WO1998004002A1 - Emitter- und/oder detektorbauelement für submillimeterwellen-strahlung und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Emitter- und/oder detektorbauelement für submillimeterwellen-strahlung und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO1998004002A1
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Alfred Zehe
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Oxxel Oxide Electronics Technology Gmbh
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/10—Junction-based devices
    • H10N60/12—Josephson-effect devices
    • H10N60/124—Josephson-effect devices comprising high-Tc ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N69/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one superconducting element covered by group H10N60/00

Definitions

  • the invention relates to a superconducting component, production technologies and fields of application and, in particular, to a novel emitter and / or detector for the sub-millimeter wave area, as well as its diverse applications.
  • the power of the emitted radiation also increases with the number of Josephson contacts and can also be considerable in large arrangements (P> 1 mW), which is sufficient for many practical applications [Bindeslev Hansen and Lindelof 1984; Jain et al. 1984; Co- nopka et al. 1994, Wiesenfeld et al. 1994] It is important that a good impedance matching to the load resistance (eg the free space) is achieved, because otherwise the majority of the radiation does not emerge from the component, but is used up inside by multiple reflection
  • 3,725,213 describes a superconducting barrier component and its production technology which, in addition to other objectives, is also suitable as a generator and detector for millimeter-wave and sub-millimeter-wave radiation and is based on a granular structure of the superconducting material Sensitivity due to the summation of many Josephson contacts between crystal grains, there are few possibilities for reproducible production, electronic control, phase synchronization and impedance matching to the vacuum.
  • This component can conduct normally between the two states via a current-pulse-induced magnetic field and are switched superconducting, however, no attempt is made to control the emitted radiation frequency via the magnetic field-dependent energy gap
  • a superconducting component is described in US Pat. No. 4,837,604, which uses vertical stacking sequences of Josephson contacts and a serial interconnection of stacking sequences. It is designed as a switch with 3 electrical contacts and is intended to be simple Josephson contacts or lateral arrangements of such contacts in analog and digital Switching arrangements without radiation emission is not a goal for the component, nor would its technical design allow such a goal
  • a disadvantage of this component is its expressive limitation to a 2-dimensional flat arrangement of adjacent Josephson contacts on a chip.
  • Such a geometry implies a strict limitation of the maximum possible number of Josephson contacts.
  • the minimum area of a single contact is around 1 ⁇ m due to the limited performance of photolithography.
  • the requirements for uniformity are high, a considerable critical current is required (not less than 1mA for optimal performance), which is also via lines with low
  • supplying contact resistance limits the requirement for phase synchronization Longitudinal expansion of the component to about ⁇ 4, a value that is about 75 ⁇ m for a frequency of 1 THz. If one allows small distances between the contacts, one can expect a maximum of one to two thousand such individual elements.
  • EP 446146 describes a three-layer Josephson contact which has superconducting electrodes on both sides, which consist of LyBa 2 Cu 3 O (Ly is Y or a rare earth metal, 6 ⁇ y ⁇ 7).
  • the non-superconducting barrier consists here from Bi 2 Y Sr y Cu z O w , 0 ⁇ x ⁇ 2, 1 ⁇ y ⁇ 3, 1 ⁇ z ⁇ 3, and 6 ⁇ w ⁇ 13
  • information on the properties of the component such as BI c , Rrust, IV characteristic, microwave modulation
  • a magnetic control mode for the emitted or detected radiation frequency is described in EP 513,557, where the component according to the invention consists of vertical stacking sequences of Josephson contacts, which also have side-mounted galvanic connections between each pair of adjacent superconductor / barrier / superconductor structures (SIS Structures), a further superconducting layer is provided, which is separated on both sides by an insulator layer from the adjacent Josephson contact. This layer is intended to control the individual component by passing a current through lateral contacts through this control layer (see also US Pat. No. 3,725,213). , a magnetic field is to be generated which influences the energy gap of the Josephson contact
  • This component has several disadvantages, which make its practical implementation impossible within the framework of the currently known material properties and available microfabrication technologies.
  • its manufacture requires the deposition of superconducting contacts of approximately 0.01 ⁇ m in width over insulating layers on two opposite side faces from perpendicular to it grown stack structures with Josephson contacts No technology is currently available for this.
  • no superconductors are known which generate such large currents to generate the required high magnetic can withstand field strengths that would be required to reduce the energy gas in high-temperature superconductors within the limits of the required geometric component dimensions.
  • cuprate superconductors can be understood as natural (intrinsic) stacking sequences of Josephsen contacts with a distance of 6 .. 25 A.
  • a theoretical model for a stacking sequence of Josephson-coupled superconducting layers was published 25 years ago [by Lawrence and Doniach 1971] and has been extensively investigated since then. The model's predictions relate to a non-linear current-voltage (I-V) characteristic, microwave radiation-induced I-V stages (Shapiro stages), and microwave emission by applying DC voltage.
  • I-V current-voltage
  • the radiation emission must result as a superposition of coherent (narrow-band) radiation, which has also been observed [Schlenga et al. 1995, Müller 1996].
  • These differences in the properties of the Josephson contacts result from imperfect crystal growth and the lithography process to define the mesa structures, which also leads to differences in the cross-sectional area of the mesa structures.
  • Cuprat superconductors have relatively large critical current densities in the c-axis direction (10 4 -10 6 A / cm 2 ), so that such contacts have critical currents that are far too large, 100 mA and above.
  • Large Josephson contacts show many complex excitation modes, supra-currents flowing in both directions, fluxon movement, etc. Although these problems are known, the scientists in the groups mentioned were unable to significantly reduce the contact area due to excessive electrical resistances. Excessive electrical contact resistances cause the stack sequences to heat up significantly, which makes phase synchronization more difficult and the critical currents become inhomogeneous. In extreme cases, the Josephson contacts burn out
  • a current development that is suitable for practical implementation in a novel component is a technology for growing thin high-temperature cuprate superconductors in which the CuO 2 planes are not arranged parallel to the substrate. These can actually be perpendicular to the substrate, and we want to refer to such a thin layer as an 'a-axis' oriented layer.
  • Thin Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 layers with CuO 2 planes inclined by 45 ° have already been deposited on SrTiO 3 substrates using magnetron sputtering technology, which deviated from the (110) direction at an angle of 5 °. MgO substrates with the same characteristics and additional buffer layers were also used. [Tanimura et al. 1993]. The desired inclined a-axis orientation was demonstrated by means of RHEED (diffraction of high-energy electrons in the reflection position) and TEM (transmission electron microscopy) in cross-sectional imaging and by measuring transport properties.
  • RHEED diffiffraction of high-energy electrons in the reflection position
  • TEM transmission electron microscopy
  • the aim of the present invention is to provide means which allow the disadvantages and difficulties of known solutions discussed above to be avoided and to develop a component which avoids the disadvantages discussed.
  • Fig. 2 An "a-axis" oriented layer of a high-temperature superconductor.
  • the CuO 2 planes are perpendicular to the substrate
  • Fig. 3 A thin layer of a high-temperature superconductor with an "inclined a-axis".
  • the CuO 2 planes are inclined at an angle ⁇ with respect to the substrate
  • FIG. 4B An equivalent circuit for the component shown in FIG. 4A.
  • FIG. 5 A microbridge made from a high temperature superconductor with "inclined a-axis" growth direction.
  • the equivalent circuit corresponds to that of Fig. 4B
  • Fig 6 A A parallel arrangement of micro bridges, each containing stacking sequences of natural Josephson contacts, produced from an epitaxial “a-axis” or “inclined a-axis” layer by chemical or ion etching of trenches that electrically isolate the micro bridges from one another
  • FIG. 6 B An equivalent circuit for the component from Fig. 6 A Parallel connection of two linear stack sequences of Josephson contacts Fig. 7.A A parallel connection of three identical groups (clusters), each with 10 microbeads
  • Fig. 7 B An equivalent circuit for the component of Fig. 7 A
  • Fig. 8 An arrangement of several groups of micro bridges, each containing stacking sequences of Josephson contacts, along a strip line. The distance between the individual segments of combined emitters corresponds to the wavelength ⁇ of the electromagnetic radiation within the structure
  • FIG. 9 A basic structure of the device according to the invention, which contains a two-dimensional lateral arrangement of parallel micro-bridges (webs) (a) in a thin superconducting epitaxial layer, which are separated from one another by trenches (b) reaching down to the substrate and thus the current flow through the Steering micro-bridges or groups of micro-bridges
  • Each micro-bridge contains a stacking sequence of Josephson contacts, the arrangement of which is explained in FIGS. 2 and 3.
  • the electrical connections (c) and (d) allow a connection to external control electronics (e)
  • the invention is described in more detail below, the basic structural unit of which, that is to say the linear stacking sequence of Josephson contacts, is formed in a thin layer of high quality of a high-temperature superconductor, the thin layer forming a special epitaxial relationship with the Substrate is located
  • the crystallographic unit cell of all known cuprate superconductors represents an elongated parallelepiped with the side lengths a "b" 3 8 ⁇ and c> a, b.
  • c ⁇ 6 5 ⁇ in Lai -aS ⁇ 0 uCuO 4 c «l 1 7 ⁇ in YBa 2 Cu 3 O 7
  • the a-axis of the cuprate superconductor (or the b-axis, which is completely equivalent) is arranged perpendicular to the large area of the substrate, as shown in FIG. 2.
  • Such high-temperature superconductor thin layers are abbreviated as 'a-axis-oriented HTS layers'.
  • the substrate and its "cut” are selected so that the periodicity of the surface plane is 3.8 A x 6.5 A. Then there is the possibility that the layer with its a-axis grows perpendicular to the substrate. Another aspect is the number of "favorable contacts" between cations and anions of the layer and the substrate, which influence the energetic relationships in the interface. Of course, different substrates or at least substrate cuts are required for each different high-temperature superconductor.
  • FIG. 3 Another embodiment of the present invention is provided by a possible other epitaxial relationship shown in FIG. 3.
  • all CuO 2 planes of the cuprate films are grown at an angle to the substrate which is different from 0 ° and 90 °.
  • Such an angle depends on the substrate cut and can typically be 1 ° to 10 °, although larger or smaller angles are also possible.
  • Epita xial growth of such inclined a-axis-oriented HTS layers has already been carried out [Tanimura et al. 1993, Kataoka et al. 1993],
  • high-temperature cuprate superconductors such as Bi 2 Sr 2 CaCu 2 Og, Tl 2 Ba2Ca 2 Cu 3 O ⁇ o, HgBa2CaCu2 ⁇ 6. 2 , La ⁇ .85, Sr 0 .i5CuO 4 , etc. are natural superconducting superlattices of SIS ..., or SINIS type. If one of the orientations of the thin layer is used, then simple microbridges of the type shown in FIG .A. and Fig. 5 type, and thus thus generate a stacking sequence of Josephson contacts. Such stacking sequences in micro bridges represent the basic structure for the component according to the invention. However, in order to set an optimal performance of the component, several such micro bridges must be connected together in a superconducting network, as described in the text below.
  • a single stacking sequence of Josephson contacts is considered first.
