch die Wand 19 von den Sperrschichten (12a, 12b) reflektiert zu werden, einzutreten und sich mit dem anderen Kontakt zu koppeln. Deshalb wird gemäß der Ausführungsform die gegenphasige Kopplung stärker als im Beispiel 1, und es wird eine größere nichtlineare Kennlinie sogar dann realisiert, wenn die Lücke zwischen den Kontakten dieselbe ist.

Beispiel 3

Fig. 8 ist eine Draufsicht des Supraleitungskontakts von Beispiel 3 der vorliegenden Erfindung. Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 11-11 von Fig. 8. Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt, sind auf einem Substrat 24 über einen Koppelteil 27 hinweg ein erster Kontakt (Josephson-Kontakt) 25a und ein zweiter Kontakt (Josephson-Kontakt) 25b angeordnet. Der erste Kontakt umfaßt eine erste obere Elektrode 21a, eine erste Sperrschicht 22a und eine erste untere Elektrode 23a. Der zweite Kontakt umfaßt eine zweite obere Elektrode 21b, eine zweite Sperrschicht 22b und eine zweite untere Elektrode 23b. Die erste untere Elektrode 23a und die zweite untere Elektrode 23b sind über eine Verbindungselektrode 26 in Reihe geschaltet. Um die beiden Josephson-Kontakte, einschließlich des Koppelteils 27 (der erste und zweite Kontakt 25a, 25b), herum wird eine reflektierende Wand 29 bereitgestellt. Dieser Aufbau unterscheidet sich von dem in Fig. 6 und 7 gezeigten dadurch, daß die reflektierende Wand 29 einen Kontaktteil 30 umfaßt. Der Kontaktteil 30 wird in einem Zustand ohne Vorstrom verwendet und bleibt deshalb supraleitend. Das Kopplungs-Magnetfeld oder elektromagnetische Strahlungsfeld dringt tiefer als die Eindringtiefe des Supraleiters in den Kontakt 30 ein. Wenn die Breite des Kontaktteils 30 der reflektierenden Wand 29 um die Kontakte (25a, 25b) herum jedoch breiter als die Tiefe ist, dann wirkt die Wand als die reflektierende Wand, wie bei der Wand von Beispiel 2. Gemäß dieser Ausführungsform wird durch Ätzen der Kontakte (25a, 25b) durch einen Fotoprozeß ein dreischichtiger verschichteter Dünnfilm ausgebildet. Der Dünnfilm umfaßt den oberen und unteren supraleitenden Dünnfilm (obere Elektroden 21a und 21b, und untere Elektroden 23a, 23b) und die Sperrschichten (22a, 22b) zwischen den Elektroden. Die reflektierende Wand 29 und der Koppelteil 27 werden gleichzeitig ausgebildet.

Beispiel 4

Fig. 10 ist eine Draufsicht des Supraleitungskontakts von Beispiel 4 der vorliegenden Erfindung. Fig. 11 zeigt die Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von Fig. 10. Wie in Fig. 10 und 11 gezeigt, sind auf einem Substrat 44 über einen Koppelteil 47, bei dem es sich um einen Freiraum (ein Dielektrikum) handelt, hinweg ein erster Kontakt (Josephson-Kontakt) 45a und ein zweiter Kontakt (Josephson-Kontakt) 45b angeordnet. Der erste Kontakt umfaßt eine erste Elektrode 41a und eine erste schwache Verbindung 42a. Der zweite Kontakt umfaßt eine zweite Elektrode 41b und eine zweite schwache Verbindung 42b. Der erste Kontakt 45a und der zweite Kontakt 45b sind über eine Verbindungselektrode 46 in Reihe geschaltet. Der Abstand zwischen der ersten schwachen Verbindung 42a und der zweiten schwachen Verbindung 42b sollte höchstens 10 um betragen. Die Kontakte (45a, 45b) werden in den kritischen Stromwerten differenziert und in Reihe geschaltet. Gegenphasige Kopplung wird aufgrund dieses Aufbaus realisiert, d. h. wiederum Kopplung über magnetische Flußkopplung der benachbarten schwachen Verbindungen (42a, 42b) oder elektromagnetische Kopplung durch eine durch die Josephson-Kontaktschwingung in den Kontakten emittierte elektromagnetische Welle. Als Folge zeigt sich bei der Anschlußspannung des Kontakts mit dem niedrigeren kritischen Stromwert eine starke nichtlineare Kennlinie. Wenn der dichteste Abstand zwischen den schwachen Verbindungen 42a und 42b mehr als 10 um beträgt, dann erscheint eine bestimmte nichtlineare Kennlinie aufgrund des Effekts der gegenphasigen Kopplung (siehe Fig. 4) auf der Spannung zwischen den Anschlüssen (zwischen der Verbindungselektrode 46 und der zweiten Elektrode 41b) des zweiten Kontakts 45b, wenn der Kontakt 45a mit einem größeren kritischen Stromwert von dem Null-Spannungszustand in den Spannungszustand übergeht. Für die praktische Verwendung ist jedoch vorzuziehen, daß der dichteste Abstand zwischen 42a und 42b (der dichteste Abstand zwischen den Koppelteilen) höchstens 10 um beträgt. Gemäß diesem Beispiel kann ein Herstellungsprozeß für ein planares Element mit schwacher Verbindung verwendet werden. Ein solches Element mit schwacher Verbindung unterscheidet sich insofern von dem verschichteten Supraleitungskontaktbauelement, als es leicht mit einem Fotoprozeßverfahren hergestellt werden kann.
Die erste und zweite schwache Verbindung (42a, 42b) sind nicht auf den in Fig. 10 gezeigten Aufbau beschränkt. Es können auch andere Brücken, wie zum Beispiel eine Dayem-Brücke, eine Brücke mit veränderlicher Dicke, die mit VTB (= variable thickness bridge) abgekürzt wird (vgl. "Physics and Applications of Josephson Effect", Seite 167), eine Mikrobrücke mit Proximity-Effekt oder eine Stufen-Kanten-Brücke, die eine Stufenform aufweist, verwendet werden.
Obwohl Beispiel 4 eine planare Kopplung Beschreibt, ist die grundlegende Idee nicht wesentlich von Beispiel 1 verschieden. Außerdem kann, wie in Fig. 10 gezeigt, ein Abschirmfilm 40 mit einem Supraleiter auf der Ebene des Substrats 44 ausgebildet werden, wo auch die Kontakte 45a und 45b ausgebildet werden.
Aufgrund des Supraleitungs-Abschirmeffekts wird die gegenphasige Kopplung dann stärker, und die nichtlineare Kennlinie wird wie in Beispiel 2 und 3 vergrößert.

