JP2000515322A - Emitter and / or detector element for radiation of submillimeter wave radiation and method of manufacturing the same - Google Patents

Emitter and / or detector element for radiation of submillimeter wave radiation and method of manufacturing the same

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JP2000515322A JP10506463A JP50646398A JP2000515322A JP 2000515322 A JP2000515322 A JP 2000515322A JP 10506463 A JP10506463 A JP 10506463A JP 50646398 A JP50646398 A JP 50646398A JP 2000515322 A JP2000515322 A JP 2000515322A
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Abstract

(57)【要約】 超伝導性電子素子はサブミリ波領域の電磁放射のためのエミッタ及び／又はデイテクタとしての特定の特性を示す。これは高温超伝導体の薄い膜上に形成されるマイクロブリッジ（ウエブ）の平面ネットワークからなる。後者のネットワークは基板表面に垂直であるか角度θ（１°＜θ＜８９°）の角度で傾斜したＣｕＯ2面を有する基板上に気相成長させる。このようにして各マイクロブリッジは、その上面に順次配列される真性ジョセフソン接合の直列積層を含む。各マイクロブリッジ間の超伝導性接続（直列及び並列）も同様である。それによって、放射スペースへのインピーダンス適合及び放射電力の最大化に関して回路パラメータの最適化が可能となる。電子制御の外部媒体を介して放射領域の周波数及び強度が影響を受ける。例えば、変調される。特に、この素子によって、赤外とマイクロ波領域との間の周波数領域は、中断なくカバーされる。ここでの記載は、電磁輻射の放出及び検出の双方を含み（図９）、いくつかの素子の用途を例示している。 (57) Abstract Superconducting electronic devices exhibit certain properties as emitters and / or detectors for electromagnetic radiation in the submillimeter wave range. It consists of a planar network of microbridges (webs) formed on a thin film of high-temperature superconductor. The latter network is grown on a substrate having a CuO 2 plane perpendicular to the substrate surface or inclined at an angle θ (1 ° <θ <89 °). Thus, each microbridge includes a series stack of intrinsic Josephson junctions sequentially arranged on its upper surface. The same is true of the superconductive connections (series and parallel) between each microbridge. This allows optimization of the circuit parameters with respect to impedance matching to the radiation space and maximization of the radiation power. The frequency and intensity of the radiation region are affected via an external electronically controlled medium. For example, it is modulated. In particular, this element covers the frequency range between the infrared and the microwave range without interruption. The description herein includes both emission and detection of electromagnetic radiation (FIG. 9) and illustrates the use of some devices.

Description

【発明の詳細な説明】 サブミリ波放射の放射用エミッタ及び／又はディテクタ素子並びにその製造方法 本発明の適応分野 本発明は、超伝導性素子、製造技術及び適用分野に関し、特に、サブミリ範囲 のためのエミッタ及び／又はディテクタの新しいタイプとそのあらゆる適用に関 する。 公知の技術的解決の特徴 １．通常のジョセフソン接合の配列 変化可能なマイクロ波エミッタ及びディテクタとしてのジョセンフソン接合の 実用性の最初の発見は、B．Josephson及びS．Shapiroの初期の業績に立ち戻る。 単一のジョセフソン接合が非常に低いパワーを放射し、実用的なマイクロ波放射 器としての適用に関してはあまりにも広い分光分配を示すものであったと理解さ れていた。また、これらの欠点はジョセンフソン接合の直列積層の使用によって 克服することができることが知られていた(Jain et al．1984;Bindslev,Hansen and Lindelof 1984;Lukens 1990)。ジョセフソン接合間の結合が十分に強いと、 全ての接合のコヒーレントな放射線(radiation)放出の効果によって自己同期（ セルフシンクロナイゼーション）が生じる(Lukens 1990;Konopka 1994)。可能な 結合メカニズム及び結合強度はすでに詳細に検討されている(Jain et al．Luken s 1990)。この結晶積層から放出される電磁放射線のライン幅は、この配列にお けるジョセフソン接合の数が増加するのと同様に減少する。ジョセフソン接合の 数が多いと、ライン幅を非常に小さいものとすることができる(Lukens 1990;Wie senfeld et al．1994;Konopka 1994)。 放出される放射線又は輻射線のパワーは、ジョセフソン接合の数とともに増加 し、大きな構成においてはかなりなものとなり（Ｐ≧１ ｍＷ）、多くの実用的 用途を満たす(Bindeslev，Hansen and Lindelof 1984;Jain et al．1984;Konopk a et al．1994;Wiesenfeld et al．1994)。負荷抵抗、例えばフリースペースに 対するインピーダンスの良好な適合が達成されることが重要である。何故 ならば、ラディエイションすなわち放射線の大部分がその素子を離れず、複数の 反射によって内部でむしろ使用されるからである。 また、接合部における種々のロスメカニズムについて考えるべきである。例え ば、接合キャパシタンスは高周波数ではパワーロスに応答することになる（Luke ns 1990；Wiesenfeld et al．1994）。これは可能な限りジョセフソン接合領域 を小さく使用する方向であることを指摘している。また、小さな接合領域はノイ ズの減少および分光ライン幅の減少に好ましい（Kunkel and Siegel 1994;Konop ka 1994）。この接合を流れる電流は接合幅Ｗおよびジョセフソン貫通深さλjと の間にｗ≧４j,が存在するや不均一となる（Kunkel and Siegel 1994）。最適な 位相同期のためには臨界電流（ＩＣ）がすべてのジョセフソン接合を通して同様 である必要がある。一般に、少なくとも５％（Konopka 1994）の均一性がリニア な直列積層においては必要とされる。 上述した今までのストリンジェントな要求は幾分緩和することができる。但し 、トランスミッションラインに沿って、すなわち伝送ラインに沿って等距離のジ ョセフソン接合の分配配列が選ばれるという条件である。しかしながら、これを 行うに当たって、ジョセフソン接合と選択された放射波長との間のインターバル は一致する必要がある（kukens 1990;Han et al．1994）。明らかに、これを行 う当たっては、放射周波数の可変性が本質的に増加するエミッションパワーのた めに強く省略される。 ジョセフソン接合の配列に関しては、多くの実験的研究が行われており、いく つかの注目すべき結果が得られている。それらのほとんどはＮｂ／Ａｌ−ＡｌＯ ｘ／Ｎｂの３層構造である通常の超伝導体を低い臨界温度で使用することに基づ いている。完全な位相同期の１００のジョセフソン接合のリニア構成において示 された（han et al．1993）。ある場合には、ブロードなバンドのアンテナ（例 えば本質的に螺旋形をなすアンテナおよび同等物）がチップ状に一体化され、フ リースペースへの放射線の放射が測定された。他の場合では、他のジョセフソン 接合がディテクタとして伝送ラインを介して放射エミッタの構成に結合された。 最善の結果が得られるいくつかは次の通りである。周波数ｖ＝４００〜５００Ｇ Ｈｚの周波数においてＰ＝５０μｗのエミッション（放出）が５００のジョセフ ソン接合の分配配列において示された（Han et al．1994）。他の回路では（１ ０×１０の接合構成）ではΔｖ＝１０ＫＨｚ可変性ｖ＝５３〜２３０ＧＨｚのラ イン幅を有するほうラジェーション（放射）が測定された（Booi and Benz1994 ）。１９８６年ベトノーツおよびＫ.Ａ.ミュラーらによるＬａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ 中の高温超伝導体の発見によって、同様の銅酸化物（cuprate）の化合物の臨界 温度のＴｃ＞１６０Ｋまでの上昇により、液体窒素およびそれ以上の温度におい て超伝導性電子技術における著しい期待がおきた。実に、それからは多くの世界 的な研究所においてこれらの新しい材料を使用したジョセフソン接合が種々の異 なった技術に基づいて製造された。高温超伝導体における人工的なジョセフソン 接合におけるジョセフソン接合交流の結果としての放射線放出を測定して分析さ れた（Kunkel and Siegel 1994）。同一の研究においてｖ＝８０−５００ＧＨｚ の広い周波数バンドにわたってステップ結合において位相同期が示された。比較 的大きな構成（配列においては４個まで）のジョセフソン接合は部分的に可能で あって位相同期も不安定なものであった（Konopka 1994）。その理由は高温超伝 導ジョセフソン接合におけるステップ接合のタイプが不均一（異質）なものであ る結果であることがわかった。そこでは±５０％までの臨界電流の可変性が現わ れた（Konopka 1994）。他の研究においては、５および１０のジョセフソン接合 （隣接配置されたステップ接合からなる）の配列が調査され、部分的な位相同期 および非常に低い放射パワーが見られた（Kunkel and Siegel 1994）。グループ として配列されるジョセフソン接合の有望な将来的用途に関し、予測されれてき た。例えば、ＧＨｚおよびＴＨｚの領域における放射線の発生器およびディテク タとしての適用が予言された（Jain et al．1984）。特に重い分子の電波天文学 および電波分光学において行われた（Konopka 1994）。また、電圧基準において も行われた（Ono et al．1995）。現在までこれらのすべての用途は上述した困 難性のために実際的な様式では実現されてはいない。一般に分光学的用途におい ては連続的な可変性を有する０.１〜１ｍＷの放射パワーが要求されるという立 場からはじめられる。そして、これでさえも未だ実現されていない(Konopka et al.1994)。 米国特許第３,７２５,２１３号に記載のものは超伝導性バリヤー素子およびそ の製造技術であって、他の目的の上に、ミリ波およびサブミリ波放射のための発 生器およびディテクタとして適当であることが言及されており、超伝導性材料の 粒子状構造を基礎としている。より高い放射パワーおよび／またはより高い感度 が結晶粒子間における多くのジョセフソン接合の統括によって起こるべきである が、再現可能な製造、電子的な制御、位相同期または真空に適合インピーダンス という点で可能性がない。この素子は電流−インパルス誘導磁場によって常導電 性と超導電性の２つの状態間でスイッチされるが、放出される放射周波数の制御 は磁場依存性のエネルギーギャップによっては行われていない。 米国特許第４,８３７,６４０号に記載のものはジョセフソン接合の垂直方向の 直列積層の直列接合を使用している超伝導性素子である。３つの電気的コンタク トを有するスイッチとして構成されており、簡単なジョセフソン接合と、アナロ グおよびディジタルスイッチング構成におけるそのような接合の横方向への構成 とが交互に接続されるとしており、放射線放出はこの素子の目的ではなく、この 技術によってそのような目的が達成できるようにはなっていない。 米国特許５,１１４,９１２号に記載のものは、平坦な面に配置されたジョセフ ソン接合の構成に基づく高周波オシレイターである。このオシレイターは直流電 源によって励起され、その周波数はこの直流によって変化させることができる。 インピーダンス適合は平坦な構成におけるジョセフソン接合の数の選択および適 当な分路抵抗の接続によって達成される。ある適温においては可変性の直流／交 流コンバータがＧＨｚ領域、ＴＨｚ周波数までで用いられでいる。 この素子の１つの欠点はチップ状に隣接配置されるジョセフソン接合の二次元 的な平面配列という制限にある。この種の幾何学的配列はジョセフソン接合の可 能な最大数に対して無視制限を与える。特に、独立の接合の最小領域はホトリソ グラフの性能的可能性のために約１μｍ2である。均一性の要求は高く、かなり の臨界電流が必要とされる（最適パワーのためには１ｍＡ以下でない）、それら は低い接合抵抗を有するコンダクターに対して要求されなければならない。他方 、位相同期に対する要求によって素子の長手方向の長さは約λ／４、この値は１ ＴＨｚの周波数にとっては約７５μｍのところにある。この接合間のスペースが 非常に小さいものであるならば、１〜２０００までのそのような独立した素子を 持 ってと考えることができる。１０×１０＝１００の接合の配列は実現できる。既 に説明したように、この種の素子設計は、興味ある適用に必要な０．１〜１ｍＷ の最小パワーを供給できない。本発明に係る設計によってジョセフソン接合のよ り高い充填密度が可能であり、高い放出パワーが期待でき、それに基づいてフラ ット（平面的）配列をもって実現できない複数の用途が可能となってくる。 欧州特許第４４６１４６号に記載のものは３層構造のジョセフソン接合であっ て、両側にはＬｙＢａ2Ｃｕ3Ｏ4（但し、Ｌｙまたは希土類金属で、ｙは６＞ｙ ≦７）からなる超伝導性電極が示されている。ここでは超伝導性でないバリヤー はＢｉ2ＹxＳｒyＣｕ2Ｏw、０≦ｘ≦２、１≦ｙ≦３、および１≦ｚ≦３、６≦ ｗ≦１３から構成されている。しかしながら、素子の特性（例えばＩｃ、Ｒｎ、 Ｉ−Ｖ特性曲線およびマイクロ波変調）については記載がなく、横方向または垂 直方向の積層構造およびそれらの用途についても記載がない。 放出または検知される放射周波数の磁力制御方法はヨーロッパ特許第５１３５ ５７号に記載されており、そこでは発明に係る素子はジョセフソン接合の垂直方 向の直列積層からなり、そのジョセフソン接合は横方向に適用されるガルバニッ ク接合が示されている。隣接する超伝導体／バリヤー／超伝導体構造（ＳＩＳ構 造）の各対には他の超伝導層が設けられており、この超伝導層は絶縁層によって 隣接する超伝導接合から両側において分離されている。この層は独立した素子を 制御する機能を持っており、側方へのコンタクト（米国特許第３,７２５,２１３ 号参照）を介してこのコントロール層を通して電流を流すことによりジョセフソ ン接合のエネルギーギャップに影響を与える磁場を発生させるといわれている。 この素子においては数個の欠点があり、実現を不可能にするものである。１つ は公知の材料特性の骨組みおよび利用可能なマイクロハブリケーション技術に関 するものである。 特に、（ｉ）その製造には垂直方向に成長させるジョセフソン接合の２つの積 層構造における対向する両側の側面における絶縁性フィルムを約０.０１μの幅 の超伝導性コンタクトを形成する必要があり、現在このような技術はない。 （ii）さらに高温超伝導体におけるエネルギーギャップを減少させるに必要な 高磁場強度を発生させるための高い電流を支持することができる幾何学的な素子 寸法内では、超伝導体は知られていない。 （iii）特定の制御層の磁場が１以上のジョセフソン接合に影響を与える必要 があり、これによって数個のジョセフソン接合間で望まれないクロストークに導 かれる。 （iv）その放射パワーは多くの適用にとってはあまりに低いものである。何故 ならば、フリーペースに適合するインピーダンスのジョセフソン接合の回路最適 化が行われないからである。 銅酸化物超伝導体におけるジョセフソン接合の自然な直列積層 １９８６年のＪ.Ｇ．ベトノーツおよびＫ.Ａ．ミュラーらの超伝導体への最初 の発表ではＬａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏはその非加圧的な層構造のために準二次元的な 超伝導体である。次にこの仮説は種々のカプレイト(cuprate)の超伝導体（例え ば、e.g．Bozovic 1991）における数々の実験結果によって確認された。それに よって１つのユニットセルの厚みにおけるＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8の膜における 超伝導体の発見に至った（Buzovic et al．1994）。さらに、Ｃ軸（ＣｕＯ2層に 垂直）に沿った臨界電流はＣｕＯ2面に平行な方向より低く、それはゼロでなく 、すなわち超電流がＣ軸の方向に完全に流れることができる。しかしながら、こ れは平面的な二次元超伝導性ロットがジョセフソントンネルによって上手く結合 されている特性であるのがわかる。 言い換えれば、カプレイト超伝導体は６〜２５Åの間隔で自然な（真性）のジ ョセフソン接合の直列積層であると考えることができる。ジョセフソン接合の超 伝導性層の直列積層に関する理論的なモデルは２５年前に発表されている（by L awrence and Doniach 1971）。このモデルの予言は非リニアな電流／電圧（Ｉ− Ｖ）曲線、マイクロウェーブ−放射−誘導Ｉ−Ｖステップ（Shapiroステップ） およびマイクロウェーブ放出（直流電圧適用）に関するものである。 現実にこれらの特性の全てはカプレイト超伝導体で観測されており、最初はＢ ｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8であり、その次は（ＰｂyＢ1-y）2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8，Ｔ ｌ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ10等で（Kleiner and Muller 1994；Muller 1994，1996） さらにRegi et al．1994，lrie et al．1994並びにSchmidt et al．1995並びにY asuda et al．1996）のグループの観測が得られている。 さらにTanabe et al．1996，Yurgens et al．1996，Seidel et al．1996，Xia o et al．1996の観測が得られている。これらの結果のほとんどは小さな単結晶 においてであって、単結晶または薄い膜のメサ構造においてエッチングされてい た（Schlenga et al．1995）。ある場合には１０００以上のジョセフソン接合の 位相同期が行われた（Schlenga et al．1995）。しかしながら、一般にＩ−Ｖ特 性曲線における複数の分枝によって示されるように部分的なものである（現状ま での研究において）。特に、ジョセフソン接合が１つの積層に属するものである ときは全く理想的なものでなく、すなわち、それらの臨界電流は接合ごとに異な っているので、電流が増加するや否や特性曲線における同一地点での通常の伝導 状態にホールバック（fall back）しない。その結果、放射放出がコヒーレント な（狭いバンドの）放射重ね合わせが生じる必要があり、これらは観測されてい る(Schlenga et al．1995，Muller 1996)。ジョセフソン接合の特性におけるこ れらの差異は、不完全な結晶の成長およびメサ構造を規定するためのリソグラフ 方法により生じるもので、これらはまたメサ構造の断面領域における差異に導か れる。現在まで放出される放射線の最高の周波数はｖ＝９５ＧＨｚのところにあ るが、これらは不十分な研究所における検知技術の結果である（Muller 1996） 。現在まで、サブミリ放射のエミッタとして使用できる多くの指示が行われてい るが（Schlenga 1995）、現在まで実用的な素子または装置については発表がな い。 薄いカプレイトフィルムにおいてはこのようなメサ構造は非リニアなＩ−Ｖ特 性カープを示したけれどもシャピロステップだけでなくヒステリシスがマイクロ 波放射によって誘発され、らマイクロ波放出およびＩ−Ｖ特性曲線並びにこれら のメサ構造の他の特性が，ジョセフソン接合の位相同期された直列積層のそれら のかなり背後に残存する。特に、放出されるマイクロ波のパワーはｐＷレンジに のみ存在し、それらはこのような直列積層が実際的な用途に興味あるものである ということを意味していない。 このための３つの主要な理由は次の通りである。 （ａ）ジョセフソン接合はＩCおよびＲNの値に関して均一でない。 （ｂ）ジョセフソン接合の面積は一般に非常に大きく、典型的には約３０× ３０μｍ2＝１０-5である。 （ｃ）この素子はフリースペースに適合するインピーダンスに関して最適化で きていない。 上記（ａ）および（ｂ）の結果として、位相同期が不完全でかつ不安定であっ てランダムであるからである。自然なジョセフソン接合はカプレイトの超伝導体 中に見られるが、Ｃ軸方向に相対的に高い臨界電流密度を示す（１０-4〜１０-6 Ａ／cm2）、そのためこのような接合はかなり高い臨界電流、すなわち１００ｍ Ａおよびそれ以上となる大きなジョセフソン接合は多くの複合励起モード、両方 向に流れる超電流、フラクソン(fluxon)ムーブメント等を示す。これら問題は知 られているけれども上述したグループの科学者たちはあまりにも電気抵抗が高い ためこの接合面積を本質的に減少させる立場にない。あまりにも高い接合抵抗は 直列積層部かなり加熱することになり、それによって位相同期がかなり難しくな り、そして臨界電流が不均一となる。この非常な状態ではジョセフソン接合は溶 解する。 ３．a軸配向を有する高温超伝導から製造した薄膜 新しい種類の素子に変換するために適当な現実の発達は薄くて高温のカプレイ ト超伝導体を成長させる技術にあり、そこでは、そのＣｕＯ2面は基板に対して 平行に配置されない。事実これらは基板に対して完全に垂直な状態にあって、我 々はａ軸配向フィルムとしてこの種の薄膜を指定することを望んでいる。この名 前は単結晶フィルムがそのａ軸が基板の表面に対して垂直となるように基板に対 するエピタキシャル（気相成長）関係に成長させる特定の場合に由来している。 我々はｃ軸が基板表面に対して平行に走る限り、すなわちＣｕＯ2面が基板表面 対して垂直に立つ限りそのａ軸が任意に傾斜する場合だけでなく、ｂ軸が基板に 対して垂直である場合（ａ≠ｂである斜方晶）とこの場合とを識別することを望 んでいない。 同様の通常許容される分類（不正確な分類ではあるけれど）を用いることによ り、エピタキシャル配向の全体を要約すると、ＣｕＯ２面が基板との角度差とし て９０°または０°を取るところは「傾斜したａ軸フィルム」の概念にある。細 かく区別することおよびより正確な記載は完全には可能である。例えば、基板 表面（薄膜が形成される面のミラー指数の概念および薄膜面のミラー指数の概念 を使用することによって可能である。しかしながら、ここでの議論では必要とし ない。 高温超伝導体の製造される高品位の薄膜の大部分はｃ軸配向を持っている（そ のＣｕＯ2面は基板表面に対して平行である）。この原因は層状を成すカプレイ トの物理的特性である強い異方性である。これは結晶方向の異なる成長速度を含 んでいる。これにも拘わらず、ａ軸配向したおよび傾斜したａ軸フィルムの成長 に向かってかなりの努力が行われており、３層のジョセフソン接合に対するａ軸 方向において本質的に大きなコヒーレンス長さの開発が行われている。次の文献 はこのジャンルにおける最も成功した成長実験に関するものである。 ４５°傾斜したＣｕＯ2面を有するＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8の薄膜は（１１０ ）方向から５°変位したＳｒＴｉＯ3基板上にマグネトロンスパッタリングする 技術によって形成されてきた。同一の特性およびバッファ層を追加したＭｇＯ基 板は使用状態にあった（Tanimura et al．1993）。この望ましい傾斜したａ軸配 向がＲＨＥＥＤ（リフレクション・ハイ・エネルギー・エレクトロン・ディフラ クション）およびＴＥＭ（トランスミッション・エレクトロン・マイクロスコー ピー）を用いた断面写真および測定用トランスポート(transport)特性によって 示された。 本質的に完全ａ軸配向したＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ2膜は（１００）配向したＬａＳｒ ＣａＯ4基板上でＰｒＢａ2Ｃｕ3Ｏ7のバッファー層を用いて単一ターゲットのス パッタリングを行うことによって製造することができる（Suzuki et al．1993） 。Ｎｄ1+xＢａ2-xＣｕ3Ｏ7-bの同様に配向したフィルムは（１００）配向したＳ ｒＴｉＯ3基板上にレーザ蒸着技術を使用して直接配置することかできる。この 場合、成長パラメータの正しいセッティングを行うように注意する必要がある（ Badaye et al．1995）。これらの実施例はカプレイト超伝導体から高品質のａ軸 配向および傾斜したａ軸層を技術的に製造することを可能としていることを示し ている。本発明の具体例は、上記事実に基づいている。 発明の目的 本発明の目的は公知の解決技術の有する不利益および困難性をなくすることに よって、上述した不利益を避けることをできる素子を改良することにある。 さらに本発明の目的は、平面（二次元配列のジョセフソン接合を直列積層し、 複数同時使用することによってサブミリ波領域における電磁輻射線のための放射 エミッタおよびディテクタを製造し、マイクロ波の発生またはマイクロ波放射の 検出のための感度をかなり増加させようとするものである。 