  • the maximum allowed critical current through a single contact is approximately Larger values lead to very disturbed current-voltage characteristics due to the occurrence of special flow conditions.
  • the Josephson contact behaves like a "long contact" with currents flowing back and forth at different locations.
  • the electrical connections should consist of superconductors and should not lead to the formation of 'weak links', which then act as Josephson contacts in series with the stacking sequence of Josephson contacts in the mesa structure. In other words, high temperature superconducting electrodes of the same type of superconducting material are required.
  • FIG. 8 This provides the starting point for creating a very simple component, which is shown in FIG. 8 and consists of a parallel arrangement of M identical micro bridges. These are formed by simply creating a series of equidistant trenches down to the substrate by chemical or ion etching.
  • micro-bridges which are elongated by M times.
  • micro bridges for a-axis-oriented HTS layers.
  • M the total value of micro-bridges, which results from the number of micro-bridges per segment multiplied by the number of segments.
  • the embodiment of the component according to the invention discussed here has the additional advantage that the Josephson contacts have a very small cross-sectional area and thus a very small electrical capacitance C.
  • a pure a-axis-oriented YBa 2 Cu 3 O 7 film with a critical current in the c-direction of j c 10 6
  • a transmission line can be created through which the electromagnetic radiation is conducted will (see Fig. 8).
  • an insulating material e.g. SiO 2 , MgO, CeO 2 , etc.
  • a metal layer e.g. gold or silver
  • Phase synchronization can be achieved in such structures over fairly long distances, whereby the radiated power can become considerable.
  • the disadvantage of such lines is evident, however, that the operating frequency is quite fixed due to the group spacing ⁇ . Higher performance can only be achieved at the price of reduced tunability.
  • the present invention can be used in almost all fields of application in which millimeter and submillimeter-wave radiation is emitted or detected.
  • completely new fields of application open up of which some examples are given below:
  • Some lasers and reverse wave tubes operate in the submillimeter wave range, but they are voluminous radiation sources with high power consumption.
  • Solid state per oscillators, such as GUNN or IMPATT diodes, are limited to the millimeter wave range.
  • Josephson contacts which are matched to the external resistance without reflection and combined to form a network, can be controlled via a voltage and cover a wide frequency range up to the terahertz range.
  • Quantum detection of electromagnetic radiation a widely used concept in the visible and infrared spectral range - was previously only possible in the microwave and millimeter wave range in the narrow range of the spectrum, which is grouped around the resonance frequency of MASER amplifiers.
  • the standard methods for detection in this frequency range use nonlinear electrical resistances, e.g. Schottky diodes as classic rectifiers and superimposed receivers.
  • Their working principle is based on the conversion of received power between different frequency ranges, instead of the conversion of photons into electrical charge carriers, the functional principle of quantum detectors.
  • the abrupt non-linearity in the IU characteristic of SIS tunnel barriers for single-particle tunnels represents a useful property for resistive mixing.
  • Superimposed receivers with Josephson contacts as such mixing stages have a sensitivity that approaches the quantum limit at frequencies up to several GHz.
  • a photon current with an arrival rate of one photon per nanosecond is a typical value of the detection sensitivity of such a receiver.
  • CO interstellar carbon monoxide
  • the tunneltron component has the special property that it can be used as an excitation source for the medium to be spectroscoped and as a radiation receiver for the radiation emerging from the medium.
  • the tunnel tron enables the investigation of organic and inorganic compounds in vapors, liquids and solids with regard to their chemical composition and geometrical and energetic structure as well as interaction processes; All of this is possible as a function of various external parameters and in the time-resolved regime.
  • spectroscopic measurements are of interest, e.g.
  • the tunnel tron as a coherent and tunable radiation source has properties of the wave field that e.g. come into play in interferometry and holography.
  • holography is a method for producing a unique photographic image of a coherently exposed object, in which an undisturbed (direct) beam and the reflected beam originating from the object are brought into interference in a detection system. The reconstruction of this interference image provides a three-dimensional image of the object.
  • Communication and data transmission is a further area of application of the component proposed here, a frequency band being accessible which is far above that which has been managed up to now by the ITU (Intern. Telecom. Union).
  • the new frequency range enables a significant increase in the number of usable channels for both satellite and ground-based communication.
  • the frequency range up to 5 THz provides about 250,000 channels. This can be compared with for example 40 channels for satellite communication in the frequency band of 11.7. - 12.5 GHz, which was provided by the ITU for Region 1, Africa, Europe and the former Soviet Union together.
  • Assuming a 4 kHz channel width for voice communication you would generate 2 billion voice channels on such Carrier could be transported.
  • PCM - pulse code modulation since frequency modulation would drive the noise power far beyond the level of 3 pW / km (about 52 dB), which was recommended by the CCIR as the upper noise limit.
  • Digital systems allow signals to be regenerated in intermediate stations, thereby avoiding the accumulation of errors.
  • MIMR Imaging multifrequency microwave radiometer
  • Imaging close-up imaging is important for the safety and maneuverability of helicopters and the approach of aircraft.
  • the basic requirement here is always a powerful, tunable, possibly monochromatic and coherent submillimeter-wave emitter (and corresponding detector), as is provided with the component of the present invention.
  • As an 'on-chip' integrated or separate emitter and detector component it is suitable for radar measurements in the most general sense, ie for location, navigation and early detection systems.
  • the tunnel tron can be an active sensor for SAR (synthetic aperture radar) application.
  • a SAR system sends microwave radiation to the object (the earth when research satellites are the starting point) and receives the returning radiation.
  • the fine tuning of the emitter allows the frequency to be positioned within the absorption band-min-ma of the atmosphere.
  • the possibility of electronically changing the direction of the 'vellum field of the tunnel tron proves to be a further advantage for scanning the observation area

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Abstract

Ein supraleitendes elektronisches Bauelement wird beschrieben, das spezifische Eigenschaften eines Emitters und/oder Detektors für elektromagnetische Strahlung im Submillimeterwellen-Gebiet aufweist. Es besteht aus einem planaren Netzwerk von Mikrobrücken (Stegen), die in einer dünnen Schicht eines Hochtemperatur-Supraleiters geformt werden. Letzterer wird mit den CuO2-Ebenen entweder senkrecht oder in einem Winkel υ(1°<υ<89°) zur Substratoberfläche geneigt epitaxial auf das Substrat aufgewachsen. Auf diese Weise enthält jede Mikrobrücke eine Stapelfolge übereinander angeordneter (intrinsischer) Josephson-Kontakte. Supraleitende Verbindungen (seriell und parallel) zwischen einzelnen Mikrobrücken werden ebenfalls beschrieben, wodurch eine Optimierung von Schaltkreis-Parametern, wie z.B. der Impedanzanpassung an den Strahlungsraum und Maximierung der abgestrahlten Leistung möglich wird. Über externe Mittel einer elektronischen Steuerung kann z.B. die Frequenz und Intensität des Strahlungsfeldes beeinflußt (z.B. moduliert) werden. Insbesondere kann mit diesem Bauelement der Frequenzbereich zwischen dem fernen Infrarot und dem Mikrowellengebiet durchgängig überdeckt werden. Die vorliegende Beschreibung enthält auch einige Anwendungen des vorgeschlagenen Bauelements, wobei sowohl die Emission als auch die Detektion elektromagnetischer Strahlung erfaßt ist.

Description

Beschreibung
Emitter- und oder Detektorbauelement für Submillimeterwellen- Strahlung und Verfahren zu seiner Herstellung
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Bauelement, Herstellungstechnologien und Anwendungsfelder und insbesondere einen neuartigen Emitter und/oder Detektor für das Submillime- terwellen-Gebiet, sowie dessen vielfältige Anwendungen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
1. Anordnungen natürlicher Josephson-Kontakte
Die ersten Erkenntnisse zur Brauchbarkeit von Josephson-Kontakten als durchstimmbare Mikrowellen-Emitter und -Detektoren gehen auf die frühen Arbeiten von B. Josephson und S. Shapiro zurück. Es wurde jedoch schon sehr zeitig erkannt, daß ein einzelner Josephson- Kontak eine zu geringe Leistung abstrahlt und zudem eine zu breite spektrale Verteilung aufweist, um als Mikroweilenstrahler praktische Anwendung zu finden. Diese Unzulänglichkeiten können bekanntermaßen über den Einsatz von Stapelfolgen von Josephson-Kontakten überwunden werden [Jain u.a. 1984; Bindslev Hansen und Lindelof 1 84; Lukens 1990].
Sobald die Kopplung zwischen den Josephson Kontakten stark genug ist, kann es zu Selbstsynchronisation mit dem Effekt einer kohärenten Strahlungsemission aller Kontakte kommen [Lukens 1990; Konopka 1994]. Mögliche Kopplungsmechanismen und Kopplungsstärken sind im Detail bereits untersucht worden [Jain u.a.; Lukens 1990]. Die Linienbreite der elektromagnetischen Strahlung, die vom Kristallstapel emittiert wird, verkleinert sich in dem Maße, wie die Anzahl der Josephson-Kontakte in der Anordnung zunimmt. Sie kann sehr gering werden bei Vorliegen einer großen Zahl von Josephson-Kontakten [Lukens 1990; Wiesenfeld u.a. 1994; Konopka 1994].
Die Leistung der emittierten Strahlung erhöht sich ebenfalls mit der Zahl der Josephson- Kontakte und kann in großen Anordnungen auch beachtlich werden (P > 1 mW), was für viele praktische Anwendungen ausreicht [Bindeslev Hansen und Lindelof 1984; Jain u.a. 1984; Ko- nopka u.a. 1994, Wiesenfeld u a 1994] Wichtig ist, daß eine gute Impedanzanpassung an den Lastwiderstand (z B. der freie Raum) erreicht wird, weil sonst der größte Teil der Strahlung nicht aus dem Bauelement austritt, sondern sich im Inneren durch Vielfachreflexion aufbraucht
Ein anderer Gesichtspunkt sind verschiedene Verlustmechanismen in den Kontakten Beispielsweise sind die Kapazitäten der Kontakte für einen Leistungsverlust bei höheren Frequenzen verantwortlich [Lukens 1990, Wiesenfeld u.a 1994], was auf die Anwendung möglichst kleinflächiger Josephson-Kontakte hindeutet. Kleine Kontaktflachen sind auch gunstig zur Verringerung des Rauschens und der spektralen Linienbreite [Kunkel und Siegel 1994, Konopka 1994] Der Stromfluß durch den Kontakt wird inhomogen, sobald zwischen der Breite w des Überganges und der Josephson-Eindringtiefe λ. die Beziehung besteht, w ≥. 4λ, , [Kunkel und Siegel 1994] Es ist auch klar, daß für eine optimale Phasensynchronisation die kritischen Strome (Ic) durch alle Josephson-Kontakte sehr ahnlich sein müssen Im allgemeinen wird eine Homogenität von mindestens ±5% in linearen Stapelfolgen gefordert [Konopka 1994]
Die bisher genannten hohen Anforderungen können etwas abgeschwächt werden, wenn eine verteilte Anordnung aquidistanter Josephson-Kontakte entlang einer Ausbreitungsleitung gewählt wird. Allerdings müssen hierbei der Abstand zwischen den Josephson-Kontakten und die gewählte Strahlungswellenlange übereinstimmen [Kükens 1990, Han u a 1994] Offenbar wird hierbei die Durchstimmbarkeit der Strahlungsfrequenz stark beschnitten, allerdings zugunsten einer wesentlich erhöhten Emissionsleistung
Es existieren zahlreiche experimentelle Untersuchungen über Anordnungen von Josephson- Kontakten, und einige beachtliche Ergebnisse wurden erzielt Die meisten davon gründen sich auf konventionelle Supraleiter mit niedriger Sprungtemperatur, wie z B Nb/Al-AlOx/Nb- Dreischicht-Strukturen Eine vollständige Phasensynchronisation wurde in linearen Anordnungen von 100 solcher Josephson-Kontakte nachgewiesen [Han u a 1993] In einigen Fallen hat man eine Breitband- Antenne (z B logarithmische Spiralantenne u a ) auf dem Chip integriert, und die in den Außenraum emittierte Strahlung wurde gemessen In anderen Fallen wurde ein weiterer Josephson-Kontakt als Detektor über eine Ausbreitungsleitung an die Anordnung der Strahlungsemitter gekoppelt Einige der besten erzielten Ergebnisse sind die folgenden Eine Emission von P = 50μW bei einer Frequenz von v = 400-500 GHz wurde in einer verteilten Anordnung von 500 Josephson-Kontakten nachgewiesen [Han u a 1994] In einem anderen Schaltkreis (Anordnung von 10 x 10 Kontakten) ist Strahlung mit einer Linienbreite von Δv = 10 kHz und einer Durchstimmbarkeit von v - 53 - 230 GHz [Booi und Benz 1994] gemessen worden.