Beispiel 5

Fig. 12 ist eine im Querschnitt gezeigte Draufsicht des Supraleitungskontaktbauelements von Beispiel 5 der vorliegenden Erfindung, und Fig. 13 ist die Vorder-Querschnittsansicht. Anders ausgedrückt ist Fig. 12 die Querschnittsansicht entlang der Linie V-V von Fig. 13, und Fig. 13 ist die Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 12. Wie in den Zeichnungen gezeigt, sind auf dem Substrat 54 über einen Koppelteil 57 hinweg ein erster Kontakt 55a und ein zweiter Kontakt 55b angeordnet. Der erste Kontakt 55a umfaßt eine erste Elektrode 51a, eine erste schwache Verbindung 52a und eine Verbindungselektrode 56. Der zweite Kontakt 55b umfaßt eine zweite Elektrode 51b, eine zweite schwache Verbindung 52b und die Verbindungselektrode 56. Der erste Kontakt 55a und der zweite Kontakt 55b sind über die Verbindungselektrode 56 in Reihe geschaltet. Ein Abschirmfilm 50 mit einem Supraleiter wird auf dem Substrat 54 ausgebildet, wo auch die Kontakte 45a und 45b ausgebildet werden. Der Aufbau unterscheidet sich von dem des in Fig. 10 und 11 gezeigten Beispiels. Gemäß dieser Ausführungsform wird zwischen dem Substrat 54 und den Supraleitungskontaktbauelementen (55a und 55b) ein unterer Abschirmfilm 61 angeordnet, und zwischen den unteren Abschirmfilm 61 und die Kontakte 55a und 55b wird ein Isolierfilm 63 geschichtet. Ein oberer Abschirmfilm 62 wird oben auf den Supraleitungskontaktbauelementen angeordnet, sowie ein Isolierfilm 64, der zwischen den oberen Film 62 und die Kontakte 55a und 55b geschichtet wird. Der Koppelteil 57 dieses Beispiels wird mit einem dielektrischen Festmaterial gefüllt. Gemäß dieser Ausführungsform wird aufgrund des Abschirmeffekts der Filme 61 und 62 eine gegenphasige Kopplung, die größer als die von Beispiel 4 ist (Fig. 10, 11), zwischen den Kontakten realisiert. Deshalb kann eine größere nichtlineare Kennlinie realisiert werden; jeder der beiden Abschirmfilme kann eliminiert werden, obwohl die gegenphasige Kopplung zu einem gewissen Grad aufgeopfert wird.
Die Kennlinien der in den Beispielen 2-5 gezeigten Bauelemente sind dieselben wie die in Fig. 2- 4 gezeigten, so daß Nichtlinearitäten wie zum Beispiel eine Kennlinie mit negativem Widerstand bereitgestellt werden. Wenn ein externer Kondensator oder ein externer Widerstand mit jedem der Josephson-Kontakte verbunden wird, dann kann die Zeitkonstante der Filterschaltung des Josephson-Kontaktstroms verändert werden, und die Strom-Spannungs-Kennlinie des Elements kann feineingestellt werden.
Der Supraleitungsoszillator der vorliegenden Erfindung löst einige Probleme der nichtlinearen Schwingung der Josephson-Kontakte, die das grundlegende Charakteristikum des supraleitfähigen kondensierten Zustands verwenden. Das Problem des Josephson-Kontakts besteht darin, daß aufgrund der niedrigen Spektrumsreinheit der Oszillationsfrequenz kein Ausgangssignal mit einer Schwingung einer einzigen Frequenz mit größerer Amplitude gewonnen werden kann. Die Erfinder haben festgestellt, daß ein solches Problem auftritt, weil der Kontakt nur einen Oszillationsparameter als einen Oszillator aufweist. Zur Lösung dieses Problems haben die Erfinder durch Bereitstellung eines inneren Oszillationsparameters, der unabhängige Oszillatoren aufweist, die Freiheit der Oszillation vergrößert. Die Erfinder haben den Oszillator durch Ankoppeln des Oszillators an einen Resonanzschwingkreis aufgebaut.
Bei dem Supraleitungsoszillator der vorliegenden Erfindung sind, der Schaltungsteil zum Auszug der Oszillationsenergie der einzelnen Frequenz und die Josephson-Oszillationsschaltung zur Versorgung der anderen Schaltung mit Oszillationsenergie voneinander getrennt und wirken unabhängig.
Die Erfinder haben ein Supraleitungskontaktbauelement erzeugt, bei dem eine Mehrzahl von Josephson-Kontakten mit verschiedenen kritischen Strömen stark über einen Koppelteil mit verschiedenen Phasen aneinander koppelt. Und die Elektroden werden aus beiden Anschlüssen eines Josephson-Kontakts mit dem minimalen kritischen Strom herausgenommen. Auf diese Weise haben die Erfinder einen neuen internen Oszillationsparameter hergestellt. Der Supraleitungskontakt wird aufgebaut, indem über einen Koppelteil mehrere Josephson-Kontaktbauelemente mit verschiedenen kritischen Stromwerten mit verschiedenen Phasen stark gekoppelt werden. Deshalb kann die Josephson-Schwingung von dem Oszillationsparameter des Resonanzschwingkreises (d. h. dem Strom, der in den Resonanzschwingkreis fließt, oder der Spannung zwischen den Anschlüssen des Resonanzschwingkreises) unabhängig erzeugt werden. Diesbezüglich haben die Erfinder ein Verfahren gefunden, um die Schaltung zum Auszug der Oszillationsenergie der einzelnen Frequenz und die Josephson-Oszillationsschaltung zur Versorgung der anderen Schaltung mit Oszillationsenergie zu trennen. Das Verfahren besteht darin, daß ein Resonanzkreiselement mit den Anschlüssen des Josephson- Kontakts mit dem niedrigeren kritischen Stromwert verbunden wird. Die mittlere Spannung V zwischen den Anschlüssen des Josephson-Kontakts ist am größten, wenn ein Vorstrom fließt. Die Oszillationsenergie mit der Josephson-Frequenz (f = 2eV/h = 483,8 · V(MHz)), die der Spannung entspricht, wird am größten. Deshalb wird die Effizienz am besten, wenn die Oszillationsenergie mit dem Resonanzkreiselement kombiniert wird, und es wird Hochfrequenz-Oszillationsenergie abgeleitet. Hierbei ist h die Plancksche Konstante von 6,626176 · 10&supmin;³&sup4; J·s, und V ist die Spannung in Mikrovolt.
Das Supraleitungskontaktbauelement ist eines der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Mehrere Josephson-Kontakte mit verschiedenen kritischen Stromwerten werden so gekoppelt, daß die Wechselstrom- Josephson-Ströme der Kontakte aufgrund magnetischer Flußkopplung oder elektromagnetischer Kopplung verschiedene Phasen aufweisen. Die elektromagnetische Kopplung benötigt eine vermittelnde elektromagnetische Welle, und die Welle wird aus jedem der Josephson- Kontakte emittiert. Dieses Element hat jedoch fast dieselbe Funktion wie der Supraleitungskontakt mit zwei Josephson-Kontaktbauelementen mit verschiedenen kritischen Strömen.
Fig. 14, 15, 16 zeigen einen Supraleitungsoszillator der vorliegenden Erfindung. In Fig. 14 ist das Supraleitungskontaktbauelement 71 mit einem ersten Kontakt 71a und einem zweiten Kontakt 71b aufgebaut; Josephson-Kontakte mit verschiedenen kritischen Strömen werden in Reihe geschaltet, und diese Kontakte (71a, 71b) werden über einen Koppelteil 71c gegenphasig gekoppelt. Ein Resonanzkreiselement 72a wird in Reihe mit dem zweiten Kontakt 71b geschaltet, der den niedrigeren kritischen Strom aufweist. Der Widerstand 74 und die Energiequelle 75 stellen eine Vorstromschaltung zusammen, um Vorstrom zuzuführen.
In Fig. 15 ist das Supraleitungskontaktbauelement 71 mit einem ersten Kontakt 71a und einem zweiten Kontakt 71b aufgebaut; Josephson-Kontakte mit verschiedenen kritischen Strömen werden in Reihe geschaltet, und diese Kontakte (71a, 71b) werden über einen Koppelteil 71c gegenphasig gekoppelt. Fig. 15 zeigt, daß die Elektroden des zweiten Kontakts 71b herausgenommen sind, und daß das Resonanzkreiselement 72b mit dem Kontakt 71b parallelgeschaltet ist. Und es wird durch eine Vorstromschaltung, die einen Widerstand 74 und eine Energiequelle 75 enthält, Vorstrom zugeführt.
In Fig. 16 ist das Supraleitungskontaktbauelement 71 mit einem ersten Kontakt 71a und einem zweiten Kontakt 71b aufgebaut; Josephson-Kontakte mit verschiedenen kritischen Strömen werden in Reihe geschaltet, und diese Kontakte (71a, 71b) werden über einen Koppelteil 71c gegenphasig gekoppelt, und die Elektroden des zweiten Kontakts 71b sind herausgenommen, und das Resonanzkreiselement 72d ist mit dem Kontakt 71b parallelgeschaltet. Das Resonanzkreiselement 72c wird in Reihe mit der Anschlußelektrode des zweiten Kontakts 71b des Supraleitungskontaktbauelements 71 geschaltet. Und es wird durch die Vorstromschaltung, die den Widerstand 74 und die Energiequelle 75 enthält, Vorstrom zugeführt.
Gemäß einem beliebigen der in Fig. 14-16 gezeigten Supraleitungsoszillatoren enthalten die Resonanzkreiselemente 72a-72d Impedanzschaltungen mit kapazitiven Blindwiderständen, wie zum Beispiel Spulen, einem kapazitiven Blindwiderstand oder einem Blindwiderstand mit einem Resonanzpunkt. Für ein Resonanzkreiselement werden in Reihe oder parallelgeschaltete Widerstandselemente mit Resonanzkreisen einer Spule oder einer Spulen- Kondensator-Reihen- und/oder -Parallelschaltung verbunden.