本発明の他の目的は、放射線を吸収するスペースに適合したインピーダンスを 得ることができるようなインピーダンスをもったサブミリ波領域の放射線エミッ タの新しい種類を製造し、それによって放射パワーを最大にすることを目的とす る。 本発明の他の目的は、数ＴＨｚまでに到達するサブミリ波バンド内において非 常に狭い放出ライン幅（放射周波数の１００万／１以下）を示すサブミリ波領域 における放射エミッタを製造することにある。 広い分光範囲にわたってエミッション周波数および／またはディテクタ周波数 を連続的に変化させるための電子制御を備えたサブミリ波領域の輻射線エミッタ およびディテクタを製造することにある。 放出されるマイクロ波輻射線が電気的に延長でき、かつまたスイッチングする ことができるサブミリ領域の輻射線エミッタおよびディテクタを製造し、超伝導 体エレクトロニクスにおける高速電子スイッチに適当な素子を提供することにあ る。 本発明の他の目的は、異なる周波数または電気的に可変なかつ制御された周波 数と連携してエミッションおよびディクションの機能が各々独立してしている放 射線エミッタおよびディテクタを製作することを目的とする。 本発明の他の目的は、外部電子手段を介してエミッションとディクションのモ ードが反転するサブミリ領域の放射線エミッタおよびディテクタを製作すること を目的とする。 本発明の他の目的は、超伝導体／半導体ハイブリッド回路に内蔵されるに適す るサブミリ領域の放射線エミッタおよびディテクタを製造することを目的とする 。 発明の概要 これらの目的は（自然な）ジョセフソン接合の直接積層を有する超伝導性マイ クロブリッジの二次元配列に関する発明によって達成される、それによってその 配列におけるパーツは所定の方法でグループ分けされ、互いに直列または並列に 接続され、コンタクトを介して外部電子制御ユニットによって駆動することがで きる。特に、そのタスクは請求項１および１３の特徴的部分を介して解決される 。有利な構成および適用は請求項２〜１２および請求項１０〜１９によって与え られる。 図面の簡単な説明 本発明は具体的な実施例によって明らかにされる。添付の図面は次の通りであ る。 図１はＣｕＯ2面を含む高温超伝導体の結晶の単位セルを示すものである。 図２は高温超伝導体のａ軸配向膜を示すものである。そのＣｕＯ2面は基板に 対して垂直になっている。 図３は傾斜したａ軸を有する高温超伝導体の薄膜を示すもので、そのＣｕＯ2 面は基板に対して角度θ傾斜している。 図４Ａはａ軸配向した成長方向を有する高温超伝導体から製造されたマイクロ ブリッジを示す。 図４Ｂは図４Ａに示された素子の等価回路を示す。これはジョセフソン接合が 簡単なリニア（直列配列している）。 図５は傾斜したａ軸配向成長方向を有する高温超伝導体から製造されたマイク ロブリッジを示す。この等価回路は図４Ｂに対応する。 図６Ａはジョセフソン接合の直接積層を含むマイクロブリッジの並列構成を示 し、エピタキシャル成長させたａ軸または傾斜したａ軸膜を化学的またはイオン エッチングしたトレンチを形成し、マイクロブリッジは互いに電気的に絶縁され ている。 図６Ｂは図６Ａの等価回路で、二組のリニアな直列積層のジョセフソン接合の 並列回路である。 図７Ａは１０個のマイクロブリッジを各々の場合が有する３つの同一グループ （クラスタ）の並列回路を示す。 図７Ｂは図７Ａの素子の等価回路図である。 図８はストライプ状コンダクタに沿ってジョセフソン接合の直列積層を含むマ イクロブリッジの数個のグループの構成を示す。そのエミッタの独立したセグメ ント間の距離はこの構造内の電磁放射線の波長λに対応する。 図９は本発明に係る素子の基本的な構成を示し、薄い超伝導性エピタキシャル フィルム内に並列接続されたマイクロブリッジ（ウェブ）の二次元的な横方向構 成を含む、（ａ）はマイクロブリッジで、基板に届くトレンチ（ｂ）によって互 いに分離されている。このようにしてマイクロブリッジおよび/またはマイクロ ブリッジのグループの通る電流の舵取りを行う。各々のマイクロブリッジは図２ および図３に示された構成を意味するジョセフソン接合の直列積層を含む。電気 的な接続（ｃ）および（ｄ）は外部制御回路（ｅ）との接続を行う。 本発明を以下に示す本発明に係る素子の具体例に基づいて詳細に説明する。そ の素子の構造は基本的なユニット構造であって、すなわちジョセフソン接合のリ ニアな直列積層であって、高温超伝導体の高品質の薄膜に形成され、それによっ てその薄膜は基板に対して特別なエピタキシャル関係を有している。 １．ａ軸配向および傾斜したａ軸配向の薄膜内のマイクロブリッジ 図１には、公知のキプレート超伝導体の結晶単位セルを示し、細長い平行六面 体を成し、側方の長さはａ≡ｂ≡３.８Åで、ｃ＞ａ,ｂである。例えば、Ｌａ1. 85 ＳｒO.15ＣｕＯ4ではｃ≡６.５Åである。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7ではｃ≡１１.７Å である。Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8ではｃ≡１５.４Å等である。より詳しくは、 Ｌａ1.85ＳｒO.15ＣｕＯ4およびＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8ではｃ軸の周期性は滑 り面の利用によって２倍になっている。この事実は本発明の議論では全く意味の ないものである。また、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7でのａ≠ｂを有するわずかに斜方晶の 歪みに対して同じことが言える。 今日までの考え得られる全ての高温超伝導体は基板に対して垂直なｃ軸をもっ て成長されてきた（要するにこれらはｃ軸配向ＨＴＳ膜として記載されてきた。 ）これは最も通常のエピタキシャル関係であって、もし高温超伝導体が例えば（ １００）切断ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3の格子整合基板上に成長させるときに通 常現われるものである。この場合、すべてのＣｕＯ2面は基板の主要面に対して 平行になっている。 それにも拘わらず、特別の切断が行われた基板が使用されると、他のエキタピ シャル構成を達成することができ、そこではＣｕＯ2面は基板の主要面に対して 垂直を成す。このような場合、上記カプレート超伝導体のａ軸（または全くおな じ方向ではｂ軸）基板の主要面に対して垂直に構成され、図２に示されるように なる。このような高温超伝導体に薄膜は要するにａ軸配向ＨＴＳ膜として記載さ れている。 このような配向を達成する１つの方法は次の通りである。（ここではＬａ1.55 Ｓｉ0.15ＣｕＯ4が選択され、そこではａ≡３.８Åでｃ≡６.５Åである）。 基板およびその切断面（すなわち基板の表面の磨き方向または配向性）は表面 の周期性が３.８Å×６.５Åとなるように選択される。成膜は基板に対して垂直 なａ軸をもって行う。他の観点は、上記膜および基板のカチオンとアニオンの間 にある有効なコンタクトの数である。これはエネルギーとの関係式に基づいて界 面における影響が仮定される。各々異なった高温超伝導体に対しては、通常異な った基板または少なくとも基板切断面が必要となる。 本発明の目的のためには、このような基板または基板切断が数種のカプレイト 高温超伝導体に対して見出されており、事実Ｌａ1.55ＳｉO.15ＣｕＯ4およびＹ Ｂａ2Ｃｕ3Ｏ7の材料に対しては完全なエピタキシャルａ軸成長が示されている （Suzuki et al．1993，Badaye et al.1995）。 本発明の他の実施例では、他の可能なエピタキシャル関係が行われ、図３に示 されている。このためには、すべてのカプレイトフィルムＣｕＯ2面は基板に対 してある角度をもって成長させ、その角度は０°から９０°で変化する。このよ うな角度は基板の切断面に依存しており、典型的には、１°〜１０°である。そ の角度はより大きく、またより小さくすることができる。本発明の議論の目的に は、その角度は約５°とする。これにより３.８Å高さで約ｂ≡３.８×ｔａｎ８ ５°Åの間隔をもった上記基板上のステップの存在が必要となる。そのような傾 斜したａ軸配向のＨＴＳ膜のエピタキシャル成長はすでに行われている（Tanimu ra et al．1992，Kataokaa et al．1993）。 既に説明したように高温カプレイト超伝導体、例えばＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8 、Ｔｉ2Ｂａ2Ｃａ2Ｃｕ3Ｏ1O、ＨｇＢａ2ＣａＣｕ2ＯO.2、Ｌａ1.85ＳｒO.1 5 ＣｕＯ4等ではＳＩＳまたはＳＩＮＩＳ型の天然超伝導性超格子を示す。上記薄 膜の上述した配向の１つを用いると、図４Ａおよび図５に示される種類の簡単な マイクロブリッジが形成できる。従って、ジョセフソン接合の直列積層が形成で きる。マイクロブリッジにおけるこのような直列積層は本発明に係る素子の基本 的構造である。しかしながら、素子の最適性能を設定するためには次に記載する ように１つの超伝導性アレイ（配列）の中に数個のこのようなマイクロブリッジ を互いに接合する必要がある。 ２．マイクロブリッジの接合：回路最適化 まず、単一のジョセフソン接合直列積層が考えられる。単一の接合を通る最大 許容臨界電流は約Ｉc≡１ｍＡである。より値が大きくなると、特別のフロー状 態の結果、非常に変形した電流電圧特性曲線となる。このジョセフソン接合は電 流があらゆる面に流れるロングジャンクション（接合）のように挙動する。例え ば、ＩcＲ＝１０ｍＶおよびＩc＝１ｍＡではＲ＝１０Ωの電気抵抗としては典型 的な下限値が得られる。この素子の真空へのインピーダンス適合にはＲTOT＝Ｎ Ｒ≡３００Ωの全抵抗を必要とする。Ｒ＝１０Ωの場合、メサ構造の直列積層と なるジョセフソン接合の数の値はＮ＝３０となる。Ｉcが１ｍＡより低いとＲの 値はなお大きな値となって、それによってＮの値は比較的低い値となる。その結 果、Ｎのこの値は真空に対するインピーダンス適合によって単一のメサ構造では 下限となるであろう。 同様にこの接合の幾何学的寸法は上記値を持つ場合すでに達成されている。 ｊc＝１０4Ａ／cm2の場合、ジョセフソン接合の表面面積はＩc＝１ｍＡとなる。 Ａ＝Ｉc／ｊc＝１０-3Ａ／１０4Ａ／ｍ2＝１０-7cm2＝１０μｍ2 もし、２次ジョセフソン接合を用いると、エッジ長さは３μｍとすべきである 。ｊc＝１０4Ａ／cm2のこの値はＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8のような高温超伝導材 料の異方性のものにおける自然なジョセフソン接合に関連している。より異方性 が少ない高温超伝導化合物ではｊcはより高い値を取る（ＹＢ2Ｃｕ3Ｏ7では１０6 Ａ／cm2までである）、それによってより低いコンタクトの断面積を達成するこ とができる。 このような簡単な直列積層の出力はそれにも拘わらず非常に控えめなものであ る。 ＰMAX OUT＝1/8NIc 2R＝(1/8)×30×106×10Ａ2Ω＝5×10-4ｍＷ メサ構造の直列および並列接続グループを有する複雑なシステムを使用すると より大きな放射パワーが得られる。要するに、数個の直列積層を並列に接続する ことによって（ＲTOT≡（Ｎ／Ｍ）Ｒ）、単一の接合に対してＩc MAX＝１ｍＡを 超えないで素子内を流れる全電流を上昇させるというアイデアである。全体の抵 抗の減少は各々の直列積層しかジョセフソン接合の数を上昇させることによって 容易に補償することができる。 Ｍ個の直列積層を有する並列回路において、各々の直列積層が直列接続したＮ 個のジョセフソン接合を含むと、全体の抵抗（ＲTOT≡（Ｎ／Ｍ）ＲはＲTOT＝３ ００Ω、Ｒ＝１０ΩではＮ／Ｍ＝３０またはＮ＝３０Ｍとなる。 全体の電流はＩ＝ＭＩcとなり、得られる全体のパワーは以下の通りである。 ＰTOT OUT＝(1/8)10-6×300×Ｍ2Ａ2Ω≡0.4×Ｍ2ｍＷ このように全体の放出されるパワーはＭ2に比例し、そのパワーは任意に上昇 させることができるように見える。しかしながら、配列の可能な最大サイズおよ び独立した直列積層の許容できる寸法によって制限される。 特に、ジョセフソン接合のグループ分けした配列において述べたように、約λ ／４（λは放出される電磁放射線の波長である）の距離で位相同期が達成できる 。もし、所望の放射周波数がｖ＝３ＴＨｚの場合λ＝１００μｍで、ｖ＝１ＴＨ ｚの場合λ＝３００μｍとなる。パラメータの最適化のために（例えば、真空に 対するインピーダンス適法および結晶／真空界面界面域におけるレンジ放射線の 内部反射の減少を達成するために）あらゆる方法でマイクロブリッジを電気的に 結合することが望まれる。ここではこの電気的結合は超伝導体から構成すべきで あり、弱い結合（ウィークリンクまたはウィークカップリング）の形成とすべき ではない、それによってメサ構造内のジョセフソン接合の直列積層と直列接合さ れたジョセフソン接合として働くことになる。言い換えれば、高温超伝導電極は 同種の超伝導性材料から製造されることが必要である。 直列積層だけでなくメサ構造の並列接続が実際の関連したケースでは必要とな る。次の章では方法について説明するが、この方法によってマイクロブリッジの グループ（クラスター）のまたはマイクロブリッジだけの直列積層が、既に述べ たように並列回路として存在するように、容易に達成できる。さらにまた、その ような直列積層および配列において位相ロックされたジョセフソン接合の可能な 最大数が予測できる。 実施例 リニア直列積層およびそれらの並列と直列内部連結の現実的な制限の分析を次の ようにして行った。ＩcＲ＝25ｍＶ、Ｉc MAX＝１ｍＡのときジョセフソン接合の 抵抗はＲ＝２５Ωとなる。もし真空へのインピーダンス適合性がＲTOT＝ＮＲ＝ ３００Ωと考えるならばＮは１０ないし１５に制限される。これは明らかに純粋 なａ軸配向ＨＴＳ膜に対しては好ましくない（図２、図４Ａ）。なぜならばこの ような場合マイクロブリッジの長さ（ｃ軸配向フィルムにおける前述したメス構 造にはａ軸膜におけるマイクロブリッジが選ばれる）は１５から２０オングスト ローム以下となり、通常のリソグラフプロセスにとっては小さすぎる。 この状態はａ軸配向のＨＴＳ膜に対しては改善される（図３、図５参照）、そこ では傾斜角度が比較的小さい（約５°）。ここでＮ＝１５およびｃ＝１５オング ストロームではｄ／ｔａｎθの全マイクロブリッジ長さＬを含む（ただしｄは膜 厚である）。ｄ＝１０００オングストロームおよびθ＝５°の場合ではＬ≡１０ ，０００Å＝１μｍとなりこれは現在の通常のリソグラフにとっては合理的な値 となる。またこの長さはフィルム厚みの増加とともに増加させることができる。 しかしながら側面（側方）寸法は試験する必要があり、電流密度ｉGから制限さ れる。ｃ軸配向のフィルムに対する典型的なｉｃ＝１０4Ａ／ｃｍ2である。望ま しい臨界電流ｉｃ＝１ｍＡであるときは前述した接合領域はＡ＝ｉｃ／ｊｃ＝１ ０-3／１０4ｃｍ2＝１０μｍとなる。しかしながら有効幅は傾斜角度のｔａｎで 割ったフィルム厚み、すなわちｄ／ｔａｎθに等しくなる。ｄ＝１０００Å及び θ＝５°の時はｄ／ｔａｎθ≡１μｍとなる。これはマイクロブリッジの幅が１ μｍとなるべきことを意味し、これは確実に達成できることができる。確かにこ のようなマイクロブリッジがジョセフソン接合の直列積層を含む場合には放出さ れる放射は比較的低いパワーとなり、ＰOUT＝（１／８）Ｉc 2ＲTOT＝（１／８） （１０-3）2３００Ｗ≡０．４ｍＷとなる。 このパワーを増加させるために、このようなマイクロブリッジの並列回路が要求 される。なぜならばこの場合ＰOUT＝（１／８）（Ｍｉc）2ＲTOT＝Ｍ2×０．４ ｍＷとなる。ただし、各マイクロブリッジにおける自然なジョセフソン接合の数 は真空へのインピーダンス適合の条件が完了するように調整されることを条件と する。ＲTOT＝ＲＮ／Ｍ≡３００およびＲ＝１５から３０ΩのときはＮ／Ｍ≡１ ０−２０典型的にはＮ＝１５Ｍである。 これにより図８に示すように同一のマイクロブリッジの並列構成からなる非常に 簡単な素子を形成するための出発点が与えられる。これらは化学又はイオンエッ チングを基板に施すことにより等距離のトレンチ配列を簡単に形成することによ り構成される。 Ｎ＝１５Ｍの場合はおよそＭ倍の長さのマイクロブリッジが得られる。純粋なあ 軸配向ＨＴＳ膜により１５×３００Å＝４５００Åすなわち０．４５μｍのマイ クロブリッジが得られる。この値は依然として非常に小さいものであり、技術的 に製造するのが困難である。これとは反対に傾斜したa軸配向のＨＴＳ膜のマイ クロブリッジ長さはｄ＝１０００Å、Ｎ＝３００およびθ＝５°のときに約Ｍμ ｍとなる。 ｊc＝１０4Ａ／ｃｍ2およびＩc＝１ｍＡでは接合領域はＡ＝１０μｍ2となりマ イクロブリッジ幅は約１０μｍとなる（標準的な選択ｄ＝１０００Åおよびθ＝ ５°）。このようにＭは厳格に制限されるなぜならばこの素子の全幅は放出周波 数ｖ＝３ＴＨｚ（λ＝１００μｍ）では２５μｍとなり、ｖ＝１ＴＨｚ（λ＝３ ００μｍ）では７５μｍとなる。結果としてＭ＝３ないし７となりＰOUT＝１− ２０ｍＷのかなりの出力に対応することになる。放出パワーのさらなる改善は、 比較的低い異方性高温超伝導体であってｃ軸方向に対する臨界電流密度が比較的 高いものを選ぶことによって、得られる例えばＹＢａ2ＣＵ2Ｏ7の場合はｊc＝１ ０6Ａ／ｃｍ2（ｃ軸方向）。このような場合より小さな接合領域、いわば０．１ から１μｍ2が計画され本質的により狭いトレンチとより多くのマイクロブリッ ジが得られより高い放出パワーが得られることになる。マイクロブリッジ幅に対 する実用的な制限は約１μｍであるからそれらの間のトレンチは非常に狭いもの となる。これによって３ＴＨｚにおいて約２５Ｍの値が得られ出力パワーは依 然かなりのもので約Ｐ≡２４０ｍＷである。さらに可能な改善はａ軸配向ＨＴＳ 膜に対するマイクロブリッジ非常に小さな長さ（＜１μｍ）にある。図７に対応 する素子を設計することができる。３ＴＨｚに対して２５μｍの長さの素子を適 用することにより図７の３並列セグメント（ストリップ）が１０並列マイクロブ リッジによって接続される。３セグメント間の超伝導性電気接続は並列である。 結果としてマイクロブリッジの全数Mはセグメント数を乗じたセグメントあたり のマイクロブリッジ数から得られる。現実の値はセグメントあたりたかだか２５ マイクロブリッジあたりでって１０セグメントである。これらはＭ＝２５０に対 応する。理想的な条件では次の放出パワーが得られる。 Ｐ＝（２５０）2０．４ｍＷ＝２５ＷＩ 出力に対する上述の値は他の制限的ファクターの数によって非常に高い値を示 すがこのような素子に隠れている電位は依然として明らかである。特にアライメ ントの必要性がなく、単一のフォトリソグラフプロセスが必要となる簡易性が注 目される。 マイクロブリッジに垂直なストリップの幅が大きいことによりマイクロブリッ ジの単一セグメントにおけるよりも大きな電流が流れるこの電流はＣｕＣｏ2面 に沿ったこれらのストリップを電流が流れる。これは容易な方向すなわち最も導 電性の高い方向に対応し、この方向（ａ軸に平行なｊcはマイクロブリッジを通 して流れる困難な方向）ｃ軸よりも１０ないし１０００倍高いものとなるこのよ うにしてコンタクト路とマイクロブリッジとの間のウィークリンク（weak links ）が避けられる。 最後に外部電子機器への電気的な接続が厚く（０．５−１μｍ）で幅広い（１ｍ ｍ2）の通常伝導性の金属コンタクト（金、銀等）を介して行われこれらは超伝 導性フィルム上に付着形成される。これらのコンタクトの抵抗挙動を通じて自体 が加熱されることはかなり減少する。外部接続のボンディングは容易である。 本発明に係る素子のここで議論する具体例はジョセフソン接合が非常に小さな断 面積を示し、したがって非常に小さな電気的キャパシタンスＣを示すという利点 がある。純粋なａ軸配向されたＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7膜ではｊc＝１０6Ａ／ｃｍ2（ｃ 軸方向）の臨界電流強度を有すると最適電流断面積はＡ＝１０-9ｃｍ2＝０． １μｍ2これはフィルム厚１０００Åおよびマイクロブリッジ幅１μｍに正確に 対応する。したがって上述した通りである。 カプレイトに対する公知の材料特性および絶縁性フィルムの公知の材料特性から このような小さな接合においてはキャパシタンスはＣ＝５×１０-15Ｆと見積も られることができる。Ｎｂ／ＮｂＯX／Ｎｂのジョセフソン接合のキャパシタン スは５０ｆＦ／μｍ2この値はフィルム厚１μｍにかえて２００Åのものを使う と５分の１となる。不利な点は最大電流密度が小さくなり放出パワーが減少する ことにある。 他方このような接合は臨界ダンピングという有利な点を有している。マキューバ ー定数はβ＝２πＩ0Ｒ2Ｃ／φ0≦１でありそこではφ0＝ｈ／２ｅ＝２×１０-1 5 Ｖ5はフラックス量子でｈはプランク定数ｅは電子荷数βは上記周波数の可変性 および最適放出パワーが必要とされるときは小さく（≦１）すべきである。上述 の考察はジョセフソン接合が単一のグループ（クラスター）の場合に制限される べきである。事実、そのようなグループの分割された配列を選ぶことにより最大 の放射パワーを得ることができる。これらの間のλの距離を有する等距離間隔に おいて上記グループを配置すべきである（ｖ＝１ＴＨｚに対してλ＝３００μｍ ）。 全体に形成される構造（層）を絶縁材料（例えばＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＣｅＯ2） 等の材料で覆うことによって、そしてその上に金属層（例えば金または銀）を形 成することによって、伝送ラインが形成される。それを通して電磁放射線が送信 される（図８参照）。 このような構造における位相同期はむしろ長いストレッチ部分にわたって達成 され、それによって放射されるパワーはかなりのものとなる。しかしながら、こ のような生産の欠点は明らかであり、上記グループの間隔λによって操作上の周 波数がかなり固定されることにある。可変性を減少させることによってより高い パワーが得られる。 最適化のための他の観点にはアンテナの集積化が含まれる。便宜上現存する超 伝導性層はこのために使用することができる。 ４．マイクロ波放射源 マイクロブリッジの構成（一般に並列および直列積層）を有する薄膜構造を製 造し、それをマイクロ波技術の標準的な素子（アンテナ、伝送ライン）と接続し た後、この構造物を制御可能な電流源（１００ｍＡ）、制御機器、周波数および パワーのインジケータ等を有する通常の制御電子機器に接続する。これは狭いバ ンドの電磁放射線のための完全な供給源となる。この供給源は広い周波数領域、 ５〜１０ＴＨｚの周波数まで変化される。本発明の構造的な素子はトンネルトロ ンの基本的な変形例として設計される。図９にそれを示す。 ５．適用領域 本発明はミリ波またおよびサブミリ波放射線が放射され、または検出される分 野において使用することができる。更に完全に新しい分野が存在する。そのいく つかの例は次に挙げる。いくつかのレーザおよびバックワード波管（carcinotro ns）はサブミリ波領域で働く。しかしながら、これらは巨大な放射源であって高 電力を消費する。例えばＧＵＮＮまたはＩＭＰＡＴＴダイオードのようなソリッ ドステートオシレータはミリ波に制限される。 外側の抵抗に反射することなく適合させ、ネットワーク内に結合されるジョセ フソン接合は電圧によって制御することができ、テラヘルツ領域に至る広い周波 数領域をカバーする。 レンジ放射線の量子検出（可視および赤外分光領域で広く使用されている概念 ）は、ＭＡＳＥＲ増幅器の共鳴周波数の当たりでグループ化されるスペクトルの 狭い領域内での、マイクロ波またはミリ波領域で可能であった。この周波数領域 における検出の標準的な方法はノンリニアな電気的抵抗を使用するもので、例え ば古典的なレクテイファイヤー(rectifier)およびスーパーヘテロダインレシィ バーとしてショットキーダイオードを使用するものである。これらの方法におけ る作用原理はホトンを電気的荷電のキャリアに変換するに変わり、異なる周波数 領域間の変換、すなわち量子検出の基本的原理に基づくものである。 単一粒子トンネリングに対するＳＩＳトンネルバリヤー層のＩＶ特性曲線にお ける階段状のノンリニアリティーは抵抗ミキシングに対する有益な特性を示す。 このようなミキシング段階ではジョセフソン接合を有するスーパーヘテロダイン レシーバーは、数ＧＨｚまでの周波数において量子限界に近づく感度を示す。ス ーパーヘテロダインレシーバーの機能は周波数Ｖsの弱い有益な信号とローカル オシレータの周波数ＶL0とを混合させることにあり、それによって中間的な周波 数Ｖif＝｜Ｖs−ＶLO｜が形成され、さらに電気的に処理される。ナノセカンド 当たりの１つのホトンの統括速度を有するホトン電流はこのようなレシーバーの 検出感度の典型的な値である。このような光のパワーは電波天文学において典型 的なもので、ミリ波およびサブミリ波の領域において宇宙構造を説明するための 星間物質を探求するものである。１００〜１０００μｍ波長の間は、非常に多く の分子旋光度線および振動スペクトル線が起こる。現時的にこれらは宇宙の多く の物理的特性を説明するために使用することができる。λ＝２．６mmのレーバー を持って星間一酸化炭素（ＣＯの１１５ＧＨｚ）回転振動を探求することによっ て他の実際的な分野におけるこのようなマイクロ波スペクトロメータの実用性を 示すものとなる。 スペクトロスコーピィはその一般的意味では外部源またはそれ自身の放出による 励起により物質の電磁放射線の吸収および放出を調べるものである。トンネルト ロンはスペクロトスコーピィ的に試験される媒体の励起源として使用することが でき、媒体から出る放射線のレシーバーとしてしようすることができる別個の特 性を有している。例を挙げると、トンネルトロンは気相、液相及び固相状態の有 機及び無機化合物の化学組成、幾何学的及びエネルギー関連構造の調査を可能と する。同様に相互作用プロセスの調査も可能とする。全て異なる外部パラメータ として機能することができるもので、時間領域の分析におけるものである。分光 的測定が興味深いケースが多数あり、例えば、サブミリ波領域において適当に励 起した後の有機分子及び化合物（バイオ物質、薬品及びプラスチック物質）の隠 れた物質の検出における場合、又は特定の物質（例えば、固体物質中の含水量又 は不純物、フレッシュベースの脂肪層厚み）の定量制御装置における場合である 。 コヒーレントな可変放射線源としてのトンネルトロンは、例えば、インターフ ェロメトリー及びホログラフにおいて豊富な波領域特性を示す。ホログラフは原 理的にコヒーレント的に現れる対象の唯一の写真映像を作成する方法であり、そ こではディスターブされていないダイレクトなビーム及び対象物からの反射ビー ムは検出システム内で干渉することになる。この干渉イメージの再構成により対 象物の三次元イメージが得られる。 コヒーレントなトンネルトロンの周波数変化の可能性並びに人間の目には不透 明であるが、トンネルトロンのサブミリ放射線に対しては透明なメディアを通し て伝搬する可能性により更に多くの用途が開かれる。 ここに提案された素子の更なる用途は通信及びデータ伝送であつて、これによ りＩＴＵ（インターナショナル・テレコミュニケーション・ユニオン）によりこ れまで取り扱われてきたよりもかなり上の周波数帯に接近可能である。