Mit der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter in La-Ba-Cu-O durch G Bednorz und K.A Müller im Jahre 1986, und der damit verknüpften Erhöhung der kritischen Temperatur in ähnlichen Kupferoxid (Cuprat)- Verbindungen auf bis zu Tc > 160K, ist eine enorme Erwartungshaltung für eine Supraleitungselektronik bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs und darüber entstanden. In der Tat sind seitdem in Dutzenden von Forschungslabors der Welt Jo- seph-son-Kontakte in diesen neuen Werkstoffen nach mehreren verschiedenen Techniken erzeugt worden. Es wurde die Strahlungsemission als Folge des Josephson-Wechselstromes in künstlichen Josephson-Kontakten in Hochtemperatur-Supraleinϊrn gemessen und analysiert [Kunkel und Siegel 1994]. In der gleichen Arbeit hat man Phasensynchronisation in Stufenkontakten über ein breites Frequenzband von v = 80-500 GHz nachgewiesen In größeren Anordnungen (Arrays) konnte nur eine teilweise (bis zu 4 Josephson-Kontakte) und zudem instabile Phasensynchronisation erreicht werden [Konopka 1994] Als Grund ist herausgefunden worden, daß dies eine Folge der Inhomogenität (Ungleichartigkeit) solcher Stufenkontakte in Hochtemperatur-Supraleiter- Josephson-Kontakten ist, wo Variationen der kritischen Ströme von bis zu +50% auftreten [Konopka 1990]. In einer weiteren Arbeit werden Arrays von 5 und 10 Josephson-Übergangen aus nebeneinander liegenden Stufenkontakten untersucht, wiederum mit nur teilweiser Phasensynchronisation und sehr geringer Strahlungsleistung [Kunkel und Siegel 1994].
In mehreren Veröffentlichungen werden spektakuläre Aussagen über vielversprechende zukünftige Anwendungen von in Gruppen angeordneten Josephson-Kontakten gemacht Beispielsweise werden Anwendungen als Generatoren und Detektoren von Strahlung im GHz- und THz-Gebiet prognostiziert [Jain u.a. 1984], und selbst speziellere in der Radioastronomie und Radio-Spektroskopie schwerer Moleküle [Konopka 1994], in Spannungs-Normalen [Ono u.a. 1995], usw Bisher sind all diese Anwendungen wegen der oben angeführten Schwierigkeiten nicht praktisch umgesetzt worden Es wird im allgemeinen davon ausgegangen, daß für spektroskopische Anwendungen eine abgestrahlte Leistung von 0 1 - 1 mW bei kontinuierlicher Durchstimmbarkeit erforderlich ist Und eben dies ist bisher nicht gelungen [Konopka u a 1994] In der US-PS 3,725,213 wird ein supraleitendes Barriere-Bauelement und seine Herstellungstechnologie beschrieben, das neben anderen Zielstellungen auch als Generator und Detektor für Millimeterwellen- und Submillimeterwellen-Strahlung geeignet ist und sich auf eine granuläre Struktur des supraleitenden Materials stutzt Wahrend eine höhere Strahlungsleistung bzw Empfindlichkeit durch die Summation von vielen Josephson-Kontakten zwischen Kristallkor- nern zustande kommen soll, bestehen wenig Möglichkeiten für eine reproduzierbare Fertigung, elektronische Steuerung, Phasensynchronisation und Impedanzanpassung an das Vakuum Dieses Bauelement kann über ein strom-impuls-induziertes Magnetfeld zwischen den beiden Zuständen normalleitend und supraleitend geschaltet werden, jedoch wird eine Steuerung der emittierten Strahlungsfrequenz über das magnetfeldabhangige Energiegap nicht versucht
Ein supraleitendes Bauelement wird in der US-PS 4,837,604 beschrieben, das vertikale Stapelfolgen von Josephson-Kontakten und eine serielle Zusammenschaltung von Stapelfolgen anwendet Es ist als Schalter mit 3 elektrischen Kontakten ausgebildet und soll einfache Josephson-Kontakte bzw laterale Anordnungen solcher Kontakte in analogen und digitalen Schaltanordnungen ablosen Strahlungsemission ist keine Zielstellung für das Bauelement, noch wurde seine technische Auslegung eine solche Zielstellung erlauben
In der US-PS 5, 1 14,912 wird ein Hochfrequenz-Oszillator beschrieben, der sich auf eine in der Flache liegende Anordnung von Josephson-Kontakten gründet Er wird über eine Gleichstromquelle angeregt, und die Frequenz kann über diesen Gleichstrom durchgestimmt werden Impedanzanpassung kann über die Wahl der Anzahl von Josephson-Kontakten in der flachigen Anordnung, bzw durch Anschluß entsprechender Shunt-Widerstande erreicht werden Als Anwendung wird ein durchstimmbarer Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter im GHz-Gebiet und selbst bis zu THz-Frequenzen angegeben
Ein Nachteil dieses Bauelements ist seine ausdruckliche Beschränkung auf eine 2-dimensionale flachige Anordnung von nebeneinander liegenden Josephson-Kontakten auf einem Chip Eine solche Geometrie impliziert eine strenge Limitierung der maximal möglichen Zahl von Josephson-Kontakten. Namentlich liegt die minimale Flache eines einzelnen Kontaktes wegen der begrenzten Leistungsfähigkeit der Photolithographie bei etwa 1 μm , Die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit sind hoch, es wird ein beachtlicher kritischer Strom benotigt (nicht weniger als 1mA für optimale Leistung), der zudem über Leitungen mit niedrigem Kontaktwiderstand zuzuführen ist Andererseits beschrankt die Forderung zur Phasensynchronisation die Langsausdehnung des Bauelements auf etwa λ 4, ein Wert, der für eine Frequenz von 1 THz bei etwa 75 μm liegt Laßt man geringfügige Abstände zwischen den Kontakten zu, dann kann man maximal mit ein- bis zweitausend solcher Einzelelemente rechnen In der Praxis wurden Anordnung von 10 x 10 = 100 Kontakten realisiert. Wie bereits erläutert, liefert ein solches Bauelemente-Design nicht die für interessante Anwendungen erforderliche Minimalleistung von 0 1-1 mW Es soll dargelegt werden, daß die erfindungsgemaß vorgeschlagenen alternative Designs eine wesentlich höhere Packungsdichte von Josephson-Kontakten erlauben mit der Aussicht auf eine wesentlich höhere emittierte Leistung und damit auf eine Vielzahl neuer Anwendungen, die mit flachigen (planaren) Anordnungen, wie dort dargestellt, nicht möglich sind
In der EP 446146 wird ein Drei Schicht- Josephson-Kontakt beschrieben, der zu beiden Seiten supraleitende Elektroden aufweist, die aus LyBa2Cu3O bestehen (Ly ist Y oder ein Seltenes Erdmetall, 6<y<7) Die nicht supraleitende Barriere besteht hier aus Bi2Y SryCuzOw, 0 < x <2, 1 < y < 3, 1 < z < 3, und 6 < w < 13 Es fehlen jedoch Angaben zu den Eigenschaften des Bauelements (wie z B Ic, R„, I-V-Kennlinie, Mikrowellenmodulation) oder zur Darstellung von lateralen oder vertikalen Stapelstrukturen und deren möglicher Anwendungen
Ein magnetischer Steuerungsmodus für die emittierte oder delektierte Strahlungsfrequenz wird in der EP 513,557 beschrieben, wo das erfindungsgemaße Bauelement aus vertikalen Stapelfolgen von Josephson-Kontakten besteht, die zudem seitlich aufgebrachte galvanische Anschlüsse aufweisen Zwischen jedem Paar von benachbarten Supraleiter/Barriere/Supraleiter- Strukturen (SIS-Strukturen) ist eine weitere supraleitende Schicht vorgesehen, die durch eine Isolatorschicht beidseitig von dem benachbarten Josephson-Kontakt getrennt ist Diese Schicht soll zur Steuerung der Einzelbauelementes dienen Indem man einen Strom über seitliche Kontakte durch diese Steuerschicht leitet (siehe auch US-PS 3,725,213), soll ein Magnetfeld erzeugt werden, das das Energie-Gap des Josephson-Kontaktes beeinflußt
Dieses Bauelement hat mehrere Nachteile, die seine praktische Realisierung im Rahmen der gegenwartig bekannten Werkstoffeigenschaften und verfügbaren Mikrofabrikations- Technologien unmöglich machen Insbesondere erfordert (i) seine Herstellung die Abscheidung supraleitender Kontakte von etwa 0 01 μm Breite über isolierenden Schichten an zwei gegenüberliegenden Seitenflachen von senkrecht dazu gewachsenen Stapelstrukturen mit Josephson- Kontakten Dafür ist gegenwartig keine Technologie verfügbar Es sind des weiteren (ii) keine Supraleiter bekannt, die solch große Strome zur Erzeugung der erforderlichen hohen Magnet- feldstärken aushalten können, die man zur Verringerung des Energiegaps in Hochtemperatur- Supraleitern in den Grenzen der erforderlichen geometrischen Bauelementeabmessungen benötigen würde. Selbst unter der Annahme, daß dies irgendwie möglich wäre, würde (iii) das Magnetfeld einer bestimmten Steuerschicht mehr als nur einen Josephson-Kontakt beeinflussen, zu unerwünschtem 'cross-talk' zwischen mehreren Josephson-Kontakten führen und die Patentabsicht vereiteln. Schließlich wäre (iv) die abgestrahlte Leistung zu gering für viele Anwendungen, da eine Schaltkreis-Optimierung der Josephson-Kontakte zur Impedanzanpassung an den Außenraum nicht vorgesehen ist.
