JPH08509103A - 高温度超電導膜および強誘電性膜を含む同調可能マイクロ波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 当該開示は、周波数同調可能な損失の低い受動型マイクロ波およびミリ波装置を製造するため組合わせて使用される強誘電性および超伝導性薄膜に関する。種々の金属酸化物の超伝導性および強誘電性薄膜を、強誘電性膜に跨がって電圧バイアス信号の印加によりマイクロ波およびミリ波信号を操作することができる装置を製造する種々の被着技術によって、多数の多層形状で被着することが可能である。遅延線、移相器、共振器、発振器、フィルタ、電気的に小型のアンテナ、ハーフ・ループ・アンテナ、指向性結合器、パッチ・アンテナ、および種々の放射格子を含む多くの超伝導性マイクロ波およびミリ波装置を、電圧バイアスを掛けた強誘電性薄膜から作られる電圧同調可能なコンデンサ構造を用いて周波数同調可能にされる。強誘電性の薄膜格子に対して２つ以上の電圧バイアス信号を印加することによりビーム・パターンの電気的指向操作を可能にする組合わされた超伝導性および強誘電性の薄膜構造および形態を組込んだ同調可能なアンテナ・アレイもまた開示される。金属酸化物の超伝導体および強誘電体の薄膜を種々の組合わせで用いることにより達成されるこの組合わされた低損失および周波数同調可能性は、従来技術を越える著しい進歩をもたらす。広範囲の金属酸化物超伝導体および広範囲の強誘電体の共用性は、超伝導性膜上の強誘電性膜および強誘電性膜上の超伝導性膜を含む多数の薄膜多層形態の製造を可能にする。このような形態の柔軟性および膜のデポジションはまた、更にコンパクトな装置構造を可能にすると共に、集積されるモノリシック・デバイスをも可能にする。このようなデバイスの集積化は、独特なアンテナその他の装置に対して、更なるコスト効率がよくかつより高い性能を呈する形態を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 高温度超電導膜および強誘電性膜を含む同調可能マイクロ波装置 発明の背景 １．発明の分野 ＳｒＴｉＯ₃、Ｐｂ（Ｓｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、Ｓｒ_xＢａ_1-xＴｉＯ₃などの強誘電性 膜は、この強誘電性膜の誘電率が強誘電性膜に印加される電圧の変化により同調 可能であるので、同調可能コンデンサを生じる手段を提供する。それらの本質的 に低い高周波損失の故に、これらの材料は、遅延線および移相器を含む種々のマ イクロ波構成要素に組み込むことができる。 遅延線および移相器の主な用途の１つは、フェーズドアレイ・アンテナ（ｐｈ ａｓｅｄ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）に対するものである。電圧制御される 強誘電性膜は、マイクロストリップまたは同一面遅延線の誘電率を変化させ、従 って時間遅延を変化させる。このような移相器または同調可能遅延線は、アンテ ナ・アレイの各々の放射素子からの送信または受信されるマイクロ波信号および ミリ波信号の位相遅延に用いることができる。 このような同調可能強誘電性膜は、移相器、整合ネットワーク、発振器、フィ ルタ、共振子、ループ・アンテナ、超電導膜素子などの如き大きな同調可能マイ クロ波要素および装置において使用することができる。 本発明は、一般に、材料の誘電率が電圧その他のパラメータと共に変化する事 実を利用して同調される装置に関し、特に強誘電性薄膜を同調可能な安定材料と して利用する如き装置に関する。 ２．従来技術の説明 強誘電性移相器については、Ｖ．Ｋ．Ｖａｒａｄａｎ等の「電子的に操作可能 なアンテナ・システム用セラミック移相器（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｓｈ ｉｆｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ、 １９９２年１月、１１６〜１２６ページ）に開示されている。 マイクロ波周波数送信に超電導体を用いることは、Ｐ．Ａ．Ｒｙａｎの「ＥＷ のための高温度超電導（Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎ ｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｆｏｒ ＥＷ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｄｅｆｅｎｓｅ、１９９２年８月、４８〜５４ページ）に開示されて いる。 超電導電界効果（ＦＥＴ）状素子における誘電層として使用されるＳｒＴｉＯ₃ の薄膜の誘電特性については、Ａ．Ｗａｌｋｅｎｈｏｕｒｓｔ等の「高Ｔ_c超電 導電界効果素子に用いられるＳｒＴｉＯ₃薄膜の誘電特性（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉ ｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＳｒＴｉＯ₃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｕｓ ｅｄ ｉｎ ｈｉｇｈ Ｔ_c ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ− ｅｆｆｅｃｔ ｄｅｖｉｃｅｓ）」（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６０（１ ４）、１９９２年４月６日、１７４４〜１７４６ページ）に開示されている。 ＳＱＵＩＤＳを用いる超電導移相器は、Ｃ．Ｍ．Ｊａｃｋｓｏｎ等の「モノリ シックＨＴＳマイクロ波移相器および他のデバイス（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｈ ＴＳ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖ ｉｔｙ、第５巻、第４部、１９９２年、４１９〜４２４ページ）に開示されてい る。 超電導給電ネットワークおよびアンテナ・アレイのアンテナ素子については、 Ｒ．Ｊ．Ｄｉｎｇｅr等の「高温度超電導体の可能な受動的アンテナ用途の調査 （Ａ Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ Ｐｏｓｓｉｂｌｅ Ｐａｓｓｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎ ａ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓ ｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）」（ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏ ｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ、第３ ９巻、第９部、１９９１年９月）に開示されている。 超電導薄膜アンテナは、Ｒ．Ｊ．Ｄｉｎｇｅｒ等の論文「５００ＭＨｚにおけ る薄膜Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超電導ハーフループ・アンテナの放射効率測定（Ｒａ ｄｉａｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｈａｌｆ−Ｌｏｏｐ Ａｎｔｅｎｎａ ａｔ ５００ ＭＨｚ）」（１９９１ 年６月、ＭＴＴ−Ｓ、ボストンで提出、１〜４ページ）に開示されている。 ＢＳＴ材料薄膜の誘電性は、Ｊ．Ｆ．Ｓｃｏｔt等の「１６および６４Ｍビッ トのドラム・セル用のチタン酸バリウム・ストロンチウムにおけるミクロ構造が 生じるショットキー障壁効果（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ＢａｒｉｕｍＳ ｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ （ＢＳＴ） Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｆ ｏｒ １６ ａｎｄ ６４ ＭＢＩＴ Ｄｒａｍ Ｃｅｌｌｓ）」 （略々１９ ９２年）に開示されている。 膜に印加される電圧を変化させることにより膜の誘電率が同調可能である誘電 膜が、遅延線、移相器およびフェーズドアレイ・アンテナを含む種々のマイクロ 波構成要素に使用することができる同調可能コンデンサを生じる手段を提供する ことが知られている。遅延線においては、誘電材料に印加される電圧が、材料を 通過する電気信号の誘電率を、従って移動時間即ち遅延を変調する。遅延線は、 一般にマイクロストリップまたは共面デバイスとして作られる。、この遅延時間 が信号の位相の偏移に用いられるならば、デバイスは移相器と呼ばれる。このよ うな移相器即ち同調可能遅延線は、フェーズドアレイ・アンテナを形成するため 、アンテナ・アレイのここの放射素子から送られあるいは受取られるマイクロ波 およびミリ波の波形信号を位相遅延させるように使用することができる。高周波 における本質的に低い損失の故に、一般には誘電率が同調可能である材料でもあ る強誘電体がこのようなデバイスにおいて特に有効である。このような同調可能 な強誘電膜は、先に述べた遅延線、移相器およびフェーズドアレイ・アンテナ、 ならびに整合ネットワーク、発振器、フィルタ、共振子、ループ・アンテナおよ び他の多くの装置を含む大きなファミリの同調可能マイクロ波構成要素および装 置において使用することができる。 強誘電移相器、特に位相の生成のためバイアス電界による誘電率の変化を用い るチタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ）移相器について、Ｖ．Ｋ．Ｖａ ｒａｄａｎ等の「電子的に操作可能なアンテナ・システムのためのセラミック移 相器（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃａｌｌｙ Ｓｔｅｅｒａｂｌｅ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」 （Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ、１９９２年１月、１１６〜１２６ぺー ジ）に開示されているが、誘電率の変化および位相偏移は非常に小さいためバル ク・デバイスのみが適している。 電界による誘電率の変化を用いて位相偏移を変化させる高温度超伝導体／強誘 電移相器については、Ｃ．Ｍ．Ｊａｃｋｓｏｎ等の「高温度超伝導体移相器（Ａ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｈａ ｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ）」（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊｏｕｒｎａｌ）第５巻、第 ４部、１９９２年１２月、７２〜７８ページ）に開示されている。