この新し い周波数領域はサテライト及びアースバウンド通信の双方に対するチャンネル数 をかなり増加させることができる。２０Ｍｚのバンド巾を考えると、５ＴＨｚま での周波数領域は約２５０、０００チャンネルを与える。これは周波数バンド１ １．７〜１２．５ＧＨｚ(上記ＩＴＵにより利用されている地域１、アフリカ、 ヨーロッパ及び以前のソ連が一緒)のサテライト通信の例えば４０チャンネルと 比較されるべきである。ボイス通信で４ＫＨｚを使用するとすると、形成され得 るキャリアで２百万ボイスチャンネルが移送される。高品質の送信にはパルスコ ード変調（ＰＣＭ）を備えるデジタルシステムが必要となる。なぜなら、周波数 変調はＣＣＩＲがノイズ上限として推奨する３ｐＷ／ｋｍ(約５２ｄＢ)基準をか なり超えるノイズパワーを駆動するからである。 デジタルシステムは中間ステーションにおける信号の再生が可能であるから、 エラーの蓄積が避けられる。 完全に新しい無線陸上のマイクロウェーブ通信ネットワーク、そのインターネ ットへのブロードバンド無線連結、サテライト通信へのブロードバンド連結が、 サブミリ放射線に対する人間皮膚の吸収深さの減少により放射線負荷が減少する とともにテレホンチャンネルが増加する利益を伴って、実現される。 サテライト又は他の飛行物体から地球近くの地域を偵察するためのＭＩＭＲ（ イメージ付与マイクロウェーブ・マルチフリクエンシィ・ラジオメトリー）はす でに高い有用性を有しており、将来遠隔操作偵察が超分光（hyperspectral）器 具によって行われ、マルチスペクトラル器具が現在用いられる７チャンネルに代 えて、多くの周波数チャンネルにおいてイメージ付与の偵察を行うのに適する。 近くのものをイメージ付与のパノラマ式に観測することはヘリコプターの安全 性及び運動性能並びに飛行機の着陸接近には有意義である。 また、これはストリートバウンドな交通及び悪環境条件下でのロボット適用に も適する。ここで基本的に要求されるものは高性能、可変、サブミリ波エミッタ (及びディテクタ)であって、これらはできるだけ単色でかつコヒーレントである 。このような装置は本発明に係る素子を利用して製作することができる。 チップ上の集積化素子又は別個のエミッタ及びディテクタ素子として、最も包 括的に考えると、レーダ測定に適するもので、例えば、位置測定、ナビゲーショ ン及びミサイル探知システム(early-detection)に適する。本発明に係る素子は 民間及び軍用低出力のコンパクトレーダ構造に対する要望に適合するもので、警 報または衝突警告システムを開発することができる。 トンネルトロンはＳＡＲ(人工開口レーダ)用途に有効なセンサーであり、ＳＡ Ｒシステムは目的物(調査衛星が基点にあるときの地球)に対しマイクロ波放射線 を送り、返ってくる放射線を受ける。エミッタの微同調により大気の吸収帯最小 域内で周波数の位置決めを可能とする。トンネルトロンのウェーブ領域の方向を 変化させるは電気的に観測現場の走査のための利点となる。 生物学的及び医学的用途(断層撮影法、イメージ付与温度記録術等)は本発明に 係る素子の特性から推測することは容易である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Emitter and / or detector element for radiation of submillimeter wave radiation and method of manufacturing the same Field of application of the present invention   The present invention relates to superconducting devices, manufacturing techniques and application fields, in particular in the sub-millimeter range. New types of emitters and / or detectors for I do. Features of known technical solutions 1. Array of ordinary Josephson junctions   Of Josephson junctions as tunable microwave emitters and detectors The first discovery of utility was described by B.S. Josephson and S.M. Return to Shapiro's early work. Single Josephson junction emits very low power, practical microwave radiation It was understood that it showed too broad a spectral distribution for its instrumental application. Had been. These drawbacks are also due to the use of a series stack of Josephson junctions. It was known that it could be overcome (Jain et al. 1984; Bindslev, Hansen and Lindelof 1984; Lukens 1990). If the bond between Josephson junctions is strong enough, Self-synchronization (coherent radiation emission effect of all junctions) Self-synchronization) occurs (Lukens 1990; Konopka 1994). Possible The binding mechanism and strength have already been studied in detail (Jain et al. Luken s 1990). The line width of the electromagnetic radiation emitted from this crystal stack is Decrease as the number of Josephson junctions increases. Josephson junction Large numbers allow very small line widths (Lukens 1990; Wie senfeld et al. 1994; Konopka 1994).   The power of emitted radiation or radiation increases with the number of Josephson junctions However, in large configurations, it is significant (P ≧ 1 mW) and many practical Meet the application (Bindeslev, Hansen and Lindelof 1984; Jain et al. 1984; Konopk a et al. 1994; Wiesenfeld et al. 1994). Load resistance, for example in free space It is important that a good match of impedance to impedance is achieved. why Then, the radiation or the majority of the radiation does not leave the element, Because it is rather used internally by reflection.   Also, various loss mechanisms at the joint should be considered. example For example, the junction capacitance will respond to power loss at high frequencies (Luke ns 1990; Wiesenfeld et al. 1994). This is the Josephson junction region as much as possible It is pointed out that it is the direction to use smaller. Also, the small junction area is noisy. (Kunkel and Siegel 1994; Konop ka 1994). The current flowing through this junction is the junction width W and the Josephson penetration depth λjWhen W ≧ 4 duringj, Is present and non-uniform (Kunkel and Siegel 1994). Optimal Critical current (IC) is the same through all Josephson junctions for phase synchronization Needs to be Generally, at least 5% (Konopka 1994) uniformity is linear It is required in a simple series lamination.   The previously stringent requirements described above can be relaxed somewhat. However Equidistant along the transmission line, i.e., along the transmission line. The condition is that a Josephson junction distribution arrangement is chosen. However, this In doing so, the interval between the Josephson junction and the selected emission wavelength Must match (kukens 1990; Han et al. 1994). Obviously, do this In that case, the emission power variability inherently increases the emission power variability. Strongly omitted for   Many experimental studies have been conducted on the sequence of the Josephson junction, Some remarkable results have been obtained. Most of them are Nb / Al-AlO x / Nb based on the use of a normal superconductor having a three-layer structure at a low critical temperature. Have been. Shown in a linear configuration of 100 Josephson junctions with perfect phase synchronization (Han et al. 1993). In some cases, a broadband antenna (eg, Antennas and the like, which are essentially helical, are integrated into a chip and The emission of radiation into the lead space was measured. In other cases, other Josephson The junction was coupled to the configuration of the radiation emitter via a transmission line as a detector. Some of the best results are: Frequency v = 400-500G Joseph with a P = 50 μw emission at a frequency of 500 Hz It was shown in the partition arrangement of the son junction (Han et al. 1994). In other circuits (1 0 × 10), Δv = 10 KHz, variability v = 53-230 GHz. Injection radiation (radiation) was measured (Booi and Benz1994 ). 1986 La-Ba-Cu-O by Benotants and KA Müller et al. The discovery of high-temperature superconductors in the criticality of similar cuprate compounds The rise in temperature to Tc> 160K allows liquid nitrogen and higher temperatures There have been significant expectations in superconducting electronics. Indeed, then many worlds Josephson junctions using these new materials in various laboratories Manufactured based on technology that has become. Artificial Josephson in high-Tc superconductors. Measuring and analyzing radiation emission as a result of Josephson junction alternating current at the junction (Kunkel and Siegel 1994). V = 80-500 GHz in the same study Phase-locking in step-coupling over a wide frequency band. Comparison Josephson junctions of a very large configuration (up to four in the array) are partially possible Therefore, phase synchronization was also unstable (Konopka 1994). The reason is high-temperature superconductivity Non-uniform (heterogeneous) type of step joint in conducting Josephson junction It turned out that it was a result. Here, the variability of the critical current up to ± 50% appears. (Konopka 1994). In other studies, 5 and 10 Josephson junctions The array (consisting of adjacently located step junctions) is examined and partially phase locked. And very low radiated power (Kunkel and Siegel 1994). group Has been predicted for promising future uses of Josephson junctions arranged as Was. For example, radiation generators and detectors in the GHz and THz regions Application was predicted (Jain et al. 1984). Radio astronomy of especially heavy molecules And in radio spectroscopy (Konopka 1994). In the voltage reference Was also performed (Ono et al. 1995). To date, all of these uses have been It has not been realized in a practical manner due to difficulties. Generally for spectroscopic applications In this case, a radiation power of 0.1 to 1 mW having continuous variability is required. You can start from the place. And even this has not yet been realized (Konopka et al. 1994).   U.S. Pat. No. 3,725,213 discloses a superconducting barrier element and the like. Technology for the production of millimeter and submillimeter radiation, It is mentioned as being suitable as a livestock and detector, and is made of superconducting material. It is based on a particulate structure. Higher radiation power and / or higher sensitivity Should occur due to the integration of many Josephson junctions between crystal grains But impedance compatible with reproducible manufacturing, electronic control, phase synchronization or vacuum There is no possibility in that. This element is normally conducting due to current-impulse induced magnetic field Of the emitted radiation frequency, switched between the two states of conductivity and superconductivity Is not effected by the magnetic field-dependent energy gap.   U.S. Pat. No. 4,837,640 describes the vertical orientation of a Josephson junction. It is a superconducting element using a series junction of a series stack. Three electrical contacts The switch is configured as a switch with a simple Josephson junction and an analog Lateral configuration of such junctions in switching and digital switching configurations Are connected alternately, and radiation emission is not the purpose of this element, Technology has not made such objectives achievable.   U.S. Pat. No. 5,114,912 discloses Joseph on a flat surface. This is a high-frequency oscillator based on the configuration of a son junction. This oscillator is a DC power It is excited by a source, the frequency of which can be varied by this direct current. Impedance matching depends on the choice and optimization of the number of Josephson junctions in a flat configuration. Achieved by proper shunt resistance connection. Variable DC / AC at some suitable temperature Current converters are used in the GHz range up to the THz frequency.   One disadvantage of this device is that the two-dimensional Josephson junction located adjacent to the chip There is a limitation of a typical planar arrangement. This type of geometry is a form of Josephson junction. Set an ignoring limit on the maximum number that can be used. In particular, the minimum area of independent junctions is Approximately 1 μm for graph performance potentialTwoIt is. The demand for uniformity is high and quite Critical currents are required (not less than 1 mA for optimal power) Must be required for conductors with low junction resistance. The other The length of the element in the longitudinal direction is about λ / 4, and the value is 1 It is at about 75 μm for a frequency of THz. The space between these joints If very small, from 1 to 2000 such independent elements Holding I can think that. An array of 10 × 10 = 100 junctions can be realized. Already As described above, this type of device design can provide the required 0.1 to 1 mW for interesting applications. Cannot supply the minimum power. With the design according to the invention, the Josephson junction Higher packing density is possible, and higher emission power can be expected. A plurality of applications that cannot be realized with a slot (planar) arrangement will be possible.   EP 446146 describes a three-layer Josephson junction. And on both sides LyBaTwoCuThreeOFour(However, Ly or a rare earth metal, y is 6> y ≦ 7) is shown. Here is a non-superconducting barrier Is BiTwoYxSryCuTwoOw, 0 ≦ x ≦ 2, 1 ≦ y ≦ 3, and 1 ≦ z ≦ 3, 6 ≦ It is composed of w ≦ 13. However, device characteristics (eg, Ic, Rn, (IV characteristic curve and microwave modulation) are not described. There is no description about the laminated structures in the vertical direction and their uses.   A method for controlling the magnetic force of the emitted or detected radiation frequency is described in EP 5135. No. 57, in which the device according to the invention has a vertical orientation of the Josephson junction. The Josephson junction has a laterally applied galvanic The joint is shown. Adjacent superconductor / barrier / superconductor structure (SIS structure Each pair has another superconducting layer, which is separated by an insulating layer. It is separated on both sides from the adjacent superconducting junction. This layer is an independent element It has a function to control the contact to the side (US Pat. No. 3,725,213). The current flows through this control layer via Josephson It is said to generate a magnetic field that affects the energy gap of the junction.   