Beispiel 6

Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht eines Supraleitungsoszillators gemäß Beispiel 6. In Fig. 17 werden auf einem Substrat 76 eine erste und eine zweite untere Elektrode (78a, 78b) mit Supraleitern ausgebildet. Auf den unteren Elektroden werden über eine Sperrschicht 79, die ein Element umfaßt, das aus einem Isolator, einem Halbleiter, einem normalen Leiter oder einem Supraleiter ausgewählt wird, hinweg eine erste und eine zweite obere Elektrode (77a, 77b) mit Supraleitern ausgebildet. Auf diese Weise werden der erste Kontakt (Josephson-Kontakt) 71a und der zweite Kontakt (Josephson-Kontakt) 71b hergestellt. Die Kontakte (71a, 71b) werden über den Koppelteil 77c aus einem Dielektrikum hinweg angeordnet und über eine Verbindungselektrode 80 aus dem Supraleiter in Reihe geschaltet. Das Dielektrikum umfaßt hier Vakuum und Gas usw., sowie Feststoffe oder Flüssigkeiten. Gemäß dieser Ausführungsform kehrt sich die Richtung von in den Kontakten (71a, 71b) fließendem Strom um, wenn Strom I über die Vorstromschaltung, die die Energiequelle 75 und den Widerstand 74 umfaßt, zwischen den oberen Elektroden 77a und 77b verläuft. Als Folge werden die Kontakte 71a und 71b über den Koppelteil 77c zueinander gegenphasig gekoppelt.
Eine Verbindungselektrode 82, die denselben Supraleiter wie die untere Elektrode 78b verwendet, ist mit der zweiten unteren Elektrode 78b verbunden. Der Endteil der Verbindungselektrode 82 und die zweite obere Elektrode 77b sind über einen Leiter 31, wie zum Beispiel eine Streifenleitung oder eine Schlangenleitung, verbunden. Somit ist das Resonanzkreiselement 81 parallel mit beiden Enden des zweiten Kontakts 71b verbunden, so daß ein Supraleitungsresonator zusammengestellt wird. In dieser Figur ist 32 ein Halter zum Halten des Leiters 31. In diesem Fall kann der Verbindungsleiter des Resonanzkreiselements 81 auf einem Dünnfilm einem Halbleiter oder Dielektrikum ausgebildet werden, der auf der Verbindungselektrode 82 ausgebildet wird. Außerdem sind andere Konstruktionen wie z. B. eine Luftbrücke verfügbar.
Die Breite des Koppelteils 77c beträgt höchstens 10 um, damit die Kopplung zwischen den beiden Josephson-Kontakten (71a, 71b) stärker wird.
In diesem Beispiel ist die Verbindungselektrode 80 aus demselben Supraleiter wie die unteren Elektroden zusammengesetzt. Die Zusammensetzung ist jedoch nicht auf dieses beschränkt: es können auch eine Kombination aus anderen Materialien oder normale leitfähige Materialien verwendet werden.