特に、Ｓｒ_x Ｂａ_1-xＴｉＯ₃が、このような移相器に対する然るべき材料として述べられてい る。電圧制御される誘電率同調可能位相偏移装置におけるＳｒＢａＴｉＯ₃のこ のような使用もまた、Ｊａｃｋｓｏｎ、Ｍ．Ｃｈａｒｌｅｓ等の「強誘電体と高 温度超伝導体を組合わせる新規なモノリシック移相器（Ｎｏｖｅｌ Ｍｏｎｏｌ ｉｔｈｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ｆｅｒｒｏｅ ｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃ ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）」（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）に述べられている。しかし、この両方の論 文では、約１０％の中程度の位相偏移のみが開示されている。これらの装置がマ イクロ波集積回路（ＭＩＣ）サイズまでスケール・ダウンされたものとして、こ の装置は薄膜で作られねばならず、薄膜の表面効果が優勢であり、同調可能性が 実用的な意味で有効であるには小さ過ぎ、ＭＩＣ装置が信頼性と低コストを含む 多くの利点を提供するため、このような装置における有効な同調可能性を提供す る誘電材料を有することが非常に望ましいことになる。 従来技術の同調可能マイクロ波およびミリ波の装置は、誘電率の変化度、損失 性および他のパラメータ間に介在する全ての妥協を有する。誘電材料は、装置の 最大の同調可能性を許容するため誘電率における高い変化度を持たねばならない 。損失性は、さもなければ装置の電力使用が過大になるので、低くなければなら ない。このため、高度の同調可能性と低い損失性の両方を具有する同調可能マイ クロ波およびミリ波の装置を具有することが大きな利点となろう。 発明の概要 本発明は、周波数同調可能であるマイクロ波およびミリ波装置の製造のため、 超伝導薄膜構造中に誘電層として薄膜を分離する強誘電体を使用することに関す るものである。特に、強誘電性薄膜の様々な部分にわたる電圧バイアス信号の印 加により周波数同調可能である全く新しい種類のマイクロ波およびミリ波装置を 製造するために、金属酸化物の強誘電性および超伝導薄膜が組合わせて用いられ る。このような構造においては、高周波における超伝導体の低い損失性能の故に 、装置のマイクロ波およびミリ波性能は、大半が強誘電性層に接する損失によっ て制限される。全種類の金属酸化物強誘電体との全種類の金属酸化物超伝導体の 基本的な材料互換性が、超伝導体上の強誘電体構造および強誘電体上の超伝導体 構造を含む多数の多層形状を設計し製造するための独特な柔軟性を薄膜材料シス テムに提供する。 本発明は、他の超伝導装置の非常に低い損失性能を有するが大部分の実際の用 途に要求される必要な周波数同調性をも有するマイクロ波およびミリ波装置を製 造するために特に有効である。本発明によって、超伝導薄膜と組合わせて電圧バ イアスを課した強誘電薄膜から作られる電圧同調可能なコンデンサ構造を用いる ことにより周波数同調可能である遅延線、移相器、共振子、発振器、フィルタ、 電気的に小型のアンテナ、ハーフ・ループ・アンテナ、指向性結合器、パッチ・ アンテナ、および種々の放射格子を含むがこれに限定されない種々のマイクロ波 およびミリ波装置を具現することが可能である。 本発明は、種々のマイクロ波構造における同調可能性を達成するための、高温 度超伝導体（ＨＴＳＣ）材料の薄膜および強誘電材料の薄膜の両方の利用に関す るものである。 ＳｒＴｉＯ₃、Ｐｂ（Ｓｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、Ｓｒ_xＢａ_1-xＴｉＯ₃などの強誘電膜 は、強誘電膜の誘電率がこの強誘電膜に印加される電圧の変化により同調可能で あるので、マイクロ波周波数における同調可能なコンデンサ構造を製造する手段 を提供する。本発明によれば、強誘電材料の薄膜は、強誘電材料の薄膜への電圧 の印加により周波数同調可能である低い損失のマイクロ波およびミリ波装置を製 造するために、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＹＢＣＯ）またはＴｉ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ ＴＢＣＣＯ）の如き高温度超伝導体（ＨＴＳＣ）の薄膜（複数または単数）が提 供される。基板上に被着されるＨＴＳＣ材料および強誘電材料の薄膜構造は、強 誘電材料およびインピーダンス整合構造の接触損失によってのみ制限される低減 した損失を結果として得る。ＨＴＳＣ薄膜と強誘電薄膜の組合わせは、大きなフ ァミリの同調可能なマイクロ波構成要素、および真の遅延時間、超伝導移相器、 同調可能な遅延線、共振子、フィルタ、整合ネットワーク、発振器および同調可 能アンテナを得るための方法を提供する移相装置などの装置において使用するこ とができる。 ＨＴＳＣ薄膜および強誘電薄膜の組合わせは、実質的な周波数同調可能性、簡 単な構造、温度動作範囲の最適化の可能性、変更可能な薄い誘電性能力、低コス ト、アンテナなどの他の構成要素との高レベルの一体化、回路の高電力の取扱い を含む独特な特性を持つ新規な種類のマイクロ波装置を提供する。構造の同調可 能性の程度は、強誘電体、その形態形状（例えば、膜の厚さ）、温度、および印 加される電界または電圧に依存する。 広範な種類の強誘電体とのＹＢＣＯ、ＴＢＣＣＯおよび他の超伝導体の共用性 は、蒸着、ゾル−ゲル，スパッタリング、物理的蒸着、化学気相成長、レーザ被 着その他を含む多岐の被着方法による強誘電体および超伝導体の最適化、および 各々の交番層の成長を可能にする。ＨＴＳＣ薄膜および強誘電膜の組合わせは、 新規な種類の同調可能なマイクロ波およびミリ波装置を提供する。 本発明の主な適用法の１つは、フェーズドアレイ・アンテナのための移相器と 同調可能な遅延線とを含む。電圧制御される強誘電薄膜は、マイクロストリップ 線または共面遅延線のいずれか一方の誘電率を、従って遅延時間を変調する。こ のような移相器または同調可能な遅延線は、アンテナ・アレイの個々の放射素子 から送られあるいは受取られるマイクロ波およびミリ波の波形信号を位相遅延さ せるために使用することができる。この種類の同調可能なマイクロ波およびミリ 波の装置の他の用途は、共振子、フィルタ、整合ネットワーク、発振器、指向性 結合器および同調可能アンテナを含む。 本発明はまた、フェーズドアレイ・アンテナにおける個々の放射素子のための 誘電格子の利用を含む。このような格子（隣接する各素子間の遅延が固定された ）は、固定された角度でエネルギを放射する（あるいは、受取る）。この角度は 、単一のバイアス電圧で誘電格子をバイアスすることにより調整することができ る。このような電圧制御される格子は、単一のＤＣ−バイアス線の付設により（ 一方向に）指向操作を可能にする。 誘電格子の発明は、ｘとｙの両方向における指向操作を備える２次元アレイへ 拡張することができる。各々の格子の「パッチ」アンテナ間の固定間隔を有する このような格子の簡単な２次元アレイが、第２の方向における同様な固定放射角 度を提供する。第２の単一電圧のバイアス線が、アレイにおける各格子構造間の 誘電率を、従って遅延時間を変化させる。 本発明はまた、実質的な同調可能性を持つ同調可能な超伝導共振子、実質的な 同調可能性を持つ超伝導端部効果コンデンサを含む幾つかの容量結合装置を含み 、また同調可能なループ・アンテナを含む広範囲の共振装置への同調可能装置の 適用をも含む。 本発明はまた、同調可能な誘電率材料としてチタン酸バリウム・ストロンチウ ム（ＢＳＴ）を使用する同調可能なマイクロ波およびミリ波装置をも提供する。 このＢＳＴは、０．０１≦ｘ≦０．２である構造式Ｂａ_xＳｒ_1-xＴｉＯ₃を有す ることが望ましい。当技術において周知のように、構造式ＢＳＴは、Ｓｒ_yＢａ_{1 -y} ＴｉＯ₃とも書くことができる。 ＢＳＴ、特にバリウムの量がストロンチウムの量に比較して小さいＢＳＴが、 マイクロ波およびミリ波の装置において非常に高い同調可能性を呈することが発 見された。ゼロボルトから２５ボルト（２５キロボルト／ｃｍ）までの電圧の変 化により、ストロンチウムと比較して少量のバリウムを含むＢＳＴの誘電率が典 型的に約３００％変化すること、またある場合には６００％も変化すること、こ の電圧範囲が典型的な同調可能なマイクロ波およびミリ波装置の動作電圧範囲内 に充分に入ることが判った。このような高い誘電率の可変性は、回路の誘電性部 分が非常に薄く、これにより損失を最小限に抑える、同調可能装置を作ることを 可能にする。誘電性部分における損失が最小化されるので、コンデンサ部分は、 従来のコンデンサを利用することができ、また更に超伝導体と従来の誘電体で作 られる装置の損失係数程度である損失係数を持ち得る。 ＢＳＴマイクロ波およびミリ波の装置が５０Ｋ乃至１１０Ｋの間の温度で動作 するように設計されることが望ましい。このＢＳＴは、このような温度範囲内で 最大の同調可能性を呈することが判った。図面の簡単な説明 図１は、強誘電体の薄膜上に被着され、全てが結晶基板上に被着されたＨＴＳ Ｃ材料のマイクロストリップ線を示す本発明の同調可能遅延線の特定の実施例の 平面図、 図２は、本発明の同調可能な超伝導体／強誘電体薄膜の概略図、 図３は、相互インダクタンス技術により測定される如きデポジション後の本発 明の多層超伝導体／強誘電体薄膜に対する磁束スクリーニング−温度特性のプロ ット、 図４は、本発明の同調可能な共振子に対する挿入損失対７７Ｋにおける周波数 のプロット、 図５は、強誘電体の膜の反対面と隣接するＨＴＳＣ材料の薄膜の部分縦断面図 、 図６は、フェーズドアレイ・アンテナ・システムにおける本発明の移相器の概 略図、 図７は、アンテナ・アレイにおける個々の放射素子に対する本発明による誘電 格子の部分縦断面図、 図８は、アンテナ・アレイに対する本発明による誘電格子の２次元アレイの概 略図、 図９は、ＬａＡｌＯ₃基板上に形成された本発明の共面構造の斜視図、 図１０は、本発明による共面キャビティにより形成された共振キャビティの斜 視図、 図１１は、同調可能な強誘電性コンデンサと同調性のない容量結合されたマイ クロストリップ線共振子とを持つ容量結合されたマイクロストリップ線共振子の 概略図、 図１２は、本発明による超伝導端部効果コンデンサの平面図、 図１３は、図１２のコンデンサの立面図、 図１４は、強誘電層の頂面上のＨＴＳＣ層を持つ本発明の特定の多層構造の断 面図、 図１５は、基板の頂面における強誘電層の頂面におけるＨＴＳＣ層を持つ本発 明の更に一般的な多層構造の断面図、 図１６は、強誘電性基板上にＨＴＳＣ層が直接被着される本発明の特定構造の 断面図、 図１７は、強誘電性層がパターン化されたＨＴＳＣ層の頂面に被着され、この 