This device has several disadvantages which make it impossible to implement. One Relates to the framework of known material properties and available micro-hybridization technologies. Is what you do.   In particular, (i) the fabrication involves two products of a vertically grown Josephson junction. The insulating film on the opposing sides of the layered structure has a width of about 0.01μ. No superconducting contacts need to be formed, and there is currently no such technique.   (Ii) necessary to further reduce the energy gap in high-temperature superconductors Geometric elements capable of supporting high currents for generating high magnetic field strength Within the dimensions, no superconductor is known.   (Iii) The magnetic field of a specific control layer needs to affect one or more Josephson junctions Which leads to unwanted crosstalk between several Josephson junctions. I will   (Iv) its radiated power is too low for many applications. why If so, the optimal circuit of the Josephson junction with the impedance that matches the free pace This is because no conversion is performed.   Natural series stacking of Josephson junctions in cuprate superconductors   1986 JG. Vietnam and K.A. Müller's first introduction to superconductors Reported that La-Ba-Cu-O was quasi-two-dimensional due to its non-pressurized layer structure. It is a superconductor. Next, this hypothesis is based on various cuprate superconductors (eg, If e.g. Bozovic 1991). in addition Therefore, Bi in the thickness of one unit cellTwoSrTwoCaCuTwoO8In the membrane of This led to the discovery of superconductors (Buzovic et al. 1994). Furthermore, the C axis (CuOTwoIn layers The critical current along (vertical) is CuOTwoLower than the direction parallel to the plane, it is not zero That is, the supercurrent can completely flow in the direction of the C-axis. However, this It is well connected two-dimensional superconducting lots by Josephson tunnel It can be seen that the characteristics are as follows.   In other words, caprate superconductors have a natural (intrinsic) geometry at 6-25 ° intervals. It can be considered as a series stack of Josephson junctions. Josephson junction super A theoretical model for the series stacking of conductive layers was published 25 years ago (by L awrence and Doniach 1971). The prediction of this model is that the nonlinear current / voltage (I- V) Curve, microwave-radiation-guided IV step (Shapiro step) And microwave emission (direct voltage application).   In fact, all of these properties have been observed in caprate superconductors. iTwoSrTwoCaCuTwoO8Then, (PbyB1-y)TwoSrTwoCaCuTwoO8, T lTwoBaTwoCaTwoCuThreeOTen(Kleiner and Muller 1994; Muller 1994, 1996) In addition, Regi et al. 1994, lrie et al. 1994 and Schmidt et al. 1995 and Y asuda et al. 1996).   Further, Tanabe et al. 1996, Yurgens et al. 1996, Seidel et al. 1996, Xia o et al. 1996 observations have been obtained. Most of these results are small single crystals In a single crystal or thin film mesa structure. (Schlenga et al. 1995). In some cases, more than 1000 Josephson junctions Phase synchronization was performed (Schlenga et al. 1995). However, in general, IV characteristics Partial as shown by multiple branches in the sex curve In a study at). In particular, the Josephson junction belongs to one stack Sometimes this is not ideal, i.e. their critical currents vary from junction to junction. Normal conduction at the same point in the characteristic curve as soon as the current increases. Do not fall back to the state. As a result, the radiated emission is coherent Radiated superpositions (of narrow bands) must occur, and these have not been observed. (Schlenga et al. 1995, Muller 1996). The characteristics of the Josephson junction These differences can be attributed to incomplete crystal growth and lithography to define the mesa structure. Caused by the method, these also lead to differences in the cross-sectional area of the mesa structure It is. The highest frequency of radiation emitted to date is at v = 95 GHz. But these are the result of poor laboratory detection techniques (Muller 1996). . To date, there have been many instructions that can be used as emitters of submillimeter radiation. (Schlenga 1995), but to date no practical elements or devices have been announced. No.   In a thin caprate film, such a mesa structure has a non-linear IV characteristic. Despite showing a carp, the microscopic hysteresis as well as the Shapiro step Microwave emission and IV characteristic curves induced by The other properties of the mesa structure are similar to those of a phase-locked series stack of Josephson junctions. Remains well behind. In particular, the power of the emitted microwave is in the pW range Only exist and they are of interest for such series stacking in practical applications It does not mean that.   The three main reasons for this are as follows.   (A) Josephson junction is ICAnd RNIs not uniform with respect to the value of.   (B) The area of the Josephson junction is generally very large, typically about 30 × 30 μmTwo= 10-FiveIt is.   (C) This element is optimized for impedance to fit free space Not come   As a result of the above (a) and (b), phase synchronization is incomplete and unstable. Because they are random. The natural Josephson junction is a caprate superconductor As can be seen in the figure, it shows a relatively high critical current density in the C-axis direction (10-Four-10-6 A / cmTwo), So that such junctions have a rather high critical current, ie 100 m Large Josephson junctions, A and larger, have many complex excitation modes, both It shows a supercurrent, a fluxon movement, etc. flowing in the opposite direction. These issues are not But the scientists in the above group have too high an electrical resistance Therefore, it is not in a position to essentially reduce this joint area. Too high junction resistance The series stack will heat up considerably, which will make phase synchronization much more difficult And the critical current becomes non-uniform. In this extreme condition, the Josephson junction melts. Understand. 3. Thin films prepared from high-temperature superconductivity with a-axis orientation   Realistic developments suitable for conversion to new types of devices are thin and hot capley In the technology of growing superconductors, where the CuOTwoThe surface is against the board Not arranged in parallel. In fact they are completely perpendicular to the substrate Many wish to designate this type of thin film as the a-axis oriented film. This name Previously, the single crystal film was held against the substrate so that its a-axis was perpendicular to the surface of the substrate. This is derived from a specific case of growing in an epitaxial (vapor phase growth) relationship. We assume that the c-axis runs parallel to the substrate surface, ie CuOTwoSurface is the substrate surface In addition to the case where the a-axis is arbitrarily inclined as long as it stands vertically, the b-axis is It is desirable to distinguish between the case perpendicular to the case (a orthorhombic where a ≠ b) and this case. Not.   By using a similar, generally accepted classification (although it is an incorrect classification) Summarizing the whole of the epitaxial orientation, the CuO2 plane is defined as the angle difference from the substrate. Is 90 ° or 0 ° in the concept of “inclined a-axis film”. Fine Such a distinction and a more accurate description are entirely possible. For example, the substrate The concept of the Miller index of the surface (the surface on which the thin film is formed and the concept of the Miller index of the thin film surface This is possible by using However, in this discussion we need Absent.   Most of the high-quality thin films from which high-temperature superconductors are manufactured have a c-axis orientation. CuOTwoThe plane is parallel to the substrate surface). The cause is layered capley Strong anisotropy, which is the physical property of This includes growth rates with different crystal orientations. It is. Despite this, growth of a-axis oriented and tilted a-axis films Considerable effort has been made towards the a-axis for the three-layer Josephson junction. The development of essentially large coherence lengths in the direction is taking place. The following references Is about the most successful growth experiment in this genre.   CuO inclined at 45 °TwoBi with surfaceTwoSrTwoCaCuTwoO8The thin film of (110 ) SrTiO displaced 5 ° from directionThreeMagnetron sputtering on substrate Formed by technology. MgO base with same properties and added buffer layer The board was in use (Tanimura et al. 1993). This desirable inclined a-axis arrangement The direction is RHEED (reflection high energy electron diffra) TEM) and TEM (Transmission Electron Microsco (P) by cross-sectional photograph and transport characteristics for measurement Indicated.   YBa with essentially perfect a-axis orientationTwoCuThreeOTwoThe film is (100) -oriented LaSr CaOFourPrBa on the substrateTwoCuThreeO7Single target scan using a single buffer layer It can be manufactured by performing puttering (Suzuki et al. 1993). . Nd1 + xBa2-xCuThreeO7-bA similarly oriented film of (100) oriented S rTiOThreeIt can be placed directly on the substrate using laser deposition techniques. this In this case, care must be taken to make the correct settings for the growth parameters ( Badaye et al. 1995). These examples demonstrate a high quality a-axis from caprate superconductors. Shows that it is possible to technically produce oriented and tilted a-axis layers. ing. Embodiments of the present invention are based on the above facts.   Purpose of the invention   The purpose of the present invention is to eliminate the disadvantages and difficulties of known solutions. Therefore, it is an object of the present invention to improve an element capable of avoiding the above disadvantages.   Further, an object of the present invention is to serially stack Josephson junctions in a plane (two-dimensional array, Radiation for electromagnetic radiation in the submillimeter wave region by using multiple simultaneous Manufactures emitters and detectors to generate or emit microwaves It seeks to significantly increase the sensitivity for detection.   Another object of the present invention is to provide an impedance matching a space for absorbing radiation. Radiation emission in the submillimeter wave range with impedance that can be obtained. To produce new types of data, thereby maximizing radiated power. You.   Another object of the present invention is to provide a non-millimeter wave band that can reach up to several THz. Submillimeter wave region that always shows a narrow emission line width (less than 1,000,000 / 1 of emission frequency) In producing a radiation emitter.   Emission frequency and / or detector frequency over a wide spectral range Radiation emitter in the submillimeter range with electronic control for continuously changing the radiation And manufacture of the detector.   The emitted microwave radiation can be electrically extended and also switched Manufactures radiation emitters and detectors in the sub-millimeter region that can be superconducting To provide devices suitable for high-speed electronic switches in body electronics. You.   It is another object of the present invention to provide different frequencies or electrically variable and controlled frequencies. Emission and Diction functions are independent of each other in conjunction with numbers. The aim is to fabricate ray emitters and detectors.   Another object of the present invention is to control emissions and dictation via external electronic means. Fabricating radiation emitters and detectors in the submillimeter region where the mode is reversed With the goal.   