Beispiel 7

Fig. 18A ist eine Draufsicht des Supraleitungsoszillators von Beispiel 7 der vorliegenden Erfindung, und Fig. 18B ist die Querschnittsansicht entlang der Linie VI-VI von Fig. 18A. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, sind auf einem Substrat 85 eine erste und eine zweite untere Elektrode (88a, 88b) aus Supraleitern ausgebildet. Auf den unteren Elektroden werden über eine Sperrschicht 89, die ein Element umfaßt, das aus einem Isolator, einem Halbleiter, einem normalen Leiter oder einem Supraleiter ausgewählt wird, hinweg eine erste und eine zweite obere Elektrode (87a, 87b) aus Supraleitern ausgebildet. Auf diese Weise werden ein erster Kontakt (Josephson-Kontakt) 84a und ein zweiter Kontakt (Josephson-Kontakt) 84b ausgebildet. Der erste Kontakt 84a und der zweite Kontakt 84b werden unter Schichtung eines Koppelteils 87c aus einem Dielektrikum angeordnet, und die unteren Elektroden (88a, 88b) sind über eine Verbindungselektrode 90 in Reihe geschaltet, die aus demselben Supraleiter besteht. Somit wird ein Supraleitungskontaktbauelement gebildet. Um das Element herum wird eine reflektierende Wand 86 mit einem Josephson-Kontaktaufbau eines größeren Verschichtungsbereichs ausgebildet. Mit der zweiten unteren Elektrode 88b ist eine weitere Verbindungselektrode 91 verbunden, wobei die beiden Elektroden aus demselben Supraleiter bestehen. Das Ende der Verbindungselektrode 91 und die zweite obere Elektrode 87b sind über eine induktive Schlangenleitung verbunden. Als Folge wird ein Resonanzkreiselement 83 parallel über die Elektroden des zweiten Kontakts 84b geschaltet.
Wie bereits erwähnt, werden beide Kontakte von der reflektierenden Wand 86 umgeben, die einen Supraleiter umfaßt, bei dem es sich um ein stark antimagnetisches Material handelt. Als Folge wird die Kopplung zwischen dem ersten Kontakt 84a und dem zweiten Kontakt 84b stärker, und es kann eine größere Oszillationsleistung gewonnen werden. Die reflektierende Wand sollte hoch genug sein, damit sie mindestens die Sperrwand 89 jedes der Kontakte (84a, 84b) umgibt. Und zwar sollte die Oberseite der reflektierenden Wand 86 höher als die Sperrschicht 89 liegen. Die reflektierende Wand 86, die einen Supraleiter umfaßt, stellt einen Abschirmeffekt bereit. Somit wird der in der Sperrschicht 89 fließende Supraleitungsstrom in einem stärker magnetischen Flußzustand an die benachbarten Kontakte angekoppelt. Als Alternative werden magnetischer Fluß und elektromagnetische Wellen, die durch die Sperrschicht 89 der Josephson-Schwingung der Kontakte emittiert werden, durch die reflektierende Wand 86 reflektiert und treten dabei in den anderen Kontakt ein und stärken die Kopplung der Kontakte. Zusätzlich werden die Kapazitäten C&sub1; und C&sub2; vergrößert, wobei der Fluß des Supraleitungsstroms und der des normalen Leitungsstroms divergiert wird. Deshalb wird gemäß diesem Beispiel die gegenphasige Kopplung verglichen mit Beispiel 6 stärker, und es kann eine größere Oszillationsleistung gewonnen werden, wenn das Lückenintervall zwischen den Kontakten gleich ist.
Der Aufbau der reflektierenden Wand 86 ist nicht unbedingt auf den Kontaktaufbau dieses Beispiels beschränkt; die Wand kann auch lediglich aus einer supraleitenden Schicht bestehen. Wenn eine reflektierende Wand 86 mit Kontaktaufbau verwendet wird, dann wird der Supraleitungszustand aufrechterhalten, da der Kontakt in einem Zustand ohne Vorstrom verwendet wird. Ein Kopplungs-Magnetfeld und ein ausgestrahltes elektromagnetisches Feld dringen tiefer ein als der Supraleiter selbst, oder so tief wie die Josephson-Eindringtiefe. Wenn die Breite des Kontakts der die Kontakte umgebenden reflektierenden Wand 86 jedoch die Eindringtiefe überschreitet, dann kann der Kontaktaufbau als die reflektierende Wand wirken. Gemäß diesem Beispiel können die reflektierende Wand 86 und die Kontakte (84a, 84b) gleichzeitig ausgebildet werden.
Die in Beispiel 6 und 7 erläuterten Supraleitungsoszillatoren sind so aufgebaut, daß verschichtete Kontakte einander zugewandt sind. Der Aufbau ist nicht unbedingt auf diese Bekanntgabe beschränkt. Ein verschichteter Kontakt kann einen anderen Kontakt umgeben (in einem vorbestimmten Abstand), wodurch eine starke Kopplung zwischen Kontakten aufrechterhalten wird.