強誘電性層もまたＨＴＳＣ層のエッチング領域を充填する本発明の特定多層構造 の断面図、 図１８は、強誘電性層とＨＴＳＣ層が同じ面内にあり、本発明のＨＴＳＣ強誘 電性インターフェースが膜の縁部にある本発明の特定構造の断面図、 図１９は、バルク結晶の誘電性、絶縁性あるいは強誘電性基板上にＨＴＳＣ層 および強誘電性層の種々の組合わせを持つ本発明の一般的強誘電構造の断面図、 図２０は、強誘電体の薄膜と強誘電体の薄膜の他の面と隣接するＨＴＳＣ材料 の薄膜の１つの面と隣接するＨＴＳＣ材料の共面薄膜の部分縦断面図、 図２１は、本発明の指状に組合ったコンデンサの平面図、 図２２は、図２１の指状に組合ったコンデンサの部分縦断面図、 図２３は、本発明のハーフ・ループ・アンテナの平面図、 図２４は、図２１のアンテナの共振回路の概略図、 図２５は、ＢＳＴ遅延／偏移素子に対するバイアス電界の印加を示す本発明に よるＢＳＴ素子の断面図、 図２６は、図２５の遅延／偏移素子を用いるマイクロ波／ミリ波遅延／偏移装 置のブロック図、 図２７は、本発明による遅延／偏移素子を用いるマイクロ波／ミリ波遅延／偏 移装置の断面図、 図２８は、本発明による遅延／偏移素子のマイクロストリップ伝送線の実施例 の一部の斜視図、 図２９は、本発明による集中キャパシタンス遅延／偏移素子を用いる人工伝送 線の概略図、 図３０は、ＢＳＴサンプルのためのバルク・キャパシタンス変化データの取得 に用いられるコンデンサ装置の図、 図３１は、ＢＳＴサンプルのための薄膜キャパシタンス変化データの取得に用 いられるコンデンサ装置の図、 図３２は、本発明による共面導波移相器素子の図、 図３３は、図３２における線２８１に関する図３２の移相器の断面図、 図３４は、図３０にに示される如きＢａ_0.09Ｓｒ_0.91ＴｉＯ₃コンデンサに対 する５つの電界強さに対するキャパシタンス対温度のカーブを示し、 図３５は、図３０に示される如きＢａ_0.09Ｓｒ_0.91ＴｉＯ₃コンデンサに対す る５つの電界強さに対するキャパシタンス対温度カーブを示し、 図３６は、図３１に示される如きＢａ_0.08Ｓｒ_0.92ＴｉＯ₃薄膜コンデンサに 対する６つの電界強さに対するキャパシタンス対温度カーブを示し、 図３７は、図３６のカーブの取得において用いられるコンデンサより小さい図 ３１に示される如きＢａ_0.08Ｓｒ_0.92ＴｉＯ₃薄膜コンデンサに対する４つの電 界強さに対するキャパシタンス対温度カーブを示し、かつ３つの他の電界強さに 対するキャパシタンス／温度カーブにおける１つの点をも示し、 図３８は、図３６のカーブの取得において用いられる同じコンデンサと電界強 さに対する損失接線対温度カーブを示し、 図３９は、図３２および図３３の移相器に対する位相角度の測定変化と実効誘 電率対電界強さを示している。望ましい実施例の説明 ３０ＫのＬａ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超伝導体および９０ＫのＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ超 伝導体の如き高温度超伝導体（ＨＴＳＣ）の発見は、更に高温の超伝導体の世界 的な競争を刺激した。９０Ｋ Ｔｉ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系統、１１０Ｋ Ｂｉ−Ｃ ａ−Ｓｒ−Ｃｕ−Ｏ系統、および１２０Ｋ Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（ＴＢ ＣＣＯ）系統の発見により突破がなされた。Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系統は、液体窒 素の沸点以上でゼロ抵抗に達する第一希土類系統であるが、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃｕ− Ｏ系統は１００Ｋ以上でゼロ抵抗に達し、最も高いゼロ抵抗温度（１２７Ｋ）を 有する。 Ｔｉ₂Ｂａ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_10+x（２２２３）およびＴｉ₂Ｂａ₂Ｃａ₁Ｃｕ₂Ｏ_8+x （２２１２）を含む多数の超伝導相が、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系統から分 離された。２２２３超伝導体は、３．８５×３．８５×３６．２５Å正方単位格 子を有する。２１２２超伝導体は、３．８５×３．８５×２９．５５Å正方単位 格子を有する。２２２３相は、余分なカルシウムと銅の層の加算により２１２２ と関連する。更に、Ｃａの無いＴｉ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系統における超伝導相はＴ ｉ₂Ｂａ₂ＣｕＯ_6+x（２２０１）である。 本発明の新規な種類の同調可能マイクロ波装置は、薄膜における高温度超伝導 体（ＨＴＳＣ）（Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−ＯおよびＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏの如き ）の低損失を強誘電体の薄膜の可変誘電性と組合わせる。 ＳｒＴｉＯ₃、Ｐｂ（Ｓｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、Ｓｒ_xＢａ_1-xＴｉＯ₃などの強誘電薄 膜は、強誘電薄膜の誘電率がこの膜に加えられる電圧の変化によって同調可能で あるので、マイクロ波およびミリ波の周波数における低損失同調可能コンデンサ 構造を生じる手段を提供する。強誘電体の薄膜は、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−ＯまたはＴ ｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏの如き高温度超伝導体（ＨＴＳＣ）の薄膜が提供され る。このＨＴＳＣ薄膜は、強誘電体の損失正接とインピーダンス整合構造によっ てのみ制限される低減した損失を持つ多層構造を結果として得る。ＨＴＳＣ薄膜 と強誘電薄膜の組合わせは、同調可能遅延線、同調可能フィルタ、整合ネットワ ーク、発振器、ループ・アンテナ、指向性結合器、共振器などにおける真の遅延 時間を得るための方法を提供する移相器装置の如き大きなファミリの同調可能な マイクロ波構成要素および装置において使用することができる。 強誘電体、例えばＳｒＴｉＯ₃や種々のバリウムでドープされたチタン酸スト ロンチウムの薄膜は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-8（ＹＢＣＯ）またはＴｉ−Ｂａ−Ｃａ −Ｃｕ−Ｏ（ＴＢＣＣＯ）の如きＨＴＳＣ材料のデポジションのための優れた基 板を提供する。ＳｒＴｉＯ₃およびその関連物質は、ＹＢＣＯ、Ｔｉ−Ｂａ−Ｃ ａ−Ｃｕ−Ｏおよび他のタリウム銅酸化物半導体に近い優れた格子整合および熱 膨張係数を持つ灰チタン石（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）結晶構造を有する。一般に 、アルミン酸ランタン（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ａｌｍｉｎａｔｅ）などの如き他 の基板もまた用いることができる。 ＨＴＳＣ薄膜および強誘電薄膜の組合わせは、実質的な周波数同調可能性、簡 単な構造、温度動作範囲の最適化の可能性、種々の薄い誘電体の使用能力、低コ スト、アンテナなどの他の構成要素との高レベルの一体化、および回路の電力取 扱い（ｐｏｗｅｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ）を含む独特な特性を具有する新規な種類 のミリ波装置および同調可能マイクロ波装置を提供する。前記構造の同調可能性 の程度は、材料、その形状および形態（例えば、膜の厚さ）、温度および印加電 圧に依存している。 高品質のＳｒＴｉＯ₃、ＢａＳｒＴｉＯ₃、ＬａＡｌＯ₃、および他の誘電性薄 膜は、ゾル−ゲル、プラズマ−スプレー、スパッタリング、物理気相成長法、化 学気相成長法、レーザ・デポジションおよび他の技法によって、ＨＴＳＣ薄膜（ 例えば、ＹＢＣＯまたはＴｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）膜上に被着することがで きる。ＨＴＳＣ層の超伝導特性は、強誘電薄膜との互換性およびその反対の互換 性に依存し、ならびに処理条件に依存する。実際の回路においては、良好なイン ピーダンス整合を提供するために固定された動作温度が要求される。広帯域のコ ンパクトな低コストで薄膜の超伝導整合回路が得られる。本発明の同調可能な超 伝 導／強誘電構造の種類の薄膜多層構成は、モノリシック・デバイスおよび集積回 路が設計し得る更なる利点を有する。 図１に示されるように、接地面２３上に被着される強誘電体薄膜２２上に被着 されたＨＴＳＣ材料、例えばＹＢＣＯ材料の薄膜のパターン化されたマイクロス トリップ線２１によって同調可能遅延線２０が形成される。更に、接地面２３が 、ＳｒＴｉＯ₃の如き結晶基板上に被着される。強誘電体薄膜２２は、例えば、 １００Å乃至１０００Åの厚さでよい。超伝導体即ちマイクロストリップ線２１ と接地面２３との間に電圧を印加することにより、ＤＣバイアスが強誘電層に与 えられ、これによりその層内の誘電率および光波の伝播速度を変化させる。マイ クロストリップ線および接地面の両者がＨＴＳＣ材料から作ることができること に注目されたい。 ＹＢＣＯ薄膜のマイクロストリップ線即ちパターン２１が、ゾル−ゲル、化学 気相成長法、物理気相成長法、スパッタリング、レーザ・デポジション、または 他の技法を用いることによって、ＳｒＴｉＯ₃薄膜基板２２上に被着される。超 伝導薄膜および強誘電薄膜のゾル−ゲル・デポジションおよび化学気相成長法に ついては、米国コロラド州、Ｃｏｌｏｒａｄｏ ＳｐｒｉｎｇｓのＳｙｍｅｔｒ ｉｘ社に譲渡された米国特許第５，１１９，７６０号および同第５，１３８，５ ２０号に開示されている。 図２は、マイクロストリップ線または（ＨＴＳＣ）ＹＢＣＯ材料の薄膜２１を 含む同調可能遅延線２０の概略図を示している。通常の金属（例えば、銀）また はＨＴＳＣ材料の接地面２３が、基板即ち膜２２の背面２２ａ上に被着される。 変更可能な電圧源２５が、可変電圧Ｖをマイクロストリップ線２１および接地面 ２３により強誘電体層２２に対して電界として印加されることを可能にする。 ＳｒＴｉＯ₃は、強誘電体の分類においてＢａＴｉＯ₃と同じ族に帰属する。Ｂ ａＴｉＯ₃は、周知の強誘電体およびその立方相から正方相への相転位であり、 ここで外部電界における正方相におけるＴｉの小さな変位が強誘電性の起因であ る。ＳｒＴｉＯ₃は、より低い温度において３つの結晶相転位を有する（表１参 照）。 