It is another object of the present invention to be suitable for being incorporated in a superconductor / semiconductor hybrid circuit. To manufacture radiation emitters and detectors in the submillimeter region .   Summary of the Invention   These objectives are based on superconducting micros with a direct stack of (natural) Josephson junctions. Achieved by the invention relating to the two-dimensional array of cross bridges, thereby The parts in the array are grouped in a predetermined way and can be serial or parallel to each other. Connected and can be driven by an external electronic control unit via contacts Wear. In particular, the task is solved via the features of claims 1 and 13 . Advantageous configurations and applications are given by claims 2 to 12 and claims 10 to 19 Can be   BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES   The present invention will be clarified by specific embodiments. The attached drawings are as follows: You.   FIG. 1 shows CuOTwo1 shows a unit cell of a crystal of a high-temperature superconductor including a plane.   FIG. 2 shows an a-axis oriented film of a high-temperature superconductor. The CuOTwoThe surface is on the board It is perpendicular to it.   FIG. 3 shows a thin film of a high-temperature superconductor having an inclined a-axis.Two The surface is inclined at an angle θ with respect to the substrate.   FIG. 4A shows a microfabricated from a high-temperature superconductor having an a-axis oriented growth direction. Indicates a bridge.   FIG. 4B shows an equivalent circuit of the device shown in FIG. 4A. This is Josephson junction Simple linear (serial arrangement).   FIG. 5 shows a microphone manufactured from a high-temperature superconductor having an inclined a-axis orientation growth direction. Shows Robridge. This equivalent circuit corresponds to FIG. 4B.   FIG. 6A shows a parallel configuration of microbridges including a direct stack of Josephson junctions. The epitaxially grown a-axis or inclined a-axis film is chemically or ionically Form etched trenches, microbridges are electrically isolated from each other ing.   FIG. 6B is an equivalent circuit of FIG. 6A, in which two sets of linear series stacked Josephson junctions are used. It is a parallel circuit.   FIG. 7A shows three identical groups, each case having ten microbridges. (Cluster) shows a parallel circuit.   FIG. 7B is an equivalent circuit diagram of the device of FIG. 7A.   FIG. 8 shows a matrix including a series stack of Josephson junctions along a striped conductor. 2 shows the configuration of several groups of the microbridge. Independent segment of the emitter The distance between the antennas corresponds to the wavelength λ of the electromagnetic radiation in the structure.   FIG. 9 shows a basic structure of a device according to the present invention, and shows a thin superconducting epitaxial layer. Two-dimensional lateral structure of microbridges (webs) connected in parallel in film (A) is a microbridge, which is interconnected by a trench (b) reaching the substrate. Are separated. In this way the microbridge and / or microbridge Steering the current through the group of bridges. Each microbridge is shown in Figure 2 And a series stack of Josephson junctions meaning the configuration shown in FIG. Electrical The typical connections (c) and (d) establish a connection with the external control circuit (e).   The present invention will be described in detail based on the following specific examples of the device according to the present invention. So The element structure is a basic unit structure, that is, a Josephson junction Nearly stacked in series, formed into a high-quality thin film of high-temperature superconductor, The thin film has a special epitaxial relationship with the substrate.   1. Microbridges in thin films with a-axis orientation and tilted a-axis orientation   FIG. 1 shows a crystal unit cell of a known platelet superconductor, which has an elongated parallelepiped. It has a body, the lateral length is a {b {3.8}, and c> a, b. For example, La1. 85 SrO.15CuOFourThen, c {6.5}. YBaTwoCuThreeO7Then c {11.7} It is. BiTwoSrTwoCaCuTwoO8Then, c {15.4} and so on. More specifically, La1.85SrO.15CuOFourAnd BiTwoSrTwoCaCuTwoO8Then the c-axis periodicity is smooth It has been doubled by the use of slopes. This fact is quite significant in the discussion of the present invention. Not something. Also, YBaTwoCuThreeO7Slightly orthorhombic with a ≠ b at The same is true for distortion.   All conceivable high-temperature superconductors to date have a c-axis perpendicular to the substrate. (In short, these have been described as c-axis oriented HTS films. This is the most common epitaxial relationship, if the high temperature superconductor is for example ( 100) Cut SrTiOThree, LaAlOThreeWhen growing on a lattice-matched substrate It always appears. In this case, all CuOTwoThe surface is to the main surface of the board Being parallel.   Nevertheless, if a specially cut board is used, other A char configuration can be achieved, where CuOTwoThe surface is to the main surface of the board Be vertical. In such a case, the a-axis of the caprate superconductor (or (B-axis in the same direction) and perpendicular to the main surface of the substrate, as shown in FIG. Become. The thin film of such a high-temperature superconductor is basically described as an a-axis oriented HTS film. Have been.   One way to achieve such an orientation is as follows. (Here La1.55 Si0.15CuOFourIs selected, where a {3.8} and c {6.5}).   The substrate and its cut surface (ie, the polishing direction or orientation of the substrate surface) Is chosen to be 3.8 ° × 6.5 °. Deposition is perpendicular to the substrate This is performed with the a-axis. Another aspect is between the cations and anions of the membrane and substrate. Is the number of valid contacts in. This is based on a relational equation with energy. An effect on the surface is assumed. For each different high-temperature superconductor, usually a different Substrate or at least the substrate cut surface is required.   For the purposes of the present invention, such a substrate or substrate cutting may involve several types of caprates. It has been found for high-temperature superconductors and in fact La1.55SiO.15CuOFourAnd Y BaTwoCuThreeO7Full epitaxial a-axis growth is shown for the material (Suzuki et al. 1993, Badaye et al. 1995).   In other embodiments of the present invention, other possible epitaxial relationships are implemented, as shown in FIG. Have been. For this purpose, all caprate films CuOTwoThe side faces the substrate At an angle which varies from 0 ° to 90 °. This Such an angle depends on the cut surface of the substrate, and is typically 1 ° to 10 °. So Can be larger and smaller. For the purposes of the present discussion Is about 5 °. As a result, the height is about 3.8≡tan8 at 3.8Å height. The presence of steps on the substrate with a 5 ° spacing is required. Such a tilt Epitaxial growth of a tilted a-axis oriented HTS film has already been performed (Tanimu ra et al. 1992, Kataokaa et al. 1993).   As already explained, high temperature caprate superconductors, such as BiTwoSrTwoCaCuTwoO8 , TiTwoBaTwoCaTwoCuThreeO1O, HgBaTwoCaCuTwoOO.2, La1.85SrO.1 Five CuOFourAnd the like show a SIS or SINIS type natural superconducting superlattice. Above thin Using one of the above described orientations of the film, a simple type of the type shown in FIGS. A microbridge can be formed. Therefore, a series stack of Josephson junctions can be formed. Wear. Such a series stacking in a microbridge is the basis of the device according to the present invention. Structure. However, to set the optimal performance of the device, Several such microbridges in one superconducting array Need to be joined together.   2. Joining microbridges: circuit optimization   First, a single Josephson junction series stack is conceivable. Maximum through single junction The allowable critical current is about Ic≡1 mA. The higher the value, the more special the flow The result is a very deformed current-voltage characteristic curve. This Josephson junction is It behaves like a long junction (junction) where the flow flows on all surfaces. example If IcR = 10 mV and Ic= 1mA, typical for R = 10Ω electrical resistance Is obtained. To match the impedance of this element to vacuum, RTOT= N Requires a total resistance of R≡300Ω. In the case of R = 10Ω, the mesa structure is connected in series The value of the number of Josephson junctions is N = 30. IcIs lower than 1 mA, The value will still be large, so that the value of N will be relatively low. The result As a result, this value of N may be Will be the lower limit.   Similarly, the geometry of this joint has already been achieved with the above values. jc= 10FourA / cmTwo, The surface area of the Josephson junction is Ic= 1 mA.     A = Ic/ Jc= 10-3A / 10FourA / mTwo= 10-7cmTwo= 10 μmTwo   If a secondary Josephson junction is used, the edge length should be 3 μm . jc= 10FourA / cmTwoThis value of BiTwoSrTwoCaCuTwoO8High temperature superconducting material like It is related to the natural Josephson junction in the anisotropic material. More anisotropic In high-temperature superconducting compounds with lowcTakes a higher value (YBTwoCuThreeO7Then 106 A / cmTwoTo achieve a lower contact cross-sectional area. Can be.   The output of such a simple series stack is nonetheless very modest. You.     PMAX OUT= 1/8 NIc TwoR = (1/8) x 30 x 106× 10ATwoΩ = 5 × 10-FourmW   Using complex systems with mesa-structured series and parallel connection groups Greater radiation power is obtained. In short, connect several series stacks in parallel By the (RTOT≡ (N / M) R), I for a single junctionc MAX= 1 mA The idea is to increase the total current flowing through the device without exceeding it. The whole The reduction in resistance is achieved by increasing the number of Josephson junctions in each series stack only. It can be easily compensated.   In a parallel circuit having M series laminations, each series lamination is connected in series with N Including the Josephson junctions, the overall resistance (RTOT≡ (N / M) R is RTOT= 3 For 00Ω and R = 10Ω, N / M = 30 or N = 30M.   The total current is I = MIcAnd the total power obtained is as follows:     PTOT OUT= (1/8) 10-6× 300 × MTwoATwoΩ≡0.4 × MTwomW   Thus the total emitted power is MTwoAnd its power increases arbitrarily Looks like it can be done. However, the maximum possible size of the array and And independent series laminations.   In particular, as noted in the grouped array of Josephson junctions, about λ Phase synchronization can be achieved at a distance of / 4 (λ is the wavelength of the emitted electromagnetic radiation) . If the desired radiation frequency is v = 3 THz, λ = 100 μm and v = 1TH In the case of z, λ = 300 μm. For parameter optimization (for example, vacuum Impedance method and range radiation at the crystal / vacuum interface area Electrically connect the microbridge in any way (to achieve a reduction in internal reflections) It is desired to combine. Here, this electrical coupling should consist of a superconductor Yes, should form a weak bond (weak link or weak coupling) Not by means of the series stacking and series joining of Josephson junctions in the mesa structure Will work as a Josephson junction. In other words, high-temperature superconducting electrodes It must be manufactured from the same type of superconductive material.   