Beispiel 8

Dieses Beispiel betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleitungsoszillators, wobei das verschichtete Supraleitungskontaktbauelement von Beispiel 6 und 7 verwendet wird.
Als das Material des Substrats 76 oder 85 wird Magnesiumoxid, Strontiumtitanat oder Lanthanaluminat usw. verwendet, und es wird auf diesem eine dünne supraleitende Oxidschicht ausgebildet. Das Material des Substrats ist nicht beschränkt, sondern es ist jedes beliebige Material verfügbar, wenn es ein Gitter aufweist, das an den supraleitenden Dünnfilm angepaßt werden kann und die supraleitenden Eigenschaften des Dünnfilms durch Diffusion aus dem Substrat vermindert werden.
Ein supraleitendes Oxidmaterial wie zum Beispiel supraleitendes YBCO-Material oder supraleitendes Bi-Material wird unter Verwendung von Verfahren wie zum Beispiel Sputtern oder Molekularstrahlepitaxie auf dem Substrat abgeschieden. Der untere supraleitende Dünnfilm von 50-300 nm wird ausgebildet, der später zu den unteren Elektroden (78a, 78b, 88a, 88b), den Verbindungselektroden (80, 90) und den Verbindungselektroden (82, 91) wird. Die Sperrschichten 79 und 89 mit einer Dicke von 1-20 nm werden dann darauf ausgebildet, ohne dabei das Vakuum zu unterbrechen, um eine reine Oberfläche zu erhalten. Als das Material der Sperrschichten 79 und 89 sind Isolatoren wie Magnesiumoxid, Strontiumtitanat oder Lanthanaluminat oder supraleitende Materialien mit niedrigerer kritischer Temperatur (z. B. YBCO oder Bi) vorzuziehen. Zum Beispiel ist Bi&sub1;Sr&sub2;Cu&sub1;Ox ein supraleitendes Material mit einer Übergangstemperatur von etwa 12 Kelvin und wirkt somit bei der Temperatur von 77,4 Kelvin von flüssigem Stickstoff als ein normaler Leiter. Supraleiter wie YBCO- oder Bi- Supraleiter sind vorzuziehen, da die Temperaturen des Supraleitungsübergangs durch Verändern der Konzentration magnetischer Elemente wie Fe und Nd geändert werden können. Darauf wird ein oberer supraleitender Dünnfilm mit einer Dicke von 1-20 nm ausgebildet, ohne dabei das Vakuum zu unterbrechen, wobei dieser obere Film zu den oberen Elektroden (77a, 87a, 77b und 87b) und den Verbindungselektroden (82, 91) wird. Das Material dieses Films ist dasselbe wie das supraleitende Material für die unteren Elektroden. Die Temperatur des Supraleitungsübergangs dieser YBCO- oder Bi-Supraleiter beträgt 80-110 Kelvin. Dieser dreischichtige verschichtete Film wird mit einem Fotoprozeß so geätzt, daß die Sperrschichten (79, 89) abgeschnittem werden (z. B. durch Ar-Ionenbearbeitung), um ihnen die Form von Kontakten (71a, 71b, 84a, 84b) und der Verbindungselektroden (82, 91) und/oder der reflektierenden Wand 86 zu verleihen. Als nächstes werden durch Masken-Aufdampfung oder einen Fotoprozeß nach der Dünnfilmablagerung Isolatoren wie Kalziumfluorid, Magnesiumoxid und Siliziumdioxid, oder Halbleitermaterialien wie Silizium darauf als ein Träger 32 ausgebildet. Auf dem Träger 32 werden mit herkömmlichen Verfahren Resonanzkreiselemente (81, 83) strukturiert ausgebildet, um zwischen die zweiten oberen Elektroden (77a, 87a) und die Verbindungselekroden (82, 91) angeschlossen zu werden. Deshalb wird ein Supraleitungsoszillator mit diesem Aufbau ausgebildet. Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Supraleitungsoszillator sogar dann realisiert werden, wenn während des Herstellungsprozesses in den Kontakten etwas Leckstrom beibehalten wird. Zu diesem Zweck wird das Element unter Einführung der Leckströme als der normale Leitwert aufgebaut. Die innere Substrat-Abmessung der ersten Kontakte (71a, 84a) ist 10 um · 10 um, die innere Substrat-Abmessung der zweiten Kontakte (71b, 84b) ist 10 um · 5 um. Die Länge der gegenüberliegenden Seiten der ersten und zweiten Kontakte (71a, 84a, 71b und 84b) beträgt 10 um. Und die Breite des Koppelteils 77c und 87c zwischen den ersten und zweiten Kontakten beträgt etwa 0,1-10 um. Die Breite des Koppelteils 77c und 87c ist einer der wichtigen Parameter, die die Kennlinie des Supraleitungsoszillators bestimmen.