薄膜２２に対して使用可能な他の強誘電体は、ＢａＴｉＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、Ｐ ｂ（Ｓｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、Ｓｒ_xＢａ_1-xＴｉＯ₃などを含む。第ＩＩＩ族乃至第Ｖ族 、および第ＩＩ族乃至第ＶＩ族は、エピタキシャル・デポジションが要求される ならば起生する格子整合問題を解消するため、他の緩衝層と共に使用することが できる。 同調可能遅延線２０の同調可能性の程度は、強誘電体、温度および印加される 電界即ち電圧に依存する。 本発明の超伝導体／強誘電体の同調可能遅延線２０の利点は、その電力扱い能 力である。デポジションは、ＲＦ電圧がＤＣ制御電圧と共用し得るようになる時 、非線形伝送線で生じ得る。マイクロストリップ線の電力扱い性は、使用される 最小バイアス電圧から推定することができる。電力は、Ｐ＝Ｖ²／Ｚにより与え られ、ここでＰは電力に等しく、Ｖは電圧、Ｚはインピーダンスに等しい。従っ て、５ボルトのバイアスおよび１オームのインピーダンスの場合、非線形性が現 れる前に、２５ワット（即ち、＞４０ｄＢｍ）を取扱うことができる。高い電力 レベルが、線の臨界電流伝送能力を越えないことを保証するマイクロストリップ 線幅要件を設定することになる。 図３は、本発明の多層超伝導体／強誘電体薄膜の温度変化による実電圧と仮想 電圧に関する抵抗値の変化を示す。 図４は、本発明の同調可能共振器に対する７７Ｋ時のＧＨｚの周波数に対して プロットされたｄＢ単位の同調可能共振器の挿入損失とその共振周波数ピーク値 における変化を示す。 図５は、ＨＴＳＣ材料の断面におけるマイクロストリップ線３１を示す。図５ に示されるように、マイクロストリップ線３１のＨＴＳＣ材料３２の薄膜は、強 誘電体の薄膜３４上に被着される。強誘電体の薄膜３４上に被着される。強誘電 体薄膜３４は、ＨＴＳＣ材料薄膜３３と隣接している。結晶性基板３５が、薄膜 ３３、３４および３２を支持している。 図６において、θ₀は、放射器４１の線に対して直角に延長する軸に関してフ ェーズドアレイ・アンテナにより整形されるビームの角度である。間隔「ｄ」は 、放射器４１間の間隔である。「λ」は、放射の波長である。「φ」は、ソース ４７からの放射の位相角である。「Δφ」は、他の放射器に関するアンテナ４０ の放射器４１の各々の伝播相における差である。「２ｘ」、「３ｘ」、「４ｘ」 、「５ｘ」、「６ｘ」および「７ｘ」の「ｘ」は、「Δφ」に与えられる定数で ある。 大きさ、重さおよび駆動機構が制限される場合、伝統的な移動反射器アンテナ は、ある用途においてはフェーズドアレイ・アンテナによって置換されつつある 。形状が略々平坦である従来のフェーズドアレイ・アンテナは、かなりの数の密 な間隔の個々の放射器によって形成され、この放射器の複合ビームはマイクロ秒 単位で整形され空間敵に指向され、これによりアンテナが一時に多数の目標を追 跡することを可能にする。これは、各個の放射素子と関連するＲＦ移相器によっ て電気的に行われる。 高水準の受動型フェーズドアレイ・アンテナは、その使途が他の要因よりもコ ストによって制約される。要求される移相器は、安価ではなく、それぞれそれ自 体の移相器を備える典型的なアレイが数千の個々のアンテナ要素を必要とするの で、全システムの価格は莫大なものとなる。 このようなフェーズドアレイの主たる問題は、大きなアレイ、即ち、多数の放 射素子を有するアンテナ・アレイの場合、各放射素子に対する各個の遅延時間を 制御する必要が、各個の移相器が独立的に電圧バイアスを掛けられることを要求 する。１００×１００もの放射素子のアレイは、必然的に１０，０００個の独立 的に制御されるバイアス電圧線を必要とし、これは複雑さとコストにおいて膨大 なものになり得る。 強誘電移相器の設計は、誘電性の許容度がＲＦエネルギの偏波と平行でありか つ伝播方向と直角をなすＤＣ電界の印加により変化するように作ることができる 。許容度の変動がＲＦ伝播速度を変化させ、導波管構造に結合されるならば、遮 断波長および導波管自体の拡散を変化させることになる。これら２つの効果が、 伝播相の変動へ変わる。強誘電体とＨＴＳＣ材料の移相器を含む短い導波管部が 、フェーズドアレイ・アンテナ形態における電子的な走査を行うための主要な要 素を構成する。 本発明の薄膜のＨＴＳＣ材料および強誘電薄膜技術の典型的な応用は、フェー ズドアレイ・アンテナに対する移相器に対するものである。電圧制御された強誘 電薄膜は、マイクロストリップ線または共面遅延線のいずれかの誘電率を、従っ て遅延時間を変調するために使用することができる。このような移相器即ち同調 可能遅延線は、アンテナ・アレイの個々の放射素子から送られあるいは受取るマ イクロ波およびミリ波の波長信号を位相遅延させるために使用することができる 。 図６に示されるように、本発明のフェーズドアレイ・アンテナ４０は、複数の 放射器４１を含んでいる。マイクロ波周波数における如き電磁波のソースからの アンテナ入力４２は、電力分配ネットワーク４３が設けられる。この分配ネット ワークは、本発明に従ってアンテナ入力を複数の移相器４４の各々に接続する。 移相器４４の各々の超伝導薄膜は、リード４５により制御回路４６に接続される 。この制御回路は、超伝導薄膜により移相器４４の各々の強誘電膜に印加される 電圧を制御するようにプログラマ４７によって駆動される。このため、移相器４ ４の各々の強誘電薄膜の誘電許容度は、可変ＤＣ電界の印加により変更すること ができる。ＤＣ電界は、ＲＦエネルギの伝播方向と直角に、かつ移相器を経てフ ェーズドアレイ・アンテナ４０の放射器４１へ送られるＲＦエネルギの偏波と平 行 に加えられる。強誘電薄膜の許容度における変動は、ＲＦ伝播速度を変化させ、 またアンテナの放射器４１へ送られるＲＦエネルギの遮断波長および拡散を変化 させ得る。その結果、１つの放射器の他の放射器に対する伝播相における変化が 存在する。このため、プログラマ４７は、制御回路４６によってアンテナ４０の 放射器４１に接続された移相器４４の電子的走査を行うことができ、かつこれに よりアンテナ４０により生じるビームが予め定めた形態に整形され、かつマイク ロ秒単位で指向されることを可能にする。このように、アンテナにより放射され るＲＦエネルギは一時に多数の目標を追跡することができる。 図７に示される如き本発明の別の実施例は、アンテナ・アレイにおける個々の 放射素子毎に１つの誘電格子５０を含む。この格子は、１つの基底部分５０ａと 基底部分５０ａから突出して相互に隔てられた複数の素子５０ｂとを含む。隣接 する各素子５０ｂ間の間隔により決定される固定された遅延時間を持つ、例えば 強誘電体の薄膜から形成される格子５０は、固定角度θでＲＦエネルギを固有に 放射する（あるいは、受取る）。この角度θは、誘電格子５０を可変バイアス電 圧ソース５１からのバイアス電圧によりバイアスすることにより調整される。こ のような電圧制御される格子は、ソース５１からリード５２により格子５０へ可 変バイアス電圧を印加することにより、放射角度θの（１つの面における）変更 即ち指向を可能にする。 図８には、ｘ−ｚ面とｙ−ｚ面の両面における放射角度θの指向を備えた２次 元アレイ・アンテナが示される。格子５４の２次元アレイ５３が図８に示される 。図７に示される如き格子５０により形成される各格子の「パッチ」アンテナ素 子５５間の固定間隔が、第２の面における類似の放射角度を提供する。アレイ５ ８、５９に接続された電圧バイアス線５６、５７がそれぞれ格子の誘電率を変化 させ、これによりアンテナを構成するアレイ５８、５９における各アンテナ素子 ５５間の遅延時間を変化させる。 本発明の薄膜超伝導体／強誘電体技術もまた下記に使用することができる。即 ち、 （１）同調可能キャビティおよび共振器 （２）同調可能周波数および波長フィルタ （３）フェライト薄膜アイソレータ （４）指向性のある結合スイッチ （５）パッチ・アンテナ用位相シフト・フィーダ （６）共面線の中心導体として電圧同調された曲折線を用いる可変インピーダ ンスを持つ共面線 （７）同調可能な共振アンテナ （８）同調可能な電気的に小型なアンテナ、および （９）比較的高いＱを提供できる同調可能な１次元同焦点（同一焦点を有する ）共振器 本発明による共面構造６０が図９に示される。構造６０は、ＬａＡｌＯ₃基板 ６２と重合する強誘電膜６１を含んでいる。ＨＴＳＣ（例えば、ＹＢＣＯまたは ＴＢＣＣＯ）材料の薄膜６３が、チタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ） 材料の如き強誘電体の膜６１上に被着され、前記ＢＳＴの下面はＬａＡｌＯ₃（ ＬＡＯ）材料の上面と隣接している。 図１０は、共面線６８、６９間に配置される共面線６６、６７を持つ半波長共 振器を形成するＹＢＣＯ材料の中心部６６を有する同調可能な共面共振器構造６ ５を示す。線６６〜６９は、ＢＳＴ材料の誘電膜７０上に被着される。例えばＬ ａＡｌＯ₃材料でよい基板７１の厚さの変化は、ＢＳＴ材料の膜７０の実効誘電 率と、電圧ソース７２により誘電膜７１に印加される可変電圧によるこの誘電率 の百分率の変化を修正する。 図１１は、容量的に結合されたマイクロストリップ共振器８０を示している。 図１１に示される寸法は例示である。この共振器は、それぞれ幅Ｗ１の半導体（ ＨＴＳＣ）材料のマイクロストリップ８１、８２を含む。薄膜の強誘電体のスト リップ８３は、ストリップ８１、８２間の間隔８４に延在する。それぞれ幅がＷ ２でかつ長さがＬ２のＨＴＳＣ材料のストリップ８５、８６は、それぞれ長さＳ ２のストリップ８１、８２であるリード８７、８８により接続される。事例であ る図１１の共振器８０がε_r＝２４．５である約０．４３mm（約１７ミル：ｍｉ ｌ） のＬａＡｌＯ₃（ＬＡＯ）上に被着されるならば、実効誘電率ε_effは略々２０と なる。 同調可能性のない図１１の誘導的に結合された共振器９０は、リード９２、９ ３によりＨＴＳＣ材料のストリップ９４、９５にそれぞれ結合されたＨＴＳＣ材 料のストリップ９１を含む。例えば、ストリップ８５、８６の各々は、１ｍｍ× １．２７ｍｍの面積を持つことができ、それぞれは例えばマイクロストリップ８ １、８２から１ｍｍに配置することができる。例えば、ストリップ８５、８６間 の間隔は、１３ｍｍでよい。同調不能な共振器９０が開口端部を持つ２つの平行 間隔の導体を含む伝送線の部分に近似化されるならば、その共振周波数は、 ｆ_n＝ｃ／√ε_eff×ｎ／２ｌ 但し、 ｆ_nは、２つの平行に隔てられた導体の共振周波数 ｃは、光の速度 ε_effは、実効誘電率 ｎは、定数 ｌは、２つの平行に隔てられた導体間の空間 例えば、ｌ＝９ｍｍ、ｎ＝１、２、３．．．．である場合、ｆ_nは略々、３．７ ＧＨｚ、７．４ＧＨｚ、１１．２ＧＨｚ、などとなる。 ストリップ８１、８２と直列である薄膜強誘電ストリップ８３は、ＨＴＳＣ材 料のストリップ８１、８２間の間隔８４に延在する薄膜強誘電体のストリップ８ ３により形成される強誘電コンデンサ８３Ａを形成する。