Parallel connection of mesa structure as well as series lamination is necessary in actual related cases. You. In the next chapter, we will explain how to do this, Series stacking of groups (clusters) or microbridges only As can be easily achieved, as exists as a parallel circuit. Furthermore, the Of phase-locked Josephson junctions in series stacks and arrays such as The maximum number can be predicted. Example Following an analysis of the practical limitations of linear series stacks and their parallel and series interconnects I went like that. IcR = 25mV, Ic MAX= 1 mA of Josephson junction The resistance becomes R = 25Ω. If the impedance match to vacuum is RTOT= NR = If we consider 300Ω, N is limited to 10-15. This is obviously pure This is not preferable for an a-axis oriented HTS film (FIGS. 2 and 4A). Because this In such a case, the length of the microbridge (the aforementioned female structure in the c-axis oriented film) The micro-bridge in the a-axis membrane is selected for the structure) is 15 to 20 Å Below the ROHM, too small for normal lithographic processes. This condition is improved for the a-axis oriented HTS film (see FIGS. 3 and 5). Has a relatively small inclination angle (about 5 °). Where N = 15 and c = 15 angstroms In the storm, the total microbridge length L of d / tan θ is included (where d is the film thickness). Thick). L≡10 for d = 1000 Å and θ = 5 ° 2,000Å = 1 μm, which is a reasonable value for the current ordinary lithography. Becomes This length can also be increased with increasing film thickness. However, the side (side) dimensions need to be tested and the current density iGRestricted from It is. Typical ic = 10 for c-axis oriented filmFourA / cmTwoIt is. Hope When a new critical current ic = 1 mA, the above-mentioned junction region is A = ic / jc = 1. 0-3/ 10FourcmTwo= 10 μm. However, the effective width is the inclination angle tan It is equal to the divided film thickness, ie, d / tan θ. d = 1000 ° and When θ = 5 °, d / tan θ≡1 μm. This means that the width of the microbridge is 1 μm, which can be reliably achieved. Certainly this Is released when a microbridge such as Radiation is of relatively low power and POUT= (1/8) Ic TwoRTOT= (1/8) (10-3)Two300 W 0.4 mW. To increase this power, a parallel circuit of such microbridges is required Is done. Because in this case POUT= (1/8) (Mic)TwoRTOT= MTwo× 0.4 mW. Where the number of natural Josephson junctions in each microbridge Must be adjusted to complete the conditions for impedance matching to vacuum. I do. RTOT= RN / M≡300 and N / M≡1 when R = 15 to 30Ω 0-20 typically N = 15M. This results in a very parallel configuration of the same microbridge as shown in FIG. A starting point is provided for forming a simple device. These are chemical or ion By applying a chin to the substrate, an equidistant trench array can be easily formed. Is configured. When N = 15M, a microbridge approximately M times as long is obtained. Pure 15 × 300 ° = 4500 °, ie, 0.45 μm Clobridge is obtained. This value is still very small and technical Is difficult to manufacture. On the other hand, when the a-axis oriented HTS film Clobridge length is about Mμ when d = 1000 °, N = 300 and θ = 5 °. m. jc= 10FourA / cmTwoAnd Ic= 1 mA, the junction area is A = 10 μmTwoNext The microbridge width will be about 10 μm (standard choice d = 1000 ° and θ = 5 °). Thus, M is severely limited because the full width of this element is When the number v = 3 THz (λ = 100 μm), it becomes 25 μm, and v = 1 THz (λ = 3 μm). (00 μm) is 75 μm. As a result, M = 3 to 7 and POUT= 1- This would correspond to a significant output of 20 mW. Further improvements in emission power A relatively low anisotropic high-temperature superconductor having a relatively high critical current density in the c-axis direction. By choosing a higher one, for example, YBaTwoCUTwoO7J ifc= 1 06A / cmTwo(C-axis direction). In such a case, a smaller bonding area, that is, 0.1 From 1 μmTwoAre planned to be essentially narrower trenches and more microbridges And higher emission power can be obtained. For micro bridge width The practical limit is about 1 μm, so the trench between them is very narrow Becomes This gives a value of about 25M at 3 THz and the output power is dependent. Of course, it is about 240mW. Further possible improvement is a-axis oriented HTS The microbridge to the membrane is at a very small length (<1 μm). Corresponds to Figure 7 Elements can be designed. Appropriate element of 25 μm length for 3 THz The three parallel segments (strips) of FIG. Connected by ridge. The superconductive electrical connections between the three segments are in parallel. As a result, the total number M of microbridges is per segment multiplied by the number of segments From the number of microbridges. Real value is at most 25 per segment There are 10 segments per microbridge. These correspond to M = 250 Respond. Under ideal conditions, the following emission power is obtained. P = (250)Two0.4mW = 25WI   The above values for output show very high values due to a number of other limiting factors. However, the potential hidden by such elements is still apparent. Especially Araime Need for a single photolithographic process without the need for Eyed.   Due to the large width of the strip perpendicular to the microbridge, This current carrying a larger current than in a single segment of CuTwosurface A current flows through these strips along. This is the easy direction, the most This corresponds to the direction of high electrical conductivity, and this direction (j parallel to the a-axis).cThrough the microbridge This is 10 to 1000 times higher than the c-axis. Weak links between the contact road and the microbridge ) Can be avoided. Finally, the electrical connection to external electronic equipment is thick (0.5-1 μm) and wide (1 m mTwo) Are usually performed through conductive metal contacts (gold, silver, etc.) It is formed on the conductive film. Through the resistance behavior of these contacts themselves Is significantly reduced. External connection bonding is easy. The embodiment discussed here of the device according to the invention is an embodiment in which the Josephson junction is very small. Advantage of showing area and therefore very small electrical capacitance C There is. Pure a-axis oriented YBaTwoCuThreeO7J in the membranec= 106A / cmTwo(C (Axial direction), the optimum current cross section is A = 10-9cmTwo= 0. 1 μmTwoThis is accurate to a film thickness of 1000 mm and a microbridge width of 1 μm Corresponding. Therefore, it is as described above. From the known material properties for capreate and the known material properties of insulating film For such a small junction, the capacitance is C = 5 × 10-15F and estimate Can be done. Nb / NbOX/ Nb Josephson junction capacitor Is 50 fF / μmTwoFor this value, use a film with a thickness of 200 mm instead of the film thickness of 1 μm. And 1/5. Disadvantages are lower maximum current density and lower emission power It is in. On the other hand, such a junction has the advantage of critical damping. Makuba -Constant is β = 2πI0RTwoC / φ0≦ 1 where φ0= H / 2e = 2 × 10-1 Five VFiveIs the flux quantum, h is the Planck constant e is the electron charge β is the variability of the above frequency And should be small (≦ 1) when optimal emission power is required. Above Consideration is limited to Josephson junctions in a single group (cluster) Should. In fact, choosing a split array of such groups will maximize Radiation power can be obtained. Equidistant spacing with a distance of λ between them (Λ = 300 μm for v = 1 THz) ).   The structure (layer) formed over the entire surface is formed of an insulating material (for example, SiO 2).Two, MgO, CeOTwo) And form a metal layer (eg, gold or silver) thereon. As a result, a transmission line is formed. Through which electromagnetic radiation is transmitted (See FIG. 8).   Phase synchronization in such a structure is achieved over rather long stretches And the power radiated thereby is considerable. However, this The drawbacks of production, such as The wave number is rather fixed. Higher by reducing variability Power is obtained.   Other aspects for optimization include antenna integration. The surviving super for convenience A conductive layer can be used for this.   4. Microwave radiation source   Produces a thin film structure with a microbridge configuration (generally parallel and series lamination) And connect it with standard elements of microwave technology (antennas, transmission lines) After that, a current source (100 mA) capable of controlling this structure, control equipment, frequency and Connect to normal control electronics with power indicator and the like. This is a narrow bar And a complete source for electromagnetic radiation. This source has a wide frequency range, It is varied up to a frequency of 5-10 THz. The structural element of the present invention is a tunnel toro. It is designed as a basic variant of the FIG. 9 shows this.   5. Applicable area   The present invention relates to applications where millimeter and submillimeter radiation is emitted or detected. Can be used in the field. There are even completely new areas. Go Some examples follow. Some laser and backward wave tubes (carcinotro ns) works in the submillimeter wave region. However, these are huge radiation sources and Consumes power. For example, a solid such as a GUNN or IMPATT diode Dostate oscillators are limited to millimeter waves.   Jose, which adapts to the outside resistance without reflection and is coupled into the network Fuson junctions can be controlled by voltage, and a wide frequency range up to terahertz Cover several areas.   Quantum detection of range radiation (concept widely used in visible and infrared spectroscopy ) Represents the spectrum grouped around the resonance frequency of the MASER amplifier. It was possible in the microwave or millimeter wave region, within a small area. This frequency domain The standard method of detection in the US uses non-linear electrical resistance, for example Classic rectifier and superheterodyne ratio A Schottky diode is used as a bar. In these methods The principle of action is to convert the photons into carriers of electrical charge, at different frequencies. It is based on the conversion between regions, that is, the basic principle of quantum detection.   The IV characteristic curve of the SIS tunnel barrier layer for single particle tunneling The non-linearity of the stepped profile exhibits beneficial properties for resistance mixing. In such a mixing stage, a superheterodyne having a Josephson junction is used. The receiver exhibits sensitivity approaching the quantum limit at frequencies up to several GHz. S The function of the perheterodyne receiver is frequency VsWeak informative signal and local Oscillator frequency VL0With the intermediate frequency Several Vif= | Vs-VLOAre formed and further processed electrically. Nanosecond The photon current with the integrated speed of one photon per unit is This is a typical value of detection sensitivity. Such light power is typical in radio astronomy To describe the structure of the universe in the millimeter and submillimeter wave domains. It explores interstellar matter. Very large between 100-1000 μm wavelength Optical rotation lines and vibrational spectral lines of At present these are much of the universe Can be used to describe the physical properties of Lambda of λ = 2.6mm To explore the interstellar carbon monoxide (115 GHz of CO) rotational vibration The practicality of such microwave spectrometers in other practical areas. It will be shown. Spectroscopy in its general sense is due to external sources or to its own emission The purpose of this study is to examine the absorption and emission of electromagnetic radiation from a substance by excitation. Tunnel Ron may be used as an excitation source for spectroscopically tested media. Separate feature that can serve as a receiver for radiation exiting the medium. It has nature. For example, tunneltrons are available in gas, liquid and solid state. To study the chemical composition, geometry and energy-related structure of organic and inorganic compounds I do. It also allows the investigation of the interaction process. All different external parameters , In time domain analysis. Spectroscopy There are a number of cases where dynamic measurements are of interest, e.g. Hiding organic molecules and compounds (biomaterials, drugs and plastics) after awakening Detection of certain substances, or specific substances (eg water content or Is the case of a quantitative control device for impurities, fresh base fat layer thickness) .   