2. Natürliche Stapelfolgen von Josephson-Kontakten in Kupferoxid-Supraleitern
In der allerersten Veröffentlichung zu Kupferoxid-Supraleitern äußerten J G Bednorz und K.A. Müller 1986 die Meinung, daß La-Ba-Cu-O infolge seiner ausgeprägten Schichtstruktur ein quasi zweidimensionaler Supraleiter ist. In der Folgezeit wurde diese Hypothese durch eine große Zahl experimenteller Ergebnisse in verschiedenen Cuprat- Supraleitern bestätigt [z.B. Bozovic 1991], wobei ein direkter Beweis in der Beobachtung der Supraleitung in Bi2Sr2CaCu2Og-Schichten von der Dicke einer Einheitszelle liegt [Bozovic u.a.1994]. Des weiteren ist der kritische Strom entlang der c-Achse (d.h senkrecht zu den CuO2-Schichten) viel kleiner als in Richtung parallel zu den CuO2-Ebenen Er ist nicht Null, d.h , es kann durchaus ein Suprastrom in Richtung der c- Achse fließen. Das impliziert jedoch die Eigenschaft, daß die planaren 2-dimensionalen supraleitenden Stabchen über Josephson-Tunnelπ schwach gekoppelt sind.
In anderen Worten gesagt, kann man Cuprat- Supraleiter als natürliche (intrinsische) Stapelfolgen von Josephsen-Kontakten mit einem Abstand von 6 .. 25 A auffassen. Ein theoretisches Modell für eine Stapelfolge von Josephson-gekoppelten supraleitenden Schichten wurde bereits vor 25 Jahren veröffentlicht [von Lawrence und Doniach 1971], und seitdem umfangreich untersucht. Die Vorhersagen des Modells betreffen eine nichtlineare Strom- Spannungs (I- V)-Kennlinie, mikrowellenstrahlungsinduzierte I-V Stufen (Shapiro-Stufen), und die Mikrowellenemission durch Anlegen von Gleichspannung.
Tatsächlich wurden all diese Eigenschaften in Cuprat-Supraleitern beobachtet, zuerst in Bi2Sr2CaCu2Og [Kleiner u a. 1992] und danach auch in (PbyBiι.y)2Sr2CaCu2O8, Tl2Ba2Ca2Cu3Oιo, usw. [Kleiner und Muller 1994, Muller 1994, 1996, sowie durch weitere Gruppen, Regi u.a. 1994, Irie u.a. 1994, Schmidl u.a 1995, Yasuda u a 1996, Tanabe u.a 1996, Yurgens u.a. 1996, Seidel u.a. 1996, Xiao u.a. 1996]. Die meisten dieser Ergebnisse wurden In kleinen Einkristallen gefunden, jedoch wurden auch Mesa- Strukturen aus Einkristallen oder dünnen Schichten geätzt [Schlenga u.a. 1995]. In einigen Fällen wurde Phasensyn- chronisation von mehr als 1000 Josephson-Kontakten erzielt [Schlenga u.a. 1995], im allgemeinen jedoch nur partiell erreicht, wie das die Vielzahl von Zweigen in den I-V-Kennlinien (in allen bisherigen Arbeiten) zeigt. Namentlich dann, wenn die zu einem Stapel gehörenden Josephson-Kontakte nicht alle identisch sind, d.h., wenn ihr kritischer Strom von Kontakt zu Kontakt verschieden ist, fallen sie nicht im selben Punkt der Kennlinie in den normalleitenden Zustand zurück, sobald der Stromdurchfluß erhöht wird. Als Folge davon muß sich die Strahlungsemission als Überlagerung kohärenter (schmalbandiger) Strahlung ergeben, was auch beobachtet wurde [Schlenga u.a. 1995, Müller 1996]. Diese Unterschiede in den Eigenschaften der Josephson-Kontakte rühren von nicht perfektem Kristallwachstum und dem Lithographie- Prozeß zur Definition der Mesa-Strukturen her, was auch zu Unterschieden in der Querschnittsfläche der Mesa-Strukturen führt. Die bisher gemessene höchste Frequenz emittierter Strahlung liegt bei v=95 GHz, was allerdings die Folge unzureichender Labor- Nachweistechnik ist [Müller 1996].
Es wurde bisher über keine praktisch nutzbaren Bauelemente oder Anwendungen berichtet, obwohl es Hinweise zum Einsatz möglicher zukünftiger Emitter von Submillimeter- Strahlung hinreichend gibt [Schlenga 1995].
Wenngleich solche Mesa-Strukturen in dünnen Cuprat-Schichten nichtlineare I-U Kennlinien mit zahlreichen Zweigen und Schalten zwischen den Zweigen, Hysterese, sowie auch durch Mikrowellenstrahlung hervorgerufene Shapiro- Stufen, und selbst Mikrowellen-Emission zeigten, bleiben die I-V-Kennlinien und andere Eigenschaften dieser Mesa-Strukturen weit hinter denjenigen idealer phasensynchronisierter Stapelfolgen von Josephson-Kontakten zurück. Insbesondere liegt die emittierte Mikrowellenleitung nur im pW-Gebiet, was gleichbedeutend damit ist, daß solche Stapelfolgen für praktische Anwendungen uninteressant sind.
Dafür sind 3 Hauptgründe verantwortlich: (a) Die Josephson-Kontakte waren nicht uniform bezüglich ihrer Werte von Ic und RN; (b) Die Flächen der Josephson-Kontakte waren im allgemeinen zu groß, typischerweise etwa 30x30μm2 » 10'5; und (c ) Die Bauelemente waren nicht optimiert bezüglich ihrer Impedanzanpassung an den freien Raum. Infolge von (a) und (b) ist die Phasensynchronisation nicht perfekt, instabil und zufällig Natürliche Josephson-Kontakte o
in Cuprat-Supraleitern weisen relativ große kritische Stromdichten in c-Achsen-Richtung auf (104-106 A/cm2), so daß solche Kontakte bei weitem zu große kritische Strome haben, 100 mA und darüber Große Josephson-Kontakte zeigen viele komplexe Anregungsmoden, Suprastro- me, die in beiden Richtungen fließen, Fluxon-Bewegung, usw. Obwohl diese Probleme bekannt sind, waren die Wissenschaftler der genannten Gruppen nicht in der Lage, die Kontaktfläche wegen zu hoher elektrischer Widerstände wesentlich zu reduzieren. Zu große elektrische Kontaktwiderstände bewirken eine deutliche Aufheizung der Stapelfolgen, wodurch die Phasensynchronisation erschwert wird und die kritischen Strome inhomogen werden In extremen Fällen brennen die Josephson-Kontakte durch
3. ünne Schichten aus Hochtemperatur-Supraleitern mit a- Achsen Orientierung
Eine aktuelle Entwicklung, die zur praktischen Umsetzung in ein neuartiges Bauelement geeignet ist, besteht in einer Technologie zur Züchtung dunner Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiter, in denen die CuO2-Ebenen nicht parallel zum Substrat angeordnet sind Diese können tatsächlich durchweg senkrecht zum Substrat stehen, und wir wollen eine solche Dunnschicht als 'a- Achsen' orientierte Schicht bezeichnen Dieser Name ist abgeleitet von dem spezifischen Fall, daß die einkristalline Schicht in einer solchen epitaxialen Beziehung zum Substrat gezüchtet wird, daß die a-Achse senkrecht zur Oberflache des Substrats steht Wir wollen diesen Fall nicht von demjenigen unterscheiden, daß die b- Achse (in orthorhombischen Kristallen mit a ≠ b) senkrecht auf dem Substrat steht, sowie auch wenn die a- Achse willkürlich geneigt ist, solange nur die c- Achse parallel zur Substratoberflache verlauft, d.h also, solange die CuO2- Ebenen senkrecht auf der Substratoberflache stehen
Unter Verwendung einer ähnlichen üblicherweise akzeptierten (obgleich ungenauen) Terminologie werden wir die ganze Gruppe epitaxialer Orientierungen, bei denen die CuO2-Ebenen einen von 90° oder 0° verschiedenen Winkel zum Substrat annehmen, in dem Begriff „geneigte a-Achsen"-Schicht zusammenfassen. Eine feinere Unterscheidung und eine genauere Beschreibung ist durchaus möglich, beispielsweise unter Verwendung des Konzepts der Millerschen Indizes von Substrat-Oberflache (auf der die dünne Schicht abzuscheiden ist) und Dunnschicht- Oberfläche Das allerdings ist für die hier geführte Diskussion nicht erforderlich
Die bei weitem größte Gruppe erzeugter und qualitativ hochwertiger Dunnschichten von Hochtemperatur-Supraleitern haben die c-Achsen-Orientierung (d h bei ihnen stehen die CuO2-Ebenen parallel zur Substratoberflache) Ursache hierfür ist die starke Anisotropie phy- sikalischer Eigenschaften von geschichteten Cupraten, einschließlich der Wachstumsraten in unterschiedlichen kristallographischen Richtungen. Trotzdem gibt es beachtliche Bemühungen, die auf die Züchtung von „a-Achsen"-orientierten und „geneigten a- Achsen"- Schichten gerichtet sind, wobei das Hauptmotiv daher rührt, die wesentlich größere Kohärenzlänge in Richtung der a-Achse für Dreischicht- Josephson-Kontakte auszunutzen. Im folgenden werden einige der erfolgreichsten Züchtungsexperimente dieser Art referiert.
Es wurden bereits dünne Bi2Sr2CaCu2O8-Schichten mit um 45° geneigten CuO2-Ebenen mittels Magnetron-Sputtertechnik auf SrTiO3-Substraten abgeschieden, die mit einem Winkel von 5° von der ( 110)-Richtung abwichen. Ebenso kamen MgO-Substrate mit der gleichen Charakteristik und zusätzlichen Pufferschichten zur Anwendu-.g [Tanimura u.a. 1993]. Die gewünschte geneigte a-Achsen-Orientierung wurde mittels RHEED (Beugung hochenergetischer Elektronen in Relflexionslage) und TEM (Transmissions-Elektronenmikroskopie) in Querschnittsabbildung sowie durch die Messung von Transporteigenschaften nachgewiesen.
Im wesentlichen vollständig a-Achsen-orientierte YBa2Cu3O7-Schichten wurden auf (100)- orientierten LaSrCaO4 -Substraten mit einer PrBa2Cu3O7-Puffer-schicht mittels Einzeltarget - Sputterns erhalten [Suzuki u.a. 1993]. Ähnlich orientierte Filme aus Ndι+xBa2.xCu3O7.d wurden direkt auf (lOO)-orientierte SrTiO3 Substrate mittels Laser- Aufdampftechnik gebracht, wobei im wesentlichen besondere Sorgfalt auf die richtige Einstellung der Wachstumsparameter gerichtet war [Badaye u.a. 1995].
Diese Beispiele beweisen, daß es technisch möglich ist, „a-Achsen"-orientierte und „geneigte a-Achsen"-Schichten hoher Qualität aus Cuprat-Supraleitern herzustellen. Eine Verkörperung der Erfindung stützt sich auf den obigen Sachverhalt.