同調不能共振器８０に おけるコンデンサ８３Ａは、強誘電コンデンサ８３Ａの領域における大きな電流 でこれら共振モードに影響を及ぼすことになる。これらは、非対称共振モード、 即ち、上式における「ｎ」が奇数のモードである。伝送線の分析で、これらモー ドの増加する共振周波数に対する超越方程式を生じる。即ち、 −１／ｔａｎ Ｋ・ｌ／２＝１／２πＺ₀・Ｃ／２ 但し、 Ｃ＝キャパシタンス Ｚ₀＝特徴インピーダンス≒７ ｌ＝共振器の実効長さ（開放端部間の長さ） ｋ＝ＴＥＭモードに対して、２πｆ_nｃ／√ε_eff 但し、 ｃは、光の速度 ｆ_nは、共振モードの周波数 キャパシタンスがＣ〜１ｐＦであると推定される。これは、下記の共振周波数 スペクトルを得る。即ち、 ６．７ＧＨｚ、７．４ＧＨｚ、１３．４３ＧＨｚ、、、、 ＤＣバイアスでは、６．７ＧＨｚ、１３．４３ＧＨｚ、、、、モードが電圧同調 可能誘電率の変化により周波数が増加する。 図１２および図１３では、基板１０１ａ（図１３参照）上に被着された強誘電 体１０１の薄膜を含む超伝導端部効果コンデンサ１００が示される。ＨＴＳＣ材 料の薄膜１０２、１０３は、強誘電薄膜１０１上に被着される。パッド１０４、 １０５（図１２参照）は、リード１０７、１０８によりそれぞれ薄膜１０２、１ ０３に接続されている。可変電圧ソース１０６は、リード１０７、１０８（図１ ２参照）によりそれぞれパッド１０４、１０５に接続され、これにより薄膜１０ ２、１０３に跨がって接続される。強誘電体の薄膜１０１は、例えば、９ｍｍだ け延長し、例えば３．７３ｍｍの幅を持つＨＴＳＣ材料の薄膜１０２、１０３間 に配置された幅「ｔ」の端部効果キャパシタンス領域１０９を有する。薄膜１０ ２、１０３に跨がって可変電圧を加えることにより、強誘電体１０１の誘電率を 同調することができる。 図１４に示されるように、ＨＴＳＣ層Ａ１は強誘電層Ａ２上に被着され、この ＨＴＳＣ層は種々の構造Ａ３を生じるように実質的にパターン化することができ る。この形状においては、ＨＴＳＣ／強誘電境界Ａ４は、前記層のＣ軸と直角を なし、これら層の面内に存在する。 図１５に示されるように、ＨＴＳＣ層Ａ１は、基板Ａ５上に被着される強誘電 層Ａ２上に被着される。再び、ＨＴＳＣ／強誘電境界Ａ４、および強誘電体／基 板境界Ａ６は、前記層の面内に存在する。 図１６に示されるように、ＨＴＳＣ層Ａ１が強誘電基板Ａ７上に直接被着され 、ＨＴＳＣ／強誘電体境界Ａ４が、これも前記層の面内に存在するＨＴＳＣ／基 板境界と一致している。 図１７に示されるように、強誘電層Ａ２は、基板Ａ７上に被着されるパターン 化されたＨＴＳＣ層Ａ８（事例は、エッチング特徴Ａ９が示される）の頂面上に 被着される。強誘電層Ａ２は、エッチング領域Ａ９を充填し、重合する強誘電層 Ａ２とＨＴＳＣ層Ａ８間にＨＴＳＣ／強誘電体境界Ａ４を、強誘電層Ａ２とパタ ーン化されたＨＴＳＣ膜Ａ８の縁部間に境界Ａ１０を形成する。強誘電膜Ａ２と 結晶（即ち、膜）基板Ａ７（誘電体、絶縁体、強誘電体あるいは他の材料から作 られる）との間の境界Ａ１１もまた示される。 図１８に示されるように、強誘電層Ａ１２とＨＴＳＣ層Ａ８は同じ面内に被着 され、ＨＴＳＣ／強誘電体境界Ａ１０が前記層の縁部に存在する。このような層 は、種々の基板Ａ７上に被着することができる。 図１９に示されるように、種々の基板Ａ１〜Ａ９が組合わせにおいて示され、 本発明の更に一般的な多層構造の一例を示し、種々のパターン化されＨＴＳＣと パターン化されないＨＴＳＣと強誘電層が相互の頂面に色々な順序で存在し、こ の構造全体が基板上に存在している。一般的構造においては、基板は、誘電体、 絶縁体、強誘電体などを含む多くの材料のバルク結晶サンプル即ち膜から作るこ とができる。 先に述べた全ての層は、物理気相成長法、化学気相成長法、レーザ・デポジシ ョン、スパッタリング、ゾル−ゲル法などを含む種々の技法により被着すること ができる。 図２０では、強誘電体の薄膜１１３と隣接するＨＴＳＣ材料の薄膜１１１、１ １２を含む本発明の多層構成要素１１０が示される。強誘電薄膜１１３の下面は 、ＨＴＳＣ材料の薄膜１１４の上面と隣接している。薄膜１１４の下面は、基板 １１５の上面と隣接している。 図２１は、本発明による相互に指状に組合ったコンデンサ構造１２０の平面図 である。ＨＴＳＣ材料の薄膜１２１、１２２は、それぞれ複数の突起１２１ａ、 １２２ａを有し、これら突起は相互に入れ子となることにより、構造１２０にお ける曲折スロット１２３を形成する。図２１および図２２に示されるように、強 誘電体の薄膜１２４は曲折スロット１２３と隣接する薄膜１２１、１２２の各部 に重なり、このスロット自体へ延在している。この構造１２０は、薄膜１２４に 跨がる予め定めた電圧の印加によってキャパシタンスの同調可能性を維持しなが ら、前記構造１２０のキャパシタンスの全体値を増加することを可能にする。 図２３は、本発明による同調可能アンテナ１３０を示す。この同調可能アンテ ナは、ＨＴＳＣ材料の薄膜のハーフ・ループ１３１を含む。絶縁材料１３２、１ ３３の層は、ハーフ・ループ１３１を支持している。層１３２、１３３は、ＨＴ ＳＣ材料の薄膜１３４により分離される。ＨＴＳＣ材料の薄膜１３５は、ハーフ ・ループ１３１に接続されている。強誘電体の薄膜１３６は、薄膜１３５と、基 板１３８上に被着されるＨＴＳＣ材料の薄膜１４０との間に被着される。その間 に強誘電薄膜１３６を持つ薄膜１３５、１４０は、同調可能コンデンサ１４１を 形成する。駆動信号ソース１４２は、薄膜１４０に接続されている。 図２４では、図２３のハーフ・ループ・アンテナ１３０の相等回路が示される 。駆動信号ソース１４２は、同調可能コンデンサ１４１を介してハーフ・ループ ・アンテナ素子１３１に接続されている。図２４に示されるように、インダクタ ンス１４３および抵抗１４４は、抵抗Ｒの集合値であり、ハーフ・ループ・アン テナのインダクタンスＬである。コンデンサ１４１に跨がるＤＣ電圧の印加は、 そのキャパシタンスを同調させ、従ってハーフ・ループ・アンテナ１３０および コンデンサ１４１を含む回路の共振の周波数を同調させる。 図２５を見れば、本発明による遅延／シフト要素２１６が示される。遅延／シ フト要素２１６は、対向面２２２、２２０が、共通して電極と呼ばれる導体２１ ９と第２の導体２２１間にそれぞれ挟持されたチタン酸バリウム・ストロンチウ ムの如き誘電体の層２１８を含む。ＤＣ電界または低周波数電界が、第１の導体 ２１９と第２の導体２２１にそれぞれリード２１７Ａ、２１７Ｂにより接続され る可変バイアス電圧ソース２２３によってＢＳＴ層２１８に跨がって配置される 。 図３４のカーブに最もよく示されるように、電界強さが０ｋＶ／ｃｍ（キロボル ト／センチメートル）から２５ｋＶ／ｃｍになると、ＢＳＴ層２１８の誘電率、 従ってキャバシタンスが略々５００％変化する。誘電率におけるこの大きな変化 は、誘電率に依存する電子的パラメータを同調させるために用いることができる 。例えば、導波管における電磁波の速度は、この導波管を充填する材料の誘電率 に依存する。このため、誘電性媒体における電磁波の速度に依存する同調可能遅 延線、移相器および他の電子装置を、素子２１６を用いて構成することができる 。本文の開示では、このような電子的デバイスは、簡単にするため遅延／シフト ・デバイスと呼ぶ。また、用語「導波管」、「伝送線」および「電気回路」は、 マイクロ波およびミリ波の分野で相互に交換可能に従来通り用いられ、本文では そのように用いられるものとする。一般に、用語「伝送線」とは、処理される信 号の波長がシステム構成要素のサイズと同じかそれより小さい程度である場合に おけるように導波管を意味し、あるいは処理される信号の波長が回路構成要素の サイズよりはるかに大きい場合におけるように電気回路を意味するように用いら れるものとする。 遅延／シフト要素２１６を用いるマイクロ波／ミリ波の遅延／シフト・デバイ ス２２４の一般的構造が図２６に示される。これは、信号入力手段２２６、一般 に破線で示される伝送線２２５の一部をなす遅延／シフト要素２１６、信号出力 手段２２７、および遅延／シフト・コントローラ２２３を含む。信号入力手段２ ２６は、典型的には、電気信号、即ち電磁波の形態で接続する端子２２６Ａ、電 磁波ソースに対する結合部、変成器、および電磁波２２８を伝送線２２５へ導入 する偏波器を含む。これはまた、図面には示されないが、信号ソース即ち電磁波 ソースをも含み得る。用語「信号入力手段」とは、電気信号を遅延／シフト要素 ２１６へ入力する何か、特に遅延／シフト要素２１６における誘電体２１８とし て広義に解釈されるべきである。「信号を誘電体へ入力する」ことは、この信号 が誘電体を通過するかあるいは他の状態で相互作用して、誘電体の誘電率がこの 信号を同調し得るように、信号が入力されることを意味する。遅延／シフト・コ ントローラ２２３は、図２５に示される如く可変電圧ソース２２３であることが 望ましい。図２６に示されるように、電磁波２２８は遅延／シフト要素２１６に より遅延され即ち移相され、次に信号出力手段２２７を介して遅延／シフト装置 ２２４から出力され、前記信号出力手段は偏波器、変成器、およびマイクロ波ま たはミリ波システムの更に他の要素に対する結合部を含むことが望ましい。再び 、これはまた、単に端子をも含み得る。遅延／シフト装置２２４はまた、温度コ ントローラ２２９をも含むことが望ましい。温度コントローラ２２９は、遅延シ フト要素２１６の温度を予め定めた温度、例えば５０Ｋと１１０Ｋ間に維持する 液体窒素低温装置の如き冷却装置であることが望ましい。 遅延／シフト要素２１６を示す図２５、および伝送線または導波管を示す図２ ７および図３３の如き図面は、実際の電子装置の特定部分の実際の断面図または 他の図であることを意図するものでないことを理解すべきである。このため、図 ２５、図２７および図３３は、他の方法で可能であろうよりも更に明瞭かつ完全 に本発明の構造および方法を示すために用いられる単に理想化された表示に過ぎ ない。同様に、信号入力手段２２６、信号出力手段２２７および遅延／シフト要 素２１６は、先に述べかつ以降に述べるもの以外の多くの構造を持ち得ることを 理解すべきである。例えば、処理される信号の波長と比較して小さいマイクロ回 路の場合、入力手段２２６および出力手段２２７はそれぞれ単に電気的端子から なるものでよい。 遅延／シフト要素２１６は、広範囲の電子的装置で使用することができる。こ れらの電子的装置は、同調可能遅延線、同調可能フィルタ、整合ネットワーク、 発振器、ループ・アンテナ、指向性結合器、１次元の共焦点共振器を含む同調可 能共振器、同調可能キャビティ、同調可能周波数および波長フィルタ、フェライ ト薄膜アイソレータ、指向性結合スイッチ、パッチ・アンテナ用の移相フィーダ ・ネットワーク、共面線の中心導体として電圧同調された曲折線を用いる可変イ ンピーダンスを持つ共面線、同調可能共振器アンテナおよび同調可能な電気的に 小型のアンテナの如き同調可能アンテナ、フェーズドアレイ・アンテナ用移相器 、アンテナ・アレイにおける個々の放射素子用誘電格子、端部効果コンデンサ、 および他の多くの構造を含む。このような構造は各々、従来のハイブリッド回路 形 態ならびにモノリシック・デバイスおよび集積回路の形態で作ることもできる。 