Tunneltrons as coherent variable radiation sources are, for example, It shows abundant wave region characteristics in helometry and holography. The holograph is Hara Is the only way to create the only photographic image of an object that appears to be coherent in nature. Here, a direct beam that is not disturbed and a reflected beam from the object The system will interfere in the detection system. The reconstruction of this interference image A three-dimensional image of the elephant is obtained.   Possibility of frequency change of coherent tunneltron and opacity to human eyes It is clear that the tunneltron sub-millimeter radiation is transmitted through a transparent medium. More possibilities are opened up by the possibility of propagation.   A further use of the device proposed here is in communications and data transmission, whereby By ITU (International Telecommunication Union) It is possible to access much higher frequency bands than previously handled. This new Frequency range is the number of channels for both satellite and earthbound communications Can be significantly increased. Considering the bandwidth of 20 Mz, up to 5 THz The frequency domain at provides about 250,000 channels. This is frequency band 1 1.7 to 12.5 GHz (Region 1, Africa, Europe and the former Soviet Union together) for example 40 channels of satellite communications Should be compared. Using 4KHz in voice communication can be formed 2 million voice channels are transported on the same carrier. Pulse transmission for high quality transmission A digital system with code modulation (PCM) is required. Because the frequency The modulation is based on the 3pW / km (about 52dB) standard recommended by CCIR as the noise upper limit. This is because it drives a noise power that exceeds a certain level.   Since the digital system can reproduce the signal at the intermediate station, Accumulation of errors is avoided.   Completely new wireless land-based microwave communication network, its Internet Broadband wireless connection to satellite and broadband connection to satellite communication Reduced radiation load due to reduced human skin absorption depth for submillimeter radiation With the increased benefit of telephone channels.   MIMR for reconnaissance of areas near Earth from satellites or other flying objects ( Microwave, Multi-frequency, Radiology Has high utility in the future, and in the future remote control reconnaissance will become a hyperspectral instrument The multispectral instrument replaces the currently used 7 channels. Therefore, it is suitable for performing image-added reconnaissance on many frequency channels.   It is safe for helicopters to observe nearby objects in a panoramic manner with images It is significant for gender and athletic performance and landing approach of airplanes.   This also applies to robots under street-bound traffic and adverse environmental conditions. Also suitable. What is basically required here is a high performance, tunable, submillimeter wave emitter (And detectors), which are as monochromatic and coherent as possible . Such a device can be manufactured using the device according to the invention.   Most integrated or integrated emitter and detector elements on a chip Overall, it is suitable for radar measurement, such as position measurement and navigation. Suitable for missile and missile detection systems (early-detection). The element according to the present invention It meets the needs for civil and military low power compact radar structures, A warning or collision warning system can be developed.   Tunneltron is an effective sensor for SAR (Artificial Aperture Radar) application, SA The R system uses microwave radiation for an object (the earth when the survey satellite is at the base). And receive the returning radiation. Atmospheric absorption band minimum due to fine tuning of emitter The frequency can be positioned within the range. The direction of the tunneltron wave region Varying is an advantage electronically for scanning of the observation site.   Biological and medical applications (tomography, imaging thermography, etc.) It is easy to infer from the characteristics of such an element.

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年７月３日（１９９８．７．３） 【補正内容】 図８はストライプ状コンダクタに沿ってジョセフソン接合の直列積層を含むマ イクロブリッジの数個のグループの構成を示す。そのエミッタの独立したセグメ ント間の距離はこの構造内の電磁放射線の波長λに対応する。 図９は本発明に係る素子の基本的な構成を示し、薄い超伝導性エピタキシャル フィルム内に並列接続されたマイクロブリッジ（ブリッジ）の二次元的な横方向 構成を含む、（ａ）はマイクロブリッジで、基板に届くトレンチ（ｂ）によって 互いに分離されている。このようにしてマイクロブリッジおよび／またはマイク ロブリッジのグループの通る電流の舵取りを行う。各々のマイクロブリッジは図 ２および図３に説明された構成を意味するジョセフソン接合の直列積層を含む。 電気的な接続（ｋ）および（ｌ）は外部制御回路（ｅ）との接続を行う。 本発明を以下に示す本発明に係る素子の具体例に基づいて詳細に説明する。そ の素子の構造は基本的なユニット構造であって、すなわちジョセフソン接合のリ ニアな直列積層であって、高温超伝導体の高品質の薄膜に形成され、それによっ てその薄膜は基板に対して特別なエピタキシャル関係を有している。 １．ａ軸配向および傾斜したａ軸配向の薄膜内のマイクロブリッジ 図１には、公知のキプレート超伝導体の結晶単位セルを示し、細長い平行六面 体を成し、側方の長さはａ≡ｂ≡３.８Åで、ｃ＞ａ,ｂである。例えば、Ｌａ1. 85 Ｓｒ0.15ＣｕＯ4ではｃ≡６.５Åである。ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7ではｃ≡１１.７Å である。Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8ではｃ≡１５．４Å等である。より詳しくは、 Ｌａ1.85Ｓｒ0.15ＣｕＯ4およびＢｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏ8ではｃ軸の周期性は滑 り面の利用によって２倍になっている。この事実は本発明の議論では全く意味の ないものである。また、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7でのａ≠ｂを有するわずかに斜方晶の 歪みに対して同じことが言える。 今日までの考え得られる全ての高温超伝導体は基板に対して垂直なｃ軸をもっ て成長されてきた（要するにこれらはｃ軸配向ＨＴＳ膜として記載されてきた。 ）これは最も通常のエピタキシャル関係であって、もし高温超伝導体が例えば（ １００）切断ＳｒＴｉＯ3、ＬａＡｌＯ3の格子整合基板上に成長させるときに通 常現われるものである。この場合、すべてのＣｕＯ2面は基板の主要面に対して 平行になっている。 このパワーを増加させるために、このようなマイクロブリッジの並列回路が要求 される。なぜならばこの場合ＰOUT＝（１／８）（Ｍｉc）2ＲTOT＝Ｍ2×０．４ ｍＷとなる。ただし、各マイクロブリッジにおける自然なジョセフソン接合の数 は真空へのインピーダンス適合の条件が完了するように調整されることを条件と する。ＲTOT＝ＲＮ／Ｍ≡３００およびＲ＝１５から３０ΩのときはＮ／Ｍ≡１ ０−２０典型的にはＮ＝１５Ｍである。 これにより図６に示すように同一のマイクロブリッジの並列構成からなる非常に 簡単な素子を形成するための出発点が与えられる。これらは化学又はイオンエッ チングを基板に施すことにより等距離のトレンチ配列を簡単に形成することによ り構成される。 Ｎ＝１５Ｍの場合はおよそM倍の長さのマイクロブリッジが得られる。純粋なあ 軸配向ＨＴＳ膜により１５×３００Å＝４５００Åすなわち０．４５μｍのマイ クロブリッジが得られる。この値は依然として非常に小さいものであり、技術的 に製造するのが困難である。これとは反対に傾斜したa軸配向のＨＴS膜のマイク ロブリッジ長さはｄ＝１０００Å、Ｎ＝３００およびθ＝５°のときに約Ｍμｍ となる。 ｊc＝１０4Ａ／ｃｍ2およびＩc＝１ｍＡでは接合領域はＡ＝１０μｍ2となりマ イクロブリッジ幅は約１０μｍとなる（標準的な選択ｄ＝１０００Åおよびθ＝ ５°）。このようにＭは厳格に制限されるなぜならばこの素子の全幅は放出周波 数ｖ＝３ＴＨｚ（λ＝１００μｍ）では２５μｍとなり、ｖ＝１ＴＨｚ（λ＝３ ００μｍ）では７５μｍとなる。結果としてＭ＝３ないし７となりＰOUT＝１− ２０ｍＷのかなりの出力に対応することになる。放出パワーのさらなる改善は、 比較的低い異方性高温超伝導体であってｃ軸方向に対する臨界電流密度が比較的 高いものを選ぶことによって、得られる例えばＹＢａ2ＣＵ2Ｏ7の場合はｊc＝１ ０6Ａ／ｃｍ2（ｃ軸方向）。このような場合より小さな接合領域、いわば０、１ から１μｍ2が計画され本質的により狭いトレンチとより多くのマイクロブリッ ジが得られより高い放出パワーが得られることになる。マイクロブリッジ幅に対 する実用的な制限は約１μｍであるからそれらの間のトレンチは非常に狭いもの となる。これによって３ＴＨｚにおいて約２５Ｍの値が得られ出力パワーは依 請求の範囲 １．サブミリは放射用エミッタおよびデイテクタ素子であって，基板と、基板上 に構成された高温超伝導体膜と、上記高温超伝導膜上の素子の両側に位置子、外 部電源と接続される電極（k、l）からなり、 上記高温超伝導体膜は薄い、単結晶のａ軸配向したフィルムであって、マイク ロブリッジの構成配置を通して各々、自然ジョセフソン接合の直列積層と上記基 板に達する絶縁用のトレンチ（ｂ）とからなり、マイクロブリッジ（ａ）の二つ の端部に接する上記高温超伝導体の領域が各々のマイクロブリッジ（ａ）の超伝 導性コンタクト（ｃ，ｄ）を形成し、 上記トレンチ（ａ）による適切なガイドを介して直列及び／又は並列接続のどん な態様でも結合可能で、しかも外部から個々に又はグループで制御可能であるよ うになっている素子。 ２． 高温超伝導体膜が基板表面に平行にｃ軸方向にエピタキシャル成長され、 上記ａ−軸は、上記基板上で、通常方向に対して１乃至８９°の角度で傾斜して いることを特徴とする請求項１記載の素子。 ３． 少なくとも２乃至数１００の並列接続されたマイクロブリッジの配列を備 えることを特徴とし、各々の場合、マイクロブリッジ当たり２乃至数１００の垂 直に積層されたジョセフソン接合を有し、その全てのマイクロブリッジ（ｃ，ｄ ）が共通する超伝導性電気的接続を備える請求項１又は２記載の素子。 ４． 上記電極（ｋ、ｌ）が、ディテクタ操作のための電圧測定を可能にする請 求項３記載の素子。 ５． 数個の並列構造グループが直列接続され、セグメントを形成するための適 当なトレンチガイドを通して導かれる請求項３記載の素子。 ６． マイクロブリッジの完全なグループが比較的高い放射電力を得るために、 マイクロ波のストリップコンダクタに沿って分配配置されていることを特徴とす る前項のいずれかに記載の素子。 ７． 通信及びデータ伝送への適用を特徴とする前項のいずれかに記載の素子。 ８． レーダ装置への適用を特徴とする前項のいずれかに記載の素子。 ９． サテライト支持のＳＡＲ（人工開口レーダ）におけるマルチチャンネルエ ミッタ及びディテクタへの適用を特徴とする前項のいずれかに記載の素子。 １０． 像形成用マルチチャンネルマイクロ波ラジオメータへの適用を特徴とす る前項のいずれかに記載の素子。 １１． 分光学的適用の全てのタイプを特徴とする前項のいずれかに記載の素子 。 １２． 天文学的用途に用いられるスーパーヘテロダイン受信器中のローカルオ シレータとして用いられることを特徴とする前項記載の構成素子。 １３． 前項記載のサブミリ波放射のためのエミッタ及び／又はディテクタを生 産するための方法であって、 （ａ） １又は数層のバッファ層を介して又は介さず適当に切断されたウエフ ァ（基板）上に１００-５００ｎｍ厚のａ軸配向又は傾斜したａ軸配向の高温超 伝導体膜をエピタキシャル成長させる工程 （ｂ）トレンチを形成するリソグラフ工程 （ｃ）基板表面をイオンエッチングする工程 （ｄ）ホトレジストを除去する工程 （ｅ）超伝導性コンタクトに電極を取り付ける工程からなる方法。 １４．上記高温超伝導体（ＨＴＳ）膜を分子線エピタキシ（ＭＢＥ）及び原子層 エピタキシ（ＡＬＥ）及びファインフォーカスイオンビームエピタキシのような 類似の方法によって製造することを特徴とする請求項１３記載の方法。 １５． 分子線エピタキシ（ＭＢＥ）の装置が、界面を観察するため及び上記Ｈ ＴＳ層の成長を制御するための分光手段を有する請求項１４記載の方法。 １６． 記ＨＴＳ膜を化学蒸着（ＣＶＤ）及び類似の方法により形成する請求項 １３乃至１５のいずれかに記載の方法。 １７． 上記ＨＴＳ膜をパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）及び類似の方法で 形成し、上記ＰＬＤ装置が界面観察及び成長方法の制御のために分光手段を備え ることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の製造方法。 １８． 上記ＨＴＳ膜がスパッタデポジション（ＳＤ）及び類似の方法により形 成され、そのＳＤ装置が界面観察及び成長方法の制御のために分光手段を備える ことを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の製造方法。 １９． 上記構成素子構造をマイクロマスクを用いて形成することを特徴とする 請求項１３乃至１８のいずれかに記載の製造方法。 【図６】【図９】 [Procedural Amendment] Article 184-8, Paragraph 1 of the Patent Act [Submission Date] July 3, 1998 (1998.7.3) [Contents of Amendment] Fig. 8 shows the Josephson junction along the striped conductor. 3 shows the configuration of several groups of microbridges including a series stack. The distance between the independent segments of the emitter corresponds to the wavelength λ of the electromagnetic radiation in the structure. FIG. 9 shows the basic configuration of a device according to the invention, including a two-dimensional lateral configuration of microbridges (bridges) connected in parallel in a thin superconducting epitaxial film. And are separated from one another by trenches (b) reaching the substrate. In this way, the steering of the current through the microbridge and / or the group of microbridges is performed. Each microbridge includes a series stack of Josephson junctions, meaning the configuration described in FIGS. The electrical connections (k) and (l) make the connection with the external control circuit (e). The present invention will be described in detail based on the following specific examples of the device according to the present invention. The structure of the device is a basic unit structure, that is, a linear series stack of Josephson junctions, formed into a high-quality thin film of high-temperature superconductor, whereby the thin film is special to the substrate. Has an excellent epitaxial relationship. 1. Microbridges in thin films with a-axis orientation and tilted a-axis orientation Fig. 1 shows a crystal unit cell of a known platelet superconductor, which forms an elongated parallelepiped with lateral lengths a≡b≡ 3.8 °, and c> a, b. For example, a c≡6.5Å In La 1. 85 Sr 0.15 CuO 4. In the case of YBa 2 Cu 3 O 7 , c is {11.7}. For Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , c is {15.4} or the like. More specifically, in La 1.85 Sr 0.15 CuO 4 and Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , the periodicity of the c-axis is doubled by using a sliding surface. This fact is completely meaningless in the discussion of the present invention. The same can be said for slightly orthorhombic strain with a ≠ b in YBa 2 Cu 3 O 7 . All conceivable high-temperature superconductors to date have been grown with a c-axis perpendicular to the substrate (in short, they have been described as c-axis oriented HTS films). Thus, if a high temperature superconductor is typically grown on a lattice matched substrate of, for example, (100) cut SrTiO 3 , LaAlO 3 . In this case, all the CuO 2 planes are parallel to the main surface of the substrate. To increase this power, a parallel circuit of such microbridges is required. Since in this case the P OUT = (1/8) (Mi c) 2 R TOT = M 2 × 0.4 mW. Provided that the number of natural Josephson junctions in each microbridge is adjusted so that the condition of impedance matching to vacuum is completed. When R TOT = RN / M≡300 and R = 15 to 30Ω, N / M≡10-20 typically N = 15M. This provides a starting point for forming a very simple device consisting of the same microbridge parallel configuration as shown in FIG. These are constructed by simply forming an equidistant trench arrangement by subjecting the substrate to chemical or ion etching. When N = 15M, a microbridge having a length of about M times can be obtained. With a pure axially oriented HTS film, a microbridge of 15 × 300 ° = 4500 ° or 0.45 μm is obtained. This value is still very small and difficult to manufacture technically. On the other hand, the microbridge length of the HTS film having the a-axis orientation inclined