Beispiel 9

Fig. 19A ist eine Draufsicht des Supraleitungsoszillators von Beispiel 9 oder die Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII von Fig. 19B. Fig. 19B ist die Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII von Fig. 19A.
Wie in Fig. 19A und 19B gezeigt, wird auf einem Substrat 94 ein unterer Abschirmfilm 96 ausgebildet. Auf dem Abschirmfilm werden ein Isolatorfilm 92 und eine elementausbildende Schicht 215 ausgebildet, auf der ein weiterer Isolationsfilm 93 und ein oberer Abschirmfilm 95 ausgebildet werden.
Die elementausbildende Schicht 215 enthält einen ersten Kontakt (Josephson-Kontakt) 97a und einen zweiten Kontakt (Josephson-Kontakt) 97b. Der erste Kontakt umfaßt eine erste Elektrode 98a, eine schwache Verbindung 100a und eine Verbindungselektrode 101. Der zweite Kontakt umfaßt eine zweite Elektrode 98b, eine schwache Verbindung 100b und eine Verbindungselektrode 101. Ein mit dielektrischem Festmaterial gefüllter Koppelteil 98c ist zwischen den Kontakten angeordnet. Der erste Kontakt und der zweite Kontakt sind über die Verbindungselektrode 101 in Reihe geschaltet. Der dichteste Abstand zwischen den schwachen Verbindungen (100a und 100b) wird auf höchstens 10 um vorbestimmt. Die kritischen Stromwerte der Kontakte (97a, 97b) sind verschieden. Deshalb wird über magnetische Flußkopplung der benachbarten schwachen Verbindungen (100a, 100b) oder elektromagnetische Kopplung aufgrund einer durch die Josephson-Schwingung in beiden Kontakten emittierten elektromagnetischen Welle eine gegenphasige Kopplung realisiert. Als Folge wird ein Supraleitungskontaktbauelement gebildet. Ein Resonanzkreiselement 99 mit induktivem Blindwiderstand einschließlich einer Schlangenleitung wird parallel zu der zweiten Elektrode 98b und der Verbindungselektrode 101 des Endteils des zweiten Kontakts 97b geschaltet. Der zweite Kontakt weist den kleineren kritischen Strom auf. Ein Ausgangsanschluß 102 wird mit der zweiten Elektrode 98b verbunden. Gemäß diesem Beispiel kann ein leichteres Verfahren zur Herstellung eines planaren Elements mit schwacher Verbindung verwendet werden. Der Prozeß hängt von einem Fotoprozeß ab, so daß sich dieses Verfahren von dem der Herstellung eines verschichteten Elements mit nichtlinearer Kennlinie unterscheidet. Dies ist einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Auch wenn der dichteste Abstand zwischen den schwachen Verbindungen 10 um überschreitet, wirkt das Element aufgrund der gegenphasigen Kopplung als ein Oszillator. Der Abstand sollte jedoch für die praktische Verwendung 10 um nicht überschreiten.
Der Aufbau der schwachen Verbindungen (100a, 100b) ist nicht auf Fig. 19A und 19B beschränkt. Es können auch andere Gefüge wie zum Beispiel eine Dayem- Brücke, eine Brücke mit veränderlicher Dicke (VTB) (vgl. "Physics and Applications of Josephson Effect", Seite 167), eine Mikrobrücke mit Proximity-Effekt oder eine Stufen-Kanten-Brücke mit Stufen verwendet werden.
Darüber hinaus sind gemäß dieser Ausführungsform die Abschirmfilme (95, 96) an den Oberflächen der elementausbildenden Schicht angebracht. Aufgrund des Abschirmeffekts wird eine starke gegenphasige Kopplung zwischen den Kontakten realisiert, und es kann eine große nichtlineare Kennlinie erzielt werden. Diese Abschirmfilme können an mindestens einer Oberfläche der elementausbildenden Schicht angebracht werden. Es kann auch ein Aufbau ohne jegliche Abschirmfilme verwendet werden.
In diesem Beispiel wird in den Koppelteil 98c ein dielektrisches Festmaterial gefüllt. Der Koppelteil kann jedoch auch ein luftgefüllter Raum sein.