本文の開示において、「薄膜」とは、望ましくは１０ミクロン以下の厚さの膜 を意味する。本文の開示において、用語「電気的」とは、電気用語ならびに用語 「電磁」および「電子」に含まれる全てのものの通常の意味を含む広範用語であ ることが意図される。 次に本発明の更に詳細な記述に移り、遅延／シフト要素２１６（図２５）は、 誘電体２１８に電界を印加するための誘電層２１８および電気的バイアス手段２ １７を含むことが望ましい。電気的バイアス手段２１７は、第１の導体２１９、 第２の導体２２１、およびこれら導体を典型的には調整可能ＤＣおよび（または ）低周波電圧ソースである可変電圧手段２２３に接続するための電気的接続手段 ２１７Ａを含むことが望ましいが、この電気的バイアス手段２１７は、唯一つの 電極２１９および唯一つの接続ワイヤ２１７Ａを含む、即ち、遅延／シフト要素 ２１６は単一電極２１９および誘電層２１８の形態で作ることができ、この要素 ２１６は、同調される最終装置を製造するより以降の段階で、第２の電極２２１ として働く接地面へプレスされる。望ましい実施例においては、誘電層２１８は 、チタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ Ｏ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸鉛ストロンチウム（Ｐｂ（ ＳｒＴｉＯ₃））、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）その他の如き強誘電体である。図 面に示された実施例においては、誘電層はＢＳＴであり、薄膜２１８の形態を呈 する。導体２１９および２２１は、サンドイッチ構造を形成するようにＢＳＴ層 ２１８の対向面２２０、２２２と接触する薄膜層として形成されることが望まし いが、導体は、これらがＢＳＴ層２１８に電界を印加できるように構成されるも のとして、ある距離だけＢＳＴ層２１８から分離される。望ましい実施例では、 導体２１９、２２１は、従来の導体、即ち、プラチナ、銀およびタングステンの 如き超伝導体ではない導体でもよいが、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＹＢＣＯ）または Ｔｉ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（ＢＣＣＯ）の如き超伝導体から作られる。一般に 、導電層２１９、２２１は、例えば、表面２２０、２２２に直接接するチタンま た はクロームの接着層、および接着層と接触するプラチナまたは金の層の如き、異 なる導体の幾つかの薄層から作られる。電極その他の導電素子のためのこのよう な多層構造は、当技術においては周知であり、従って、本文では詳細には論述し ない。導体２１９、２２１を電圧ソースに接続する手段２１７Ａは、典型的に、 集積回路におけるワイヤリング層、ハイブリッド回路におけるトレース、電圧ソ ースを接続させる素子２１６上の端子、あるいは単にソルダー点を含む。 望ましい実施例においては、ＢＳＴ層２１８は、構造式Ｂａ_xＳｒ_1-xＴｉＯ₃ を持つチタン酸ストロンチウムであり、ここで、０．０１≦ｘ＜０．２であるこ とが望ましい。０．１に略々等しいｘの値が、誘電率における最も大きな変化を 生じることが発見された。導体２１９、２２１に跨がって接続された可変バイア ス電圧ソース２２３は、誘電率を変化させるため望ましくはゼロ乃至２５ｋＶ／ ｃｍの範囲内の可変電界をＢＳＴ層２１８に跨がって提供する。図２６に示され るように、遅延／シフト要素２１６が信号入力手段２２６と信号出力手段２２７ との間に接続された伝送線２２５に配置される時、可変バイアス電圧ソース２２ ３はＢＳＴ層の誘電率と共に変化する遅延、シフトまたは他のパラメータを制御 する遅延／シフト・コントローラ２２３となる。 図２７は、処理される信号の波長が電子構成要素２３２、２３５Ａ、２３６Ａ 、２３３などと同じかあるいはこれより小さい、本発明による遅延／シフト要素 ２１６Ａを用いるマイクロ波／ミリ波遅延／シフト装置２３０を示す。装置２３ ０は、ハウジング２３１と、信号を装置２３０に結合する信号入力２３２と、一 般に当該装置では導波管と呼ばれる伝送線２３３と、装置２３０からの信号出力 を外部の導波管（図示せず）に結合する信号出力２３４と、入力信号を導波管２ ３０を容易に通過するものへ変換する変成器２３５Ａと、導波管２３３から出た 信号を外部の導波管（図示せず）により使用できる形態へ変換する変成器２３５ Ｂと、信号が到達してこれを偏波する時、信号が導波管２３３から出る時に偏波 する偏波器２３６Ａおよび２３６Ｂとを含んでいる。当該実施例では、導波管２ ３３は、第１の導体２１９Ａと、第２の導体２２１Ａと、ＢＳＴ層２１８Ａとを 含む遅延／シフト要素２１６を含んでいる。ワイヤ２３８Ａおよび２３８Ｂは、 導 体２１９Ａおよび２２１Ａをそれぞれ遅延シフト・コントローラ２２３（図２６ に示される）に接続する手段を提供する。コントローラ２２３により導体２１９ Ａおよび２２１Ｂに跨がる電圧を変化させることで、ＢＳＴ層２１８Ａの誘電率 を変化させ、これにより導波管２３３内で移動する信号の遅延および（または） 位相を変化させることによって信号を同調する。遅延／シフト装置２３０におい ては、チタン酸バリウム・ストロンチウムが、伝送線２３３に分布したキャパシ タンス内の誘電体を含む。 図２９は、本発明による遅延／シフト要素２１６Ｂ乃至２１６Ｅを用いるマイ クロ波／ミリ波遅延／シフト装置２５０を示し、これにおいては、処理される信 号の波長が電子構成要素よりもはるかに大きな。装置２５０は、処理される信号 を装置２５０へ結合する信号入力２５２と、当実施例では全体的に回路２５３と 呼ばれる伝送線２５３と、装置２５０による信号出力を外部の回路（図示せず） へ結合する信号出力２５４とを含む。伝送線２５３は、可変コンデンサ２１６Ｂ 乃至２１６Ｅの集中回路と、誘導子２５６Ａ、２５６Ｂ、２５６Ｃとを含み、こ のような回路は時に「人工的」伝送線と呼ばれる。可変コンデンサ２１６Ｂ乃至 ２１６Ｅの各々は、図２５における２２３の如き可変電圧ソースを有する図２５ における２１６の如き遅延／シフト要素である。可変コンデンサ２１６Ｂ乃至２ １６Ｅを同調することで、コンデンサの誘電率を変化させ、またこれにより伝送 線２５３を同調してこれを通過する信号を遅延および（または）位相シフトし、 これにより信号を同調する。 図２７における装置２３０または図２９における装置２５０のいずれか一方が マイクロ波集積回路（ＭＩＣ）または他のマイクロデバイスとして構成されるな らば、伝送線２３３および（または）２５３は、図２８に示される如きマイクロ ストリップ・デバイス２４０として構成することができる。マイクロストリップ ・デバイス２４０は、デバイス２４０における第１の導体である接地面２１９Ｂ と、第２の導体として働くマイクロストリップ２２１Ｂと、導体を分離するＢＳ Ｔ層２１８Ｂとを含む。この場合、遅延／シフト・コントローラ２２３（図２６ ）が、ＢＳＴ層２１８Ｂの誘電率を変化させるため、接地面２１９Ｂに跨がって 可変電 圧を印加する。 次に図３０乃至図３３において、本発明によるＢＳＴ材料をテストするテスト 装置２６０、２７０および２８０が示される。図３０は、本発明によるＢＳＴ材 料のバルク・キャパシタンスを測定するコンデンサ装置２６０を示す。この装置 は、ＢＳＴの細いストリップ２６２によりこれも半円形の薄板である第２の導電 性電極２６６から分離された半円形の薄板の形態における第１の導電性電極２６ ４を含む。可変バイアス電圧ソース２６８が、電圧を電極２６４、２６６へ加え てＢＳＴストリップ２６２に可変電界を生じる。 図３１は、本発明によるＢＳＴ材料の薄膜特性を測定するため用いられる指状 に相互に組合った薄膜コンデンサ装置２７０を示す。この装置は、第１の導電性 電極２７４と第２の導電性電極２７６とを含み、これら電極はそれぞれ２７３と ２７７の如きフィンガを持ち、これらが相互に組合い基板２７９上に形成された 薄膜により分離される。可変バイアス電圧ソース２７８が、電圧を電極２７４、 ２７６へ加えてＢＳＴストリップ２７２に可変電界を生じる。 図３２および図３３は、移相器における本発明のＢＳＴ材料の有効性をテスト するため用いられた本発明による共面導波路移相器要素２８０を示す。移相器要 素２８０は、基板２８９上に形成された第１の薄膜導体２８４と第２の薄膜導体 ２８６とを含む。第１の薄膜導体２８４は、２つの部分２８４Ａおよび２８４Ｂ に形成される。導体２８４および２８６は、基板２８９上に膜を被着して、これ を薄い線形部２８７Ｃにより接続された漏斗部２８７Ａおよび２８７Ｂの形態の ギャップ２８７を各端部に形成するようにエッチングことによって形成される。 ギャップ２８７は、導体２８６により分けられた２つの部分２８７Ｄ、２８７Ｅ に形成される。ＢＳＴの膜２８２が次にギャップ部２８７Ｄ、２８７Ｅに被着さ れる。このＢＳＴ膜は、図３３に最もよく示されるようにいずれかの側の導体２ ８４および２８６と重なるが、この重なりはギャップ部２８７Ｄ、２８７Ｅが充 填されることを保証する製造手法に過ぎない。当該実施例においては、信号入力 手段２８０Ａは、内側導体２９２と外側導体２９４とを有する同軸ケーブル２９ ０である、、内側導体２９２は第２の導体２８６に接続されるが、外側導体は第 １ の導体２８４の部分２８４Ａ、２８４Ｂに接続される。同様に、信号出力手段２ ８０は第２の導体２８６に接続された内側導体２９６と、第１の導体部分２８４ Ａ、２８４Ｂに接続された外側導体２９８とを持つ同軸ケーブル２９５である。 以下に述べるテストにおいて、可変バイアス電圧ソースを含む遅延／シフト・コ ントローラ２２３（図２６）が、同軸ケーブル２９０を介して導体２８４、２８ ６にＤＣ電圧を加えてＢＳＴ膜２８２に跨がって電界を生じ、このＤＣ電圧およ び電界が膜２８２の誘電率を変化させるため変更され、これにより共面移相器要 素２８０を流れる信号の位相をシフトし、これにより信号を同調する。 次に図３４において、図３０に示された如きＢＳＴコンデンサに対する５つの 電界強さに対するキャパシタンス対温度カーブが示される。サンプル・コンデン サ２６０は、０．７１ｍｍの厚さｔ、０．８ｍｍの直径Ｄ、および０．０８ｍｍ のＢＳＴストリップ２６２の幅ｄを有する。電極２６４、２６６は、ＹＢＣＯ超 伝導体から作られ、ＢＳＴはＢａ_0.1Ｓｒ_0.9ＴｉＯ₃であった。電圧ソース２６ ８により与えられる０ｋＶ／ｃｍ、３．１２５ｋＶ／ｃｍ、６．２５ｋＶ／ｃｍ および２５ｋＶ／ｃｍの電界が、コンデンサ２６０に跨がって配置され、ピコフ ァラッド単位のキャパシタンスが約４０Ｋ乃至１５０Ｋの範囲の温度として示さ れる地点で１００ＫＨｚの周波数で測定された。電界が増加するに伴ってピーク 値が更に高い温度へ移動して、カーブの各々が８６Ｋと８８Ｋとの間でピークと なった。このピーク・キャパシタンスは、０ｋＶ／ｃｍにおける約２６９０ｐｆ から２５ｋＶ／ｃｍにおける約４５０ｐｆまで減少した。