Ziel der Erfindung
Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, Mittel bereitzustellen, die die oben diskutierten Nachteile und Schwierigkeiten bekannter Lösungen zu umgehen gestatten und ein Bauelement zu entwickeln, das die diskutierten Nachteile vermeidet.
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und Detektor für elektromagnetische Strahlung im Submillimeterwellen-Gebiet verfügbar zu machen, der gleichzeitig eine Vielzahl von Stapelfolgen von Josephson-Kontakten in einer flächigen (2-dimensionalen) Anordnung anwendet, so daß die Erzeugung von Mikrowellenlei- stung oder die Empfindlichkeit zum Nachweis von Mikrowellenstrahlung beträchtlich erhöht wird.
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter im Submillimeterwellen-Gebiet mit einer solchen Impedanz verfügbar zu machen, daß Impedanzanpassung an den die Strahlung aufnehmenden Raum erzielt wird, wodurch die abgestrahlte Leistung maximale Werte annimmt.
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter im Submillimeterwellen-Gebiet verfügbar zu machen, der eine sehr geringe Emissionslinienbreite (weniger als den millionsten Teil der Strahlungsfrequenz) innerhalb seines bis zu einigen THz reichenden Submillimeterwellen-Bandes aufweist.
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet mit einer elektronischen Steuerung zur kontinuierlichen Veränderung der Emissionsfrequenz bzw. der Detektionsfrequenz über einen breiten spektralen Bereich zu schaffen.
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet zu schaffen, dessen emittierte Mikrowellen- Strahlung elektronisch moduliert bzw. aus- und eingeschaltet werden kann, was auch einem schnellen elektronischen Schalter für Supraleitungselektroniken entspricht.
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet zu schaffen, der die Funktionen Emission und Detektion unabhängig voneinander, in Kanälen mit verschiedenen Frequenzen oder elektrisch variablen und gesteuerten Frequenzen ermöglicht.
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet zu schaffen, der eine Inversion des Emissionsund Detektionsmodus mit externen elektronischen Mitteln erlaubt
Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet zu schaffen, der für eine Einbeziehung in Supraleiter/Halbleiter-Hybridschaltungen geeignet ist
Darlegung des Wesens der Erfindung Diese Zielstellungen werden mit der vorliegenden Erfindung eines zweidimensionalen Netzwerks von supraleitenden Mikrobrücken mit Stapelfolgen von (nativen) Josephson-Kontakten erreicht, wobei Teile des Netzwerks in vorbestimmter Weise gruppiert und (seriell, parallel) zusammengeschaltet, sowie über Kontakte mit einer externen elektronischen Steuerungseinheit betrieben werden können Im besonderen wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und Anspruchs 13 angegebenen Merkmale gelost Vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungen der Erfindung geben die Ansprüche 2 bis 12 und 14 bis 19 an
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen naher erläutert werden In der zugehörigen Zeichnung zeigt
Fig 1 Eine Einheitszelle des Kristalls eines Hochtemperatur-Supraleiters, die eine CuO2- Ebene enthalt,
Fig 2. Eine „a-Achsen"-orientierte Schicht eines Hochtemperatur- Supraleiters Die CuO2- Ebenen stehen senkrecht auf dem Substrat
Fig 3 Eine dünne Schicht eines Hochtemperatur-Supraleiters mit „geneigter a-Achse" Die CuO2-Ebenen sind mit einem Winkel Θ gegenüber dem Substrat geneigt
Fig 4 A Eine Mikrobrucke, die aus einem Hochtemperatur-Supraleiter mit „a-Achsen"- orientierter Wachstumsrichtung hergestellt wurde
Fig 4 B Einen Aquivalentschaltkreis für das in Fig 4 A gezeigte Bauelement Eine einfache, lineare (serielle) Anordnung von Josephson-Ubergangen
Fig 5. Eine Mikrobrucke, die aus einem Hochtemperatur-Supraleiter mit „geneigter a- Achsen"-Wachstumsrichtung hergestellt wurde Der Äquivalentschaltkreis entspricht dem aus Fig 4 B
Fig 6 A . Eine parallele Anordnung von Mikrobrucken, die jeweils Stapelfolgen naturlicher Josephson-Kontakte enthalten, hergestellt aus einer epitaxialen „a-Achsen"- bzw „geneigten a- Achsen"-Schicht durch chemisches oder Ionen-Atzen von Graben, die die Mikrobrucken gegeneinander elektrisch isolieren
Fig 6 B Einen Aquivalentschaltkreis für das Bauelement aus Fig 6 A Parallelschaltung von zwei linearen Stapelfolgen von Josephson-Kontakten Fig. 7.A Eine Parallel-Schaltung von drei identischen Gruppen (cluster) mit jeweils 10 Mi- krobruckea
Fig 7 B Einen Aquivalentschaltkreis für das Bauelement aus Fig 7 A
Fig 8 Eine Anordnung mehrerer Gruppen von Mikrobrucken, die jeweils Stapelfolgen von Josephson-Kontakten enthalten, entlang einer Streifenleitung Die Entfernung zwischen den einzelnen Segmenten von zusammengefaßten Emittern entspricht der Wellenlange λ der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Struktur
Fig 9 Einen grundsatzlicher Aufbau des erfindungsgemaßen Bauelements, das in einer dünnen supraleitenden Epitaxieschicht eine zweidimensionale laterale Anordnung parallel geschalteter Mikrobrucken (Stege) (a) enthalt, die durch bis auf das Substrat reichende Graben (b) voneinander getrennt sind und damit den Stromfluß durch die Mikrobrucken bzw Gruppen von Mikrobrucken lenken Jede Mikrobrucke enthalt eine Stapelfolge von Josephson- Kontakten, deren Anordnung in Fig 2 und Fig 3 erklart wird Die elektrischen Anschlüsse (c ) und (d) erlauben eine Verbindung zu einer äußeren Steuerungselektronik (e)
Anhand einer Verkörperung des erfindungsgemaßen Bauelements wird im folgenden die Erfindung naher beschrieben, dessen grundsatzliche Struktureinheit, d h die lineare Stapelfolge von Josephson-Kontakten in einer Dunnschicht hoher Qualität eines Hochtemperatur- Supraleiters gebildet wird, wobei sich die dünne Schicht in einer speziellen epitaxialen Beziehung mit dem Substrat befindet
1. Mikrobrucken in „a-Achsen-orientierten" und „geneigten a- Achsen orientierten" Dunn- schichten
Zur Erklärung muß anhand Fig 1 bemerkt werden, daß die kristallografische Einheitszelle aller bekannten Cuprat-Supraleiter ein verlängertes Parallelepiped mit den Seitenlangen a«b«3 8Ä und c>a,b darstellt Zum Beispiel ist c«6 5Ä in Lai -aSτ0 uCuO4, c«l 1 7Ä in YBa2Cu3O7, c«l 5 4Ä in Bi2Sr2CaCu2θ8, etc [Genauer gesagt ist die c-Achsen-Periodizität in Lai g5Sr0 ιsCuO4 und Bi2Sr2CaCu2Og doppelt so groß wegen des Vorhandenseins einer Gleitebene, obwohl dieser Sachverhalt für die vorliegende Diskussion wenig Bedeutung hat, ebenso wie derjenige einer leichten orthorhombischen Verzerrung mit a ≠ b in YBa2Cu O7]
Alle Hochtemperatur-Supraleiter, die bisher betrachtet wurden, waren mit der c-Achse senkrecht zum Substrat gezüchtet worden (sie werden zur Abkürzung üblicherweise als „c-Achsen orientierte HTS-Schichten" bezeichnet). Dies ist die häufigste epitaxiale Beziehung, die sich gewöhnlich einstellt, wenn Hochtemperatur-Supraleiter auf gitterangepaßten Substraten, wie z.B. (lOO)-geschnittenem SrTiO3, LaA103, etc. aufgewachsen werden. In diesem Falle verlaufen alle CuO2-Ebenen parallel zur großen Fläche des Substrates.
Werden jedoch speziell geschnittene Substrate verwendet, so ist es möglich, andere epitaxiale Anordnungen zu erzielen, in denen die CuO2 -Ebenen senkrecht zur großen Fläche des Substrates verlaufen. In einem solchen Falle ist die a-Achse des Cuprat-Supraleiters (oder völlig gleichbedeutend die b-Achse) senkrecht zur großen Fläche des Substrates angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Solche Hochtemperatur-Supraleiter-Dünnschichten werden zur Abkürzung als 'a-Achsen-orie.itierte HTS-Schichten' bezeichnet.
Eine Methode, diese Orientierung zu erreichen, besteht im folgenden (hier ist Lai.gsSro.isCuO.» als Beispiel gewählt, wobei a « 3.8 Ä und c * 6.5 Ä beträgt):
Man wählt das Substrat und seinen „Schnitt" (d.h. die Polier-Richtung oder die Orientierung der Oberflächenebene des Substrats) so aus, daß die Periodizität der Oberflächenebene 3.8 A x 6.5 A beträgt. Dann stellt sich die Möglichkeit ein, daß die Schicht mit ihrer a-Achse senkrecht zum Substrat aufwächst. Ein anderer Gesichtspunkt ist die Zahl „günstiger Kontakte" zwischen Kationen und Anionen von Schicht und Substrat, die auf energetische Beziehungen in der Grenzfläche Einfluß nehmen. Natürlich benötigt man für jeden unterschiedlichen Hochtemperatur-Supraleiter unterschiedliche Substrate oder zumindest Substrat-Schnitte.
Für den vorliegenden Zweck ist es ausreichend festzustellen, daß solche Substrate und Substrat-Schnitte für mehrere Cuprat-Hochtemperatur-Supraleiter bereits entdeckt worden sind, und vollständiges epitaxiales a-Achsen-Wachstum tatsächlich demonstriert wurde, und zwar für Laι.85Sr0.i5CuO und YBa2Cu3O7 [Suzuki u.a. 1993, Badaye u.a. 1995].
Eine weitere Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird durch eine mögliche andere epitaxiale Beziehung geliefert, die in Fig. 3 gezeigt ist. Hierfür werden alle CuO2-Ebenen der Cuprat-Filme in einem Winkel zum Substrat gezüchtet, der von 0° und 90° verschieden ist. Ein solcher Winkel ist abhängig vom Substratschnitt und kann typischerweise 1° bis 10° betragen, obwohl größere oder kleinere Winkel auch möglich sind. Für den Zweck der vorliegenden Diskussion nehmen wir an, daß der Winkel etwa 5° beträgt. Dies erfordert die Existenz von Stufen im Substrat, die 3.8Ä hoch sind und einen Abstand von etwa d = 3.8 x tan 85° A haben. Epita- xiales Wachstum solcher geneigten a-Achsen-orientierten HTS-Schichten wurde auch schon ausgeführt [Tanimura u.a. 1993, Kataoka u.a. 1993],
Wie bereits ausgeführt, stellen Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiter, wie z.B. Bi2Sr2CaCu2Og, Tl2Ba2Ca2Cu3Oιo, HgBa2CaCu2θ6.2, Laι.85,Sr0.i5CuO4, etc. natürliche supraleitende Supergit- ter vom SIS..., oder SINIS-Typ dar. Benutzt man eine der genannten Orientierungen der Dünnschicht, dann lassen sich einfache Mikrobrücken der in Fig. 4.A. und Fig. 5 gezeigten Art, und somit also eine Stapelfolge von Josephson-Kontakten erzeugen. Solche Stapelfolgen in Mikrobrücken stellen die Grundstruktur für das erfindungsgemäße Bauelement dar. Jedoch müssen zur Einstellung einer optimalen Performance des Bauelements mehrere solcher Mikrobrücken in einem supraleitenden Netzwerk zus---nmengeschaltet werden, wie im weiteren Text beschrieben.