Beispiel 10

Der oben erwähnte Supraleitungsoszillator mit planarem Aufbau kann leichter als ein Verschichtungsoszillator hergestellt werden. Zum Beispiel wird der supraleitende Dünnfilm durch das in Beispiel 8 beschriebene Verfahren ausgebildet. Die Struktur der elementausbildenden Schicht kann durch einen Fotoprozeß ausgebildet und durch Ar- Ionenbearbeitung geätzt werden. Der Isolationsfilm 93 und der Abschirmfilm 95 werden dann durch wohlbekannte Verfahren wie zum Beispiel Sputtern ausgebildet.
In Beispiel 6, 7 und 9 sind die Resonanzkreiselemente parallel zwischen die Anschlüsse des Kontakts mit dem niedrigeren kritischen Stromwert geschaltet. Das Resonanzkreiselement kann in Reihe mit der zweiten oberen Elektrode des zweiten Kontakts und mit der Vorstromschaltung geschaltet werden. Außerdem ist es möglich, daß das Resonanzkreiselement 72c oder 72d in Reihe oder parallel zwischen die Anschlüsse des zweiten Kontakts 71b geschaltet werden können (siehe Fig. 16).
In Beispiel 9 ist der Ausgangsanschluß 102 mit der äußersten Elektrode des Kontakts mit dem kleineren kritischen Strom geschaltet. Die Ausgangsleistung kann auch der Verbindungselektrode entnommen werden, die den Kontakt mit dem kleineren kritischen Strom seriell verbindet. Die Leistung kann auch den Anschlüssen der Kontakte mit dem kleinsten Wert entnommen werden. Außerdem können verschiedene herkömmliche Verfahren, wie zum Beispiel Trans-Kopplung verwendet werden.
In Beispiel 6-9 werden induktive Blindwiderstände wie zum Beispiel eine Schlangenleitung und eine Streifenleitung als die Resonanzkreiselemente erklärt. Resonanzkreiselemente werden verwendet, wenn sie mit der Ersatzimpedanz des Kontakts mit dem kleineren kritischen Strom kombiniert werden können, um einen Resonanzschaltkreis zusammenzustellen. Zusätzlich zu einer Induktivität kann ein Reihen-Parallel- Oszillationsschwingkreis, ein Lastwiderstand usw. verwendet werden.
Obwohl die Kennlinien des Supraleitungsoszillators der Beispiele ähnlich sind, wird der in Fig. 17 gezeigte Supraleitungsoszillator erläutert.
Die erste und zweite untere Elektrode (das supraleitende Dünnfilmmaterial) umfassen Bi&sub2;Sr&sub2;Ca&sub1;Cu&sub2;Ox. Die Sperrschicht 79 umfaßt Bi&sub2;Sr&sub2;Cu&sub1;Ox. Das Element ist etwa 50 nm dick. Die innere Abmessung des Substrats des ersten Kontakts 71a beträgt 10 um · 10 um. Die innere Abmessung des Substrats des zweiten Kontakts 71b beträgt 10 um · 5 um. Die Lücke (die Breite des Koppelteils 11c) zwischen den Kontakten beträgt 2 um. Bei 4,2 Kelvin betragen die kritischen Stromwerte der Kontakte 71a und 71b 1 mA und 0,5 mA, und die Widerstände der normalen Leitfähigkeit betragen 1,0 Ω bzw. 2,2 Ω. Das streifenleiterförmige Resonanzkreiselement 81 wird mit der Verbindungselektrode 82 kombiniert, um eine Induktivität von etwa 4 nH zu ergeben. Die Energiequelle 75 ist eine einstellbare Spannungsquelle, und der Wert des Lastwiderstands 74 beträgt 10 kΩ.
Das Ausgangssignal wurde nach Anschluß einer Übertragungsleitung von 50 Ω an beide Anschlüsse des zweiten Kontakts 71b durch Verwendung eines Spektralanalysators gemessen. Wenn der Vorstrom I fließt, dann wurde ein Oszillationsausgangssignal mit einer hohen spektralen Frequenzreinheit gewonnen. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Resonanzfrequenz des Parallelresonanzkreises mit der Induktivität des Resonanzkreiselements 81 und der Kapazität (etwa 30 fE) des zweiten Kontakts 71b etwa 14 GHz. Wenn der Vorstrom I etwa 1 mA beträgt, dann wurde die maximale Oszillationsausgangsleistung von etwa 0,1 uW erzielt. Dieser Wert ist um mehrere Größenordnungen größer als das Oszillationsausgangssignal eines einzigen Josephson-Kontakts.
Als nächstes wird dieses Phänomen mit Bezug auf ein Kontaktmodell mit ohmscher Abzweigung (RSJ-Modell) erläutert. Fig. 20 zeigt eine Ersatzschaltung eines Supraleitungsoszillators unter Verwendung des RSJ- Modells, wobei das Resonanzkreiselement 72a in Reihe geschaltet ist (siehe Fig. 14). Wie in Fig. 20 gezeigt, sind die Kapazität C&sub1; und der Leitwert G&sub1; ohne Kopplung mit dem ersten Kontakt 71a parallel zu dem Josephson- Strom IJ1 geschaltet. Und der gekoppelte Strom K&sub1;· IJ2 fließt parallel zu IJ1. Der zweite kontakt 71b hat einen analogen Aufbau. Der erste Kontakt 71a und der zweite Kontakt 71b sind in Reihe geschaltet. Das Resonanzkreiselement 72a ist mit dem zweiten Kontakt 71b in Reihe geschaltet. Die Kopplung entspricht einer gegenphasigen Kopplung, wobei die Kopplungskoeffizienten k&sub1; und k&sub2; negativ sind. Die Gleichungen zur Anzeige der Funktion der Ersatzschaltung werden in den Gleichungen (1) bis (4) angegeben.
Gemäß dem zweiten Kontakt 71b fließt der Kopplungsstrom K&sub2; · IJ1 parallel zu IJ2. Der Josephson- Strom IJ2 des zweiten Kontakts 71b wird als eine lineare untergeordnete Funktion der Anschlußspannung V&sub2; (mit einer Phasendifferenz φ&sub2;) gegeben. Die Anschlußspannung V&sub2; wird im wesentlichen aus dem Josephson-Strom IJ2 und dem gekoppelten Strom K&sub1; · IJ2 bestimmt, wenn der Vorstrom I ein subsidiärer Parameter ist. Das System des ersten Kontakts ist dasselbe. Wenn die Kopplungskoeffizienten k&sub1; und k&sub2; positive Zahlen oder null sind (Nullkopplung), dann erfolgt die Phasensynchronisierung über die Anschlußspannungen (V&sub1;, V&sub2;) jedes Kontakts. Als Folge tritt eine der eines einzelnen Josephson-Kontakts ähnliche Oszillation auf. Wenn die Kopplungskoeffizienten andererseits keine positiven Zahlen sind, dann entsprechen die Phase von IJ1 und IJ2 und die Phasen von k&sub1; · IJ2, k&sub2; · IJ1 einander nicht. Deshalb sind die Anschlußspannungen (V&sub1;, V&sub2;) jedes Kontakts unabhängig. Anders ausgedrückt, sind mit der Oszillationsschaltung zwei unabhängige Parameter verbunden. Deshalb wird, wenn ein Resonanzkreiselement mit einem Kontakt, und insbesondere mit dem Ende des Kontakts mit dem niedrigeren kritischen Stromwert, verbunden wird, die Oszillationsleistung der Resonanzfrequenz aus dem zweiten Kontakt 1b dem Resonanzschaltkreis mit der Kapazität C&sub2; und dem Leitwert G&sub2; und dem Resonanzkreiselement zugeführt. Zusätzlich ergänzt der Kopplungsstrom k&sub2; · IJ1 den Josephson-Strom IJ2 und führt dem Resonanzschaltkreis Oszillationskomponentenstrom zu, so daß die Resonanzleistung größer wird. Die Reinheit der Oszillationsfrequenz verbessert sich ebenfalls, weil sie von den Schaltungselementen wie zum Beispiel dem Resonanzschaltkreis oder Bandpaßfilter abhängt. Insbesondere wenn der Vorstrom I gleich dem mimimalen kritischen Stromwert der Kontakte (im Fall von zwei Kontakten, dem kritischen Stromwert des ersten Kontakts) ist oder diesen übersteigt, dann wird an dem gekoppelten Kontakt mittlere Spannung erzeugt. Deshalb tritt die Josephson-Schwingung aus dem Kontakt selbst auf, und der Strom fließt in den zweiten Kontakt mit dem niedrigeren kritischen Stromwert und geht in einen konkurrierenden Oszillationszustand über. Als Folge fließt ein großer kombinierter mehrerer Strom in den Kontakt, und es kann ein Oszillationsausgangssignal mit einer größeren Amplitude an dem Resonanzschaltkreis gewonnen werden. Deshalb wird die Oszillationseffizienz optimal um den Vorstrom am Anfang des konkurrierenden Oszillationszustands herum.