このことは、約５００ ％の変化を表わす。この変化は、先に引用したＶａｒａｄａｎの論文でレポート された１６％乃至５０％の変化、および先に引用したＪａｃｋｓｏｎの論文「強 誘電体と高温度超伝導体を組合わせる新規なモノリシック移相器（Ｎｏａｖｅｌ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）」において可能であるとレポートされた１０ ％乃至２０％の変化と比較して非常に大きい。 図３５は、図３０に示された如きＢａ_0.09Ｓｒ_0.91ＴｉＯ₃コンデンサに対す る５つの電界強さに対するキャパシタンス対温度カーブを示す。サンプル・コン デンサ２６０は、１．０５ｍｍの厚さｔと、２．１２ｃｍの直径Ｄと、０．０８ ｍｍのＢＳＴストリップ２６２の幅とを持っていた。電極２６４、２６６は、Ｙ ＢＣＯから作られ、ＢＳＴはＢａ_0.09Ｓｒ_0.91ＴｉＯ₃であった。０ｋＶ／ｃｍ 、３．１２５ｋＶ／ｃｍ、６．２５ｋＶ／ｃｍ、１２．５ｋＶ／ｃｍ、および２ ５ｋＶ／ｃｍの電界が、コンデンサ２６０に跨がって配置され、ピコファラッド 単位のキャパシタンスが約４６Ｋ乃至１２０Ｋの範囲の温度として示される地点 で１００ＫＨｚの周波数で測定された。各カーブは７８Ｋ乃至８１Ｋの間でピー ク値となり、電界が増加するに伴いピーク値がより高い温度へ移動した。ピーク ・キャパシタンスは、０ｋＶ／ｃｍにおける約４１５０ｐｆから２５ｋＶ／ｃｍ における約１６００ｐｆへ減少した。このことは、先に述べたＢａ_0.1Ｓｒ_0.9Ｔ ｉＯ₃サンプルに対する変化より著しく小さい約１５０％の変化を示すが、依然 として従来技術と比較して非常に大きい。この差異の主たる原因は、ＢＳＴ組成 における１％の変化によるものと信じられる。このことは、遅延／シフト要素２ １６が印加電圧により同調され得る許りでなく、この組成もまた所望の遅延また は位相シフトを生じるように「同調」することもできることを示す。これは、整 合パラメータが重要であるマイクロ波領域では非常に重要である。図２４と図２ ５を比較すると、バリウム成分を減じストロンチウム成分を増すと、ピークがよ り低い温度になることが明らかである。このため、遅延／シフト要素２１６は、 温度を変えることにより所望の位相または遅延に「同調」することもできる。 図３６は、図３１に示される如きＢａ_0.08Ｓｒ_0.92ＴｉＯ₃薄膜コンデンサに 対する６つの電界強さに対するキャパシタンス対温度カーブを示す。フィンガ２ ７３、２７７の幅、即ち、図３１における垂直方向における寸法は７６００Åで あり、これはＢＳＴストリップ２７２の厚さでもあった。薄膜は約６０００Åの 厚さ、即ち、図３１における用紙の方向であり、電極２７４、２７６はＹＢＣＯ から作られ、基板７９はアルミン酸ランタンであった。０ｋＶ／ｃｍ、１３ｋＶ ／ｃｍ、２６ｋＶ／ｃｍ、３９ｋＶ／ｃｍ、５３ｋＶ／ｃｍおよび６６ｋＶ／ｃ ｍの電界が、約２０Ｋ乃至３００Ｋの範囲の温度として示される地点において１ ００ＫＨｚの周波数で測定された。各カーブは７０Ｋ乃至９０Ｋの間でピークを 示し、電界が増加するに伴いピークはより高い温度へ移動する。ピークは、０ｋ Ｖ／ｃｍにおける約６．５ｐｆから６６ｋＶ／ｃｍにおける約５．９ｐｆまで減 少した。このことは、先に述べたバルク・サンプルに対する変化より著しく小さ い約１０％の変化を表わすが、従来技術において述べられたバルク・サンプルに 対して変化と略々同じ大きさである。この差異の主たる原因は、薄膜によるもの と信じられる。即ち、表面電荷の如き薄い材料表面の効果が優勢となる。従来技 術で公開されたバルク結果が同様に減少することが予期されるため、薄膜の結果 が従来技術におけるバルク・デバイスに対する結果と略々等しいため、図１２の 結果が真の到達点である。このため、初めて、この材料の同調可能性が実用的な ＭＩＣ遅延線または移相器として充分に大きい。 図３７は、図３１に示された如きＢａ_0.08Ｓｒ_0.92ＴｉＯ₃薄膜コンデンサに 対する４つの電圧に対するキャパシタンス対温度カーブを示し、このコンデンサ がフィンガ２７３、２７７の幅を除いて先に述べたものと同じであり、ＢＳＴス トリップ２７２が約４５００Åであった。このため、このコンデンサは、図３６ のコンデンサの大きさの約６０％であった。同図はまた、３つの他の電圧に対す るキャパシタンス／温度カーブにおける１つの点を示す。０Ｖ、５Ｖ、１０Ｖお よび２０Ｖの電圧がコンデンサ２７０に跨がって置かれ、ピコファラッド単位の キャパシタンスが４０Ｋ乃至３００Ｋの範囲の温度として示される地点で１００ ＫＨｚの周波数で測定された。各カーブは約８２Ｋでピークを示し、電界が増す に伴うピークのシフトはそれほど明瞭でない。３０Ｖ、４０Ｖおよび５０Ｖの電 圧に対する８２Ｋのキャパシタンスに対する点も得られた。ピーク・キャパシタ ンスは、０ｋＶ／ｃｍにおける約６．６７ｐｆから６６ｋＶ／ｃｍにおける５． ９６ｐｆまで減少した。ピーク・キャパシタンス値の各々に対するキャパシタン スの変化率が各カーブ毎に、３０Ｖ乃至５０Ｖの測定に対する個々のテスト点に 対して示される。最大変化は約１０．７％である。 図３８は、図３６のカーブを得た際に用いた同じコンデンサ、電界強さおよび 周波数に対する損失の正接対温度のカーブを示す。このカーブは、損失の正接が ピーク・キャパシタンスと略々同じ温度で局部極小を有することを示す。全体の 損失の正接は、約２×１０^-2乃至４×１０^-2の範囲内にあり、これは、超伝導体 ではなく通常の導体により通常用いられる従来技術のガリウムヒ素の同調可能マ イクロ波装置に関してレポートされる略々範囲である。このため、図２５および 図２６に示される如きＢＳＴ遅延／シフト要素２２３を、超伝導電極の有無に拘 わらず使用することができる。誘電率における最も大きな変化が高温度超伝導体 の温度範囲内にあるので、超伝導体を図２５に示される如き導体２１９、２２１ などとして使用することが、必要ではないが望ましい。 図３９は、図３２および図３３の移相器に対する位相角および実効誘電率対電 界強さの測定された変化を示している。導体２８４Ａ、２８４Ｂおよび２８６は ＹＢＣＯから作られ、ＢＳＴはＢａ_0.08Ｓｒ_0.92ＴｉＯ₃であり、基板２８９は アルミン酸ランタンから作られた。移相器の導波管の長さ、即ち、図３２の水平 方向における導体２８４、２８６を横切る距離は約１３３ｍｍであり、図３３の 水平方向におけるギャップ部分２８７Ｄおよび２８７Ｅの各々におけるＢＳＴ２ ８２の厚さは約５ミクロンであり図９の垂直方向における導体膜２８４Ａ、２８ ４Ｂ、２８６の厚さは約６０００Åであった。位相シフトは、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社のモデルＨＰ８５１０ネットワーク分析器を用いて、１０ＧＨ ｚ（ギガヘルツ）の周波数でπ単位で測定された。この結果は、０ｋＶ／ｃｍ乃 至６ｋＶ／ｃｍの電界の変化にわたる約０．７π即ち１２６°の変化を示す。典 型的には、移相器においては、約９０°以上の変化を求め、その結果位相シフト は実際の装置の範囲内に充分に含まれる。同じ電界強さ範囲において、誘電率は 約１４．５乃至約２５、あるいは約３０％にわたり変化する。 本発明のＢＳＴおよび他の薄膜は、物理気相成長法、化学気相成長法、レーザ ・デポジション、スパッタリング、ゾル−ゲル処理、および他の多くのプロセス を含む方法で作ることができ、またイオン・ミリング、化学的エッチング、など の多くの公知のＭＩＣパターン化プロセスによってパターン化することができる 。特に、図３０、図３１および図３２の装置のＹＢＣＯはレーザ・アブレーショ ン（ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ）により被着され、ＢＳＴはゾル−ゲル法に よっ て被着された。装置は、化学的湿式エッチングを用いてパターン化された。これ らのプロセスは全て当技術において周知であり、従って本文では詳細には論述し ない。 従来技術のＢＳＴ装置よりはるかに同調可能である誘電率を持つ薄膜ＢＳＴ材 を用いる新規な同調可能な誘電率の電子装置を記述した。図面に示し本明細書内 に記述した特定の実施例が例示のためであって、以降の請求の範囲に記載される 本発明を限定するものと解釈すべきでないことを理解すべきである。更に、当業 者が本発明の概念から逸脱することなく、本文に記載した特定の実施例の多くの 使用および修正が可能であることは明瞭である。例えば、かかる大きな同調可能 性を持つＢＳＴ材が開示される以上、同材の他の多くの応用が可能である。相当 する構造およびプロセスを本文に述べた構造およびプロセスに代えることができ る。更なる特徴および薄膜層を付加することもできる。あるいは、種々の異なる 寸法および導体材料を使用することもできる。多くの他の変更が可能である。 本発明の利点、ならびにその開示された実施例の変更および修正については、 当業者には容易に明らかになるであろう。本発明の趣旨および範囲から逸脱する ことなく開示の目的のため本文に選択され本発明の実施例に対して可能である全 てのかかる変更および修正を請求の範囲において網羅することは出願人の意図す るものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年３月２２日 【補正内容】 英文明細書第１６頁第１行から第１６頁第２２行迄 （翻訳文明細書第１３頁第１行から第１５頁第７行迄） （前略） 図１に示されるように、接地面２３上に被着される強誘電体の薄膜２２上に被 着されたＨＴＳＣ材料、例えばＹＢＣＯ材料の薄膜のパターン化されたマイクロ ストリップ線２１によって同調可能遅延線２０が形成される。更に、接地面２３ が、ＳｒＴｉＯ₃の如き結晶基板上に被着される。強誘電体薄膜２２は、例えば 、１００Å乃至１００００Åの厚さでよい。超伝導体即ちマイクロストリップ線 ２１と接地面２３との間に電圧を印加することにより、ＤＣバイアスが強誘電層 に与えられ、これによりその層内の誘電率および光波の伝播速度を変化させる。 マイクロストリップ線および接地面の両者がＨＴＳＣ材料から作ることができる ことに注目されたい。 ＹＢＣＯ薄膜のマイクロストリップ線即ちパターン２１が、ゾル−ゲル、化学 気相成長法、物理気相成長法、スパッタリング、レーザ・デポジション、または 他の技法を用いることによって、ＳｒＴｉＯ₃薄膜基板２２上に被着される。超 伝導薄膜および強誘電薄膜のゾル−ゲル・デポジションおよび化学気相成長法に ついては、米国コロラド州、Ｃｏｌｏｒａｄｏ ＳｐｒｉｎｇｓのＳｙｍｅｔｒ ｉｘ社に譲渡された米国特許第５，１１９，７６０号および同第５，１３８，５ ２０号に開示されている。 図２は、マイクロストリップ線または（ＨＴＳＣ）ＹＢＣＯ材料の薄膜２１を 含む同調可能遅延線２０の概略図を示している。通常の金属（例えば、銀）また はＨＴＳＣ材料の接地面２３が、基板即ち膜２２の背面２２ａ上に被着される。 変更可能な電圧源２５が、可変電圧をマイクロストリップ線２１および接地面２ ３により強誘電体層２２に対して電界として印加されることを可能にする。 