2. Zusammenschaltung von Mikrobrücken: Schaltkreis-Optimierung
Es wird zuerst eine einzelne Stapelfolge von Josephson-Kontakten betrachtet. Der maximal erlaubte kritische Strom durch einen einzelnen Kontakt ist etwa
Figure imgf000016_0001
Größere Werte führen zu sehr gestörten Strom-Spannungs-Kennlinien infolge sich einstellender besonderer Flußbedingungen. Der Josephson-Kontakt verhält sich wie ein „langer Kontakt" mit Strömen, die an verschiedenen Orten hin- und herfließen. Mit dem Beispiel von ICR = 10mV und Ic=lmA, erhält man als typischen unteren Grenzwert für den elektrischen Widerstand R=10Ω. Impedanzanpassung des Bauelements an das Vakuum erfordert einen Gesamtwiderstand Rτoτ=NR=300 Ω. Mit R = 10Ω erhält man also N = 30 als Wert für die Zahl einzubringender Josephson-Kontakte in der Stapelfolge einer Mesa-Struktur. Falls Ie kleiner wäre als 1mA, hätte sich ein noch größerer Wert für R und damit ein kleinerer Wert für N eingestellt. Demzufolge wäre dieser Wert N eine untere Grenze für eine einzelne Mesa-Struktur mit Impedanzanpassung an das Vakuum.
Ebenfalls sind die geometrischen Abmessungen des Kontakts mit den genannten Werten schon festgelegt. Falls je1 = 10 A/cm2 ist, erhält man mit Ic = 1mA als Fläche des Josephson- Kontaktes
A = Iβ je = 10-3A/10 A/m2 = 10"7cm2 = 10μm2.
Würde man quadratische Josephson-Kontakte benutzen, sollten diese eine Kantenlänge von 3 μm aufweisen. Dieser Wert von jc 1 = 104A/cm2 betrifft natürliche Josephson-Kontakte in sehr anisotropen Hochtemperatur-Supraleiter- Werkstoffen, wie z.B. Bi2Sr2CaCu2θ8. Bei weniger anisotropen Hochtemperatur-Supraleiter- Verbindungen kann je 1 höhere Werte (bis zu 106A/cm2 in YBa2Cu3O7) annehmen, wodurch man noch kleinere Kontaktquerschnittsflächen erlangen könnte.
Die Ausgangsleistung einer solchen einfachen Stapelfolge ist jedoch recht bescheiden:
PMAX°U, =1/8NIC 2R=(1/8)X30X106X10A2Ω = 5 x 10^ mW.
Höhere abgestrahlte Leistungen kann man nur dann erwarten, wenn komplexere Systeme mit in Reihe und parallel geschalteten Gruopen von Mesa-Strukturen zur Anwendung kommen. Im wesentlichen besteht die Idee darin, den Gesamtstrom durch das Bauelement dadurch zu erhöhen, ohne daß IC MAX = 1mA für einen einzelnen Kontakt überschritten wird, daß mehrere Stapelfolgen parallel geschaltet werden (Fig. 6). Eine Verringerung des Gesamtwiderstand kann durch eine Erhöhung der Zahl von Josephson-Kontakten in jeder Stapelfolge einfach ausgeglichen werden.
Für eine Parallelschaltung von M Stapelfolgen, in denen jede davon N Josephson-Kontakte in Serienschaltung enthält, stellt sich als Gesamtwiderstand Rτoτ = (N M)R ein; Für Rτθτ= 300Ω und R = 10Ω erhält man also N/M = 30 oder N = 30 M.
Der Gesamtstrom wird I = ML., so daß die Gesamtleistung
Pτoτ° =(l/8)xlO-6 x300xM2A2Ω * 0.4 x M2 mW entsteht.
Man sieht damit, daß die gesamte abgestrahlte Leistung zu M2 proportional ist, und es könnte scheinen, als wäre die Leistung beliebig steigerbar. Jedoch werden Beschränkungen durch die maximal mögliche Größe des Netzwerks und natürlich der noch akzeptablen Dimensionen der einzelnen Stapelfolgen auferlegt.
Namentlich für eine gruppierte Anordnung von Josephson-Kontakten kann Phasensynchronisation nur über eine Entfernung von näherungsweise λ/4 erreicht werden, wobei λ die Wellenlänge der emittierten elektromagnetischen Strahlung ist. Wäre die gewünschte abgestrahlte Frequenz v = 3 THz, dann beträgt λ = lOOμ ; für v= lTHz, erhält man λ =300μm.
Zur Optimierung von Bauelementeparametern (z.B., um Impedanzanpassung an das Vakuum und eine Reduzierung der inneren Reflexion von elektromagnetischer Strahlung an der Kri- 10
stall/Vakuum-Grenzfläche zu erreichen) ist es wünschenswert, Mikrobrücken in jeder gewollten Art elektrisch zu kombinieren. Dabei sollten allerdings die elektrischen Verbindungen aus Supraleitern bestehen und nicht zur Herausbildung von 'weak-links' (schwachen Kopplungen) führen, die dann als Josephson-Kontakte in Reihenschaltung mit der Stapelfolge von Josephson-Kontakten in der Mesa-Struktur wirken. Mit anderen Worten gesagt, es sind Hochtemperatur-Supraleiter-Elektroden von der gleichen Art supraleitenden Werkstoffes erforderlich.
Sowohl Serien- als auch Parallel-Schaltung von Mesa-Strukturen ist in praktisch relevanten Fällen erforderlich. Im folgenden Abschnitt soll eine Methode erklärt werden, mit der die Seri- enschalαing einfacher Mikrobrücken oder von Gruppen (cluster) vc-. Mikrobrücken erreicht wird, die bereits als Parallelschaltung vorliegen. Des weiteren werden realistische Abschätzungen zur maximal möglichen Zahl phasenstarrer Josephson-Kontakte in solchen Stapelfolgen und Netzwerken angegeben.
3. Beispiel
Eine Analyse der realistischen Grenzen linearer Stapelfolgen und deren paralleler und serieller Zusammenschaltung erfolgt in der folgenden Weise: Nehmen wir ICR « 25 mV und l^^ = 1mA als gegeben an, dann ist R = 25Ω der Widerstand eines Josephson-Kontaktes. Damit ist N aufwerte von 10-15 beschränkt, wenn Impedanzanpassung an das Vakuum mit RToτ = NR ≡ 300Ω angestrebt wird. Das ist offensichtlich nicht sehr günstig für eine reine a-Achsen- orientierte HTS-Schicht, (Fig 2, Fig. 4. A), da in einem solchen Fall die Länge der Mikrobrük- ken (in a- Achsen-Schichten wird die Bezeichnung „Mikrobrücke" für die vordem bezeichnete „Mesa-Struktur" in c-Achsen-Schichten gewählt). Weniger als 15 x 20 Ä = 30θA betragen würde, was für gängige lithografische Verfahren zu klein ist.
Die Situation verbessert sich für geneigte a-Achsen orientierte HTS-Schichten (Fig. 3, Fig. 5), wo der Neigungswinkel relativ klein (etwa 5°) ist. Hier bekommt man für N = 15 und c = 15 Ä eine Gesamtlänge L der Mikrobrücke von d/tanθ, wobei d die Schichtdicke ist. Für d = 1000 Ä und θ = 5° erhält man also L « 10,OOOÄ = lμm, was einem vernünftigen Wert für gegenwärtig übliche Lithographie- Verfahren darstellt. Und diese Länge kann mit wachsender Schichtdicken weiter vergrößert werden. Wir haben jedoch auch die erforderlichen seitlichen (lateralen) Dimensionen zu untersuchen. Beschränkungen kommen hier von der Stromdichte jc. Eine typische Stromdichte für c- Achsen orientierte Schichten liegt bei jc = 104 A/cm2. Mit einem erwünschten kritischen Strom von L = 1mA erhält man die schon genannte Kontaktfläche A = ljjc = 10'3/104 cm2 = 10μm2, Es ist jedoch zu beachten, daß die effektive Breite jetzt gleich der Schichtdicke dividiert durch den Tangens des Neigungswinkels ist, d. h. d/tanθ. Mit d = 1.000Ä und θ = 5° erhält man d/tanθ * lμm. Dies bedeutet, daß die Breite der Mikrobrükken 1 μm betragen soll, was sicherlich zu erreichen ist.
Allerdings wird eine solche Mikrobrücke, die eine Stapelfolge von Josephson-Kontakten enthält, nur eine relativ kleine Leistung emittierter Stiahlung erzeugen, nämlich Pout=(l/8)Ic 2RTOτ =(1/8)(10°)2300 W * 0.4mW.
Um diese Leistung zu erhöhen, benötigt man erneut eine Parallelschaltung vom M solcher Mikrobrücken, da in diesem Fall Pouι = (1/8) (MIC)2 RToτ= M2 x 0.4 mW beträgt, vorausgesetzt, daß die Zahl N der natürlichen Josephson-Kontakte in jeder Mikrobrücke so eingestellt wird, daß die Impedanzanpassung an das Vakuum erfüllt bleibt. Für RTOT = R N/M ≡ 300 und R = 15-30Ω erhalten wir N/M « 10-20, oder typischerweise N= 15 M.
Dies liefert den Ansatzpunkt, um ein sehr einfaches Bauelement zu schaffen, das in Fig. 8 gezeigt ist und aus einer parallelen Anordnung von M identischen Mikrobrücken besteht. Diese werden dadurch gebildet, daß ganz einfach eine Folge äquidistanter Gräben durch chemisches oder Ionen-Ätzen bis herab an das Substrat erzeugt wird.
Für N = 15 M erhält man um das M-fache verlängerte Mikrobrücken. Ein reiner a- Achsenorientierter HTS-Film führt auf eine Mikrobrückenlänge von 15x30θA = 4,500Ä oder 0.45μm, was noch immer ein sehr kleiner Wert und technologisch schwierig herstellbar ist. Hingegen wird die Länge der Mikrobrücken in geneigten a-Achsen-orientierten HTS-Schichten für d = 1,000A, N = 300 und θ = 5° etwa M μm betragen.
Oben hatten wir bereits geschlußfolgert, daß für jc = 10 A/cm2 und Ic = 1mA die Kontaktfläche A = 10μm2 und die Mikrobrücken-Breite etwa 10 μm (unsere Standardwahl d = 1,000Ä und θ = 5°) beträgt. Damit ist M stark eingeschränkt, da die gesamte Breite des Bauelements für eine Emissionsfrequenz von v = 3THz (λ = lOOμm) also 25μm, und für v = lTHz (λ = 300 μm) 75 μm betragen kann. Folglich erhält man fiir M = 3-7, was einer recht beträchtlichen Ausgangsleistung von P0„t = 1-20 mW entspräche.