in the opposite direction is about M μm when d = 1000 °, N = 300 and θ = 5 °. At j c = 10 4 A / cm 2 and I c = 1 mA, the junction area is A = 10 μm 2 and the microbridge width is about 10 μm (standard choice d = 1000 ° and θ = 5 °). Thus, M is strictly limited because the overall width of the device is 25 μm at an emission frequency v = 3 THz (λ = 100 μm) and 75 μm at v = 1 THz (λ = 300 μm). The result is M = 3 to 7, corresponding to a significant output of P OUT = 1-20 mW. A further improvement in emission power can be obtained by choosing a relatively low anisotropic high temperature superconductor with a relatively high critical current density in the c-axis direction, for example, in the case of YBa 2 CU 2 O 7 , j c = 1 0 6 A / cm 2 (c -axis direction). In such cases, a smaller junction area, so to speak, 0,1 to 1 μm 2 is planned, resulting in essentially narrower trenches and more microbridges and higher emission power. The practical limit on microbridge width is about 1 μm, so the trench between them is very narrow. This gives a value of about 25M at 3 THz and the output power is dependent. Sub-millimeters are radiation emitters and detector elements, which are a substrate, a high-temperature superconductor film formed on the substrate, positioning elements on both sides of the element on the high-temperature superconducting film, and electrodes connected to an external power supply. k, l), wherein the high-temperature superconductor film is a thin, single-crystal, a-axis-oriented film, each of which has a series stack of natural Josephson junctions and an insulating layer that reaches the substrate through a microbridge configuration. The high temperature superconductor regions contacting the two ends of the microbridge (a) form superconductive contacts (c, d) of each microbridge (a), An element which can be connected in any manner of series and / or parallel connection via a suitable guide by the trench (a) and which can be controlled individually or in groups from the outside. 2. A high-temperature superconductor film is epitaxially grown in a c-axis direction parallel to a substrate surface, and the a-axis is inclined at an angle of 1 to 89 ° with respect to a normal direction on the substrate. The device according to claim 1. 3. Characterized in that it comprises an array of at least two to several hundred parallel microbridges, in each case from two to several hundred vertically stacked Josephson junctions per microbridge, all microbridges of which 3. The device according to claim 1, wherein (c, d) comprises a common superconductive electrical connection. 4. 4. The device according to claim 3, wherein the electrodes (k, l) enable voltage measurement for detector operation. 5. 4. Device according to claim 3, wherein several parallel structure groups are connected in series and guided through suitable trench guides for forming the segments. 6. Element according to any of the preceding claims, characterized in that a complete group of microbridges are distributed along a microwave strip conductor in order to obtain a relatively high radiated power. 7. An element according to any of the preceding claims, characterized in application to communication and data transmission. 8. The element according to any one of the preceding items, which is applied to a radar device. 9. The device according to any one of the preceding items, which is applied to a multi-channel emitter and a detector in a satellite-supported SAR (artificial aperture radar). 10. The device according to any one of the preceding items, which is applied to a multi-channel microwave radiometer for image formation. 11. Element according to any of the preceding claims, characterized by all types of spectroscopic applications. 12. The component according to the preceding claim, which is used as a local oscillator in a superheterodyne receiver used for astronomical applications. 13. A method for producing an emitter and / or detector for submillimeter radiation according to the preceding paragraph, comprising: (a) on a suitably cut wafer (substrate) with or without one or several buffer layers. For epitaxially growing a 100-500 nm thick a-axis oriented or tilted a-axis oriented high-temperature superconductor film (b) Lithographic step for forming a trench (c) Step for ion etching the substrate surface (d) Removing photoresist (E) attaching an electrode to the superconductive contact. 14． 14. The method of claim 13, wherein the high temperature superconductor (HTS) film is manufactured by a similar method such as molecular beam epitaxy (MBE) and atomic layer epitaxy (ALE) and fine focus ion beam epitaxy. 15. 15. The method according to claim 14, wherein the apparatus for molecular beam epitaxy (MBE) comprises spectroscopic means for observing the interface and controlling the growth of the HTS layer. 16. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein the HTS film is formed by chemical vapor deposition (CVD) and a similar method. 17． 17. The method according to claim 13, wherein the HTS film is formed by pulsed laser deposition (PLD) or a similar method, and the PLD apparatus includes a spectroscopic unit for controlling an interface observation and a growth method. The production method described in 1. 18. 18. The method according to claim 13, wherein the HTS film is formed by sputter deposition (SD) and a similar method, and the SD apparatus includes a spectroscopic unit for observing an interface and controlling a growth method. The manufacturing method as described. 19. The method according to claim 13, wherein the constituent element structure is formed using a micromask. FIG. 6 FIG. 9

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １． サブミリ波放射のためのエミッタ及び／又はデイテクタ構成素子であって 、基板と電極位置の電子リード（コンダクタ）からなり、これら電極は超伝導体 上の素子の両側に位置するとともに、外部電源と接続しており、上記素子は薄い 単結晶のａ軸配向の高温超伝導体（ＨＴＳ）膜内にマイクロブリッジ（ａ）及び 絶縁性トレンチ（ｂ）を介して作製され、上記マイクロブリッジ（ａ）が上記膜 を形成する高温超伝導体の超伝導性コンタクト（ｃ、ｄ）の両側から始まり、上 記トレンチ（ａ）による適切なガイドを介して直列及び／又は並列接続のどんな 態様でも結合可能で、外部から個々に又はグループで制御可能であるようになっ ているエミッタ及び／又はディテクタ。 ２． 高温超伝導体膜が基板表面に平行にｃ‐軸方向に気相成長され、上記ａ− 軸は、上記基板上の通常方向に対して１乃至８９°の角度で傾斜している請求項 １記載の構成素子。 ３． 少なくとも２乃至数１００の並列接続されたマイクロブリッジの配列を備 えることを特徴とし、各々の場合、マイクロブリッジ当たり２乃至数１００の垂 直に積層されたジョセフソン接合を有し、その全てのマイクロブリッジが共通す る超伝導性電気的接続を備える請求項１又は２記載の構成素子。 ４． 上記電気的接続が、ディテクタ操作のための電圧測定を可能にする請求項 ３記載の構成素子。 ５． 数個の並列構造グループが直列接続され、セグメントを形成するための適 当なトレンチガイドを通して導かれる請求項３記載の構成素子。 ６． マイクロブリッジの完全なグループが比較的高い放射電力を得るために、 マイクロ波のストリップコンダクタに沿って分配配置されていることを特徴とす る前項記載の構成素子。 ７． 通信及びデータ伝送への適用を特徴とする前項記載の構成素子。 ８． レーダ装置への適用を特徴とする前項記載の構成素子。 ９． サテライト支持のＳＡＲ（人口開口レーダ）中のマルチチャンネルエミッ タ及びディテクタへの適用を特徴とする前項記載の構成素子。 １０． 像形成用マルチチャンネルマイクロ波ラジオメータへの適用を特徴とす る前項記載の構成素子。 １１． 分光的適用の全てのタイプを特徴とする前項記載の構成素子。 １２． 天文学的用途に用いられるスーパーヘテロダイン受信器中の局部オシレ ータとして用いられることを特徴とする前項記載の構成素子。 １３． 前項記載のサブミリ波放射のためのエミッタ及び／又はディテクタを生 産するための方法であって、高温超伝導体（ＨＴＳ）膜を分子線エピタキシ（Ｍ ＢＥ）及び原子層エピタキシ（ＡＬＥ）及びファインフォーカスイオンビームエ ピタキシのような類似の方法によって製造することを特徴とする製造方法。 １４． 分子線エピタキシ（ＭＢＥ）の装置が、界面を観察するため及び上記Ｈ ＴＳ層の成長を制御するための分光手段を有する請求項１３記載の方法。 １５． （ａ）１又は数個のバッファー層を有して又は有さないで、適当に切断 されたウエハ（基板）上に１００乃至５００ｎｍ厚みの傾斜したａ軸を有するＨ ＴＳ膜をエピタキシャル成長させる工程と、 （ｂ）トレンチを形成するためのリソグラフ工程と、 （ｃ）上記基板表面にイオンエッチング工程を施す工程と、 （ｄ）ホトレジストを除去する工程と、 （ｅ）上記ｈｔｓ電極に対し金属コンタクトを取り付ける工程とを有することを 特徴とする請求項１３及び／又は１４記載の製造方法。 １６． 上記ＨＴＳ膜を化学蒸着（ＣＶＤ）及び類似の方法により形成する前項 記載の方法。 １７． 上記ＨＴＳ膜をパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）及び類似の方法で 形成し、上記ＰＬＤ装置が界面観察及び成長方法の制御のために分光手段を備え ることを特徴とする前項いずれかに記載の製造方法。 １８． 上記ＨＴＳ膜がスパッタデポジション（ＳＤ）及び類似の方法により形 成され、そのＳＤ装置が界面観察及び成長方法の制御のために分光手段を備える ことを特徴とする前項いずれかに記載の製造方法。 １９． 上記構成素子構造をマイクロマスクを用いて形成することを特徴とする 前項のいずれかに記載の製造方法。[Claims] 1. Emitter and / or detector component for submillimeter wave radiation, , A substrate and an electronic lead (conductor) at the electrode position. Located on both sides of the upper element and connected to an external power supply, the above element is thin A microbridge (a) and a single-crystal a-axis oriented high-temperature superconductor (HTS) film The microbridge (a) is formed through an insulating trench (b), Starting from both sides of the superconducting contacts (c, d) of the high-temperature superconductor forming Whatever the series and / or parallel connection through the appropriate guide by the trench (a) It can also be combined in an embodiment and can be controlled individually or in groups from outside. Emitter and / or detector. 2. A high-temperature superconductor film is vapor-phase grown in the c-axis direction parallel to the substrate surface, and the a- An axis is inclined at an angle of 1 to 89 degrees with respect to a normal direction on the substrate. 2. The component according to 1. 3. An array of at least two to several hundred parallel microbridges is provided. In each case from two to several hundreds of drops per microbridge. It has Josephson junctions stacked directly, all of which microbridges are common. 3. The component according to claim 1, comprising a superconductive electrical connection. 4. The electrical connection allows voltage measurement for detector operation. 3. The component according to item 3. 5. Several parallel structure groups are connected in series to form a segment. 4. The component according to claim 3, wherein the component is guided through a corresponding trench guide. 6. In order for a complete group of microbridges to obtain relatively high radiated power, It is characterized by being distributed along the microwave strip conductor. The constituent element according to the preceding paragraph. 7. The component according to the preceding item, which is applied to communication and data transmission. 8. The constituent element according to the preceding item, which is applied to a radar device. 9. Multi-channel emission in satellite-supported SAR (Artificial Aperture Radar) The constituent element according to the preceding item, which is applied to a detector and a detector. 10. Features application to multi-channel microwave radiometers for image formation The constituent element according to the preceding paragraph. 11. A component according to the preceding claim, characterized by all types of spectral applications. 12. Local oscilloscopes in superheterodyne receivers used for astronomical applications The constituent element according to the preceding item, which is used as a data. 13. Generates an emitter and / or detector for submillimeter radiation as described in the preceding paragraph. A method for producing a high temperature superconductor (HTS) film by molecular beam epitaxy (M). BE) and atomic layer epitaxy (ALE) and fine focus ion beam etching A manufacturing method characterized by being manufactured by a similar method such as pitax. 14． An apparatus for molecular beam epitaxy (MBE) is used to observe the interface 14. The method according to claim 13, comprising spectroscopic means for controlling the growth of the TS layer. 15. (A) appropriately cut, with or without one or several buffer layers Having a tilted a-axis with a thickness of 100 to 500 nm on a wafer (substrate) A step of epitaxially growing a TS film; (B) a lithographic step for forming a trench; (C) performing an ion etching process on the substrate surface; (D) removing the photoresist; (E) attaching a metal contact to the hts electrode. The method according to claim 13 and / or claim 14, characterized in that: 16. The preceding paragraph in which the HTS film is formed by chemical vapor deposition (CVD) and similar methods. The described method. 17． The above HTS film is formed by pulsed laser deposition (PLD) and similar methods. The above PLD apparatus is provided with a spectroscopic means for controlling the interface observation and the growth method. The method according to any one of the preceding items, wherein 18. The HTS film is formed by sputter deposition (SD) and similar methods. The SD device is provided with spectroscopic means for interface observation and growth method control The method according to any one of the preceding items, characterized in that: 19. The above constituent element structure is formed using a micromask. The production method according to any one of the preceding items.
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