ＳｒＴｉＯ₃は、強誘電体の分類においてＢａＴｉＯ₃グループに帰属する。Ｂ ａＴｉＯ₃は、周知の強誘電体およびその立方相から正方相への相転位であり、 ここで外部電界における正方相におけるＴｉの小さな変位が強誘電性の起因であ る。ＳｒＴｉＯ₃は、より低い温度において３つの結晶相転位を有する（表１参 照）。 薄膜２２に対して使用可能な他の強誘電体は、ＢａＴｉＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、Ｐ ｂ（Ｓｒ，Ｔｉ）Ｏ₃、Ｓｒ_xＢａ_1-xＴｉＯ₃などを含む。第ＩＩＩ族乃至第Ｖ族 、および第ＩＩ族乃至第ＶＩ族からの他の材料は、エピタキシャル・デポジショ ンが要求されるならば起生する格子整合問題を解消するため、他の緩衝層と共に 使用することができる。 同調可能遅延線２０の同調可能性の程度は、強誘電体、温度および印加される 電界即ち電圧に依存する。 本発明の超伝導体／強誘電体の同調可能遅延線２０の利点は、その電力扱い能 力（ｐｏｗｅｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）である。歪みは、 ＲＦ電圧がＤＣ制御電圧と共用し得るようになる時、非線形伝送線で生じ得る。 マイクロストリップ線の電力扱い性は、使用される最小バイアス電圧から推定す ることができる。電力は、Ｐ＝Ｖ²／Ｚにより与えられ、ここでＰは電力に等し く、Ｖは電圧、Ｚはインピーダンスに等しい。従って、５ボルトのバイアスおよ び１オームのインピーダンスの場合、非線形性が現れる前に、２５ワット（即ち 、＞４０ｄＢｍ）を取扱うことができる。高い電力レベルが、線の臨界電流伝送 能 力を越えないことを保証するマイクロストリップ線幅要件を設定することになる 。 図３は、本発明の多層超伝導体／強誘電体薄膜構造の温度変化による実電圧と 仮想電圧に関する抵抗値の変化を示す。 図４は、本発明の同調可能共振器に対する７７Ｋ時のＧＨｚの周波数に対して プロットされたｄＢ単位の同調可能共振器の挿入損失における変化を示す。 図５は、ＨＴＳＣ材料の断面におけるマイクロストリップ線３１を示す。図５ に示されるように、マイクロストリップ線３１のＨＴＳＣ材料３２の薄膜は、強 誘電体の薄膜３４上に被着される。強誘電体薄膜３４は、ＨＴＳＣ材料薄膜３３ と隣接している。結晶性基板３５が、薄膜３３、３４および３２を支持している 。 （以下略） 英文明細書第２２頁第１行から第２５頁第２行迄 （前略） （１）同調可能キャビティおよび共振器 （２）同調可能周波数および波長フィルタ （３）フェライト薄膜アイソレータ （４）指向性のある結合スイッチ （５）パッチ・アンテナ用位相シフト・フィーダ （６）共面線の中心導体として電圧同調された曲折線を用いる可変インピーダ ンスを持つ共面線 （７）同調可能な共振アンテナ （８）同調可能な電気的に小型なアンテナ、および （９）比較的高いＱを提供できる同調可能な１次元共焦点共振器 本発明による共面構造６０が図９に示される。構造６０は、ＬａＡｌＯ₃基板 ６２と重合する強誘電膜６１を含んでいる。ＨＴＳＣ（例えば、ＹＢＣＯまたは ＴＢＣＣＯ）材料の薄膜６３が、チタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ） 材料の如き強誘電体の膜６１上に被着され、前記ＢＳＴの下面はＬａＡｌＯ₃（ ＬＡＯ）材料の上面と隣接している。 図１０は、共面線６８、６９間に配置される共面線６６、６７を持つ半波長共 振器を形成するＹＢＣＯ材料の中心部６６を有する構造６５を示す。線６６〜６ ９は、ＢＳＴ材料の誘電膜７０上に被着される。例えばＬａＡｌＯ₃材料でよい 基板７１の厚さの変化は、ＢＳＴ材料の膜７０の実効誘電率と、電圧ソース７２ により誘電膜７１に印加される可変電圧によるこの誘電率の変化率とを修正する 。 図１１は、容量的に結合されたマイクロストリップ共振器８０を示している。 図１１に示される寸法は例示である。この共振器は、超伝導体（ＨＴＳＣ）のマ イクロストリップ８１、８２を含む。薄膜の強誘電体のストリップ８３は、スト リップ８１、８２間のギャップ８４上に延在する。ＨＴＳＣ材料のストリップ８ ５、８６は、それぞれリード８７、８８によりそれぞれストリップ８１、８２に 接続される。例えば、図１１の共振器８０がε_r＝２４．５である約１７ミル（ ｍｉｌ）のＬａＡｌＯ₃（ＬＡＯ）上に被着されるならば、実効誘電率ε_effはε ≒２０である。 同調可能性のない図１１の誘導的に結合された共振器９０は、リード９２、９ ３によりＨＴＳＣ材料のストリップ９４、９５にそれぞれ結合されたＨＴＳＣ材 料のストリップ９１を含む。開放端部を持つ２つの平行な離間された導体を含む 伝送線の部分として同調不能共振器９０が近似化されるならば、その共振周波数 は、 ｆ_n＝ｃ／√ε_eff×ｎ／２ｌ 但し、 ｆ_nは、２つの平行に隔てられた導体の共振周波数 ｃは、光の速度 ε_effは、実効誘電率 ｎは、定数 ｌは、平行に隔てられた導体間の空間 例えば、ｌ＝９ｍｍ、ｎ＝１、２、３．．．．である場合、ｆ_nは略々、３．７ ＧＨｚ、７．４ＧＨｚ、１１．２ＧＨｚ、などとなる。 同調可能共振器８０におけるＨＴＳＣ材料のストリップ８１と８２間のギャッ プ８４上に延在する薄膜強誘電体のストリップ８２により形成される強誘電性直 列コンデンサは、強誘電性コンデンサの領域における大きな電流により共振モー ドに影響を及ぼすことになる。これらは、非対称共振モード、即ち、上式におけ る「ｎ」が奇数のモードである。伝送線の分析で、これらモードの増加する共振 周波数に対する超越方程式を生じる。即ち、 −１／ｔａｎ Ｋ・ｌ／２＝１／２πＺ_o・Ｃ／２ 但し、 Ｃ＝キャパシタンス Ｚ_o＝特徴インピーダンス≒７ （以下略） 英文明細書第２４頁第９行から第２８頁第２３行迄 ｌ＝共振器の実効長さ（開放端部間の長さ） ｋ＝ＴＥＭモードに対して、２πｆ_nｃ／ｆε_eff 但し、 ｃは、光の速度 ｆ_nは、共振モードの周波数 キャパシタンスがＣ〜１ｐＦであると推定される。これは、下記の共振周波数 スペクトルを得る。即ち、 ６．７ＧＨｚ、７．４ＧＨｚ、１３．４３ＧＨｚ、、、、 ＤＣバイアスでは、６．７ＧＨｚ、１３．４３ＧＨｚ、、、、モードが電圧同調 可能誘電率の変化により周波数が増加する。 図１２および図１３では、基板１０１ａ上に被着された強誘電体１０１の薄膜 を含む超伝導端部効果コンデンサ１００が示される。ＨＴＳＣ材料の薄膜１０２ 、１０３は、強誘電薄膜１０１上に被着される。パッド１０４、１０５は、リー ド１０７、１０８によりそれぞれ薄膜１０２、１０３に接続されている。可変電 圧ソース１０６は、リード１０７、１０８によりそれぞれパッド１０４、１０５ に接続され、これにより薄膜１０２、１０３に跨がって接続される。強誘電体１ ０１の薄膜は、ＨＴＳＣ材料の薄膜１０２、１０３間に配置された端部効果キャ パシタンス領域１０９を有する。薄膜１０２、１０３に跨がって可変電圧を印加 することにより、強誘電体１０１の誘電率を同調させることができる。 図１４に示されるように、ＨＴＳＣ層Ａ１は強誘電層Ａ２上に被着され、薄膜 １２４に予め定めた電圧の印加によってキャパシタンスの同調可能性を維持しな がら、このＨＴＳＣ層は増加される１２０に対して実質的にパターン化すること ができる。 図２３は、本発明による同調可能アンテナ１３０を示す。この同調可能アンテ ナは、ＨＴＳＣ材料の薄膜のハーフ・ループ１３１を含む。絶縁材料１３２、１ ３３の層は、ハーフ・ループ・アンテナ１３１を支持している。層１３２、１３ ３は、ＨＴＳＣ材料の薄膜１３４により分離される。ＨＴＳＣ材料の薄膜１３５ は、ハーフ・ループ１３１に接続されている。強誘電体の薄膜１３６は、薄膜１ ３５と、基板１３８上に被着されるＨＴＳＣ材料の薄膜１４０との間に被着され る。その間に膜１３３を持つ薄膜１３５、１４０は、同調可能コンデンサ１４１ を形成する。 図２４では、図２３のハーフ・ループ・アンテナ１３０の相等回路が示される 。駆動信号ソース１４２は、薄膜１４０に接続され、これによりコンデンサ１４ １に接続される。図２４に示されるように、インダクタンス１４３および抵抗１ ４４は、ハーフ・ループ・アンテナの抵抗ＲとインダクタンスＬの集合値である 。コンデンサ１４１に跨がるＤＣ電圧の印加でそのキャパシタンスを同調させ、 従ってハーフ・ループ・アンテナ１３１およびコンデンサ１４１を含む回路の共 振の 周波数を同調させる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｐ 9/00 4241−5Ｊ Ｈ０１Ｐ 9/00 Ｚ Ｈ０１Ｑ 3/30 8941−5Ｊ Ｈ０１Ｑ 3/30 7/00 7437−5Ｊ 7/00 13/08 8941−5Ｊ 13/08 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＦＩ，ＪＰ，Ｋ Ｒ (72)発明者 プライス，ジョン・チャールズ アメリカ合衆国コロラド州80302，ボウル ダー，シックスティーンス・ストリート 742 (72)発明者 バーネス，フランク アメリカ合衆国コロラド州80302，ボウル ダー，コンチネンタル・ヴュー・ドライブ 225 (72)発明者 ハーマン，アレン・エム アメリカ合衆国コロラド州80401，ゴール デン，ルックアウト・ヴュー・ドライブ 2704 (72)発明者 スコット，ジェイムズ・ロイド アメリカ合衆国コロラド州80303，ボウル ダー，ブライアーウッド・ドライブ 2402 【要約の続き】 ことにより達成されるこの組合わされた低損失および周 波数同調可能性は、従来技術を越える著しい進歩をもた らす。広範囲の金属酸化物超伝導体および広範囲の強誘 電体の共用性は、超伝導性膜上の強誘電性膜および強誘 電性膜上の超伝導性膜を含む多数の薄膜多層形態の製造 を可能にする。このような形態の柔軟性および膜のデポ ジションはまた、更にコンパクトな装置構造を可能にす ると共に、集積されるモノリシック・デバイスをも可能 にする。このようなデバイスの集積化は、独特なアンテ ナその他の装置に対して、更なるコスト効率がよくかつ より高い性能を呈する形態を可能にする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．強誘電体の薄膜であって、前記強誘電体薄膜の誘電性が強誘電体薄膜に印加 される電圧の関数であり、該強誘電体薄膜が強誘電体薄膜の薄膜の誘電性に応答 して同調されるべき回路に接続されるものである該強誘電体の薄膜と、前記強誘 電体同調の表面と隣接する超伝導体の薄膜とを含み、該超伝導体薄膜が前記強誘 電体薄膜の誘電性を決定するため強誘電体薄膜に電圧を印加する 同調可能電気的構成要素。 ３．前記強誘電体薄膜とこれを担持するため前記超伝導体薄膜との一方と隣接す る基板を更に含む請求の範囲第１項記載の同調可能電気的構成要素。 ７．前記超伝導体薄膜が被着される前記強誘電体薄膜の表面と反対面に被着され た強誘電体薄膜の表面上に被着された超伝導体の別の薄膜を更に含む請求の範囲 第１項記載の同調可能電気的アンテナ構成要素。