Weitere Verbesserungen in der Emissionsleistung könnte man dadurch erhalten, daß man weniger anisotrope Hochtemperatur- Supraleiter mit einer höheren kritischen Stromdichte für die c- Achsen-Richtung wählt. Beispielsweise beträgt für YBa2Cu O7> jc«106A/cm2 in c- Achsen- Richtung. In einem solchen Falle hätte man viel kleinere Kontaktflächen vorzusehen, sagen wir 0.1-1 μm2, was wesentlich schmalere Gräben, eine vergrößere Zahl von Mikrobrücken und damit eine höhere Emissionsleistung bewirkt. Eine praktische Grenze für die Breite von Mikrobrücken könnte bei 1 μm liegen mit sehr schmalen Gräben dazwischen. Das würde bei 3 THz aufwerte füi M von etwa 25 und die doch erhebliche Ausgangsleistung -/on etwa P «240 mW führen
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung steckt in der sehr geringen Lange von Mikrobrükken (< lμm) für a-Achsen-orientierte HTS-Schichten. Man könnte ein Bauelement entsprechend der Fig. 7 entwerfen. Unter Verwendung der verfügbaren Bauelementelänge von 25μm (für 3THz) wurden in dieser Fig. 7 drei parallele Segmente (Streifen) von jeweils 10 parallelen Mikrobrücken zusammengeschaltet. Die supraleitende elektrische Verbindung zwischen den 3 Segmenten ist parallel. Man verfügt folglich über einen Gesamtwert M von Mikrobrucken, der sich aus der Zahl der Mikrobrücken pro Segment multipliziert mit der Zahl der Segmente ergibt. Realistische Werte können bis zu 25 Mikrobrucken pro Segment und bis zu 10 Segmenten gehen, was einem M = 250 entspräche. Unter idealen Bedingungen entstünde hierbei eine immense Emissionsleistung von
P = (250)2 0.4 mW = 25W !
Obwohl der bisherige Wert für die Ausgangsleistung sicher wegen einer Anzahl anderer begrenzender Faktoren eine zu hohe Schätzung darstellt, so wird doch das Potential sichtbar, das in einem solchen Bauelement stecken könnte. Beachtenswert ist auch die Einfachheit der Herstellung, die einen einzigen lithografischen Prozeßschnitt ohne jegliche besondere Ausrichtungsanforderung erfordert.
Wegen der größeren Breite der Materialstreifen senkrecht zu den Mikrobrucken kann hier auch ein höherer Strom fließen als in einem einzelnen Segment von Mikrobrucken. Der Strom fließt in diesen Streifen entlang der CuO2-Ebenen, was der „einfachen" (d h leitfahigeren) Richtung entspricht; jc kann in dieser Richtung (parallel zur a-Achse) 10 - 1000 mal höher sein als in der „harten" (d.h. c-Achsen-) Richtung entlang derer der Strom durch die Mikrobrücken fließt. Auf diese Weise werden weak links' zwischen diesen Kontaktbahnen und den Mikrobrücken vermieden.
Schließlich ist zu bemerken, daß die elektrische Verbindung zur externen Elektronik über dik- ke (0.5-1 μm) und großflächige (1 mm2) normalleitende Metall -Kontakte (Gold, Silber, etc.) erfolgt, die auf der supraleitenden Schicht abgeschieden wurden. Eine Aufheizung des Bauelements durch resistives Verhalten dieser Kontakte wird dadurch beträchtlich minimiert. Anbon- den externer Verbindungen ist einfach.
Die hier diskutierte Verkörperung des erfindungsgemäßen Bauelements verfügt über den zusätzlichen Vorteil, daß die Josephson-Kontakte eine sehr kleine Querschnittsfläche und damit eine sehr kleine elektrische Kapazität C aufweisen. Ein reiner a-Achsen-orientierter YBa2Cu3O7 -Film mit einer kritischen Stromstärke in c-Richtung von jc =106A/cm2 weist bei einem optimalen Strom eine Querschnittsfläche von A = 10"9cm2 = 0. lμ 2 auf. Dies entspricht auch genau einer Schichtdicke von 1.000Ä und der Mikrobrücken-Breite von 1 μm, so wie oben bereits beschrieben.
Aus den bekannten Materialeigenschaften für Cuprate und für isolierende Schichten kann man eine Kapazität von C « 5 x 10"15 F in solch kleinen Kontakten erwarten. [Die spezifische Kapazität von Nb/NbOx/Nb-Josephson-Kontakten beträgt 50 fF/μm2]. Dieser Wert kann 5 mal geringer gemacht werden, wenn anstelle der Schichtdicke von 1 μm nur 200 Ä zum Einsatz kämen. Ein Nachteil würde dann die Verringerung der maximalen kritischen Stromdichte und eine Reduktion der abgestrahlten Leistung sein.
Auf der anderen Seite weisen solche Kontakte den Vorteil einer kritischen Dämpfung auf. Der McCumber Parameter ist ß = 2π ICR2C/Φ0 < 1, wobei Φ0 = h/2e = 2xl0'l5Vs das Fluß-Quant, h das Planck' sehe Wirkungsquantum und e die Elektronenladung ist. Es ist bekannt, daß ß klein sein soll (< 1), wenn eine optimale abgestrahlte Leistung und Durchstimmbarkeit der Frequenz gefordert ist.
Die obige Betrachtung ist auf den Fall einer einzelnen Gruppe (cluster) von Josephson- Kontakten beschränkt. Tatsächlich ist es aber möglich, die maximal abgestrahlte Leistung weiter zu erhöhen, indem man eine verteilte Anordnung solcher Gruppen wählt. Man kann Grup- pen in äquidistantem Abstand in Entfernungen von λ zwischen ihnen (sagen wir λ = 300μm für v = lTHz) anordnen.
Indem man die gesamte entstehende Struktur (Schicht) mit einem Isolierstoff (z.B. SiO2, MgO, CeO2, etc.) bedeckt und darüber eine Metallschicht (z.B. Gold oder Silber) aufbringt, läßt sich eine Transmissionsleitung schaffen, durch die die elektromagnetische Strahlung fortgeleitet wird (siehe Fig. 8).
Phasensynchronisation kann in solchen Strukturen über ziemlich lange Strecken erreicht werden, wodurch die abgestrahlte Leistung beträchtlich werden kann . Der Nachteil solcher Leitungen ist aber offenbar, daß die Betriebsfrequenz wegen der Gruppenabstände λ ziemlich festgelegt ist. Höhere Leistung läßt sich nur um den Preis einer verringerten Durchstimmbarkeit erzielen.
Weitere Aspekte zur Optimierung beinhalten die Integration einer Antenne, wobei bequemerweise die existierende supraleitende Schicht dafür herangezogen werden kann.
4.Mikrowellen-Strahlungsquelle
Nachdem man eine Dünnschichtstruktur mit einer Anordnung von Mikrobrücken (im allgemeinen in paralleler und Serienschaltung) hergestellt und mit weiteren Standardkomponenten der Mikrowellentechnik (Antenne, Ausbreitungsleitung) verbunden hat, kann man diese an eine übliche Steuerelektronik mit regelbarer Stromquelle (bis zu 100 mA), Steuereinrichtungen, Anzeigen für Frequenz und Leistung, usw. anschließen. Dies stellt dann eine komplette Quelle für schmalbandige elektromagnetische Strahlung dar, die in einem weiten Frequenzbereich und bis zu hohen Frequenzen von 5-10 THz durchgestimmt werden kann.
Dieses Bauelement der vorliegenden Erfindung wird von uns als Grundvariante des Tunnel- trons bezeichnet. Es ist in Figur 9 gezeigt.
5. Anwendungsbereiche
Die vorliegende Erfindung ist in beinahe allen Anwendungsbereichen einsetzbar, in denen Millimeter und Submillimeterwellen-Strahlung emittiert oder detektiert wird. Außerdem eröffnen sich gänzlich neue Anwendungsfelder, wofür im folgenden einige Beispiele gegeben werden:
Einige Laser und Rückwärtswellen-Röhren (Carcinotrons) arbeiten im Submillimeterwellen- Gebiet, sie sind jedoch voluminöse Strahlungsquellen mit hohem Leistungsverbrauch. Festkör- per-Oszillatoren, wie z.B. GUNN- oder IMPATT-Dioden, sind auf den Millimeterwellenbereich beschränkt.
Josephson-Kontakte, die an den Außenwiderstand reflexionsfrei angepaßt und zu einem Netzwerk zusammengefaßt sind, können über eine Spannung gesteuert werden und einen breiten Frequenzbereich bis in das Terahertz-Gebiet hinein überdecken.
Quantendetektion elektromagnetischer Strahlung, -ein umfangreich genutztes Konzept im sichtbaren und infraroten Spektralbereich -, war bisher im Mikrowellen- und Millimeterwellen- Gebiet nur im schmalen Bereich des Spektrums möglich, der sich um die Resonanzfrequenz von MASER- Verstärkern gruppiert. Die Standardmethoden zum Nachweis in diesem Frequenzbereich nutzen nichtlineare elektrische Widerstände, wie z.B. Schottky-Dioden als klassische Gleichrichter und Überlagerungsempfänger. Deren Arbeitsprinzip gründet sich auf die Umwandlung von empfangener Leistung zwischen verschiedenen Frequenzbereichen, anstelle der Konversion von Photonen in elektrische Ladungsträger, dem Funktionsprinzip von Quantendetektoren.