Claims

1. Supraleitungskontaktbauelement mit einer Mehrzahl von Josephson-Kontakten (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) mit verschiedenen kritischen Stromwerten, wobei die Josephson-Kontakte (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) durch Verbinden von Elektroden (6, 16, 26, 46, 56, 80, 82) in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Josephson-Kontakte einen zwischen den Kontakten (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) angeordneten dielektrischen Koppelteil (7, 17, 27, 47, 57, 71c, 77c, 82, 87c) aufweisen, wobei der Teil eine Breite von höchstens 10 um aufweist.

2. Supraleitungskontaktbauelement nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Vorstromschaltung zur Zuführung von Strom zu den Kontakten (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) und einem Resonanzschaltkreiselement, das zwischen Elektroden eines Josephson-Kontakts angeschlossen ist, der einen niedrigeren kritischen Stromwert aufweist.

3. Supraleitungskontaktbauelement nach Anspruch 2, weiterhin mit einem Bandpaßfilter, das kapazitiv oder elektromagnetisch an mindestens eines der aus der Gruppe bestehend aus einem Resonanzschaltkreiselement (81, 83, 72a) und Elektroden des einen niedrigeren kritischen Stromwert aufweisenden Josephson-Kontakts ausgewählten Elemente angekoppelt ist.

4. Supraleitungskontaktbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein erster und ein zweiter der Josephson-Kontakte (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) so in Reihe geschaltet sind, daß ein Josephson-Strom, der in einem ersten Josephson-Kontakt (5a, 15a, 25a, 45a, 55a, 71a, 84a, 97a) fließt, und ein weiterer Strom, der durch den zweiten Josephson-Kontakt (5b, 15b, 25b, 45b, 55b, 71b, 84b, 97b) entweder durch magnetischen Fluß, der über einen Koppelteil (6, 16, 26, 46, 56, 80, 82) gekoppelt wird, oder durch elektromagnetische Kopplung über eine durch den zweiten Josephson-Kontakt (5b, 15b, 25b, 45b, 55b, 71b, 84b, 97b) emittierte elektromagnetische Welle in dem ersten Josephson- Kontakt (5a, 15a, 25a, 45a, 55a, 71a, 84a, 97a) induziert wird, verschiedene relative Phasen aufweisen.

5. Supraleitungskontaktbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Josephson-Ströme der Josephson-Kontakte (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) gegenphasig gekoppelt werden und die Josephson-Kontakte (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) in Reihe geschaltet werden, indem zwei schichtartige Josephson-Kontakte über einen Koppelteil (7, 17, 27, 47, 57, 71c, 77c, 82, 87c) hinweg nebeneinander angeordnet werden und jeder schichtartige Josephson-Kontakt durch Verschichten einer unteren Elektrode, einer Sperrschicht (2a, 2b, 12a, 12b, 89) aus einem Dielektrikum oder einem Leiter und einer oberen Elektrode ausgebildet wird.

6. Supraleitungskontaktbauelement nach Anspruch 5, wobei eine reflektierende Wand (19, 86), die entweder einen Supraleiter oder einen Josephson-Kontakt (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) umfaßt, insofern um die Josephson- Kontakte (5a,- 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) und um den Koppelteil (7, 17, 27, 47, 57, 71c, 77c, 82, 87c) herum bereitgestellt wird, als die obere Fläche der besagten Wand höher als die Sperrschicht (2a, 2b, 12a, 12b, 89) positioniert ist.

7. Supraleitungskontaktbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Elektrode (3a, 13a, 51a, 78a, 98) eines ersten Josephson-Kontakts (5a, 15a, 25a, 45a, 55a, 71a, 84a, 97a) und eine Elektrode (3b, 13b, 51b, 78b, 98b) eines zweiten Josephson-Kontakts (5b, 15b, 25b, 45b, 55b, 71b, 84b, 97b) in Reihe geschaltet sind, wobei der erste und der zweite Josephson-Kontakt (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) einen ersten bzw. einen zweiten Josephson-Strom aufweisen, wobei der erste und der zweite Josephson-Strom gegenphasig durch den Koppelteil (7, 17, 27, 47, 57, 71c, 77c, 82, 87c) gekoppelt werden.

8. Supraleitungskontaktbauelement nach Anspruch 7, wobei ein supraleitender Abschirmfilm (50, 95 oder 96) über ein Dielektrikum hinweg bereitgestellt wird, wobei das Dielektrikum die Josephson-Kontakte (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) und den Koppelteil (7, 17, 27, 47, 57, 71c, 77c, 82, 87c) umgibt.

9. Supraleitungskontaktbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei erste und zweite schwach verbundene Josephson-Kontakte (55a, 55b, 97a, 97b) nebeneinander auf einem Substrat (54, 94) ausgebildet und durch einen Koppelteil (57, 98c) getrennt sind, wobei der erste und der zweite Kontakt (55a, 55b, 97a, 97b) erste bzw. zweite Elektroden (51a, 51b, 98a, 98b) aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, wobei der erste und der zweite Kontakt (55a, 55b, 97a, 97b) einen ersten bzw. einen zweiten Josephson-Strom aufweisen, wobei der erste und der zweite Josephson-Strom gegenphasig durch den Koppelteil (57, 98c) gekoppelt werden.

10. Supraleitungskontaktbauelement nach Anspruch 9, wobei eine supraleitende reflektierende Wand (86) über ein Dielektrikum auf mindestens einem Element der Gruppe bestehend aus einer Unterseite, einer Oberseite und einer Seite der beiden schwach verbundenen Josephson-Kontakte (55a, 55b, 97a, 97b), einschließlich des Koppelteils (98c), hinweg ausgebildet wird.

11. Supraleitungskontaktbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei entweder ein externer Kondensator oder ein externer Widerstand mindestens einem der Josephson-Kontakte (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) elektrisch parallel geschaltet ist.

12. Supraleitungskontaktbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens einer der Josephson-Kontakte (5a, 5b, 15a, 15b, 25a, 25b, 45a, 45b, 55a, 55b, 71a, 71b, 84a, 84b, 97a, 97b) Elektroden aufweist, die aus einem Oxid-Supraleiter zusammengesetzt sind.