Die abrupte Nichtlinearität in der I-U-Kennlinie von SIS-Tunnelbarrieren für Einteilchentunneln stellt eine nutzbare Eigenschaft für resistives Mischen dar. Überlagerungsempfänger mit Josephson-Kontakten als solche Mischstufen weisen eine Empfindlichkeit auf, die sich dem Quantenlimit bei Frequenzen bis zu mehreren GHz nähert. Die Funktion eines Überlagerungsempfängers (Heterodyns) besteht darin, ein schwaches Nutzsignal der Frequenz v, mit der Frequenz eines Lokaloszillators V 0 ZU mischen, wobei eine Zwischenfrequenz vy = |V»-VL0| entsteht und elektronisch weiterverarbeitet wird. Ein Photonenstrom mit einer Eintreffrate von einem Photon pro Nanosekunde ist ein typischer Wert der Nachweisempfindlichkeit eines solchen Empfängers . Solche Lichtleistungen sind typisch für die Radioastronomie, die im Millimeter- und Submillimeterwellen-Gebiet interstellare Materie zur Erklärung der Struktur des Universums untersucht. Zwischen 100 und 1000 μm Wellenlänge treten zahlreiche Linien molekularer Rotations- und Vibrations-Spektren auf, die im Prinzip zur Aufklärung zahlreicher physikalischer Eigenschaften im Universum herangezogen werden können. Forschungen der 115 GHz-Rotationsschwingung des interstellaren Kohlenmonoxids (CO) mit einem Empfänger für λ = 2,6 mm deutet auch auf das Leistungsvermögen solcher Mikrowellenspektrometer in anderen praktischen Anwendungen hin. Spektroskopie in seiner allgemeinen Bedeutung impliziert die Untersuchung von Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung von Stoffen, die von einer externen Quelle angeregt werden oder selbst emittieren. Das Tunneltron-Bauelement weist die besondere Eigenschaft auf, daß es als Anregungsquelle des zu spektroskopierenden Mediums und als Strahlungsempfänger der aus dem Medium heraustretenden Strahlung eingesetzt werden kann. Um ein Beispiel zu nennen: Das Tunneltron ermöglicht die Untersuchung organischer und anorganischer Verbindungen in Dämpfen, Flüssigkeiten und Festkörpern bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung und geometrischen und energetischen Struktur sowie auch von Wechselwirkungsprozessen; All dies ist möglich in Funktion verschiedener äußerer Parameter und im zeitaufgelösten Regime. Es gibt zahlreiche Fälle, wo spektroskopische Messungen von Interesse sind, z.B. beim Nachweis auch versteckter Stoffe organischer Moleküle und chemischer Verbindungen (biologische Substanzen, Drogen und Plastik-Stoffe,...) nach einer geeigneten Anregung im Submillimeterwellen-Gebiet, oder auch Geräte zur Qualitätskontrolle für spezifische Substanzen (z.B. Wassergehalt oder Verunreinigungen in festen Stoffen, Fettschichtdik- ken auf Fleischunterlagen, etc.).
Das Tunneltron als kohärente und durchstimmbare Strahlungsquelle weist Eigenschaften des Wellenfeldes auf, die z.B. bei der Interferometrie und Holographie zum Tragen kommen. Holographie ist im Prinzip eine Methode zur Erzeugung einer einzigartigen fotografischen Abbildung eines kohärent belichteten Objekts, bei der ein ungestörter (direkter) Strahl und der vom Objekt herrührende reflektierte Strahl in einem Nachweissystem zur Interferenz gebracht werden. Die Rekonstruktion dieses Interferenzbildes liefert ein dreidimensionales Bild des Objekts.
Die Möglichkeit der Frequenzdurchstimmung des kohärenten Tunneltrons, sowie auch die Möglichkeit der Ausbreitung durch Medien, die für das menschliche Auge undurchsichtig, für die Submillimeter-Strahlung des Tunneltrons jedoch transparent sind, eröffnet zahlreiche weitere Anwendungen.
Kommunikation und Datenübermittlung ist ein weiteres Anwendungsgebiet des hier vorgeschlagenen Bauelements, wobei ein Frequenzband zugänglich wird, das weit oberhalb desjenigen liegt, das bisher von der ITU (Intern. Telecom. Union) verwaltet wird. Das neue Frequenzgebiet ermöglicht eine beträchtliche Erhöhung der Zahl nutzbarer Kanäle sowohl für Satelliten- als auch für erdgebundene Kommunikation. [Betrachtet man eine Kanalbreite von 20 MHz, dann liefert der Frequenzbereich bis 5 THz etwa 250 000 Kanäle. Dies ist zu vergleichen mit den beispielsweise 40 Kanälen für die Satellitenkommunikation im Frequenzband von 11.7. - 12.5 GHz, das von der ITU für die Region 1, Afrika, Europa und die frühere Sowjetunion zusammen, zur Verfügung gestellt wurde.] Nimmt man eine 4 kHz-Kanalbreite für Sprachkommunikation an, würde man 2 Milliarden Sprachkanäle erzeugen, die auf einen solchen Träger transportiert werden könnten.
Übertragung auf hohem Qualitätsstandard erfordert digitale Systeme mit Impulsmodulation (PCM - pulse code modulation), da Frequenzmodulation die Rauschleistung weit über das Maß von 3 pW/km (etwa 52 dB) treiben würde, das von der CCIR als obere Rauschgrenze empfohlen wurde.
Digitale Systeme lassen eine Regeneration der Signale in Zwischenstationen zu, wodurch die Anhäufung von Fehlern vermieden wird.
Es ist selbst dankbar, daß ein völlig neues drahtloses terrestrisches Mikrowellenkommunikati- ons-Netzwerk, ein breitbandiger drahtloser Link zum Internet und ein breitbandiger Link zur Satellitenkommunikation mit allen genannten Vorteilen der hohen Zahl von Telefonie-Kanälen und dem zusätzlichen Nutzen einer reduzierten Strahlungsbelastung infolge der verringerten Absoφtionstiefe der menschlichen Haut für Submillimeter-Strahlung geschaffen wird.
Bildgebende Multifrequenz-Mikrowellen-Radiometer (MIMR) für die Erkundung des erdnahen Gebiets von Satelliten oder anderen Flugobjekten aus hat bereits ein hohes Nutzungspotential. Zukünftige Fernerkundungs-Satelliten werden hyperspektrale Gerätschaften mit sich führen, die zur bildgebenden Erkundung in einer großen Zahl von Frequenzkanälen geeignet sind, anstelle der sieben Kanäle, die gegenwärtig mit multispektralen Instrumenten zum Einsatz kommen.
Bildgebende Rundum-Beobachtung aus nächster Nähe ist bedeutungsvoll für die Sicherheit und Manövrierbarkeit von Hubschraubern und den Landeanflug von Flugzeugen.
Ähnliches trifft auf den straßengebundenen Verkehr und selbst für Roboter- Anwendungen mit widrigen Umgebungsbedingungen zu. Das Grunderfordernis ist hierbei immer ein leistungsfähiger, durchstimmbarer, möglichst monochromatischer und kohärenter Submillimeterwellen- Emitter (und entsprechender Detektor), so wie das mit dem Bauelement der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt wird. Als 'on-chip'-integriertes bzw. separates Emitter- und Detektor-Bauelement ist es für Radarmessungen im allgemeinsten Sinn geeignet, d h , für Ortungs-, Navigations- und Fruherken- nungssysteme Dem wachsenden Bedarf von kompakten Radar-Baugruppen niedriger Leistung für zivile und militärische Nutzung kommt das erfindungsgemaße Bauelement entgegen Alarmgebende oder auch Kollisionswarn-Systeme können verbessert werden.
Das Tunneltron kann ein aktiver Sensor für SAR (synthetic aperture radar)- Anwendung sein Ein SAR-System sendet Mikrowellenstrahlung auf das Objekt (die Erde, wenn Forschungssatelliten der Ausgangspunkt sind), und empfängt die zurückkommende Strahlung. Die Feinabstimmung des Emitters läßt eine Positionierung der Frequenz innerhalb von Absorptionsband- Min-ma der Atmosphäre zu Die Möglichkeit, die Richtung des 'Vellenfeldes des Tunneltrons elektronisch zu verandern, erweist sich als weiterer Vorteil zur Abrasterung des Beobachtungsgebietes
Biologische und medizinische Anwendungen (Tomographie, bildgebende Thermographie usw ) sind in großer Zahl aus den Eigenschaften des erfindungsgemaßen Bauelements einfach zu schlußfolgern.

Claims

Patentansprüche
1. Emitter-< und/oder Detektorbauelement für Submillimeterwellen-Strahlung, bestehend aus einem Substrat, elektrischen Zuführungen (Leitungen) an die Elektroden, die sich zu beiden Seiten des Bauelements auf einem Supraleiter befinden und mit einer äußeren Stromquelle verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement in einer dünnen, einkristallinen und a-Achsen-orientierten Schicht eines Hochtemperatur- Supraleiters (HTS) durch Ausbildung von Mikrobrücken (a) und isolierenden Gräben (b) so geschaffen ist, daß die Mikrobrücken (a) beidseitig von supraleitenden Kontakten (c, d) des die Schicht bildenden Hochtemperatur- Supraleiters ausgehen und durch entsprechende Führung der Gräben (b) in beliebiger Weise in Reihen- und/oder Parallelschaltung kombinierbar und einzeln oder in Gruppen extern steuerbar sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HTS-Schicht epitaxial mit der c-Achse parallel zur Substratoberfläche gewachsen ist, und die a-Achse mit einem Winkel von 1° bis 89° gegenüber der Normalenrichtung auf das Substrat geneigt ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung (Array) von mindestens zwei bis einigen hundert Mikrobrücken in Parallelschaltung, mit jeweils zwei bis einigen hundert vertikal gestapelten Josephson-Kontakten pro Mikrobrücke, wobei alle Mikrobrücken über gemeinsame supraleitende elektrische Kontakte verfügen.
4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte eine Spannungsmessung für Detektorbetrieb erlauben.
5. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Parallel-Baugruppen, die durch eine geeignete Grabenführung zur Bildung eines Segmentes führen, in Reihe geschaltet sind.
6. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine verteilte Anordnung vollständiger Gruppen von Mikrobrücken entlang eines Mikrowellen- Streifenleiters zur Erzielung einer höheren abgestrahlten Leistung.
7. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung für die Kommunikation und Datenübertragung.
8. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in Radaranlagen
9. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet für Anwendungen als Vielkanal-Emitter- und Detektor in satellitengestütztem SAR (Synthetic Aperture Radar).
10. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in bildgebenden Mehrkanal-Mikrowellen-Radiometem.
11. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jede Art spektroskopischer Anwendung.
12. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Lokaloszillator in Überlagerungsempfängern, beispielsweise für astronomische Anwendungen eingesetzt.
13. Verfahren zur Herstellung eines Emitter und/oder Detektorbauelements für Submillimeter- wellen-Strahlung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Schicht durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) und analoger Verfahren, wie z.B. der Atomlagenepitaxie (ALE), der Feinfokus- Ionenstrahlepitaxie (FIBE) erzeugt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Gerät spektroskopische Mittel zur Beobachtung der Grenzfläche und zur Steuerung des Wachstums der HTS-Schicht aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 und/oder 14, gekennzeichnet durch die folgenden Prozeß schritte:
(a) Epitaxiales Aufwachsen einer HTS-Schicht mit geneigter a-Achse, 100-500 nm dick, auf einem geeignet geschnittenen Wafer (Substrat) mit oder ohne eine oder mehrere Pufferschichten.
(b) Lithographie zur Herstellung der Gräben.
(c) Ionenätzen bis zur Substratoberfläche.
(d) Entfernung des Photolacks.
(e) Anbringen von Metallkontakten an die HTS-Elektroden.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HTS-Schicht durch chemische Gasphasen-Abscheidung (CVD) und analoger Verfahren hergestellt wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HTS-Schicht durch Laserimpulsabscheidung (PLD) und analoger Verfahren her- gestellt wird, eingeschlossen der Fall, daß das PLD-Gerät über spektroskopische Mittel zur Grenzflächenbeobachtung und Steuerung des Wachstumsvorganges ausgestattet ist.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HTS-Schicht durch Sputterabscheidung (SD) und analoger Verfahren hergestellt wird, eingeschlossen der Fall daß das SD-Gerät über spektroskopische Mittel zur Grenzflächenbeobachtung und Steuerung des Wachstumsvorganges ausgestattet ist.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente-Struktur unter Verwendung von Mikromasken erzeugt wird.
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